王 昭,王春雪,祖艳群,李 元,张克强,李 敏,舒正文

(云南农业大学 资源与环境学院,云南 昆明 650201)

水稻是我国的主要粮食作物。为了追求水稻高产,农民加大了化肥的施用量,尤其是氮肥的施用量[1-3]。但水稻对氮肥的利用率不足50%[4],氮素主要通过氨挥发、渗漏、径流等途径流失[5-8]。过量氮肥施入农田导致水稻晚熟,品质下降,氮肥利用效率下降。过量的氮肥还会随地表径流流到周围水体中,形成农业面源污染。为缓解化肥过量施用对水稻及环境的威胁,有关学者提出利用有机肥与化肥配施,改善农田土壤理化性质,提高肥力,有助于水稻高产稳产[9]。

牛粪含有丰富的有机质和氮磷钾等养分,是优质的资源。若农田施用过量的牛粪,易造成土壤中溶解盐含量增加,从而提高土壤的盐分,降低土壤中微生物活性,影响农作物产量[10]。黑水虻(Black soldier fly)学名亮斑扁角水虻(HermetiaillucensL.),是一种自然界广泛分布的腐食性昆虫,其幼虫以畜禽粪便为食,能在两周内降解50%的牛粪堆积[11-13]。与常规牛粪相比,经黑水虻处理后的牛粪物料氮磷含量降低30%～60%,且质地疏松,无臭味[14]。目前对于黑水虻处理后奶牛粪便物料作为肥料,对水稻产量的影响的研究未有相关的报道。尽管黑水虻处理后的牛粪剩余物料氮磷含量有所降低,但仍具有一定的肥力,可以作为肥料施用,用于提高土壤中氮磷及有机质含量[15-16],改善土壤肥力[17-18],促进农作物生长[19-20]。

本研究利用黑水虻幼虫处理后的牛粪物料作为肥料,通过盆栽试验,在等氮量替代下,比较了不同比例牛粪物料与化肥配施对水稻田面水氮素浓度、土壤中氮累积量、水稻籽粒产量及水稻氮素利用的影响，以期在保证水稻不减产的基础上,探索出牛粪物料配施化肥的最佳比例,为在水稻生产上推广及应用提供理论依据。

1 畜禽粪便引起的环境污染现状

1.1 试验区概况

试验区位于云南省大理市农业部环保所大理综合实验站(25°50′N,100°07′E),属于低纬度高原季风气候,干湿季分明,海拔1900 m。年平均气温为21 ℃,年平均降水量为1084 mm,每年降水量集中在5～10月份。试验土壤为水稻土,本研究土壤是稻田中0～20 cm耕作土,其基本理化性质为:pH 7.77,全氮(TN)1.92 g/kg,碱解氮(AN)237.21 mg/kg,全磷(TP)0.40 g/kg,速效磷(AP)125.16 mg/kg,有机质31.89 g/kg。

1.2 牛粪物料的制备

将8000只8日龄黑水虻幼虫接种到装有10 kg新鲜牛粪的塑料箱中(71.0 cm× 45.5 cm× 18.0 cm),将塑料箱搬至室内,室内温度控制在28～30 ℃,每天10:00及15:00搅拌塑料箱中粪便两次,促进幼虫能够充分取食。每3 d向各牛粪处理组中适当补充水分,防止粪便含水量过低而影响黑水虻处理。当塑料箱中幼虫约有40%变为虫蛹(虫体表面颜色由乳白色变为黑褐色)时停止饲养,将虫蛹从牛粪中筛分出,收集剩余的牛粪物料。

1.3 试验设计

试验于2018年6月2日到9月28日进行,共设5个施肥处理,每个处理3次重复,共15个试验盆栽组。盆栽使用的圆形水桶半径为20 cm,高50 cm,每桶装土20 kg,每个水桶间隔40 cm,以防串流。供试牛粪物料为新鲜牛粪经黑水虻生物处理后所得。具体配施处理为:不施肥处理(M0)、单施化肥处理(M1)、30%牛粪物料+70%化肥(M2)、50%牛粪物料+50%化肥(M3)、70%牛粪物料+30%化肥(M4)。除M0处理外,M2、M3和M4处理的氮肥施入量等同单施化肥的M1处理,M1、M2、M3和M4处理施等量的磷肥、钾肥。供试化肥为:尿素(N,46.4%)、过磷酸钙(P2O5,16%)、硫酸钾的(K2O,50%)。牛粪及磷肥、钾肥作为底肥施用,M1的氮肥按1∶1∶1的比例分别在种植前、分蘖期、抽穗期施用。M2、M3和M4的底肥不施用尿素,配施的氮素按1∶1分别在分蘖期、抽穗期施用。不同配比的经黑水虻处理的牛粪与化肥的施用量见表1。

表1 不同配施条件下牛粪物料与化肥的施肥量 g/盆

供试水稻品种为“云粳25”。水稻盆栽密度为7穴/盆,每穴移栽3株秧苗。2018年6月4日插秧,6月16日施分蘖肥,7月27日施穂肥,9月28日收割。供试牛粪由大理实验站养殖场提供,经黑水虻幼虫生物转化处理。处理后牛粪中养分含量(干基)为:TN 2.40 g/kg,TP 0.70 g/kg,TK 2.34 g/kg,含水率为10.53%。盆栽灌溉水来自农灌沟；栽培管理方式同当地田间常规管理。

1.4 样品采集

田面水采集:每次施肥后第2、4、7、10天,上午10:00定时采集田面水样品250 mL,将水样带回实验室,在48 h内测定田面水中总氮(TN)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)浓度。

土壤样品采集:在水稻种植前取稻田0～20 cm耕作土,研磨过20目筛,平铺于晒谷场,自然风干,随机取3份混合样,测定土壤TN、TP含量。将其它土样装在水桶中,每个桶装20 kg。在水稻成熟后,多点采集表层0～20 cm土,重复3次。将采集的土壤均匀混合,风干过筛备用。

牛粪样品采集:在黑水虻幼虫转化处理后的牛粪堆中,随机取6个粪样,平铺于晒谷场,自然风干,研磨过60目筛备用。

1.5 测定指标及计算方法[21-23]

1.5.1 水稻田面水氮素浓度的测定 田面水TN、NH4+-N和NO3--N浓度按照土壤农化分析方法测定。

1.5.2 植株氮累积量的测定 将收获的水稻植株样品分为茎、叶、穗、根、籽粒等部分,烘干称重。研磨后用H2SO4-H2O2消煮,采用凯氏定氮法测定氮含量。

1.5.3 土壤全氮、碱解氮含量的测定 水稻成熟期土壤TN含量采用凯氏定氮法测定,土壤AN含量采用扩散法测定。

1.5.4 水稻氮素利用率的计算 相关计算公式如下：氮肥农学利用率(kg/kg)=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量;

氮肥吸收利用率(%)=(施氮区地上部吸氮量-空白区地上部吸氮量)/氮施用量×100%;

氮肥偏生产力(kg/kg)=施氮区水稻产量/施氮量;

氮肥贡献率(%)=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮区产量×100%。

1.6 数据统计分析

采用SPSS 19.0对试验数据进行方差分析,使用Origin 9.1作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理下田面水氮素浓度的变化特征

如图1a所示,各配施处理(M0除外)施用底肥2 d后,田面水TN浓度达到峰值,维持在1.50～46.60 mg/L；随后逐渐下降,10 d后降到最低,分布在0.76～14.30 mg/L。施用分蘖肥后,各配施处理田面水TN浓度升高,在施肥后2～4 d内田面水TN浓度达到峰值,各处理峰值期田面水TN浓度由高到低排列为:M1(36.11 mg/L)>M2(31.84 mg/L)>M3(21.46 mg/L)>M4(10.35 mg/L)；随后逐渐下降,7 d后趋于稳定,最终维持在0.76～2.57 mg/L。施用穂肥后,各处理田面水TN浓度在施肥2～4 d后达到峰值,各处理峰值期田面水TN浓度由高到低排列为: M1(44.90 mg/L)>M2(42.53 mg/L)>M3(26.04 mg/L)>M4(21.73 mg/L)；随后逐渐下降,7 d后趋于稳定,维持在1.14～1.55 mg/L。与M1处理相比,M2、M3和M4处理的田面水TN浓度分别降低了26.70%、15.90%和23.80%。不施肥的M0处理田面水TN浓度在各时期均低于其余配施处理,分布在0.32～6.03 mg/L范围内。

图1 牛粪物料配施化肥对田面水TN、NH4+-N和NO3--N浓度的影响

如图1b所示,各配施处理施用底肥2 d后,田面水NH4+-N浓度达到峰值,维持在0.90～1.51 mg/L,随后逐渐下降,10 d后降到最低,分布在0.70～2.74 mg/L。施用分蘖肥后,各配施处理田面水NH4+-N浓度升高,在施肥后2 d内达到峰值,各处理峰值期田面水NH4+-N浓度由高到低排列为:M3(11.63 mg/L)>M1(8.81 mg/L)>M4(8.27 mg/L)>M2(7.23 mg/L)；随后逐渐下降,7 d后趋于稳定,最终维持在0.54～1.62 mg/L。施用穂肥后,各处理田面水NH4+-N浓度在施肥2～4 d后达到峰值,各处理峰值期田面水NH4+-N浓度由高到低排列为:M3(14.84 mg/L)>M2(14.65 mg/L)>M1(13.68 mg/L)>M4(9.75 mg/L)；随后逐渐下降,7 d后趋于稳定,维持在1.09～1.16 mg/L。与M1处理相比,M2、M3和M4处理的田面水NH4+-N浓度分别降低了5.89%、6.46%和2.44%。M0处理的田面水NH4+-N浓度在各时期均低于其余配施处理,分布在0.21～0.92 mg/L范围内。

如图1c所示,各配施处理(M1除外)施用底肥后,田面水NO3--N浓度升高,4 d后达到最大值,随后逐渐下降,10 d后降到最低,分布在0.58～8.41 mg/L。施用分蘖肥后,各配施处理的田面水NO3--N浓度在施肥后4 d内达到峰值,由高到低排列为:M1(10.39 mg/L)>M2(2.82 mg/L)>M4(2.34 mg/L)>M3(1.36 mg/L)；随后逐渐下降,7 d后趋于稳定,最终维持在0.59～1.14 mg/L。施用穂肥后,各处理的田面水NO3--N浓度在施肥4 d后达到峰值,各处理峰值期田面水NO3--N浓度由高到低排列为:M3(0.91 mg/L)>M4(0.66 mg/L)>M1(0.63 mg/L)>M2(0.49 mg/L)；随后逐渐下降,7 d后趋于稳定,维持在0.32～0.59 mg/L。与M1处理相比,M2、M3和M4处理的田面水NO3--N浓度分别降低了46.40%、37.09%和25.81%。

2.2 不同处理下水稻成熟期土壤全氮、碱解氮含量

由表2可知,水稻成熟时,各处理土壤TN含量由高到低依次为M3(1.75 g/kg)>M4(1.66 g/kg)>M2(1.59 g/kg)>M1(1.47 g/kg)>M0(1.01 g/kg)。与M0处理相比,M1、M2、M3和M4处理土壤TN含量分别提高了45.54%、57.43%、73.27%和64.36%,差异显著。土壤AN含量由高到低依次为M3(286.97 mg/kg)>M1(270.66 mg/kg)>M4(269.22 mg/kg)>M2(250.55 mg/kg)>M0(176.82 mg/kg)。与M0处理相比,M1、M2、M3和M4处理土壤TN含量分别提高了53.07%、41.70%、62.29%和52.26%,差异显著。总体来说,M0处理土壤TN、AN含量最低,M3处理土壤TN、AN含量最高。

表2 牛粪物料配施化肥对土壤全氮和碱解氮含量的影响

注:表中数据为平均值±标准差,同列数据后标注的不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.3 不同处理下水稻产量性状指标与氮素累积量

由表3可知,在等氮量替代下,随着牛粪物料配施比例的增加,水稻茎叶产量、籽粒产量、株高和分蘖数呈先升高后降低的趋势。50%牛粪物料配施化肥的M3处理水稻茎叶产量、籽粒产量、株高和分蘖数最多,分别为9.18 g/盆、11.62 g/盆、88.92 cm和7.93个,与单施化肥的M1处理相比无显著差异，但比M2处理分别提高了4.44%、2.47%、0.85%和2.59%，较M4处理分别提高了12.5%、9.73%、2.75%和23.91%(差异显著)。在牛粪物料配施各处理中(M0除外),M2处理茎叶的氮素累积量(0.62 g/盆)最低,M1处理的茎叶氮素累积量(0.74 g/盆)最高,且M1和M3处理间茎叶氮素累积量无显著差异。M4处理的籽粒氮素累积量(0.85 g/盆)最低,显著低于M1、M2和M3处理；M2和M1、M3处理的籽粒氮素累积量无显著差异。植株氮素累积量(籽粒与茎叶之和)由高到低依次为:M3(1.66 g/盆)>M1(1.64 g/盆)>M2(1.52 g/盆)>M4(1.50 g/盆)>M0(1.06 g/盆),其中M3处理植株的氮素累积量最高,M0最低,但M1和M3处理间差异不显著。

2.4 不同处理下水稻氮素利用率

由表4可知,随着牛粪物料配施比例的增加,M2、M3和M4处理的水稻氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生产力和氮肥贡献率均呈现先升高后下降的趋势。当50%牛粪物料配施化肥时(M3),氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生产力和氮肥贡献率最大,分别为7.84 kg/kg、39.48%、13.59 kg/kg和57.67%,较30%牛粪物料配施处理分别提高了5.95%、30.73%、3.35%和1.49个百分点；继续增加牛粪物料的配施比例,水稻的氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生产力和氮肥贡献率均呈现降低趋势,差异显著。与单施化肥的M1处理相比,M3处理的氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生产力和氮肥贡献率分别提高了0.51%、4.06%、0.30%和0.11个百分点。综合表3和表4可知,在等氮量替代下,50%牛粪物料配施化肥,在保证水稻产量的同时,可使水稻的氮肥农学利用率、氮肥偏生产力和氮肥贡献率得到提升。

表3 牛粪物料配施化肥对水稻生长、产量和氮累积量的影响

表4 牛粪物料配施化肥对水稻氮素利用率的影响

3 讨论

3.1 不同处理对水稻田面水氮素浓度的影响

稻田田面水中氮素流失风险与氮素施肥量密切相关,施肥量越多,氮素流失的风险越大[24]。每次施肥后一周内水稻田面水中氮素的动态变化较大,有机肥替代化肥可降低氮肥施用量,从而降低水稻田面水中氮素浓度。张丽娟等[25]认为,氮肥分次施用条件下田面水TN和NH4+-N浓度在每次施肥后1～2 d后达到峰值,NO3--N浓度在施肥后第4天达到峰值。郑小龙等[24]研究表明,不同施肥处理田面水中TN和NH4+-N浓度在施底肥和追肥后的第2天达到峰值,施肥7 d后田面水中TN和NH4+-N浓度迅速降低至施肥前水平。本研究中水稻田面水TN、NH4+-N和NO3--N浓度在每次施肥2～4 d后达到峰值,之后随时间推移快速下降,7 d后趋于稳定,说明施肥后一周内水稻田面水中氮素的动态变化较大,是控制稻田氮素流失的最佳时期,这与郑小龙等[24]的研究结果一致。在追肥后,M2、M3和M4处理的田面水TN、NH4+-N浓度高于单施化肥的M1处理,随着牛粪替代比例的增加,田面水NH4+-N和NO3--N浓度升高,这与魏静等[26]的研究结果不同。牛粪物料作为底肥施用后,M2、M3和M4处理均能降低田面水氮素浓度,其中M2处理田面水TN浓度降低幅度最大。因此,50%牛粪替代化肥处理能降低稻田氮素流失风险。

3.2 不同处理对水稻成熟期土壤全氮、碱解氮含量的影响

土壤全氮、碱解氮含量可以体现土壤的供氮能力[27]。王小利等[27]研究发现,牛粪化肥配施处理能显著提高土壤全氮含量,效果高于单施化肥处理,土壤全氮含量提高33.59%。张雪丽等[28]研究表明,50%有机肥配施化肥能提高0～20 cm土壤全氮含量,效果高于单施化肥处理和单施有机肥处理。张国荣等[29]研究发现,与单施化肥相比,施用有机肥能显著提高土壤全氮、碱解氮含量。本试验结果表明,与M0处理相比,牛粪物料配施化肥能提高土壤全氮、碱解氮含量，其中50%牛粪物料配施时,土壤全氮和碱解氮含量最高,高于单施化肥的M1处理,原因是M1处理中化肥氮素施入土壤后易通过淋洗、下渗、氨挥发等方式损失,在土壤中累积量少，而牛粪矿化速率慢,损失少,易在土壤中累积。这与张国荣等[29]的研究结果一致。

3.3 不同处理对水稻产量及氮肥利用率的影响

有机肥中含有大量腐殖质及养分,能满足水稻生长对养分的需求,改善土壤肥力。但有机肥矿化速度慢,养分释放缓慢,单施有机肥的增产效果不明显。当有机肥与化肥配施时,化肥氮能为水稻生长前期提供养分,而有机肥可以满足水稻生长后期对养分的需求,提高水稻的氮肥利用率,促进农作物增产[30-33]。魏静等[26]通过盆栽试验发现：有机肥与化肥配施处理与单施化肥处理相比,水稻籽粒产量、氮肥农学效率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生产力显著提高；当有机肥与化肥按1∶1配施时,水稻籽粒产量、氮肥农学效率和氮肥吸收利用率最大；但继续增加或减少牛粪替代量均不利于水稻产量和氮肥利用率的提高。本研究结果显示：在等氮量替代条件下,在50%牛粪物料配施化肥处理中水稻籽粒产量、籽粒氮素累积量、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力和氮肥贡献率最大,显著高于单施化肥处理；继续增加牛粪物料的配施比例,水稻籽粒产量、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力和氮肥贡献率会显著降低。这与前人的研究结果[26]一致。说明在等氮量替代下,50%牛粪物料与化肥配施处理,能保证水稻籽粒产量,促进水稻对氮素的吸收。

4 结论

在等氮量替代下,牛粪物料配施化肥有利于提高水稻对氮素的吸收与利用,增加水稻籽粒氮素累积量,提高水稻产量。牛粪养分释放慢,与化肥配施在满足水稻生长前期对养分需求的同时,又能使田面水中氮素浓度维持在较低水平,减轻田面水氮流失风险。在水稻收获后,牛粪物料配施化肥处理均能提高土壤中氮素累积量,降低氮素的损失。综合水稻产量和水稻氮肥利用率,利用50%牛粪物料配施化肥既能保证水稻不减产,降低田面水中氮素浓度,还能提高土壤中氮素的累积。