长期粪肥还田条件下稻米品质及氮肥利用率

孙国峰，王鑫，盛婧，张丽萍，王子臣，周炜

（江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，农业农村部种养结合重点实验室，南京 210014）

当前我国畜禽粪污年产生量约38 亿t，综合利用率约为60%左右，已成为农业面源污染的重要来源。《第二次全国污染源普查公报》显示，2017 年畜禽养殖业主要污染物化学需氧量、总氮、总磷排放量分别达1 000.53万、59.63万、11.97万t，分别占农业源排放总量的93.8%、42.1%和56.5%。因此，将“粪污”变“粪肥”，实行粪肥科学还田，适量替代化肥，对减少农业面源污染、助力农业绿色低碳发展具有十分重要的意义。国内外关于有机肥还田的报道较多[1]。前人研究指出，有机无机肥合理配施有利于提高水稻产量、改善稻米品质、提高土壤肥力和氮肥利用率[1-3]，但有机肥高比例替代化肥会减少水稻分蘖，降低氮素吸收利用能力[4-5]。稻田沼液利用也有报道，主要集中在水稻生长、产量及品质[6-12]、氮肥利用率[6-7]，以及温室气体排放、氨挥发与重金属污染等环境效应[13-15]。已有研究表明，合理施用沼液有利于增加水稻产量[6-9]，提升稻米品质[6-7]；也有报道指出全量沼液替代化肥会显著降低水稻产量[10]，对稻米品质影响较小[11-12]。另外，等氮量沼液处理水稻氮肥利用率差异较大，在13%～35%，且与化肥处理比较结果不一致[9-11，13]。目前，长期施用猪粪沼液条件下水稻产量、稻米品质及氮肥利用率尚未见报道。本研究基于长期定位试验，研究连续施用猪粪沼液对水稻产量、稻米品质及氮肥利用率的影响，进一步明确猪粪沼液替代化肥后稻米品质、氮吸收与利用的长期累积效应，为稻麦两熟区粪肥还田提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验始于2010 年11 月，在江苏省农业科学院六合基地（32°29′N，118°36′E）进行。该区属北亚热带季风湿润气候区，年均温度15.3 ℃，年均降雨量970 mm，年日照时数2 200 h，年均无霜期215 d，该区以水稻-小麦轮作模式为主。

试验田为黄褐土，试验前耕层土壤容重1.38 g·cm-3，有机质含量12.1 g·kg-1，全氮含量0.91 g·kg-1，全磷含量0.55 g·kg-1，有效磷含量5.39 mg·kg-1，速效钾含量105.6 mg·kg-1。

1.2 试验设计

采用随机区组设计，以不施肥（CK）为对照，设置等氮量化肥（CF）、50%沼液（50%BS，分2 次施用，其中水稻季基肥施用15%沼液、穗肥施用35%沼液，小麦季基肥、穗肥各施用25% 沼液）、100% 沼液（100%BS，其中水稻季按m基肥∶m分蘖肥∶m穗肥=4∶2∶4 分3 次施用，小麦季根据土壤墒情在播种后至返青期分2～4 次施用）、50%猪粪（50%PM，其中50%猪粪作基肥1 次性施用）、100%猪粪（100%PM，猪粪按m基肥∶m穗肥=6∶4 分2 次施用），共6 个处理，每个处理3 次重复，每个小区面积20 m2。选用宁麦21、南粳9108 为供试材料。施肥量以化肥处理为参照，稻季施纯氮300 kg·hm-2，磷（P2O5）、钾（K2O）均为150 kg·hm-2，麦季施纯氮225 kg·hm-2，磷（P2O5）、钾（K2O）均为112.5 kg·hm-2。根据测定的猪粪、沼液养分含量，按氮含量计算水稻季、小麦季的猪粪、沼液施用量，磷钾肥不足时分别用过磷酸钙（12%）和硫酸钾（50%）补齐。稻季氮肥按m基肥∶m分蘖肥∶m穗肥=4∶2∶4 施用，磷肥于耕作前作基肥一次撒施，钾肥作基肥和穗肥分两次施用，每次用量50%；麦季氮肥按m基肥∶m穗肥=6∶4 施用，磷钾肥于耕作前作基肥一次撒施。其他田间管理措施按当地一般高产农田管理方式进行。

1.3 样品采集与分析

在2018 年和2019 年水稻收获期，各小区采用实收3 m2测定稻谷、稻草的实际产生量；同时每小区取3穴植株，65 ℃烘干后粉碎，用H2O2-H2SO4消煮，凯氏定氮法测定稻草和稻谷的全氮含量。

实收测产的稻谷于室温保存3 个月后进行稻米品质测定。按照农业行业标准《米质测定方法》（NY/T 83—2017）测定稻米的糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、垩白度、胶稠度、直链淀粉含量、蛋白质含量等品质指标；采用日本佐竹公司生产的STA1B 型米饭食味计（SATAKE Co.，Ltd，日本）测定稻米食味值，每个样品重复3次。

1.4 数据分析

采用Excel 2016 和SPSS 17.0 软件进行数据处理及做图，处理间多重比较用LSD法。

2 结果与分析

2.1 水稻产量

各处理水稻产量见图1。与不施肥处理相比，各施肥处理均显著提高了水稻产量，平均增产95.4%～102.5%（P＜0.05）。与化肥处理相比，50%沼液、100%沼液和50% 猪粪处理平均增产0.17%～0.96%，而100%猪粪处理降低了水稻产量，降幅为0.59%～4.54%，但均未达到显著水平。

2.2 稻米品质

各处理稻米品质见表1。对于稻米加工品质，与化肥处理相比，猪粪、沼液处理糙米率、精米率略有降低；但50%沼液、100%沼液和50%猪粪处理均增加了整精米率，平均提高了6.0～8.5 个百分点，而100%猪粪处理整精米率存在年际差异，变幅在-2.5～7.8 个百分点之间，两年平均提高2.6个百分点，但均未达到显著水平。因此，等氮量猪粪、沼液替代化肥有利于提高整精米率。

表1 长期施用猪粪沼液对稻米品质的影响Table 1 Effects of long-term application of pig manure or biogas slurry on rice quality

对于稻米外观品质，与化肥处理相比，猪粪处理整体降低了稻米垩白粒率、垩白度，两年平均分别降低了0.8～1.0、0.02～0.23个百分点，而沼液处理存在年际差异，但均未达到显著水平。其中，2018年50%猪粪处理稻米垩白度显著低于100%沼液处理（P＜0.05）。猪粪替代化肥有利于改善稻米外观品质，而沼液替代化肥对稻米品质影响较小。

各处理稻米食味值见图2。2019 年稻米食味值整体呈现猪粪处理＞沼液处理＞化肥处理的规律，分析可能是由于猪粪、沼液处理降低了稻米蛋白质含量。2018 年猪粪、沼液处理较化肥处理也降低了稻米蛋白质含量，其中100%猪粪与化肥处理差异达到显著水平（P＜0.05），而其他处理差异不显著。另外，与化肥相比，猪粪处理降低了稻米胶稠度，而沼液处理却增加了稻米胶稠度，但各处理差异均不显著。因而，猪粪、沼液替代化肥有助于改善稻米食味品质。

2.3 氮肥吸收与利用

2.3.1 氮收获指数

氮收获指数=籽粒吸氮量/植株总吸氮量，不同处理氮收获指数见图3。水稻氮收获指数整体呈现不施肥＞猪粪＞化肥＞沼液处理的规律。具体来看，与不施肥相比，2019 年50%猪粪、50%沼液、100%沼液和化肥处理均显著降低了水稻氮收获指数（P＜0.05），分别降低了7.69%、16.4%、14.7%和10.9%，其中50%猪粪处理水稻氮收获指数显著高于50%沼液（P＜0.05），100%猪粪较50%沼液、100%沼液处理均显著提高了水稻氮收获指数（P＜0.05）。2018 年各处理间水稻氮收获指数均未达到显著水平。可见，猪粪处理提高了氮素在稻谷中的比例，而沼液处理影响不显著。

2.3.2 氮肥利用率

2018 和2019 年水稻氮肥吸收利用率（NUE）见表2，整体呈现100%沼液＞50%沼液＞化肥＞50%猪粪＞100%猪粪处理的规律，与化肥处理相比，沼液处理平均提高了1.2～3.3 个百分点，猪粪处理平均降低了1.7～9.8 个百分点。分析其原因，主要与水稻地上部吸氮量有关，其中稻草氮含量为主要限制因素，如沼液处理平均提高了6.64%～9.51%、猪粪处理平均降低了7.78%～15.3%。而水稻氮肥生理利用率的变化规律恰好与之相反，整体呈现100%猪粪＞50%猪粪＞化肥＞50%沼液＞100%沼液处理的规律，其中猪粪处理平均提高了5.35%～24.8%、沼液处理平均降低了1.29%～7.44%。具体来看，与化肥相比，2018 年100%沼液处理显著提高了水稻氮肥吸收利用率（P＜0.05）；而2018 年和2019 年100%猪粪处理均显著降低了水稻氮肥吸收利用率（P＜0.05）。50%沼液、50%猪粪和化肥处理水稻氮肥利用率的各项指标（氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率、氮肥生理利用率、氮肥偏生产力）差异均不显著。可见，半量猪粪和沼液氮替代化肥对水稻氮肥利用率影响不显著，而全量沼液氮替代化肥有提高水稻氮肥吸收利用率的趋势，全量猪粪氮替代化肥显著降低了水稻氮肥吸收利用率。

表2 长期施用猪粪沼液对水稻氮肥利用率的影响Table 2 Effects of long-term application of pig manure or biogas slurry on rice nitrogen use efficiency

2.4 水稻产量、主要稻米品质及氮肥利用率的相关性分析

通过相关性分析发现（表3），稻米胶稠度与直链淀粉含量、氮肥生理利用率均呈显著负相关（P＜0.05），而与氮肥吸收利用率呈显著正相关（P＜0.05）。稻米食味值与直链淀粉含量、氮肥生理利用率呈正相关，而与蛋白质含量、胶稠度、氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率呈负相关，但均未达到显著水平。

表3 水稻产量、主要稻米品质及氮肥利用率的相关性分析Table 3 Correlation analysis of rice yield，main rice quality and nitrogen use efficiency

3 讨论

3.1 稻米品质

稻米食味值是反映稻米食味品质的综合指标，主要受稻米蛋白质、直链淀粉含量的影响[16]。其中，稻米蛋白质含量易受氮肥施用量、施肥时期及氮素形态的影响，而直链淀粉含量主要受作物品种遗传特性影响[16-17]。由于氮肥过量施用，我国稻米蛋白质含量普遍升高，导致食味品质变差[17]。本研究也发现稻米食味值与蛋白质含量呈负相关，这与前人研究结果一致[18]。猪粪、沼液处理提高了稻米食味值，改善了稻米食味品质，分析主要原因是猪粪、沼液处理降低了稻米蛋白质含量[17，19]。周江明[2]的研究指出，不同品种水稻蛋白质含量受有机无机肥配施的响应也不一致。唐微等[6]和王桂良等[7]的研究指出，施用沼液会增加稻米蛋白质含量，改善稻米营养品质。也有研究表明，施用沼液对稻米品质影响较小[11-12]。这可能与水稻品种、施氮量、氮肥运筹以及试验环境等因素有关。另外，胶稠度是反映淀粉胶体的流体特性（柔软性）的指标，一般胶稠度＞60 mm 的精米蒸煮冷却后米饭较为柔软、温润且光滑，较受消费者偏爱[16]。本研究中，沼液替代化肥提高了稻米胶稠度，有利于改善米饭口感。此外，猪粪处理降低了稻米垩白粒率、垩白度，有利于改善稻米外观品质，这与前人研究结果一致[20]。

3.2 水稻产量与氮肥利用率

作物产量是衡量粪肥还田可行性的重要指标之一。本研究中，等氮量猪粪、沼液与化肥处理水稻产量差异不显著，其中100%猪粪处理水稻产量略有降低，主要原因是有机肥高比例替代化肥会减少水稻分蘖，降低氮素吸收利用能力，进而降低水稻产量[5]。已有研究表明，适量施用沼液有利于增加水稻产量[6]，其中沼液替代化肥比例为50%～75%时水稻增产效果较佳[7，9]，并且沼液分次施用的水稻产量显著高于一次性施用[9]。但也有研究指出，等氮量沼液处理显著降低了水稻产量[10]，这可能与盆栽模拟与田间试验条件差异较大有关。

氮肥利用率是粪肥科学还田的重要参数。适量有机肥替代化肥能够提高水稻氮肥利用率[1]，而等氮量沼液与化肥的水稻氮肥利用率比较结果不一致[9-11，13]。本研究结果表明，50%猪粪和100%猪粪处理水稻氮肥吸收利用率均有降低的趋势，在28.1%～39.7%，其中100%猪粪处理水稻氮肥吸收利用率显著低于化肥处理（P＜0.05），这与有机肥高比例替代化肥减少水稻分蘖，降低氮素吸收利用能力有关[4-5]。另外，50%沼液和100%沼液处理水稻氮肥吸收利用率较化肥处理均有增加趋势，但差异不显著，这与黄红英等[9]研究结果一致。分析主要原因是沼液处理增加了稻草氮含量，平均提高了6.64%～9.51%。黄继川等[8]的研究也指出，施用沼液能够有效提高水稻秸秆氮含量，促进水稻氮素累积。也有学者认为，等氮量施用沼液会降低水稻氮素吸收利用率[10，13]，可能与沼液中有机氮影响作物对氮的吸收利用有关[11]。此外，本研究长期施用沼液处理水稻氮肥吸收利用率为40.9%～44.3%，显著高于已有报道的13%～35%[9-11，13]，这可能主要与试验周期、水稻吸氮量的差异有关。本研究仅为粪肥还田第8～9 a 的累积效应，仍需继续监测多年猪粪沼液还田的长期效应，为粪肥还田提供更为科学的依据。

4 结论

（1）等氮量猪粪、沼液替代化肥提高了整精米率、稻米食味值，有助于改善稻米食味品质，其主要原因是降低了稻米蛋白质含量。同时，猪粪替代化肥降低了稻米垩白粒率、垩白度，有利于改善稻米外观品质；沼液替代化肥对稻米外观品质影响较小。

（2）水稻氮肥吸收利用率整体呈现等氮量沼液＞化肥＞猪粪处理的规律，并与水稻氮肥生理利用率、稻米胶稠度显著负相关。其中，沼液较化肥处理提高了水稻氮肥吸收利用率，其主要原因是增加了稻草氮含量。但等量沼液、半量猪粪氮替代化肥对水稻产量及氮肥利用率影响较小，而全量猪粪氮替代化肥会显著降低水稻氮肥吸收利用率。