不同腐熟度有机肥对麦玉轮作系统土壤肥力及作物产量的影响

陈方可,张世文,梁玉伟,王维瑞,张 蕾

(1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南 232001;2.北京市土肥工作站,北京 100029;3.北京市耕地建设保护中心,北京 100010)

【研究意义】随着我国经济和畜牧业发展,畜禽粪便的处置不当导致较多环境问题。当前我国畜禽粪污年产生量约3.8×109t,综合利用率为60%左右[1]。畜禽粪污直接还田给生态系统带来不容忽视的安全风险,粪污中的重金属、磷素积累于土壤,粪污中的有害微生物大量繁殖[2],抗生素及抗性基因富集土壤[3-4],畜禽粪污已成为农业面源污染的主要来源[5]。有机肥还田既可解决畜禽粪便处理问题还可提高土壤肥力,是我国未来农业发展的重要方向。实行有机肥科学还田,对减少农业面源污染、培肥土壤、提高作物产量均有重要意义。【前人研究进展】有机肥-无机肥配施和单独施用有机肥改良土壤理化性质和提高作物产量被广泛关注,如Khaliq等[6]报道,在小麦-大豆种植区的尿素-秸秆联合施用较单独施用尿素使土壤容重降低7%～12%,有机质含量增加3%～9%。裴雪霞等[7]研究发现,猪粪替代20%常量化肥或羊粪替代40%常量化肥可明显增加小麦含水率和产量,增加土壤有机质。陈贵等[8]发现,在同等施用量下,猪粪和牛粪对作物生长、养分吸收及土壤肥力的影响存在较大差异,猪粪对土壤氮、磷、钾含量的提升效果显著好于牛粪。李永平等[9]以土壤培肥、玉米增产效果及经济效益等为标准,比较多种畜禽粪肥的肥效,由高到低依次为鸡粪>羊粪>猪粪>牛粪。安娜等[10]研究发现,施用粪肥土壤2.00～0.25 mm大团聚体显著增加,增幅为35.3%～56.6%;土壤有机碳和胡敏酸碳含量分别增加34.00%～45.50%和72.80%～99.20%,有效态N、P、K含量分别提高63.60%～84.90%、173.00%～222.00%和21.40%～39.20%;施用有机肥能增加土壤碳源[11],从而调节微生物群落结构,增强土壤微生物的代谢活动[12],张雅容等[13]发现,施用有机肥较化肥对黄壤有机碳含量的提升效果明显,且年增加速率明显高于化肥处理;刘威等[14]比较了施用不同来源有机肥植烟土壤酶活性的变化,发现生物炭有机肥、植物来源有机肥均可显著提高土壤脲酶、硝酸还原酶活性;王兴松等[15]测定了增施有机肥处理后植烟土壤有益菌群的丰度,发现施用有机肥刺激了土壤有益微生物菌群的生长和繁殖。【本研究切入点】前人研究多集中在有机肥对单一作物的土壤增肥效果和产量效应,针对施用不同腐熟度有机肥后麦玉轮作系统土壤的养分变化鲜有研究,且有机肥质量对土壤与作物的影响尚不明确。【拟解决的关键问题】以顺义小麦-玉米轮作区土壤为研究对象,将堆肥过程与施肥过程相结合,研究不同腐熟度有机肥对麦玉轮作土壤肥力、小麦和玉米产量的影响,并通过结构方程模型探讨有机肥的质量与土壤肥力、小麦和玉米产量的关系,揭示有机肥质量与土壤肥力的关联程度,确定有机肥质量评价指标权重,为提升土壤肥力和作物产量提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年10月至2022年10月连续2年在北京顺义区兴农天力科技园进行(116°28′ E, 40°18′ N),地处温带大陆性季风区,以小麦-玉米轮作为主要耕作模式,土壤类型为砂质壤土,基础土样有机质12.21 g/kg,全氮0.79 g/kg,有效磷5.02 mg/kg,速效钾110.20 mg/kg,pH 7.50。

1.2 不同腐熟度有机肥的制备

采用高温好氧发酵方法,以牛粪、鸡粪、稻壳为堆肥的基本原料,C/N调节为25,水分调节为55%进行条垛式堆肥,堆体长约50 m,堆体底部宽约2 m,高约2 m,堆肥物料共计20 t。堆肥来自北京兴农天力农机合作社,采用国际通用的种子发芽指数(Germination index, GI)代表堆肥腐熟程度。当GI值达到50%时,堆肥已基本达到腐熟[16]。在堆肥GI值接近70%时,密集取样50 kg,用以测试理化性质并继续堆肥,最终以GI值为70%、100%为节点选择堆肥产物作为后续试验的有机肥产品。

1.3 试验设计

采用完全随机区组设计,以有机肥无机肥配施的方式设计施肥处理,种植小麦、玉米时,有机肥施用量为10 000 kg/hm2,以施氮、磷、钾化肥为CK-H处理。每个处理重复3次。种植模式为小麦-玉米轮作。小麦季、玉米季CK-H处理的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥用量分别为170、70、70 kg/hm2,不同腐熟度处理GI70、GI100处理的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥用量分别为145、71、71 kg/hm2,其中70%氮肥在小麦、玉米播种期施入,其余氮肥在小麦拔节期、玉米喇叭口期追施,有机肥撒施前进行磨碎混匀,尽量保证撒施均匀,使用迪尔1204型拖拉机挂抛肥机进行有机肥抛洒。小麦品种为‘农大212’,在2020年、2021年10月下旬播种,次年6月初收获;玉米品种为‘农大95’,在2021年、2022年6月中旬播种,于当年9月初收获,2种作物的田间管理一致。

1.4 样品采集与分析

于2020年10月、2021年6月、2021年10月、2022年6月采集土壤样品,每个小区用土钻采用对角取样法采5点,深度为耕地表层20 cm,混合为一个土样带回室内分析。每个小区于小麦、玉米收获期测产。

有机肥样品参照《有机肥料(NY/T525—2012)》进行测定。土壤基本理化性质参照《土壤农化分析(第3版)》进行测定,土壤全氮采用凯氏氮法测定;土壤有效磷采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法测定;土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定;土壤速效钾采用1 mol/L乙酸铵浸提-火焰光度计法测定;同时做空白对照实验,测定土样设置3组重复,测定结果取平均值进行分析。

1.5 数据处理

采用Excel 2019和SPSS 24进行单因素方差分析(ANOVA)和多重比较(LSD),图表中数据均为平均值±标准差。结构方程模型构建利用Amos Graphics 21.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同腐熟度有机肥的差异性

2.1.1 技术指标 从表1可知,不同腐熟度有机肥的养分含量有显著差异。GI100处理的全氮、全钾、pH显著高于GI70处理(P<0.05,下同),全氮是GI70的1.37倍,全钾是GI70处理的1.77倍,pH为GI70处理的1.29倍。GI70处理的有机质含量、含水率和机械杂质含量显著高于GI100处理,分别为GI100处理的2.89、1.68、1.29倍。说明,腐熟度高的有机肥营养成分含量更高。

表1 有机肥的技术指标

2.1.2 限量指标 从表2可知,堆肥样品的重金属含量无较大差异,全部符合国家规定的商品有机肥农用标准。GI70处理的砷、镉、铅含量略微高于GI100处理,除两者铬、汞含量未检出外,重金属含量并未达到显著差异(P>0.05,下同)。GI100处理的蛔虫死亡率显著高于GI70处理,粪大肠菌群数量显著低于GI70处理。说明,腐熟度高的有机肥无害化程度优于腐熟度低的有机肥。

表2 有机肥的限量指标比较

2.2 不同腐熟度有机肥对土壤指标的影响

2.2.1 有机质含量变化 从表3可知,小麦第1季收获期CK-H、GI70、GI100处理土壤有机质含量与播种时相比均上升,GI100处理有机质含量(17.87 g/kg)显著高于CK-H处理(12.42 g/kg),GI70处理有机质含量(13.93 g/kg)高于CK-H处理,但差异不显著;下茬玉米收获期CK-H、GI70、GI100处理土壤有机质含量高于CK-H处理,GI70处理有机质含量(19.38 g/kg)显著高于CK-H处理(13.84 g/kg),GI100处理(18.30 g/kg)高于CK-H处理,但差异不显著(表4)。

表3 不同腐熟度有机肥对小麦土壤肥力的影响

表4 不同腐熟度有机肥对玉米土壤肥力指标的影响

小麦第2季收获期,GI100处理有机质含量(15.94 g/kg)显著高于CK-H(12.30 g/kg),GI70处理有机质含量(13.28 g/kg)高于CK-H处理,但差异不显著。下茬玉米收获期,GI70、GI100处理土壤有机质含量均高于CK-H处理,分别为20.51、19.35 g/kg,且GI70处理与CK-H处理差异显著。

小麦-玉米轮作第1年土壤有机质含量较小麦播种时均增加,有机肥处理增加量均高于CK-H,依次为GI70处理(7.17 g/kg)>GI100处理(6.09 g/kg)>CK-H处理(1.63 g/kg)。轮作第2年,CK-H、GI70、GI100处理玉米收获期土壤有机质含量较小麦第1季播种时均增加,GI70处理的增加量(8.30 g/kg)最大,其次为GI100(7.14 g/kg)、CK-H处理(1.59 g/kg)。

2.2.2 全氮含量变化 在小麦第1季收获期,GI100处理土壤全氮含量(1.07 g/kg)显著高于CK-H处理,GI70(0.87 g/kg)相较CK-H有所下降。下茬玉米收获期,CK-H、GI70、GI100处理无显著差异,GI100处理土壤全氮含量最高,GI70处理次之,CK-H处理最低。

小麦第2季收获期处理组全氮含量均显著高于CK-H处理表现为GI100处理(0.99 g/kg)>GI70处理(0.83 g/kg)>CK-H处理(0.81 g/kg)。下茬玉米收获期,CK-H、GI70、GI100处理无显著差异,GI100处理土壤全氮含量最高,GI70处理次之,CK-H处理最低。

轮作第1年,玉米收获期土壤全氮含量较小麦播种时均增加,表现为GI100处理(1.08 g/kg)>GI70处理(0.92 g/kg)>CK-H处理(0.90 g/kg)。轮作第2年,玉米收获期耕层土壤全氮含量与第1年小麦播种时比,有机肥腐熟度高的处理组增加量较高,表现为GI100处理(0.43 g/kg)>GI70处理(0.31 g/kg)>CK-H处理(0.15 g/kg),有机肥处理组全氮增加量均高于CK-H。

2.2.3 有效磷含量变化 小麦第1季收获期,与CK-H处理相比,GI70、GI100处理的土壤有效磷含量均显著升高,分别为27.52、15.52 mg/kg。下茬玉米收获期,GI70处理土壤有效磷含量(20.92 mg/kg)显著高于其他处理组(P<0.05),GI100处理(10.62 mg/kg)次之,CK-H处理最低。

小麦第2季收获期,施有机肥土壤有效磷含量均高于CK-H处理且差异显著,表现为GI70处理>GI100处理>CK-H处理。下茬玉米季与小麦季相似,有机肥处理组均高于CK-H处理且差异显著(P<0.05),表现为GI70处理>GI100处理>CK-H处理(表4)。

轮作第1年,有机肥处理组土壤有机磷含量增加量高于CK-H处理,表现为GI70处理(23.85 mg/kg)>GI100处理(11.13 mg/kg)>CK-H处理(5.48 mg/kg)。轮作第2年,玉米收获期土壤有效磷含量均增加且与第1年趋势类似,表现为GI70处理(21.38 mg/kg)>GI100处理(12.27 mg/kg)>CK-H处理(9.87 mg/kg)。

2.2.4 速效钾含量变化 从表3可知,小麦第1季收获期,GI70、GI100处理土壤速效钾含量较CK-H处理均下降,差异不显著,与播种时相比土壤速效钾含量均增加;下茬玉米收获期,所有处理土壤速效钾含量差异不显著(表4)。

小麦第2季收获期,GI70、GI100处理土壤速效钾含量均低于CK-H处理,GI70处理显著低于CK-H处理47.74%(P<0.05);下茬玉米收获期,所有处理土壤速效钾含量差异不显著(表4)。

轮作第1年,与小麦播种开始相比,玉米收获期土壤速效钾含量表现为CK-H处理(29.35 g/kg)>GI100处理(8.00 g/kg)>GI70处理(-5.14 g/kg)。轮作第2年,玉米收获期土壤全氮含量与第1年小麦播种时比,CK-H处理增加量较高,表现为CK-H处理(25.26 g/kg)>GI100处理(0.43 g/kg)>GI70处理(-8.03 g/kg)。总体看CK-H处理的土壤速效钾增加量均高于施有机肥处理组。

2.3 不同腐熟度有机肥施用后小麦、玉米籽粒产量变化

从图1可知,小麦和玉米的产量随有机肥腐熟度的增加而增加。轮作第1年,与CK-H处理相比,小麦季GI100、GI70处理小麦产量增加17.00%、9.90%,其中GI100与GI70处理的小麦产量差异不显著,GI100与CK-H处理的差异显著(P<0.05)。下茬玉米季,GI100处理的玉米产量仍最高,与CK-H处理相比,GI100、GI70处理的小麦产量分别增加11.97%、1.41%,但显著不差异(图1-b)。

轮作第2年,与CK-H处理相比,小麦季GI100、GI70处理小麦产量分别增产12.89%、9.59%,且GI100处理较CK-H处理显著增加(P<0.05)。下茬玉米季期,GI100、GI70处理产量比CK-H处理产量分别增产19.44%、17.17%,均达到显著水平。

小麦轮作2年后,GI70处理小麦产量较CK-H处理平均增产9.77%,GI100处理小麦产量较CK-H处理平均增产14.82%,表明增施腐熟度高的有机肥是提高小麦产量的关键。玉米轮作2年后,GI70处理玉米产量较CK-H平均增产9.39%,GI100处理玉米产量较CK-H平均增产15.75%,表明增施腐熟度高的有机肥是提高玉米产量的关键。

2.4 不同腐熟度有机肥对土壤肥力和小麦、玉米产量的调控作用

采用结构方程模型Amos Graphics 21.0构建结构方程模型量化变量之间的因果关系(图2)。运行结果表明模型与观测数据的适配度较高,模型整体适配效果较好,模型的路径见图2,箭头上的数值为标准化后的权重系数值,表明正或负影响作用的相对大小,路径系数的计算参考相关文献[17,18]。肥力指标可显著正向影响土壤肥力和小麦、玉米产量,路径系数为0.75,其中有机肥总钾含量的因子载荷最大,有机质含量的因子载荷第二,都达到显著程度,表明二者是影响有机肥肥力的关键因素;技术指标可以正向影响土壤肥力和小麦、玉米产量,但未达显著程度,路径系数分别为0.13、0.40,其中有机肥腐熟度的因子载荷最大,蛔虫死亡率、pH的因子载荷达到显著程度,说明三者对有机肥的质量起到重要作用;重金属含量对土壤肥力、作物产量的路径系数分别为-0.61、-0.32,皆为负向影响,砷(As)含量对重金属含量的因子载荷最大,说明在生产有机肥时要注意控制As的含量。

不同大写字母表示2021年处理差异显著,不同小写字母表示2022年处理差异显著(P<0.05)。Different capital letters indicate significant difference in treatment in 2021, and different lowercase letters indicate significant difference in treatment in 2022 (P<0.05).

在作物产量要素中,玉米产量的因子载荷最高(0.99),表明玉米对有机肥施用的增产效应最高,土壤肥力要素组成中,土壤全氮的因子载荷最高(0.94),表明土壤全氮对有机肥施用的增肥效应最高。

Pb:铅;Cd:镉;As:砷;GI:腐熟度;pH:酸碱度;TN:全氮;TP:全磷;TK:全钾;OM:有机质;STN:土壤全氮;SAP:土壤有效磷;SAK:土壤速效钾;SOM:土壤有机质;*表示路径系数达显著差异(P<0.05)。Pb: Lead; Cd: Cadmium; As: Arsenic; GI: Degree of maturity; pH: Acidity and alkalinity; TN: Total nitrogen; TP: Total phosphorus; TK: Total potassium; OM: Organic matter; STN: Total soil nitrogen; SAP: Soil available phosphorus; SAK: Soil available potassium; SOM: Soil organic matter; * shows significantly different path coefficients (P<0.05).

3 讨 论

有机肥的氮、磷、钾含量丰富,是开展种养循环的基础,前人研究发现,有机肥的原料种类繁多,导致养分不稳定,质量参差不齐[19],黄绍文等[20]通过调查全国主要菜区典型商品有机肥、有机废弃物后发现,商品有机肥中氮、磷、钾含量均高于有机废弃物,有机废弃物中全磷、有机质含量、C/N和C/P均高于商品有机肥,商品有机肥的EC值远高于有机废弃物。同源有机肥的养分差异也较大,王若斐等[21]研究发现,调控不同碳氮比的猪粪、稻壳及蘑菇渣混合物高温堆肥后,初始C/N为35、25、10的堆肥氮、磷、钾含量有显著差异,C/N为35的堆肥氮、磷、钾含量均高于其他处理组。在堆肥结束后,有机肥的有机质含量降低[22],氮、磷、钾含量则上升[23]。本研究发现,不同腐熟度有机肥的养分差异较大,腐熟度高的有机肥有机养分含量更高,且蛔虫死亡率、大肠菌群数更少,可能是因为腐熟度高的有机肥碳源更充足,微生物会更彻底地分解碳源与合成有机质。因此,施用有机肥时要考虑其腐熟度,但也要注意氮、磷养分的平衡,防止过量施用造成土壤氮、磷素积累。pH是评价有机肥腐熟度的一项重要指标[24],本研究表明,GI100处理土壤呈弱碱性,GI70处理土壤呈酸性,与前人研究结果[25]一致,可能是因为在初始C/N一致的情况下,随着堆肥的进行有机氮分解更彻底。

土壤养分是土壤肥力的内部表征[26],与土壤质量关系密切,与单施化肥相比,施用有机肥能够改良土壤结构,改善土壤理化性状、微生物酶活性和微生物环境[27],还能提高土壤CEC值[28]。本研究发现,麦玉轮作区施用有机肥对两季土壤养分均有一定促进作用,整体上对冬小麦季土壤肥力的提升优于夏玉米季,但随着麦玉轮作的进行对土壤养分的促进作用减小。这可能是由于本研究仅在冬小麦季将有机肥施入土壤,因此,对夏玉米季的土壤养分促进效果较弱。阚正荣等[29]研究发现,适宜的施炭量可以更好地提高冬小麦产量,对夏玉米产量无显著影响,甚至表现为减产。李昊昱等[30]研究发现,冬小麦季单季秸秆还田对冬小麦的增产效果更大,本研究表明,与化肥处理相比,施用不同腐熟度的有机肥可活化土壤营养成分和作物产量,并呈随腐熟度增加产量增加趋势,这可能是因为有机肥腐熟度不同影响其“补碳”效果,进而引起土壤氮库容量变化和影响化肥氮的转化[31]。因此,施用有机肥应首选腐熟度高的有机肥,以减少施用后在土壤中的分解[32]。有机肥对冬小麦的产量提升比夏玉米大,与前人研究结果一致[33],这可能是由于冬小麦季施用有机肥为冬小麦的生长发育提供了充足的养分,而夏玉米季玉米生育期内降水量较多,高于研究区多年平均降水量,较多的降水可能降低有机肥中有机质、速效养分对土壤肥力的有效性,从而使对夏玉米的增产效果减弱,这一点也反映在玉米季土壤速效钾含量提升不明显甚至有所下降,说明单施有机肥可能存在钾素供应不足的问题[34]。

土壤培肥的实质是土壤-有机肥相互作用的结果。研究表明,有机肥分解受有机肥物料性质、土壤性质的共同作用,有机肥自身微生物不足会使微生物分解碳源、氮源的速度降低,提高肥料的缓释作用,施用有机肥可促进土壤氮素转化,可为微生物提供基质、养分及适宜的生存环境[35-38]。黄兴成等[39]指出,施用有机肥和磷肥可通过维持和提高黄壤性水稻土土壤综合肥力而间接提升水稻产量,本研究通过结构方程模型发现,有机肥的养分含量和技术指标是土壤培肥、作物增产的主控因子,肥力指标路径系数分别为0.75、0.94,技术指标分别为0.13、0.40,都表现为正向影响。本研究发现,有机肥腐熟度、pH、蛔虫死亡率、有机质含量等对作物的影响程度高于对土壤肥力的影响程度,这可能是因为本底土壤的基础肥力较高,土壤对施肥的响应低于作物对施肥的响应。重金属影响土壤微生物群的活动,抑制细菌分解有机碳的能力,并会使作物体内细胞膜造成损害,降低产量[40],因此,控制有机肥重金属含量对作物增产、土壤培肥较重要。夏文建等[41]研究发现,土壤中的重金属主要由施用有机肥带入,使土壤全量重金属含量明显变化,同时也改变土壤重金属的有效性,是土壤重金属污染主要的“源”。一方面,全量重金属干扰施入土壤的有机肥中有机酸、糖类、酚类及含氮、硫的杂环化合物的分解[42],并通过抑制敏感物种代谢活动改变微生物群落,使土壤酶活性降低[43],进而影响土壤的物质循环,无法维持土壤理化性质、肥力[44];另一方面,重金属有效性的增加加剧植物的毒性风险。张民等[45]研究发现,土壤重金属的有效态与有机质和速效磷含量呈显著正相关,夏文建等[41]研究发现,土壤阳离子交换量和速效磷可能是酸性稻田中重金属有效态调控的关键因子。因此,良好的土壤理化性质和土壤肥力有助于缓解土壤重金属污染。本研究发现,有机肥中的重金属对土壤肥力的影响大于对作物产量的影响,路径系数分别为-0.61、-0.32,说明有机肥中的重金属主要通过抑制土壤肥力造成作物减产。

As、Cr作为饲料添加剂有抑制病原微生物、促进畜禽生长的作用[46-47]。本研究发现,供试有机肥中As、Cd、Pb、Hg、Cr含量较低,表明其主要来源于有机肥原料或生产环境,而As的因子载荷在5类重金属种载荷最大,因此需要关注其在生产中的污染。我国目前有机肥重金属元素限量规定采用的是《有机肥料(NY/T 525—2021)》,分别对As、Cd、Pb、Hg、Cr的限定制定了严格标准,但对有机肥中Cu、Zn没有制定限量标准,可能是因为Cu、Zn是畜禽生长的必需元素,根据《饲料添加剂安全使用规范》(农业农村部公告第2625号),Cu和Zn均有推荐添加量及最高允许限量,因此,有必要制定商品有机肥中Cu、Zn等的限量标准。

4 结 论

100%腐熟度有机肥与70%腐熟度有机肥相比,营养成分、无害化程度更高,重金属含量更低。在小麦-玉米轮作区,施用100%腐熟度的有机肥能够保证土壤养分的有效供给,实现小麦、玉米的稳定增产。结构方程模型进一步表明,有机肥的肥力指标、技术指标、重金属含量是影响土壤肥力、作物产量的关键因素。因此,应从有机肥的肥力指标、技术指标、重金属含量考虑,采取相应的措施提高有机肥的质量,从而提升麦玉轮作系统的土壤肥力和作物产量。