畜禽糞便生態肥對灌漠土肥力質量及人參果品質和效益的影響

李玉斌 ，潘艷花 ，薛 亮 ，裴懷弟 ，閆治斌

(1.甘肅省農業科學院林果花卉研究所，甘肅 蘭州 730070;2.酒泉市種子管理站，甘肅 酒泉735000；3.甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，甘肅 蘭州 730070;4.甘肅省農業科學院生物技術研究所，甘肅 蘭州 730070；5.甘肅省敦煌種業集團股份有限公司研究院,甘肅 酒泉735000)

人參果(Solannmmuricatumaiton)又名長壽果、香瓜梨、鳳果，果實富含Vc和多種微量元素[1]。經調查甘肅省張掖市菜農種植的人參果化肥氮磷鉀純養分投入量為1 930 kg·hm-2(N投入量870 kg·hm-2，P2O5投入量460 kg·hm-2，K2O 投入量600 kg·hm-2)，而有機肥氮磷鉀純養分投入量為285 kg·hm-2，人參果產量提高主要依賴施用化肥，長期施用化肥，導致土壤質量和人參果品質下降。因此，研究畜禽糞便生態肥替代傳統化肥是本文的關鍵所在。

有關畜禽糞便對土壤質量和作物產量的影響，前人做了大量的研究工作。其中，畜禽糞便對土壤理化性質及酶活性和生物學性質的影響：成鋼等[2]研究發現，羊糞與化學肥料配制的復混肥提高了土壤有機質含量；羊糞和馬糞混合施用提高了土壤腐殖質含量[3]；豬糞施用量與土壤有機碳含量呈顯著的正相關關系[4]；施用牛糞有效地改善了土壤理化性質[5]；雞糞與稻稈和生物炭混合施用提高了磚紅壤團聚體穩定性[6]；雞糞與磷肥配施提高了磷的有效性[7]；施用牛糞降低了土壤酸堿度、電導率和堿化度[8]；施用羊類有效地改善了土壤化學性質[9]；施用雞糞提高了土壤pH值和緩沖性能[10]。崔虎等[11]研究發現施用牛糞提高了土壤脲酶和磷酸酶的活性；施用雞糞和家畜糞便提高了土壤微生物數量[12]；施入牛糞顯著增加了土壤細菌和放線菌數量[13]。畜禽糞便對土壤重金屬及作物產量和品質的影響：卜貴軍等[14]研究發現雞糞堆肥處理可以降低重金屬離子的生物有效性；豬糞對土壤重金屬離子 Cu、Zn 累積具有一定的促進作用[15]；雞糞對土壤中 Pb、Cd 具有較強的鈍化作用[16]；施用豬糞和雞糞對 Cd、Cr、Pb 和 Ni 沒有顯著影響[17]；牛糞與秸稈配合施用降低了玉米籽粒中Cd含量[18]；雞糞、秸稈和生物炭配合施用降低了Pb的有效性，減少了玉米對Pb離子的吸收[19]；雞糞和生物炭混合施用減少了玉米對Cd吸收和積累[20]；在雞糞中摻入粉煤灰能減少大白菜對重金屬的累積[21]；羊糞和馬糞混合施用可以降低銅鋅的生物有效性[3]；雞糞、豬糞和牛糞顯著提高土壤有效鋅含量[22]。謝志煌等[23]研究發現施用牛糞可以明顯提高大豆的脂肪、游離氨基酸和可溶性糖含量；羊糞可以提高火龍果總糖和維Vc含量，降低果實中總酸含量[24]；羊糞和蚯蚓糞配合施用,可以提高番茄產量，改善其品質[25]；風沙土施用羊糞可以提高甘藍的產量[9]。

綜上所述，前人對畜禽糞便多采取單獨施用或者與化肥、稻稈、生物炭、秸稈配合施用；主要研究了畜禽糞便生態肥對土壤理化性質、生物學性質和重金屬離子的影響；研究了其對大豆、火龍果、番茄和甘藍等品質的改善。而畜禽糞便生態肥對灌漠土肥力質量及人參果品質和效益的影響尚少見文獻報道。甘肅省張掖市分布著8.08×106t的畜禽糞便有機肥(牛糞5.05×106t，豬糞2.44×105t，羊糞2.62×106t，雞糞1.68×105t)[26]，用于沼氣工程、生產有機肥、直接還田的占資源總量的54%，還有3.72×106t的畜禽糞便隨意堆放在居民點周圍，經風吹日曬雨淋后污染了鄉村環境。據室內分析，這些畜禽糞便含有機質22.12%～24.34%，N 0.32%～0.83%，P2O50.15%～0.40%，K2O 0.44%～0.60%，重金屬離子Hg、Cd、Cr和Pb含量均小于國家規定的畜禽糞便含量標準(GB8172—87)[27-28]。

為了解決研究區域長期施用化肥導致溫室土壤質量下降、有機質含量低、人參果品質和產量低而不穩以及畜禽糞便對鄉村生態環境污染的問題，本文根據人參果需肥規律和研究區域溫室土壤供肥水平，采用平衡施肥原理和改土培肥理論，將畜禽有機肥、人參果專用肥和土壤結構改良劑(聚丙烯酰胺)[29]按比例混合，合成畜禽糞便生態肥，將畜禽有機肥的長效、人參果專用肥的速效、聚丙烯酰胺的改土作用融為一體，旨在為減少化肥施用量、改善溫室土壤質量、提高人參果品質和效益、改善農村生態環境和畜禽糞便資源化循環利用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗地概況 試驗于2019—2020年在甘肅省張掖市甘州區沙井鎮沙井村溫室內進行(100°15′56″E，39°05′01″N)，海拔1 451 m，年降水量116 mm,蒸發量1 850 mm，平均氣溫7.50℃，日照時數3 053 h，無霜期160 d。土壤類型為灌漠土[30]，試驗地0～20 cm土層有機質含量18.14 g·kg-1，堿解氮95.19 mg·kg-1，速效磷10.81 mg·kg-1，速效鉀134.53 mg·kg-1，CEC(陽離子交換量)17.75 cmol·kg-1，pH值8.19。土壤質地為壤質土，前茬作物是番茄。

1.1.2 試驗材料 尿素，N46%；聚磷酸鉀，P2O557%，K2O 37%；硫酸鋅，Zn 23%；鉬酸銨，Mo 54%；發酵羊糞，含有機質46.30%、N 1.32%、P2O51.29%、K2O 0.61%，粒徑1～20 mm；發酵牛糞，含有機質35.41%、N 0.43%、P2O50.32%、K2O 0.56%，粒徑1～20 mm；發酵雞糞，含有機質46.77%、N 1.31%、P2O50.61%、K2O 0.92%，粒徑1～5 mm；聚丙烯酰胺，吸水倍率200 g·g-1、pH值6.9，粒徑1～3 mm；生物菌肥為耐滴奈樂菌肥，含枯草芽孢桿有效活菌2.50×109·g-1，粒徑0.2～2 mm；自制畜禽有機肥，羊糞、雞糞、牛糞和生物菌肥風干重量比按0.4000∶0.3500∶0.2498∶0.0002混合，含有機質42.77%、N 1.03%、P2O50.41%、K2O 0.72%；自制人參果專用肥，尿素、聚磷酸鉀、硫酸鋅和鉬酸銨風干重量比按0.6349∶0.3175∶0.0423∶0.0005混合，含N 29.21%、P2O518.09%、K2O 11.75%、Zn 0.97%、Mo 0.03%；畜禽糞便生態肥，依據試驗1篩選的配方，將畜禽有機肥、人參果專用肥和聚丙烯酰胺風干重量比按0.9659∶0.0322∶0.0019混合，有機質41.53%、N 1.87%、P2O50.98%、K2O 1.28%、Zn 0.03%、Mo 0.01%；人參果品種為‘長麗’。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗處理 試驗1：畜禽糞便生態肥配方篩選。2019年3月10日選擇畜禽有機肥、人參果專用肥和聚丙烯酰胺3種原料，每種原料設計3個梯度施用量，選擇正交表L9(34)設計9個試驗處理[31](表1)，按表中用量制成9種畜禽糞便生態肥。

試驗2：畜禽糞便生態肥對土壤質量及人參果品質和效益影響的研究。2020年3月12日設計3個處理。處理1，對照(不施肥 )；處理2，傳統化肥(尿素2 070 kg·hm-2+ 磷酸二銨1 000 kg·hm-2+硫酸鉀1 200 kg·hm-2+硫酸鋅60.78 kg·hm-2+鉬酸銨8.63 kg·hm-2)；處理3，畜禽糞便生態肥(施用量46 590.00 kg·hm-2)。處理2和3氮、磷、鉀、鋅和鉬純養分投入量相等(N 870 kg·hm-2+P2O5460 kg·hm-2+K2O 600 kg·hm-2+Zn 13.98 kg·hm-2+Mo 4.66 kg·hm-2)。每個處理重復3次，隨機區組排列。

1.2.2 種植方法 小區面積26.25 m2(7.5 m×3.5 m)，每個小區四周筑埂。將磷酸二銨、硫酸鉀、畜禽糞便生態肥分別計量后，淺耕翻入20 cm土層作底肥后起壟，壟高、壟距和壟寬為30 cm×70 cm×70 cm。在壟上鋪滴灌帶和地膜，定植前10 d覆蓋棚膜密閉大棚，室內溫度保持28℃～30℃，10 cm土層溫度穩定在12℃～15℃，選擇苗齡45 d的人參果扦插苗定植，深度、株距和行距為10 cm×35 cm×70 cm，定植后白天室溫控制在24℃～28℃，夜間室溫控制在10℃～15℃。1/3尿素在人參果第1果穗膨大期時結合灌水追施，2/3尿素在人參果第3果穗膨大期時結合灌水追施。每個小區為1個支管單元，在支管單元入口安裝閘閥、壓力表和水表，在人參果定植后、開花期、第1、2、3果穗膨大期時各灌水1次，每個小區灌水量為7.35 m3。

1.2.3 樣品采集方法 人參果采收時每個小區選擇 3行，每行采集5株，測定株高、單株果數、單果重、單株果重及可溶性糖、Vc、可溶性蛋白質和硝酸鹽含量。每個小區每次采收分別計產，將小區產量換算成公頃產量進行統計分析。試驗2人參果采收后，分別在試驗小區內按對角線布置5個采樣點，采集0～20 cm耕作層土樣5 kg，用四分法留2 kg，1 kg新鮮土樣放入4℃冰箱避光保存測定微生物數量和酶活性，另外1 kg土樣風干過1 mm篩供室內測定有機質含量。

1.2.4 測定指標與方法 土壤容重、孔隙度、>0.25 mm團聚體和田間持水量測定采用環刀法、計算法、干篩法和威爾科可斯法；pH值、CEC和有機質測定采用酸度計法(水土比5∶1)、交換劑浸提—NH4OAc—NH4Cl法和重鉻酸鉀氧化—外加熱法；堿解氮、速效磷和速效鉀測定采用擴散法、NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法、NH4OAc3浸提—火焰光度法；飽和持水量=面積×總孔隙度×土層深度[32-33]；微生物數量、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶測定采用稀釋平板法、3,5-二硝基水楊酸比色法、靛酚比色法、磷酸苯二鈉比色法和碘量滴定法[34]；硝酸鹽、Vc、可溶性糖和可溶性蛋白測定采用水楊酸硝化法、2,6-二氯靛酚滴定法、蒽酮-硫酸法、考馬斯亮藍C-250染色法[35]。

1.3 數據分析

差異顯著性采用DPSS 10.0統計軟件分析，多重比較，LSR檢驗法。

2 結果與分析

2.1 畜禽糞便生態肥配方確定

由2019年12月30日人參果采收后測定數據可以看出(表1)，畜禽糞便生態肥因素間的主次效應(R)是：B人參果專用肥(R=47.43)>A畜禽有機肥(R=42.72)>C聚丙烯酰胺(R=22.13)。從各水平平均產量看出，KA1>KA3>KA2，KB3>KB2>KB1，KC3>KC1和KC2。說明畜禽糞便生態肥最優組合為：A1畜禽有機肥45.00 t·hm-2∶B3人參果專用肥1.50 t·hm-2∶C3聚丙烯酰胺0.09 t·hm-2，即畜禽糞便生態肥配方組合比例為:畜禽有機肥0.9659∶人參果專用肥0.0322∶聚丙烯酰胺0.0019。

表1 L9(34)正交試驗分析結果Table 1 L9 (34)orthogonal test analysis results

2.2 畜禽糞便生態肥對灌漠土肥力質量的影響

2.2.1 對土壤理化性質的影響 由2020年12月26日人參果采收后測定數據可以看出(表2)，施用畜禽糞便生態肥與傳統化肥比較，顯著地降低了土壤容重，增大了總孔隙度，極顯著地降低了pH值，增大了團聚體和CEC。不同處理容重和pH值為對照>傳統化肥>畜禽糞便生態肥，孔隙度、團聚體和CEC為：畜禽糞便生態肥>傳統化肥>對照。畜禽糞便生態肥與傳統化肥比較，容重降低5.39%(P<0.05)，pH值降低9.11%(P<0.01)，總孔隙度增加5.18%(P<0.05)，團聚體增加21.03%(P<0.01)，CEC增加22.40%(P<0.01)；與對照比較，容重降低6.11%(P<0.05)，pH值降低9.89%(P<0.01)，總孔隙度增加5.95%(P<0.05)，團聚體增加25.20%(P<0.01)，CEC增加28.06%(P<0.01)。傳統化肥與對照比較，容重和pH值降低0.76%和0.86%(P>0.05)，總孔隙度、團聚體和CEC增加0.73%、3.45%和4.62%(P>0.05)。

表2 畜禽糞便生態肥與傳統化肥對土壤理化性質的影響Table 2 Effects of livestock manure ecological fertilizer and traditional chemical fertilizer on physical and chemical properties of soil

2.2.2 對土壤持水量及有機質和氮磷鉀的影響 由表3可知，施用畜禽糞便生態肥與傳統化肥比較，顯著地增大了土壤飽和持水量，極顯著地提高了有機質含量，而堿解氮、速效磷和速效鉀變化不大。不同處理飽和持水量、有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀為畜禽糞便生態肥>傳統化肥>對照。畜禽糞便生態肥與傳統化肥比較，飽和持水量增加5.18%(P<0.05)，有機質增加20.36%(P<0.01)，堿解氮、速效磷和速效鉀增加2.04%、2.01%和2.04%(P>0.05)；與對照比較，飽和持水量增加5.97%(P<0.05)，有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀增加26.13%、18.68%、50.32%和23.75%(P<0.01)。傳統化肥與對照比較，飽和持水量和有機質增加0.73%和 4.80%(P>0.05)，堿解氮、速效磷和速效鉀增加16.30%、47.36%和21.28%(P<0.01)。

表3 畜禽糞便生態肥與傳統化肥對土壤持水量及有機質和氮磷鉀的影響Table 3 Effects of livestock manure ecological fertilizer and conventional chemical fertilizer on soil water holding capacity,organic matter and NPK

2.2.3 對土壤微生物和酶活性的影響 由表4可知，施用畜禽糞便生態肥與傳統化肥比較，極顯著地提高了土壤細菌、放線菌和蔗糖酶的活性，顯著地提高了磷酸酶和多酚氧化酶活性，對脲酶活性影響較小。不同處理微生物和酶活性為畜禽糞便生態肥>傳統化肥>對照。畜禽糞便生態肥與傳統化肥比較，細菌、放線菌和蔗糖酶活性增加10.53%、13.39%和13.74%(P<0.01)，磷酸酶活性和多酚氧化酶活性增加5.41%和5.96%(P<0.05)，脲酶活性增加1.46%(P>0.05)；與對照比較，細菌、放線菌和蔗糖酶活性增加13.174%、15.20%和15.64%(P<0.01)，脲酶活性、磷酸酶活性和多酚氧化酶活性增加增加6.09%、8.33%和7.38%(P<0.05)。傳統化肥與對照比較，細菌、放線菌、蔗糖酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性和多酚氧化酶活性增加2.40%、1.60%、1.68%、4.57%、2.78%和1.34%(P>0.05)。

表4 畜禽糞便生態肥與傳統化肥對土壤微生物和酶活性的影響Table 4 Effects of livestock manure ecological fertilizer and conventional chemical fertilizers on soil microbial and enzyme activities

2.3 畜禽糞便生態肥對人參果品質及產量和效益的影響

2.3.1 對人參果品質的影響 由表5可知，施用畜禽糞便生態肥與傳統化肥比較，顯著地提高了人參果Vc含量，極顯著地提高了可溶性糖和可溶性蛋白質含量，顯著降低了硝酸鹽含量。不同處理人參果可溶性糖、Vc和可溶性蛋白質為畜禽糞便生態肥>傳統化肥>對照；硝酸鹽為傳統化肥>畜禽糞便生態肥>對照。畜禽糞便生態肥與傳統化肥比較，可溶性糖和可溶性蛋白質增加9.09%和10.05%(P<0.01)，Vc增加7.55%(P<0.05)，硝酸鹽降低7.78%(P<0.05)；與對照比較，可溶性糖、Vc和可溶性蛋白質增加24.14%、19.04%和21.00%(P<0.01)，硝酸鹽增加3.09%(P>0.05)。傳統化肥與對照比較，可溶性糖、Vc、可溶性蛋白質和硝酸鹽增加13.79%、10.69%、9.95%和11.78%(P<0.01)。

表5 畜禽糞便生態肥與傳統化肥對人參果品質的影響Table 5 Effect of livestock manure ecological fertilizer and traditional chemical fertilizer on ginseng fruit quality

2.3.2 對人參果農藝性狀及產量和效益的影響 由表6可知，施用畜禽糞便生態肥與傳統化肥比較，有效地提高了人參果單株果數、單株果重、產量、增產值、施肥利潤和肥料投資效率。不同處理農藝性狀、經濟性狀和產量為畜禽糞便生態肥>傳統化肥>對照，畜禽糞便生態肥與傳統化肥比較，株高和單果重增加1.96%和3.17%(P>0.05)，單株果數、單株果重和產量增加5.64%、6.45%和5.45%(P<0.05)；與對照比較，株高、單株果數、單果重、單株果重和產量增加20.93%、23.31%、34.89%、32.48%和32.15%(P<0.01)。傳統化肥與對照比較，株高、單株果數、單果重、單株果重和產量增加18.61%、16.731%、30.74%、24.45%和25.31%(P<0.01)。畜禽糞便生態肥與傳統化肥比較，增產值、施肥利潤和肥料投資效率增加27.00%、30.31%和33.52%。

表6 畜禽糞便生態肥與傳統化肥對人參果性狀及產量和效益的影響Table 6 Effects of livestock manure ecological fertilizer and traditional chemical fertilizer on ginseng fruit characters yield and benefit

3 討論與結論

施用畜禽糞便生態肥與傳統化肥比較，顯著地降低了土壤容重，增大了總孔隙度和飽和持水量，極顯著地增大了團聚體。這種變化特征與張健男等[36]和曲成闖等[37]結論一致。究其原因，一是畜禽糞便生態肥含有豐富的有機質，使土壤疏松，容重降低，孔隙度增大；二是畜禽糞便生態肥中的聚丙烯酰胺是一種高聚合物，具有較好的粘結性，把土壤黏在一起促進了團聚體的形成[38]；三是畜禽糞便生態肥中的有機質在土壤微生物的作用下合成了土壤腐殖質，腐殖質的吸水率為500%，因而提高了持水量。土壤化學性質表現為：極顯著地降低了pH值，增大了CEC，這種變化規律與莊鐘娟等[39]和劉國群等[40]研究結果一致。究其原因，一是畜禽糞便生態肥中的有機質提高了土壤的供肥性，增大了CEC；二是畜禽糞便生態肥中的有機質在分解過程中產生的有機酸，降低了pH值。施用畜禽糞便生態肥極顯著地提高了有機質含量，研究結果與張霞等[41]研究結論一致。究其原因是畜禽糞便生態肥將大量的有機質帶入土壤，增加了土壤有機質含量。堿解氮、速效磷和速效鉀增加不顯著，究其原因是畜禽糞便生態肥與傳統化肥比較試驗中投入的N、P2O5和K2O數量相等。土壤生物學性質表現為極顯著地提高了細菌和放線菌數量，究其原因，一是畜禽糞便生態肥中的有機質和大量元素為微生物提供了碳源和營養物質，促進了細菌和放線菌的繁殖；二是畜禽糞便生態肥中的生物菌肥將活性微生物帶到土壤中，促進了細菌和放線菌的繁殖[42-43]。土壤酶活性表現為極顯著地提高了蔗糖酶的活性，顯著地提高了磷酸酶活性和多酚氧化酶活性，對脲酶活性影響較小，這與關天霞等[44]研究結論相一致。究其原因，一是畜禽糞便生態肥把大量的酶帶入土壤；二是畜禽糞便生態肥提高了土壤有機碳含量，土壤酶吸附在土壤有機碳上，為土壤酶創造了良好的土壤生態環境條件，提高了酶的活性；三是畜禽糞便生態肥增加了土壤有益微生物的數量，提高了土壤酶活性[45]。人參果品質表現為可溶性糖、可溶性蛋白質和Vc含量增加，硝酸鹽含量降低。究其原因是畜禽糞便生態肥含有豐富的有機質及大量元素和微量元素，促進了人參果的生長發育，提高了人參果產量，改善了品質。而李會合等[46]研究則發現有機肥處理降低了生菜Vc和可溶性糖含量，而提高硝酸鹽含量，馬國泰等[47]研究發現畜禽糞便肥施用量增加后，辣椒Vc含量和硝酸鹽含量顯著下降，與本研究結論不盡相同，有待今后進一步研究。

研究結果表明，畜禽糞便生態肥原料間的主次效應是人參果專用肥>畜禽有機肥>聚丙烯酰胺。適宜施肥量比例為：畜禽有機肥45.00 t·hm-2∶人參果專用肥1.50 t·hm-2∶聚丙烯酰胺0.09 t·hm-2。施用畜禽糞便生態肥與傳統化肥比較，顯著地降低了土壤容重和人參果硝酸鹽含量；增大了土壤總孔隙度和飽和持水量；提高了土壤磷酸酶活性、多酚氧化酶活性、人參果可溶性糖、Vc、可溶性蛋白質和施肥利潤。極顯著地降低了土壤pH值，增大了土壤團聚體和CEC；提高了土壤有機質、細菌、放線菌和蔗糖酶的活性，而土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和脲酶活性變化不大。而常規化肥則提高了人參果硝酸鹽含量，對土壤有機質、容重、孔隙度和團聚體無顯著影響。在甘肅省張掖市甘州區沙井鎮的溫室內采用畜禽糞便生態肥替代傳統化肥，改善了土壤理化性質和人參果品質，提高了土壤有機質和人參果經濟效益，促進了畜禽糞便資源的循環利用，為保障人參果安全生產提供了技術支撐。