猪粪与氮肥配施对水稻生长及氮素利用的影响

郑网宇 吴园园 张辉 宁运旺 马洪波 汪吉东 张永春 艾玉春

摘要：为实现畜禽粪便消纳及水稻化肥减量生产，利用2年的田间试验研究猪粪替代高量氮肥对水稻生长动态及氮素吸收利用的影响。结果表明，单施225 kg/hm2化肥氮（N1）处理的产量显著低于其他处理，225 kg/hm2化肥氮结合总氮量26.4 kg/hm2的猪粪（N1M）（总氮量251.4 kg/hm2）处理的产量和单施270 kg/hm2化肥氮（N2）处理无显著差异。N1M处理的产量效应与促进水稻苗期根系生长及齐穗期后氮素高强度供应有关，但225 kg/hm2化肥氮+26.4 kg/hm2 猪粪氮+4 500 kg/hm2秸秆（N1MR）处理水稻在分蘖期和孕穗期吸氮量较低。N1M处理2年的氮素利用回收率均值与N2处理相比增幅为7.10%;270 kg/hm2化肥氮+26.4 kg/hm2猪粪氮（N2M）处理的氮素回收利用率均值与N2处理相比增幅为9.85%，表明猪粪和氮肥配合对水稻氮素吸收产生促进作用，减氮45 kg/hm2配施猪粪（总氮量26.4 kg/hm2）或和秸秆配合可有效保持水稻的高产和氮素吸收利用，在水稻分蘖期和齐穗期注意氮肥调控能获更高增产效果。上述结果可以为水稻的减量施肥提供依据。

关键词：水稻;猪粪;秸秆;氮肥;减量施肥;氮素利用率

中图分类号： S511.062文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）21-0139-05

收稿日期：2018-07-14

基金项目：国家自然科学基金（编号：41201278）;江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（18）3002];国家重点研发计划（编号：2016YFD0200805、2016YFD0200500）。

作者简介：郑网宇（1979—），男，江苏丹阳人，高级农艺师，主要从事土壤肥力质量研究与推广工作。E-mail：63736789@qq.com。

通信作者：艾玉春，硕士，研究员，主要从事土壤肥力质量研究。E-mail：yuchunai@126.com。

太湖流域是我国重要的水稻产区和主要的畜禽养殖集中区。近几十年来，化肥施用尤其以氮肥长期处于高位[1]，大量不合理施用化肥尤其氮肥除导致肥料利用率低和经济成本增加外，还导致土壤质量下降及农业面源污染等问题[2-3]。与此同时，太湖流域是重要的畜禽养殖基地，每年产生大量畜禽粪便及作物秸秆未能合理消纳，其不合理堆放、排放造成的环境问题也甚为严重[4]。猪粪及秸秆类物质含有大量的养分、有机物质和活性物质等[5-6]，对其还田利用一方面能够替代部分化学养分，同时猪粪的实时还田处理还可以减轻因长期堆放导致的养分损失及可能产生的二次污染[7]，对土壤质量提高及污染排放削减具有显著的现实意义[8]。此外，有长期定位试验表明，长期猪粪、稻草与化肥配合施用能显著改善土壤化学和生物化学性质，提高土壤质量和土壤肥力[9]。

农田是秸秆和畜禽粪便类有机物适宜的消纳场所，但不同有机物废料组分复杂多样，投入种类及方式不同可能对土壤生产力和养分利用产生不同的影响[5-6]。现有的很多研究开展了畜禽粪便或秸秆还田对土壤生产力及土壤质量的影响，但将秸秆和猪粪配合开展的激发式还田效应报道较少[6]。基于在养分投入总量相同下，一定比例的有机肥配施化肥能取代甚至超过单施化肥，有利于作物稳产高产并提高土壤肥力和氮肥利用率[10-11]。但是在水稻减肥减药问题上，已有的研究多是基于等量养分的有机无机配施方式[12]，较少涉及施用猪粪或秸秆类物质非等量替代化肥的研究，而往往通过等养分量替代试验很难回答化肥合理的减量区间问题[13]。为此，本研究从2013年开始，定点开展了连续增加施用猪粪、秸秆试验，探讨猪粪与氮肥配施对作物产量及氮素吸收的影响，为该研究区稻田合理的氮素管理奠定理论基础，同时为合理开展水稻养分高效管理奠定现实基础。

1材料与方法

1.1试验点概况

采用田间定位试验的方法，田间小区位于江苏省丹阳市云阳镇良种繁育基地（119°33.36′E、31°54.16′N），属典型环太湖稻麦轮作区。试验从2013年水稻季开始，稻麦轮作持续至今，2013—2015年年均降水量为1 050～1 100 mm。供试土壤为粉砂土，耕层土壤基本理化性状如下：有机质含量19.3 g/kg、全氮含量1.4 g/kg、碱解氮含量80.5 mg/kg、有效磷含量15.6 mg/kg、速效钾含量87.4 mg/kg，pH值6.29。水稻品种为武运粳30，供试氮肥为尿素（含氮46.4%），分基肥、蘖肥、穗肥3次施入;磷钾肥以磷酸氢二钾（含P2O5 408%、K2O 54.0%）做基肥一次性于整田前施入;豬粪取自周边养殖场（生猪粪覆膜后高温发酵30 d，含水量控制在30%），按每小区（20 m2）4.5 kg施入（含水率22.2%，干基N、P2O5、K2O平均含量分别为15.1、27.1、16.9 g/kg），折合干猪粪1 750 kg/hm2。小麦秸秆按4 500 kg/hm2（每小区9 kg）进行定量投入（N、P2O5、K2O平均含量分别为0.765%、0.05%、2.8%）。

1.2试验设计

水稻种植期各处理如下：①不施氮肥处理（对照，CK）;②氮肥减量处理（N1，减氮45 kg/hm2）;③习惯施氮处理（N2）;④氮肥减量+猪粪（N1M）;⑤习惯施氮+猪粪（N2M）;⑥减氮+猪粪+秸秆（N1MR），具体氮磷用量如表1所示。试验小区面积20 m2（长×宽=5 m×4 m），小区外围设保护行，小区之间用双层塑料薄膜覆盖土坝，薄膜埋深60 cm，3次重复。在5月中旬进行育苗，6月底按每小区苗数定量人工移栽，栽插密度30 cm×13.3 cm。各小区猪粪、秸秆与225 kg/hm2磷酸氢二钾一次性基施，人工耕翻整平，麦季猪粪量及磷、钾投入量和稻季一致。氮肥用量的40%作为基肥，于6月底施入;60%的追肥分别于7月下旬、8月下旬等量施入。

2.4氮素利用率

由表3可知，水稻氮利用率指标年际间差异明显。2014年各处理氮回收利用率（NRE）均低于2015年，但生理利用率（NPUE）呈现相反趋势。相同尿素氮量下，增施猪粪处理氮肥回收利用率、农学利用率都呈上升趋势。2014年N1M、N2M相比对应N1、N2处理其氮肥回收利用率增量分别为14.0、7.9百分点，2015年N1M、N2M相比对应N1、N2处理其氮肥回收利用率增量分别为10.6、11.8百分点，而N1MR处理，其氮肥回收利用率2014年和2015年与N1处理相比增量分别为12.9、10.7百分点，与N2处理相比增量分别为31、101百分点。在2014年，所有施肥处理中N2M处理的氮素回收利用率及农学利用率均为最高，分别比单施尿素的N2处理高26.16%、35.11%，差异达显著水平（P<0.05）;2015年也呈相同趋势。N1M和N1MR的次之，而单施尿素的N1和N2处理，氮素回收利用率都较低，且随施氮量增加，其氮素回收利用率及农学利用率都小幅提高，但生理利用率及氮肥偏生产力则下降。

各施肥处理的生理利用率及氮肥偏生产力整体呈随施氮量上升而下降趋势（2015年的生理利用率除外）。2015年所有处理比2014年的生理利用率都有下降，且2015年各处理间差异减小，尤其是施用猪粪各处理（N1M、N2M和N1MR）和单施尿素氮处理（N1和N2）的差距缩小，2014年N1M增施猪粪处理的氮肥偏生产力显著高于N2及N1MR，但N2M与N1、N2和N1M差异不显著，2015年各组氮肥偏生产力差异缩小，无显著差异（表3）。

3讨论

3.1不同施肥处理对水稻生长的影响

2年的田间水稻产量表明，无论施氮量225 kg/hm2还是270 kg/hm2 下，增施猪粪或猪粪与秸秆配合对水稻的产量均有促进作用，表现为N2M处理高于N2处理，N1M和N1MR处理都高于N1处理，结合图1和图2来看，增施猪粪处理更有利于苗期水稻根系的早发和氮素吸收，因此具有更高的根系生物量和氮素吸收量，这可能与增施猪粪或和秸秆配合提高稻田田面水铵态氮和总氮浓度有关[17]。各增施猪粪处理分蘖返青期（7月8日）根系干质量及地上部干质量都明显大于单施化肥处理，虽然在分蘖返青期后的拔节期及抽穗期各处理间地上部及根系差异减小，甚至增施猪粪和秸秆处理根系生长受到抑制，但灌浆期（9月29日）及成熟期（10月19日），所有增施猪粪处理的地上部和根系长势都优于单施氮肥处理，表明增施猪粪除利于秧苗早发外，对水稻生长后期有明显的后促作用[12]，在秸秆还田下，拔节期及抽穗期根系的生长即使在增施猪粪下，仍然受到一定的抑制。同时本研究发现，在施氮量225 kg/hm2下，增施干生猪粪1 750 kg/hm2（折合氮26.4 kg/hm2），连续2年的水稻产量、秸秆干质量及总生物量都与施氮270 kg/hm2的单施尿素处理相当，其秸秆干质量及总生物量甚至略高于270 kg/hm2的单施尿素处理，而在施氮量225 kg/hm2下，增施干生猪粪1 750 kg/hm2结合小麦秸秆还田，其产量比单施270 kg/hm2尿素氮处理提高2.39%，且获得更高的秸秆量，表明在该研究区，通过合理的猪粪投入和秸秆管理，可以将化肥氮从270 kg/hm2降低到225 kg/hm2。

3.2不同施肥处理对水稻氮素吸收和利用的影响

实现氮肥的减量增效是达到减肥减药“双减”计划的重要举措[18]。氮素的利用率是社会普遍关注的热点问题，其评价指标主要包括氮素回收利用率、氮素农学利用率、氮素生理利用率和氮素偏生产力等[19]，其中又以氮素利用率即氮回收利用率最受关注[20]。本试验研究中，在减施化肥氮45 kg/hm2 下，增施猪粪处理其氮素回收利用率提高10百分点以上（2014、2015年N1M比N1分别提高14.0、10.6百分点;2014、2015年N1MR分别比N1处理高12.9、10.7百分点），施化肥氮270 kg/hm2的同时增施猪粪氮26 kg/hm2，其氮肥回收利用率比不施猪粪提高达7.9～11.8百分点，氮素回收利用率2年的均值达43.45%。谢芳等比较了不同施氮对水稻氮素吸收的差异，结果表明255 kg/hm2施氮量内，随施氮量的增加作物的产量和氮素利用率逐渐增加，超过施氮量范围，结果呈相反趋势[21]。欧杨虹等发现以25%有机氮肥替代化肥氮其肥效明显高于纯化肥及其他替代比例处理，其氮肥回收利用率高达48.6%[21]，以上表明本试验中的氮素回收利用率处于合理的取值空间，在270 kg/hm2的供氮范围，氮素回收利用率有随产量增加而增加趋势。

研究显示，在总氮量一致下，以有机氮替代一定比例的无机氮可以小幅提高水稻的产量[11-24]。孟琳等研究发现，有机肥替代率不高于20%时，水稻、小麦的产量能够显著提高，并认为与有机无机配施可以改善土壤状况，平衡氮素等养分的供应过程[12，25]。然而很少有研究猪粪替代高量氮肥和足量施氮下增施猪粪的效果。哈丽哈什·依巴提等研究了不同比例猪粪和化肥配施下水稻产量，发现猪粪替代化肥下氮磷钾的收获指数都高于纯化肥组，同时提高了氮的回收率，减少施氮量12.5%，可达到与普通化肥相当的增产作用[26]。本试验中，结合产量和生物量数据来看，在施氮量270 kg/hm2的前提下，减少化肥氮16.6%（1/6）情况下，通过猪粪或与秸秆配施，可以达到普通化肥的产量水平，其原因在于猪粪的添加施用一方面增加了氮的总投入，同时与化肥氮产生协同效应，促进水稻氮的吸收，导致氮素的回收利用率上升。

4结论

（1）在施氮量270 kg/hm2背景下，减氮16.7%配合猪粪施用水稻产量不减产，与猪粪及秸秆配合甚至略有增加;施化肥氮量270 kg/hm2下，增施豬粪增产8.29%。

（2）施用化肥的基础上增施猪粪可促进水稻氮的吸收和利用。施化肥氮225 kg/hm2，增施猪粪处理2年的氮素回收利用率分别提高68.63%、29.12%;施化肥氮270 kg/hm2下，增施猪粪处理氮素回收利用率分别提高26.16%、31.89%。

（3）增施猪粪或与秸秆配施提高水稻产量与促进苗期根系早发以及灌浆期后氮素的持续供应有关，但施化肥氮量225 kg/hm2下，在拔节期和抽穗期，增施猪粪和秸秆还田处理水稻吸氮量较低。

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