吳茜虞,續(xù)勇波,雷寶坤,李孫寧,徐卓穎

(1.云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,昆明 650201;2.云南農(nóng)業(yè)大學煙草學院,昆明 650201;3.云南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所,昆明 650205)

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于云南省大理市古生村生態(tài)種植示范基地(25°48′ N,100°08′ E)。該地區(qū)屬低緯高原中亞熱帶西南季風氣候,海拔1964 m, 年平均降水量1065.7 mm,多年平均氣溫15 ℃。該區(qū)主要以夏水稻-冬油菜水旱輪作為主。試驗開始前測定0～20 cm土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗前土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Soil physico-chemical properties before experiments

1.2 試驗設計

單因素隨機區(qū)組設計,共設置5個處理,CK1:不施肥處理(只種植作物,田間管理措施相同);CK2:單施化肥處理按m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O) =1∶0.4∶0.5(農(nóng)業(yè)部推薦)比例施用,尿素(46%N)391 kg/hm2、過磷酸鈣(16%P2O5)450 kg/hm2、硫酸鉀(13%K2O)692 kg/hm2,磷肥和鉀肥作基肥在移栽前一次性撒施;氮肥按m(基肥)∶m(分蘗肥)∶m(孕穗肥)∶m(粒肥)=4∶3∶1.5∶1.5比例施用;T1:豬糞全量替代化肥處理[氮(N)2.94%,磷(P2O5)1.02%,鉀(K2O)3.57%,C/N 14];T2:牛糞全量替代化肥處理[氮(N)1.99%,磷(P2O5)0.19%,鉀(K2O)0.32%,C/N 26];T3:雞糞全量替代化肥處理[氮(N)4.26%,磷(P2O5)0.26%,鉀(K2O)1.47%,C/N 8]。每個處理3次重復,共15個小區(qū),每個小區(qū)3.0 m×9.7 m=29.1 m2。等氮量替代原則,N養(yǎng)分投入量180 kg/hm2。選用當?shù)胤N植品種云粳37為供試材料,種植密度34穴/m2,行株距11.8 cm×24.8 cm。施用前測定各糞肥的養(yǎng)分含量,根據(jù)全氮含量和含水率計算各處理糞肥實際施用量(表2),豬糞、牛糞和雞糞在移栽淹水前翻耕時一次性施入,翻耕深度約為20 cm。于2021年6月5日移栽,2021年10月23日收獲。各施肥處理肥料投入成本見表3。

表2 各處理施肥量和養(yǎng)分折純Table 2 Fertilizer amount and nutrient content in each treatment

表3 各施肥處理肥料投入成本Table 3 Fertilizer input cost of each fertilizer treatment

1.3 樣品采集及測定

水稻收獲時每個小區(qū)選取有代表性的5穴植株,測量植株生物量(穗長、株高),齊地收割帶回實驗室,籽粒分成2份,1份風干(用于測量千粒重、實穗率),1份烘干(烘箱105 ℃殺青0.5 h,75 ℃烘干至恒重。分成籽粒和秸稈兩部分)。研磨過篩,測定全氮含量。每個小區(qū)實收測產(chǎn)(以穗粒含水13.5%來計算產(chǎn)量)。

1.4 結(jié)果計算及統(tǒng)計分析

1.4.1 結(jié)果計算 水稻氮素積累量、氮肥表觀利用率(Nitrogen apparent efficiency,AEN)、氮肥偏生產(chǎn)力(Nitrogen fertilizer partial productivity, PFPN)、氮素收獲指數(shù)(Nitrogen harvest index, NHI)、氮肥貢獻率(Contribution rate of nitrogen fertilizer, FCRN)、氮肥生理利用率(Nitrogen physiological efficiency, PEN)的計算公式均參考文獻[17]。水稻氮素積累量(kg/hm2)= (籽粒產(chǎn)量×籽粒含氮量)+(秸稈產(chǎn)量×秸稈含氮量);AEN(%)=(施氮區(qū)地上部總吸氮量-不施氮區(qū)地上部總吸氮量)/施氮量×100;PFPN(kg/kg)= 施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量/施氮量;NHI(%)= 籽粒吸氮量/地上部總吸氮量×100;FCRN

(%)=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/ 施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量×100;PEN(kg/kg)= (施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/(施氮區(qū)地上部吸氮量-不施氮區(qū)地上部吸氮量)。

1.4.2 統(tǒng)計分析 使用Excel 2019 軟件歸納和處理數(shù)據(jù),SPSS 21.0軟件采用 LSD 法對不同施肥處理進行單因素方差分析和顯著性差異檢驗,Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同糞肥全量替代處理土壤氮素含量

由圖1-A可知,施肥能顯著提高土壤全氮含量,較CK1處理增加14.81%～20.42%;T1、T3處理土壤全氮含量較CK2處理分別顯著提高4.89%和3.83%,T2處理與CK2處理相比差異不顯著。

同一指標上不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Different letters on the same index indicate significant differences under the multiple comparisons (P<0.05). The same as below.圖1 各處理土壤氮素含量 Fig.1 Soil nitrogen content in each treatment

不同施肥處理間土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量有一定差異(圖1-B)。各處理土壤銨態(tài)氮含量:CK2[(22.99±0.56)mg/kg]>T3[(19.46±0.49)mg/kg]>T2[(19.37±0.18)mg/kg]>T1[(16.28±1.97)mg/kg]>CK1[(15.62±2.18)mg/kg],土壤銨態(tài)氮含量T1、T2、T3處理較CK2處理分別顯著降低29.18%、15.75%、15.36%。各處理土壤硝態(tài)氮含量:T3[12.12±1.27)mg/kg]>T2[(10.63±1.15)mg/kg]>T1[(10.06±0.25)mg/kg]>CK2[(9.66±1.50)mg/kg]>CK1[(8.47±0.39)mg/kg],土壤硝態(tài)氮含量T3處理較CK2顯著提高25.51%,T1、T2處理較CK2處理差異不顯著。

2.2 不同糞肥全量替代處理土壤有機質(zhì)含量

由圖2可知,糞肥全量替代處理較CK1、CK2處理顯著提高土壤有機質(zhì)含量。各處理土壤有機質(zhì)含量:T2[(61.72±11.72)g/kg]>T1[(47.82±8.94)g/kg]>T3[(45.64±1.26)g/kg]>CK2[(33.18±2.24)g/kg]>CK1[(24.8±1.82)g/kg]。土壤有機質(zhì)含量T1(豬糞)、T2(牛糞)、T3(雞糞)處理較CK2處理分別顯著提高44.10%、85.98%、37.52%;T1和T3處理相比差異不顯著,CK1處理和CK2處理相比差異不顯著。

圖2 各處理土壤有機質(zhì)含量 Fig.2 Soil organic matter content in each treatment

2.3 不同糞肥全量替代處理水稻產(chǎn)量及氮素積累量

水稻產(chǎn)量與養(yǎng)分供應有關(guān),施用糞肥或單施化肥都能提高水稻產(chǎn)量(表4)。各處理水稻產(chǎn)量呈T3>CK2>T1>T2>CK1。水稻產(chǎn)量T2(牛糞)處理較CK2處理顯著降低14.96%;T1(豬糞)、T3(雞糞)處理與CK2處理相比差異不顯著。分析各處理水稻產(chǎn)量構(gòu)成可知,不同糞肥全量替代處理千粒重、實穗率、穗長和株高與單施化肥處理相比均無顯著差異。

表4 各處理水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 4 Rice yield and yield components of each treatment

如圖3所示,與CK1處理相比,CK2、T1(豬糞)和T3(雞糞)處理均顯著增加水稻地上部總氮素積累量,且CK2、T1和T3處理間差異不顯著。地上部氮素積累量T2(牛糞)處理較CK2處理顯著降低20.00%。各處理水稻地上部氮素積累量:T3[(148.39±12.89)kg/hm2]>CK2[(136.66±17.39)kg/hm2]>T1[(132.04±9.63)kg/hm2]>T2[(109.33±2.44)kg/hm2]>CK1[(94.90±2.17)kg/hm2]。其中各施肥處理籽粒氮素積累量占比呈CK1>T1>CK2>T2>T3,秸稈氮素積累量占比呈T3>T2>CK2>T1>CK1。

百分比代表籽粒、秸稈吸氮量在地上部總吸氮量的占比。The percentages in the figure represent the proportion of nitrogen uptake by grains and straws in the total nitrogen uptake.圖3 各處理水稻地上部氮素積累量Fig.3 Aboveground nitrogen accumulation in each treatment

2.4 不同糞肥全量替代處理水稻氮素吸收利用效率

由表5可知,不同施肥處理水稻氮肥表觀利用率呈T3>CK2>T1>T2的規(guī)律;氮肥表觀利用率T1(豬糞)、T3(雞糞)處理與CK2處理相比差異不顯著,T2(牛糞)處理較CK2處理顯著降低65.44%。各施肥處理氮肥偏生產(chǎn)力與氮肥表觀利用率呈現(xiàn)出相同規(guī)律,且各施肥處理間無顯著差異。各施肥處理氮素收獲指數(shù):T1>CK2>T2>T3,且處理間差異不顯著。各施肥處理氮肥貢獻率也與氮肥表觀利用率呈現(xiàn)出相同規(guī)律,除T2(牛糞)處理外,其余糞肥全量替代處理與單施化肥處理相比均無顯著差異。各施肥處理氮肥生理利用率:T3>T1>CK2>T2,T1(豬糞)和T3(雞糞)處理較CK2處理差異不顯著。

表5 各施肥處理氮素吸收利用效率Table 5 Nitrogen use efficiency of each fertilization treatment

2.5 地上部氮素吸收利用效率與水稻產(chǎn)量的相關(guān)性分析

通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),在本試驗中氮肥表觀利用率(圖4-A)、氮肥偏生產(chǎn)力(圖4-B)、氮肥收獲指數(shù)(圖4-C)及氮肥生理利用率(圖4-D)與水稻產(chǎn)量均呈極顯著相關(guān)。

*表示在 0.05 水平上差異顯著,**表示在 0.01 水平上差異顯著。 * means significant difference at the 0.05 level, and ** means significant difference at 0.01 level.圖4 地上部氮素吸收利用率與水稻產(chǎn)量的關(guān)系Fig.4 Relationship between aboveground nitrogen uptake and utilization rate and rice yield

3 討 論

3.1 不同糞肥全量替代對稻田土壤氮素和有機質(zhì)含量的影響

土壤全氮(TN)和有機質(zhì)(SOM)是土壤供肥能力的重要指標。糞肥中不僅有豐富的碳、氮源,能為土壤補充有機質(zhì)并改善土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu),提高土壤供肥能力,還含有多種有益微生物,刺激土壤微生物活性,促進物質(zhì)轉(zhuǎn)換[10,18]。

3.2 不同糞肥全量替代對水稻產(chǎn)量及氮素吸收利用效率的影響

作物產(chǎn)量和植株氮素吸收利用效率都是衡量糞肥還田可行性的重要參數(shù)。糞肥能提高土壤有機質(zhì),提高土壤供肥能力,改善土壤結(jié)構(gòu),促進作物根系生長,影響植株對養(yǎng)分的吸收利用和作物產(chǎn)量[13,15-16]。本試驗中,各施肥處理水稻產(chǎn)量構(gòu)成并無顯著差異。與單施化肥處理相比,豬糞和雞糞全量替代均實現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)。植株氮素積累量是影響水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因素,本試驗中豬糞和雞糞全量替代處理籽粒含量較單施化肥處理無顯著差異,這可能是穩(wěn)產(chǎn)的主要原因。

氮素吸收利用效率取決于土壤和肥料的氮素供應,植株氮素積累影響作物產(chǎn)量進而影響氮素吸收利用率[26-27]。本試驗中豬糞和雞糞全量替代處理氮素吸收利用率與單施化肥處理均無顯著差異,但也有研究指出長期豬糞全量替代較單施化肥顯著降低氮肥農(nóng)學利用率[28],這可能與試驗周期有關(guān),需繼續(xù)監(jiān)控糞肥替代的長期效應。不同于豬糞和雞糞全量替代處理,牛糞全量替代處理較單施化肥處理顯著降低了植株氮素積累量、水稻產(chǎn)量、氮肥表觀利用率、氮肥貢獻率和氮肥生理利用率,可能是牛糞碳氮比(C/N=26)較高的原因,過高的碳氮比限制了土壤微生物的分解作用,還可能與植株爭奪養(yǎng)分,影響植株對養(yǎng)分的吸收利用進而影響作物生長。

4 結(jié) 論

綜合肥料投入成本,豬糞和雞糞均能在減少種植成本的前提下保障水稻產(chǎn)量,提高土壤全氮(TN)、有機質(zhì)(SOM)含量,既穩(wěn)產(chǎn)又能改善土壤供肥能力。相較雞糞全量替代處理,豬糞全量替代處理降低氮素的淋溶流失風險,是較優(yōu)的可全量替代化肥的備選糞肥種類。