施用畜禽粪肥对土壤呼吸和玉米产量的影响及其增效分析

李永平，田艳，史向远，周静，张晓晨，朱教宁，林琭，赵丽

(1.山西省农业科学院 现代农业研究中心，山西 太原 030031；2.山西省农业科学院 作物科学研究所，山西 太原 030031)

近年来，由于过量施用化肥引起了土壤板结、耕性不良、农产品品质下降、环境污染、肥料利用率低等一系列不良后果[1-2]，为保证作物高产、稳产，同时还要解决上述问题，需增施有机肥，减少化肥投入。科学合理地施用有机肥，是生产安全、优质农产品[3-5]，提高其市场竞争力[6-7]，推动农业可持续发展最经济有效的举措之一[8-9]。由于喂养鸡、羊、猪、牛的饲料以及4种畜禽消化功能各不相同，导致羊粪、牛粪、鸡粪和猪粪内含有的营养物质以及可以活化土壤的微生物、酶类等物质不尽相同[10-11]。那么，这4种畜禽粪肥对土壤培肥以及玉米增产的效果，且如何解决有限的有机肥量与需大面积培肥土壤的矛盾是当前急需解决的实际问题，利用增施有机肥培肥土壤的报道虽然很多[2，6]，但就培肥土壤选择何种粪肥及适宜施肥量仍未见报道，生产上完全按照经验进行施肥。

本研究对粪肥种类和施肥数量进行试验，通过土壤呼吸速率、玉米生物学性状、产量的测定和经济效益分析，得出4种畜禽粪肥肥力效果及适宜施肥量，旨在为选择粪肥种类及适宜施肥量快速培肥土壤提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验于2012-2014年在山西省忻州市解原乡新路村进行。该区属温带大陆性季风气候，年平均降雨量428.7 mm，年平均气温8.5 ℃，全年日照时数平均2 807.5 h，全年≥10 ℃的积温为3 400～3 600 ℃，无霜期149 d左右。供试土壤为褐土性土，地势略带坡度(坡度<8°)，为春玉米连作区，无灌溉条件。在耕作和有机肥施肥处理前土壤耕作层有机质为7.33 g/kg，全氮为0.07 g/kg，碱解氮为27.5 mg/kg，有效磷为6.94 mg/kg，速效钾为95.77 mg/kg，肥力水平极低。

1.2 试验材料

供试玉米品种选取当地主栽品种先玉335。供试畜禽粪肥来源于当地养殖场，其不同粪肥的水分和养分含量情况如表1所示。

表1 不同畜禽粪肥水分和养分含量情况Tab. 1 Contents water and nutrients in different animal manures %

1.3 试验设计

试验采用二因素裂区设计，粪肥种类为主因子，施肥水平为副因子。其中，粪肥种类为羊粪、牛粪、鸡粪和猪粪；施肥水平设T1=0.0 m3/hm2，T2=30.0 m3/hm2，T3=60.0 m3/hm2，T4=90.0 m3/hm2共4个处理，同时以不施粪肥处理为对照。为了便于机械操作，每小区种植玉米12行，行距0.6 m，株距0.32 m，行长30 m，3次重复，随机排列。试验于2012年4月下旬将不同畜禽粪肥随深翻(深度≥30 cm)施入土壤，2013，2014年均不施畜禽粪肥，每年5月初旋耕后立即进行人工点播，所有处理每年均施入由山东谷丰源化肥有限公司生产的复合肥(N∶P2O5∶K2O=28∶10∶10)750 kg/hm2。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 土壤呼吸速率 用美国LI-COR公司生产的LI-8100A土壤碳通量自动测量系统进行测定。每年选在玉米水分关键期的大喇叭口期进行，测定时间选在晴天的9：00-11：00。

1.4.2 土壤有机质含量 采用重铬酸钾容量法-外加热法[12]进行测定。取样时每小区选取0～30 cm土壤进行分析，初次取样在施入粪肥前，然后各年度取样均选在玉米收获后进行。

1.4.3 玉米产量 采用取样测产和实收测产相结合的方法测定产量。

1.4.4 生物学指标 用常规法测定。每小区选取具有代表性的植株20株，测定其株高、穗位高和茎粗。其中，株高每年进入灌浆期几乎没有变化，可以认定为最终株高；茎粗和穗位高在收获前测定。

1.4.5 效益分析 按照3年一个施肥周期计算效益。

1.5 数据统计

数据以2012-2014年3年的平均值表示。试验数据采用SAS 8.01[13]进行方差分析，多重比较利用Duncan检验法。

2 结果与分析

2.1 不同畜禽粪肥对土壤呼吸速率的影响

土壤呼吸速率的高低表征土壤中生物数量和质量以及玉米根系的活力，土壤中动物与微生物数量越多，活性越强，玉米植株根系活力越强，土壤呼吸速率就越大[14-15]。畜禽粪肥本身含有的营养物质和生物数量不尽相同，催化土壤中生物以及酶类等物质的数量和活性不同，使土壤的呼吸速率高低各有差异[16]。由图1可以看出，不同畜禽粪肥的土壤呼吸速率总体上存在差异，施粪肥处理均高于对照，按照各种粪肥平均土壤呼吸速率由高到低顺序：鸡粪>羊粪>猪粪>牛粪。羊粪施肥量为60.0 m3/hm2的处理土壤呼吸速率较高，为5.6 μmol/(m2·s)，较对照提高了64.71%；鸡粪施肥量为30.0 m3/hm2的处理土壤呼吸速率较高，为6.0 μmol/(m2·s)，较对照提高了76.46%；猪粪施肥量为60.0 m3/hm2的处理土壤呼吸速率较高，为5.3 μmol/(m2·s)，较对照提高了55.88%；牛粪施肥量为90.0 m3/hm2的处理土壤呼吸速率较高，为4.6 μmol/(m2·s)，较对照提高了35.29%。由此可见，与对照相比，增施畜禽粪肥均可提高土壤呼吸速率，且肥效由高到低的粪肥依次为鸡粪、羊粪、猪粪、牛粪；4种粪肥土壤呼吸速率最大值对应的施肥量为鸡粪30.0 m3/hm2，羊粪和猪粪60.0 m3/hm2，牛粪90.0 m3/hm2。

小写和大写字母分别表示方差分析的显著水平和极显著水平。表2-4同。Lowercases and uppercases represent significance at 5% and 1% level， respectively. The same as Tab.2-4.

2.2 不同畜禽粪肥对土壤有机质含量的影响

土壤有机质含量通常作为土壤肥力水平高低的一个重要指标，它不仅是土壤各种养分特别是氮、磷的重要来源，并对土壤理化性质等有着积极的影响。土壤中施入不同种类和数量的畜禽粪肥，对提高土壤肥力不尽相同(图2)。4种粪肥对提高土壤肥力的效果总体上表现为鸡粪>羊粪>猪粪>牛粪。羊粪处理中，施肥量为60.0 m3/hm2的处理，土壤有机质含量较高，2014年为6.785 0 g/kg，较对照提高了0.46%，且在施肥后第2年该处理就较其他处理表现优越；鸡粪处理中，施肥量为30.0 m3/hm2的处理，土壤有机质含量较高，2014年为6.786 3 g/kg，较对照提高了0.47%，且在施肥当年就较其他处理表现突出；猪粪处理中，施肥量为60.0 m3/hm2的处理，土壤有机质含量较高，2014年为6.783 3 g/kg，较对照提高了0.43%，且同羊粪类似，施肥后第2年就表现出较其他处理的优势；牛粪处理中，施肥量为90.0 m3/hm2的处理土壤有机质含量较高，2014年为6.780 0 g/kg，较对照提高了0.38%，且同鸡粪表现类似，施肥当年就表现为较其他处理较高的优势。由此可见，与对照相比，增施畜禽粪肥可有效提高土壤有机质含量，且肥效由高到低的粪肥依次为鸡粪>羊粪>猪粪>牛粪；从3年培肥土壤效果来看，4种粪肥土壤有机质含量最大值对应的施肥量处理鸡粪为30.0 m3/hm2，羊粪和猪粪为60.0 m3/hm2，牛粪为90.0 m3/hm2。

图2 不同畜禽粪肥对土壤有机质含量的影响Fig.2 Effects of different animal manure on soil organic matter content

2.3 不同畜禽粪肥对玉米株高的影响

从表2可以看出，不同种类粪肥在玉米不同生育时期株高总体上存在差异。苗期(6月15日)，羊粪、猪粪、鸡粪同种粪肥不同施肥水平之间株高无显著差异，这是由于幼苗消耗养分较少，即使最小施肥量也能满足植株养分需求；牛粪施肥处理株高均略低于对照，这可能与牛粪含水量较低，玉米种子争夺土壤水分有关。不同粪肥处理之间，由于肥效不同，其株高略有不同。

拔节期(7月1日)为玉米植株生长的主要阶段，粪肥肥效发挥程度的高低是决定植株株高的主要因素之一，同一种粪肥不同施肥量之间玉米株高存在明显差异；不同粪肥之间与苗期存在不同，株高由高到低的顺序为羊粪>猪粪>鸡粪>牛粪，说明从苗期-拔节期阶段，各种粪肥肥效逐渐开始发挥作用，且不同粪肥肥效发挥程度不同，根据株高平均值来看，羊粪、鸡粪和猪粪肥效发挥速度较快，牛粪较慢。灌浆期(9月9日)，玉米以生殖生长为主，株高几乎没有变化，此时期玉米的株高可视为最终株高。根据不同粪肥之间玉米株高平均值来看，株高由高到低顺序为鸡粪>羊粪>猪粪>牛粪。同种粪肥不同施肥水平间，羊粪处理施肥量为60.0 m3/hm2处理较高，株高为326.67 cm，较对照提高6.85%；鸡粪处理施肥量为30.0 m3/hm2处理较高，株高为335.80 cm，较对照提高9.84%；猪粪处理施肥量为60.0 m3/hm2处理较高，株高为322.60 cm，较对照提高5.52%；牛粪处理施肥量为90.0 m3/hm2处理较高，株高为318.80 cm，较对照提高4.28%。总体上，增施畜禽粪肥可增加玉米株高，不同粪肥增加的幅度不同，由高到低的顺序为鸡粪>羊粪>猪粪>牛粪，且株高出现最大值对应的施肥量与土壤呼吸速率一致。

表2 不同畜禽粪肥对玉米株高的影响Tab. 2 Effects of different animal manures on plant height of maize cm

2.4 不同畜禽粪肥对玉米穗位高和茎粗的影响

从表3可以看出，不同畜禽粪肥对玉米穗位高和茎粗的影响程度不同。不同畜禽粪肥之间鸡粪和羊粪处理穗位高和茎粗较高，其中，穗位高平均分别为113.87，113.73 cm，茎粗平均分别为22.59，22.78 mm。同种粪肥不同施肥量之间穗位高羊粪处理没有差异，为113.73 cm；鸡粪、猪粪和牛粪处理存在差异，鸡粪处理施肥量30.0 m3/hm2时穗位高较高，为117.60 cm，猪粪处理施肥量60.0 m3/hm2时穗位高较高，为114.80 cm，牛粪处理施肥量90.0 m3/hm2时穗位高较高，为110.20 cm。对茎粗的影响中，不同施粪肥处理玉米茎粗总体上差异不明显，只是猪粪的不同施肥量之间存在差异，羊粪、鸡粪和牛粪不同施肥量之间差异不显著。综合分析可知，施入畜禽粪肥后，可引起玉米穗位高的变化，对茎粗没有影响；对穗位高的影响中，羊粪和鸡粪表现较为突出，猪粪和牛粪影响较小。

表3 不同畜禽粪肥对玉米生物学性状的影响

2.5 不同畜禽粪肥对玉米产量的影响

畜禽粪肥对玉米增产作用毋庸置疑，但不同畜禽粪肥的增产效应却因种类不同而存在差异，与肥效发挥作用的迟早、快慢以及持久与否等因素有关[17]。从表4可以看出，不同畜禽粪肥对玉米增产的效应各不相同，在羊粪、猪粪、鸡粪处理中，随粪肥施肥量增加，玉米产量呈先升高后降低的趋势。其中，羊粪处理中，玉米平均产量为9 777.15 kg/hm2，平均较对照增产41.12%，当施肥量为60.0 m3/hm2时产量较高，为11 095.50 kg/hm2；鸡粪处理中，玉米平均产量为9 893.50 kg/hm2，平均较对照增产42.79%，当施肥量为30.0 m3/hm2时产量较高，为11 147.10 kg/hm2；猪粪处理中，玉米平均产量为9 653.65 kg/hm2，平均较对照增产39.33%，当施肥量为60.0 m3/hm2时产量较高，为10 692.75 kg/hm2。牛粪处理的玉米产量随施肥量的增加而增大，玉米平均产量为9 208.57 kg/hm2，平均较对照增产32.90%，当施肥量为90.0 m3/hm2时产量较高，为10 691.15 kg/hm2。说明施入畜禽粪肥后均可提高玉米产量，增产效果大小依次为鸡粪>羊粪>猪粪>牛粪；施肥量为鸡粪30.0 m3/hm2、羊粪60.0 m3/hm2、猪粪60.0 m3/hm2和牛粪90.0 m3/hm2是玉米增产效果较好的施肥量。

表4 不同畜禽粪肥对玉米产量的影响Tab. 4 Effects of different animal manures on yield of maize

2.6 效益分析

根据2012-2014年市场上农田耕作措施、肥料、种子、管理等价格和玉米销售价格，土壤深翻750元/hm2，鸡粪120元/m3，羊粪100元/m3，猪粪90元/m3，牛粪80元/m3，玉米种子和化肥3 000元/hm2，旋耕、收获及日常管理等费用7 125元/hm2以及玉米售价按2.0元/kg计算，对该措施3 年总投入和总产出进行分析。从表5 可以看出，各种粪肥处理中，效益较高的处理产量一定较高，羊粪处理中，施肥量为60.0 m3/hm2的处理效益较高，年收益达9 816.0元/hm2；鸡粪处理中，施肥量为30.0 m3/hm2的处理效益较高，年收益达10 719.2元/hm2；猪粪处理中，施肥量为60.0 m3/hm2的处理效益较高，年收益达9 210.5元/hm2；牛粪处理中，施肥量为90.0 m3/hm2的处理效益较高，年收益达8 607.3元/hm2。依据效益分析可以得出，肥效高低顺序为鸡粪>羊粪>猪粪>牛粪，这与前面结果相一致；各种粪肥适宜施肥量为鸡粪30.0 m3/hm2、羊粪60.0 m3/hm2、猪粪60.0 m3/hm2、牛粪90.0 m3/hm2。

表5 增施畜禽粪肥条件下玉米种植效益分析Tab. 5 Analysis on benefit of maize planting after animal manures application

注：其他费用包括旋耕、玉米收获、日常管理等费用。

Note：Other expenses include costs of rotary tillage， harvesting and daily management.

3 结论与讨论

3.1 结论

本研究结果表明，增施不同畜禽粪肥对土壤呼吸速率、玉米植株性状和产量均产生不同影响。其中，当羊粪施肥量60.0 m3/hm2时，土壤呼吸速率和有机质含量分别为5.6 μmol/(m2·s)和6.785 0 g/kg；当鸡粪施肥量为30.0 m3/hm2时，土壤呼吸速率和有机质含量分别为6.0 μmol/(m2·s)和6.786 3 g/kg；当猪粪施肥量为60.0 m3/hm2时，土壤呼吸速率和有机质含量分别为5.3 μmol/(m2·s)和6.783 3 g/kg；当牛粪施肥量为90.0 m3/hm2时，土壤呼吸速率和有机质含量分别为4.6 μmol/(m2·s)和6.780 0 g/kg。不同畜禽粪肥施肥处理的株高和穗位高差异较大，茎粗几乎没有影响。对玉米产量的影响中，4种粪肥增产效果均比较明显，由高到低顺序为鸡粪>羊粪>猪粪>牛粪；根据3年总产出减去总投入可知，年收益也有大幅度提升，4种粪肥在适宜施肥量条件下，年收益均较高，至少达8 607.3 元/hm2以上。根据土壤呼吸速率、土壤有机质含量、玉米生物学性状和增产效果、年收益状况等指标综合分析可得，4种粪肥肥力效果由高到低顺序为鸡粪>羊粪>猪粪>牛粪；适宜施肥量分别是鸡粪30.0 m3/hm2、羊粪60.0 m3/hm2、猪粪60.0 m3/hm2、牛粪90.0 m3/hm2。

3.2 讨论

畜禽粪肥是养分最全的天然复合肥[18-19]，不仅可以直接为作物提供养分[20-21]，而且还可以活化土壤中的潜在养分，提高土壤总有效养分的含量[22-23]；畜禽粪肥中含有多种有益微生物，不仅能增强土壤微生物活性[24]，促进土壤中的物质转化[25-26]，而且还能提高土壤的保水保肥能力，促进土壤团粒形成，从而改善土壤的理化性质，提高土壤肥力。但不同畜禽粪肥培肥土壤和提高作物产量的效果不尽相同，可能是因为与各种粪肥中含有的营养物质以及可以活化土壤的微生物、酶类等物质不同有关[10]，导致各种粪肥肥效存在差别，这就为培肥土壤时根据地力状况、培肥速度、效益等指标选择何种粪肥提供依据。

增施有机肥虽然能明显地改良土壤、提高农作物产量等，但也不能认为有机肥施用越多越好，施用过量会使作物根部吸水困难，原因可能与根系周围土壤溶液浓度高于根毛细胞液浓度，细胞内的水分向外扩散，使细胞原生质失水与细胞壁分离，引起植株生理缺水有关。本研究有机肥最大施用量虽然为90.0 m3/hm2，单纯有机肥虽然不至于过量，但配合施用复合肥后可能会出现暂时性肥料过量，导致土壤溶液浓度过大，使植株发生相对“生理干旱”，这可能与粪肥施用量大的处理土壤呼吸速率、玉米株高、产量不是最优有关，还有待于进一步研究。

土壤呼吸是表征土壤质量和肥力以及土壤透气性的重要生物学指标，反映了土壤生物活性、土壤物质代谢的强度和土壤有机碳的分解程度、土壤养分的供应状况以及土壤中动物、微生物的数量和活性，是个综合指标[27-28]。本研究探索采用土壤呼吸速率和土壤有机质含量来衡量土壤结构及肥力状况，是否较以往利用土壤有机质单一指标衡量土壤肥力状况更具代表性和说服力，还有待于进一步研究。

探索不同粪肥适宜施肥量和粪肥肥效的高低，可为改良土壤选择粪肥种类和施肥量提供参考，也可以克服以往只按经验施肥存在施肥量少、起不到应有的作用，施肥多不仅浪费粪肥资源，还增加了投入的问题。因此，该研究对指导生产上如何合理施用有机肥具有重要作用。