牛糞-化肥配施對水稻氮素利用的影響

王 昭,王春雪,祖艷群,李 元,張克強(qiáng),李 敏,舒正文

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650201)

水稻是我國的主要糧食作物。為了追求水稻高產(chǎn),農(nóng)民加大了化肥的施用量,尤其是氮肥的施用量[1-3]。但水稻對氮肥的利用率不足50%[4],氮素主要通過氨揮發(fā)、滲漏、徑流等途徑流失[5-8]。過量氮肥施入農(nóng)田導(dǎo)致水稻晚熟,品質(zhì)下降,氮肥利用效率下降。過量的氮肥還會(huì)隨地表徑流流到周圍水體中,形成農(nóng)業(yè)面源污染。為緩解化肥過量施用對水稻及環(huán)境的威脅,有關(guān)學(xué)者提出利用有機(jī)肥與化肥配施,改善農(nóng)田土壤理化性質(zhì),提高肥力,有助于水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[9]。

牛糞含有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀等養(yǎng)分,是優(yōu)質(zhì)的資源。若農(nóng)田施用過量的牛糞,易造成土壤中溶解鹽含量增加,從而提高土壤的鹽分,降低土壤中微生物活性,影響農(nóng)作物產(chǎn)量[10]。黑水虻(Black soldier fly)學(xué)名亮斑扁角水虻(HermetiaillucensL.),是一種自然界廣泛分布的腐食性昆蟲,其幼蟲以畜禽糞便為食,能在兩周內(nèi)降解50%的牛糞堆積[11-13]。與常規(guī)牛糞相比,經(jīng)黑水虻處理后的牛糞物料氮磷含量降低30%～60%,且質(zhì)地疏松,無臭味[14]。目前對于黑水虻處理后奶牛糞便物料作為肥料,對水稻產(chǎn)量的影響的研究未有相關(guān)的報(bào)道。盡管黑水虻處理后的牛糞剩余物料氮磷含量有所降低,但仍具有一定的肥力,可以作為肥料施用,用于提高土壤中氮磷及有機(jī)質(zhì)含量[15-16],改善土壤肥力[17-18],促進(jìn)農(nóng)作物生長[19-20]。

本研究利用黑水虻幼蟲處理后的牛糞物料作為肥料,通過盆栽試驗(yàn),在等氮量替代下,比較了不同比例牛糞物料與化肥配施對水稻田面水氮素濃度、土壤中氮累積量、水稻籽粒產(chǎn)量及水稻氮素利用的影響，以期在保證水稻不減產(chǎn)的基礎(chǔ)上,探索出牛糞物料配施化肥的最佳比例,為在水稻生產(chǎn)上推廣及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 畜禽糞便引起的環(huán)境污染現(xiàn)狀

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于云南省大理市農(nóng)業(yè)部環(huán)保所大理綜合實(shí)驗(yàn)站(25°50′N,100°07′E),屬于低緯度高原季風(fēng)氣候,干濕季分明,海拔1900 m。年平均氣溫為21 ℃,年平均降水量為1084 mm,每年降水量集中在5～10月份。試驗(yàn)土壤為水稻土,本研究土壤是稻田中0～20 cm耕作土,其基本理化性質(zhì)為:pH 7.77,全氮(TN)1.92 g/kg,堿解氮(AN)237.21 mg/kg,全磷(TP)0.40 g/kg,速效磷(AP)125.16 mg/kg,有機(jī)質(zhì)31.89 g/kg。

1.2 牛糞物料的制備

將8000只8日齡黑水虻幼蟲接種到裝有10 kg新鮮牛糞的塑料箱中(71.0 cm× 45.5 cm× 18.0 cm),將塑料箱搬至室內(nèi),室內(nèi)溫度控制在28～30 ℃,每天10:00及15:00攪拌塑料箱中糞便兩次,促進(jìn)幼蟲能夠充分取食。每3 d向各牛糞處理組中適當(dāng)補(bǔ)充水分,防止糞便含水量過低而影響黑水虻處理。當(dāng)塑料箱中幼蟲約有40%變?yōu)橄x蛹(蟲體表面顏色由乳白色變?yōu)楹诤稚?時(shí)停止飼養(yǎng),將蟲蛹從牛糞中篩分出,收集剩余的牛糞物料。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年6月2日到9月28日進(jìn)行,共設(shè)5個(gè)施肥處理,每個(gè)處理3次重復(fù),共15個(gè)試驗(yàn)盆栽組。盆栽使用的圓形水桶半徑為20 cm,高50 cm,每桶裝土20 kg,每個(gè)水桶間隔40 cm,以防串流。供試牛糞物料為新鮮牛糞經(jīng)黑水虻生物處理后所得。具體配施處理為:不施肥處理(M0)、單施化肥處理(M1)、30%牛糞物料+70%化肥(M2)、50%牛糞物料+50%化肥(M3)、70%牛糞物料+30%化肥(M4)。除M0處理外,M2、M3和M4處理的氮肥施入量等同單施化肥的M1處理,M1、M2、M3和M4處理施等量的磷肥、鉀肥。供試化肥為:尿素(N,46.4%)、過磷酸鈣(P2O5,16%)、硫酸鉀的(K2O,50%)。牛糞及磷肥、鉀肥作為底肥施用,M1的氮肥按1∶1∶1的比例分別在種植前、分蘗期、抽穗期施用。M2、M3和M4的底肥不施用尿素,配施的氮素按1∶1分別在分蘗期、抽穗期施用。不同配比的經(jīng)黑水虻處理的牛糞與化肥的施用量見表1。

表1 不同配施條件下牛糞物料與化肥的施肥量 g/盆

供試水稻品種為“云粳25”。水稻盆栽密度為7穴/盆,每穴移栽3株秧苗。2018年6月4日插秧,6月16日施分蘗肥,7月27日施穂肥,9月28日收割。供試牛糞由大理實(shí)驗(yàn)站養(yǎng)殖場提供,經(jīng)黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化處理。處理后牛糞中養(yǎng)分含量(干基)為:TN 2.40 g/kg,TP 0.70 g/kg,TK 2.34 g/kg,含水率為10.53%。盆栽灌溉水來自農(nóng)灌溝；栽培管理方式同當(dāng)?shù)靥镩g常規(guī)管理。

1.4 樣品采集

田面水采集:每次施肥后第2、4、7、10天,上午10:00定時(shí)采集田面水樣品250 mL,將水樣帶回實(shí)驗(yàn)室,在48 h內(nèi)測定田面水中總氮(TN)、銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)濃度。

土壤樣品采集:在水稻種植前取稻田0～20 cm耕作土,研磨過20目篩,平鋪于曬谷場,自然風(fēng)干,隨機(jī)取3份混合樣,測定土壤TN、TP含量。將其它土樣裝在水桶中,每個(gè)桶裝20 kg。在水稻成熟后,多點(diǎn)采集表層0～20 cm土,重復(fù)3次。將采集的土壤均勻混合,風(fēng)干過篩備用。

牛糞樣品采集:在黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化處理后的牛糞堆中,隨機(jī)取6個(gè)糞樣,平鋪于曬谷場,自然風(fēng)干,研磨過60目篩備用。

1.5 測定指標(biāo)及計(jì)算方法[21-23]

1.5.1 水稻田面水氮素濃度的測定 田面水TN、NH4+-N和NO3--N濃度按照土壤農(nóng)化分析方法測定。

1.5.2 植株氮累積量的測定 將收獲的水稻植株樣品分為莖、葉、穗、根、籽粒等部分,烘干稱重。研磨后用H2SO4-H2O2消煮,采用凱氏定氮法測定氮含量。

1.5.3 土壤全氮、堿解氮含量的測定 水稻成熟期土壤TN含量采用凱氏定氮法測定,土壤AN含量采用擴(kuò)散法測定。

1.5.4 水稻氮素利用率的計(jì)算 相關(guān)計(jì)算公式如下：氮肥農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量;

氮肥吸收利用率(%)=(施氮區(qū)地上部吸氮量-空白區(qū)地上部吸氮量)/氮施用量×100%;

氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=施氮區(qū)水稻產(chǎn)量/施氮量;

氮肥貢獻(xiàn)率(%)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮區(qū)產(chǎn)量×100%。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 19.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,使用Origin 9.1作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下田面水氮素濃度的變化特征

如圖1a所示,各配施處理(M0除外)施用底肥2 d后,田面水TN濃度達(dá)到峰值,維持在1.50～46.60 mg/L；隨后逐漸下降,10 d后降到最低,分布在0.76～14.30 mg/L。施用分蘗肥后,各配施處理田面水TN濃度升高,在施肥后2～4 d內(nèi)田面水TN濃度達(dá)到峰值,各處理峰值期田面水TN濃度由高到低排列為:M1(36.11 mg/L)>M2(31.84 mg/L)>M3(21.46 mg/L)>M4(10.35 mg/L)；隨后逐漸下降,7 d后趨于穩(wěn)定,最終維持在0.76～2.57 mg/L。施用穂肥后,各處理田面水TN濃度在施肥2～4 d后達(dá)到峰值,各處理峰值期田面水TN濃度由高到低排列為: M1(44.90 mg/L)>M2(42.53 mg/L)>M3(26.04 mg/L)>M4(21.73 mg/L)；隨后逐漸下降,7 d后趨于穩(wěn)定,維持在1.14～1.55 mg/L。與M1處理相比,M2、M3和M4處理的田面水TN濃度分別降低了26.70%、15.90%和23.80%。不施肥的M0處理田面水TN濃度在各時(shí)期均低于其余配施處理,分布在0.32～6.03 mg/L范圍內(nèi)。

圖1 牛糞物料配施化肥對田面水TN、NH4+-N和NO3--N濃度的影響

如圖1b所示,各配施處理施用底肥2 d后,田面水NH4+-N濃度達(dá)到峰值,維持在0.90～1.51 mg/L,隨后逐漸下降,10 d后降到最低,分布在0.70～2.74 mg/L。施用分蘗肥后,各配施處理田面水NH4+-N濃度升高,在施肥后2 d內(nèi)達(dá)到峰值,各處理峰值期田面水NH4+-N濃度由高到低排列為:M3(11.63 mg/L)>M1(8.81 mg/L)>M4(8.27 mg/L)>M2(7.23 mg/L)；隨后逐漸下降,7 d后趨于穩(wěn)定,最終維持在0.54～1.62 mg/L。施用穂肥后,各處理田面水NH4+-N濃度在施肥2～4 d后達(dá)到峰值,各處理峰值期田面水NH4+-N濃度由高到低排列為:M3(14.84 mg/L)>M2(14.65 mg/L)>M1(13.68 mg/L)>M4(9.75 mg/L)；隨后逐漸下降,7 d后趨于穩(wěn)定,維持在1.09～1.16 mg/L。與M1處理相比,M2、M3和M4處理的田面水NH4+-N濃度分別降低了5.89%、6.46%和2.44%。M0處理的田面水NH4+-N濃度在各時(shí)期均低于其余配施處理,分布在0.21～0.92 mg/L范圍內(nèi)。

如圖1c所示,各配施處理(M1除外)施用底肥后,田面水NO3--N濃度升高,4 d后達(dá)到最大值,隨后逐漸下降,10 d后降到最低,分布在0.58～8.41 mg/L。施用分蘗肥后,各配施處理的田面水NO3--N濃度在施肥后4 d內(nèi)達(dá)到峰值,由高到低排列為:M1(10.39 mg/L)>M2(2.82 mg/L)>M4(2.34 mg/L)>M3(1.36 mg/L)；隨后逐漸下降,7 d后趨于穩(wěn)定,最終維持在0.59～1.14 mg/L。施用穂肥后,各處理的田面水NO3--N濃度在施肥4 d后達(dá)到峰值,各處理峰值期田面水NO3--N濃度由高到低排列為:M3(0.91 mg/L)>M4(0.66 mg/L)>M1(0.63 mg/L)>M2(0.49 mg/L)；隨后逐漸下降,7 d后趨于穩(wěn)定,維持在0.32～0.59 mg/L。與M1處理相比,M2、M3和M4處理的田面水NO3--N濃度分別降低了46.40%、37.09%和25.81%。

2.2 不同處理下水稻成熟期土壤全氮、堿解氮含量

由表2可知,水稻成熟時(shí),各處理土壤TN含量由高到低依次為M3(1.75 g/kg)>M4(1.66 g/kg)>M2(1.59 g/kg)>M1(1.47 g/kg)>M0(1.01 g/kg)。與M0處理相比,M1、M2、M3和M4處理土壤TN含量分別提高了45.54%、57.43%、73.27%和64.36%,差異顯著。土壤AN含量由高到低依次為M3(286.97 mg/kg)>M1(270.66 mg/kg)>M4(269.22 mg/kg)>M2(250.55 mg/kg)>M0(176.82 mg/kg)。與M0處理相比,M1、M2、M3和M4處理土壤TN含量分別提高了53.07%、41.70%、62.29%和52.26%,差異顯著?？傮w來說,M0處理土壤TN、AN含量最低,M3處理土壤TN、AN含量最高。

表2 牛糞物料配施化肥對土壤全氮和堿解氮含量的影響

注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,同列數(shù)據(jù)后標(biāo)注的不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3 不同處理下水稻產(chǎn)量性狀指標(biāo)與氮素累積量

由表3可知,在等氮量替代下,隨著牛糞物料配施比例的增加,水稻莖葉產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、株高和分蘗數(shù)呈先升高后降低的趨勢。50%牛糞物料配施化肥的M3處理水稻莖葉產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、株高和分蘗數(shù)最多,分別為9.18 g/盆、11.62 g/盆、88.92 cm和7.93個(gè),與單施化肥的M1處理相比無顯著差異，但比M2處理分別提高了4.44%、2.47%、0.85%和2.59%，較M4處理分別提高了12.5%、9.73%、2.75%和23.91%(差異顯著)。在牛糞物料配施各處理中(M0除外),M2處理莖葉的氮素累積量(0.62 g/盆)最低,M1處理的莖葉氮素累積量(0.74 g/盆)最高,且M1和M3處理間莖葉氮素累積量無顯著差異。M4處理的籽粒氮素累積量(0.85 g/盆)最低,顯著低于M1、M2和M3處理；M2和M1、M3處理的籽粒氮素累積量無顯著差異。植株氮素累積量(籽粒與莖葉之和)由高到低依次為:M3(1.66 g/盆)>M1(1.64 g/盆)>M2(1.52 g/盆)>M4(1.50 g/盆)>M0(1.06 g/盆),其中M3處理植株的氮素累積量最高,M0最低,但M1和M3處理間差異不顯著。

2.4 不同處理下水稻氮素利用率

由表4可知,隨著牛糞物料配施比例的增加,M2、M3和M4處理的水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥貢獻(xiàn)率均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。當(dāng)50%牛糞物料配施化肥時(shí)(M3),氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥貢獻(xiàn)率最大,分別為7.84 kg/kg、39.48%、13.59 kg/kg和57.67%,較30%牛糞物料配施處理分別提高了5.95%、30.73%、3.35%和1.49個(gè)百分點(diǎn)；繼續(xù)增加牛糞物料的配施比例,水稻的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥貢獻(xiàn)率均呈現(xiàn)降低趨勢,差異顯著。與單施化肥的M1處理相比,M3處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥貢獻(xiàn)率分別提高了0.51%、4.06%、0.30%和0.11個(gè)百分點(diǎn)。綜合表3和表4可知,在等氮量替代下,50%牛糞物料配施化肥,在保證水稻產(chǎn)量的同時(shí),可使水稻的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥貢獻(xiàn)率得到提升。

表3 牛糞物料配施化肥對水稻生長、產(chǎn)量和氮累積量的影響

表4 牛糞物料配施化肥對水稻氮素利用率的影響

3 討論

3.1 不同處理對水稻田面水氮素濃度的影響

稻田田面水中氮素流失風(fēng)險(xiǎn)與氮素施肥量密切相關(guān),施肥量越多,氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)越大[24]。每次施肥后一周內(nèi)水稻田面水中氮素的動(dòng)態(tài)變化較大,有機(jī)肥替代化肥可降低氮肥施用量,從而降低水稻田面水中氮素濃度。張麗娟等[25]認(rèn)為,氮肥分次施用條件下田面水TN和NH4+-N濃度在每次施肥后1～2 d后達(dá)到峰值,NO3--N濃度在施肥后第4天達(dá)到峰值。鄭小龍等[24]研究表明,不同施肥處理田面水中TN和NH4+-N濃度在施底肥和追肥后的第2天達(dá)到峰值,施肥7 d后田面水中TN和NH4+-N濃度迅速降低至施肥前水平。本研究中水稻田面水TN、NH4+-N和NO3--N濃度在每次施肥2～4 d后達(dá)到峰值,之后隨時(shí)間推移快速下降,7 d后趨于穩(wěn)定,說明施肥后一周內(nèi)水稻田面水中氮素的動(dòng)態(tài)變化較大,是控制稻田氮素流失的最佳時(shí)期,這與鄭小龍等[24]的研究結(jié)果一致。在追肥后,M2、M3和M4處理的田面水TN、NH4+-N濃度高于單施化肥的M1處理,隨著牛糞替代比例的增加,田面水NH4+-N和NO3--N濃度升高,這與魏靜等[26]的研究結(jié)果不同。牛糞物料作為底肥施用后,M2、M3和M4處理均能降低田面水氮素濃度,其中M2處理田面水TN濃度降低幅度最大。因此,50%牛糞替代化肥處理能降低稻田氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 不同處理對水稻成熟期土壤全氮、堿解氮含量的影響

土壤全氮、堿解氮含量可以體現(xiàn)土壤的供氮能力[27]。王小利等[27]研究發(fā)現(xiàn),牛糞化肥配施處理能顯著提高土壤全氮含量,效果高于單施化肥處理,土壤全氮含量提高33.59%。張雪麗等[28]研究表明,50%有機(jī)肥配施化肥能提高0～20 cm土壤全氮含量,效果高于單施化肥處理和單施有機(jī)肥處理。張國榮等[29]研究發(fā)現(xiàn),與單施化肥相比,施用有機(jī)肥能顯著提高土壤全氮、堿解氮含量。本試驗(yàn)結(jié)果表明,與M0處理相比,牛糞物料配施化肥能提高土壤全氮、堿解氮含量，其中50%牛糞物料配施時(shí),土壤全氮和堿解氮含量最高,高于單施化肥的M1處理,原因是M1處理中化肥氮素施入土壤后易通過淋洗、下滲、氨揮發(fā)等方式損失,在土壤中累積量少，而牛糞礦化速率慢,損失少,易在土壤中累積。這與張國榮等[29]的研究結(jié)果一致。

3.3 不同處理對水稻產(chǎn)量及氮肥利用率的影響

有機(jī)肥中含有大量腐殖質(zhì)及養(yǎng)分,能滿足水稻生長對養(yǎng)分的需求,改善土壤肥力。但有機(jī)肥礦化速度慢,養(yǎng)分釋放緩慢,單施有機(jī)肥的增產(chǎn)效果不明顯。當(dāng)有機(jī)肥與化肥配施時(shí),化肥氮能為水稻生長前期提供養(yǎng)分,而有機(jī)肥可以滿足水稻生長后期對養(yǎng)分的需求,提高水稻的氮肥利用率,促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)[30-33]。魏靜等[26]通過盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：有機(jī)肥與化肥配施處理與單施化肥處理相比,水稻籽粒產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生產(chǎn)力顯著提高；當(dāng)有機(jī)肥與化肥按1∶1配施時(shí),水稻籽粒產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥吸收利用率最大；但繼續(xù)增加或減少牛糞替代量均不利于水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的提高。本研究結(jié)果顯示：在等氮量替代條件下,在50%牛糞物料配施化肥處理中水稻籽粒產(chǎn)量、籽粒氮素累積量、氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥貢獻(xiàn)率最大,顯著高于單施化肥處理；繼續(xù)增加牛糞物料的配施比例,水稻籽粒產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥貢獻(xiàn)率會(huì)顯著降低。這與前人的研究結(jié)果[26]一致。說明在等氮量替代下,50%牛糞物料與化肥配施處理,能保證水稻籽粒產(chǎn)量,促進(jìn)水稻對氮素的吸收。

4 結(jié)論

在等氮量替代下,牛糞物料配施化肥有利于提高水稻對氮素的吸收與利用,增加水稻籽粒氮素累積量,提高水稻產(chǎn)量。牛糞養(yǎng)分釋放慢,與化肥配施在滿足水稻生長前期對養(yǎng)分需求的同時(shí),又能使田面水中氮素濃度維持在較低水平,減輕田面水氮流失風(fēng)險(xiǎn)。在水稻收獲后,牛糞物料配施化肥處理均能提高土壤中氮素累積量,降低氮素的損失。綜合水稻產(chǎn)量和水稻氮肥利用率,利用50%牛糞物料配施化肥既能保證水稻不減產(chǎn),降低田面水中氮素濃度,還能提高土壤中氮素的累積。