施用畜禽糞肥對土壤呼吸和玉米產(chǎn)量的影響及其增效分析

李永平，田艷，史向遠(yuǎn)，周靜，張曉晨，朱教寧，林琭，趙麗

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西 太原 030031；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物科學(xué)研究所，山西 太原 030031)

近年來，由于過量施用化肥引起了土壤板結(jié)、耕性不良、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降、環(huán)境污染、肥料利用率低等一系列不良后果[1-2]，為保證作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，同時還要解決上述問題，需增施有機(jī)肥，減少化肥投入?？茖W(xué)合理地施用有機(jī)肥，是生產(chǎn)安全、優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品[3-5]，提高其市場競爭力[6-7]，推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展最經(jīng)濟(jì)有效的舉措之一[8-9]。由于喂養(yǎng)雞、羊、豬、牛的飼料以及4種畜禽消化功能各不相同，導(dǎo)致羊糞、牛糞、雞糞和豬糞內(nèi)含有的營養(yǎng)物質(zhì)以及可以活化土壤的微生物、酶類等物質(zhì)不盡相同[10-11]。那么，這4種畜禽糞肥對土壤培肥以及玉米增產(chǎn)的效果，且如何解決有限的有機(jī)肥量與需大面積培肥土壤的矛盾是當(dāng)前急需解決的實(shí)際問題，利用增施有機(jī)肥培肥土壤的報道雖然很多[2，6]，但就培肥土壤選擇何種糞肥及適宜施肥量仍未見報道，生產(chǎn)上完全按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施肥。

本研究對糞肥種類和施肥數(shù)量進(jìn)行試驗(yàn)，通過土壤呼吸速率、玉米生物學(xué)性狀、產(chǎn)量的測定和經(jīng)濟(jì)效益分析，得出4種畜禽糞肥肥力效果及適宜施肥量，旨在為選擇糞肥種類及適宜施肥量快速培肥土壤提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2012-2014年在山西省忻州市解原鄉(xiāng)新路村進(jìn)行。該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降雨量428.7 mm，年平均氣溫8.5 ℃，全年日照時數(shù)平均2 807.5 h，全年≥10 ℃的積溫為3 400～3 600 ℃，無霜期149 d左右。供試土壤為褐土性土，地勢略帶坡度(坡度<8°)，為春玉米連作區(qū)，無灌溉條件。在耕作和有機(jī)肥施肥處理前土壤耕作層有機(jī)質(zhì)為7.33 g/kg，全氮為0.07 g/kg，堿解氮為27.5 mg/kg，有效磷為6.94 mg/kg，速效鉀為95.77 mg/kg，肥力水平極低。

1.2 試驗(yàn)材料

供試玉米品種選取當(dāng)?shù)刂髟云贩N先玉335。供試畜禽糞肥來源于當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖場，其不同糞肥的水分和養(yǎng)分含量情況如表1所示。

表1 不同畜禽糞肥水分和養(yǎng)分含量情況Tab. 1 Contents water and nutrients in different animal manures %

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用二因素裂區(qū)設(shè)計，糞肥種類為主因子，施肥水平為副因子。其中，糞肥種類為羊糞、牛糞、雞糞和豬糞；施肥水平設(shè)T1=0.0 m3/hm2，T2=30.0 m3/hm2，T3=60.0 m3/hm2，T4=90.0 m3/hm2共4個處理，同時以不施糞肥處理為對照。為了便于機(jī)械操作，每小區(qū)種植玉米12行，行距0.6 m，株距0.32 m，行長30 m，3次重復(fù)，隨機(jī)排列。試驗(yàn)于2012年4月下旬將不同畜禽糞肥隨深翻(深度≥30 cm)施入土壤，2013，2014年均不施畜禽糞肥，每年5月初旋耕后立即進(jìn)行人工點(diǎn)播，所有處理每年均施入由山東谷豐源化肥有限公司生產(chǎn)的復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=28∶10∶10)750 kg/hm2。

1.4 測定指標(biāo)及方法

1.4.1 土壤呼吸速率 用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-8100A土壤碳通量自動測量系統(tǒng)進(jìn)行測定。每年選在玉米水分關(guān)鍵期的大喇叭口期進(jìn)行，測定時間選在晴天的9：00-11：00。

1.4.2 土壤有機(jī)質(zhì)含量 采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[12]進(jìn)行測定。取樣時每小區(qū)選取0～30 cm土壤進(jìn)行分析，初次取樣在施入糞肥前，然后各年度取樣均選在玉米收獲后進(jìn)行。

1.4.3 玉米產(chǎn)量 采用取樣測產(chǎn)和實(shí)收測產(chǎn)相結(jié)合的方法測定產(chǎn)量。

1.4.4 生物學(xué)指標(biāo) 用常規(guī)法測定。每小區(qū)選取具有代表性的植株20株，測定其株高、穗位高和莖粗。其中，株高每年進(jìn)入灌漿期幾乎沒有變化，可以認(rèn)定為最終株高；莖粗和穗位高在收獲前測定。

1.4.5 效益分析 按照3年一個施肥周期計算效益。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)以2012-2014年3年的平均值表示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS 8.01[13]進(jìn)行方差分析，多重比較利用Duncan檢驗(yàn)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同畜禽糞肥對土壤呼吸速率的影響

土壤呼吸速率的高低表征土壤中生物數(shù)量和質(zhì)量以及玉米根系的活力，土壤中動物與微生物數(shù)量越多，活性越強(qiáng)，玉米植株根系活力越強(qiáng)，土壤呼吸速率就越大[14-15]。畜禽糞肥本身含有的營養(yǎng)物質(zhì)和生物數(shù)量不盡相同，催化土壤中生物以及酶類等物質(zhì)的數(shù)量和活性不同，使土壤的呼吸速率高低各有差異[16]。由圖1可以看出，不同畜禽糞肥的土壤呼吸速率總體上存在差異，施糞肥處理均高于對照，按照各種糞肥平均土壤呼吸速率由高到低順序：雞糞>羊糞>豬糞>牛糞。羊糞施肥量為60.0 m3/hm2的處理土壤呼吸速率較高，為5.6 μmol/(m2·s)，較對照提高了64.71%；雞糞施肥量為30.0 m3/hm2的處理土壤呼吸速率較高，為6.0 μmol/(m2·s)，較對照提高了76.46%；豬糞施肥量為60.0 m3/hm2的處理土壤呼吸速率較高，為5.3 μmol/(m2·s)，較對照提高了55.88%；牛糞施肥量為90.0 m3/hm2的處理土壤呼吸速率較高，為4.6 μmol/(m2·s)，較對照提高了35.29%。由此可見，與對照相比，增施畜禽糞肥均可提高土壤呼吸速率，且肥效由高到低的糞肥依次為雞糞、羊糞、豬糞、牛糞；4種糞肥土壤呼吸速率最大值對應(yīng)的施肥量為雞糞30.0 m3/hm2，羊糞和豬糞60.0 m3/hm2，牛糞90.0 m3/hm2。

小寫和大寫字母分別表示方差分析的顯著水平和極顯著水平。表2-4同。Lowercases and uppercases represent significance at 5% and 1% level， respectively. The same as Tab.2-4.

2.2 不同畜禽糞肥對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)含量通常作為土壤肥力水平高低的一個重要指標(biāo)，它不僅是土壤各種養(yǎng)分特別是氮、磷的重要來源，并對土壤理化性質(zhì)等有著積極的影響。土壤中施入不同種類和數(shù)量的畜禽糞肥，對提高土壤肥力不盡相同(圖2)。4種糞肥對提高土壤肥力的效果總體上表現(xiàn)為雞糞>羊糞>豬糞>牛糞。羊糞處理中，施肥量為60.0 m3/hm2的處理，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，2014年為6.785 0 g/kg，較對照提高了0.46%，且在施肥后第2年該處理就較其他處理表現(xiàn)優(yōu)越；雞糞處理中，施肥量為30.0 m3/hm2的處理，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，2014年為6.786 3 g/kg，較對照提高了0.47%，且在施肥當(dāng)年就較其他處理表現(xiàn)突出；豬糞處理中，施肥量為60.0 m3/hm2的處理，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，2014年為6.783 3 g/kg，較對照提高了0.43%，且同羊糞類似，施肥后第2年就表現(xiàn)出較其他處理的優(yōu)勢；牛糞處理中，施肥量為90.0 m3/hm2的處理土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，2014年為6.780 0 g/kg，較對照提高了0.38%，且同雞糞表現(xiàn)類似，施肥當(dāng)年就表現(xiàn)為較其他處理較高的優(yōu)勢。由此可見，與對照相比，增施畜禽糞肥可有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，且肥效由高到低的糞肥依次為雞糞>羊糞>豬糞>牛糞；從3年培肥土壤效果來看，4種糞肥土壤有機(jī)質(zhì)含量最大值對應(yīng)的施肥量處理雞糞為30.0 m3/hm2，羊糞和豬糞為60.0 m3/hm2，牛糞為90.0 m3/hm2。

圖2 不同畜禽糞肥對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.2 Effects of different animal manure on soil organic matter content

2.3 不同畜禽糞肥對玉米株高的影響

從表2可以看出，不同種類糞肥在玉米不同生育時期株高總體上存在差異。苗期(6月15日)，羊糞、豬糞、雞糞同種糞肥不同施肥水平之間株高無顯著差異，這是由于幼苗消耗養(yǎng)分較少，即使最小施肥量也能滿足植株養(yǎng)分需求；牛糞施肥處理株高均略低于對照，這可能與牛糞含水量較低，玉米種子爭奪土壤水分有關(guān)。不同糞肥處理之間，由于肥效不同，其株高略有不同。

拔節(jié)期(7月1日)為玉米植株生長的主要階段，糞肥肥效發(fā)揮程度的高低是決定植株株高的主要因素之一，同一種糞肥不同施肥量之間玉米株高存在明顯差異；不同糞肥之間與苗期存在不同，株高由高到低的順序?yàn)檠蚣S>豬糞>雞糞>牛糞，說明從苗期-拔節(jié)期階段，各種糞肥肥效逐漸開始發(fā)揮作用，且不同糞肥肥效發(fā)揮程度不同，根據(jù)株高平均值來看，羊糞、雞糞和豬糞肥效發(fā)揮速度較快，牛糞較慢。灌漿期(9月9日)，玉米以生殖生長為主，株高幾乎沒有變化，此時期玉米的株高可視為最終株高。根據(jù)不同糞肥之間玉米株高平均值來看，株高由高到低順序?yàn)殡u糞>羊糞>豬糞>牛糞。同種糞肥不同施肥水平間，羊糞處理施肥量為60.0 m3/hm2處理較高，株高為326.67 cm，較對照提高6.85%；雞糞處理施肥量為30.0 m3/hm2處理較高，株高為335.80 cm，較對照提高9.84%；豬糞處理施肥量為60.0 m3/hm2處理較高，株高為322.60 cm，較對照提高5.52%；牛糞處理施肥量為90.0 m3/hm2處理較高，株高為318.80 cm，較對照提高4.28%。總體上，增施畜禽糞肥可增加玉米株高，不同糞肥增加的幅度不同，由高到低的順序?yàn)殡u糞>羊糞>豬糞>牛糞，且株高出現(xiàn)最大值對應(yīng)的施肥量與土壤呼吸速率一致。

表2 不同畜禽糞肥對玉米株高的影響Tab. 2 Effects of different animal manures on plant height of maize cm

2.4 不同畜禽糞肥對玉米穗位高和莖粗的影響

從表3可以看出，不同畜禽糞肥對玉米穗位高和莖粗的影響程度不同。不同畜禽糞肥之間雞糞和羊糞處理穗位高和莖粗較高，其中，穗位高平均分別為113.87，113.73 cm，莖粗平均分別為22.59，22.78 mm。同種糞肥不同施肥量之間穗位高羊糞處理沒有差異，為113.73 cm；雞糞、豬糞和牛糞處理存在差異，雞糞處理施肥量30.0 m3/hm2時穗位高較高，為117.60 cm，豬糞處理施肥量60.0 m3/hm2時穗位高較高，為114.80 cm，牛糞處理施肥量90.0 m3/hm2時穗位高較高，為110.20 cm。對莖粗的影響中，不同施糞肥處理玉米莖粗總體上差異不明顯，只是豬糞的不同施肥量之間存在差異，羊糞、雞糞和牛糞不同施肥量之間差異不顯著。綜合分析可知，施入畜禽糞肥后，可引起玉米穗位高的變化，對莖粗沒有影響；對穗位高的影響中，羊糞和雞糞表現(xiàn)較為突出，豬糞和牛糞影響較小。

表3 不同畜禽糞肥對玉米生物學(xué)性狀的影響

2.5 不同畜禽糞肥對玉米產(chǎn)量的影響

畜禽糞肥對玉米增產(chǎn)作用毋庸置疑，但不同畜禽糞肥的增產(chǎn)效應(yīng)卻因種類不同而存在差異，與肥效發(fā)揮作用的遲早、快慢以及持久與否等因素有關(guān)[17]。從表4可以看出，不同畜禽糞肥對玉米增產(chǎn)的效應(yīng)各不相同，在羊糞、豬糞、雞糞處理中，隨糞肥施肥量增加，玉米產(chǎn)量呈先升高后降低的趨勢。其中，羊糞處理中，玉米平均產(chǎn)量為9 777.15 kg/hm2，平均較對照增產(chǎn)41.12%，當(dāng)施肥量為60.0 m3/hm2時產(chǎn)量較高，為11 095.50 kg/hm2；雞糞處理中，玉米平均產(chǎn)量為9 893.50 kg/hm2，平均較對照增產(chǎn)42.79%，當(dāng)施肥量為30.0 m3/hm2時產(chǎn)量較高，為11 147.10 kg/hm2；豬糞處理中，玉米平均產(chǎn)量為9 653.65 kg/hm2，平均較對照增產(chǎn)39.33%，當(dāng)施肥量為60.0 m3/hm2時產(chǎn)量較高，為10 692.75 kg/hm2。牛糞處理的玉米產(chǎn)量隨施肥量的增加而增大，玉米平均產(chǎn)量為9 208.57 kg/hm2，平均較對照增產(chǎn)32.90%，當(dāng)施肥量為90.0 m3/hm2時產(chǎn)量較高，為10 691.15 kg/hm2。說明施入畜禽糞肥后均可提高玉米產(chǎn)量，增產(chǎn)效果大小依次為雞糞>羊糞>豬糞>牛糞；施肥量為雞糞30.0 m3/hm2、羊糞60.0 m3/hm2、豬糞60.0 m3/hm2和牛糞90.0 m3/hm2是玉米增產(chǎn)效果較好的施肥量。

表4 不同畜禽糞肥對玉米產(chǎn)量的影響Tab. 4 Effects of different animal manures on yield of maize

2.6 效益分析

根據(jù)2012-2014年市場上農(nóng)田耕作措施、肥料、種子、管理等價格和玉米銷售價格，土壤深翻750元/hm2，雞糞120元/m3，羊糞100元/m3，豬糞90元/m3，牛糞80元/m3，玉米種子和化肥3 000元/hm2，旋耕、收獲及日常管理等費(fèi)用7 125元/hm2以及玉米售價按2.0元/kg計算，對該措施3 年總投入和總產(chǎn)出進(jìn)行分析。從表5 可以看出，各種糞肥處理中，效益較高的處理產(chǎn)量一定較高，羊糞處理中，施肥量為60.0 m3/hm2的處理效益較高，年收益達(dá)9 816.0元/hm2；雞糞處理中，施肥量為30.0 m3/hm2的處理效益較高，年收益達(dá)10 719.2元/hm2；豬糞處理中，施肥量為60.0 m3/hm2的處理效益較高，年收益達(dá)9 210.5元/hm2；牛糞處理中，施肥量為90.0 m3/hm2的處理效益較高，年收益達(dá)8 607.3元/hm2。依據(jù)效益分析可以得出，肥效高低順序?yàn)殡u糞>羊糞>豬糞>牛糞，這與前面結(jié)果相一致；各種糞肥適宜施肥量為雞糞30.0 m3/hm2、羊糞60.0 m3/hm2、豬糞60.0 m3/hm2、牛糞90.0 m3/hm2。

表5 增施畜禽糞肥條件下玉米種植效益分析Tab. 5 Analysis on benefit of maize planting after animal manures application

注：其他費(fèi)用包括旋耕、玉米收獲、日常管理等費(fèi)用。

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

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，增施不同畜禽糞肥對土壤呼吸速率、玉米植株性狀和產(chǎn)量均產(chǎn)生不同影響。其中，當(dāng)羊糞施肥量60.0 m3/hm2時，土壤呼吸速率和有機(jī)質(zhì)含量分別為5.6 μmol/(m2·s)和6.785 0 g/kg；當(dāng)雞糞施肥量為30.0 m3/hm2時，土壤呼吸速率和有機(jī)質(zhì)含量分別為6.0 μmol/(m2·s)和6.786 3 g/kg；當(dāng)豬糞施肥量為60.0 m3/hm2時，土壤呼吸速率和有機(jī)質(zhì)含量分別為5.3 μmol/(m2·s)和6.783 3 g/kg；當(dāng)牛糞施肥量為90.0 m3/hm2時，土壤呼吸速率和有機(jī)質(zhì)含量分別為4.6 μmol/(m2·s)和6.780 0 g/kg。不同畜禽糞肥施肥處理的株高和穗位高差異較大，莖粗幾乎沒有影響。對玉米產(chǎn)量的影響中，4種糞肥增產(chǎn)效果均比較明顯，由高到低順序?yàn)殡u糞>羊糞>豬糞>牛糞；根據(jù)3年總產(chǎn)出減去總投入可知，年收益也有大幅度提升，4種糞肥在適宜施肥量條件下，年收益均較高，至少達(dá)8 607.3 元/hm2以上。根據(jù)土壤呼吸速率、土壤有機(jī)質(zhì)含量、玉米生物學(xué)性狀和增產(chǎn)效果、年收益狀況等指標(biāo)綜合分析可得，4種糞肥肥力效果由高到低順序?yàn)殡u糞>羊糞>豬糞>牛糞；適宜施肥量分別是雞糞30.0 m3/hm2、羊糞60.0 m3/hm2、豬糞60.0 m3/hm2、牛糞90.0 m3/hm2。

3.2 討論

畜禽糞肥是養(yǎng)分最全的天然復(fù)合肥[18-19]，不僅可以直接為作物提供養(yǎng)分[20-21]，而且還可以活化土壤中的潛在養(yǎng)分，提高土壤總有效養(yǎng)分的含量[22-23]；畜禽糞肥中含有多種有益微生物，不僅能增強(qiáng)土壤微生物活性[24]，促進(jìn)土壤中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化[25-26]，而且還能提高土壤的保水保肥能力，促進(jìn)土壤團(tuán)粒形成，從而改善土壤的理化性質(zhì)，提高土壤肥力。但不同畜禽糞肥培肥土壤和提高作物產(chǎn)量的效果不盡相同，可能是因?yàn)榕c各種糞肥中含有的營養(yǎng)物質(zhì)以及可以活化土壤的微生物、酶類等物質(zhì)不同有關(guān)[10]，導(dǎo)致各種糞肥肥效存在差別，這就為培肥土壤時根據(jù)地力狀況、培肥速度、效益等指標(biāo)選擇何種糞肥提供依據(jù)。

增施有機(jī)肥雖然能明顯地改良土壤、提高農(nóng)作物產(chǎn)量等，但也不能認(rèn)為有機(jī)肥施用越多越好，施用過量會使作物根部吸水困難，原因可能與根系周圍土壤溶液濃度高于根毛細(xì)胞液濃度，細(xì)胞內(nèi)的水分向外擴(kuò)散，使細(xì)胞原生質(zhì)失水與細(xì)胞壁分離，引起植株生理缺水有關(guān)。本研究有機(jī)肥最大施用量雖然為90.0 m3/hm2，單純有機(jī)肥雖然不至于過量，但配合施用復(fù)合肥后可能會出現(xiàn)暫時性肥料過量，導(dǎo)致土壤溶液濃度過大，使植株發(fā)生相對“生理干旱”，這可能與糞肥施用量大的處理土壤呼吸速率、玉米株高、產(chǎn)量不是最優(yōu)有關(guān)，還有待于進(jìn)一步研究。

土壤呼吸是表征土壤質(zhì)量和肥力以及土壤透氣性的重要生物學(xué)指標(biāo)，反映了土壤生物活性、土壤物質(zhì)代謝的強(qiáng)度和土壤有機(jī)碳的分解程度、土壤養(yǎng)分的供應(yīng)狀況以及土壤中動物、微生物的數(shù)量和活性，是個綜合指標(biāo)[27-28]。本研究探索采用土壤呼吸速率和土壤有機(jī)質(zhì)含量來衡量土壤結(jié)構(gòu)及肥力狀況，是否較以往利用土壤有機(jī)質(zhì)單一指標(biāo)衡量土壤肥力狀況更具代表性和說服力，還有待于進(jìn)一步研究。

探索不同糞肥適宜施肥量和糞肥肥效的高低，可為改良土壤選擇糞肥種類和施肥量提供參考，也可以克服以往只按經(jīng)驗(yàn)施肥存在施肥量少、起不到應(yīng)有的作用，施肥多不僅浪費(fèi)糞肥資源，還增加了投入的問題。因此，該研究對指導(dǎo)生產(chǎn)上如何合理施用有機(jī)肥具有重要作用。