有機肥還田對溫帶草甸草原土壤養(yǎng)分的影響

仝宗永，商麗榮，萬里強，何 峰，李向林

(中國農業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京100193)

隨著我國畜牧業(yè)和奶業(yè)的快速發(fā)展，規(guī)模化和集約化牧場不斷增多，大幅提升了我國肉蛋奶等農產品的供給，但同時也暴露出一些難以忽視的環(huán)境和社會問題。研究表明，每頭奶牛日產糞尿約60 kg，每頭肉牛日產糞尿約24 kg[1]。據統(tǒng)計，到2020年，全國畜禽養(yǎng)殖廢棄物總量將達到42.44×108t，這是一個巨大的難題和挑戰(zhàn)[2]。集約化生產帶來的大量糞尿排放如果沒有得到有效的處理和利用，隨意堆放或排入水體，會造成水體富營養(yǎng)化、病原菌滋生擴散、產生有害氣體等嚴重的環(huán)境問題。為此國家制定了各項治理畜禽廢棄物的法律法規(guī)鼓勵和強制規(guī)定牧場環(huán)境整治和廢棄物的資源化利用，同時鼓勵農民加快轉變施肥方式，深入推進科學施肥，增加有機肥資源利用，走高產高效、優(yōu)質環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展之路，促進糧食增產和生態(tài)環(huán)境安全。

為了解決相關問題，國內外進行了很多研究，目前公認較好的解決方式是建立種養(yǎng)結合的生態(tài)型牧場，將養(yǎng)殖廢棄物進行資源化循環(huán)利用，提高資源利用率、肥料利用率和飼料利用率，達到“減量化、無害化、資源化”[3]，減少環(huán)境污染，建立環(huán)境友好型的新型現代化牧場。對于養(yǎng)殖廢棄物的資源化利用技術，目前較先進的方式是在牧場中引入自動清糞和固液分離系統(tǒng)，固體糞渣生產有機肥和墊料，廢液經過處理用于農業(yè)生產。固體糞渣一般通過堆積發(fā)酵、制作生物有機肥、制作生物質燃料、牛床墊料等進行利用，廢液經過沼氣池進行發(fā)酵或者經過沉降池處理直接還田[4-6]。呼倫貝爾地區(qū)草地資源豐富，有大量牧草地可以對牛糞進行消納，一般牛糞會直接發(fā)酵，或者固液分離以后，固體做牛床墊料，液體沉降后直接還田，取得較好的經濟和社會效益[7]。但牛糞中含有大量病原菌和有機質，容易造成草地局部“燒苗”現象和水體富營養(yǎng)化等問題。而用生物進行資源化處理后，牛糞可以作為肥料還田，為草地提供養(yǎng)分，但是此過程中的營養(yǎng)元素變化情況較為復雜，很難對廢棄物處理量進行精確控制。

針對該地區(qū)的上述問題，本試驗利用呼倫貝爾地區(qū)謝爾塔拉第二牧場生產的牛糞，發(fā)酵處理后做基質進行種植雙孢蘑菇和養(yǎng)殖蚯蚓，殘渣用來進行生產有機肥[8-11]，并在天然草地上進行施用，研究其在“牛糞-有機肥-土壤-植物”不同界面中的養(yǎng)分轉化過程，為研究養(yǎng)殖廢棄物資源化處理中養(yǎng)分流動和轉化過程提供理論支持。此模式不僅延長了產業(yè)鏈，充分利用了牛糞的養(yǎng)分，而且提高了產品附加值，增加了經濟效益，有利于大面積推廣，成為了一種新的循環(huán)生態(tài)農業(yè)的經濟模式。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

供試的養(yǎng)殖廢棄物來自呼倫貝爾謝爾塔拉鎮(zhèn)第二牧場，廢棄物處理和有機肥還田試驗于2018年6月至2019年9月在呼倫貝爾國家草原生態(tài)系統(tǒng)野外觀測站內進行，地點位于內蒙古呼倫貝爾市海拉爾區(qū)謝爾塔拉鎮(zhèn)東約3 km處(49°32ˊN,119°94ˊE，海拔670 m)，年均溫約為-5 ℃，無霜期95～110 d，年平均降水量為350～400 mm。土壤為黑鈣土或栗鈣土，試驗地本底養(yǎng)分數據為：有機質4.75%，全氮3.11 g/kg，全磷0.68 g/kg，全鉀30.47 g/kg，速效氮0.20 g/kg，速效磷26.17 mg/kg，速效鉀0.22 g/kg，土壤磷素較缺乏，其余養(yǎng)分充足。主要草地類型是溫帶草甸草原，優(yōu)勢物種有羊草(Leymuschinensis)、貝加爾針茅 (Stipabaicalensis)、冷蒿 (Artemisiafrigida)、線葉菊 (Filifoliumsibiricum)等。

1.2 有機肥來源

供試的有機肥為來自鮮牛糞經過蚯蚓養(yǎng)殖和種植雙孢蘑菇處理得到的蚓肥(QY)和菇渣(JZ)作為原料。雙孢蘑菇菌株為W192，采用全牛糞發(fā)酵栽培，輔料為過磷酸鈣、石灰等材料，配比為牛糞95%、過磷酸鈣1.9%、石灰1.1%、碳酸鈣1.0%和石膏1.0%。溫度控制在20-24 ℃，空氣相對濕度控制在85-95%，菇床灌水48 h后進行覆土[9]，發(fā)酵培養(yǎng)后蘑菇菌絲較白，質量好，可作為鮮食蘑菇銷售，剩下的菇渣具有顆粒性，透氣性較好，可直接作為肥料使用。另外，鮮牛糞堆積成壟，接種大平2號蚯蚓品種，保持相對濕度為70%，牛糞經過蚯蚓消化道中砂囊的機械研磨和體內一系列酶的消化后，會形成粉末狀，無味道的殘渣[12]，即蚓肥(vermicompost)。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組試驗設計，試驗包括蚓肥(低l、中m、高h)、菇渣(低l、中m、高h)和不施肥的對照CK，共7個處理，每個處理3次重復。小區(qū)面積3×5 m2，小區(qū)間設1 m隔離帶，有機肥撒施前進行磨碎混勻，每小區(qū)單獨稱重，盡量保證撒施均勻，于2018年6月15日撒施入天然草地，下一年不施肥。

表1 施肥種類和施肥量

1.4 樣品采集和指標測定

連續(xù)兩年進行同樣方法的取樣和測定。有機肥樣品為施肥前進行混勻取樣，每個有機肥取100 g，重復3份樣品。植物樣品和土壤樣品同時采集自8月下旬。樣地內隨機選取3個樣方(0.5×0.5 m2)，齊地面剪下地上植物，置于烘箱中65 ℃烘干至恒重，測定植物群落的地上生物量，并放入密封袋進行營養(yǎng)成分測定。用直徑為2.5 cm的土鉆在每個樣地內取0～20 cm土層的土壤共計5鉆，將5鉆土壤均勻混合成1份土樣，帶回實驗室后自然風干后進行粉碎，過2 mm土篩去除雜物后作為樣品。

測定有機肥、土壤和植物樣品中的全效氮磷鉀、速效氮磷鉀及有機質：全氮(TN)和速效氮(AN)采用凱氏定氮法(Kjeltec 1026，瑞典Foss Tecator公司)，全磷(TP)采用酸溶-鉬銻抗比色法，速效磷(AP)采用0.05 mol/L NaHCO3-鉬銻抗比色法，全鉀(TK)采用氫氧化鈉熔融法，速效鉀(AK)采用NH4OAc浸提法和火焰光度計測定，有機質(OM)的測定采用重鉻酸鉀容量法測定樣品中有機碳(OC)的含量，再乘以常數1.724，即為有機質含量。

1.5 數據分析

所有試驗數據用Microsoft Excel 2010進行初步整理后，用SPSS 19.0軟件進行方差分析，用Duncun法進行多重比較，表中數據以“平均值±標準誤”表示，P<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 廢棄物資源化處理后的營養(yǎng)成分比較

收集鮮牛糞、菇渣和蚓肥的樣品，混勻后測定其各自的營養(yǎng)成分，各取3次重復，結果如表2。由表2可以看出，鮮牛糞經過種植雙孢蘑菇、養(yǎng)殖蚯蚓處理后，收集蘑菇菇渣和蚯蚓排泄物進行堆肥制作有機肥料，兩種有機肥的速效氮含量顯著增加(P<0.05)，蚓肥中的速效氮是鮮牛糞的5倍；而有機碳、速效磷和速效鉀的含量均大幅降低(P<0.05)，尤其是速效磷的含量，處理之后含量低至0.11 g/kg。

表2 鮮牛糞、菇渣與蚓肥營養(yǎng)成分比較

菇渣中的全氮含量和鮮牛糞基本一致，但是蚓肥中的全氮含量比二者顯著降低(P<0.05)，因此菇渣的碳氮比較鮮牛糞明顯降低(P<0.05)，而蚓肥中的碳氮比則顯著升高(P<0.05)(表2)。而由于速效氮的大幅增加(P<0.05)，兩種肥料的速效氮/全氮也顯著增加(P<0.05)，尤其是蚓肥的速效氮/全氮大幅增加(P<0.05)，由1.09%增加到16.47%。

2.2 有機肥施用對天然草地土壤養(yǎng)分的影響

2018年6月初施用兩種有機肥后，于2018～2019連續(xù)兩年在8月底同一時期，對天然草地土壤的0～20 cm土層進行5點取樣后混勻，隨后進行氮、磷、鉀和有機質等營養(yǎng)成分分析(見圖1)。

圖1 不同有機肥處理對土壤養(yǎng)分的影響A. 有機質，B. 速效氮，C.速效磷，D. 速效鉀 注：大寫字母代表2018年的處理比較，小寫字母代表2019年，不同大小寫字母表示差異性顯著(P<0.05).

結果顯示，在0～20 cm層土壤中，全效的氮、磷、鉀元素均沒有顯著性差異(P>0.05)(數據未列出)。但是速效的氮、磷、鉀元素和有機質含量均有不同程度的變化。在2018年各處理中的有機質(OM)含量均沒有顯著性差異(P>0.05)，而在2019年，基本所有肥料處理比對照均有顯著增加(P<0.05)，尤其是JZ-l處理和QY-h處理比對照提高了19.5%和22.5%，達到了63.38 g/kg和65.42 g/kg。

和有機質含量類似，2018年時，處理的速效氮(AN)含量比對照沒有顯著差異(P>0.05)。而在2019年，所有有機肥處理的AN均有大幅度提高，與對照相比，AN均顯著提高了25%以上(P<0.05)，最高的處理QY-h的AN達到了294.79 g/kg。

對于某一年度的速效磷(AP)和速效鉀(AK)的變化規(guī)律相同，均是有機肥處理的比對照含量高，尤其是在在兩個高水平處理JZ-h和QY-h處理下較CK差異顯著(P<0.05)。但是兩年度對比來看，AP在2019年的含量較2018年有顯著下降(P<0.05)，而2019年AK含量均高于2018年。

2.3 有機肥對植物地上生物量和氮素滯留量的影響

氮素(N)是組成蛋白質的主要成分，對光合作用和酶促反應有重要作用，對植物莖葉的生長和果實發(fā)育影響很大。試驗對樣方中植物的地上生物量(above-ground biomass，AB)和含氮量(TN)也進行了測定(兩年平均值)，并且通過有機肥的含氮量計算出氮素添加量。當草場的地上部分被刈割后，植物中的氮素即被移出，可以計算出土壤中的氮素保持量，即氮素滯留量(N retention, NR)。氮素滯留量是地上生物量維持生長的物質基礎，對生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展至關重要。有機肥處理的氮素滯留量結果見表3。由表3可見，施用有機肥確實對地上生物量(AB)和植物含氮量有極大的促進作用，菇渣處理中的JZ-m和JZ-h、蚓肥中的QY-h生物量和含氮量為均顯著高于CK(P<0.05)。植株中的含氮量也和肥料中氮添加的多少直接相關，CK中的植株的含氮量僅有1.52%，而菇渣處理可明顯提高植株中的含氮量，其中JZ-h處理的含氮量高達2.49%。而蚓肥中植物吸收利用的氮含量有限，在低水平和中水平處理的含氮量沒有明顯的提高(P>0.05)。

表3 有機肥處理的氮素滯留量

菇渣處理的氮素移出量均顯著高于CK(P<0.05)，其中JZ-h的氮素移出量達到60.78 kg/hm2，而蚓肥中只有QY-h顯著高于CK(P<0.05)。由于有機肥氮素的大量施入，導致氮滯留量比對照大幅增加，最高的滯留量為JZ-h的662.82 kg/hm2，最低是對照的-26.27 kg/hm2。而QY-l的平衡量為60.35 kg/hm2，由于會有部分氮素通過揮發(fā)和淋溶作用散失，消耗量基本和輸入量保持平衡。

3 討 論

3.1 有機肥的營養(yǎng)成分

本試驗研究發(fā)現，和鮮牛糞相比，養(yǎng)殖蚯蚓消化后的蚓肥中，有機碳(OM)、速效磷(AP)和速效鉀(AK)的含量均大幅降低，全氮(TN)含量降低但是速效氮(AN)含量升高。前人也研究了相當多蚯蚓處理牛糞之后的營養(yǎng)成分變化，例如柏彥超等研究中新鮮牛糞經蚯蚓消解處理后，蚓肥中的pH、有機質、全氮、全鉀含量均降低，全磷含量上升。速效氮和硝態(tài)氮含量占全氮含量的比例比新鮮牛糞的高，速效磷含量占全磷含量的比例比新鮮牛糞的低[13]。相似的是，陸鈺等研究蚓肥中總碳、有機碳、全氮、全鉀含量均低于傳統(tǒng)的牛糞自然堆制物，而全磷、速效磷、速效氮和速效鉀均高于牛糞自然堆制物，其解釋原因為牛糞蚯蚓堆制加快了堆制物礦化速率，提高了堆制物速效養(yǎng)分含量[12]，此類研究較多也支持這一結論[14-16]。而朱曉玲等[17]研究發(fā)現，蚯蚓處理牛糞后全氮含量均增加，其解釋為蚯蚓消化使牛糞總質量減少，氮相對含量增加。張艷等[18]發(fā)現，蚯蚓處理牛糞后全氮、全磷含量增加，而全鉀和有機質含量明顯下降，可能與其高原地區(qū)的環(huán)境條件有關。所以以上研究有不少相互矛盾之處，可能與氣候條件，蚯蚓品種，飼養(yǎng)方式等有關。但是基本一致的結論是，蚯蚓處理牛糞后，其有機質(OM)含量下降，但可利用氮(AN)的比重增加，可能是由于牛糞中的含氮物質(如蛋白質)經過蚯蚓體內各種蛋白酶處理，全氮(TN)含量明顯下降，但是可利用的速效氮(AN)卻大幅增加，所以速效氮對全氮的比例(AN/TN)也大幅升高。

而種植雙孢蘑菇后收集的菇渣肥料中，試驗結果發(fā)現，同鮮牛糞相比，有機碳(OC)、速效磷(AP)和速效鉀(AK)的含量同蚓肥一致均大幅降低，但是其全氮(TN)含量基本一致，速效氮(AN)含量升高。王胤晨等[19]研究表明，收獲蘑菇后培養(yǎng)料中的氮、磷、鉀含量均下降。由此推測，由于牛糞同相關微生物協(xié)同消解或吸收牛糞中的有機質(OM)，其有機質含量下降。而由于微生物的硝化作用，速效氮/全氮(AN/TN)明顯增加，因此蚓肥中的碳氮比(C/N)顯著下降。

3.2 有機肥對土壤改良的作用

本試驗中兩種有機肥施用以后，第二年土壤中的有機質含量均比對照有顯著的增加。尤其是施肥量最高的處理45 t/hm2時效果最為明顯，說明土壤有機質的含量和有機質的輸入量直接相關。有機肥施用對土壤的全效養(yǎng)分無顯著影響，但是對土壤的速效養(yǎng)分有明顯的促進作用，尤其是施肥量高的處理的速效氮磷鉀均比對照有顯著的增加。劉占偉[20]在農田上用牛糞堆肥也在45 t/hm2時對土壤的改良效果最佳，使土壤的有機質、全氮、速效磷、速效鉀等含量均顯著提高。國內有大量的牛糞有機肥還田的研究[21-23]，還有牛糞和蚯蚓糞添加不同比例對土壤肥料的研究[24]，結果均證明有機肥可以顯著提升土壤的有機質含量，各種礦質元素和養(yǎng)分含量均有所增加。

本試驗中第一年各處理的土壤有機質和速效氮、速效鉀沒有顯著變化[25]，第二年各處理均比第一年有顯著的增加，可能是由于有機肥的肥效是緩釋的，需要經過一段時間的分解和微生物作用將養(yǎng)分逐漸釋放出來。但是第二年各個處理的速效磷的含量卻比第一年有顯著的下降，可能是由于有機肥中磷的含量較低，只有0.11 g/kg，同時第二年磷的淋溶作用明顯導致土壤速效磷含量整體下降。

3.3 有機肥對土壤氮滯留量的影響

之前研究表明，施用養(yǎng)殖廢棄物制成的有機肥可以增加天然草地的地上生物量[26]，同時由于補充了大量氮素，也對植株的含氮量有極大的促進作用。試驗中除去刈割植株移走的氮素，土壤中還剩余大量氮素可以利用，氮素也是草地資源可持續(xù)發(fā)展的重要物質基礎。其中雙孢菇消化后的菇渣有機肥可以極大補充氮素，對天然草地上的氮素滯留量貢獻最大。但是也需要充分利用其氮素資源，防止造成溫室氣體的排放和污染。

4 結 論

牧場廢棄物經過資源化處理后，與新鮮牛糞相比，作為有機肥的蘑菇菇渣和蚓肥中速效氮含量顯著增加，其中蚓肥提高了4倍。而有機碳、速效磷和速效鉀的含量均大幅降低。菇渣中的全氮含量和處理前基本一致，蚓肥中的全氮含量顯著下降了67%。作為有機肥還田時，當菇渣或蚓肥施用量為45 t/hm2時，土壤有機質大約提高20%，速效氮磷鉀的含量均顯著升高，而第二年所有處理的速效磷含量均顯著下降。并且有機肥對草地地上生物量有極大的促進作用，菇渣有機肥可以極大補充氮素，對天然草地上的氮素滯留量貢獻最大，最高可達每公頃663.82 kg。