牛粪不同处理配施化肥对旱地土壤养分及玉米生物性状的影响

何进勤 雷金银 韩乃荣 桂林国

摘    要：針对宁夏南部山区旱地土壤有机质提升与牛粪资源化利用的技术瓶颈，研究以青贮玉米为指示性作物，开展以常规化肥（CK）为对照，以生物腐熟牛粪配施化肥（TN1）和生牛粪配施化肥（TN2）为理的试验研究，探讨牛粪生物腐熟和生牛粪直接还田对土壤有机质、氮磷钾养分及青贮玉米根系形态特征和生物产量的影响。结果表明，与CK相比，TN1处理表层0～20 cm土壤有机质增加26.8%，氮磷钾养分增幅在18.4%～230.4%之间，青贮玉米根系总根投影面积、总根表面积、根平均直径和总根体积增幅在10.6%～25.8%之间，同时青贮玉米生物产量较CK提高了37.4%;TN2处理较CK降低了玉米根系总根投影面积和总根表面积，降幅4.3%～9.0%之间，玉米生物产量与CK差异不显著。与TN2处理相比，TN1处理土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量增幅在2.5%～60.7%之间，同时也显著增加了青贮玉米根系形态特征及生物产量。由此可见，牛粪生物发酵还田显著优于生牛粪直接还田，生牛粪直接还田对玉米根系形态特征发育有抑制作用。

关键词：牛粪;化肥;旱地;土壤养分;玉米产量

中图分类号：S153.6;S532         文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.02.016

Effects of Different Manure Treatments and Fertilizer Application on Soil Nutrient and Maize Biological Characters in Upland

HE Jinqin1，LEI Jinyin1，HAN Nairong2，GUI Linguo1

（1.Institution of Agricultural Resource and Environment，Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Yinchuan，Ningxia 750002，China; 2.Ningxia Branch of Sinopec， Yinchuan，Ningxia 750002，  China）

Abstract： According to Ningxia south mountainous upland soil organic matter and cow dung resource-oriented utilization of technical bottleneck， the experiment was conducted with silage corn crop， two treatments including biological rotten cow manure with chemical fertilizer （TN1） and raw cow manure with chemical fertilizer （TN2） were set， the routine chemical fertilizer was as the control （CK）， to explore the effects of biological rotten cow dung and returning raw cow dung directly on the soil organic matter and nitrogen， phosphorus and potassium nutrients and biological yield of silage maize root morphological characteristics. The results showed that， compared with CK， the soil organic matter of TN1 in 0-20 cm surface layer increased by 26.8%， the nitrogen， phosphorus and potassium nutrients increased by 18.4% - 230.4%， the total root projection area， total root surface area， average root diameter and total root volume of silage maize increased by 10.6% - 25.8%， and the biological yield of silage maize increased by 37.4%; the total root projection area and total root surface area of maize roots in TN2 reduced by 4.3% -9.0%， and the biological yield of maize had no significant different with that of CK. Compared with TN2， the contents of soil organic matter， total nitrogen， alkali-hydrolytic nitrogen， available phosphorus and available potassium increased by 2.5% - 60.7%， and the root morphological characteristics and biological yield of silage maize were significantly increased. In conclusion， the return of cow dung to the field by biological fermentation is significantly better than the direct return of raw cow dung， and the direct return of raw cow dung to the field might inhibit the development of maize root morphological characteristics.

Key words： cow manure; fertilizer; upland; soil nutrient; corn yield

随着农业产业结构的不断调整，畜禽养殖业在我国得到了快速发展，为农业增效、农民增收做出了重要贡献。近年来，随着奶（肉）牛养殖业规模化、集约化的迅速发展，牛粪排放造成的环境污染问题日益凸显，而牛粪还田利用不仅可以解决堆积导致的环境污染问题，还能实现资源循环利用[1]。相关研究表明，畜禽粪便还田能有效改善土壤理化性质，在提高速效养分含量、加速土壤氮、磷累积和增强微生物活性等方面发挥重要作用[2-10]。生粪还田作为传统的农牧结合的处理方法，在我国东北、华北等地一次性基施粪肥的现象非常普遍，但是人们长期以来对生肥还田的二次污染问题一直未受重视，且生牛粪直接施用，产生热量，消耗土壤氧气，导致烧根烧苗，会引起寄生虫的卵和病原微生物的传播。因此，如何科学合理地施用粪便资源，对于维护土壤环境质量和确保农业的可持续发展具有十分重要的意义。本研究以牛粪不同处理（生粪和生物腐熟）配施化肥还田技术为研究对象，以种植青贮玉米为指示性作物，探讨生牛粪和生物腐熟牛粪还田对旱地土壤养分及作物生物学特性的影响研究，为宁南山区牛粪资源的合理利用和种养循环产业发展提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

2018—2019年在宁夏固原市原州区石羊村开展2年定位试验，土壤基础肥力：全氮0.89 g·kg-1，全磷0.87 g·kg-1，有机质16.58 g·kg-1，碱解氮87.13 mg·kg-1，有效磷22.25 mg·kg-1，速效钾430.69 mg·kg-1。前茬作物为青贮玉米。

1.2 试验材料

生牛粪为当地农户自产，生物腐熟牛粪为当地生牛粪添加EM菌剂（0.5 L·t-1）进行有氧发酵20 d后的腐熟肥（发酵前每吨牛粪加入10 kg稻草秸秆调节碳氮比），其养分含量详见表1。

1.3 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，设T0为常规化肥（CK），TN1为生物腐熟牛粪（1 500 kg·hm-2）+80%N CK（对照减施氮肥20%），TN2为生牛粪（7 500 kg·hm-2）+80%N CK（对照减施氮肥20%） 3个处理，重复3次，小区面积32 m2，种植作物为青贮玉米。生牛粪和生物腐熟牛粪均在播种前结合犁地进行撒施深翻后进行旋耕覆膜。

1.4 样品采集与分析

青贮玉米收获后日用土钻取根区0～20，20～40 cm

土层土样，分别测定土壤养分含量。全氮采用半微量凯氏蒸馏法;碱解氮采用碱解扩散法（扩散皿）;土壤有机质采用重铬酸钾外加热滴定法测定;有效磷采用Olsen磷-钼锑抗比色法，主要使用仪器为“T6新世纪”型紫外可见风光光度计;速效钾采用醋酸铵提取—火焰光度计法（flame Photometer 410），具体测定方法均参照参考文献[11]。

青贮玉米根系采集方法：在田间原状挖取玉米根系，去除根系带的土装入硬纸盒，带回实验室后用自来水清洗根系粘带的土壤，新鲜玉米根系先用蒸餾水冲洗干净表面附着物，用根系形态专用扫描仪 （Epson Perfection V850 Pro） 数字化扫描，然后用根系形态分析专用软件 （WinRHIZO Pro， Canada） 分析总根投影面积、总根表面积、根平均直径、总根体积等根系形态参数，根系形态参数为3次重复试验的平均值。

青贮玉米产量测定：以1 m2样方区理论产量核算公顷产量。

1.5 数据统计与分析

采用Microsoft Excel2007数据统计软件和DPS18.10数据分析软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤有机质含量的影响

由图1可以看出，从青贮玉米田耕层（0～20 cm）土壤来看，与对照（CK）单施化肥相比，化肥配施生物腐熟牛粪（TN1）处理和化肥配施生牛粪（TN2）处理土壤有机质含量分别显著提高了5.19，2.61 g·kg-1，增幅分别达26.8%，15.0%，且TN1处理较TN2处理土壤有机质含量显著增加了2.27 g·kg-1，增幅为10.2%;从20～40 cm农田土壤剖面来看，不同处理土壤有机质的变化和耕层变化基本一致，处理之间差异均达到显著差异水平。

2.2 不同处理对土壤氮磷钾养分含量的影响

从表3可以看出，与对照（CK）相比，化肥配施生物腐熟牛粪（TN1）和化肥配施生牛粪（TN2）处理，耕层0～20 cm土壤全氮、全磷、碱解氮和有效磷含量均显著增加，其土壤全氮含量分别增加23.5%，20.4%，全磷含量分别增加18.4%，26.4%，碱解氮含量分别增加44.4%，8.7%，有效磷含量分别增加230.4%，188.3%，土壤速效钾含量表现为TN2处理显著降低了15.02 mg·kg-1，降幅为4.8%，而TN1处理则显著增加了165.22 mg·kg-1，增幅高达52.9%;从20～40 cm土层来看，不同处理土壤全氮、全磷、有效磷和速效钾养分变化基本和耕层一致，但碱解氮含量有所差异，表现为TN1处理和TN2处理分别较CK显著降低了5.7%，16.2%。与TN2处理相比，TN1处理除土壤全磷含量略有降低（6.4%）外，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量增幅在2.5%～60.7%之间。由此可见，化肥配施生物腐熟牛粪和化肥配施生牛粪均显著提升了耕层土壤速效氮磷养分含量，降低速效氮下移，其中化肥配施生物腐熟牛粪影响最大。

2.3 不同处理对青贮玉米产量性状的影响

2.3.1 不同处理对青贮玉米根系的影响 从表4可以看出，与对照（CK）相比，生物腐熟牛粪配施化肥（TN1）处理青贮玉米总根投影面积、总根表面积、根平均直径以及总根体积分别显著增加了10.7%，10.6%，11.2%，25.8%，生牛粪配施化肥（TN2）处理除青贮玉米总根体积增加了6.9%外，总根投影面积、总根表面积、根平均直径分别降低了16.31 cm2，51.83 cm2，0.08 mm，降幅分别为8.9%，9.0%，4.3%，其中总根投影面积和总根表面积降幅达显著水平;TN1处理青贮玉米总根投影面积、总根表面积、根平均直径以及总根体积较TN2分别增加了35.89 cm2，112.74 cm2，0.29 cm2，4.84 m3，增幅分别为21.6%，21.6%，16.2%，17.7%，均达到显著差异水平。由此可见，与对照单施化肥相比，生物腐熟牛粪还田对青贮玉米的根系生长有较好的促进作用，但是牛粪未腐熟直接还田不利于青贮玉米的根系生长。

2.3.2 不同处理对青贮玉米产量的影响 由图2可知，不同处理生物腐熟牛粪配施化肥（TN1）处理青贮玉米生物产量最高，达155 626.9 kg·hm-2，较对照单施化肥青贮玉米生物产量显著增产42 370.3 kg·hm-2，增幅为37.4%，其次为生牛粪配施化肥（TN2）处理青贮玉米生物产量为121 137.0 kg·hm-2，较对照增产7 880.4 kg·hm-2，增幅为7.0%，但增幅未达显著水平;生物腐熟牛粪配施化肥（TN1）与生牛粪配施化肥（TN2）相比，青贮玉米生物产量显著增加了34 489.8 kg·hm-2，增幅达28.5%。由此可见，生物腐熟牛粪配施化肥与对照单施化肥相比显著增加了青贮玉米生物产量，但生牛粪与化肥配施青贮玉米生物产量较对照略有增加，但未达显著水平。

3 结论与讨论

有机肥还田或有机肥与化肥配施对农田土壤质量提升及作物产量品质均具有显著的正效应[12-16]。蒋春来等[17]研究表明施用适量有机肥对于小麦的蛋白质含量、沉降值、干湿面筋的增加有促进作用，产量和品质的都达到显著差异，但是过多的用量并不能继续增加小麦的各个品质指标。崔荣美等[18]研究结果表明，15 000，22 500 kg·hm-2有机肥处理的0～20 cm土层有机质含量较对照分别提高了8.92%，9.85%，施用有机肥处理0～20 cm土层粒径>0.25 mm机械稳定性团聚体含量显著高于对照，>0.25 mm水稳定性团聚体含量随有机肥施用量的增加而增大，从而可以得出施用有机肥对土壤理化性质具有一定的改善作用。夏立忠等[19]研究表明，牧草生态系统土壤长期施用牛粪量大于100 m3·hm-2·a-1时，0～10 cm表层土壤活性铝含量降低，磷的储量增加，土壤易溶态磷含量增高;土壤对磷的吸附缓冲容量及吸附亲和力降低，对磷的吸附点位数量也明显低于施用化肥，尤其是高量施用牛粪（200 m3·hm-2·a-1）的土壤，地表土壤磷容易随地表径流迁移;10～30 cm土层也有同样趋势，30 cm以下土层没有明显差异。李江涛等[20]研究表明，畜禽粪便可通过提高土壤有机碳含量促进土壤孔隙结构形成，与仅施用化肥相比，耕层土壤总孔隙度提高7.50%～21.72%，贮水性能和饱和导水率得到明显改善。由此可见，多数研究认为牛粪还田技术对提高土壤质量、改善作物品质、提高作物产量均有积极的正面效应，这也与本研究生物腐熟牛粪还田处理有相似的结论。但是将牛粪直接施用，产生热量，消耗土壤氧气，导致烧根烧苗，会引起寄生虫的卵和病原微生物的传播。孟安华等[21]研究认为，腐熟牛粪或蛴螬处理牛粪土壤团粒结构、有机质和养分（除全磷外）均较新鲜牛粪具有一定地增加效果，同时不同牛粪与尿素混配，新鲜牛粪处理的CO2和NH3释放量显著高于腐解牛粪和蛴螬牛粪。Jones等[22]研究指出在增施有机肥的条件下，其土壤的CO2排放是不施肥料处理的1.6倍，说明新鲜牛粪直接还田对土壤碳氮损失较高，也对环境有较大影响。史振鑫等[23]在东北黑土上用蛴螬处理牛粪、腐解牛粪以及新鲜牛粪对比研究表明，各牛粪处理中土壤全氮的含量显著增加，全磷、全钾的含量也呈现增加的趋势，其中腐解牛粪对于提高土壤中的养分效果显著高于新鲜牛粪，同时腐解牛粪处理土壤中的速效养分一直维持较高的水平，新鲜牛粪和挤赠牛粪处理也在一定程度上提高了土壤中的速效养分。柏彦超等[24]通过蚯蚓消解处理后发现牛粪中的磷、以及各种有益菌类含量明显高于新鲜牛粪。本研究表明，生物腐熟牛粪配施化肥和生牛粪配施化肥均可增加表层（0～20 cm）土壤有机质及氮磷钾养分含量，生物腐熟牛粪配施化肥较生牛粪配施化肥除土壤全磷含量略有降低外，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量增幅在2.5%～60.7%之間，这与前人的研究结果也基本相似。

综上，与对照常规化肥（CK）相比，TN1处理显著增加了土壤有机质、氮磷钾养分含量以及青贮玉米根系总根投影面积、总根表面积、根平均直径和总根体积，同时青贮玉米生物产量较CK提高了37.4%。TN2处理较CK显著降低了玉米根系总根投影面积和总根表面积，玉米生物产量与CK没有显著差异。TN1与TN2相比前者较后者除土壤有机质及氮磷钾养分增加外，也显著增加了青贮玉米根系形态特征及生物产量（28.5%）。

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