不同有機肥用量對土壤硝態(tài)氮含量及氮素利用率的影響

井永蘋+李彥+張英鵬+羅加法+薄錄吉+孫明+仲子文

摘 要：為了研究有機肥用量對農(nóng)田土壤硝態(tài)氮遷移累積的影響，合理使用有機肥，減少有機肥對環(huán)境的污染，在山東省曹縣潮土小麥玉米輪作區(qū)進行大田試驗，研究了自然降雨條件下不同牛糞有機肥用量對小麥玉米輪作農(nóng)田土壤硝態(tài)氮縱向分布、作物產(chǎn)量、氮素利用率的影響。結果表明：0～100 cm各土層硝態(tài)氮含量及累積量隨著有機肥用量的增加而增加，且用量為每年每666.7m2 施3 000 kg以上時土壤硝態(tài)氮含量顯著增加；在小麥生育期和玉米苗期土壤硝態(tài)氮含量隨著土層深度的增加基本呈先降低后升高的趨勢，尤其在初夏小麥成熟期60～100 cm土壤中硝態(tài)氮累積量高于表層土，表明該時期土壤硝態(tài)氮向土壤深處遷移累積，對雨季地下水污染帶來潛在的危害；小麥、玉米產(chǎn)量與牛糞有機肥用量之間分別呈二次函數(shù)關系和線性關系，牛糞有機肥用量為每年每666.7m2 施3 000 kg（折純氮45 kg）時小麥和青貯玉米的總產(chǎn)量最高，該用量下，小麥、玉米的氮素利用率分別為52%和50%。綜合分析，推薦牛糞有機肥用量為每年每666.7m2 施3 000 kg，既保證小麥、青貯玉米的產(chǎn)量又能降低施肥給環(huán)境帶來的污染風險。

關鍵詞：牛糞有機肥；小麥-玉米輪作；土壤硝態(tài)氮；產(chǎn)量；氮素利用率

中圖分類號：S158.3文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）12-0095-06

Abstract In order to examine the effects of manure application rate on migration and accumulation of nitrate nitrogen （NO-3-N） in farmland soil profile and investigate the optimal manure application rate， a field experiment was conducted in wheat-maize rotation area of Caoxian County in Shandong Province. The influences of different cow manure application rates on vertical distribution of soil NO-3-N， crop yield and nitrogen use efficiency were determined in a winter wheat and summer maize rotation farmland under natural rainfall conditions. The results showed that the NO-3-N content and accumulation amount in the soil profile （0～100 cm） increased with the increase of manure application rate. When the manure application rate was greater than 3 000 kg per 666.7m2 for one year， the soil NO-3-N content was significantly higher than those of other treatments. During the whole wheat growth period and the seedling stage of maize， the NO-3-N content firstly reduced and then raised with the increase of soil depth. Especially in wheat mature stage in early summer， the NO-3-N accumulation amount in the 60～100 cm soil layer was higher than that of topsoil. It indicated that at this period， the NO-3-N had migrated downward and accumulated in the deep soil， which would be prone to polluting groundwater during the summer rainfall season. The wheat and maize yield showed quadratic function relation and linear relation respectively with the cow manure application rate. The total yield of wheat and silage maize was the highest when the cow manure application rate was 3 000 kg per 666.7m2 for one year （equivalent to 45 kg pure nitrogen per 666.7m2 for one year）， and the N use efficiency was 52% and 50% respectively. In conclusion， the recommended cow manure application rate was 3 000 kg per 666.7m2 for one year， which could not only guarantee the wheat and maize production but also lower the pollution risk of fertilization to environment.

Keywords Cow manure； Wheat-maize rotation； Soil NO-3-N； Yield； Nitrogen use efficiency

隨著畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；图s化程度的迅速提高，畜禽糞便污染作為農(nóng)業(yè)面源污染的重要組成部分已經(jīng)成為世界普遍關注的問題[1]。由于畜禽糞便有機肥含有豐富的營養(yǎng)物質，將其作為肥料進行農(nóng)田回用是其資源化利用的主要途徑。研究表明，施用有機肥能增加土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力[2]。但是越來越多的研究也表明過量有機肥的施用會造成土壤硝態(tài)氮累積，對地表環(huán)境產(chǎn)生嚴重危害的同時也會引起地下水硝酸鹽污染。袁新民等[3]研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)每年施用禽糞20 t/hm2所流出的地表徑流液對地表水質量構成嚴重威脅。另外姚麗賢[4]、劉勤[5]等研究發(fā)現(xiàn)大量施用以雞糞為主的有機肥，可使4 m以上土層中硝態(tài)氮濃度達到40～50 mg/kg。林葆[6]研究發(fā)現(xiàn)，在太湖流域氮素對水體的污染貢獻中，田間徑流液和淋失液中的氮素80%來自有機肥的礦化氮。當施肥量超過植物需要及土壤反硝化能力時，就會在降雨或灌溉作用下通過淋溶進入地下水[7]，因此，確定有機肥的合理用量、降低有機肥使用對環(huán)境的污染已經(jīng)成為目前亟待解決的問題。

小麥、玉米輪作是華北平原重要的種植模式之一，具有土地集約化程度高和高投入高產(chǎn)出的基本特點，深入研究基于牛糞資源化利用的小麥、玉米輪作制農(nóng)田土壤硝態(tài)氮遷移累積特征，對于合理處置養(yǎng)牛廢棄物和建立良性循環(huán)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義?；谌缟戏治?，本研究從土壤硝態(tài)氮含量變化角度出發(fā)，通過定量跟蹤分析不同牛糞有機肥用量處理對土壤硝態(tài)氮遷移累積規(guī)律、糧食產(chǎn)量及氮素利用率等指標的影響，探討有機肥用量對土壤硝態(tài)氮和作物產(chǎn)量的影響，為確定有機肥的合理用量、有效控制農(nóng)田養(yǎng)分流失提供技術支撐，也為我國單位耕地面積畜禽糞便承載量國家標準的制定和完善提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗在山東省菏澤市曹縣磐石街道辦事處王樓村進行，該試驗點位于魯西南平原，N 34°47′9.78″，E115°35′16.32″，屬于北亞熱帶地區(qū)，年均氣溫13.6～14.3℃，年均日照時數(shù)為2 147.6 h，年均降水量611.8～711.0 mm，年無霜期212 d。耕作模式為冬小麥夏玉米輪作模式。供試土壤類型為潮土，其基本理化性狀為：pH（H2O，5∶1）8.56，有機質13.25 g/kg，全氮 1.33 g/kg，有效磷 17.76 mg/kg ，堿解氮 93.54 mg/kg，速效鉀129.17 mg/kg。

1.2 試驗材料與設計

試驗于2014年10 月1日播種小麥，2015 年6 月11 日收獲，2015年6月20日種植玉米，2015年9月10日收獲。供試有機肥為牛糞有機肥，養(yǎng)分含量見表1。共設置6個有機肥處理（表2），分別是，T1：對照，不施有機肥；T2：每年每666.7m2（下同）用量為1 000 kg；T3：2 000 kg；T4：3 000 kg；T5：4 000 kg；T6：5 000 kg，隨機區(qū)組排列，重復3次，小區(qū)面積64 m2。小麥季和玉米季各施一半有機肥，且均為播前基施，后期不再追肥。

供試小麥品種為當?shù)刂饕耘嗥贩N濟麥22，采用25 cm 等行距機械播種，每666.7m2播種量為12.5 kg；玉米品種為豫青貯23，播種方式為點種，等行距播種，行距60 cm，株距25 cm。小麥、玉米播種前牛糞有機肥撒施，機械旋耕。試驗田日常管理措施同大田生產(chǎn)模式。試驗期作物不同生育階段的平均降水量為：小麥茬口內(nèi)總降水178.7 mm，玉米茬口內(nèi)總降水468.1 mm。

1.3 樣品采集

分別在小麥、玉米季的苗期、拔節(jié)期、成熟期進行土壤樣品采集，小區(qū)內(nèi)按每 20 cm一層分 5 層取 0～100 cm 土樣，每個小區(qū)隨機取 3 個點，相同層次的土壤混合為一個土壤樣品，置于冰柜中冷凍保存或立時測定。每層土壤的容重采用環(huán)刀法測定。

小麥收獲時收取5 m2樣方測產(chǎn)，同時測定小麥籽粒和秸稈中的養(yǎng)分含量；青貯玉米收獲時在小區(qū)內(nèi)隨機選取10株，測定其整株生物量、養(yǎng)分含量等指標，小區(qū)全部收獲計產(chǎn)。

1.4 測定項目及方法

土壤硝態(tài)氮測定：新鮮土樣用2 mol/L KCl 浸提，濾液通過流動注射分析儀測定其硝態(tài)氮含量。植株全氮含量測定：采用濃硫酸-雙氧水消煮，半微量凱氏定氮法測定，參照鮑士旦[8]的方法測定。

1.5 計算方法

氮肥農(nóng)學效率（kg/kg）=（施氮區(qū)作物產(chǎn)量-不施氮區(qū)作物產(chǎn)量）/施氮量；

氮素利用率（%）= 作物吸氮量/施氮量×100[9]。

所有試驗數(shù)據(jù)均用平均值，統(tǒng)計檢驗經(jīng)SPSS 16.0軟件處理分析，單因素方差分析后采用LSD法檢驗處理間的差異顯著性，以P<0.05作為差異顯著性水平。采用Microsoft Excel 2003擬合小麥、玉米產(chǎn)量與牛糞有機肥用量的關系曲線。

2 結果與分析

2.1 小麥季土壤剖面硝態(tài)氮垂直分布規(guī)律

在小麥苗期、抽穗期、成熟期，0～100 cm土層不同處理土壤硝態(tài)氮含量均隨著牛糞有機肥用量的升高而升高，但影響幅度不同（圖1）。

在小麥苗期，各處理0～100 cm土壤剖面內(nèi)硝態(tài)氮含量均隨著土壤深度的增加呈先降低后升高的趨勢（圖1A）。0～40 cm土層中T5、T6處理土壤硝態(tài)氮含量顯著高于其他處理；40～100 cm土層中，T3-T6處理間差異不顯著但顯著高于T1處理。由此可見該時期隨著土層的加深，各施肥處理間的差異逐漸變小。

在小麥拔節(jié)期，各處理0～100 cm土壤剖面的硝態(tài)氮分布規(guī)律與小麥苗期相似（圖1B）。0～20 cm土層中T6處理土壤硝態(tài)氮含量顯著高于T1-T5；20～40 cm土層T5、T6顯著高于T1、T2，但與T3、T4處理間無顯著差異；60～100 cm土層中T5、T6顯著高于T1-T4，且T5、T6處理硝態(tài)氮含量分別是對照T1的3.5～3.7倍和3.8～4.7倍。由此可見，隨著有機肥用量的增大，深層土壤中硝態(tài)氮含量差距逐漸拉大，尤其是牛糞有機肥用量為4 000～5 000 kg時，土壤硝態(tài)氮淋失風險顯然高于其他處理。

在小麥成熟期，0～100 cm土壤剖面中，隨著土層的加深，各處理土壤硝態(tài)氮含量差異逐漸增大（圖1C），且深層土壤硝態(tài)氮含量逐漸升高甚至超過表層土壤。0～60 cm土層，T2-T6處理土壤硝態(tài)氮含量分別是T1的1.35～2.83、1.47～3.33、1.61～4.30、1.88～5.33、2.19～7.67倍；60～100 cm土層，T2-T6處理土壤硝態(tài)氮含量分別是T1的2.57～3.68、4.33～4.43、5.68～6.88、10.71～14.33、12.86～15.17倍，由此可見，T5、T6處理在60～100 cm土壤中硝態(tài)氮含量顯著高于其他處理。此外，80～100 cm土層中T4、T5、T6處理土壤硝態(tài)氮含量分別是0～20 cm土層的1.07、1.91倍和1.73倍。由此推測，小麥成熟期隨著牛糞有機肥施用量的增加，硝態(tài)氮逐漸向深層土壤遷移累積，導致硝態(tài)氮污染地下水的風險大幅度提高。

2.2 玉米季土壤剖面硝態(tài)氮垂直分布規(guī)律

與小麥季相似，在玉米季的苗期、拔節(jié)期、成熟期，各處理0～100 cm土層土壤中硝態(tài)氮含量均隨著牛糞有機肥用量的升高而升高（圖2）。

在玉米苗期，除T1外，其他處理的0～100 cm土壤剖面內(nèi)硝態(tài)氮含量隨著深度的增加，T2、T4、T5處理呈先下降后上升趨勢，T3和T6處理則呈先降低后升高再降低再升高的趨勢（圖2A），在40～60、80～100 cm土層中硝態(tài)氮含量出現(xiàn)峰值。0～40 cm土層中各處理間土壤硝態(tài)氮含量無顯著差異；40～60 cm土層中T3處理硝態(tài)氮含量顯著高于其他處理；60～100 cm土層中T6處理顯著高于其他處理，而T3-T5之間差異不顯著。

在玉米拔節(jié)期，0～100 cm土壤剖面中硝態(tài)氮含量隨著土層的加深，除T1呈先降低后升高趨勢外，其他處理均呈先降低后升高再降低的趨勢，在60～80 cm處出現(xiàn)峰值（圖2B）。0～20 cm土層硝態(tài)氮含量以T5、T6處理最高，分別是T1處理的2.80倍和3.16倍，顯著高于T2-T4處理；20～60 cm土層T6顯著高于其他處理，而T2-T5之間差異不顯著；60～100 cm土層T5、T6處理土壤硝態(tài)氮含量顯著高于T1，但與T2-T4處理間的差異不顯著。由此可見，玉米拔節(jié)期，隨土層的加深，各處理土壤硝態(tài)氮含量差異逐漸縮小，且在不同土層中有遷移現(xiàn)象。

在玉米成熟期，0～100 cm土層縱向剖面硝態(tài)氮含量隨著土層的加深總體呈逐漸下降趨勢（圖2C）。0～40 cm土層中硝態(tài)氮含量以T6最高，顯著高于其他處理；各處理40～60 cm土層硝態(tài)氮含量差異不顯著；60～100 cm土層中硝態(tài)氮含量以T5、T6處理最高，顯著高于其他處理。由此可見，雖然隨著土層的加深土壤硝態(tài)氮含量逐漸降低，但是仍以施肥量大的處理硝態(tài)氮含量最高。

玉米大量需肥階段在拔節(jié)期后，本試驗研究發(fā)現(xiàn)自玉米拔節(jié)期至成熟期，土壤硝態(tài)氮含量隨土壤深度的增加逐漸降低，土壤硝態(tài)氮含量主要集中在0～60 cm土層中，恰能滿足玉米根系活動范圍內(nèi)的氮素供給 （圖 2），一方面保證了玉米此階段對礦質養(yǎng)分的大量需求，另一方面也在一定程度上減輕了硝態(tài)氮流失。但同時玉米大量需肥時期也正是雨熱同期的緣故，因此土壤中較高含量的硝態(tài)氮也存在比較大的淋失風險。

2.3 不同牛糞有機肥用量對小麥、青貯玉米產(chǎn)量及氮素利用率的影響

在本試驗條件下，小麥產(chǎn)量隨著牛糞有機肥施用量的增大呈先升高后降低趨勢，其中以T4處理的小麥產(chǎn)量最高，達380.3 kg（表3），與T3差異不顯著，但顯著高于其他處理。小麥產(chǎn)量與牛糞有機肥施用量之間呈二次函數(shù)曲線（y=-4×10-5x2+0.1232x+279.42，R2=0.9200）。而青貯玉米的產(chǎn)量隨著牛糞有機肥施用量的增加呈不斷增加趨勢。施肥處理青貯玉米產(chǎn)量依次比不施肥對照T1高出30.1%、32.1%、43.4%、51.0%和56.0%。青貯玉米產(chǎn)量與牛糞有機肥用量之間呈線性關系（y=6×10-4x+3.3249，R2=0.8827）。

牛糞有機肥用量為每年每666.7m2為1 000 kg（T2）時，小麥、玉米的氮肥農(nóng)學效率最高，分別為8.0、12.1 kg/kg，但此用量下作物產(chǎn)量較低。小麥、青貯玉米產(chǎn)量最高值的牛糞有機肥用量分別為3 000 kg和5 000 kg，但青貯玉米產(chǎn)量在用量為3 000～5 000 kg間無顯著差異。牛糞有機肥用量在3 000 kg時小麥與青貯玉米的總產(chǎn)量最高。因此，從作物產(chǎn)量的指標來看，小麥季牛糞有機肥的最佳用量為1 500 kg；而玉米季牛糞有機肥施用量還有提升空間。

小麥、玉米兩季的氮素利用率隨著施肥量的增加均呈降低趨勢?？紤]作物根系的主要活動范圍在 0～60 cm土層內(nèi)。不施牛糞有機肥的對照處理作物攜出的氮素主要來源于土壤氮庫。有機肥用量為1 000 kg的處理，氮素利用率在小麥、玉米季分別為125%和120%，表明該處理下作物移走的氮超過肥料投入氮，長此以往勢必會造成土壤氮庫虧損。隨著有機肥用量的增加氮素利用率逐漸降低，3 000 kg用量時小麥產(chǎn)量最高，氮素利用率為52%。牛糞有機肥用量在3 000～5 000 kg范圍內(nèi)青貯玉米產(chǎn)量無顯著差異，而氮素利用率隨著牛糞有機肥用量的增加而降低，從50%降至32%。而有機肥用量在5 000 kg時小麥和玉米季的氮素利用率分別為25%和32%，表明作物攜出氮的增加量逐漸低于肥料中氮素投入的增加量。

3 討論與結論

前人研究結果表明，硝態(tài)氮在土壤剖面的不同分布及累積量與施肥量、生育時期、作物品種、種植密度、降雨量、土壤類型、肥料種類等關系密切[10-12]。本試驗結果表明，小麥、玉米季各時期0～100 cm土層土壤硝態(tài)氮含量及累積量隨牛糞有機肥用量的增加而增加。這與楊蕊菊、劉敏等[13，14]的研究結果相似。本研究發(fā)現(xiàn)在小麥、玉米各時期牛糞有機肥用量為4 000 kg和5 000 kg的土壤中硝態(tài)氮含量均顯著高于其他施肥處理。土壤中硝態(tài)氮含量及氮素累積量以牛糞用量3 000 kg（T4）為拐點，高于此用量后土壤硝態(tài)氮含量及累積量隨著牛糞有機肥用量的增加呈迅速升高趨勢。這說明有機肥用量大于3 000 kg時會給土體帶來嚴重的硝態(tài)氮累積現(xiàn)象，硝態(tài)氮遷移污染地下水的潛在風險加大。

牛糞有機肥對小麥產(chǎn)量的影響隨著其用量的增加呈拋物線變化趨勢，而青貯玉米的產(chǎn)量與牛糞有機肥用量間呈正相關關系。牛糞有機肥用量為3 000 kg（折合小麥、玉米季氮素投入量分別為22.5 kg）時小麥、玉米季氮素利用率分別為52%和50%。巨曉棠[9]報道世界各地平衡法施肥氮素利用率平均值為 50%～55%。牛糞有機肥用量為3 000 kg時小麥、玉米季氮素利用率與國際平均水平持平。平衡法施肥氮素利用率越高表明作物吸收氮超過肥料投入氮越多，隨著時間的推移，與肥料氮素輸入量相比，作物帶走的氮素更多，不僅產(chǎn)量較低，而且會造成土壤氮肥力的耗竭。相反平衡法施肥氮素利用率降低則說明作物帶走的氮素量（因產(chǎn)量增加）低于投入的氮素量，因此會導致氮素在土壤中不斷累積，導致氮素損失量不斷加大。蓄禽糞便作為有機肥施用雖然減少了化肥的投入，但是過量蓄禽糞便的施用同樣會對土壤、水環(huán)境造成嚴重威脅[15]。因此，并不是有機肥施用越多越好，從本研究結果來看，綜合土壤硝態(tài)氮含量、累積量與牛糞有機肥用量的關系，以及考慮作物產(chǎn)量和氮肥利用率等因素，每年每666.7m2土壤牛糞有機肥的用量為3 000 kg時是最佳用量。

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