華北平原有機(jī)肥替代化肥條件下“糧-飼”輪作系統(tǒng)氮素表觀平衡研究

李碩，李曉欣，趙善麗，3，郝曼，柏兆海，馬林，3*

（1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點實驗室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室，石家莊 050022；2.河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/生命科學(xué)與綠色發(fā)展研究院，河北 保定 071002；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

華北平原作為我國糧食和畜禽產(chǎn)品的主產(chǎn)區(qū)，其糧食和肉蛋奶產(chǎn)量分別占全國總產(chǎn)量的34.4%和37.0%[1]。集約化玉米-小麥輪作體系產(chǎn)量不斷提高的同時，耕地利用強(qiáng)度高、水肥資源投入量大、耕地質(zhì)量下降快、盈余養(yǎng)分和溫室氣體大量排放等嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境安全[2-3]。規(guī)?；笄萆a(chǎn)快速發(fā)展導(dǎo)致飼料嚴(yán)重依賴外地引進(jìn)、農(nóng)牧分離問題凸顯、畜禽糞尿循環(huán)利用率下降[4-6]。近年來，在玉米-小麥輪作體系中采用的農(nóng)田養(yǎng)分增產(chǎn)提效技術(shù)提高了作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率[7-8]，但未充分考慮養(yǎng)殖產(chǎn)生的固液糞肥的合理施用。因此，構(gòu)建農(nóng)牧（種養(yǎng)）結(jié)合的“糧-飼”輪作體系，篩選固液糞肥科學(xué)施用方法已經(jīng)成為華北平原農(nóng)牧業(yè)綠色發(fā)展的關(guān)鍵。

根據(jù)畜禽飼料養(yǎng)分需求設(shè)計輪作體系能緩解我國畜禽生產(chǎn)對進(jìn)口飼料的過度依賴，亦能大幅降低農(nóng)牧生產(chǎn)中的氮素?fù)p失及其對環(huán)境的危害[9-10]。在華北平原進(jìn)行集約化“糧-飼”輪作種植能夠在有限水、熱等資源條件下獲取更多的優(yōu)質(zhì)飼草，有利于規(guī)?；笄莸目沙掷m(xù)生產(chǎn)[10-11]。隨著我國“糧改飼”政策的實施，區(qū)域種植結(jié)構(gòu)將大幅改變[11]。黑麥草、甜高粱和高丹草具有較高的飼料營養(yǎng)價值，多用于規(guī)?；摹凹Z-飼”輪作高效生產(chǎn)[12-13]。目前，我國在飼草方面的研究，主要側(cè)重于飼草光能利用效率的改善及其干物質(zhì)和粗蛋白產(chǎn)量的提高[14-15]，但是缺少不同“糧-飼”輪作系統(tǒng)氮素平衡的研究。

加強(qiáng)畜禽生產(chǎn)中的糞尿管理，促進(jìn)糞尿養(yǎng)分高效利用，能夠降低環(huán)境污染風(fēng)險。研究發(fā)現(xiàn)合理施用固液糞肥可提高土壤碳、氮儲量，并減少養(yǎng)分環(huán)境流失[16]；陶曉婷等[17]發(fā)現(xiàn)，在小麥越冬期補(bǔ)灌60～120 m3·hm-2的豬場肥水即可滿足穗期30～60 kg N·hm-2化肥的氮素營養(yǎng)需求；也有研究表明，在常規(guī)施氮水平（225 kg N·hm-2）下，固態(tài)豬糞、雞糞單施均可獲得與化肥處理相當(dāng)?shù)男←?、玉米產(chǎn)量，且小麥產(chǎn)量隨牛糞與化肥配施比例的提高而有所提升[18]。Zhang 等[19]經(jīng)Meta 分析發(fā)現(xiàn)旱作生產(chǎn)中糞肥替代部分化肥可增加6.6%的作物產(chǎn)量，同時減少農(nóng)田NH3和N2O 排放，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)生產(chǎn)。有機(jī)、無機(jī)肥料配施亦可提高水稻、大麥及其他經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量[20-22]。目前針對固態(tài)/液態(tài)糞肥施用的研究主要側(cè)重于單一作物的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[17-22]，對“糧-飼”輪作方式下的施用增產(chǎn)及其環(huán)境效應(yīng)的研究很少。

本文依托中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站的糧-飼輪作試驗平臺，探討了不同“糧-飼”輪作方式（籽粒玉米-小麥、青貯玉米/豇豆間作-填閑黑麥草、甜高粱-黑麥草、青貯玉米-黑麥草、高丹草-黑麥草）和不同施肥方式（化肥表施、固態(tài)糞肥替代50%化肥表施、液態(tài)糞肥替代50%化肥注射施用）對植物地上部生物量及其氮攜出量、土壤硝態(tài)氮殘留量和土壤氮素表觀平衡的影響，為豐富該地區(qū)“糧-飼”輪作方式、加強(qiáng)畜禽糞肥農(nóng)田合理利用、促進(jìn)農(nóng)牧可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于太行山山前平原的中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站農(nóng)牧輪作長期定位試驗基地（37°53′N，114°40′E，海拔50.1 m）。該試驗區(qū)屬于典型暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候，年均氣溫12.51 ℃，年均降水量536 mm，其中70%集中在7—9 月，年均蒸散量850 mm，年均日照時長2 340 h，年均無霜期206 d，年均有效積溫4 665 ℃。土壤類型為褐土類灰黃土種。耕層（0～20 cm）土壤質(zhì)地為粉砂壤土，其中砂粒、粉粒和黏粒含量分別為13.8%、66.3%和19.9%。耕層土壤有機(jī)碳和速效氮、速效磷、有效鉀含量分別為7.2 g·kg-1和92.0、9.5、295.5 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在2017—2018 年期間開展，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，包括2個因素：（1）輪作方式，即籽粒玉米-小麥（T1）、青貯玉米/豇豆間作-填閑黑麥草（T2）、甜高粱-黑麥草（T3）、青貯玉米-黑麥草（T4）和高丹草-黑麥草（T5）；（2）施肥方式，即化肥表施（C）、固態(tài)糞肥表施替代50%化肥氮（S，簡稱：固態(tài)糞肥表施）和液態(tài)糞肥注射施用替代50%化肥氮（L，簡稱：液態(tài)糞肥注射）。試驗共15個處理，每個處理設(shè)4個重復(fù)，各處理小區(qū)面積為90 m2（6 m×15 m），小區(qū)之間保護(hù)帶寬1 m。籽粒玉米、青貯玉米、豇豆于6 月初播種，10月初收獲，品種分別為鄭單958、遠(yuǎn)緣1號和天優(yōu)一號，其中T1和T4處理玉米行間距均為60 cm，T2處理玉米行間距為75 cm；甜高粱和高丹草于6月初播種，7 月底和10 月初各刈割一次，品種分別為F438 和冀草2號，其中甜高粱行間距為40 cm，高丹草行間距為20 cm；小麥于10 月初播種，次年6 月初收獲，品種為石新633，行間距為20 cm；黑麥草于10 月初播種，次年4 月中旬和6 月初各刈割一次，品種為冬牧70，行間距為20 cm。籽粒玉米-小麥輪作方式在玉米和小麥?zhǔn)斋@后，秸稈全部粉碎還田。試驗用糞肥取自河北省石家莊市欒城區(qū)典型集約化牛場，經(jīng)固液分離后分別用于田間，固態(tài)和液態(tài)糞肥理化性質(zhì)如表1所示。

夏秋季作物生長期施肥量為300 kg N·hm-2、180 kg P2O5·hm-2和180 kg K2O·hm-2，冬春季作物生長期施肥量為 240 kg N·hm-2、120 kg P2O5·hm-2和 120 kg K2O·hm-2，其中磷、鉀肥以基肥形式一次性施用于作物播種前，氮肥分基肥和追肥兩次施用，基追比為1∶1。籽粒玉米和青貯玉米追肥期為大喇叭口期，小麥追肥期為拔節(jié)期，其他作物追肥期為第一次刈割期，人工表施追肥后立即灌溉?；拾凑盏鹊瓌t施用，固態(tài)和液態(tài)糞肥的磷、鉀不足時以化肥補(bǔ)足，化肥和固態(tài)糞肥采用人工撒施，隨后旋耕入土；液態(tài)糞肥則由課題組研制的專用機(jī)具（肥水注射機(jī)具）注射到5～10 cm 土層；化肥選用尿素（N，46%）、過磷酸鈣（P2O5，12%）和硫酸鉀（K2O，53%）。玉米苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期，以及小麥苗期、分蘗期、拔節(jié)期各灌水1次，每次灌水量約500 m3·hm2，采用畦灌方式。由于甜高粱和高丹草第一次刈割正處于玉米大喇叭口期，因此甜高粱、高丹草和玉米灌溉時期、方式和灌溉量保持一致；黑麥草前兩次灌溉與小麥保持一致，而第3 次安排在刈割期；在4 月中旬填閑黑麥草小區(qū)不進(jìn)行刈割和灌溉操作。根據(jù)田間病蟲害狀況及時施用農(nóng)藥，進(jìn)行防治。其他田間管理措施保持一致。

表1 新鮮固態(tài)和液態(tài)糞肥理化特性Table 1 Physical and chemical characteristics of fresh solid and liquid farm manure

1.3 樣品采集與氮素測定

1.3.1 土壤樣品采集與測定

作物收獲后，每個小區(qū)隨機(jī)選取一個樣點，采集0～200 cm 土層土樣，層間距20 cm，測定土壤含水量和-N、-N 含量。土壤含水量采用烘干法測定；土壤-N 和-N 測定是將新鮮土樣混勻后過2 mm篩，然后用1 mol·L-1KCl溶液浸提（水土比5∶1）過濾，流動分析儀（OI，美國）測定。

1.3.2 植株樣品采集與測定

在作物收獲或刈割期，每個小區(qū)隨機(jī)采集2 m2（2 m×1 m）植株樣品，風(fēng)干，脫粒。小麥、甜高粱、高丹草和黑麥草植株樣品分籽粒和秸稈稱質(zhì)量，而玉米樣品分籽粒、玉米穗軸和秸稈3 部分稱質(zhì)量，然后以采樣面積折算生物量。取部分植株樣品烘干、粉碎，用濃H2SO4·H2O2消解，采用凱氏定氮法測定植株樣品的氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計分析

本研究探討一個完整輪作周期內(nèi)農(nóng)田土壤氮素表觀平衡，其中農(nóng)田土壤氮輸入指化肥和畜禽糞肥所帶入的氮素，未考慮種子、沉降和灌溉等形式的氮輸入；氮輸出指作物通過收獲或刈割移出農(nóng)田的氮總量（地上部氮攜出量-秸稈還田氮量），未考慮淋溶流失、氨揮發(fā)、反硝化等途徑氮損失。參考司東霞等[23]的方法計算周年作物氮肥偏生產(chǎn)力和0～200 cm 土層氮素表觀平衡參數(shù)：

試驗數(shù)據(jù)繪圖和統(tǒng)計分析分別采用Excel 2010和DPS 7.05統(tǒng)計軟件進(jìn)行，Duncan多重比較和T檢驗分析不同處理的影響差異，多因素方差分析因素間的交互效應(yīng)，差異顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理地上部生物量

在夏秋季（圖1a），T5×C 處理地上部生物量最高（45.4 Mg·hm-2），顯著高于其他處理。針對3 種施肥方式整體而言，輪作方式T3、T4 和T5 地上部生物量較T1 分別增加44.8%、10.9%和71.0%，T2 地上部生物量較T1 降低13.3%；針對5 種輪作體系整體而言，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理地上部生物量較化肥表施分別顯著降低7.4%和11.0%。在冬春季（圖1b），T1×C 處理地上部生物量最高（16.1 Mg·hm-2），顯著高于除T4×C、T1×L 和T1×S 外的其他處理；輪作方式 T2、T3、T4 和 T5 地上部生物量較 T1 分別顯著降低34.0%、23.4%、17.4%和22.5%，而施肥方式及其與輪作方式的交互作用對地上部生物量卻無明顯影響。如圖1c 所示，周年地上部生物量T5×C 處理最高（58.2 Mg·hm-2）；輪作方式T3 和T5 較 T1 分別顯著增加17.7%和33.9%，而T2 較T1 卻顯著降低21.5%；固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理地上部生物量與化肥表施相比顯著降低7.3%和9.2%。

2.2 地上部氮攜出量與偏生產(chǎn)力

在夏秋季（圖2a），地上部氮攜出量與其地上部生物量趨勢一致，T5×C 處理最高（476.6 kg·hm-2）；與T1相比，輪作方式T5和T3地上部氮攜出量分別顯著增加141.2%和125.6%，而T2 卻降低19.6%；與化肥表施相比，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理地上部氮攜出量分別顯著降低12.6%和15.0%。在冬春季（圖2b），T1×C 處理地上部氮攜出量最高（225.1 kg·hm-2）；輪作方式T2 地上部氮攜出量較T1 顯著降低20.2%，而施肥方式及其與輪作方式的交互作用對地上部氮攜出量均無明顯影響。從圖2c可知，周年地上部氮攜出量T5×C處理最高（691.8 kg·hm-2）；與T1相比，輪作方式T3和T5顯著增加52.8%和61.0%，而T2卻顯著降低20.0%；與化肥表施相比，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理顯著降低10.0%和11.4%。

在夏秋季（圖3a），T5×C 處理作物氮肥偏生產(chǎn)力最高（151.3 kg·kg-1），顯著高于其他處理；與T1 相比，輪作方式T2、T4、T3 和T5 的作物氮肥偏生產(chǎn)力分別顯著提高118.1%、264.4%、179.3%、330.4%；與化肥表施相比，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理作物氮肥偏生產(chǎn)力分別顯著降低7.6%和11.1%。在冬春季（圖3b），T4×C 處理作物氮肥偏生產(chǎn)力最高（59.5 kg·kg-1），與T5×C、T4×L、T5×L、T3×S 和T4×S 均無顯著差異，而顯著高于其他處理；與T1 相比，輪作方式T3、T4 和T5 作物氮肥偏生產(chǎn)力分別顯著提高61.5%、74.1%和63.4%，而施肥方式及其與輪作方式的交互作用對作物氮肥偏生產(chǎn)力卻無明顯影響。從圖3c可知，周年作物氮肥偏生產(chǎn)力，T5×C 處理最高（107.9 kg·kg-1），而T1×L 處理最低（30.9 kg·kg-1），且后者顯著低于除T1×C 和T1×S 外的其他各處理；輪作方式T2、T4、T3 和T5 較T1 分別顯著提高119.8%、132.9%、175.1%和212.9%；固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理較化肥表施分別顯著降低7.4%和9.6%。

2.3 土壤-N殘留量

在夏秋季作物收獲期（圖4a～圖4c），隨土壤深度增加，各處理土壤-N 含量在 0～40 cm 土層均呈先降低后穩(wěn)定的趨勢，而在40～200 cm 各土層均保持相對穩(wěn)定的趨勢；在冬春季作物收獲期（圖4d～圖4f），隨土壤深度增加，各處理土壤-N 含量在0～40 cm土層均呈先降低后穩(wěn)定的趨勢，而在40～200 cm 各土層均保持相對穩(wěn)定的趨勢。在夏秋季作物收獲期（圖5a），與 T1 相比，輪作方式 T4、T3 和 T5 的 0～200 cm 土層NO-3-N 殘留量分別顯著降低16.8%、33.9% 和43.5%，而T2 和T1 之間無顯著差異；與化肥表施相比，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理0～200 cm 土層NO-3-N 殘留量分別顯著降低20.9%和16.1%。在冬春季作物收獲期（圖5b），輪作方式T2、T3 和T5 的0～200 cm 土 層 NO-3-N 殘 留 量 較 T1 分 別 顯 著 降 低22.3%、28.4%和40.1%，而T4 與T1 之間無顯著差異；與化肥表施相比，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理0～200 cm 土層-N 殘留量分別顯著降低34.4%和22.2%。

2.4 氮素表觀平衡

從表2 可以看出，在夏秋季，與T1 相比，輪作方式T2、T3、T4和T5作物氮輸出量分別顯著增加21.9%（25.8 kg·hm-2）、241.1%（258.0 kg·hm-2）、62.0%（72.9 kg·hm-2）和265.8%（312.8 kg·hm-2），而T2卻顯著降低49.0%（137.9 kg·hm-2）；與化肥表施相比，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理作物氮輸出量顯著降低12.9%（36.4 kg·hm-2）和14.4%（440.8 kg·hm-2）。在冬春季，T2 將地上部生物量全部還田，無生物量移除農(nóng)田，其作物氮輸出量視為0；與T1 相比，輪作方式T3、T4 和T5 冬春季作物氮輸出量分別顯著增加20.7%、27.0%和23.4%，且T3、T4 和T5 之間無顯著差異。與T1 相比，輪作方式 T3、T4 和 T5 周年作物氮總輸出量顯著增加 113.3%、41.6% 和 124.8%，而 T2 卻降低49.0%；與化肥表施相比，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理顯著降低9.9%和12.0%。

由表2 可知，與 T1 相比，輪作方式 T2、T3 和 T5 土壤殘留無機(jī)氮顯著降低20.6%、24.2%和36.8%，而T4與T1之間無顯著差異；與化肥表施相比，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理的土壤殘留無機(jī)氮顯著降低31.5%和20.6%。在化肥表施中，輪作方式T3和T5土壤氮表觀損失小于0，而其他各處理均大于0。與T1相比，輪作方式T3、T4 和T5 土壤氮表觀損失分別顯著降低 81.5%（218.8 kg·hm-2）、30.8%（82.7 kg·hm-2）和 74.1%（199.1 kg·hm-2），而 T2 卻增加 10.0%（26.9 kg·hm-2）；與化肥表施相比，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理的氮表觀損失顯著增加281.0%（173.1 kg·hm-2）和265.9%（163.8 kg·hm-2）。

3 討論

3.1 不同輪作方式的農(nóng)田土壤氮素表觀平衡

高丹草-黑麥草輪作方式（T5）周年地上部生物量最高，其次為甜高粱-黑麥草（T3）和籽粒玉米-小麥輪作方式（T1），而0～200 cm 土層無機(jī)氮殘留量和系統(tǒng)氮表觀損失卻具有相反趨勢。本研究中夏秋季輪作方式T2 較大的行間距造成玉米株數(shù)降低，進(jìn)而導(dǎo)致其地上部生物量顯著低于T1；冬春季輪作方式T2 實行不施肥的填閑黑麥草操作，進(jìn)而導(dǎo)致其生物量亦小于T1。盡管冬春季T3、T4和T5輪作方式黑麥草刈割兩次，但其地上部生物量仍顯著低于T1，表明黑麥草干物質(zhì)生產(chǎn)潛力低于小麥，這與楊羚等[11]和石鵬飛等[24]研究結(jié)果一致。然而，夏秋季T3、T4和T5輪作方式地上部生物量顯著高于T1，表明青貯玉米、甜高粱和高丹草的干物質(zhì)生產(chǎn)潛力明顯高于籽粒玉米，這與Lyons等[12]和Samarappuli等[13]研究結(jié)果一致。在夏秋季高丹草地上部生物量最高，其次為甜高粱和青貯玉米，這一現(xiàn)象可歸因于作物根系結(jié)構(gòu)的不同[13]。研究表明，甜高粱根系可向下延伸至1.6～2.0 m，而玉米根系在土壤分布較淺，主要集中于0～30 cm 土層[25-26]。因此，與玉米相比，甜高粱能夠吸收利用深層土壤中的水分和養(yǎng)分，進(jìn)而生產(chǎn)較多生物量[27]。本研究中無論是夏秋季還是冬春季，輪作方式T1 在0～200 cm 土層的-N 殘留量均顯著高于其他輪作方式，而輪作方式T5和T3在0～200 cm 土層的-N 殘留量卻顯著低于其他輪作方式，表明輪作方式T5 和T3 更利于作物吸收土壤無機(jī)氮，特別是-N。輪作方式T5 和T3 地上部氮攜出量較T1 顯著增加141.2%和125.6%，表明甜高粱和高丹草能夠顯著提高粗蛋白產(chǎn)量，利于農(nóng)牧可持續(xù)生產(chǎn)。研究表明，作為青貯玉米的替代作物，甜高粱生長周期短，對養(yǎng)分和農(nóng)藥需求低，蛋白和糖類攜出量高，能夠在較為干旱和貧瘠的土壤上正常生長[28]，已成為一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ娘曈米魑颷15，28-29]。本研究結(jié)果表明，高丹草的地上部生物量和氮攜出量均高于甜高粱，是由于高丹草作為甜高粱和蘇丹草的雜交品種具有更強(qiáng)的耐瘠和抗旱能力，而強(qiáng)大的再生能力使得其生物產(chǎn)量高于甜高粱[30-31]。冬春季輪作方式T3、T4 和T5 地上部氮攜出量與T1 之間無顯著差異，表明冬春季種植黑麥草可提供較多粗飼料。就周年氮肥偏生產(chǎn)力和作物氮總輸出量而言，輪作方式T5 和T3 顯著高于其他輪作體系，表明甜高粱-黑麥草和高丹草-黑麥草兩種輪作方式，特別是后者，可提供的粗飼料最多，更利于華北地區(qū)農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。就氮表觀損失而言，在化肥表施中，輪作方式T3 和T5 土壤氮表觀損失小于0，其原因在于：夏秋季T3 和T5 處理甜高粱和高丹草具有較高生物量，氮素攜出量高于化肥施用量，作物需要吸收土壤累積氮，以滿足自身生長所需；未考慮土壤氮的礦化、大氣干濕沉降以及灌溉輸入氮；未考慮作物根茬等還田部分的植株殘體氮歸還，一定程度上低估了氮的投入。該現(xiàn)象表明，在甜高粱-黑麥草和高丹草-黑麥草兩種輪作體系中，化肥表施不能滿足夏秋季植株快速生長的需要，需適當(dāng)增加化肥投入量。

表2 不同輪作和施肥方式對作物-土壤氮素表觀平衡的影響Table 2 Effects of different rotation system and fertilization management practices on apparent N balance in crop-soil systems

3.2 不同有機(jī)肥施用方式的農(nóng)田土壤氮素表觀平衡

與化肥表施相比，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理周年地上部生物量分別降低7.3%和9.2%，0～200 cm 土層無機(jī)氮殘留量顯著降低31.5%和20.6%，系統(tǒng)氮表觀損失較大。本研究中，與化肥表施相比，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射顯著降低夏秋季地上部生物量，而對冬春季地上部生物量無明顯影響。這一結(jié)果與李燕青等[18]和林治安等[32]在華北平原籽粒玉米-小麥輪作農(nóng)田施用化肥和糞肥后作物產(chǎn)量趨勢大致相同，即試驗前期化肥處理的作物產(chǎn)量高于糞肥處理，而隨著試驗期的延長，糞肥處理的生物量達(dá)到甚至超過化肥處理的生物量。Zhang等[19]發(fā)現(xiàn)旱作生產(chǎn)中糞肥替代部分化肥可使作物產(chǎn)量提高6.6%，而糞肥完全替代化肥時作物產(chǎn)量卻降低9.6%，這主要是由于所施肥料的養(yǎng)分時效性，化肥所提供的礦質(zhì)氮可供作物直接吸收利用，而固態(tài)糞肥所供給的有機(jī)氮需要經(jīng)過礦化緩慢釋放，因此具有較強(qiáng)的后效性[17，33]。液態(tài)糞肥用于基肥，與作物生長對養(yǎng)分的需求不匹配，經(jīng)固液分離后的液態(tài)糞肥-N 高達(dá)3.5 g N·kg-1，在堿性土壤中易以NH3形式排放到大氣中，不利于作物后期生長[34]。李碩等[35]在華北平原的研究表明豬場液態(tài)糞肥農(nóng)田注射施用亦可顯著提高作物產(chǎn)量，其原因在于液態(tài)糞肥注射施用有助于-N被土壤吸附固定，便于后期礦化和作物吸收利用。盡管固液糞肥在短期可能降低作物產(chǎn)量，但其長期與化肥配施可提高作物產(chǎn)量[32]，主要是由于：固液糞肥具有一定的培肥作用，且含有作物生長所需的氮磷鉀及中微量元素，能夠更好地促進(jìn)作物生長；土壤微生物能夠?qū)ζ溆袡C(jī)養(yǎng)分起到一定的調(diào)節(jié)作用，使其更能匹配作物生長對養(yǎng)分的需求規(guī)律[18]。本研究中，固液糞肥農(nóng)田施用之所以未能提高作物產(chǎn)量，可能是由于試驗期限較短，固液糞肥培肥效果尚未顯現(xiàn)；本研究各處理施用肥料量均高，且在作物生長期均實行2 次施肥，氮素供應(yīng)基本符合作物生長需求規(guī)律。因此，固液糞肥對作物氮素吸收利用及其生長狀況的效應(yīng)尚需在長期定位試驗中進(jìn)行驗證和深入研究。

本研究中夏秋季固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理地上部氮攜出量較化肥表施處理顯著降低12.6%和15.0%，表明固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射下粗蛋白產(chǎn)量有所降低，而冬春季固液糞肥各輪作方式下地上部氮攜出量均不受施肥方式的影響。綜合夏秋季和冬春季，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理周年作物氮肥偏生產(chǎn)力較化肥表施僅降低7.4%和9.6%，周年作物氮總輸出量亦僅降低12.0%和9.9%，表明固液糞肥可在一定程度上替代部分化肥。土壤氮素表觀平衡反映農(nóng)田土壤氮輸入和輸出之間的動態(tài)平衡，可表征氨揮發(fā)、-N淋失等的潛在危害，亦可衡量農(nóng)田氮養(yǎng)分狀況[23-24，39]。本研究氮輸入主要來自化肥和固液糞肥，未考慮作物種子、前茬作物殘體、灌溉、大氣沉降以及試驗期間土壤有機(jī)氮的礦化。研究中，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射施用下周年作物氮總輸出量和土壤殘留無機(jī)氮較化肥表施均顯著降低，表明固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射施用能降低土壤殘留氮量和淋失風(fēng)險。在華北平原地下水位持續(xù)降低的狀況下，向農(nóng)田施用液態(tài)糞肥能夠為種子發(fā)芽及其前期生長提供急需的水分供給，可在一定程度上節(jié)省農(nóng)田水消耗，降低生產(chǎn)成本，提高種植經(jīng)濟(jì)收益，亦可在一定程度上緩解規(guī)?；B(yǎng)殖場養(yǎng)殖廢水處置難題，利于農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)加大固液糞肥農(nóng)田施用力度，特別是液態(tài)糞肥注射施用。

3.3 華北平原不同輪作系統(tǒng)和施肥方式的養(yǎng)分管理策略

華北平原，特別是河北省農(nóng)田生產(chǎn)體系在1980—2015 年期間氮素年均輸入量遠(yuǎn)超作物輸出氮量，畜牧體系畜禽糞尿氮素年均產(chǎn)生量由2.18×105Mg 增加到1.15×106Mg，而畜牧糞尿氮素還田率由70.4%降至30.2%[40]。可見華北平原農(nóng)田生產(chǎn)與畜禽生產(chǎn)之間養(yǎng)分循環(huán)嚴(yán)重脫節(jié)，需要充分利用本地飼料資源，提高畜禽固液糞肥農(nóng)田施用比例，才能有效解決因“農(nóng)牧分離”而引發(fā)的“高投入、低效率、高污染”的生產(chǎn)問題。在本研究中，輪作方式T5 和T3 土壤殘留無機(jī)氮和系統(tǒng)氮表觀損失較T1 顯著降低，且0～200 cm 土層的-N 殘留量明顯低于起始無機(jī)氮累積量（0～200 cm），表明輪作方式T3 和T5 在540 kg N·hm-2的施氮量下仍消耗了大量土壤無機(jī)氮，進(jìn)而在一定程度上降低土壤-N 殘留量。Li 等[41]研究表明，在籽粒玉米-小麥輪作方式下，通過采用固態(tài)糞肥替代50%化肥表施和液態(tài)糞肥替代50%化肥注射施用兩種固液糞肥施用方式可顯著降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛在環(huán)境危害，并能提高經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。綜合考慮輪作和施肥方式，本研究周年作物氮總輸出量在CT3、LT3、LT5、ST3 和LT5 各處理間無顯著差異，且與CT5 差距均小于100 kg·hm-2，表明采用甜高粱-黑麥草和高丹草-黑麥草兩種輪作方式生產(chǎn)的同時，選用固態(tài)糞肥表施替代50%化肥氮和液態(tài)糞肥注射施用替代50%化肥氮兩種有機(jī)肥施用方式是系統(tǒng)生產(chǎn)力最高且環(huán)境效應(yīng)最佳的綠色種養(yǎng)一體化生產(chǎn)模式。

4 結(jié)論

（1）與籽粒玉米-小麥輪作相比，高丹草-黑麥草輪作顯著提高了周年地上部生物量，且增幅最高，0～200 cm 土層無機(jī)氮殘留量和系統(tǒng)氮表觀損失降幅最大，其次為甜高粱-黑麥草輪作方式。

（2）與化肥表施相比，固態(tài)糞肥表施和液態(tài)糞肥注射處理周年地上部生物量分別降低了7.3%和9.2%，0～200 cm 土層無機(jī)氮殘留量降低了31.5%和20.6%，氮表觀損失增加。

（3）在固態(tài)糞肥替代50%化肥和液態(tài)糞肥注射施用替代50%化肥的施肥方式下，發(fā)展甜高粱-黑麥草和高丹草-黑麥草兩種輪作方式，有望成為華北平原生產(chǎn)力較高且環(huán)境效應(yīng)較佳的綠色種養(yǎng)一體化生產(chǎn)模式。