猪粪与化肥配施对双季稻产量及氮素吸收利用的影响

2019-09-04钱银飞邵彩虹邱才飞陈先茂关贤交邓国强彭春瑞

江西农业学报 2019年8期

钱银飞,邵彩虹,邱才飞,陈先茂,关贤交,陈金,谢江,邓国强,彭春瑞

(江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所/农业部长江中下游作物生理生态与耕作重点实验室/国家红壤改良工程技术研究中心,江西南昌 330200)

水稻是我国第一大粮食作物,2015年全国水稻种植面积3021.6万hm2,占粮食作物面积的26.66%,产量2.08亿t,占粮食产量的33.5%[1]。目前水稻施肥以化肥为主,很少施用有机肥,长期单施化肥导致了土壤酸化、板结、耕性不良、稻米品质下降、环境污染、肥料利用率持续降低等一系列不良后果[2-5]。同时我国是世界第一养猪大国,养猪业为我国农业和农村经济作出了重大贡献[6]；但随着生猪养殖业的规模化发展和集约化程度的提高,养殖数量增多，密度增大,在饲养和加工过程中产生的大量排泄物和废弃物对环境的污染越来越突出[7]。资料显示,中国畜牧业每年产生27亿t动物粪尿,其化学需氧量(COD)、氨氮排放量(ANE)分别达到1184万t、65万t,分别占全国总量的45%、25%,分别占农业的95%、79%；其中约8.64亿t动物粪便来自养猪业[6]，因此治理养猪业污染刻不容缓。2011年6月,国家首次将畜禽养殖污染减排作为削减污染物排放总量、改善农村生态环境的重要措施纳入污染减排范围[8]。如何科学地消化利用养猪排泄物和废弃物是目前面临的重要课题。有研究表明,用经发酵处理过的猪粪还田是实现猪粪的资源化利用的最经济且有效的途径[9],同时还能培肥农田,促进农作物高产、优质,降低农产品生产成本[10-12],达到实现牧业减污、农业减肥的双重效果。然而,与单施化肥相比,猪粪有机肥虽肥效持久,但其养分含量低,释放速度慢,单施难以满足作物快速生长阶段的养分需求。而猪粪与化肥的配合施用,则可互相取长补短,实现双赢。长期以来,有机肥与化肥的配合施用一直为人们所关注。徐明岗等[13]连续6年的田间定位试验表明化肥有机肥配合施用(化肥有机肥氮各占一半,其中有机肥为猪粪)能提高水稻产量和肥料利用率，减少环境污染，培肥土壤。侯红乾等[14]连续25年的田间定位试验结果表明,在等养分条件下红壤稻田系统的增产和稳产性能均以有机无机肥配施最好,高量有机肥更有利于稻田持续增产,有利于红壤稻田土壤培肥。冀建华等[15]研究认为有机无机肥配施是双季稻高产和稳产的最佳施肥措施,其中等比例配施有机无机肥在产量相对较高的条件下(与均衡施化肥处理相比)稳产性最好;30%有机肥配施70%化肥和70%有机肥配施30%化肥两个处理在稳产性相对较好的情况下产量最高、适应性最强。孟琳等[16]的研究结果表明,有机肥料氮与化肥氮配施能获得比单施化学氮肥处理更高或持平的稻谷产量；与单施化学氮肥处理相比,施用有机无机肥料可以获得较为平稳的氮素供应过程,有效地提高水稻的氮肥回收效率和氮肥农学效率。这些试验结论比较一致地认同了有机肥和无机肥配施在提高水稻产量和肥料利用率的效果。但有机肥和无机肥配施到底何种比例合适,则因试验条件不同等不尽相同。江西双季稻区水稻主要种植在红黄壤上,土壤有机质含量低,保水保肥性能差,加之水稻生长季节适值雨季,易造成养分流失,降低肥效。同时随着养猪水平的提高,目前规模化精饲养猪已成主流,养猪排泄物猪粪的组成与过去的猪粪相比也有很大差异。因此开展本区域猪粪还田试验,明确猪粪与化肥配施比例对提高双季稻产量和肥料利用率具有重要意义。鉴于此,我们选用规模化养猪场的猪粪,通过设置等氮量条件下猪粪与化肥不同配施比例的小区试验,研究了短期不同配施方式对双季稻的分蘖发生及成穗、氮素吸收利用及产量形成的影响，以期明确适合双季稻区的短期猪粪与化肥配施方式,为双季稻区合理施肥、猪粪等有机废弃物的资源化利用以及有机肥的大面积推广与应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2013～2014年在江西省南昌县向塘镇高田礼坊村试验田(116°8′E、28°58′N)进行。该区地处赣抚平原灌区,属亚热带湿润性季风性气候,年平均气温为17.5 ℃,年平均无霜期280 d左右,年均日照时数2000 h左右,太阳总辐射量为 460.55 kJ/cm2左右,年平均降雨量 1500 mm左右。供试土壤为第四纪红壤(地质学俗称“莲塘层”),试验实施前土壤性状为pH 5.51,有机质19.3 g/kg,全氮1.02 g/kg,全磷0.51 g/kg,全钾12.14 g/kg,碱解氮202 mg/kg,有效磷15 mg/kg,速效钾86 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设5个处理:CK(空白,不施肥); T1,全部施用化肥; T2,猪粪替代化肥25%; T3,猪粪替代化肥50%; T4,猪粪替代化肥75%。单施化肥处理T1,总施氮量按早稻180 kg/hm2,晚稻225 kg/hm2,氮∶磷∶钾=1∶0.5∶1;氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶3∶2运筹。其中分蘖肥在移栽后5～7 d撒施,穗肥在倒2叶龄期施用。猪粪有机肥替代化肥处理均使用等量氮,按设定的含N量确定猪粪施用量。猪粪及磷、钾肥全部作为基肥施用。每个处理设3个重复,随机区组排列,每小区3 m×12 m,小区四周做埂并用薄膜覆盖。水稻栽插规格为13.32 cm×23.31 cm。每兜2苗。试验品种为早稻超级稻品种金优458,由江西省农业科学院超级稻中心育成。晚稻为五丰优T025,由江西农业大学育成。供试猪粪由昌东中型养猪场提供,经发酵堆沤处理,2013年猪粪含氮1.07%、有效磷(P2O5)1.83%、速效钾(K2O)1.19%。2014年猪粪含氮1.12%、有效磷(P2O5)1.56%、速效钾(K2O)1.34%。2013年早稻试验于3月20日播种,4月20日移栽,7月20日收获；晚稻于6月20日播种,7月25日移栽,10月15日收获；其余田间管理措施同当地一般高产栽培措施。2014年早稻试验于3月25日播种,4月25日移栽,7月22日收获；晚稻试验于6月22日播种,7月28日移栽,10月18日收获；其余栽培措施同当地高产栽培措施。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 土壤样品的采集分别在试验前(未施肥、未翻耕)及水稻收获后采用蛇形法5点采集0～20 cm的耕层土样,采用常规方法[17]分析其pH值以及有机质、全N、全P、全K、碱解N、速效P、速效K等含量。

1.3.2 猪粪样品的采集用小铲在肥堆的顶部、中部、下部及中心分别取经堆沤处理的猪粪100 g,共取10个点,立即放入4～6 ℃的冰箱,以备测定猪粪养分。

1.3.3 分蘖动态观察在插秧时每处理定10蔸(每蔸秧苗素质和苗数一致),在插秧后每5 d调查一次分蘖数,直到分蘖停止或减少为止。在抽穗期调查有效穗数。

1.3.4 植株取样分析在移栽后每处理确定取植株样小区,于移栽期、够苗期、拔节期、抽穗期和成熟期每小区普查100蔸茎蘖数，按蔸计算平均茎蘖数。取5蔸完整植株,按茎鞘、叶、穗进行器官分割,105 ℃杀青30 min,然后80 ℃烘干称重,经粉碎机粉碎和1 mm筛子过筛后,采用H2SO4-H2O2消煮法,然后用凯氏定氮法测定不同器官氮含量。另外在够苗期按蔸平均茎蘖数,取5蔸用于考察不同叶龄分蘖的构成。

1.3.5 产量测定在收获前1～2 d，调查各处理20蔸的平均有效穗数；每处理选有代表性的稻株5蔸,进行室内考种，测定株高、穗长、平均穗数、总粒数、实粒数、结实率、千粒重;收获时各小区分开脱粒、扬净、干燥并称重,单独计产。

1.3.6 有关指标计算方法相关计算公式如下:

氮素积累总量(TNA, Total Nitrogen Accumulation, kg/hm2)=植株地上部的全氮含量×单位面积植株地上部干重;

氮肥表观利用率(NARE, Nitrogen Apparent Recovery Efficiency, %)=(施氮区植株总吸氮量-空白区植株总吸氮量)/施氮量×100;

氮肥农艺利用率(ANUE,Agronomic Nitrogen Use Efficiency, kg/kg)=(施氮区产量-空白区产量)/施氮量;

氮肥偏生产力(PFP, Partial Factor Productivity, kg/kg)=施氮区产量/施氮量;

土壤氮素依存率(SNDR,Soil Nitrogen Dependency Rate, %)=空白区植株总吸氮量/施氮区植株总吸氮量×100。

1.4 数据分析方法

数据处理和统计分析采用Excel 2003和DPS 7.05完成。

2 结果与分析

2.1 对产量及其构成因素的影响

产量结果(表1)表明,2013年早晚稻各处理的产量均表现为T2>T3>T1>T4>CK,所有施肥处理的产量均高于未施肥处理(CK),2013年早稻产量比CK增加了2286.5～3127.6 kg/hm2,增产率为34.62%～47.35%；晚稻增产2429.0～3229.5 kg/hm2,增产率为45.79%～60.88%。2014年早晚稻各处理的产量排序均为T2>T3>T4>T1>CK。2014年早稻增产2722.5～3255.0 kg/hm2,增产率为41.36%～49.45%；晚稻增产2970.0～3834.0 kg/hm2,增产率为60.26%～77.78%。两年早晚稻产量对施肥处理的响应相同,晚稻的增产效果要好于早稻。75%的猪粪替代化肥处理T4虽短期(1年)产量不及全化肥处理,但到了第二年该处理的产量开始高于全化肥处理。不同猪粪与化肥配施处理2年4季的产量均显示为T2>T3>T4。与单施化肥相比,猪粪与化肥配施处理的产量构成因子变化规律不是十分明显。猪粪与化肥配施的3种处理的总颖花量均显著高于全施化肥处理的,但三者之间的差异未达显著水平。在猪粪与化肥配施的3种处理之间,结实率差异较大,基本表现为随猪粪施用量的增加,结实率呈下降趋势。

2.2 对茎蘖动态的影响

由于2013年和2014年的茎蘖动态变化相似,本文以2013年的结果进行分析。由图1可见,2013年各处理的茎蘖动态曲线表现为先增加后减小的趋势,在抽穗以后茎蘖变化很小。各施肥处理的整个曲线显著高于CK对照的,早晚稻均表现为如此,表明施肥有助于增加分蘖数。所有处理的早稻的高峰苗期在5月18日,晚稻的高峰苗期出现在8月30日。早、晚稻的高峰苗数均以T1处理最高,最高茎蘖数最大,而在猪粪与化肥配施处理T2、T3和T4之间高峰苗差异不显著。这可能是由于T1处理施用的全部是化肥,肥效快，导致双季稻前期养分供给充足,促进了分蘖早发、多发,所以高峰苗多；而猪粪为有机肥,养分释放慢，所以化肥配施猪粪后,前期发苗慢,高峰苗不及单施化肥处理的。

表1 不同处理对双季稻产量及其构成因素的影响

注:同列数据后附不同大写和小写字母分别表示在1%和5%水平上差异显著,下同。

图1 2013年不同施肥处理的水稻茎蘖动态

2.3 对分蘖成穗特征的影响

对2013年够苗期不同叶龄的分蘖比率进行分析，结果(表2)表明,在各处理间有效分蘖(3 叶龄以上的分蘖)比率差异达显著水平,不同施肥处理均表现为T2>T3>T4>T1,早晚稻T2处理中3叶龄以上的分蘖比率分别达到72.35%和72.06%,而全化肥处理T1最低,分别为62.36%和68.23%。在施肥处理中，均以T2处理的成穗率最高,其次为T3处理,接着为T4处理,以T1处理的成穗率最低。这表明全化肥处理T1可以促进分蘖的早生快发,但肥效快,造成水稻生长发育前期群体偏大,无效分蘖(<3叶龄分蘖)和动摇分蘖(3叶龄分蘖)的比率偏高,有效分蘖(3叶龄以上的分蘖)比率偏少,而在分蘖后期从营养生长向生殖生长过渡时出现脱肥现象,分蘖死亡和不能成穗现象增多,最终导致成穗率低。而T2处理由于养分较为均衡,既能发挥化肥促进分蘖早生快发的特点,又能保障有效分蘖的养分供给,提高有效分蘖比率,优化群体结构,因此能提高水稻的分蘖成穗率。T3和T4处理由于化肥比例较小,未能充分发挥化肥促进分蘖早生快发的优势,导致群体分蘖总数较少,有效分蘖的存活率也较T2处理低,最终导致成穗率不及T2处理。2014年在够苗期不同叶龄分蘖所占比例及成穗规律与2013年相似。

2.4 对地上部干物质积累的影响

2013年双季稻干物质积累如图2所示,随着水稻生育期的推进,各处理的地上部的干物质累积量呈逐渐增加趋势。在水稻整个生育期,各施肥处理的干物质累积量显著高于CK。T1在拔节期干物质积累量比配施处理略有优势。而T2处理在抽穗期和成熟期干物质累积量显著高于其他处理。3种猪粪与化肥配施的处理在拔节期、抽穗期和成熟期的干物质积累量均表现为T2>T3>T4。这表明低量猪粪替代化肥比高量猪粪替代化肥更有利于水稻的生长发育和干物质积累。2014年双季稻的干物质积累与2013年类似。

表2 2013年不同处理对双季稻叶蘖构成和成穗率的影响

ES为拔节期,HS为抽穗期,M为成熟期。

2.5 对双季稻氮素吸收的影响

由表3可见,2013年和2014年各处理的水稻全生育期氮积累量以拔节之前最多,拔节到抽穗次之,抽穗到成熟期最少。所有处理各生育期的氮素积累量均以CK最低,T2最高。T1处理从抽穗到成熟期的氮素积累量显著小于其他3种配施处理的(2013年早稻分别少26.69%、35.56%和34.90%,晚稻分别少38.47%、39.01%和48.86%；2014年早稻分别少7.98%、9.97%和3.73%,晚稻分别少27.94%、18.69%和12.85%),这进一步说明化肥的速效性很难满足抽穗以后水稻对氮素的需求,导致抽穗到成熟期的氮素积累量低。2013年早稻施肥处理总的氮素积累量表现为T2>T3>T1>T4,晚稻则表现为T2>T3>T4>T1,在T1和T4间早晚稻的总氮素积累量差异不显著。2014年早晚稻施肥处理总的氮素积累量均表现为T2>T3>T4>T1。猪粪和化肥配施的3种处理的氮素积累量均表现为T2>T3>T4。这表明低量猪粪替代化肥既能满足水稻早发生长对速效肥料的养分需求,又有部分有机肥后发继力,满足水稻后期生长的养分需求,从而可以提高水稻对氮肥的吸收和利用,提高氮素积累量。高量猪粪替代化肥处理因为前期无机化肥施用较少,拔节前氮素积累量明显不如低量猪粪处理的,不能满足水稻分蘖早生速发的养分需求,搭不好苗架子,虽后期有充足养分供应,但也不及低量猪粪处理的。

2.6 对双季稻氮素利用的影响

由表4可见,2013年早稻不同施肥处理的氮肥表观利用效率、氮肥农艺利用率、氮肥生理利用率、氮肥偏生产力和土壤氮素依存度基本表现为T2>T3>T1>T4或者T2>T3>T4>T1。2014年不同施肥处理的氮肥表观利用效率、氮肥农艺利用率、氮肥生理利用率、氮肥偏生产力和土壤氮素依存度基本表现为T2>T3>T4>T1,早晚稻均表现为如此。高量猪粪处理T4的早晚稻的氮肥表观利用效率、氮肥农艺利用率、氮肥生理利用率、氮肥偏生产力和土壤氮素依存度不及低量猪粪处理T2和T3的,这可能与T4处理一方面猪粪比例过高,养分释放缓慢而不完全,最终导致一些养分流失有关，另一方面也可能与其无机速效养分较少,未能形成早壮群体,导致群体吸收养分能力弱有关。低量猪粪处理的有机无机养分协调,能使水稻吸收的氮素较多地转化为经济产量,避免无效积累,最终提高了氮素的利用效率。

表3 不同处理双季稻不同生育期的氮素吸收特征

表4 不同施肥处理下水稻的氮素利用率

3 讨论

“庄稼一枝花,全靠粪当家”,猪粪作为优质的可再生有机肥资源,其除了含有N、P、K和有机C养分外,还可提供相当数量的中微量元素、氨基酸、核酸、糖、维生素等有机营养成分,以及有益微生物和各种活性酶,在保持、改善和提高土壤肥力,活化土壤养分,增强微生物活性,促进农作物高产、优质，降低农产品生产成本,提高作物的抗逆境胁迫能力方面有着不可替代的作用[18-20]。但是猪粪作为有机肥,也存在养分释放速率较慢,当季释放的氮素少,土壤供氮能力弱,难以及时满足水稻生长对养分的需求等问题,而化肥养分含量高,肥效快,但持续时间短,因此需要两者配施以达到取长补短、均衡养分的目的。本研究也证明了这一点,全部施化肥处理T1在水稻生育前期养分供给充足,促进了分蘖早发、多发,高峰苗多,但分蘖群体质量较差,无效分蘖多。而猪粪与化肥配施处理,前期发苗慢,高峰苗数不及单施化肥处理,但配施处理养分供给均衡,形成了健康高效的分蘖群体,减轻了无效茎蘖与有效茎蘖争夺养分,提高了成穗率,减少了肥料浪费,增加了光合物质的积累量,增加了对氮素的吸收利用,最终获得了较高的产量。这与孟琳[16,21-23]等的研究结果相同,这可能因为猪粪和化肥配施,猪粪中一部分氮暂时转变成土壤氮库中的有机态氮,可以减少氮素损失[24-25];待后期水稻需要时逐渐释放,供作物生长利用,从而更符合水稻的需肥规律,可以提高氮素吸收利用效率[26-27]。

到底何种有机无机肥配施比例最佳,最有利于作物产量潜力的发挥?大量的学者做了大量研究,得出了不同的结论。但均认为并不是有机肥越多越好,而是存在一个最适的比例[14-16,21-23],必须根据水稻的需肥特点和土壤肥力特征合理调节有机肥氮与化肥氮的比例,才能充分发挥有机肥氮部分替代无机氮的增产潜力。在本试验中，25%的猪粪与75%化肥配施处理T2通过调节土壤与化肥养分的释放强度和速率,使水稻各生育阶段得到更为均衡的矿质营养,更能符合水稻吸肥规律,从而促进了水稻分蘖的早生快发,增加了有效穗数,实现了群体总颖花数的提高,而且后期供肥量大,更有利于光合产物的积累和籽粒的充实,从而提高了水稻的产量。而加大猪粪施用比例,则水稻的群体分蘖质量变差,成穗率降低,氮素吸收和利用效率降低,光合物质积累少,产量降低,而且猪粪所占比例越高,水稻群体质量越差,产量越低。猪粪所占比例越高,则水稻分蘖早生快发壮蘖能力越弱,也导致部分猪粪营养物质不能被消化吸收而导致流失浪费。此外，规模化养猪场养殖的猪大都采用含重金属的饲料喂养，猪粪等排泄物中存在重金属等一些有毒有害物质，因此高量施用猪粪会对水稻生长发育产生不利影响,最终影响产量和肥料利用率。