鄒曉錦 宮亮
(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境資源研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110161)
集約化農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中為追求作物增產(chǎn)農(nóng)民習(xí)慣增加化肥投入,無(wú)機(jī)化肥過(guò)量施用導(dǎo)致土壤板結(jié),有機(jī)質(zhì)含量降低,土壤耕地質(zhì)量下降嚴(yán)重威脅我國(guó)糧食安全[1]。東北農(nóng)區(qū)在國(guó)家糧食安全中具有舉足輕重的地位,養(yǎng)殖業(yè)廢棄物糞污排放達(dá)2.7億t[2],大量廢棄物的不合理應(yīng)用不但造成資源極大浪費(fèi),而且加劇環(huán)境污染。長(zhǎng)期以來(lái),農(nóng)田的無(wú)機(jī)化肥過(guò)量投入和有機(jī)糞污不合理應(yīng)用一直是農(nóng)業(yè)高產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)[3]。合理利用有機(jī)肥資源,施用有機(jī)肥替代部分無(wú)機(jī)化肥,是實(shí)現(xiàn)我國(guó)化肥零增長(zhǎng)目標(biāo)的重要途徑之一[4]。本研究針對(duì)以上瓶頸問(wèn)題,研究東北農(nóng)區(qū)生態(tài)脆弱區(qū)風(fēng)沙土的培肥地力與耕地保育,更新優(yōu)化傳統(tǒng)施肥方式,可最大限度減少污染排放,以期為農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供應(yīng)用技術(shù)支撐。
田間試驗(yàn)于2017—2019年在農(nóng)業(yè)部阜新農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)站(遼寧省阜新彰武西六鄉(xiāng))進(jìn)行,試驗(yàn)區(qū)屬于半干旱區(qū),年平均降雨量504mm。試驗(yàn)田耕層土壤基本理化性質(zhì):有機(jī)質(zhì)含量16.7mg·kg-1,全氮、全磷和全鉀含量為1.23mg·kg-1、0.92mg·kg-1、20.4mg·kg-1,堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為78mg·kg-1、17.5mg·kg-1、122mg·kg-1,pH為6.1。
本試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理:常規(guī)施肥(FP);雞糞替代無(wú)機(jī)氮肥20%(FM1);雞糞替代無(wú)機(jī)氮肥50%(FM2);雞糞替代無(wú)機(jī)氮肥100%(FM3)。田間試驗(yàn)每小區(qū)(8m×6m)面積為48m2,隨機(jī)排列,3次重復(fù)。全部雞糞作基肥施用,和有機(jī)質(zhì)含量為6.1g·kg-1和59.8g·kg-1,全氮、全磷、全鉀含量分別為29.9g·kg-1、40.7g·kg-1和20.1g·kg-1。配施的無(wú)機(jī)肥為玉米專(zhuān)用肥(N、P2O5、K2O的含量分別為28%、10%和12%),施用量為450kg·hm-2。在播種時(shí)一次施入。供試玉米品種為“良玉99”,種植密度為65000株·hm-2,每年4月底5月初播種,9月底收獲。田間管理按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行。
1.3.1 土壤理化性狀分析及試材養(yǎng)分測(cè)定
在春季播種前和秋季收獲后采取土壤樣品(0~20cm),分析土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、磷、鉀,速效氮、磷、鉀含量,pH;測(cè)定雞糞的有機(jī)質(zhì)、全氮和速效N、P、K含量。有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀法;全N采用H2SO4-H2O2半微量凱氏法;速效N采用堿解擴(kuò)散法;全P采用HClO4+H2SO4消煮,鉬銻抗比色法;速效P采用Olsen法;全K采用氫氧化鈉熔融,原子吸收法;速效K采用中性1moL·L-1NH4AC浸提,火焰光度法;pH采用電位法。
1.3.2 葉片葉綠素含量測(cè)定
于玉米植株生長(zhǎng)旺盛時(shí)期(抽穗開(kāi)花期)9∶30—11∶30采用植物光合測(cè)定儀(Li-6400)測(cè)定豆科作物植株光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度及蒸騰速率等植物光合產(chǎn)物積累相關(guān)各指標(biāo)。每小區(qū)選取連續(xù)5株,每株測(cè)定3片葉片,測(cè)定時(shí)選取花生和綠豆完全展開(kāi)的第1葉片,進(jìn)行測(cè)定。
1.3.3 產(chǎn)量測(cè)定
在玉米成熟期,選取中間條帶3行玉米進(jìn)行測(cè)產(chǎn)(每個(gè)小區(qū)12行選取中間3行,每行長(zhǎng)8m)。每小區(qū)分別選取果穗均勻玉米植株5株,于烘箱105℃殺青1h后,烘干至恒重,稱(chēng)量植株干重,籽粒產(chǎn)量折算為14%含水量。
玉米土壤連續(xù)配施雞糞處理后,土壤pH無(wú)顯著變化,但土壤有機(jī)質(zhì)、土壤大量元素和速效養(yǎng)分含量均顯著升高,見(jiàn)表1。與常規(guī)施肥對(duì)照相比,有機(jī)替代無(wú)機(jī)配施處理后,有機(jī)質(zhì)含量隨雞糞替代比例增加而提高,土壤全氮、磷、鉀分別增加9.22%~27.6%、23.7%~42.4%和4.16%~9.68%,土壤堿解氮、速效磷和速效鉀分別增加12.2%~29.3%、13.5%~30.4%、12.8%~17.4%。這表明增施雞糞具有較好的培肥地力作用,但施用雞糞達(dá)到一定量(超過(guò)50%),土壤有機(jī)質(zhì)含量并未表現(xiàn)出持續(xù)提高。因此,在改善土壤質(zhì)量方面有機(jī)替代20%~50%即可滿(mǎn)足農(nóng)田培肥地力的要求。
表1 不同處理對(duì)土壤耕層化學(xué)性狀的影響
不同培肥方式影響了玉米植株的光合參數(shù),顯著提高了玉米的光合速率,見(jiàn)圖1。與常規(guī)FP相比,有機(jī)肥替代無(wú)機(jī)化肥20%、50%和100%處理的玉米光合速率(Pn)分別增加了27.9%、38.3%和23.1%。氣孔導(dǎo)度(Gs)的變化則與光合速率相反,有機(jī)替代無(wú)機(jī)化肥后表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。與常規(guī)施肥FP相比,有機(jī)糞肥替代無(wú)機(jī)化肥后作物胞間CO2濃度(Ci)略有升高,但未達(dá)到顯著水平。不同有機(jī)替代處理玉米蒸騰速率(Tr)比常規(guī)施肥FP顯著提高,但與其他光合參數(shù)指標(biāo)相似,有機(jī)替代無(wú)機(jī)不同比例的處理之間無(wú)顯著差別。
圖1 不同培肥方式對(duì)玉米植株光合參數(shù)的影響
2017—2019年田間試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2,有機(jī)替代無(wú)機(jī)化肥處理顯著提高了玉米產(chǎn)量。與常規(guī)FP對(duì)照相比,有機(jī)肥替代無(wú)機(jī)化肥20%和50%玉米3a分別增產(chǎn)8.24%~25.5%和22.9%~31.8%。替代比例50%在第1年度增產(chǎn)效果優(yōu)于20%,但第2年和第3年則未表現(xiàn)出產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。有機(jī)糞肥全部替代雖然比常規(guī)施肥表現(xiàn)出增產(chǎn),但全量替代無(wú)機(jī)化肥比部分替代減產(chǎn),因此有機(jī)糞肥代替無(wú)機(jī)化肥過(guò)量對(duì)玉米產(chǎn)量提升無(wú)顯著貢獻(xiàn),本試驗(yàn)結(jié)果表明,以替代20%~50%為宜。
圖2 不同有機(jī)糞肥處理對(duì)玉米產(chǎn)量影響
前人研究表明[5,6],外源有機(jī)物料添加土壤后可起到培肥地力效果,其中有機(jī)糞肥效果尤其顯著。本研究表明,秸稈配施有機(jī)肥顯著提高了風(fēng)沙土農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤養(yǎng)分全量和速效養(yǎng)分含量,這與前人研究結(jié)果一致[7-9]。有學(xué)者通過(guò)30a的土壤定位培肥研究結(jié)果表明[10],不同數(shù)量有機(jī)肥及與化肥配合施用的耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量平均每年增加0.3g·kg-1,土壤大量元素含量與有機(jī)質(zhì)變化趨勢(shì)相似。另有長(zhǎng)期定位施肥31a后,有機(jī)無(wú)機(jī)配施試驗(yàn)表明[3],土壤pH下降了0.3個(gè)單位,等氮條件下土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了28.2%~80.3%,土壤堿解氮和全氮分別增加了33.7%~30.1%,土壤有效磷增加了3.3倍,土壤速效鉀增加了13.6倍。邢月華等[6]在遼寧省昌圖施用雞糞對(duì)土壤研究結(jié)果表明,與對(duì)照相比連續(xù)施用雞糞有機(jī)肥6a后,土壤耕層有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量均顯著增加,且隨有機(jī)肥施用量增加,耕層土壤養(yǎng)分含量也表現(xiàn)增加趨勢(shì)。這與本研究結(jié)果一致,等氮條件下有機(jī)肥替代比例越高對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)提升效果最佳。但值得注意的是,土壤養(yǎng)分含量并未隨有機(jī)肥用量增加持續(xù)增加,超過(guò)50%的全量替代對(duì)土壤培肥效果并不明顯。長(zhǎng)期施用高量有機(jī)肥也增加了養(yǎng)分元素淋溶風(fēng)險(xiǎn)[3],尤其是土壤硝態(tài)氮和有效磷,因此有機(jī)肥替代無(wú)機(jī)化肥以提升耕地質(zhì)量并能有效降低氮磷淋溶的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為宜。
本研究顯示,有機(jī)配施無(wú)機(jī)肥減量后作物產(chǎn)量顯著增加,3a田間試驗(yàn)結(jié)果表明作物增產(chǎn)8.24%~31.8%。有研究表明[11],與無(wú)機(jī)化肥相比,微生物有機(jī)肥施用后作物增產(chǎn)12.5%,施用雞糞增產(chǎn)8.6%,基施有機(jī)肥雖然對(duì)作物根冠比無(wú)顯著影響,但是增加了表面耕層土壤的玉米根質(zhì)量和根表面積。土壤養(yǎng)分分布會(huì)影響作物根系的空間分布[12],無(wú)機(jī)有機(jī)配施可促進(jìn)土壤養(yǎng)分從表層向深層遷移[3],這為作物根系下扎提供了條件。有機(jī)肥替代部分無(wú)機(jī)化肥可顯著增加玉米產(chǎn)量,其原因可能是有機(jī)肥能夠改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)過(guò)程,使土壤養(yǎng)分能夠平衡釋放,促進(jìn)了作物根系養(yǎng)分吸收進(jìn)而增產(chǎn),有機(jī)替代的增產(chǎn)效果已在多種土壤上得到驗(yàn)證[4,6,13]。另外本研究顯示,有機(jī)糞肥替代化肥20%和50%可顯著提高作物產(chǎn)量,但當(dāng)有機(jī)肥替代量達(dá)到50%時(shí),玉米產(chǎn)量并無(wú)顯著提高,甚至出現(xiàn)降低現(xiàn)象,尤其是2018年??赡苁怯捎诋?dāng)年田間試驗(yàn)中玉米病害和倒伏嚴(yán)重,過(guò)量有機(jī)肥對(duì)產(chǎn)量并無(wú)貢獻(xiàn)反而會(huì)造成減產(chǎn)現(xiàn)象(數(shù)據(jù)未列出)。謝軍等[4]在紫色土8a長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究結(jié)果顯示,有機(jī)全量(100%)替代無(wú)機(jī)化肥與部分替代相比,玉米地上部秸稈和籽粒產(chǎn)量反而下降,有機(jī)全量替代與常規(guī)施肥相比并未表現(xiàn)出增產(chǎn),與部分替代無(wú)機(jī)化肥相比玉米產(chǎn)量和收獲指數(shù)分別降低了11.9%和6.04%。薛同宣等[14]報(bào)道,雞糞與無(wú)機(jī)化肥配施,替代無(wú)機(jī)化肥比例最高上限為40%。因此,有機(jī)替代無(wú)機(jī)化肥的適宜用量并非越高越好,綜合環(huán)境和產(chǎn)量因素,在東北農(nóng)區(qū)風(fēng)沙土上有機(jī)糞肥替代不宜超過(guò)50%。
增施雞糞3a后,土壤pH無(wú)顯著變化,土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分元素全量和有效態(tài)含量均顯著升高。配施有機(jī)雞糞減量無(wú)機(jī)化肥20%和50%對(duì)玉米均有顯著增產(chǎn)效果,作物凈光合速率提高,田間試驗(yàn)3a玉米增產(chǎn)8.24%~31.8%?;诒驹囼?yàn)結(jié)果,在東北農(nóng)區(qū)生態(tài)脆弱區(qū)風(fēng)沙土上,有機(jī)糞肥替代以20%~50%為宜。