中圖分類號:S141 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-060X(2025)08-0049-05
Effects ofReplacing Chemical Fertilizer with Biogas Slurryon Maize Growth and Soil Fertility
HUANG Huan',ZHOU Wei',LIU Can',WANG Yi1 ,CHU Fei2,LUO Zhuo2,PENG Zhi-hong2,ZHOU Xuan2(1.MiluoBureauofAgricultureandRuralAfairs,Muo444PRC;2.HunanIstituteofAgriculturalSilandEcoEotChangsha 410125, PRC)
Abstract:Thisstudyaimstoexplore theeffctofreplacingchemcalfertizerwithbiogasslurryinmaizeplantinganddeteinthe appropriateaplicationratio.Themaizecultivar Zhengda659'wasplantedandfertizedwithfivetreatments:nofertization(CK), conventional fertilization (CF),optimized fertilization (OF),biogas slurry replacing 20% chemical fertilizer nitrogen (OM1),and biogasslurryreplacing 40% chemical fertilizer nitrogen (OM2).Field plot experiments werecarried out to study the effects of biogas sluyreplacingratiounderequalitrogenontegowthyield,ndconomicbenefitofmaizeandtephyicochemicalpropertisof soil.The results showed that OF, OM1,and OM2 increased the maize yield by 0.88%-3.84% and economic benefit by 5.19%-37.80% compared with CF. Compared with OF, OM1 and OM2 increased the maize yield by 1.58% and 2.94% and the economic benefit by 17.69% and 31.00% ,respectivelyand theoutput-input ratioofOM2 was the highest.Compared withOF,replacing chemical fertilizer with biogassurreectivelyinceasedtheo-gainweghtandthecontentoftrgen,posporus,andcudefatindibleparts, whiledecreasingteotetoftotalposposisoil.IeealOFO,dcetielyreasesilrogtet facilitateplantutrienabsorption,andimproveyieldcomponents,yield,andualitythrebysvingostsandireasingioe. Replacing 40% fertilizer nitrogenwith biogas slurry(OM2)demonstratedbetter performance inimproving maize yield,maize quality and soil fertility.
Keywords:maize;retumingbiogasslurytothefield;chemicalfertilizerreduction;yield;economicbeneft;soilfertility
沼氣工程可有效消納農(nóng)業(yè)有機廢棄物,實現(xiàn)糞污的無害化處理與資源化利用。然而,在生產(chǎn)清潔能源的同時,該工程也會產(chǎn)生大量沼液。沼液未經(jīng)處理直接排放,會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1,成為畜禽養(yǎng)殖中亟待解決的、最常見且產(chǎn)生量最大的糞污發(fā)酵產(chǎn)物[2。另一方面,沼液富含腐殖酸、氨基酸、及微量元素等多種營養(yǎng)成分,易被植物吸收利用,是一種兼具速效與緩釋效果的有機肥料[3-5]。施用沼液不僅能提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)和抗病性,還能改善土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤肥力[6-7]。研究表明,將畜禽養(yǎng)殖廢棄物轉(zhuǎn)化為沼液等肥水資源并施入田間,可有效推動化肥減量、土壤結(jié)構(gòu)改良和糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[8]然而,單施沼液對作物產(chǎn)量的提升效果通常不如單施化肥[,但長期單施化肥不僅成本較高,還易導(dǎo)致土壤退化與環(huán)境污染。為充分發(fā)揮沼液與化肥的優(yōu)勢,緩解對化肥的過度依賴,兩者配合施用是一種理想的施肥模式。大量研究指出,沼液肥效高、養(yǎng)分全面、有害物質(zhì)少,與化肥配施能使氮磷鉀與其他營養(yǎng)元素有機結(jié)合,促進(jìn)作物根系生長,滿足營養(yǎng)需求,進(jìn)而提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)[10-]
《湖南統(tǒng)計年鑒2024》數(shù)據(jù)表明,玉米是湖南省第二大糧食作物。作為典型的農(nóng)牧結(jié)合型農(nóng)業(yè)大省,湖南省年出欄牲畜約7000萬頭,消耗玉米600萬t以上,但玉米自給率僅 30% 左右。相關(guān)研究表明,在玉米種植中施用沼液替代部分化肥,可充分利用農(nóng)業(yè)廢棄物資源,調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì),改善生態(tài)環(huán)境,提升土壤肥力與作物品質(zhì),推進(jìn)化肥減量增效,促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[12-14]。然而,目前關(guān)于不同沼液替代化肥比例對玉米化肥減施效果影響的研究尚不多見[15-1d]。因此,本研究在同等施氮量條件下,分析不同沼液替代化肥比例對玉米植株性狀、產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益及土壤理化性質(zhì)的影響,旨在確定較優(yōu)的替代比例,為沼液在玉米化肥減量中的規(guī)模化應(yīng)用及糞肥資源的高效化利提供科學(xué)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
田間小區(qū)試驗于2023年在湖南省汨羅市白塘鎮(zhèn)六湖村農(nóng)田( 112°56′E , 29°1N )進(jìn)行。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,日照充足,降水較多。試驗區(qū)域地勢平坦,土壤類型為潮土,土壤質(zhì)地為黏壤土,其 0~20cm 土壤基本理化性質(zhì)為 pH 值5.0,有機質(zhì) 19.0g/kg ,全氮 1.43g/kg ,堿解氮 92mg/kg ,有效磷 15.6mg/kg ,速效鉀 174mg/kg ,全磷 0.9g/kg 全鉀 22.3g/kg ,陽離子交換量 16.0cmol/kg ,容重1.35g/cm3 。前茬作物為大白菜。
1.2 供試材料
供試玉米品種為正大 659 。供試肥料為尿素(含N46% )、過磷酸鈣(含 P2O512% )氯化鉀(含 K2O 60% ),沼液氮磷鉀含量分別為 0.57,0.15 和 0.76g/L □
1.3 試驗設(shè)計
試驗共設(shè)置5個處理,包括不施肥處理(CK)常規(guī)施肥處理(CF)、優(yōu)化施肥處理(OF)、OF基礎(chǔ)上沼液替代 20% 化肥氮處理(OM1)、OF基礎(chǔ)上沼液替代 40% 化肥氮處理(OM2)。各處理施肥用量詳見表1。OM1較OF減少化肥(純量)6.75kg/667m2 ,降幅 30.68% ,OM2較OF減少化肥(純量)
表1各處理的養(yǎng)分施用量

11.57kg/667m2 ,降幅 52.59% 。
采取隨機區(qū)組排列,重復(fù)3次。小區(qū)面積為 2.5m× 8m=20m2 ,玉米苗栽插密度為3202株 /667m2 試驗于2023年3月24日播種,4月10日移栽,4月21日勻苗,8月15日收獲。各小區(qū)除施肥措施不同外,其他除草、病蟲害防治等田間管理措施均按照當(dāng)?shù)厣a(chǎn)習(xí)慣進(jìn)行。
1.4樣品采集與測定方法
1.4.1樣品采集于成熟期各小區(qū)單獨收獲計重。采用5點調(diào)查法,每個取樣點隨機調(diào)查5株,調(diào)查記錄株高、穗長、禿頂度、總粒數(shù)、百粒重等植株性狀指標(biāo);同時,采集 0~20cm 耕層土壤,風(fēng)干、研磨用于土壤理化指標(biāo)測定。玉米收獲期測產(chǎn)并采收籽粒和秸稈用于品質(zhì)和全量養(yǎng)分測定。
1.4.2測定方法根據(jù)小區(qū)產(chǎn)量折算籽粒產(chǎn)量(即實際產(chǎn)量),根據(jù)DB32/T2857—2015玉米產(chǎn)量現(xiàn)場測定操作規(guī)程計算理論產(chǎn)量(總粒數(shù) × 百粒重 × 株數(shù)/100000)。土壤有機質(zhì)、pH值、堿解氮、有效磷和速效鉀的測定分別采用重鉻酸鉀外加熱法、水溶-酸度計法、堿解擴散法、鉬銻抗比色法和火焰光度法。植株經(jīng)硫酸-過氧化氫消煮,采用微量凱氏定氮法、釩鉬黃分光光度法、火焰光度計法分別測定植物全氮、全磷、全鉀含量。
1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析
采用MicrosoftExcel和DPS數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,處理間差異顯著性采用最小顯著差法(LSD)進(jìn)行檢驗
2 結(jié)果與分析
2.1 不同施肥處理下玉米產(chǎn)量
由表2可知,不同施肥處理玉米籽粒產(chǎn)量以CK處理最低,OM2處理最高,優(yōu)化施肥及沼液替代處理的玉米單位面積產(chǎn)量較CF處理增加了 0.88%~ 3.84% 。與OF處理相比,OM1、OM2處理的玉米籽粒單位面積產(chǎn)量分別增加 1.58% 、 2.94% ,但施肥處理間差異均不顯著。說明優(yōu)化施肥能有效提高玉來產(chǎn)量,而同等施氮量下沼液部分替代化肥可進(jìn)一步實現(xiàn)增產(chǎn)。
表2不同處理的玉米籽粒產(chǎn)量

注:表中同列不同小、大寫字母表示處理間差異顯著( Plt;0.05 )、極顯著0
),下同。
2.2 不同施肥處理下玉米產(chǎn)量構(gòu)成
由表3可知,除禿尖長外,施肥對玉米株高、穗長、總粒數(shù)、百粒重等產(chǎn)量構(gòu)成及理論產(chǎn)量均有顯著影響。與OF處理相比,OM1、OM2處理玉米百粒重分別增加 4.66% 和 10.19% ,說明同等施氮量下,沼液部分替代化肥能提高玉米百粒重。
2.3 不同施肥處理下玉米經(jīng)濟(jì)效益
由表4可知,優(yōu)化施肥及各沼液替代處理較CF的施肥收益增幅為 5.19%~37.80% 。與OF處理相比,OM1、OM2的玉米施肥成本分別降低 31.77% 53.97% ,施肥收益分別增加 17.69% 、 31.00% ,其中,OM2處理在保持最低施肥成本的前提下,獲得了最高施肥效益和產(chǎn)投比。這表明,采用沼液部分替代化肥(特別是OM2),能有效降低肥料投入成本,大幅提升經(jīng)濟(jì)效益,是實現(xiàn)玉米種植減肥增效、高產(chǎn)高效的有效途徑。

表4不同處理的經(jīng)濟(jì)效益比較

注:肥料價格為 N6.52 元/kg、 P2O5 5.42元/kg、 K2O7 元/kg,沼液價格為0元/kg,玉米價格為2.6元/kg。
2.4不同施肥處理下玉米養(yǎng)分含量
由表5可知,與CF相比,優(yōu)化施肥及沼液替代處理均能提高玉米可食部分全磷含量,增幅為 9.17%~ 13.61% 。在等氮量條件下,與OF處理相比,OM1、OM2的玉米可食部分全氮含量分別提高 2.10% 和5.47% ,全磷含量分別提高 1.63% 和 4.07% ,但差異均未達(dá)到統(tǒng)計學(xué)顯著水平。沼液替代 40% 化肥處理的玉米可食部分全鉀含量顯著低于CK和CF處理。
2.5不同施肥處理下玉米籽粒品質(zhì)由表6可知,各處理玉米籽粒的粗蛋白和粗脂肪含量均無顯著影響。在施肥處理中,與CF處理相比,OF、OM1和OM2處理的玉米可食部分粗蛋白含量分別提高 3.44% 、 3.23% 和 3.01% ,粗脂肪含量分別提高 1.44% 、 0.82% 和 3.52% ,但均未達(dá)到統(tǒng)計學(xué)顯著水平。較常規(guī)施肥,優(yōu)化施肥或沼液部分替代化肥能提高玉米可食部分品質(zhì)。
表5不同處理玉米可食部分的養(yǎng)分含量 (%)

表3不同處理的玉米株高和產(chǎn)量構(gòu)成因素
表6不同處理玉米可食部分的品質(zhì) (%)

2.6 不同施肥處理下玉米地土壤理化性質(zhì)
由表7可知,與CF處理相比,OF、OM1、OM2處理玉米地土壤有機質(zhì)含量分別提高 6.25% 、 4.17% 、2.08% ,土壤全氮含量分別提高 4.65%,2.33%,1.55% 土壤堿解氮含量分別提高 3.33% 、 4.44% 、 6.67% ,土壤有效磷含量減少 16.49% 、 13.40% 、 9.28% ,土壤速效鉀含量提高 8.11% 、 1.35% 、 9.46% ,土壤容重分別降低 0.72% 、 5.04% 、 3.60% ,土壤全磷含量呈下降趨勢,有效磷含量隨著沼液比例越高呈現(xiàn)先降后升趨勢。與OF處理相比, ΓOMl 、OM2處理土壤pH值、堿解氮、有效磷含量均有所增加,而容重減少(降幅 4.35% 和 2.90% )。說明相較于常規(guī)施肥,優(yōu)化施肥及沼液部分替代化肥能有效增加玉米地土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量,改善土壤結(jié)構(gòu)。
表7不同處理土壤理化性質(zhì)的比較

注:CEC表示土壤陽離子交換量。
3討論
3.1沼液替代化肥施用對玉米產(chǎn)量及品質(zhì)的 影響
伍鈞等[17]研究發(fā)現(xiàn),與常規(guī)施肥處理相比,施用沼液能促進(jìn)玉米增產(chǎn),甚至高出化肥處理。連續(xù)3a施用沼肥可增加玉米產(chǎn)量[18]。祝延立等[1]研究發(fā)現(xiàn),將 30~45t/hm2 沼渣與 450~600kg/hm2 復(fù)合肥配施,玉米增產(chǎn) 6.67%~16.03% 。雍山玉等[20]研究發(fā)現(xiàn),沼肥和化肥配合施用與單施沼肥相比,玉米增產(chǎn)達(dá) 20.26% 。本研究中,與OF處理相比,OM1、OM2處理玉米籽粒產(chǎn)量分別增加 1.58% 和 2.94% 產(chǎn)量隨沼液替代比例增加而增加,這與吳宓等[研究結(jié)果相似。艾俊國等[研究發(fā)現(xiàn), 2 000g 沼肥與500g 化肥配施處理的春玉米葉片光合效率提高,籽粒產(chǎn)量最高( 11344.1kg/hm2 )。吳樹彪等[21]研究認(rèn)為,沼液能提高作物產(chǎn)量及品質(zhì),但并不是用量越多產(chǎn)量越高、品質(zhì)越好,而是存在峰值。本研究結(jié)果表明,沼液與化肥配施能有效提高玉米的百粒重,進(jìn)而提高產(chǎn)量。
謝宜等[22]研究發(fā)現(xiàn),與常規(guī)施肥相比,施用沼液更能滿足玉米生長對養(yǎng)分的需求,有助于形成較高產(chǎn)量及提高營養(yǎng)品質(zhì),在實現(xiàn)增產(chǎn)的同時實現(xiàn)增收。本研究中,沼液與化肥配施能滿足玉米生長對養(yǎng)分的需求,提高籽粒全氮含量,改善玉米可食部分品質(zhì)。其原因可能是沼液除含有作物生長的營養(yǎng)外,還存在其他有機酸、微生物、酶等營養(yǎng)物質(zhì),可提高作物抗逆性,促進(jìn)作物生長[23-24]。
3.2沼液替代化肥施用對玉米經(jīng)濟(jì)效益及減 肥效果的影響
本研究中,與OF處理相比,OM1、OM2處理產(chǎn)值分別增加 1.58% 和 2.94% ,施肥成本分別降低31.77% 、 53.97% ,施肥收益分別增加 17.69%,31.00% □在同等施氮量條件下,沼液部分替代化肥極大降低投入成本,增加施肥收益,產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。梁世強等[25]發(fā)現(xiàn),在沼液中補足氮肥,施用適宜的沼渣,養(yǎng)分含量達(dá)到當(dāng)?shù)爻R?guī)施肥量水平時,可實現(xiàn)增產(chǎn)提質(zhì)。本研究中,相較OF處理,OM1處理 N 、 P2O5 、K2O 分別減少2.6、0.68、 3.47kg/667m2 ,合計減少化肥(純量) 6.75kg/667m2 ,減少 30.68% ,OM2處理分別減少5.2、1.37和 5.00kg/667m2 ,合計減少化肥(純量) 11.57kg/667m2 ,減少 52.59% 。可見,配施沼液顯著降低玉米化肥施用量。
3.3沼液替代化肥施用對玉米地土壤理化性 質(zhì)的影響
有機肥替代量應(yīng)取決于土壤肥力,肥力較貧瘠的土壤應(yīng)采用較低的有機替代比例,以滿足作物對養(yǎng)分的即時需求,減少微生物生長繁殖所消耗的養(yǎng)分[26]。研究發(fā)現(xiàn),施用沼液能提高土壤有機質(zhì)含量,且提高幅度與沼液用量呈正相關(guān)[27-28]。本研究中,與CF處理相比,OF、OM1、OM2處理玉米地土壤有機質(zhì)含量分別提高 6.25% 、 4.17% 、 2.08% 。
區(qū)域施肥不合理條件下,適當(dāng)降低肥料投入可保證作物產(chǎn)量,降低氮盈余量[29]。肥力較高的土壤,可采用較高的有機肥替代比例,以提高土壤微生物活性,活化土壤養(yǎng)分,同步提高作物產(chǎn)量和土壤肥力[30]。施用沼液或采用沼液沼渣和化肥配施,可使土壤中全氮含量提高 10%~65%[31] 。王科等[32]研究發(fā)現(xiàn),常規(guī)化肥施肥和中量沼肥處理能有效提高土壤有效磷和速效鉀含量。本研究中,與CF處理相比,OF、OM1、OM2處理玉米地土壤全氮含量分別提高 4.65% 、 2.33% 、 1.55% ,土壤堿解氮含量分別提高 3.33% ! 4.44% 1 6.67% ,這與甘福丁等[33]研究結(jié)果相符。
由于沼液是一種緩速兼?zhèn)涞挠袡C液體肥,施用后會減緩?fù)寥赖南趸饔茫右汉突逝涫┠苁雇寥纏H趨向中性,防止土壤酸化[34]。本研究中,與OF處理相比,OM1、OM2處理土壤pH值均有所增加。肖洋等[35]研究發(fā)現(xiàn),配施沼肥能降低土壤容重,但對土壤總孔隙度、飽和含水量和田間持水量作用不明顯。本研究結(jié)果表明,與OF處理相比,OM1、OM2處理土壤容重分別降低 4.35% : 2.90% 。
4小結(jié)
本試驗條件下,沼液作為液態(tài)糞肥,施用簡便、養(yǎng)分多元、見效較快、成本較低,可部分替代化肥施用,既能打通種養(yǎng)循環(huán)堵點,低成本解決畜禽糞污問題,又能增加產(chǎn)量、產(chǎn)值和施肥效益。兩者配合施用玉米產(chǎn)量較純施化肥有所增加,在一定程度上改善了耕層土壤理化性狀,且當(dāng)替代比例為 40% 時,沼液替代化肥措施對玉米產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤肥力的影響效果較佳,農(nóng)民生產(chǎn)投入成本明顯減少。
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