粪肥替代对稻田土壤氮素、有机质含量及水稻产量的影响

吴茜虞,续勇波,雷宝坤,李孙宁,徐卓颖

(1.云南农业大学资源与环境学院,昆明 650201;2.云南农业大学烟草学院,昆明 650201;3.云南省农业科学院农业环境资源研究所,昆明 650205)

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于云南省大理市古生村生态种植示范基地(25°48′ N,100°08′ E)。该地区属低纬高原中亚热带西南季风气候,海拔1964 m, 年平均降水量1065.7 mm,多年平均气温15 ℃。该区主要以夏水稻-冬油菜水旱轮作为主。试验开始前测定0～20 cm土壤基本理化性质如表1所示。

表1 试验前土壤基本理化性质Table 1 Soil physico-chemical properties before experiments

1.2 试验设计

单因素随机区组设计,共设置5个处理,CK1:不施肥处理(只种植作物,田间管理措施相同);CK2:单施化肥处理按m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O) =1∶0.4∶0.5(农业部推荐)比例施用,尿素(46%N)391 kg/hm2、过磷酸钙(16%P2O5)450 kg/hm2、硫酸钾(13%K2O)692 kg/hm2,磷肥和钾肥作基肥在移栽前一次性撒施;氮肥按m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(孕穗肥)∶m(粒肥)=4∶3∶1.5∶1.5比例施用;T1:猪粪全量替代化肥处理[氮(N)2.94%,磷(P2O5)1.02%,钾(K2O)3.57%,C/N 14];T2:牛粪全量替代化肥处理[氮(N)1.99%,磷(P2O5)0.19%,钾(K2O)0.32%,C/N 26];T3:鸡粪全量替代化肥处理[氮(N)4.26%,磷(P2O5)0.26%,钾(K2O)1.47%,C/N 8]。每个处理3次重复,共15个小区,每个小区3.0 m×9.7 m=29.1 m2。等氮量替代原则,N养分投入量180 kg/hm2。选用当地种植品种云粳37为供试材料,种植密度34穴/m2,行株距11.8 cm×24.8 cm。施用前测定各粪肥的养分含量,根据全氮含量和含水率计算各处理粪肥实际施用量(表2),猪粪、牛粪和鸡粪在移栽淹水前翻耕时一次性施入,翻耕深度约为20 cm。于2021年6月5日移栽,2021年10月23日收获。各施肥处理肥料投入成本见表3。

表2 各处理施肥量和养分折纯Table 2 Fertilizer amount and nutrient content in each treatment

表3 各施肥处理肥料投入成本Table 3 Fertilizer input cost of each fertilizer treatment

1.3 样品采集及测定

水稻收获时每个小区选取有代表性的5穴植株,测量植株生物量(穗长、株高),齐地收割带回实验室,籽粒分成2份,1份风干(用于测量千粒重、实穗率),1份烘干(烘箱105 ℃杀青0.5 h,75 ℃烘干至恒重。分成籽粒和秸秆两部分)。研磨过筛,测定全氮含量。每个小区实收测产(以穗粒含水13.5%来计算产量)。

1.4 结果计算及统计分析

1.4.1 结果计算 水稻氮素积累量、氮肥表观利用率(Nitrogen apparent efficiency,AEN)、氮肥偏生产力(Nitrogen fertilizer partial productivity, PFPN)、氮素收获指数(Nitrogen harvest index, NHI)、氮肥贡献率(Contribution rate of nitrogen fertilizer, FCRN)、氮肥生理利用率(Nitrogen physiological efficiency, PEN)的计算公式均参考文献[17]。水稻氮素积累量(kg/hm2)= (籽粒产量×籽粒含氮量)+(秸秆产量×秸秆含氮量);AEN(%)=(施氮区地上部总吸氮量-不施氮区地上部总吸氮量)/施氮量×100;PFPN(kg/kg)= 施氮区籽粒产量/施氮量;NHI(%)= 籽粒吸氮量/地上部总吸氮量×100;FCRN

(%)=(施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/ 施氮区籽粒产量×100;PEN(kg/kg)= (施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/(施氮区地上部吸氮量-不施氮区地上部吸氮量)。

1.4.2 统计分析 使用Excel 2019 软件归纳和处理数据,SPSS 21.0软件采用 LSD 法对不同施肥处理进行单因素方差分析和显著性差异检验,Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同粪肥全量替代处理土壤氮素含量

由图1-A可知,施肥能显著提高土壤全氮含量,较CK1处理增加14.81%～20.42%;T1、T3处理土壤全氮含量较CK2处理分别显著提高4.89%和3.83%,T2处理与CK2处理相比差异不显著。

同一指标上不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Different letters on the same index indicate significant differences under the multiple comparisons (P<0.05). The same as below.图1 各处理土壤氮素含量 Fig.1 Soil nitrogen content in each treatment

不同施肥处理间土壤铵态氮、硝态氮含量有一定差异(图1-B)。各处理土壤铵态氮含量:CK2[(22.99±0.56)mg/kg]>T3[(19.46±0.49)mg/kg]>T2[(19.37±0.18)mg/kg]>T1[(16.28±1.97)mg/kg]>CK1[(15.62±2.18)mg/kg],土壤铵态氮含量T1、T2、T3处理较CK2处理分别显著降低29.18%、15.75%、15.36%。各处理土壤硝态氮含量:T3[12.12±1.27)mg/kg]>T2[(10.63±1.15)mg/kg]>T1[(10.06±0.25)mg/kg]>CK2[(9.66±1.50)mg/kg]>CK1[(8.47±0.39)mg/kg],土壤硝态氮含量T3处理较CK2显著提高25.51%,T1、T2处理较CK2处理差异不显著。

2.2 不同粪肥全量替代处理土壤有机质含量

由图2可知,粪肥全量替代处理较CK1、CK2处理显著提高土壤有机质含量。各处理土壤有机质含量:T2[(61.72±11.72)g/kg]>T1[(47.82±8.94)g/kg]>T3[(45.64±1.26)g/kg]>CK2[(33.18±2.24)g/kg]>CK1[(24.8±1.82)g/kg]。土壤有机质含量T1(猪粪)、T2(牛粪)、T3(鸡粪)处理较CK2处理分别显著提高44.10%、85.98%、37.52%;T1和T3处理相比差异不显著,CK1处理和CK2处理相比差异不显著。

图2 各处理土壤有机质含量 Fig.2 Soil organic matter content in each treatment

2.3 不同粪肥全量替代处理水稻产量及氮素积累量

水稻产量与养分供应有关,施用粪肥或单施化肥都能提高水稻产量(表4)。各处理水稻产量呈T3>CK2>T1>T2>CK1。水稻产量T2(牛粪)处理较CK2处理显著降低14.96%;T1(猪粪)、T3(鸡粪)处理与CK2处理相比差异不显著。分析各处理水稻产量构成可知,不同粪肥全量替代处理千粒重、实穗率、穗长和株高与单施化肥处理相比均无显著差异。

表4 各处理水稻产量及其构成因素Table 4 Rice yield and yield components of each treatment

如图3所示,与CK1处理相比,CK2、T1(猪粪)和T3(鸡粪)处理均显著增加水稻地上部总氮素积累量,且CK2、T1和T3处理间差异不显著。地上部氮素积累量T2(牛粪)处理较CK2处理显著降低20.00%。各处理水稻地上部氮素积累量:T3[(148.39±12.89)kg/hm2]>CK2[(136.66±17.39)kg/hm2]>T1[(132.04±9.63)kg/hm2]>T2[(109.33±2.44)kg/hm2]>CK1[(94.90±2.17)kg/hm2]。其中各施肥处理籽粒氮素积累量占比呈CK1>T1>CK2>T2>T3,秸秆氮素积累量占比呈T3>T2>CK2>T1>CK1。

百分比代表籽粒、秸秆吸氮量在地上部总吸氮量的占比。The percentages in the figure represent the proportion of nitrogen uptake by grains and straws in the total nitrogen uptake.图3 各处理水稻地上部氮素积累量Fig.3 Aboveground nitrogen accumulation in each treatment

2.4 不同粪肥全量替代处理水稻氮素吸收利用效率

由表5可知,不同施肥处理水稻氮肥表观利用率呈T3>CK2>T1>T2的规律;氮肥表观利用率T1(猪粪)、T3(鸡粪)处理与CK2处理相比差异不显著,T2(牛粪)处理较CK2处理显著降低65.44%。各施肥处理氮肥偏生产力与氮肥表观利用率呈现出相同规律,且各施肥处理间无显著差异。各施肥处理氮素收获指数:T1>CK2>T2>T3,且处理间差异不显著。各施肥处理氮肥贡献率也与氮肥表观利用率呈现出相同规律,除T2(牛粪)处理外,其余粪肥全量替代处理与单施化肥处理相比均无显著差异。各施肥处理氮肥生理利用率:T3>T1>CK2>T2,T1(猪粪)和T3(鸡粪)处理较CK2处理差异不显著。

表5 各施肥处理氮素吸收利用效率Table 5 Nitrogen use efficiency of each fertilization treatment

2.5 地上部氮素吸收利用效率与水稻产量的相关性分析

通过相关性分析发现,在本试验中氮肥表观利用率(图4-A)、氮肥偏生产力(图4-B)、氮肥收获指数(图4-C)及氮肥生理利用率(图4-D)与水稻产量均呈极显著相关。

*表示在 0.05 水平上差异显著,**表示在 0.01 水平上差异显著。 * means significant difference at the 0.05 level, and ** means significant difference at 0.01 level.图4 地上部氮素吸收利用率与水稻产量的关系Fig.4 Relationship between aboveground nitrogen uptake and utilization rate and rice yield

3 讨 论

3.1 不同粪肥全量替代对稻田土壤氮素和有机质含量的影响

土壤全氮(TN)和有机质(SOM)是土壤供肥能力的重要指标。粪肥中不仅有丰富的碳、氮源,能为土壤补充有机质并改善土壤养分结构,提高土壤供肥能力,还含有多种有益微生物,刺激土壤微生物活性,促进物质转换[10,18]。

3.2 不同粪肥全量替代对水稻产量及氮素吸收利用效率的影响

作物产量和植株氮素吸收利用效率都是衡量粪肥还田可行性的重要参数。粪肥能提高土壤有机质,提高土壤供肥能力,改善土壤结构,促进作物根系生长,影响植株对养分的吸收利用和作物产量[13,15-16]。本试验中,各施肥处理水稻产量构成并无显著差异。与单施化肥处理相比,猪粪和鸡粪全量替代均实现水稻稳产。植株氮素积累量是影响水稻产量的关键因素,本试验中猪粪和鸡粪全量替代处理籽粒含量较单施化肥处理无显著差异,这可能是稳产的主要原因。

氮素吸收利用效率取决于土壤和肥料的氮素供应,植株氮素积累影响作物产量进而影响氮素吸收利用率[26-27]。本试验中猪粪和鸡粪全量替代处理氮素吸收利用率与单施化肥处理均无显著差异,但也有研究指出长期猪粪全量替代较单施化肥显著降低氮肥农学利用率[28],这可能与试验周期有关,需继续监控粪肥替代的长期效应。不同于猪粪和鸡粪全量替代处理,牛粪全量替代处理较单施化肥处理显著降低了植株氮素积累量、水稻产量、氮肥表观利用率、氮肥贡献率和氮肥生理利用率,可能是牛粪碳氮比(C/N=26)较高的原因,过高的碳氮比限制了土壤微生物的分解作用,还可能与植株争夺养分,影响植株对养分的吸收利用进而影响作物生长。

4 结 论

综合肥料投入成本,猪粪和鸡粪均能在减少种植成本的前提下保障水稻产量,提高土壤全氮(TN)、有机质(SOM)含量,既稳产又能改善土壤供肥能力。相较鸡粪全量替代处理,猪粪全量替代处理降低氮素的淋溶流失风险,是较优的可全量替代化肥的备选粪肥种类。