姜佰文，劉麗紅，劉俊輝，于士源，梁源，申海峰，邵慧*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030；2.北京丹青諾和技術有限公司，北京 100193）

玉米作為第一大糧食作物，對保障國家糧食安全具有重要意義。東北春玉米產(chǎn)區(qū)面積約為1 277萬hm2，總產(chǎn)量為8 870萬t，是國家糧食生產(chǎn)的“壓艙石”。磷作為作物的必需營養(yǎng)元素，在玉米生長發(fā)育與籽粒產(chǎn)量形成方面發(fā)揮重要作用[1]，施用磷肥是補充作物磷營養(yǎng)的重要途徑[2]。黑龍江省年均磷肥投入折純量為55萬t，但磷肥利用率不足20%[3]。

伴隨畜禽養(yǎng)殖的快速發(fā)展，大量糞污的產(chǎn)生加劇了環(huán)境壓力與污染風險[4]，牛糞排泄物產(chǎn)生量年均高達7 000萬t。黑龍江省是奶牛養(yǎng)殖大省，現(xiàn)有奶牛存欄109.7萬頭，位居全國前10名。大量的牛糞經(jīng)無害化處理后可與化肥配施，從而減少磷肥投入。施用糞肥替代部分化肥逐漸被認為是緩解磷素缺乏的可行途徑，同時也符合國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展政策[5]。集約化養(yǎng)牛場的糞、尿及圈舍沖刷污水經(jīng)囊式厭氧發(fā)酵后的液體牛糞施用技術已在歐美地區(qū)得到廣泛應用，近年來得益于第三方服務公司的發(fā)展，該技術在東北地區(qū)方興未艾，此項目合作企業(yè)為哈爾濱丹青農(nóng)業(yè)科技股份有限公司。

目前，針對液體牛糞還田量的研究主要集中于作物產(chǎn)量的農(nóng)學效應以及糞肥中氮的替代效應，對作物-土壤磷系統(tǒng)平衡的報道較少，而且牛糞還田還比較盲目，重產(chǎn)量、輕環(huán)境的現(xiàn)象普遍存在[6]。尤其是液體牛糞含水量較高，過量施用對土壤磷素的淋洗與累積，以及施用后對植株-土壤磷平衡的影響尚不得而知。Olsen-P與CaCl2-P之間的關系一直被作為評估土壤中磷素淋洗風險的重要指標[7]，當Olsen-P的含量超過土壤磷素淋洗臨界值時，CaCl2-P含量急劇增加，進而增加磷素的淋失風險[8]。根據(jù)Olsen-P與CaCl2-P的相關性分析，可有效評估土壤磷素淋洗風險，從而確定適宜的液體牛糞還田量。

綜上所述，本研究以東北春玉米為研究對象，以囊式厭氧發(fā)酵后的液體牛糞為材料，田間條件下設置不同化肥-牛糞配施處理，在生育期監(jiān)測土壤Olsen-P與CaCl2-P的變化，關注植株磷累積與轉(zhuǎn)運，評估液體牛糞還田的土壤磷素累積與淋洗風險，并綜合農(nóng)學與環(huán)境因素，確定適宜的液體牛糞還田量，為玉米綠色生產(chǎn)與養(yǎng)分高效管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本試驗于2021年4—10月在黑龍江省哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學院玉米研究基地（126°28'26″E，45°51'30″N，海拔120 m）開展?；貫闇貛О霛駶櫦撅L氣候，年平均氣溫為4.4℃，年平均降水量為500 mm。供試土壤類型為草甸黑土，0～20 cm耕層土壤理化性質(zhì)為：pH 6.3，有機質(zhì)29.36 g·kg-1，全氮1.52 g·kg-1，堿解氮124.25 mg·kg-1，速效磷42.64 mg·kg-1，速效鉀166.83 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

田間試驗按照N 200 kg·hm-2、P2O5100 kg·hm-2、K2O 80 kg·hm-2的總養(yǎng)分投入量進行施肥方案設計，包括不施肥處理（CK）、農(nóng)民習慣施肥處理（即所有肥料播前一次性施入，也稱“一炮轟”施肥，F(xiàn)）、化肥與液體牛糞配施處理（牛糞用量分別為30、60、90、120 t·hm-2，分別記為FL30、FL60、FL90、FL120），液體牛糞均作為基肥，于播前一次性施入，各處理的養(yǎng)分投入情況如表1所示。試驗采用完全隨機區(qū)組設計，3次重復，供試玉米品種為墾沃1號，人工播種，播種密度為6萬株·hm2，參照當?shù)剞r(nóng)民習慣進行機械整地、田間除草與防蟲管理。

表1 不同施肥處理養(yǎng)分投入情況（kg·hm-2）Table 1 Nutrient inputs in different fertilization treatments（kg·hm-2）

參照液體糞肥施用指導方法計算糞肥帶入的養(yǎng)分量，其余部分以化肥補足。供試化肥分別為尿素（N 46%）、重過磷酸鈣（P2O546%）和硫酸鉀（K2O 52%）。供試液體牛糞取自雙城米特利農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司集約化奶牛養(yǎng)殖場，為糞、尿及圈舍沖洗污水經(jīng)密閉存儲囊式厭氧發(fā)酵（該裝置及發(fā)酵技術示意圖由北京丹青諾和技術有限公司提供，示意圖見圖1）后的固液混合物，總氮（N）含量為0.30%，總磷（P2O5）含量為0.08%，有效鉀（K2O）含量為0.25%，含水率≥90%，密度為1.04 kg·L-1。

圖1 液體糞肥密閉貯存及厭氧發(fā)酵處理囊示意圖Figure 1 Characteristics of capsule for slurry storage and anaerobic fermentation

1.3 樣品的采集及測定

土樣的采集與測定：于玉米播種前、吐絲期、成熟期進行土壤樣品采集，每小區(qū)在株間、行間位置各取1點，打入土鉆，深度為0～100 cm，每層20 cm，挑出土樣雜質(zhì)，過1 mm篩后風干，測定各層土壤Olsen-P和CaCl2-P含量。土壤Olsen-P用0.5 mol·L-1NaHCO3（水土比為20∶1）浸提，振蕩30 min，土壤CaCl2-P用0.01 mol·L-1CaCl2（水土比為10∶1）浸提，振蕩15 min，用鉬銻抗比色法在波長為880 nm的紫外分光光計上進行測定[8]。

植物樣的采集與測定：采集土壤樣品的同時，每小區(qū)隨機抽選2株長勢均勻的代表性植株，按莖、葉、籽粒分開，于105℃殺青30 min，65℃烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量后粉碎、過篩、研磨、H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，釩鉬黃比色法測定植物全磷含量[9]。

收獲測產(chǎn)：收獲成熟期各小區(qū)中間位置20 m2全部植株，記錄總穗數(shù)并稱質(zhì)量，從中選取10個玉米穗，稱10穗總鮮質(zhì)量和脫粒后10穗籽粒鮮質(zhì)量，籽粒含水量=（籽粒鮮質(zhì)量－籽粒烘干質(zhì)量）/籽粒鮮質(zhì)量×100%，并記錄測產(chǎn)行玉米的總株數(shù)、雙穗數(shù)、空稈數(shù)等情況。根據(jù)下式[10]計算出每公頃籽粒產(chǎn)量（折合為14%含水量）：

式中：Y為籽粒產(chǎn)量，kg·hm-2；G為總籽粒質(zhì)量，kg；G1為10穗玉米總鮮質(zhì)量，kg；G2為脫粒后10穗玉米總鮮質(zhì)量，kg；W為含水量，%。

1.4 計算公式[11]

植株磷素積累量=干物質(zhì)積累量×植株磷素含量

土壤表觀磷盈虧=磷肥的投入量-作物吸磷量

作物吸磷量=籽粒產(chǎn)量×籽粒含磷量+莖稈生物量×莖稈含磷量+葉片生物量×葉片含磷量

磷素轉(zhuǎn)運量=吐絲期植株磷素積累量-成熟期植株磷素積累量

磷素轉(zhuǎn)運量對籽粒的貢獻率=總轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒磷素積累量×100%

1.5 數(shù)據(jù)處理

CaCl2-P隨著土壤Olsen-P的增加而增加，通常會出現(xiàn)突變點，當土壤Olsen-P含量小于突變點時，不會發(fā)生磷素淋失，反之就會發(fā)生磷素淋失。在突變點以下CaCl2-P含量很低，突變點以上CaCl2-P急劇增加，因此用線性模型定義Olsen-P與CaCl2-P之間的關系，具體關系如下[8]：

式中：x和y分別為土壤Olsen-P和CaCl2-P的含量，mg·kg-1；a和b為模型參數(shù)，T為曲線上變化點對應的Olsen-P含量，即該土壤的磷素淋洗臨界值。

使用SPSS 25.0軟件進行單因素方差分析，Origin 2019b制圖，Duncan法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對玉米籽粒產(chǎn)量的影響

如圖2所示，所有施肥處理玉米產(chǎn)量均增加，表明施肥是實現(xiàn)玉米增產(chǎn)的重要措施。與F處理相比，化肥與液體牛糞配施可以穩(wěn)定或提高玉米籽粒產(chǎn)量，其中FL120處理玉米產(chǎn)量最高，為14.72 t·hm-2，與F處理相比提高了32.14%，與CK處理相比提高了46.61%，與除FL90外的其他處理間差異顯著；FL90處理玉米產(chǎn)量為12.97 t·hm-2，與F處理相比提高了16.43%；FL30與FL60處理產(chǎn)量略低于F處理，但無顯著性差異，說明提高有機肥施用比例具有增產(chǎn)效果。

圖2 不同施肥處理對玉米籽粒產(chǎn)量的影響Figure 2 Effects of different fertilization treatments on maize grain yield

2.2 不同施肥處理對植株磷轉(zhuǎn)運與積累的影響

如表2所示，各組織器官的磷含量在FL60處理達到最高，轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻效率也達到最高，為49.73%。如圖3所示，成熟期葉片磷積累量呈下降趨勢，F(xiàn)L30處理葉片磷積累量最高，較F處理提高了41.79%，說明化肥配施液體牛糞能夠促進玉米葉片磷積累；成熟期玉米各器官磷素向籽粒轉(zhuǎn)移，籽粒磷積累量達到最大值，其中FL60處理籽粒磷素的積累量最高，較F處理提高了12.54%，與除FL30以外的其他處理差異顯著。成熟期植株各器官磷素向生殖器官轉(zhuǎn)移完畢，F(xiàn)L60處理玉米總磷積累量最高，較F處理提高了9.44%。綜上，化肥配施60 t·hm-2的液體牛糞能優(yōu)化磷素在玉米各器官中的比例，促進生殖器官對磷素的吸收效果，增加籽粒磷素積累量，說明液體牛糞與化肥配施能夠促進玉米對磷素的吸收。

表2 不同施肥處理對玉米磷素吸收及轉(zhuǎn)運的影響Table 2 Effects of different fertilization treatments on phosphorus uptake and transport in maize

圖3 不同施肥處理對玉米各器官磷積累量的影響Figure 3 Effects of different fertilization treatments on phosphorus accumulation in maize organs

2.3 不同施肥處理對土壤磷素盈虧的影響

從表3可以看出，隨著液體牛糞施用比例的增加，磷素的盈余增多，F(xiàn)L120處理磷素盈余最多，為27.56 kg·hm-2，較F處理增加了22.05%；FL30、FL60、FL90處理磷素盈余分別為16.44、15.27、20.85 kg·hm-2，與F處理相比分別降低了27.19%、32.37%、7.67%；FL120處理土壤Olsen-P的變化量最大，為15.13 mg·kg-1，是F處理的6.97倍；可見適量配施液體牛糞可以促進玉米對磷素的吸收并降低磷素盈余，而高比例的施用液體牛糞會造成磷素嚴重盈余，大量的磷素盈余會導致磷素在土壤中的積累。由圖2可知，施用90 t·hm-2液體牛糞就可以滿足作物生長對磷素的需求，達到增產(chǎn)的目的。

表3 不同處理條件下土壤磷素盈余狀況（0～20 cm）Table 3 Soil P surplus under different treatment conditions（0～20 cm）

2.4 不同施肥處理對各土層磷累積的影響

從表4可以看出，各施肥處理中有效磷被大量留在了耕層土壤（0～20 cm），這是由于土壤對磷具有吸附作用，因此20 cm以下各處理土壤剖面磷含量均急劇下降；FL120處理耕層土壤磷素積累量最高，較F處理增加了28.92%，與除FL90以外的其他處理差異顯著（P＜0.05）。由圖4可知，成熟期FL120處理在80～100 cm土層Olsen-P含量為14.74 mg·kg-1，相比于吐絲期增長了6.20%，可見過量施用液體牛糞會導致磷素向深層土壤運移，并在土壤中大量積累。

表4 不同深度土層土壤Olsen-P積累情況（kg·hm-2）Table 4 Accumulation of Olsen-P in soils of different depths（kg·hm-2）

如圖4所示，不同處理及不同生育期土壤Olsen-P和CaCl2-P含量與土壤深度之間的關系表現(xiàn)出非常相似的趨勢，0～40 cm土層Olsen-P和CaCl2-P含量隨土層深度的增加急劇下降，40 cm土層以下變化趨勢平緩。與CK處理相比，除表層土壤中Olsen-P顯著提高外，其他土層變化較小，說明施肥能夠提高耕層土壤的Olsen-P含量。與F處理相比，F(xiàn)L30、FL60、FL90、FL120表層土壤Olsen-P含量顯著提高，較F處理增加了24.80%～38.40%，說明施用液體牛糞顯著增加了土壤中Olsen-P含量；在80～100 cm土壤剖面Olsen-P含量顯著增加，表明磷素在土壤中能夠遷移至100 cm土層，且在各剖面中隨著液體牛糞施用量的增加而逐漸增加。對比吐絲期和成熟期各土層Olsen-P含量發(fā)現(xiàn)，各處理在0～40 cm的Olsen-P含量隨著生育期的進行而明顯下降，在40～100 cm隨著生育期的進行表現(xiàn)出不同程度的增加，這是由于作物對耕層養(yǎng)分的吸收以及磷素向深層土壤淋洗導致的；對比吐絲期和成熟期土層中CaCl2-P含量發(fā)現(xiàn)，各處理的CaCl2-P含量隨生育期進行而明顯降低，其中FL90處理和FL120處理表層降低幅度最大，分別減少了54.79%和4.17%，說明配施液體牛糞能促進作物對養(yǎng)分的吸收，但也造成了磷的淋洗。

圖4 吐絲期與成熟期剖面土壤Olsen-P和CaCl2-P含量變化情況Figure 4 Changes of Olsen-P and CaCl2-P contents in soil profile at silking and maturing stages

2.5 土壤磷素淋洗臨界值的確定

如圖5所示，用線性回歸模型描述Olsen-P與CaCl2-P之間的關系（R2=0.964，n=83，P＜0.05），兩者之間存在顯著相關性，圖像總體趨勢為CaCl2-P隨著Olsen-P的增加而增加，在拐點處對應的Olsen-P含量即為土壤磷素淋洗的臨界值。臨界值為48.99 mg·kg-1，對應的CaCl2-P為1.24 mg·kg-1，在臨界值以下，隨Olsen-P增加CaCl2-P的增加趨勢緩慢，Olsen-P每增加1 mg·kg-1時，CaCl2-P僅增加0.016 mg·kg-1，此時Olsen-P的變化范圍為6.55～48.99 mg·kg-1，CaCl2-P的變化范圍為0.39～1.24 mg·kg-1，此時磷肥的施入是以增加土壤的Olsen-P為主，對CaCl2-P的影響偏小，表明磷肥施用首先提高土壤Olsen-P含量。當Olsen-P含量高于48.99 mg·kg-1時，CaCl2-P迅速增加，會引起磷素的淋失風險，Olsen-P每增加1 mg·kg-1時，CaCl2-P增加0.101 mg·kg-1，增幅較之前增加了5.31倍，此時Olsen-P的變化范圍為48.99～82.17 mg·kg-1，CaCl2-P的變化范圍為1.24～4.91 mg·kg-1，表明當土壤中的Olsen-P積累到一定程度后，土壤對施入的磷素的吸附能力下降，使土壤中的磷素更易水解而造成損失，從而增加對環(huán)境潛在的危害。

圖5 土壤Olsen-P與CaCl2-P含量的定量關系Figure 5 Quantitative relationship between Olsen-P and CaCl2-P contents

3 討論

3.1 液體牛糞-化肥配施對玉米產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收的影響

研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)L120處理玉米的產(chǎn)量最高，與F處理相比差異顯著，表明化肥配施液體牛糞能夠為作物提供充足的營養(yǎng)并達到增產(chǎn)效果。有機肥被認為是一種優(yōu)良的土壤改良劑，可以在提供磷的同時提高土壤磷的有效性，從而達到提高產(chǎn)量的效果[12]。20多個長期試驗結(jié)果一致發(fā)現(xiàn)有機肥與礦物肥料配施可使作物產(chǎn)量更高[13]，農(nóng)家肥與化肥配施在提高作物產(chǎn)量的同時，還能提高土壤速效磷、速效鉀和有機碳含量，并延長土壤磷素的有效性[14-15]。糞肥主要通過影響有效氮和有效磷來影響作物產(chǎn)量，這占作物產(chǎn)量變化的64%[16]。

合理配施糞肥，是維持土壤肥力和農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)的重要舉措之一，施用糞肥可以增強微量元素的可利用性[17]，還可以通過礦化提供營養(yǎng)物質(zhì)供植物吸收利用[18]。從表2可以看出，配施液體牛糞能夠提高玉米各器官的磷含量，促進養(yǎng)分的吸收利用。有研究表明糞肥投入比例的增加可以顯著提高植物不同部位的磷含量，提高地上磷的吸收[19]。從圖3可以看出，配施液體牛糞處理的植物各器官磷素積累量有所提高，磷素的總積累量均高于F處理，可見化肥配施糞肥能夠提高肥料利用效率[20]，使作物產(chǎn)量和秸稈生物量增加，獲得更高和更穩(wěn)定的產(chǎn)量[16]。糞便對作物產(chǎn)量有積極的殘留影響[21]，在前期只有一部分糞肥可供植物利用，所以其殘留效應可維持作物產(chǎn)量水平數(shù)年[22]。由于殘留養(yǎng)分的可利用性，作物對糞肥的產(chǎn)量反應可能會超過施用年份[23]，因此，長期施用糞肥的殘留效應常會導致作物產(chǎn)量在后期增加[24]。

3.2 液體牛糞-化肥配施對土壤磷平衡的影響

研究發(fā)現(xiàn)，適量配施液體牛糞可以促進玉米對磷素的吸收并降低磷素盈余，隨著液體牛糞施用比例增加，磷素盈余增多，大量的磷素盈余會導致土壤磷的積累，使土壤中的磷素更容易發(fā)生淋洗損失。土壤中磷積累會增加磷飽和度，降低土壤對磷的吸收能力[25]，使表層土壤中更不穩(wěn)定的磷向下運移到深層土壤[26]。施用糞肥顯著增加磷素盈余和累積，連續(xù)施用糞肥促使土壤磷素活化，促進了土壤中磷的遷移，增加磷素淋失潛能[27]。

施肥處理各土層Olsen-P含量與CK處理相比均呈現(xiàn)出不同程度的增加趨勢，并隨著液體牛糞施用量的增加而增加。連續(xù)施用磷肥會導致土壤中不同形態(tài)磷素的積累，使土壤中各土層Olsen-P含量均得到相應的提高[28]，積累磷盈虧與土壤Olsen-P含量間呈顯著正相關[29-30]。牛糞與化肥配施主要增加了土壤無機磷組成濃度[31]，施用糞肥可促進土壤中有機磷向無機磷的轉(zhuǎn)化，增加土壤中正磷酸鹽的含量[32]，從而提高土壤磷素的有效性和潛在的供應能力，使Olsen-P含量隨土層深度的增加呈下降趨勢[33]。長期施用，特別是大量施用糞肥，會導致磷素在土壤中的積累[34]，因此適量的糞肥配施化肥是提高土壤磷素有效性和利用率的關鍵。

3.3 液體牛糞-化肥配施對土壤磷淋洗風險的影響

研究發(fā)現(xiàn)試驗基地土壤磷素臨界值為48.99 mg·kg-1，施用90 t·hm-2和120 t·hm-2液體牛糞時土壤中Olsen-P含量均超過磷素淋洗的臨界值。所有土壤類型的Olsen-P與CaCl2-P之間都存在一個臨界值點，不同類型土壤的臨界值差異很大，通過研究全國13個地區(qū)的10種土壤類型，得出23個不同地區(qū)及土壤類型的土壤磷素淋洗臨界值，發(fā)現(xiàn)Olsen-P的臨界值點在29.96～156.78 mg·kg-1之間，對應的CaCl2-P在0.14～3.87 mg·kg-1之間[35]。國內(nèi)外文獻統(tǒng)計報道的Olsen-P和CaCl2-P的變化點在17.7～156.0 mg·kg-1之間[11，36-39]。有研究發(fā)現(xiàn)哈爾濱黑土土壤磷素淋洗的臨界值為51.6 mg·kg-1[40]，與本試驗研究結(jié)果相近。不同地區(qū)及類型的土壤臨界值差異很大，確定磷素的臨界水平對于推薦農(nóng)民最佳施肥量具有重要意義。

土壤磷素吸附飽和度值越大，土壤磷素淋洗的臨界值則越低，發(fā)生土壤磷素淋失的風險就越大[41]。酸性土壤的臨界值明顯高于中性和石灰性土壤，并且在臨界值以上CaCl2-P的增幅更大，表明在酸性土壤中，一旦Olsen-P超過臨界值，造成磷流失的風險將極大增加[40]，本研究土壤為偏酸性土，因此土壤磷素的臨界值偏大。由于土壤對磷素的強吸附作用[42]，施用磷肥后大部分磷素留在了土壤耕層，過量施肥會使土壤Olsen-P含量超過磷素淋洗的臨界值，導致磷素淋溶至下層土壤，增加土壤磷流失的風險[43]。本研究結(jié)果表明，當施用糞肥超過90 t·hm-2時就會造成磷素淋失的風險。土壤Olsen-P臨界值的確定是制定合理的磷肥施肥建議、保障環(huán)境安全和作物生產(chǎn)的重要基礎。

4 結(jié)論

（1）化肥配施60 t·hm-2液體牛糞時玉米各器官磷素吸收量最高，配施120 t·hm-2液體牛糞時玉米產(chǎn)量、土壤Olsen-P含量最高，表明配施液體牛糞能夠提高玉米的產(chǎn)量和土壤Olsen-P含量，增強玉米磷吸收和土壤磷的利用效率。

（2）本研究土壤的磷素臨界值為48.99 mg·kg-1，當液體牛糞施用量超過90 t·hm-2時，土壤中Olsen-P含量均超過磷素淋洗的臨界值，土壤磷素淋失風險增加。配施牛糞處理的磷素遷移量顯著高于單施化肥處理，土壤磷素的淋失風險增加。

（3）施用60～90 t·hm-2液體牛糞處理能夠在提高作物產(chǎn)量的同時滿足作物養(yǎng)分吸收，在降低土壤磷素盈余的同時減少磷素淋洗帶來的磷素損失。