不同比例羊粪与化肥配施对土壤质量及甜菜含糖率和效益的影响

赵 霞，赵 蕊，秦嘉海

(1.张掖市耕地质量建设管理站，甘肃 张掖 734000；2.河西学院农业与生态工程学院，甘肃 张掖 734000 )

甘肃省张掖黑河内陆灌区，日照充足，昼夜温差大，生产的甜菜含糖量高，是甜菜最佳种植生态区。截止2019年甜菜种植面积达到1 500 hm2[1]，经调查，农户种植的甜菜产量102 t·hm-2，氮磷钾纯投入量为1.39 t·hm-2，而有机肥氮磷钾纯投入量0.25 t·hm-2。长期超量施用化肥导致土壤质量下降，甜菜产量低，品质差[2-14]。

有关肥料对甜菜产量和品质影响的研究报道较多。魏腾飞等[15]研究得出，施用糠醛渣有机碳生态肥与传统化肥比较，甜菜根体长度、根直径、单根重和根产量增加 6.36%、7.56%、4.67%和5.38%。白晓山等[16]研究得出甜菜块根含糖率与施肥量呈显著负相关。魏显珍等[17]研究得出随着施氮量的增加甜菜氮素生产力与氮肥农学利用效率均呈现出下降的趋势。曹禹等[18]研究得出限制甜菜产量提高的养分限制因子从大到小依次为氮、磷、钾。刘娜等[19]研究得出较高的施氮量不利于糖的积累，适宜施氮量为120～160 kg·hm-2，可以提高甜菜块根中的蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性。苏继霞等[20]研究得出适当降低氮素施用比例，有利于提高氮肥利用率，为甜菜整个生长阶段提供较为平衡的氮素供应。苏继霞等[21]研究得出块根膨大期和糖分积累期适量补施氮素，块根品质和产糖量略有增加。费聪等[22]研究得出不施氮素会降低甜菜块根质量，但对块根糖质量无明显影响，块根膨大期施用大量氮素明显降低块根含糖量。李智等[23]研究得出随着氮素施用量增加, 氮素利用率降低，甜菜生育期施氮量150～179.22 kg·hm-2，有利于甜菜产质量增加。张丽娟等[24]研究得出氮素施用量150 kg·hm-2时，可以提高甜菜叶片光合能力，同时达到减氮增效的目的。闫威等[25]研究得出甜菜高产适宜施氮量为128.8 kg·hm-2。郑毅等[11]研究得出随着NPK肥施用量的增加，甜菜产量、含糖率和产糖量均呈先升后降的趋势。

前人的研究主要集中在氮磷钾化肥和糠醛渣生态肥方面，而不同比例羊粪与化肥配施对土壤质量及甜菜含糖率和效益影响的研究较少。甘肃省张掖市分布着262.13万t的羊粪，目前用于生产有机肥和直接还田的占55%，还有117.96万t的羊粪随意堆放在居民点周围，污染了农村生态环境[26]。经采样分析，这些羊粪含有机质31.40%，有机碳18.21%，N 0.65%，P2O50.47%，K2O0.23%，而重金属离子Hg、Cd、Cr、Pb含量均小于国家规定的畜禽粪便含量标准[27]。为了加快羊粪资源化利用进程，本文以羊粪、尿素、磷酸二铵和硫酸钾为试材，进行了不同比例羊粪与化肥配施对土壤质量及甜菜含糖率和效益影响的研究，旨在为羊粪资源化循环利用和甜菜安全生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验地概况 试验在甘肃省张掖市甘州区明永镇甜菜种植基地进行(100°21′45″E，39°01′53″N)，海拔1 453 m，降水量116 mm,蒸发量1 850 mm，气温7.50℃，日照时数3 053 h，无霜期160 d。土壤类型是灌淤旱作人为土[28]，试验地0～20 cm土层碱解氮、速效磷和速效钾68.73、6.47 mg·kg-1和134.57 mg·kg-1；有机质、有机碳、有机碳密度、CEC(阳离子交换量)、全盐和pH值分别为22.36 g·kg-1、12.70 g·kg-1、3.43 kg·m-2、19.23 cmol·kg-1、2.33 g·kg-1和8.36；容重、总孔隙度和团聚体1.35 g·cm-3、49.06%和26.11%。土壤质地为壤质土，前茬作物为玉米。

1.1.2 试验材料 尿素(N 46%)、磷酸二铵(N 18%、P2O546%)、硫酸钾(K2O 50%)、发酵牛粪(有机质31.40%，有机碳18.21%，N 0.65%，P2O50.47%，K2O 0.53%，粒径1～20 mm)、畜禽粪便发酵剂(含光合细菌、放线菌、酵母菌、腐霉等菌株，有益活菌数>50×109·g-1，潍坊益昊生物技术有限公司产品)、生物菌肥(有效活菌数≥2.0×109·mL-1，有机碳≥150 g·L-1，含枯草芽孢杆菌和凝结芽孢杆菌，山东大地生物科技有限公司产品)。甜菜品种为HIO-474，瑞士先正达公司选育。

1.2 试验方法

1.2.1 羊粪发酵方法 2016年6月20日将风干羊粪粉碎过20 mm筛，每立方米羊粪加入畜禽粪便发酵剂2 kg[29-30]，生物菌肥2 000 ml，喷自来水，水分含量达到60%～65%[31]，堆成高2.00 m的梯形，盖上废旧塑料薄膜，在塑料薄膜上开直径3～5 cm小洞若干个，堆在温室内(室温28℃～35℃)发酵75 d(间隔35 d捣翻1次)，堆内温度降到室温，羊粪出现灰白色菌丝后，在阴凉干燥处自然风干(含水量小于5%)，经室内分析含有机质、有机碳260.35、150.28 g·kg-1；N 、P2O5、K2O 6.8、4.6、2.7 g·kg-1；Hg、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn 0.42、0.36、36.84、5.36、0.29、0.16 mg·kg-1；大肠杆菌0.05%，C/N为22/1,粒径1～12 mm。

1.2.2 试验处理 2017—2019年依据研究区甜菜种植农户大田化肥和有机肥习惯施肥量，将化肥和羊粪按照不同比例增减量共设计6个处理。处理1，对照(不施肥)；处理2，25%羊粪+75%化肥；处理3，50%羊粪+50%化肥；处理4，75%羊粪+25%化肥；处理5，100%羊粪；处理6,100%化肥。磷酸二铵、硫酸钾、羊粪分别计量后在播种前撒入小区，浅耕翻入20 cm土层后起垄；1/3尿素在甜菜苗期结合灌水追施,剩余2/3尿素在块根膨大期结合灌水追施，施肥方法为穴施，施肥深度为10 cm。每个处理重复3次，随机区组排列。各处理肥料具体施肥量见表1。

表1 不同处理施肥量/(t·hm-2)

1.2.3 种植方法 小区面积36 m2( 8 m×4.5 m)，每个小区四周筑埂。播种前将羊粪、磷酸二铵和硫酸钾撒入小区内，起垄，垄高、垄距和垄宽为35、50 cm和50 cm，在垄上铺滴灌带和地膜。2017—2019年每年4月20日播种，深度和株距为1.50 cm和24 cm，每垄2行。在播种后、苗期、生长盛期、块根膨大期和收获前各灌水1次，每小区每次灌水量为9 m3，10月6日收获。

1.2.4 样品采集 甜菜收获时每个小区选择3垄 ,每垄采集5株测定叶丛高度、根体长度、根直径和单株根重。每个小区单独收获，将小区产量折合成公顷产量进行统计分析。连续定点试验3 a后，2019年10月6日甜菜采收后，分别在试验小区内按对角线布置5个采样点，采集0～20 cm耕作层土样5 kg，用四分法留2 kg，1 kg新鲜土样放入4℃冰箱避光保存测定酶活性，另外1 kg土样风干过1 mm筛供室内化验分析，其中土壤容重、团聚体用环刀采集原状土，未进行风干。

1.2.5 测定指标与方法 土壤容重、总孔隙度和>0.25 mm团聚体测定分别采用环刀法、计算法和干筛法；pH值、阳离子交换量(CEC)、全盐和有机质测定分别采用酸度计法(水土比5∶1)、乙酸铵—氯化铵法、电导法和重铬酸钾氧化—外加热法；总持水量按公式(总持水量=面积×总孔隙度×土层深度)求得；有机碳按公式(土壤有机碳=土壤有机质测定值÷1.724)求得[32]；有机碳密度按公式(有机碳密度=土壤有机碳含量(g·kg-1)×土壤容重(g·cm-3)×采样深度(cm)×0.01)求得；碱解氮、速效磷和速效钾测定分别采用扩散法、NaHCO3浸提—钼锑抗比色法和NH4OAC3浸提—火焰光度法[33]；蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性测定分别采用3,5-二硝基水杨酸比色法、靛酚比色法、磷酸苯二钠比色法和碘量滴定法[34]；甜菜含糖率和根直径测定分别采用手持式测糖仪和游标卡尺。

1.3 数据分析

差异显著性采用DPSS 10.0统计软件分析，多重比较，LSR检验法。

2 结果与分析

2.1 羊粪与化肥配施对土壤理化性质及持水量和速效氮磷钾含量的影响

2.1.1 对土壤物理性质和持水量的影响 由表2可知，随着羊粪施用量的增加土壤容重降低，孔隙度、团聚体和持水量增加。不同处理容重为：处理5<处理4<处理3<处理2<处理6<处理1(对照)；孔隙度、团聚体和总持水量为：处理5>处理4>处理3>处理2>处理6>处理1(对照)。处理5与处理4比较，容重降低2.44%，孔隙度和团聚体增加1.14、0.65个百分点，总持水量增加2.13%(P>0.05)；与处理3比较，容重降低4.00%，孔隙度增加1.89个百分点，总持水量增加3.58%(P>0.05)，团聚体增加1.60个百分点(P<0.05)；与处理2比较，容重降低6.98%，孔隙度和团聚体增加3.40、2.44个百分点,总持水量增加6.63%(P<0.05)；与处理6比较，容重降低10.45%，孔隙度和团聚体增加5.29和5.81个百分点，总持水量增加10.69%(P<0.01)；与处理1(对照)比较，容重降低11.11%，孔隙度和团聚体增加5.66、6.34个百分点，总持水量11.549%(P<0.01)。处理5(100%羊粪)有利于降低容重，增大孔隙度，促进团聚体形成，提高持水量，处理6(100%化肥)容重、孔隙度、团聚体和持水量无显著变化(表2)。

表2 羊粪与化肥配施对土壤物理性质的影响

2.1.2 对土壤化学性质的影响 由表3可知，随着羊粪施用量的增加，土壤pH值和全盐降低，CEC增大。不同处理pH值为：处理5<处理4<处理3<处理2<处理6<处理1(对照)；全盐含量为：处理5<处理4<处理3<处理2<处理1(对照)<处理6；CEC为：处理5>处理4>处理3>处理2>处理6>处理1(对照)。处理5与处理4比较，pH值降低4.08%(P>0.05)，全盐降低5.99%(P<0.05)，CEC增加1.22%(P>0.05)；与处理3比较，pH值和全盐降低8.79%和9.74%(P<0.01)，CEC增加6.68%(P<0.05)；与处理2比较，pH值和全盐降低12.52%和12.82%，CEC增加14.14%(P<0.01)；与处理6比较，pH值和全盐降低15.14%和15.35%，CEC增加16.85%(P<0.01)；与处理1(对照)比较，pH值和全盐降低15.55%和12.45%，CEC增加25.48%(P<0.01)。处理5(100%羊粪)比其他处理更有利于降低pH值和全盐含量，增大CEC，处理6(100%化肥)有利于提高全盐含量，pH值无显著变化。

2.1.3 对土壤速效氮磷钾含量的影响 由表3可知，随着化肥施用量的递减土壤速效氮磷钾降低。不同处理速效氮磷钾含量为：处理6>处理2>处理3>处理4>处理5>处理1(对照)；处理2与处理6比较，碱解氮含量降低4.50%(P>0.05)，速效磷含量降低10.03%(P<0.01)，速效钾含量降低5.27%(P<0.05)；处理3与处理6比较，碱解氮和速效磷含量降低10.83%和21.91%(P<0.01)，速效钾含量降低8.96%(P<0.05)；处理4与处理6比较，碱解氮、速效磷和速效钾含量降低14.50%、33.10%和13.64%(P<0.01)；处理5与处理6比较，碱解氮、速效磷和速效钾含量降低18.50%、43.96%和17.50%(P<0.01)；处理1(对照)与处理6比较，碱解氮、速效磷和速效钾含量降低43.40%、55.43%和25.09%(P<0.01)。处理6(100%化肥)比其他处理更有利于提高碱解氮、速效磷和速效钾含量。

表3 羊粪与化肥配施对土壤化学性质的影响

2.2 羊粪与化肥配施对土壤有机质及有机碳和酶活性的影响

2.2.1 对土壤有机质和有机碳的影响 由表4可知，不同处理土壤有机质及有机碳和有机碳密度为：处理5>处理4>处理3>处理2>处理6>处理1(对照)。处理5与处理4比较，有机质和有机碳增加6.55%和6.57%(P<0.05)，有机碳密度增加4.03%(P>0.05)；与处理3比较，有机质、有机碳和有机碳密度增加14.14%、14.14%和9.55%(P<0.01)；与处理2比较，有机质、有机碳和有机碳密度增加22.54%、22.52%和14.09%(P<0.01)；与处理6比较，有机质、有机碳和有机碳密度增加29.90%、29.93%和16.33%(P<0.01)；与处理1(对照)比较，有机质、有机碳和有机碳密度增加32.51%、35.35%和20.41%(P<0.01)。处理5(100%羊粪)比其他处理更有利于提高有机质、有机碳和有机碳密度，与对照比较处理6(100%化肥)有机质、有机碳和有机碳密度无显著变化。

2.2.2 对土壤酶活性的影响 由表4可知，不同处理蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性为：处理5>处理4>处理3>处理2>处理6>处理1(对照)。处理5与处理4比较，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性增加4.07%、3.10%、3.70%和3.37%(P>0.05)；与处理3比较，蔗糖酶和多酚氧化酶活性增加7.67%和6.98%(P<0.05)，脲酶和磷酸酶活性增加12.54%和10.52%(P<0.01)；与处理2比较，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性增加16.56%、19.63%、15.07%和12.20%(P<0.01)；与处理6比较，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性增加18.93%、27.27%、21.74%和17.95%(P<0.01)；与处理1(对照)比较，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性增加20.12%、33.94%、25.37%和21.05%(P<0.01)。处理5(100%羊粪)比其他处理更有利于提高酶活性，与对照比较处理6(100%化肥)酶活性无显著变化。

表4 羊粪与化肥配施对土壤有机碳和酶活性的影响

2.3 羊粪与化肥配施对甜菜性状及含糖率和经济效益的影响

2.3.1 对甜菜性状的影响 由表5可知，不同处理甜菜叶丛高度、根体长度、根直径、单株根重、根产量均为：处理3>处理2>处理6>处理4>处理5>处理1(对照)。处理3与处理2比较，叶丛高度、根体长度、单株根重和根产量增加3.09%、4.17%、2.50%和3.10%(P>0.05)，根直径增加12.39%(P<0.01)；与处理6比较，叶丛高度、根体长度、单株根重和根产量增加6.40%、8.75%、6.96%和5.33%(P<0.05)，根直径增加19.00%(P<0.01)；与处理4比较，叶丛高度、根体长度、根直径、单株根重和根产量增加9.88%、16.31%、21.22%、10.81%和8.75%(P<0.01)；与处理5比较，叶丛高度、根体长度、根直径、单株根重和根产量增加13.62%、22.00%、28.54%、17.14%和9.39%(P<0.01)；与处理1(对照)比较，叶丛高度、根体长度、根直径、单株根重和根产量增加17.66%、25.00%、31.00%、24.24%和38.37%(P<0.01)。处理3(50%羊粪+50%化肥)比其他处理更有利于提高甜菜农艺性状和经济性状。

表5 羊粪与化肥配施对甜菜性状及含糖率和效益的影响

2.3.2 对甜菜含糖率的影响 由表5可知，不同处理甜菜含糖率为：处理5>处理4>处理3>处理2>处理6>处理1(对照)。处理5与处理4比较，含糖率增加0.31个百分点(P>0.05)；与处理3比较，含糖率增加0.76个百分点(P<0.05)；与处理2、处理6和处理1(对照)比较，含糖率增加1.35、2.74和3.47个百分点(P<0.01)。处理5(100%羊粪)比其他处理更有利于提高甜菜含糖率。

2.3.3 对经济效益的影响 由表6可知，不同处理施肥利润为：处理3>处理2>处理6>处理4>处理5，肥料投资效率为：处理3>处理6>处理2>处理4>处理5。处理3与处理2、6、4、5比较，施肥利润增加0.07、0.10、0.39、0.46万元·hm-2。处理3与处理6、2、4、5比较，肥料投资效率增加0.02、0.05、0.65、0.76元·元-1。处理3(50%羊粪+50%化肥)比其他处理更有利于提高甜菜经济效益。

表6 羊粪与化肥配施对甜菜效益的影响

3 讨论与结论

施用100%羊粪增大了土壤孔隙度，提高了土壤团聚体、持水量、CEC、有机质、有机碳、有机碳密度、酶活性和甜菜含糖率，降低了土壤容重、pH值和全盐含量，究其原因：羊粪将大量的有机质带入土壤，因而提高了有机质和有机碳含量[35-36]；羊粪使土壤疏松，降低了容重，增大了孔隙度[37]；羊粪中的有机质促进了团聚体的形成[38]；羊粪中的有机质在土壤微生物的作用下合成了腐殖质，腐殖质的吸水率为500%，因而提高了持水量[39]；羊粪的阳离子交换量大，因而增大了CEC[40]；羊粪在分解过程中产生的有机酸降低了pH值[41]；羊粪盐基离子含量比化肥低，因而降低了全盐含量。羊粪提高了土壤有机碳含量，酶吸附在有机碳上，为酶创造了良好的生态环境条件，提高了酶的活性[42-45]；羊粪有机质和钾比较高，因而提高了甜菜含糖率。施用100%化肥有利于提高土壤全盐和速效氮磷钾含量，究其原因一是甜菜选择吸收了化肥中氮、磷、钾，把盐基离子留在土壤中，因而提高了全盐含量，二是尿素、磷酸二铵、硫酸钾的氮磷钾有效成分含量比羊粪高，因而提高了氮、磷和钾含量。采用经济学理论分析表明50%羊粪+50%化肥比其他处理更有利于提高甜菜经济效益，究其原因是羊粪的缓效与化肥的速效作用完美融合在一起，缓急相济，互为补充，持续供给甜菜营养，促进了甜菜的生长发育，提高了其产量和经济效益。

施用100%羊粪降低了土壤容重、pH值和全盐含量，增大了土壤孔隙度，提高了土壤团聚体、持水量、CEC、有机质、有机碳、有机碳密度、酶活性和甜菜含糖率。施用100%化肥提高了土壤全盐、速效氮磷钾含量，土壤容重、孔隙度、团聚体、持水量、pH值、有机质、酶活性和甜菜含糖率无显著变化。将50%羊粪+50%化肥配合施用更有利于提高甜菜经济效益。在甜菜种植田上，施用100%羊粪改善了土壤理化性质，提高了有机质及酶活性和甜菜含糖率；50%羊粪+50%化肥配合施用，有效提高了甜菜经济效益，减少了化肥施用量，促进了畜禽粪便资源循环利用，减轻了畜禽粪便对乡村环境的污染。