不同有机肥用量对土壤硝态氮含量及氮素利用率的影响
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摘 要：为了研究有机肥用量对农田土壤硝态氮迁移累积的影响，合理使用有机肥，减少有机肥对环境的污染，在山东省曹县潮土小麦玉米轮作区进行大田试验，研究了自然降雨条件下不同牛粪有机肥用量对小麦玉米轮作农田土壤硝态氮纵向分布、作物产量、氮素利用率的影响。结果表明：0～100 cm各土层硝态氮含量及累积量随着有机肥用量的增加而增加，且用量为每年每666.7m2 施3 000 kg以上时土壤硝态氮含量显著增加；在小麦生育期和玉米苗期土壤硝态氮含量随着土层深度的增加基本呈先降低后升高的趋势，尤其在初夏小麦成熟期60～100 cm土壤中硝态氮累积量高于表层土，表明该时期土壤硝态氮向土壤深处迁移累积，对雨季地下水污染带来潜在的危害；小麦、玉米产量与牛粪有机肥用量之间分别呈二次函数关系和线性关系，牛粪有机肥用量为每年每666.7m2 施3 000 kg（折纯氮45 kg）时小麦和青贮玉米的总产量最高，该用量下，小麦、玉米的氮素利用率分别为52%和50%。综合分析，推荐牛粪有机肥用量为每年每666.7m2 施3 000 kg，既保证小麦、青贮玉米的产量又能降低施肥给环境带来的污染风险。
关键词：牛粪有机肥；小麦-玉米轮作；土壤硝态氮；产量；氮素利用率
中图分类号：S158.3文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）12-0095-06
Abstract In order to examine the effects of manure application rate on migration and accumulation of nitrate nitrogen （NO-3-N） in farmland soil profile and investigate the optimal manure application rate， a field experiment was conducted in wheat-maize rotation area of Caoxian County in Shandong Province. The influences of different cow manure application rates on vertical distribution of soil NO-3-N， crop yield and nitrogen use efficiency were determined in a winter wheat and summer maize rotation farmland under natural rainfall conditions. The results showed that the NO-3-N content and accumulation amount in the soil profile （0～100 cm） increased with the increase of manure application rate. When the manure application rate was greater than 3 000 kg per 666.7m2 for one year， the soil NO-3-N content was significantly higher than those of other treatments. During the whole wheat growth period and the seedling stage of maize， the NO-3-N content firstly reduced and then raised with the increase of soil depth. Especially in wheat mature stage in early summer， the NO-3-N accumulation amount in the 60～100 cm soil layer was higher than that of topsoil. It indicated that at this period， the NO-3-N had migrated downward and accumulated in the deep soil， which would be prone to polluting groundwater during the summer rainfall season. The wheat and maize yield showed quadratic function relation and linear relation respectively with the cow manure application rate. The total yield of wheat and silage maize was the highest when the cow manure application rate was 3 000 kg per 666.7m2 for one year （equivalent to 45 kg pure nitrogen per 666.7m2 for one year）， and the N use efficiency was 52% and 50% respectively. In conclusion， the recommended cow manure application rate was 3 000 kg per 666.7m2 for one year， which could not only guarantee the wheat and maize production but also lower the pollution risk of fertilization to environment.
Keywords Cow manure； Wheat-maize rotation； Soil NO-3-N； Yield； Nitrogen use efficiency
随着畜禽养殖规模化和集约化程度的迅速提高，畜禽粪便污染作为农业面源污染的重要组成部分已经成为世界普遍关注的问题[1]。由于畜禽粪便有机肥含有丰富的营养物质，将其作为肥料进行农田回用是其资源化利用的主要途径。研究表明，施用有机肥能增加土壤养分，提高土壤肥力[2]。但是越来越多的研究也表明过量有机肥的施用会造成土壤硝态氮累积，对地表环境产生严重危害的同时也会引起地下水硝酸盐污染。袁新民等[3]研究发现，连续每年施用禽粪20 t/hm2所流出的地表径流液对地表水质量构成严重威胁。另外姚丽贤[4]、刘勤[5]等研究发现大量施用以鸡粪为主的有机肥，可使4 m以上土层中硝态氮浓度达到40～50 mg/kg。林葆[6]研究发现，在太湖流域氮素对水体的污染贡献中，田间径流液和淋失液中的氮素80%来自有机肥的矿化氮。当施肥量超过植物需要及土壤反硝化能力时，就会在降雨或灌溉作用下通过淋溶进入地下水[7]，因此，确定有机肥的合理用量、降低有机肥使用对环境的污染已经成为目前亟待解决的问题。
小麦、玉米轮作是华北平原重要的种植模式之一，具有土地集约化程度高和高投入高产出的基本特点，深入研究基于牛粪资源化利用的小麦、玉米轮作制农田土壤硝态氮迁移累积特征，对于合理处置养牛废弃物和建立良性循环的农业生态环境具有重要的理论价值和现实意义。基于如上分析，本研究从土壤硝态氮含量变化角度出发，通过定量跟踪分析不同牛粪有机肥用量处理对土壤硝态氮迁移累积规律、粮食产量及氮素利用率等指标的影响，探讨有机肥用量对土壤硝态氮和作物产量的影响，为确定有机肥的合理用量、有效控制农田养分流失提供技术支撑，也为我国单位耕地面积畜禽粪便承载量国家标准的制定和完善提供一定的理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验点概况
试验在山东省菏泽市曹县磐石街道办事处王楼村进行，该试验点位于鲁西南平原，N 34°47′9.78″，E115°35′16.32″，属于北亚热带地区，年均气温13.6～14.3℃，年均日照时数为2 147.6 h，年均降水量611.8～711.0 mm，年无霜期212 d。耕作模式为冬小麦夏玉米轮作模式。供试土壤类型为潮土，其基本理化性状为：pH（H2O，5∶1）8.56，有机质13.25 g/kg，全氮 1.33 g/kg，有效磷 17.76 mg/kg ，碱解氮 93.54 mg/kg，速效钾129.17 mg/kg。
1.2 试验材料与设计
试验于2014年10 月1日播种小麦，2015 年6 月11 日收获，2015年6月20日种植玉米，2015年9月10日收获。供试有机肥为牛粪有机肥，养分含量见表1。共设置6个有机肥处理（表2），分别是，T1：对照，不施有机肥；T2：每年每666.7m2（下同）用量为1 000 kg；T3：2 000 kg；T4：3 000 kg；T5：4 000 kg；T6：5 000 kg，随机区组排列，重复3次，小区面积64 m2。小麦季和玉米季各施一半有机肥，且均为播前基施，后期不再追肥。
供试小麦品种为当地主要栽培品种济麦22，采用25 cm 等行距机械播种，每666.7m2播种量为12.5 kg；玉米品种为豫青贮23，播种方式为点种，等行距播种，行距60 cm，株距25 cm。小麦、玉米播种前牛粪有机肥撒施，机械旋耕。试验田日常管理措施同大田生产模式。试验期作物不同生育阶段的平均降水量为：小麦茬口内总降水178.7 mm，玉米茬口内总降水468.1 mm。
1.3 样品采集
分别在小麦、玉米季的苗期、拔节期、成熟期进行土壤样品采集，小区内按每 20 cm一层分 5 层取 0～100 cm 土样，每个小区随机取 3 个点，相同层次的土壤混合为一个土壤样品，置于冰柜中冷冻保存或立时测定。每层土壤的容重采用环刀法测定。
小麦收获时收取5 m2样方测产，同时测定小麦籽粒和秸秆中的养分含量；青贮玉米收获时在小区内随机选取10株，测定其整株生物量、养分含量等指标，小区全部收获计产。
1.4 测定项目及方法
土壤硝态氮测定：新鲜土样用2 mol/L KCl 浸提，滤液通过流动注射分析仪测定其硝态氮含量。植株全氮含量测定：采用浓硫酸-双氧水消煮，半微量凯氏定氮法测定，参照鲍士旦[8]的方法测定。
1.5 计算方法
氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区作物产量-不施氮区作物产量）/施氮量；
氮素利用率（%）= 作物吸氮量/施氮量×100[9]。
所有试验数据均用平均值，统计检验经SPSS 16.0软件处理分析，单因素方差分析后采用LSD法检验处理间的差异显著性，以P
2 结果与分析
2.1 小麦季土壤剖面硝态氮垂直分布规律
在小麦苗期、抽穗期、成熟期，0～100 cm土层不同处理土壤硝态氮含量均随着牛粪有机肥用量的升高而升高，但影响幅度不同（图1）。
在小麦苗期，各处理0～100 cm土壤剖面内硝态氮含量均随着土壤深度的增加呈先降低后升高的趋势（图1A）。0～40 cm土层中T5、T6处理土壤硝态氮含量显著高于其他处理；40～100 cm土层中，T3-T6处理间差异不显著但显著高于T1处理。由此可见该时期随着土层的加深，各施肥处理间的差异逐渐变小。
在小麦拔节期，各处理0～100 cm土壤剖面的硝态氮分布规律与小麦苗期相似（图1B）。0～20 cm土层中T6处理土壤硝态氮含量显著高于T1-T5；20～40 cm土层T5、T6显著高于T1、T2，但与T3、T4处理间无显著差异；60～100 cm土层中T5、T6显著高于T1-T4，且T5、T6处理硝态氮含量分别是对照T1的3.5～3.7倍和3.8～4.7倍。由此可见，随着有机肥用量的增大，深层土壤中硝态氮含量差距逐渐拉大，尤其是牛粪有机肥用量为4 000～5 000 kg时，土壤硝态氮淋失风险显然高于其他处理。
在小麦成熟期，0～100 cm土壤剖面中，随着土层的加深，各处理土壤硝态氮含量差异逐渐增大（图1C），且深层土壤硝态氮含量逐渐升高甚至超过表层土壤。0～60 cm土层，T2-T6处理土壤硝态氮含量分别是T1的1.35～2.83、1.47～3.33、1.61～4.30、1.88～5.33、2.19～7.67倍；60～100 cm土层，T2-T6处理土壤硝态氮含量分别是T1的2.57～3.68、4.33～4.43、5.68～6.88、10.71～14.33、12.86～15.17倍，由此可见，T5、T6处理在60～100 cm土壤中硝态氮含量显著高于其他处理。此外，80～100 cm土层中T4、T5、T6处理土壤硝态氮含量分别是0～20 cm土层的1.07、1.91倍和1.73倍。由此推测，小麦成熟期随着牛粪有机肥施用量的增加，硝态氮逐渐向深层土壤迁移累积，导致硝态氮污染地下水的风险大幅度提高。
2.2 玉米季土壤剖面硝态氮垂直分布规律
与小麦季相似，在玉米季的苗期、拔节期、成熟期，各处理0～100 cm土层土壤中硝态氮含量均随着牛粪有机肥用量的升高而升高（图2）。
在玉米苗期，除T1外，其他处理的0～100 cm土壤剖面内硝态氮含量随着深度的增加，T2、T4、T5处理呈先下降后上升趋势，T3和T6处理则呈先降低后升高再降低再升高的趋势（图2A），在40～60、80～100 cm土层中硝态氮含量出现峰值。0～40 cm土层中各处理间土壤硝态氮含量无显著差异；40～60 cm土层中T3处理硝态氮含量显著高于其他处理；60～100 cm土层中T6处理显著高于其他处理，而T3-T5之间差异不显著。
在玉米拔节期，0～100 cm土壤剖面中硝态氮含量随着土层的加深，除T1呈先降低后升高趋势外，其他处理均呈先降低后升高再降低的趋势，在60～80 cm处出现峰值（图2B）。0～20 cm土层硝态氮含量以T5、T6处理最高，分别是T1处理的2.80倍和3.16倍，显著高于T2-T4处理；20～60 cm土层T6显著高于其他处理，而T2-T5之间差异不显著；60～100 cm土层T5、T6处理土壤硝态氮含量显著高于T1，但与T2-T4处理间的差异不显著。由此可见，玉米拔节期，随土层的加深，各处理土壤硝态氮含量差异逐渐缩小，且在不同土层中有迁移现象。
在玉米成熟期，0～100 cm土层纵向剖面硝态氮含量随着土层的加深总体呈逐渐下降趋势（图2C）。0～40 cm土层中硝态氮含量以T6最高，显著高于其他处理；各处理40～60 cm土层硝态氮含量差异不显著；60～100 cm土层中硝态氮含量以T5、T6处理最高，显著高于其他处理。由此可见，虽然随着土层的加深土壤硝态氮含量逐渐降低，但是仍以施肥量大的处理硝态氮含量最高。
玉米大量需肥阶段在拔节期后，本试验研究发现自玉米拔节期至成熟期，土壤硝态氮含量随土壤深度的增加逐渐降低，土壤硝态氮含量主要集中在0～60 cm土层中，恰能满足玉米根系活动范围内的氮素供给 （图 2），一方面保证了玉米此阶段对矿质养分的大量需求，另一方面也在一定程度上减轻了硝态氮流失。但同时玉米大量需肥时期也正是雨热同期的缘故，因此土壤中较高含量的硝态氮也存在比较大的淋失风险。
2.3 不同牛粪有机肥用量对小麦、青贮玉米产量及氮素利用率的影响
在本试验条件下，小麦产量随着牛粪有机肥施用量的增大呈先升高后降低趋势，其中以T4处理的小麦产量最高，达380.3 kg（表3），与T3差异不显著，但显著高于其他处理。小麦产量与牛粪有机肥施用量之间呈二次函数曲线（y=-4×10-5x2+0.1232x+279.42，R2=0.9200）。而青贮玉米的产量随着牛粪有机肥施用量的增加呈不断增加趋势。施肥处理青贮玉米产量依次比不施肥对照T1高出30.1%、32.1%、43.4%、51.0%和56.0%。青贮玉米产量与牛粪有机肥用量之间呈线性关系（y=6×10-4x+3.3249，R2=0.8827）。
牛粪有机肥用量为每年每666.7m2为1 000 kg（T2）时，小麦、玉米的氮肥农学效率最高，分别为8.0、12.1 kg/kg，但此用量下作物产量较低。小麦、青贮玉米产量最高值的牛粪有机肥用量分别为3 000 kg和5 000 kg，但青贮玉米产量在用量为3 000～5 000 kg间无显著差异。牛粪有机肥用量在3 000 kg时小麦与青贮玉米的总产量最高。因此，从作物产量的指标来看，小麦季牛粪有机肥的最佳用量为1 500 kg；而玉米季牛粪有机肥施用量还有提升空间。
小麦、玉米两季的氮素利用率随着施肥量的增加均呈降低趋势。考虑作物根系的主要活动范围在 0～60 cm土层内。不施牛粪有机肥的对照处理作物携出的氮素主要来源于土壤氮库。有机肥用量为1 000 kg的处理，氮素利用率在小麦、玉米季分别为125%和120%，表明该处理下作物移走的氮超过肥料投入氮，长此以往势必会造成土壤氮库亏损。随着有机肥用量的增加氮素利用率逐渐降低，3 000 kg用量时小麦产量最高，氮素利用率为52%。牛粪有机肥用量在3 000～5 000 kg范围内青贮玉米产量无显著差异，而氮素利用率随着牛粪有机肥用量的增加而降低，从50%降至32%。而有机肥用量在5 000 kg时小麦和玉米季的氮素利用率分别为25%和32%，表明作物携出氮的增加量逐渐低于肥料中氮素投入的增加量。
3 讨论与结论
前人研究结果表明，硝态氮在土壤剖面的不同分布及累积量与施肥量、生育时期、作物品种、种植密度、降雨量、土壤类型、肥料种类等关系密切[10-12]。本试验结果表明，小麦、玉米季各时期0～100 cm土层土壤硝态氮含量及累积量随牛粪有机肥用量的增加而增加。这与杨蕊菊、刘敏等[13，14]的研究结果相似。本研究发现在小麦、玉米各时期牛粪有机肥用量为4 000 kg和5 000 kg的土壤中硝态氮含量均显著高于其他施肥处理。土壤中硝态氮含量及氮素累积量以牛粪用量3 000 kg（T4）为拐点，高于此用量后土壤硝态氮含量及累积量随着牛粪有机肥用量的增加呈迅速升高趋势。这说明有机肥用量大于3 000 kg时会给土体带来严重的硝态氮累积现象，硝态氮迁移污染地下水的潜在风险加大。
牛粪有机肥对小麦产量的影响随着其用量的增加呈抛物线变化趋势，而青贮玉米的产量与牛粪有机肥用量间呈正相关关系。牛粪有机肥用量为3 000 kg（折合小麦、玉米季氮素投入量分别为22.5 kg）时小麦、玉米季氮素利用率分别为52%和50%。巨晓棠[9]报道世界各地平衡法施肥氮素利用率平均值为 50%～55%。牛粪有机肥用量为3 000 kg时小麦、玉米季氮素利用率与国际平均水平持平。平衡法施肥氮素利用率越高表明作物吸收氮超过肥料投入氮越多，随着时间的推移，与肥料氮素输入量相比，作物带走的氮素更多，不仅产量较低，而且会造成土壤氮肥力的耗竭。相反平衡法施肥氮素利用率降低则说明作物带走的氮素量（因产量增加）低于投入的氮素量，因此会导致氮素在土壤中不断累积，导致氮素损失量不断加大。蓄禽粪便作为有机肥施用虽然减少了化肥的投入，但是过量蓄禽粪便的施用同样会对土壤、水环境造成严重威胁[15]。因此，并不是有机肥施用越多越好，从本研究结果来看，综合土壤硝态氮含量、累积量与牛粪有机肥用量的关系，以及考虑作物产量和氮肥利用率等因素，每年每666.7m2土壤牛粪有机肥的用量为3 000 kg时是最佳用量。
参 考 文 献：
[1] 张绪美，董元华，王辉，等. 中国畜禽养殖结构及其粪便 N 污染负荷特征分析[J]. 环境科学，2007，28（6）：1311-1318.
[2] Bolan N S， Adriano D C， Natesan R， et al. Effects of organic amendments on there duction and phyto availability of chromate in mineral soil[J]. Journal of Environmental Quality， 2003， 32（1）： 120-128.
[3] 袁新民，同延安，杨学云，等. 有机肥对土壤NO-3-N累计的影响[J]. 土壤与环境，2000，9（3）：197-200.
[4] 姚丽贤，周修冲.有机肥对环境的影响及预防研究[J]. 中国生态农业学报，2005，13（2）：113-115.
[5] 刘勤，张斌，谢育平，等. 施用鸡粪稻田土壤氮磷养分淋洗特征研究[J]. 中国生态农业学报，2008，16（1）：91-95.
[6] 林葆. 化肥与无公害农业[M]. 北京：中国农业出版社，2003.
[7] Salvador P H，Pulido-Velazquez M，Sahuequillo A. Ahydro-economic modeling framework for optimal management of groundwater nitrate pollution from agriculture[J].Journal of Hydrology， 2009， 373： 193-203.
[8] 鲍士旦.土壤农化分析[M]. 第3版. 北京： 中国农业出版社， 2000.
[9] 巨晓棠. 氮肥有效率的概念及意义――兼论对传统氮肥利用率的理解误区[J]. 土壤学报，2014， 51（5）： 921-933.
[10]吉艳芝，冯万忠，郝晓然，等. 不同施肥模式对华北平原小麦-玉米轮作体系产量及土壤硝态氮的影响[J]. 生态环境学报，2014，23（11）： 1725-1731.
[11]叶优良，李隆，孙建好. 3 种豆科作物与玉米间作对土壤硝态氮累积和分布的影响[J].中国生态农业学报，2008，16（4）：818-823.
[12]孙美，蒙格平，张晓琳，等. 集约化种植区硝态氮在土壤剖面中的分布与累积特征[J]. 环境科学学报，2012，32（4）：902-908.
[13]杨蕊菊，柴守玺，马忠明.施氮量对小麦/玉米带田土壤水分及硝态氮的影响[J]. 生态学报，2012，32（24）：7905-7912.
[14]刘敏，宋付朋，卢艳艳. 硫膜和树脂膜控释尿素对土壤硝态氮含量及氮素平衡和氮素利用率的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2015，21（2）：541-548.
[15]Cordovil C M D S， Cabral F， Coutinho J. Potential mineralization of nitrogen from organic wastes to ryegrass and wheat crops[J]. Bioresource Technology， 2007，98：3265-3268.