液体牛粪与化肥配施对东北春玉米农田土壤磷素平衡的影响

2022-11-04姜佰文刘丽红刘俊辉于士源梁源申海峰邵慧

农业环境科学学报 2022年10期

姜佰文，刘丽红，刘俊辉，于士源，梁源，申海峰，邵慧*

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.北京丹青诺和技术有限公司，北京 100193）

玉米作为第一大粮食作物，对保障国家粮食安全具有重要意义。东北春玉米产区面积约为1 277万hm2，总产量为8 870万t，是国家粮食生产的“压舱石”。磷作为作物的必需营养元素，在玉米生长发育与籽粒产量形成方面发挥重要作用[1]，施用磷肥是补充作物磷营养的重要途径[2]。黑龙江省年均磷肥投入折纯量为55万t，但磷肥利用率不足20%[3]。

伴随畜禽养殖的快速发展，大量粪污的产生加剧了环境压力与污染风险[4]，牛粪排泄物产生量年均高达7 000万t。黑龙江省是奶牛养殖大省，现有奶牛存栏109.7万头，位居全国前10名。大量的牛粪经无害化处理后可与化肥配施，从而减少磷肥投入。施用粪肥替代部分化肥逐渐被认为是缓解磷素缺乏的可行途径，同时也符合国家农业绿色发展政策[5]。集约化养牛场的粪、尿及圈舍冲刷污水经囊式厌氧发酵后的液体牛粪施用技术已在欧美地区得到广泛应用，近年来得益于第三方服务公司的发展，该技术在东北地区方兴未艾，此项目合作企业为哈尔滨丹青农业科技股份有限公司。

目前，针对液体牛粪还田量的研究主要集中于作物产量的农学效应以及粪肥中氮的替代效应，对作物-土壤磷系统平衡的报道较少，而且牛粪还田还比较盲目，重产量、轻环境的现象普遍存在[6]。尤其是液体牛粪含水量较高，过量施用对土壤磷素的淋洗与累积，以及施用后对植株-土壤磷平衡的影响尚不得而知。Olsen-P与CaCl2-P之间的关系一直被作为评估土壤中磷素淋洗风险的重要指标[7]，当Olsen-P的含量超过土壤磷素淋洗临界值时，CaCl2-P含量急剧增加，进而增加磷素的淋失风险[8]。根据Olsen-P与CaCl2-P的相关性分析，可有效评估土壤磷素淋洗风险，从而确定适宜的液体牛粪还田量。

综上所述，本研究以东北春玉米为研究对象，以囊式厌氧发酵后的液体牛粪为材料，田间条件下设置不同化肥-牛粪配施处理，在生育期监测土壤Olsen-P与CaCl2-P的变化，关注植株磷累积与转运，评估液体牛粪还田的土壤磷素累积与淋洗风险，并综合农学与环境因素，确定适宜的液体牛粪还田量，为玉米绿色生产与养分高效管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验于2021年4—10月在黑龙江省哈尔滨市农业科学院玉米研究基地（126°28'26″E，45°51'30″N，海拔120 m）开展。基地为温带半湿润季风气候，年平均气温为4.4℃，年平均降水量为500 mm。供试土壤类型为草甸黑土，0～20 cm耕层土壤理化性质为：pH 6.3，有机质29.36 g·kg-1，全氮1.52 g·kg-1，碱解氮124.25 mg·kg-1，速效磷42.64 mg·kg-1，速效钾166.83 mg·kg-1。

1.2 试验设计

田间试验按照N 200 kg·hm-2、P2O5100 kg·hm-2、K2O 80 kg·hm-2的总养分投入量进行施肥方案设计，包括不施肥处理（CK）、农民习惯施肥处理（即所有肥料播前一次性施入，也称“一炮轰”施肥，F）、化肥与液体牛粪配施处理（牛粪用量分别为30、60、90、120 t·hm-2，分别记为FL30、FL60、FL90、FL120），液体牛粪均作为基肥，于播前一次性施入，各处理的养分投入情况如表1所示。试验采用完全随机区组设计，3次重复，供试玉米品种为垦沃1号，人工播种，播种密度为6万株·hm2，参照当地农民习惯进行机械整地、田间除草与防虫管理。

表1 不同施肥处理养分投入情况（kg·hm-2）Table 1 Nutrient inputs in different fertilization treatments（kg·hm-2）

参照液体粪肥施用指导方法计算粪肥带入的养分量，其余部分以化肥补足。供试化肥分别为尿素（N 46%）、重过磷酸钙（P2O546%）和硫酸钾（K2O 52%）。供试液体牛粪取自双城米特利农业发展有限公司集约化奶牛养殖场，为粪、尿及圈舍冲洗污水经密闭存储囊式厌氧发酵（该装置及发酵技术示意图由北京丹青诺和技术有限公司提供，示意图见图1）后的固液混合物，总氮（N）含量为0.30%，总磷（P2O5）含量为0.08%，有效钾（K2O）含量为0.25%，含水率≥90%，密度为1.04 kg·L-1。

图1 液体粪肥密闭贮存及厌氧发酵处理囊示意图Figure 1 Characteristics of capsule for slurry storage and anaerobic fermentation

1.3 样品的采集及测定

土样的采集与测定：于玉米播种前、吐丝期、成熟期进行土壤样品采集，每小区在株间、行间位置各取1点，打入土钻，深度为0～100 cm，每层20 cm，挑出土样杂质，过1 mm筛后风干，测定各层土壤Olsen-P和CaCl2-P含量。土壤Olsen-P用0.5 mol·L-1NaHCO3（水土比为20∶1）浸提，振荡30 min，土壤CaCl2-P用0.01 mol·L-1CaCl2（水土比为10∶1）浸提，振荡15 min，用钼锑抗比色法在波长为880 nm的紫外分光光计上进行测定[8]。

植物样的采集与测定：采集土壤样品的同时，每小区随机抽选2株长势均匀的代表性植株，按茎、叶、籽粒分开，于105℃杀青30 min，65℃烘干至恒质量，称质量后粉碎、过筛、研磨、H2SO4-H2O2联合消煮，钒钼黄比色法测定植物全磷含量[9]。

收获测产：收获成熟期各小区中间位置20 m2全部植株，记录总穗数并称质量，从中选取10个玉米穗，称10穗总鲜质量和脱粒后10穗籽粒鲜质量，籽粒含水量=（籽粒鲜质量－籽粒烘干质量）/籽粒鲜质量×100%，并记录测产行玉米的总株数、双穗数、空秆数等情况。根据下式[10]计算出每公顷籽粒产量（折合为14%含水量）：

式中：Y为籽粒产量，kg·hm-2；G为总籽粒质量，kg；G1为10穗玉米总鲜质量，kg；G2为脱粒后10穗玉米总鲜质量，kg；W为含水量，%。

1.4 计算公式[11]

植株磷素积累量=干物质积累量×植株磷素含量

土壤表观磷盈亏=磷肥的投入量-作物吸磷量

作物吸磷量=籽粒产量×籽粒含磷量+茎秆生物量×茎秆含磷量+叶片生物量×叶片含磷量

磷素转运量=吐丝期植株磷素积累量-成熟期植株磷素积累量

磷素转运量对籽粒的贡献率=总转运量/成熟期籽粒磷素积累量×100%

1.5 数据处理

CaCl2-P随着土壤Olsen-P的增加而增加，通常会出现突变点，当土壤Olsen-P含量小于突变点时，不会发生磷素淋失，反之就会发生磷素淋失。在突变点以下CaCl2-P含量很低，突变点以上CaCl2-P急剧增加，因此用线性模型定义Olsen-P与CaCl2-P之间的关系，具体关系如下[8]：

式中：x和y分别为土壤Olsen-P和CaCl2-P的含量，mg·kg-1；a和b为模型参数，T为曲线上变化点对应的Olsen-P含量，即该土壤的磷素淋洗临界值。

使用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析，Origin 2019b制图，Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对玉米籽粒产量的影响

如图2所示，所有施肥处理玉米产量均增加，表明施肥是实现玉米增产的重要措施。与F处理相比，化肥与液体牛粪配施可以稳定或提高玉米籽粒产量，其中FL120处理玉米产量最高，为14.72 t·hm-2，与F处理相比提高了32.14%，与CK处理相比提高了46.61%，与除FL90外的其他处理间差异显著；FL90处理玉米产量为12.97 t·hm-2，与F处理相比提高了16.43%；FL30与FL60处理产量略低于F处理，但无显著性差异，说明提高有机肥施用比例具有增产效果。

图2 不同施肥处理对玉米籽粒产量的影响Figure 2 Effects of different fertilization treatments on maize grain yield

2.2 不同施肥处理对植株磷转运与积累的影响

如表2所示，各组织器官的磷含量在FL60处理达到最高，转运对籽粒的贡献效率也达到最高，为49.73%。如图3所示，成熟期叶片磷积累量呈下降趋势，FL30处理叶片磷积累量最高，较F处理提高了41.79%，说明化肥配施液体牛粪能够促进玉米叶片磷积累；成熟期玉米各器官磷素向籽粒转移，籽粒磷积累量达到最大值，其中FL60处理籽粒磷素的积累量最高，较F处理提高了12.54%，与除FL30以外的其他处理差异显著。成熟期植株各器官磷素向生殖器官转移完毕，FL60处理玉米总磷积累量最高，较F处理提高了9.44%。综上，化肥配施60 t·hm-2的液体牛粪能优化磷素在玉米各器官中的比例，促进生殖器官对磷素的吸收效果，增加籽粒磷素积累量，说明液体牛粪与化肥配施能够促进玉米对磷素的吸收。

表2 不同施肥处理对玉米磷素吸收及转运的影响Table 2 Effects of different fertilization treatments on phosphorus uptake and transport in maize

图3 不同施肥处理对玉米各器官磷积累量的影响Figure 3 Effects of different fertilization treatments on phosphorus accumulation in maize organs

2.3 不同施肥处理对土壤磷素盈亏的影响

从表3可以看出，随着液体牛粪施用比例的增加，磷素的盈余增多，FL120处理磷素盈余最多，为27.56 kg·hm-2，较F处理增加了22.05%；FL30、FL60、FL90处理磷素盈余分别为16.44、15.27、20.85 kg·hm-2，与F处理相比分别降低了27.19%、32.37%、7.67%；FL120处理土壤Olsen-P的变化量最大，为15.13 mg·kg-1，是F处理的6.97倍；可见适量配施液体牛粪可以促进玉米对磷素的吸收并降低磷素盈余，而高比例的施用液体牛粪会造成磷素严重盈余，大量的磷素盈余会导致磷素在土壤中的积累。由图2可知，施用90 t·hm-2液体牛粪就可以满足作物生长对磷素的需求，达到增产的目的。

表3 不同处理条件下土壤磷素盈余状况（0～20 cm）Table 3 Soil P surplus under different treatment conditions（0～20 cm）

2.4 不同施肥处理对各土层磷累积的影响

从表4可以看出，各施肥处理中有效磷被大量留在了耕层土壤（0～20 cm），这是由于土壤对磷具有吸附作用，因此20 cm以下各处理土壤剖面磷含量均急剧下降；FL120处理耕层土壤磷素积累量最高，较F处理增加了28.92%，与除FL90以外的其他处理差异显著（P＜0.05）。由图4可知，成熟期FL120处理在80～100 cm土层Olsen-P含量为14.74 mg·kg-1，相比于吐丝期增长了6.20%，可见过量施用液体牛粪会导致磷素向深层土壤运移，并在土壤中大量积累。

表4 不同深度土层土壤Olsen-P积累情况（kg·hm-2）Table 4 Accumulation of Olsen-P in soils of different depths（kg·hm-2）

如图4所示，不同处理及不同生育期土壤Olsen-P和CaCl2-P含量与土壤深度之间的关系表现出非常相似的趋势，0～40 cm土层Olsen-P和CaCl2-P含量随土层深度的增加急剧下降，40 cm土层以下变化趋势平缓。与CK处理相比，除表层土壤中Olsen-P显著提高外，其他土层变化较小，说明施肥能够提高耕层土壤的Olsen-P含量。与F处理相比，FL30、FL60、FL90、FL120表层土壤Olsen-P含量显著提高，较F处理增加了24.80%～38.40%，说明施用液体牛粪显著增加了土壤中Olsen-P含量；在80～100 cm土壤剖面Olsen-P含量显著增加，表明磷素在土壤中能够迁移至100 cm土层，且在各剖面中随着液体牛粪施用量的增加而逐渐增加。对比吐丝期和成熟期各土层Olsen-P含量发现，各处理在0～40 cm的Olsen-P含量随着生育期的进行而明显下降，在40～100 cm随着生育期的进行表现出不同程度的增加，这是由于作物对耕层养分的吸收以及磷素向深层土壤淋洗导致的；对比吐丝期和成熟期土层中CaCl2-P含量发现，各处理的CaCl2-P含量随生育期进行而明显降低，其中FL90处理和FL120处理表层降低幅度最大，分别减少了54.79%和4.17%，说明配施液体牛粪能促进作物对养分的吸收，但也造成了磷的淋洗。

图4 吐丝期与成熟期剖面土壤Olsen-P和CaCl2-P含量变化情况Figure 4 Changes of Olsen-P and CaCl2-P contents in soil profile at silking and maturing stages

2.5 土壤磷素淋洗临界值的确定

如图5所示，用线性回归模型描述Olsen-P与CaCl2-P之间的关系（R2=0.964，n=83，P＜0.05），两者之间存在显著相关性，图像总体趋势为CaCl2-P随着Olsen-P的增加而增加，在拐点处对应的Olsen-P含量即为土壤磷素淋洗的临界值。临界值为48.99 mg·kg-1，对应的CaCl2-P为1.24 mg·kg-1，在临界值以下，随Olsen-P增加CaCl2-P的增加趋势缓慢，Olsen-P每增加1 mg·kg-1时，CaCl2-P仅增加0.016 mg·kg-1，此时Olsen-P的变化范围为6.55～48.99 mg·kg-1，CaCl2-P的变化范围为0.39～1.24 mg·kg-1，此时磷肥的施入是以增加土壤的Olsen-P为主，对CaCl2-P的影响偏小，表明磷肥施用首先提高土壤Olsen-P含量。当Olsen-P含量高于48.99 mg·kg-1时，CaCl2-P迅速增加，会引起磷素的淋失风险，Olsen-P每增加1 mg·kg-1时，CaCl2-P增加0.101 mg·kg-1，增幅较之前增加了5.31倍，此时Olsen-P的变化范围为48.99～82.17 mg·kg-1，CaCl2-P的变化范围为1.24～4.91 mg·kg-1，表明当土壤中的Olsen-P积累到一定程度后，土壤对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损失，从而增加对环境潜在的危害。

图5 土壤Olsen-P与CaCl2-P含量的定量关系Figure 5 Quantitative relationship between Olsen-P and CaCl2-P contents

3 讨论

3.1 液体牛粪-化肥配施对玉米产量及养分吸收的影响

研究发现，FL120处理玉米的产量最高，与F处理相比差异显著，表明化肥配施液体牛粪能够为作物提供充足的营养并达到增产效果。有机肥被认为是一种优良的土壤改良剂，可以在提供磷的同时提高土壤磷的有效性，从而达到提高产量的效果[12]。20多个长期试验结果一致发现有机肥与矿物肥料配施可使作物产量更高[13]，农家肥与化肥配施在提高作物产量的同时，还能提高土壤速效磷、速效钾和有机碳含量，并延长土壤磷素的有效性[14-15]。粪肥主要通过影响有效氮和有效磷来影响作物产量，这占作物产量变化的64%[16]。

合理配施粪肥，是维持土壤肥力和农业绿色生产的重要举措之一，施用粪肥可以增强微量元素的可利用性[17]，还可以通过矿化提供营养物质供植物吸收利用[18]。从表2可以看出，配施液体牛粪能够提高玉米各器官的磷含量，促进养分的吸收利用。有研究表明粪肥投入比例的增加可以显著提高植物不同部位的磷含量，提高地上磷的吸收[19]。从图3可以看出，配施液体牛粪处理的植物各器官磷素积累量有所提高，磷素的总积累量均高于F处理，可见化肥配施粪肥能够提高肥料利用效率[20]，使作物产量和秸秆生物量增加，获得更高和更稳定的产量[16]。粪便对作物产量有积极的残留影响[21]，在前期只有一部分粪肥可供植物利用，所以其残留效应可维持作物产量水平数年[22]。由于残留养分的可利用性，作物对粪肥的产量反应可能会超过施用年份[23]，因此，长期施用粪肥的残留效应常会导致作物产量在后期增加[24]。

3.2 液体牛粪-化肥配施对土壤磷平衡的影响

研究发现，适量配施液体牛粪可以促进玉米对磷素的吸收并降低磷素盈余，随着液体牛粪施用比例增加，磷素盈余增多，大量的磷素盈余会导致土壤磷的积累，使土壤中的磷素更容易发生淋洗损失。土壤中磷积累会增加磷饱和度，降低土壤对磷的吸收能力[25]，使表层土壤中更不稳定的磷向下运移到深层土壤[26]。施用粪肥显著增加磷素盈余和累积，连续施用粪肥促使土壤磷素活化，促进了土壤中磷的迁移，增加磷素淋失潜能[27]。

施肥处理各土层Olsen-P含量与CK处理相比均呈现出不同程度的增加趋势，并随着液体牛粪施用量的增加而增加。连续施用磷肥会导致土壤中不同形态磷素的积累，使土壤中各土层Olsen-P含量均得到相应的提高[28]，积累磷盈亏与土壤Olsen-P含量间呈显著正相关[29-30]。牛粪与化肥配施主要增加了土壤无机磷组成浓度[31]，施用粪肥可促进土壤中有机磷向无机磷的转化，增加土壤中正磷酸盐的含量[32]，从而提高土壤磷素的有效性和潜在的供应能力，使Olsen-P含量随土层深度的增加呈下降趋势[33]。长期施用，特别是大量施用粪肥，会导致磷素在土壤中的积累[34]，因此适量的粪肥配施化肥是提高土壤磷素有效性和利用率的关键。

3.3 液体牛粪-化肥配施对土壤磷淋洗风险的影响

研究发现试验基地土壤磷素临界值为48.99 mg·kg-1，施用90 t·hm-2和120 t·hm-2液体牛粪时土壤中Olsen-P含量均超过磷素淋洗的临界值。所有土壤类型的Olsen-P与CaCl2-P之间都存在一个临界值点，不同类型土壤的临界值差异很大，通过研究全国13个地区的10种土壤类型，得出23个不同地区及土壤类型的土壤磷素淋洗临界值，发现Olsen-P的临界值点在29.96～156.78 mg·kg-1之间，对应的CaCl2-P在0.14～3.87 mg·kg-1之间[35]。国内外文献统计报道的Olsen-P和CaCl2-P的变化点在17.7～156.0 mg·kg-1之间[11，36-39]。有研究发现哈尔滨黑土土壤磷素淋洗的临界值为51.6 mg·kg-1[40]，与本试验研究结果相近。不同地区及类型的土壤临界值差异很大，确定磷素的临界水平对于推荐农民最佳施肥量具有重要意义。

土壤磷素吸附饱和度值越大，土壤磷素淋洗的临界值则越低，发生土壤磷素淋失的风险就越大[41]。酸性土壤的临界值明显高于中性和石灰性土壤，并且在临界值以上CaCl2-P的增幅更大，表明在酸性土壤中，一旦Olsen-P超过临界值，造成磷流失的风险将极大增加[40]，本研究土壤为偏酸性土，因此土壤磷素的临界值偏大。由于土壤对磷素的强吸附作用[42]，施用磷肥后大部分磷素留在了土壤耕层，过量施肥会使土壤Olsen-P含量超过磷素淋洗的临界值，导致磷素淋溶至下层土壤，增加土壤磷流失的风险[43]。本研究结果表明，当施用粪肥超过90 t·hm-2时就会造成磷素淋失的风险。土壤Olsen-P临界值的确定是制定合理的磷肥施肥建议、保障环境安全和作物生产的重要基础。