猪粪化肥配施对稻田土壤氮素含量及氮肥利用效率的影响

孙铭鸿，蒋炳伸, ，沈健林, *，宋变兰,，李巧云，李勇,，吴金水,

（1.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128；2.中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125；3.中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站，湖南 长沙 410125；4.航天建筑设计研究院有限公司，北京 100071）

水稻是我国最重要的粮食作物之一，其产量约占我国粮食总量的32%[1]，保证水稻稳产、高产对我国粮食安全和社会稳定起着重要作用。氮素是水稻生长发育所必需的大量营养元素之一，农业生产通过氮肥施用来实现作物增产。我国氮肥消费居世界第一，但氮肥利用率较低，大多为30%～35%[2-3]。长期过量施用氮肥不仅会产生NH3、NOx和N2O 污染大气，以及通过农田系统淋洗和径流而损失造成水体富营养化等生态环境问题[4]，还会使土壤退化、酸化和肥力下降等[5-6]。因此，如何优化施用氮肥既能提高作物产量和氮肥利用率，又能减少氮素损失，对农业可持续性生产具有重要意义。

我国是世界上养殖大国，每年约产生27 亿t畜禽粪便，猪粪约为8.64 亿t[1]，如果不进行合理有效的处理，将会对生态环境产生不良影响。而猪粪中氮、磷和钾含量丰富[7-8]，农田土壤添加猪粪等有机废弃物代替部分化肥、不仅可以减少化学肥料用量，而且能提高土壤养分和氮素利用率，还能降低环境污染风险[9-11]。当前，国内有关化肥减量配施有机肥措施对土壤肥力及氮肥利用率研究较多[12-13]。陈贵等[14]通过5 年田间定位试验研究发现，与化肥处理相比，猪粪添加处理使土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量均有不同程度增加。李燕青等[15]通过鸡粪或猪粪单独施用或配施少量化肥氮可实现与化肥相当的氮素利用效率，同时提升土壤肥力。孟琳等[16]研究结果表明，与单施化学氮肥处理相比，有机肥氮代替化学氮肥的15%～30%和10%～20%时显著提高了水稻产量和氮素利用率，氮素利用率分别为36.6%～48.1%和34.3%～40.0%。钱银飞等[17]研究表明，猪粪替代25%化学氮肥，提高了南方红黄壤双季稻产量，促进氮素的吸收和利用。徐明岗等[18]研究表明，猪粪代替50%的化学氮肥处理水稻籽粒产量最高（为12.2 t/hm2），与不施氮肥的对照（7.3 t/hm2）相比增加了68%，氮肥利用率平均为36.3%。

猪粪与化肥配施下，有机肥矿化速度慢（矿化率较低，且矿化率恒定）、有利于持续维持氮素供应，而降低氮素损失，提高氮肥利用效率[19]。而且，猪粪含有丰富的碳、氮、磷等多种营养物质，以及本身含有大量微生物和酶类，施入土壤能为微生物提供大量的外源碳和养分，微生物数量大量增加，可促进土壤养分循环[20]。双季稻体系早稻季和晚稻季的气温、降雨量差异显著[21-23]，可能影响微生物活性、粪肥有机氮的降解速度和释放，进而影响稻田土壤氮素有效性。而受温度、降雨等环境因子的影响，猪粪与化肥配施如何影响早稻季和晚稻季土壤氮素有效性及水稻氮吸收还尚不清楚。因此，本研究以田间定位试验为依托，通过设置不施氮肥、常规化学氮肥、常规化学氮肥减半和猪粪替代50%化学氮肥的4 个处理，旨在分析有机无机肥配施对双季稻田早、晚稻季土壤氮素有效性及其水稻氮素吸收的特征及其影响因素，以期为双季稻田氮素高效利用提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

田间定位试验开始于2012 年早稻季，其位于湖南省长沙县金井镇的中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站[24]。试验田地处28°33′04″ N，113°19′52″ E，海拔100 m。试验期间2016 年和2017 年的年平均气温分别为17.57 和17.56 ℃，年降雨量分别为1 571 和1 759 mm，降雨多集中在每年3—8 月份，占年降雨量的60%以上，无霜期约为300 d。试验田土壤类型为花岗岩红壤发育的水稻土，俗称“麻沙泥”。土壤基础理化性质为：有机碳为18.9 g/kg，土壤全氮为1.78 g/kg，土壤全磷为0.57 g/kg，土壤全钾（K2O）为31.7 g/kg，土壤速效磷为11.1 mg/kg，pH（H2O）为5.1。土壤机械组成中砂砾、粉粒和粘粒的质量分数分别为45.8%、28.6%和25.6%。

1.2 试验设计与方法

试验设置4 个处理：不施氮肥处理（N0）、50%化学氮肥处理（1/2N）、100%化学氮肥处理（N）和猪粪替代50%化学氮肥处理（1/2N+M）。田间定位试验小区面积为35 m2（5 m×7 m），每个处理重复3 次。氮肥（N）在早稻季和晚稻季用量分别为120 和150 kg/hm2，磷肥（P）则分别为17.5 和25.1 kg/hm2，钾肥（K2O）在早稻季和晚稻季中用量相同，均为100 kg/hm2。有机肥为当地养猪场的鲜猪粪，一般在施用前一个月内备足并进行堆沤，在使用前一星期混匀后取样测定猪粪中总氮、总磷和总钾的含量。鲜猪粪中总氮、总磷（以P2O5计）和总钾（以K2O 计）平均分别为0.84%、3.3%和1.04%，早稻季和晚稻季均施用猪粪，施用量为7.1～8.9 t/hm2。化学氮肥采用尿素，磷肥采用钙镁磷肥，钾肥采用氯化钾；常规氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥比例5 ∶3 ∶2分次施用，处理1/2N 和1/2N+M 化学氮肥按基肥∶分蘖肥的比例5 ∶5，猪粪同磷肥、钾肥作基肥一次性施用。处理1/2N+M 化学氮肥的50%由猪粪替代，化学磷、钾肥的施用抵扣猪粪提供的磷和钾的量。试验小区水分管理方式均采用间歇灌溉，即在水稻移栽后稻田进行淹水，水稻分蘖盛期（约移栽后一个月）进行排水晒田，晒田时间约10 d，之后又重新复水直到收割前1 周排干稻田水分。各小区严格控制杂草生长，其他田间管理措施与当地大面积生产相一致。

1.3 样品采集与保存

样品采集于定位试验开展的第5 年（2016 年）和第6 年（2017 年）。在试验开展后5～6 年开展本研究，这主要是因为有机肥施用一定年限后，其对土壤性质的影响相对稳定，从而有利于检验其效果。早、晚季稻田土样分别在分蘖期（早稻季为5 月上旬、晚稻季为8 月上旬）、抽穗期（早稻季为6 月中旬、晚稻季为9 月中旬）和成熟期（早稻季为7月中旬、晚稻季为10 月下旬）进行采集，每个试验小区按照S 型采样法随机选取5 个采样点，采集表层土壤（0～20 cm），除去杂质，混合均匀，带回实验室。土样均分成两部分，一部分贮藏在4 ℃冰箱，以备土壤微生物生物量氮（SMBN）、铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）的测定；另一部分自然风干，磨细，过100 目筛，室温保存，以备土壤全氮含量（STN）测定。本研究土壤全氮含量在生长季变异较小，仅在收获期测定。水稻早、晚稻季土壤SMBN、NH4+-N 和NO3--N 含量每个稻季的6 次取样的平均值代替。在水稻收获期，根据每个小区平均分蘖数，采集5 株代表性植株样，冲洗干净后，分成籽粒、秸秆和根，放入烘箱70 ℃烘干至恒重，磨碎，过100 目筛，室温保存。

1.4 样品测定

土样理化指标测定参照《土壤农业化学分析方法》[25]。NH4+-N 和NO3--N 采用0.5 mol/L K2SO4溶液震荡、浸提、过滤后，浸提液后直接由连续流动分析仪测定（FIAstar 5000 型，福斯特卡托公司，瑞典）。SMBN 采用氯仿熏蒸—0.5 mol/L K2SO4浸提法[26]测定。以熏蒸与不熏蒸土样氮的差值除以转换系数（0.45）来计算SMBN。STN 测定以1 ∶10硫酸铜和硫酸钾为催化剂，用浓H2SO4消化法得到消解液，再用连续流动分析仪测定。植物秸秆和籽粒氮含量参考《土壤农业化学分析方法》[25]，采用浓 H2SO4-H2O2消煮、由连续流动分析仪测定。

1.5 氮肥利用率计算

水稻地上部氮吸收（TNU，kg/hm2）计算公式为：

式中：Ns和Ng分别为秸秆和籽粒氮含量（g/kg）；Ys和Yg分别为秸秆和籽粒产量（kg/hm2）。

氮肥利用率（NUE，%）计算公式为：

式中：TNUN为收获期施氮处理水稻地上部吸收（kg/hm2），TNU0为收获期未施氮处理水稻地上部氮吸收（kg/hm2），F为氮肥用量（kg/hm2）。

所有试验数据采用Microsoft Excel 2010 作图与SPSS 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤全氮和微生物生物量氮

早、晚稻季各处理土壤全氮在2016 年和2017年2 年平均含量变化范围分别为1.9～2.1 和1.8～2.2 g/kg（图1）。1/2N+M 处理土壤全氮年均含量最高，为2.2 g/kg，显著高于其他处理，且比100%化学氮肥处理高出15%。猪粪作为有机肥施入稻田后，土壤有机碳、氮增加，由于有机氮相对于化肥氮分解转化速率较慢，有利于土壤氮素累积，从而促进稻田土壤总氮增加。早、晚稻季N 处理和1/2N 处理土壤全氮含量显著高于N0 处理。这表明N0 处理由于长期不施化肥，土壤有机氮通过矿化损失后得不到有效的外源补充，从而使得土壤全氮含量下降。

早、晚稻季各处理土壤微生物生物量氮含量平均分别为28.8～35.5 和31.0～34.7 mg/kg（图1）。早、晚稻季，N0 处理的土壤微生物量氮含量均显著低于施氮处理，而施氮处理处理间差异不显著（除早稻季1/2N 处理外）。土壤微生物生长需要一定的氮素供应，长期不施氮肥条件下土壤氮素有效性低，从而显著降低了土壤微生物生物量，SMBN 含量相应降低。

2.2 铵态氮和硝态氮

由图2 可知，早、晚稻季各处理土壤NH4+-N 含量变化范围分别为1.8～15.3 和1.9～31.6 mg/kg，土壤NH4+-N 含量随水稻生育期的进行表现为下降趋势，即分蘖期＞抽穗期＞成熟期。水稻在进入分蘖期前要施用基肥和分蘖肥，因此土壤NH4+-N 含量较高。进入分蘖期后水稻生长对氮素的吸收量大，以致土壤NH4+-N 含量逐渐下降。施氮处理，土壤NH4+-N含量晚稻季要高于早稻季，这主要与晚稻季施氮量高于早稻季有关。早、晚稻季土壤NH4+-N 含量表现出随施氮量增加而增加的趋势，全量氮肥处理显著高于1/2N 处理和N0 处理（图3）。而晚稻季，1/2N+M 处理土壤NH4+-N 含量显著高于N 处理达55%（图3）。

由图2 可知，早、晚稻季各处理土壤NO3--N 含量变化范围分别为0.14～0.71 和0.11～0.92 mg/kg，土壤NO3--N 含量相对较低，且远低于NH4+-N 含量。这主要是稻田长期处于淹水状态，土壤的氧化还原电位低，土壤硝化能力较弱，不利于NO3--N 的生成，而生成的NO3--N 也易于通过反硝化途径而损失。由于稻田NO3--N 含量总体较低，各处理的土壤NO3--N 含量差异较小（图3）。

2.3 水稻籽粒与秸秆氮吸收

早、晚稻季水稻籽粒和秸秆氮吸收随氮肥用量的增加而增加（表1），其中早稻季籽粒和秸秆吸氮量分别为25.0～65.7 kg/hm2和13.4～41.9 kg/hm2，晚稻季则分别在38.7～73.7 kg/hm2和17.9～63.2 kg/hm2（表2）。相同氮肥用量下，早稻季，1/2N+M 处理籽粒和秸秆吸氮量与N 处理相比无显著差异或者出现显著下降；晚稻季，1/2N+M 处理籽粒和秸秆吸氮量均显著高于N 处理。早稻季1/2N+M 与N 处理相比籽粒和秸秆吸氮量无显著差异或者反而下降，可能是因为早稻季温度低，有机氮的矿化量低，且早稻季降雨量多，化肥氮的径流损失可能增加，从而减少了土壤氮素有效性，不利于水稻氮素吸收。

2.4 水稻氮肥利用率

各处理籽粒产量（干重）在早、晚稻季均随着氮肥施用量增加而增加，早稻季和晚稻季产量变幅分别为2.2～4.4 t/hm2和3.6～5.5 t/hm2（表2）。除2017 年早稻季外，1/2N+M 处理籽粒年均产量均高于N 处理，或与N 处理相当。表1 和表2 的结果表明水稻产量与吸氮量具有较好的相关性，维持稻田稳定的氮肥供应有利于促进水稻氮素吸收，从而提高产量。

施氮各处理氮肥利用率在早稻季和晚稻季变幅分别为28.7%～57.7%和32.5%～55.2%，平均值分别为36.9%和42.4%，晚稻季氮肥利用率高于早稻季。1/2N 处理氮肥利用率在早稻季要低于N 处理，而晚稻季则高于N 处理。相同氮肥用量下，早稻季1/2N+M 处理氮肥利用率与N 处理相比有显著差异或者显著下降；而晚稻季，1/2N+M 处理氮肥利用率显著高于N 处理。施氮各处理氮肥利用率结果与水稻籽粒和秸秆吸氮量的结果具有一致性。

2.5 土壤氮素肥力因子与水稻氮吸收的关系

采用冗余分析方法分析了土壤氮素肥力因子与水稻氮吸收的关系，早稻季和晚稻季第一排序轴和第二排序轴分别指示水稻氮吸收量变化的95.3%和2.3%，以及95.1%和2.2%。这表明第一排序轴为显著性轴（P＜0.05，图4）。沿着第一排序轴表明，早稻季氮肥用量（用来表征外源氮素对土壤氮的输入）、STN 及SMBN 是影响秸秆氮含量、籽粒氮含量、籽粒产量、秸秆产量和水稻氮吸收的主要土壤氮素肥力因子。晚稻季氮肥用量、STN 及NH4+-N是影响秸秆氮含量、籽粒氮含量、籽粒产量、秸秆产量和水稻氮吸收的主要土壤氮素肥力因子。

进一步采用土壤氮素肥力因子与水稻氮吸收指标进行相关性分析，该结果与冗余分析结果具有一致性（表3）。

3 讨论

3.1 猪粪化肥配施对土壤氮素有效性的影响

本研究结果表明，在双季稻田连续配施猪粪和化肥5～6 年后，土壤全氮含量较100%化肥氮肥处理高出15%，表明猪粪化肥配施可有效提高土壤全氮储量。猪粪化肥配施，除了有机氮替代化肥外，也带了大量的土壤有机碳输入，从而可以提升土壤有机质含量，改善土壤理化性质[23]。相较于化学氮肥容易发生转化，并通过氨挥发、硝化—反硝化、径流和淋溶等途径而损失[27-29]，有机肥中的氮素分解转化速率相对较慢，从而有利于土壤氮库的累积，提高土壤全氮含量。此外，有机肥带来的活性有机碳输入，也为土壤微生物生长提供了丰富的碳源[20]，有利于维持土壤微生物活性，促进微生物对化肥氮肥的固定，减少化学氮肥的损失。以往研究也表明，长期有机肥化肥配施条件下，土壤有机碳、全氮含量显著增加[14-15]，这与本研究结果一致。

表3 早晚季水稻土壤氮素肥力因子与水稻总氮吸收量和氮含量的Pearson 相关分析Table 3 Pearson correlation analysis of soil fertility factors with rice nitrogen uptake and nitrogen content in the early and late rice

本研究中，猪粪化肥配施对早、晚稻季土壤铵态氮含量的提升效果不同，对晚稻季土壤铵态氮含量有较好的提升效果。猪粪化肥配施并未增加早稻季土壤铵态氮含量，一方面可能是早稻季降雨较多，田面水维持较高深度，肥料氮保存在田面水中较多，另一方面降雨多也增加了肥料氮素的径流和淋溶损失[22]。这与本试验中观测到的早稻季土壤铵态氮含量未随施氮量增加而增加一致。猪粪带来的有机氮肥虽然不易随水流失，但由于早稻季气温低，有机氮的矿化量较低[23]，从而也不利于土壤铵态氮含量的增加。而晚稻季气温高，有机氮的矿化量大，从而有利于土壤铵态氮含量的上升。本研究中土壤微生物生物量氮在各处理间的变化并未与土壤全氮和铵态氮一致，且猪粪化肥配施并未增加土壤微生物生物量氮。这可能是本研究稻田土壤有机碳含量较高，土壤有机质的矿化可以提供较多的氮素供微生物利用。此外，稻田土壤具有较多固氮微生物[30-31]，其可以进行生物固氮，可能也是土壤微生物生物量氮在不同施氮处理间差异不大的原因。已有研究表明，农田施用有机物料后土壤微生物生物量碳均较施用化肥条件下有显著提升[32]。本研究中，稻田施用有机肥后，土壤微生物生物量氮并未较施用化肥处理显著增加。以往研究也表明，土壤微生物生物量碳氮比与土壤底物的碳氮比呈显著正相关[33]。与施化肥处理相比，本研究中施用猪粪（碳氮比为14）较施用化肥（土壤碳氮比为9.7）提高了微生物可利用底物的碳氮比，而底物碳氮比影响土壤微生物生物量碳氮比，以致于施用有机肥处理土壤微生物生物量氮的含量并没有显著提高。由于稻田硝化能力弱，硝态氮产生量低，且易通过反硝化途径而损失，各处理间土壤硝态氮含量较低且不显著。这也表明，通过施用有机肥维持稻田较高的土壤铵态氮含量对于促进稻田氮素有效性具有重要意义。

3.2 猪粪化肥配施对稻田氮肥利用率的影响

本研究结果表明，猪粪化肥配施均较100%化学氮肥处理增加了晚稻季水稻吸氮量及氮肥利用率，对当季氮肥利用率可提升5.5～11 个百分点。从冗余分析的结果来看，水稻收获期吸氮量与氮肥用量和土壤全氮含量紧密相关。除此之外，土壤微生物生物量氮和铵态氮对水稻吸氮量也有重要影响。早稻季气温低，有机物质矿化较慢[34]，且降雨多化学氮肥容易通过径流损失[22,35]，从而可能导致有效氮素供应不足，降低氮肥利用率。如1/2N 处理由于施氮量低，加之早稻季氮素有效性低，其氮肥利用率在早稻季均低于N 处理；而晚稻季由于土壤有机氮的矿化增加，且化肥氮的流失损失减少，减量氮肥施用下，1/2N 处理的氮肥利用率显著高于N处理。正因为此，早稻季猪粪化肥配施条件下，当气温较低时，有机氮的矿化量不足，从而导致土壤氮素有效性低，降低氮肥利用率。而在晚稻季，由于土壤有机氮的矿化增加，且化学氮肥损失少，猪粪化肥配施较常规化肥处理均提高了氮肥利用率。因此，对于双季稻系统，还需进一步研究早稻季猪粪化肥的合理配施比例，从而来提供充足氮素供应，保证水稻高产，并提高氮肥利用率。

4 结论

研究表明，双季稻体系猪粪替代50%化肥能较施用100%化学氮肥显著提高土壤全氮含量；对土壤铵态氮含量的影响早、晚稻季有显著不同，晚稻季可较100%化学氮肥处理显著增加土壤铵态氮含量，而早稻季无显著影响。土壤全氮含量和铵态氮含量均与水稻籽粒和秸秆氮素吸收呈显著正相关。

猪粪化肥配施较施用100%化学氮肥均增加了晚稻季水稻籽粒产量、吸氮量和氮肥利用率，但会降低早稻季水稻籽粒产量、吸氮量及氮肥利用率。研究表明，双季稻体系由于早、晚稻季气温、降雨条件的不同，猪粪化肥配施对土壤氮素有效性的影响在早、晚稻季也不同，从而导致氮肥利用率也显著不同。今后，需加强双季稻体系早稻季有机肥无机肥的合理配施比例研究。