磷酸銨鎂堆肥產(chǎn)品養(yǎng)分釋放特性及其肥效研究

李丹陽，亓傳仁，衛(wèi)亞楠，李國學(xué)

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193）

施肥對于提高糧食產(chǎn)量和保持土壤肥力具有重要意義。近年來傳統(tǒng)化肥的不合理施用，不僅造成肥料浪費，而且不能被作物吸收及土壤吸附固定的部分還會給環(huán)境帶來一定的威脅。隨著肥料科學(xué)的進步，除傳統(tǒng)化肥外，二元、三元甚至多元化混成復(fù)合肥料，有機-無機復(fù)合肥，緩釋肥及以不同原材料生產(chǎn)的廢料肥品種層出不窮[1]。適當增施有機肥或緩釋肥可提高肥料利用率、延長肥效，也有利于提高土壤肥力、改良土壤性質(zhì)等[2]。將畜禽糞便經(jīng)過堆肥方式制成有機肥是處理畜禽糞便最為有效和經(jīng)濟的方法之一，同時這也符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要[3]。堆肥中含有豐富的有機質(zhì)及氮、磷、鉀等多種營養(yǎng)元素，是一種經(jīng)濟有效的肥料資源。堆肥中含有多種微生物，將經(jīng)過高溫堆肥的有機肥施入土壤，可促進土壤有機質(zhì)的分解和有效養(yǎng)分的釋放，改善土壤理化性質(zhì)，從而促進植物的生長和對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收[4]。緩釋肥指以各種調(diào)控機制使養(yǎng)分釋放速率遠小于速溶性肥料施入土壤后轉(zhuǎn)變?yōu)橹参镉行B(tài)的養(yǎng)分釋放速率，延長植物對其有效養(yǎng)分吸收利用有效期的肥料[5]，其中磷酸銨鎂即鳥糞石是一種優(yōu)良的緩釋肥，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6-8]。Uysal等[9]從工業(yè)發(fā)酵廢水中回收磷酸銨鎂進行玉米及番茄的盆栽試驗，結(jié)果表明磷酸銨鎂可作為肥料，且施肥量對植物鮮質(zhì)量、干質(zhì)量及營養(yǎng)元素吸收均有顯著影響。Liu等[10]用磷酸銨鎂與速效磷肥-尿素進行玉米盆栽試驗，結(jié)果顯示磷酸銨鎂處理組比速效磷肥-尿素處理組的產(chǎn)量平均增加14.4%。目前的研究主要是將鳥糞石結(jié)晶原理應(yīng)用到堆肥中來控制氮素損失，以達到去除污染和回收資源的雙重目的[11-12]，含有磷酸銨鎂的堆肥產(chǎn)品是一種有機無機復(fù)混肥，它兼具有機肥和無機肥的特點，有機部分養(yǎng)分不足且釋放慢，無機部分是直接供應(yīng)作物最主要的來源[13]。

目前，普遍采用靜水試驗和土柱淋溶試驗對肥料養(yǎng)分緩釋性能和減少養(yǎng)分淋溶損失進行評價[14]，相對而言，考慮土壤因子的土柱淋溶法較靜水法更為接近肥料在土壤中的實際情況[15]。為了進一步研究堆肥產(chǎn)品對作物生物量和品質(zhì)的影響，特別是氮素固定基礎(chǔ)上形成的含有磷酸銨鎂的堆肥產(chǎn)品其肥效還鮮有研究。本文通過土柱淋溶試驗對磷酸銨鎂堆肥產(chǎn)品的氮磷養(yǎng)分釋放特性和養(yǎng)分淋溶損失控制效果進行研究，同時采用盆栽試驗對油菜生長發(fā)育期的生物量及養(yǎng)分含量等進行測試來評價其肥效，并與普通化肥、普通堆肥、磷酸銨鎂肥3種肥料進行對比，從而達到反證利用鳥糞石結(jié)晶原理在原位降低堆肥氨氣損失、減少臭氣排放、提高氮磷營養(yǎng)元素含量、提高堆肥產(chǎn)品肥效方面的效果，為磷酸銨鎂相關(guān)肥料的研究及合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗站，采樣深度0～20 cm，風干去除土中雜物，研磨過2 mm篩，備用，土壤特性見表1。供試肥料為4種，分別為普通化肥（CCH，尿素+過磷酸鈣+氯化鉀）、磷酸銨鎂肥（MAP）、普通堆肥（CCO）和含有磷酸銨鎂的堆肥（MAPC），其中普通化肥和磷酸銨鎂肥購自市場，普通堆肥和含有磷酸銨鎂的堆肥均來自于前期的堆肥試驗。堆肥試驗利用豬糞和玉米秸稈為堆肥原料，用尿素調(diào)節(jié)初始物料碳氮比到15，普通堆肥產(chǎn)品來源于未進行氮素損失控制的對照處理，含有磷酸銨鎂的堆肥產(chǎn)品來源于以分析純Mg（OH）2與H3PO4摩爾比為1∶2為調(diào)理劑的處理。將兩處理的原料在60 L的密閉堆肥化裝置中進行高溫好氧堆肥，采用機械強制連續(xù)通風，通風量控制在0.084 m3·min-1·m-3，堆制26 d。4種肥料的養(yǎng)分含量見表2，且以不施肥為對照（CK）處理。

表1土柱淋溶及盆栽試驗供試土壤特性Table 1 Basic characteristics of soil used in the soil column leaching and pot experiments

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 土柱淋溶試驗

土柱淋溶試驗裝置為直徑5 cm、高30 cm的PVC圓柱管，在其底部設(shè)置一個出水口，用來收集淋溶液。首先用200目濾布封底，并在濾布上墊有約25 g石英砂以起過濾水樣的作用，為了模擬上莊試驗站的土壤耕層，按1.3 g·cm-3的容重裝入400 g土壤。4種肥料的施肥量為施N 600 kg·hm-2、P2O5450 kg·hm-2、K2O 200 kg·hm-2。除CK外，保證各處理的初始氮、磷、鉀施加量一致，磷肥全部來自于肥料，氮不足用尿素補足，鉀肥不足用氯化鉀補足，具體施肥量如表3所示。將不同肥料分別與風干土壤混合后按1.3 g·cm-3的容重裝入100 g，土柱上面再加25 g石英砂覆蓋以防止加水時擾亂土層。在安裝土柱時，要盡量將土柱壁附近的土壤壓實以防水貼壁流出，土柱最下方放置一個布氏漏斗，用250 mL錐形瓶承接淋溶液，試驗裝置如圖1所示。

先加250 mL蒸餾水使土壤水分接近飽和，之后進行第一次土柱淋溶，緩慢倒入100 mL蒸餾水淋溶土柱，收集24 h內(nèi)的淋溶液，收集完淋溶液后用刺有小孔的塑料薄膜封住PVC管的上口以防水分大量蒸發(fā)，并放置在30℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3 d。再用100 mL蒸餾水進行第二次淋溶，以后各次按同樣操作進行，共淋溶5次，即分別在第1、5、9、13、17 d淋溶土柱。以不加肥料的土柱作為對照，每個處理重復(fù)3次，測定淋溶液的體積、pH、EC、總氮及總磷含量。

圖1土柱淋溶試驗裝置Figure 1 The equipment of soil column leaching experiment

1.2.2 盆栽試驗

盆栽試驗土壤來自于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗站，屬粉砂質(zhì)潮土，采樣深度0～20 cm，容重1.3 g·cm-3。盆栽試驗裝置為直徑20 cm、高45 cm的塑料盆，每盆裝入16.33 kg土壤，土高約40 cm，在高度35 cm處施肥，以“綠錦一號”油菜為供試植物，每盆5株。如表4所示，試驗共設(shè)5個處理，每個處理重復(fù)5次，施肥量按照N 600 kg·hm-2、P2O5450 kg·hm-2、K2O 200 kg·hm-2。除對照（CK）外，保證各處理的初始氮、磷、鉀施加量一致，磷肥全部來自于肥料，氮肥不足用尿素補足，鉀肥不足用氯化鉀補足，實驗持續(xù)45 d，期間不再追肥。根據(jù)盆中土壤水分情況定量澆水，保持土壤相對含水率在40%～80%，每盆澆水量相同。記錄作物生長情況，分別在第8、18、28、38、45 d測定作物的生理指標（株高、生物量），試驗結(jié)束后測定油菜植株的營養(yǎng)狀況，以研究不同肥料對油菜生物量和品質(zhì)的影響。

表3土柱淋溶試驗中各處理的施肥量Table 3 The amount of fertilizer application under different treatments in soil column leaching experiment

表2供試肥料的養(yǎng)分含量（%）Table 2 Nutrient content of different fertilizers used in the experiments（%）

表4盆栽試驗中各處理的施肥量Table 4 The amount of fertilizer application under different treatments in pot experiment

1.3 測定方法

1.3.1 土柱淋溶試驗

淋溶液體積直接用量筒測定。pH和電導(dǎo)率（EC）分別用S-3C型pH計和DDS-12A數(shù)字電導(dǎo)儀測定?？偟坎捎眠^硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定[16]，總磷采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）測定。

1.3.2 盆栽試驗[17]

株高：地面到植株心葉的距離。

植株鮮質(zhì)量/生物量：將植株清洗干凈，吸水紙吸干水分后，直接稱量每株植物的質(zhì)量并取平均值。

植株干質(zhì)量：將新鮮植株洗凈吸干水分后按部位分裝入牛皮紙袋中，在105℃下殺青30 min，在70℃下烘干至恒質(zhì)量，然后稱其干質(zhì)量并取平均值。

葉片數(shù)：計數(shù)每株的葉片數(shù)，取其平均值。

植株全氮、全磷含量：將烘干的樣品粉碎后過0.02 mm篩，硫酸-過氧化氫消化，凱氏定氮法測定全氮含量、釩鉬黃比色法測定全磷含量。

1.4 分析方法

數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析，各處理間的差異顯著性采用單因素方差分析，顯著性水平為0.05，作圖使用Origin 8.5軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 土柱淋溶試驗中肥料的養(yǎng)分釋放特性

2.1.1 pH

淋溶液pH可以反映液體酸堿度的變化，如圖2所示。CCO和CCH處理的淋溶液pH在前兩次淋溶中均呈下降趨勢，這可能與堆肥中可溶性有機酸和過磷酸鈣均呈酸性有關(guān)，在前兩次淋溶過程中，H+被淋洗出來，故pH有所降低，之后逐漸上升?？傮w上，各處理的pH變化不明顯，均在8.0左右，各處理間差異也不顯著（P=0.058）。

2.1.2 EC

如圖3所示，淋溶液的EC隨著淋溶次數(shù)的增加呈下降趨勢，說明淋溶次數(shù)越多，淋洗出的離子濃度越低，淋洗出的營養(yǎng)成分呈下降趨勢，這與王燕等[18]用土柱模擬研究北京郊區(qū)砂土持水力及淋溶特性所得結(jié)果一致。到第5次淋溶時，各處理的EC基本穩(wěn)定，且均在3 mS·cm-1以下。另外，在施加肥料的各處理中，CCH處理的EC在各次淋溶中均為最大，CCO處理的EC最小，這是由于化肥處理中施加的尿素、過磷酸鈣和氯化鉀都屬于水溶性速效肥，可溶性鹽離子濃度較高，而普通堆肥經(jīng)過升溫、高溫、降溫及腐熟4個階段后，可溶性離子及小分子有機酸逐漸被大分子腐殖質(zhì)所替代，所以EC較低。

2.1.3 總氮

圖4為淋溶液中總氮濃度的變化，由圖可知，在各次淋溶中，施加肥料處理的總氮濃度均比CK的要大，這是因為施肥能不同程度地提高土壤中氮素含量。除CK處理外，其他各處理的總氮濃度均在第3次達到最大，這與第3次淋溶液體積較少有關(guān)，CCH、CCO、MAP及MAPC處理淋溶液的總氮濃度分別比CK高1.29、0.97、1.15 mg·L-1和1.37 mg·L-1，之后總氮濃度逐漸下降。在試驗結(jié)束時，總氮濃度排序為CCH＞MAPC＞MAP＞CCO。在整個淋溶過程中，CCH和MAPC處理的總氮濃度較其他處理高；MAP處理次之，這可能與磷酸銨鎂肥的緩釋性有關(guān)，這與孔殿超[19]得出的磷酸銨鎂氮、磷元素淋溶量明顯低于其他商業(yè)肥結(jié)論一致；CCO處理的總氮濃度均較其他施肥處理低。

圖2不同處理淋溶液pH變化Figure 2 Changes of pH value in leachate under different treatments

圖3不同處理淋溶液EC變化Figure 3 Changes of ECin leachate under different treatments

圖4不同處理淋溶液總氮濃度變化Figure 4 Changes of TNconcentration in leachate under different treatments

2.1.4 總磷

如圖5所示，CK處理總磷濃度均比施加肥料的處理低，這是因為施肥能不同程度地提高土壤中磷素含量。在第3次淋溶中，各處理淋溶液的總磷濃度均最高，且由大到小排序為MAPC（3.7 mg·L-1）＞CCH（3.5 mg·L-1）＞MAP（3.4 mg·L-1）＞CCO（3.0 mg·L-1），這是由于第3次各處理的淋溶液體積最小。與總氮濃度情況一致，在試驗結(jié)束時，總磷濃度排序為CCH＞MAPC＞MAP＞CCO。 在 整 個 淋 溶 過 程 中 ，CCH和MAPC處理的總磷濃度較其他處理高，MAPC處理的總磷濃度高可能是因為堆肥中存在的大量有機酸具有活化磷的作用[20]，從而使該處理含有較高的速效磷含量；MAP的緩釋性使其具有良好的環(huán)境效應(yīng)，磷素釋放緩慢且不易被淋洗，從而呈現(xiàn)出較低的磷濃度[21]；CCO處理的總磷濃度較其他施肥處理低，和CK處理的總磷濃度差異不顯著（P＞0.05）。

2.2 盆栽試驗中肥料的生物效應(yīng)

2.2.1 不同施肥處理對油菜株高的影響

如圖6所示，油菜株高隨著生育期的延長而增大，在試驗前期（0～18 d），各處理之間的株高差異不顯著，18 d之后差異逐漸增大（P=0.037），CK在整個生育期的株高都小于其他施肥處理，由此可知肥料對植物的生長發(fā)育影響很大。比較不同施肥處理可以發(fā)現(xiàn)，CCO處理的株高小于其他3個處理，這與有機肥肥效慢，在淋溶過程中總氮和總磷濃度均較低有關(guān)。CCH雖然屬于速效肥，但營養(yǎng)成分容易隨水淋溶流失，而其在最后7 d的株高明顯增長，從13.4 cm增加到20.8 cm，漲幅為55.2%，這可能與其營養(yǎng)成分累積到一定程度有關(guān)。施加MAPC的處理從第18 d后一直保持株高方面的優(yōu)勢，這可能是由于堆肥中含有的有機酸對磷酸銨鎂的溶解有促進作用，使其分解產(chǎn)生大量的銨態(tài)氮和速效磷；MAP處理次之，這可能與油菜喜鎂（Mg）有關(guān)[22]。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，18 d后，處理CCH和CCO與CK之間的差異不顯著，而MAP和MAPC處理的株高則與CK差異顯著（P=0.017，P=0.005）。盆栽試驗結(jié)束時，施肥處理CCH、CCO、MAP和MAPC的株高分別比CK高84.0%、50.0%、71.4%和86.5%。

圖5不同處理淋溶液總磷濃度變化Figure 5 Changes of TPconcentration in leachate under different treatments

2.2.2 不同施肥處理對油菜鮮質(zhì)量的影響

如圖7所示，各處理的植株鮮質(zhì)量隨著生育期的延長而增加。在0～18 d內(nèi)，CCH處理的鮮質(zhì)量最高，18 d以后各處理的差異逐漸顯著，CK處理的鮮質(zhì)量明顯低于施肥處理，可以看出肥料對于作物生長發(fā)育的重要性，這也與供試土壤肥力低有關(guān)。CCO處理的植株鮮質(zhì)量高于CK，但明顯低于其他施肥處理，這與株高反映出的特征一致，說明作為肥料其有效養(yǎng)分含量低、速效性較差。CCH處理植株鮮質(zhì)量高于CCO處理，但小于MAP和MAPC處理，主要是由于CCH是速效肥，在生長初期能及時供應(yīng)植物生長所需養(yǎng)分，但在45 d的生長周期內(nèi)，養(yǎng)分很容易隨水流失，這與程冬冬[17]用油菜進行盆栽試驗所得結(jié)論相似。MAP處理在38 d后鮮質(zhì)量上升趨勢明顯，單株鮮質(zhì)量從4.9 g上升到13.3 g，這可能與其中含有Mg元素及其后期養(yǎng)分的逐步釋放有關(guān)。MAPC處理從18～38 d其植株鮮質(zhì)量的上升幅度都較其他處理高，38 d以后鮮質(zhì)量增加幅度趨于穩(wěn)定，這與其養(yǎng)分釋放較為穩(wěn)定有關(guān)。

圖6施用不同肥料后油菜的株高變化Figure 6 Changes of height of canola under different fertilization

圖7施用不同肥料后油菜的鮮質(zhì)量變化Figure 7 Changes of fresh weight of canola under different fertilization

18 d后處理間的差異顯著性分析表明，處理CCH和CCO與CK之間的差異不顯著，而MAP和MAPC兩處理均與CK差異顯著（P=0.041，P=0.018）；MAPC與CCO處理相比差異顯著（P=0.046），說明MAPC的生物效應(yīng)明顯優(yōu)于CCO。試驗結(jié)束時，CCH、CCO、MAP和MAPC處理的單株鮮質(zhì)量分別是CK處理的14.8、4.8、20.5倍和16倍。

2.2.3 不同肥料處理對油菜干質(zhì)量的影響

試驗期間，各處理的外界環(huán)境一致，因此油菜中干物質(zhì)的積累主要受施肥影響。從圖8可以看出，干物質(zhì)的積累隨著生育期的延長而呈上升趨勢，18 d后各處理的干物質(zhì)累積速度加快并顯示出差異，CK、CCH、CCO、MAP和MAPC處理的單株干質(zhì)量分別從0.011、0.022、0.01、0.024 g和0.022 g上 升 到0.06、0.50、0.21、0.63 g和0.69 g，干物質(zhì)累積比例占整個生長期的81.5%、95.5%、94.4%、96.2%和96.8%，施肥處理均比CK處理的植株干質(zhì)量大，說明施肥可以促進油菜干物質(zhì)的累積。差異顯著性分析結(jié)果表明，MAP和MAPC處理與CK差異顯著（P=0.043，P=0.009），但CCH和CCO與CK之間差異不顯著，MAPC和CCO處理之間差異顯著（P=0.025）。試驗結(jié)束時，各施肥處理CCH、CCO、MAP和MAPC的單株干質(zhì)量分別為CK處理的8.3、3.5、10.5倍和11.5倍，可知從油菜干質(zhì)量指標來看，各肥料的肥效表現(xiàn)為MAPC＞MAP＞CCH＞CCO。

圖8施用不同肥料后油菜的干質(zhì)量變化Figure 8 Changes of dry weight of canola under different fertilization

2.2.4試驗結(jié)束時不同施肥處理下的油菜生物性狀表現(xiàn)

試驗結(jié)束時，不同施肥處理下油菜的生物性狀見表5，由表可知，施用肥料可不同程度地提高油菜的生物量及養(yǎng)分含量，說明4種肥料均具有增產(chǎn)增效的作用。在試驗結(jié)束時，施用MAP和MAPC處理的油菜生物量、植株總氮及總磷含量均較CCH和CCO處理高。MAPC處理與CK和CCO處理相比，在葉片數(shù)、株高、生物量上都表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，說明在堆肥中利用鳥糞石結(jié)晶原理可實現(xiàn)原位降低氨氣損失、減少臭氣排放、提高堆肥產(chǎn)品肥效。MAPC產(chǎn)品應(yīng)用于短期作物時，可以顯著改善作物的生物性狀，提高作物的生物量，這與王海濱[23]所得研究結(jié)論一致，施用效果與CCH相近，從理論上可以代替化肥。此結(jié)果為提高該肥料的市場價格和推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

油菜中累積的營養(yǎng)成分分析表明，MAP雖然養(yǎng)分釋放速度慢，但與其他處理相比，其對于提高油菜的營養(yǎng)價值具有顯著作用，MAP處理的植株總氮含量分別比CK、CCH、CCO和MAPC處理提高了2.24、1.91、2.11 g·kg-1和1.69 g·kg-1，總磷含量分別提高了1.54、1.44、1.52 g·kg-1和1.40 g·kg-1。

3 結(jié)論

（1）在土柱淋溶試驗中，與CK相比，施加肥料均能提高淋溶液的總氮和總磷濃度；在盆栽試驗中，與CK相比，所有施肥處理均可不同程度地改善油菜的生長發(fā)育情況。

（2）各處理的pH在淋溶過程中變化不大，EC隨淋溶次數(shù)的增加呈逐漸下降的趨勢。在整個淋溶過程中，施加普通化肥和磷酸銨鎂堆肥處理的總氮及總磷濃度均較其他處理高；磷酸銨鎂的緩釋性使其具有良好的環(huán)境效應(yīng)，氮素、磷素釋放緩慢且不易被淋洗，另外堆肥對磷酸銨鎂養(yǎng)分釋放具有促進作用；普通堆肥處理在整個土柱淋溶過程中，其總氮、總磷濃度均比其他施肥處理低，養(yǎng)分釋放最慢。經(jīng)5次淋溶后，總氮及總磷濃度排序均為CCH＞MAPC＞MAP＞CCO。

（3）磷酸銨鎂肥和磷酸銨鎂堆肥產(chǎn)品的肥效優(yōu)于普通化肥和普通堆肥產(chǎn)品，鳥糞石結(jié)晶原理在固定堆肥氮磷元素、提高堆肥產(chǎn)品肥效方面效果良好。普通化肥比普通堆肥養(yǎng)分釋放快，單施有機肥會使作物前期養(yǎng)分供應(yīng)不足，影響作物生長發(fā)育，所以應(yīng)和其他肥料配合施用。

表5試驗結(jié)束時各處理的植株生物性狀Table 5 Biological characters of canola under different fertilization at the end of the experiment