畜禽粪便生态肥对灌漠土肥力质量及人参果品质和效益的影响

李玉斌 ，潘艳花 ，薛 亮 ，裴怀弟 ，闫治斌

(1.甘肃省农业科学院林果花卉研究所，甘肃 兰州 730070;2.酒泉市种子管理站，甘肃 酒泉735000；3.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州 730070;4.甘肃省农业科学院生物技术研究所，甘肃 兰州 730070；5.甘肃省敦煌种业集团股份有限公司研究院,甘肃 酒泉735000)

人参果(Solannmmuricatumaiton)又名长寿果、香瓜梨、凤果，果实富含Vc和多种微量元素[1]。经调查甘肃省张掖市菜农种植的人参果化肥氮磷钾纯养分投入量为1 930 kg·hm-2(N投入量870 kg·hm-2，P2O5投入量460 kg·hm-2，K2O 投入量600 kg·hm-2)，而有机肥氮磷钾纯养分投入量为285 kg·hm-2，人参果产量提高主要依赖施用化肥，长期施用化肥，导致土壤质量和人参果品质下降。因此，研究畜禽粪便生态肥替代传统化肥是本文的关键所在。

有关畜禽粪便对土壤质量和作物产量的影响，前人做了大量的研究工作。其中，畜禽粪便对土壤理化性质及酶活性和生物学性质的影响：成钢等[2]研究发现，羊粪与化学肥料配制的复混肥提高了土壤有机质含量；羊粪和马粪混合施用提高了土壤腐殖质含量[3]；猪粪施用量与土壤有机碳含量呈显著的正相关关系[4]；施用牛粪有效地改善了土壤理化性质[5]；鸡粪与稻秆和生物炭混合施用提高了砖红壤团聚体稳定性[6]；鸡粪与磷肥配施提高了磷的有效性[7]；施用牛粪降低了土壤酸碱度、电导率和碱化度[8]；施用羊类有效地改善了土壤化学性质[9]；施用鸡粪提高了土壤pH值和缓冲性能[10]。崔虎等[11]研究发现施用牛粪提高了土壤脲酶和磷酸酶的活性；施用鸡粪和家畜粪便提高了土壤微生物数量[12]；施入牛粪显著增加了土壤细菌和放线菌数量[13]。畜禽粪便对土壤重金属及作物产量和品质的影响：卜贵军等[14]研究发现鸡粪堆肥处理可以降低重金属离子的生物有效性；猪粪对土壤重金属离子 Cu、Zn 累积具有一定的促进作用[15]；鸡粪对土壤中 Pb、Cd 具有较强的钝化作用[16]；施用猪粪和鸡粪对 Cd、Cr、Pb 和 Ni 没有显著影响[17]；牛粪与秸秆配合施用降低了玉米籽粒中Cd含量[18]；鸡粪、秸秆和生物炭配合施用降低了Pb的有效性，减少了玉米对Pb离子的吸收[19]；鸡粪和生物炭混合施用减少了玉米对Cd吸收和积累[20]；在鸡粪中掺入粉煤灰能减少大白菜对重金属的累积[21]；羊粪和马粪混合施用可以降低铜锌的生物有效性[3]；鸡粪、猪粪和牛粪显著提高土壤有效锌含量[22]。谢志煌等[23]研究发现施用牛粪可以明显提高大豆的脂肪、游离氨基酸和可溶性糖含量；羊粪可以提高火龙果总糖和维Vc含量，降低果实中总酸含量[24]；羊粪和蚯蚓粪配合施用,可以提高番茄产量，改善其品质[25]；风沙土施用羊粪可以提高甘蓝的产量[9]。

综上所述，前人对畜禽粪便多采取单独施用或者与化肥、稻秆、生物炭、秸秆配合施用；主要研究了畜禽粪便生态肥对土壤理化性质、生物学性质和重金属离子的影响；研究了其对大豆、火龙果、番茄和甘蓝等品质的改善。而畜禽粪便生态肥对灌漠土肥力质量及人参果品质和效益的影响尚少见文献报道。甘肃省张掖市分布着8.08×106t的畜禽粪便有机肥(牛粪5.05×106t，猪粪2.44×105t，羊粪2.62×106t，鸡粪1.68×105t)[26]，用于沼气工程、生产有机肥、直接还田的占资源总量的54%，还有3.72×106t的畜禽粪便随意堆放在居民点周围，经风吹日晒雨淋后污染了乡村环境。据室内分析，这些畜禽粪便含有机质22.12%～24.34%，N 0.32%～0.83%，P2O50.15%～0.40%，K2O 0.44%～0.60%，重金属离子Hg、Cd、Cr和Pb含量均小于国家规定的畜禽粪便含量标准(GB8172—87)[27-28]。

为了解决研究区域长期施用化肥导致温室土壤质量下降、有机质含量低、人参果品质和产量低而不稳以及畜禽粪便对乡村生态环境污染的问题，本文根据人参果需肥规律和研究区域温室土壤供肥水平，采用平衡施肥原理和改土培肥理论，将畜禽有机肥、人参果专用肥和土壤结构改良剂(聚丙烯酰胺)[29]按比例混合，合成畜禽粪便生态肥，将畜禽有机肥的长效、人参果专用肥的速效、聚丙烯酰胺的改土作用融为一体，旨在为减少化肥施用量、改善温室土壤质量、提高人参果品质和效益、改善农村生态环境和畜禽粪便资源化循环利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验地概况 试验于2019—2020年在甘肃省张掖市甘州区沙井镇沙井村温室内进行(100°15′56″E，39°05′01″N)，海拔1 451 m，年降水量116 mm,蒸发量1 850 mm，平均气温7.50℃，日照时数3 053 h，无霜期160 d。土壤类型为灌漠土[30]，试验地0～20 cm土层有机质含量18.14 g·kg-1，碱解氮95.19 mg·kg-1，速效磷10.81 mg·kg-1，速效钾134.53 mg·kg-1，CEC(阳离子交换量)17.75 cmol·kg-1，pH值8.19。土壤质地为壤质土，前茬作物是番茄。

1.1.2 试验材料 尿素，N46%；聚磷酸钾，P2O557%，K2O 37%；硫酸锌，Zn 23%；钼酸铵，Mo 54%；发酵羊粪，含有机质46.30%、N 1.32%、P2O51.29%、K2O 0.61%，粒径1～20 mm；发酵牛粪，含有机质35.41%、N 0.43%、P2O50.32%、K2O 0.56%，粒径1～20 mm；发酵鸡粪，含有机质46.77%、N 1.31%、P2O50.61%、K2O 0.92%，粒径1～5 mm；聚丙烯酰胺，吸水倍率200 g·g-1、pH值6.9，粒径1～3 mm；生物菌肥为耐滴奈乐菌肥，含枯草芽孢杆有效活菌2.50×109·g-1，粒径0.2～2 mm；自制畜禽有机肥，羊粪、鸡粪、牛粪和生物菌肥风干重量比按0.4000∶0.3500∶0.2498∶0.0002混合，含有机质42.77%、N 1.03%、P2O50.41%、K2O 0.72%；自制人参果专用肥，尿素、聚磷酸钾、硫酸锌和钼酸铵风干重量比按0.6349∶0.3175∶0.0423∶0.0005混合，含N 29.21%、P2O518.09%、K2O 11.75%、Zn 0.97%、Mo 0.03%；畜禽粪便生态肥，依据试验1筛选的配方，将畜禽有机肥、人参果专用肥和聚丙烯酰胺风干重量比按0.9659∶0.0322∶0.0019混合，有机质41.53%、N 1.87%、P2O50.98%、K2O 1.28%、Zn 0.03%、Mo 0.01%；人参果品种为‘长丽’。

1.2 试验方法

1.2.1 试验处理 试验1：畜禽粪便生态肥配方筛选。2019年3月10日选择畜禽有机肥、人参果专用肥和聚丙烯酰胺3种原料，每种原料设计3个梯度施用量，选择正交表L9(34)设计9个试验处理[31](表1)，按表中用量制成9种畜禽粪便生态肥。

试验2：畜禽粪便生态肥对土壤质量及人参果品质和效益影响的研究。2020年3月12日设计3个处理。处理1，对照(不施肥 )；处理2，传统化肥(尿素2 070 kg·hm-2+ 磷酸二铵1 000 kg·hm-2+硫酸钾1 200 kg·hm-2+硫酸锌60.78 kg·hm-2+钼酸铵8.63 kg·hm-2)；处理3，畜禽粪便生态肥(施用量46 590.00 kg·hm-2)。处理2和3氮、磷、钾、锌和钼纯养分投入量相等(N 870 kg·hm-2+P2O5460 kg·hm-2+K2O 600 kg·hm-2+Zn 13.98 kg·hm-2+Mo 4.66 kg·hm-2)。每个处理重复3次，随机区组排列。

1.2.2 种植方法 小区面积26.25 m2(7.5 m×3.5 m)，每个小区四周筑埂。将磷酸二铵、硫酸钾、畜禽粪便生态肥分别计量后，浅耕翻入20 cm土层作底肥后起垄，垄高、垄距和垄宽为30 cm×70 cm×70 cm。在垄上铺滴灌带和地膜，定植前10 d覆盖棚膜密闭大棚，室内温度保持28℃～30℃，10 cm土层温度稳定在12℃～15℃，选择苗龄45 d的人参果扦插苗定植，深度、株距和行距为10 cm×35 cm×70 cm，定植后白天室温控制在24℃～28℃，夜间室温控制在10℃～15℃。1/3尿素在人参果第1果穗膨大期时结合灌水追施，2/3尿素在人参果第3果穗膨大期时结合灌水追施。每个小区为1个支管单元，在支管单元入口安装闸阀、压力表和水表，在人参果定植后、开花期、第1、2、3果穗膨大期时各灌水1次，每个小区灌水量为7.35 m3。

1.2.3 样品采集方法 人参果采收时每个小区选择 3行，每行采集5株，测定株高、单株果数、单果重、单株果重及可溶性糖、Vc、可溶性蛋白质和硝酸盐含量。每个小区每次采收分别计产，将小区产量换算成公顷产量进行统计分析。试验2人参果采收后，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℃冰箱避光保存测定微生物数量和酶活性，另外1 kg土样风干过1 mm筛供室内测定有机质含量。

1.2.4 测定指标与方法 土壤容重、孔隙度、>0.25 mm团聚体和田间持水量测定采用环刀法、计算法、干筛法和威尔科可斯法；pH值、CEC和有机质测定采用酸度计法(水土比5∶1)、交换剂浸提—NH4OAc—NH4Cl法和重铬酸钾氧化—外加热法；碱解氮、速效磷和速效钾测定采用扩散法、NaHCO3浸提—钼锑抗比色法、NH4OAc3浸提—火焰光度法；饱和持水量=面积×总孔隙度×土层深度[32-33]；微生物数量、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶测定采用稀释平板法、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]；硝酸盐、Vc、可溶性糖和可溶性蛋白测定采用水杨酸硝化法、2,6-二氯靛酚滴定法、蒽酮-硫酸法、考马斯亮蓝C-250染色法[35]。

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 畜禽粪便生态肥配方确定

由2019年12月30日人参果采收后测定数据可以看出(表1)，畜禽粪便生态肥因素间的主次效应(R)是：B人参果专用肥(R=47.43)>A畜禽有机肥(R=42.72)>C聚丙烯酰胺(R=22.13)。从各水平平均产量看出，KA1>KA3>KA2，KB3>KB2>KB1，KC3>KC1和KC2。说明畜禽粪便生态肥最优组合为：A1畜禽有机肥45.00 t·hm-2∶B3人参果专用肥1.50 t·hm-2∶C3聚丙烯酰胺0.09 t·hm-2，即畜禽粪便生态肥配方组合比例为:畜禽有机肥0.9659∶人参果专用肥0.0322∶聚丙烯酰胺0.0019。

表1 L9(34)正交试验分析结果Table 1 L9 (34)orthogonal test analysis results

2.2 畜禽粪便生态肥对灌漠土肥力质量的影响

2.2.1 对土壤理化性质的影响 由2020年12月26日人参果采收后测定数据可以看出(表2)，施用畜禽粪便生态肥与传统化肥比较，显著地降低了土壤容重，增大了总孔隙度，极显著地降低了pH值，增大了团聚体和CEC。不同处理容重和pH值为对照>传统化肥>畜禽粪便生态肥，孔隙度、团聚体和CEC为：畜禽粪便生态肥>传统化肥>对照。畜禽粪便生态肥与传统化肥比较，容重降低5.39%(P<0.05)，pH值降低9.11%(P<0.01)，总孔隙度增加5.18%(P<0.05)，团聚体增加21.03%(P<0.01)，CEC增加22.40%(P<0.01)；与对照比较，容重降低6.11%(P<0.05)，pH值降低9.89%(P<0.01)，总孔隙度增加5.95%(P<0.05)，团聚体增加25.20%(P<0.01)，CEC增加28.06%(P<0.01)。传统化肥与对照比较，容重和pH值降低0.76%和0.86%(P>0.05)，总孔隙度、团聚体和CEC增加0.73%、3.45%和4.62%(P>0.05)。

表2 畜禽粪便生态肥与传统化肥对土壤理化性质的影响Table 2 Effects of livestock manure ecological fertilizer and traditional chemical fertilizer on physical and chemical properties of soil

2.2.2 对土壤持水量及有机质和氮磷钾的影响 由表3可知，施用畜禽粪便生态肥与传统化肥比较，显著地增大了土壤饱和持水量，极显著地提高了有机质含量，而碱解氮、速效磷和速效钾变化不大。不同处理饱和持水量、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾为畜禽粪便生态肥>传统化肥>对照。畜禽粪便生态肥与传统化肥比较，饱和持水量增加5.18%(P<0.05)，有机质增加20.36%(P<0.01)，碱解氮、速效磷和速效钾增加2.04%、2.01%和2.04%(P>0.05)；与对照比较，饱和持水量增加5.97%(P<0.05)，有机质、碱解氮、速效磷和速效钾增加26.13%、18.68%、50.32%和23.75%(P<0.01)。传统化肥与对照比较，饱和持水量和有机质增加0.73%和 4.80%(P>0.05)，碱解氮、速效磷和速效钾增加16.30%、47.36%和21.28%(P<0.01)。

表3 畜禽粪便生态肥与传统化肥对土壤持水量及有机质和氮磷钾的影响Table 3 Effects of livestock manure ecological fertilizer and conventional chemical fertilizer on soil water holding capacity,organic matter and NPK

2.2.3 对土壤微生物和酶活性的影响 由表4可知，施用畜禽粪便生态肥与传统化肥比较，极显著地提高了土壤细菌、放线菌和蔗糖酶的活性，显著地提高了磷酸酶和多酚氧化酶活性，对脲酶活性影响较小。不同处理微生物和酶活性为畜禽粪便生态肥>传统化肥>对照。畜禽粪便生态肥与传统化肥比较，细菌、放线菌和蔗糖酶活性增加10.53%、13.39%和13.74%(P<0.01)，磷酸酶活性和多酚氧化酶活性增加5.41%和5.96%(P<0.05)，脲酶活性增加1.46%(P>0.05)；与对照比较，细菌、放线菌和蔗糖酶活性增加13.174%、15.20%和15.64%(P<0.01)，脲酶活性、磷酸酶活性和多酚氧化酶活性增加增加6.09%、8.33%和7.38%(P<0.05)。传统化肥与对照比较，细菌、放线菌、蔗糖酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性和多酚氧化酶活性增加2.40%、1.60%、1.68%、4.57%、2.78%和1.34%(P>0.05)。

表4 畜禽粪便生态肥与传统化肥对土壤微生物和酶活性的影响Table 4 Effects of livestock manure ecological fertilizer and conventional chemical fertilizers on soil microbial and enzyme activities

2.3 畜禽粪便生态肥对人参果品质及产量和效益的影响

2.3.1 对人参果品质的影响 由表5可知，施用畜禽粪便生态肥与传统化肥比较，显著地提高了人参果Vc含量，极显著地提高了可溶性糖和可溶性蛋白质含量，显著降低了硝酸盐含量。不同处理人参果可溶性糖、Vc和可溶性蛋白质为畜禽粪便生态肥>传统化肥>对照；硝酸盐为传统化肥>畜禽粪便生态肥>对照。畜禽粪便生态肥与传统化肥比较，可溶性糖和可溶性蛋白质增加9.09%和10.05%(P<0.01)，Vc增加7.55%(P<0.05)，硝酸盐降低7.78%(P<0.05)；与对照比较，可溶性糖、Vc和可溶性蛋白质增加24.14%、19.04%和21.00%(P<0.01)，硝酸盐增加3.09%(P>0.05)。传统化肥与对照比较，可溶性糖、Vc、可溶性蛋白质和硝酸盐增加13.79%、10.69%、9.95%和11.78%(P<0.01)。

表5 畜禽粪便生态肥与传统化肥对人参果品质的影响Table 5 Effect of livestock manure ecological fertilizer and traditional chemical fertilizer on ginseng fruit quality

2.3.2 对人参果农艺性状及产量和效益的影响 由表6可知，施用畜禽粪便生态肥与传统化肥比较，有效地提高了人参果单株果数、单株果重、产量、增产值、施肥利润和肥料投资效率。不同处理农艺性状、经济性状和产量为畜禽粪便生态肥>传统化肥>对照，畜禽粪便生态肥与传统化肥比较，株高和单果重增加1.96%和3.17%(P>0.05)，单株果数、单株果重和产量增加5.64%、6.45%和5.45%(P<0.05)；与对照比较，株高、单株果数、单果重、单株果重和产量增加20.93%、23.31%、34.89%、32.48%和32.15%(P<0.01)。传统化肥与对照比较，株高、单株果数、单果重、单株果重和产量增加18.61%、16.731%、30.74%、24.45%和25.31%(P<0.01)。畜禽粪便生态肥与传统化肥比较，增产值、施肥利润和肥料投资效率增加27.00%、30.31%和33.52%。

表6 畜禽粪便生态肥与传统化肥对人参果性状及产量和效益的影响Table 6 Effects of livestock manure ecological fertilizer and traditional chemical fertilizer on ginseng fruit characters yield and benefit

3 讨论与结论

施用畜禽粪便生态肥与传统化肥比较，显著地降低了土壤容重，增大了总孔隙度和饱和持水量，极显著地增大了团聚体。这种变化特征与张健男等[36]和曲成闯等[37]结论一致。究其原因，一是畜禽粪便生态肥含有丰富的有机质，使土壤疏松，容重降低，孔隙度增大；二是畜禽粪便生态肥中的聚丙烯酰胺是一种高聚合物，具有较好的粘结性，把土壤黏在一起促进了团聚体的形成[38]；三是畜禽粪便生态肥中的有机质在土壤微生物的作用下合成了土壤腐殖质，腐殖质的吸水率为500%，因而提高了持水量。土壤化学性质表现为：极显著地降低了pH值，增大了CEC，这种变化规律与庄钟娟等[39]和刘国群等[40]研究结果一致。究其原因，一是畜禽粪便生态肥中的有机质提高了土壤的供肥性，增大了CEC；二是畜禽粪便生态肥中的有机质在分解过程中产生的有机酸，降低了pH值。施用畜禽粪便生态肥极显著地提高了有机质含量，研究结果与张霞等[41]研究结论一致。究其原因是畜禽粪便生态肥将大量的有机质带入土壤，增加了土壤有机质含量。碱解氮、速效磷和速效钾增加不显著，究其原因是畜禽粪便生态肥与传统化肥比较试验中投入的N、P2O5和K2O数量相等。土壤生物学性质表现为极显著地提高了细菌和放线菌数量，究其原因，一是畜禽粪便生态肥中的有机质和大量元素为微生物提供了碳源和营养物质，促进了细菌和放线菌的繁殖；二是畜禽粪便生态肥中的生物菌肥将活性微生物带到土壤中，促进了细菌和放线菌的繁殖[42-43]。土壤酶活性表现为极显著地提高了蔗糖酶的活性，显著地提高了磷酸酶活性和多酚氧化酶活性，对脲酶活性影响较小，这与关天霞等[44]研究结论相一致。究其原因，一是畜禽粪便生态肥把大量的酶带入土壤；二是畜禽粪便生态肥提高了土壤有机碳含量，土壤酶吸附在土壤有机碳上，为土壤酶创造了良好的土壤生态环境条件，提高了酶的活性；三是畜禽粪便生态肥增加了土壤有益微生物的数量，提高了土壤酶活性[45]。人参果品质表现为可溶性糖、可溶性蛋白质和Vc含量增加，硝酸盐含量降低。究其原因是畜禽粪便生态肥含有丰富的有机质及大量元素和微量元素，促进了人参果的生长发育，提高了人参果产量，改善了品质。而李会合等[46]研究则发现有机肥处理降低了生菜Vc和可溶性糖含量，而提高硝酸盐含量，马国泰等[47]研究发现畜禽粪便肥施用量增加后，辣椒Vc含量和硝酸盐含量显著下降，与本研究结论不尽相同，有待今后进一步研究。

研究结果表明，畜禽粪便生态肥原料间的主次效应是人参果专用肥>畜禽有机肥>聚丙烯酰胺。适宜施肥量比例为：畜禽有机肥45.00 t·hm-2∶人参果专用肥1.50 t·hm-2∶聚丙烯酰胺0.09 t·hm-2。施用畜禽粪便生态肥与传统化肥比较，显著地降低了土壤容重和人参果硝酸盐含量；增大了土壤总孔隙度和饱和持水量；提高了土壤磷酸酶活性、多酚氧化酶活性、人参果可溶性糖、Vc、可溶性蛋白质和施肥利润。极显著地降低了土壤pH值，增大了土壤团聚体和CEC；提高了土壤有机质、细菌、放线菌和蔗糖酶的活性，而土壤碱解氮、速效磷、速效钾和脲酶活性变化不大。而常规化肥则提高了人参果硝酸盐含量，对土壤有机质、容重、孔隙度和团聚体无显著影响。在甘肃省张掖市甘州区沙井镇的温室内采用畜禽粪便生态肥替代传统化肥，改善了土壤理化性质和人参果品质，提高了土壤有机质和人参果经济效益，促进了畜禽粪便资源的循环利用，为保障人参果安全生产提供了技术支撑。