秋季一次基施有機(jī)肥對牛糞氮素利用的影響

秋季一次基施有機(jī)肥對牛糞氮素利用的影響

冬季小麥粒和夏季玉米的輪作是中國北方主要的耕作方式。2008年該地區(qū)小麥、玉米播種面積分別占全國小麥、玉米種植面積的51.1%和34.2%。近年來,畜禽糞便在冬小麥-夏玉米輪作體系中有了較大的投入。據(jù)調(diào)查,有機(jī)肥氮在該輪作體系平均施用量已達(dá)N68kg/(hm2.a),以養(yǎng)殖業(yè)農(nóng)戶投入為主。隨著養(yǎng)殖業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,畜禽糞便排放量還會進(jìn)一步增大,由此造成有機(jī)肥氮素在該輪作體系的投入量還會增加。冬小麥-夏玉米輪作體系一般采用秋季翻耕、夏季直播的耕作方式,為節(jié)約勞動力成本和提高肥料利用效率,投向該輪作體系的有機(jī)肥普遍在秋耕前作為基肥一次性施入。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,有機(jī)肥氮素在冬小麥季的平均投入量是夏玉米季的7.6倍。在冬季霜期較短、雨量豐富的歐洲,秋季施用有機(jī)肥氮素?fù)p失率較高,利用效率較低;為保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境,荷蘭等許多國家已通過環(huán)境立法禁止農(nóng)民在秋季施用液態(tài)畜禽糞便等有機(jī)肥。但在冬季寒冷干燥的華北平原,影響氮素?fù)p失和利用的氣候條件不同于歐洲,秋季施用有機(jī)肥的氮素?fù)p失及利用也可能存在差異。如果在華北平原秋季一次基施有機(jī)肥氮素?fù)p失率較低,則會因其環(huán)境友好而較適宜推廣應(yīng)用。但目前在該區(qū)域內(nèi)針對秋季一次基施有機(jī)肥方式下的氮肥損失及利用,尤其在田間原位條件下采用15N示蹤技術(shù)的研究尚未見報(bào)道。為此,以占我國畜禽糞便氮排放量比例最高的牛糞為研究對象,通過跟蹤15N標(biāo)記牛糞在作物-土壤體系的去向,研究秋季一次性基施有機(jī)肥氮素在冬小麥-夏玉米輪作體系的損失及利用效率,為該施肥方式在華北平原的氮素環(huán)境效應(yīng)提供評估依據(jù)。1材料和方法1.1長期使用化肥兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均位于華北平原,屬暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候。試驗(yàn)一布置在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院山東陵縣試驗(yàn)站(E116°38′,N37°20′),該農(nóng)田長期施用化肥,土壤類型為潮土,質(zhì)地為輕壤質(zhì),無霜期為208d,年均氣溫12.9℃,年均降水量547.5mm;試驗(yàn)二布置在天津薊縣楊辛莊村東(E117°27′,N39°59′),該農(nóng)田近5年連續(xù)施用有機(jī)肥,土壤類型為棕壤,質(zhì)地為輕壤質(zhì),無霜期195d,年均氣溫11.5℃,年均降水量678.6mm。兩試驗(yàn)點(diǎn)土壤基本性狀見表1。1.21標(biāo)記玉米纖維用改進(jìn)并含有15N標(biāo)記硫酸銨的Hogland營養(yǎng)液砂培種植15N標(biāo)記玉米;然后將15N標(biāo)記玉米和非標(biāo)記玉米以氮含量55∶45的比例混合飼喂一頭2齡黃牛,并收集15N標(biāo)記牛糞尿,測得牛糞尿含N1.626%,15N原子百分超為8.044。1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.3.1hm23gm處理該試驗(yàn)在山東陵縣進(jìn)行。供試作物為冬小麥(煙農(nóng)19)和夏玉米(鄭單958),供試肥料為15N標(biāo)記牛糞、普通牛糞、15N標(biāo)記硫酸銨(15N原子百分超為10.03)和普通硫酸銨。試驗(yàn)設(shè):不施肥(CK),牛糞N300kg/hm2(M300),牛糞N450kg/hm2(M450),硫酸銨N300kg/hm2(F300),硫酸銨N450kg/hm2(F450)共5個(gè)處理,3次重復(fù)。其中牛糞為秋季一次基施;硫酸銨在冬小麥季分3次,在夏玉米季分2次施入(表2)。試驗(yàn)采用小區(qū)套微區(qū)方法。在小區(qū)(5m×6m)內(nèi)設(shè)計(jì)微區(qū)(65cm×65cm),微區(qū)內(nèi)施入15N標(biāo)記肥料,微區(qū)以外小區(qū)其它部分施入等氮量未標(biāo)記肥料,每個(gè)微區(qū)隨機(jī)排列。設(shè)置微區(qū)時(shí)首先在田間原位挖1m深(65cm×65cm)土柱,然后將相同規(guī)格1.1m高的無底土柱桶(鍍鋅鐵皮桶)自上而下套入土柱。土柱桶頂端高出地面10cm,防止微區(qū)內(nèi)因灌溉、降水等導(dǎo)致15N流失。土柱桶與土柱間縫隙用原狀土精細(xì)回填,防止15N隨水分通過桶-土界面淋入深層。微區(qū)施入15N標(biāo)記牛糞時(shí),首先取部分微區(qū)表土與之充分混勻,然后散播于微區(qū)表面,再分別通過縱橫翻耕施入深層,以保證隨后采集土樣的代表性。所有施用硫酸銨的小區(qū)或微區(qū),在冬小麥播前施P2O560kg/hm2、K2O120kg/hm2;在夏玉米三葉期施P2O560kg/hm2、K2O150kg/hm2;磷、鉀肥為普通過磷酸鈣(P2O516%)和硫酸鉀(K2O50%)。冬小麥于2007年10月30日播種,2008年6月11日收獲。夏玉米于2008年6月13日播種,9月25日收獲。1.3.2施肥及計(jì)量試驗(yàn)在天津薊縣進(jìn)行。供試作物為冬小麥(北農(nóng)66)、夏玉米(鄭單958),供試肥料為普通牛糞和普通硫酸銨。試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理:不施肥(CK);牛糞N300kg/hm2(M300);硫酸銨N300kg/hm2(F300),各處理3次重復(fù)。試驗(yàn)小區(qū)面積3m×10m,隨機(jī)區(qū)組排列。施用硫酸銨的小區(qū)施用磷、鉀肥,施肥品種同1.3.1,施肥時(shí)間及用量見表2。冬小麥于2007年10月10日播種,2008年6月11日收獲;夏玉米于2008年6月25日播種,9月27日收獲。1.4土樣、植株樣采集冬小麥、夏玉米收獲后,每個(gè)小區(qū)和微區(qū)分別采集土樣與植株樣。土樣分0—10、10—20、20—50、50—80cm4層,小區(qū)內(nèi)按“S”型分4鉆采集分層混合土樣,微區(qū)內(nèi)在冬小麥?zhǔn)斋@后分2鉆、夏玉米收獲后分3鉆采集分層混合土樣。微區(qū)采完土壤后,用與土鉆同直徑的PVC管插入采樣孔底部,并把上部夯實(shí)。PVC管高出表土10cm,頂端加蓋以防表層15N隨灌溉或降雨流入深層,影響試驗(yàn)結(jié)果。植株樣采集分為地上部秸稈和子粒兩部分。土樣測定全氮和硝態(tài)氮,微區(qū)土樣加測全氮15N豐度;植株樣測定全氮,微區(qū)植株樣加測全氮15N豐度。土壤和植株樣全氮用凱氏定氮法測定,凱氏定氮消煮液再通過蒸餾酸化、濃縮,在河北省農(nóng)林科學(xué)院遺傳生理研究所用ZHT-03質(zhì)譜儀測定15N豐度。土壤硝態(tài)氮用土水比為1∶5的2mol/LKCl溶液浸提,用FOSS注射流動分析儀測定。1.5化肥殘留率nkm/hm2作物吸收15N標(biāo)記肥料氮(Nkg/hm2)=植株全氮的15N原子百分超×植株吸氮量(Nkg/hm2)×0.01;氮肥回收率(%)=作物吸收15N標(biāo)記肥料氮(Nkg/hm2)/小區(qū)施氮量(Nkg/hm2)×100;氮肥在土壤殘留量(Nkg/hm2)=土壤全氮(Nkg/hm2)×土壤全氮的15N原子百分超×0.01;氮肥殘留率(%)=氮肥在土壤殘留量(Nkg/hm2)/小區(qū)施氮量(Nkg/hm2)×100;氮肥損失量(Nkg/hm2)=小區(qū)施氮量(Nkg/hm2)-作物吸收肥料氮量(Nkg/hm2)-土壤殘留氮(Nkg/hm2);氮肥損失率(%)=氮素?fù)p失量(Nkg/hm2)/小區(qū)施氮量(Nkg/hm2)×100差減法作物吸收肥料氮量(Nkg/hm2)=施氮區(qū)作物吸氮量(Nkg/hm2)-無氮區(qū)作物吸氮量(Nkg/hm2);氮肥表觀利用率(%)=差減法作物吸收肥料氮量(Nkg/hm2)/小區(qū)施氮量(Nkg/hm2)×100。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用JMP4.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用Sigmaplot10.0軟件繪制圖形。2結(jié)果與分析2.1不同施肥方案對夏玉米子粒產(chǎn)量的影響山東陵縣試驗(yàn)田屬長期施用化肥的中低產(chǎn)田,施氮肥能顯著增加冬小麥、夏玉米的子粒產(chǎn)量(圖1)。冬小麥M300處理子粒產(chǎn)量為3.9t/hm2,與CK相比增產(chǎn)30.5%,但顯著低于F300和F450處理。夏玉米子粒產(chǎn)量在各處理間也有類似規(guī)律,但因?yàn)镕450處理在夏玉米季施氮量較高(N250kg/hm2)導(dǎo)致其產(chǎn)量水平低于F300處理,從而表現(xiàn)為與M300、M450處理無顯著差異。天津薊縣試驗(yàn)田屬長期施用有機(jī)肥的高產(chǎn)田,施肥對冬小麥、夏玉米的子粒產(chǎn)量無顯著影響(圖1)。夏玉米季F300處理一個(gè)重復(fù)小區(qū)倒伏減產(chǎn),處理內(nèi)產(chǎn)量變異較大導(dǎo)致處理間產(chǎn)量差異不顯著。以上結(jié)果表明,秋季一次基施有機(jī)肥處理的冬小麥、夏玉米子粒產(chǎn)量在長期施用化肥的中低產(chǎn)田低于分次施用化肥的總產(chǎn)量水平,在長期施用有機(jī)肥的高產(chǎn)田與分次施用化肥無顯著差異。2.2機(jī)械防治對15n損失量的影響15N示蹤試驗(yàn)(表3)看出,在冬小麥-夏玉米輪作周期,M300處理15N損失量為N89kg/hm2,與F300處理相比無顯著差異;M450處理多施50%氮肥,15N損失量卻增加了90%,與F450處理15N損失量相等。表明在冬小麥-夏玉米輪作周期內(nèi)相同施氮水平下,一次基施牛糞氮的損失風(fēng)險(xiǎn)與分次施用硫酸銨氮的損失風(fēng)險(xiǎn)無顯著區(qū)別,并且施氮量增加比例低于環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)放大比例。在輪作周期內(nèi),M300和M450處理的15N損失量約有2/3發(fā)生在冬小麥季,1/3發(fā)生在夏玉米季。冬小麥季M300處理的15N損失量為N64kg/hm2,是F300處理的1.4倍;夏玉米季M300處理的15N損失量為N25kg/hm2,為F300處理的69%。2.3牛糞15n在土壤殘留情況冬小麥、夏玉米收獲后肥料15N在0—80cm土層的殘留量順序?yàn)?M450>M300>F450>F300,各處理間差異顯著。兩季輪作結(jié)束后,牛糞15N在土壤殘留率高達(dá)49%~53%,而硫酸銨15N殘留率僅為28%~30%(表3)。這是因?yàn)榱蛩徜@氮素以礦質(zhì)氮形態(tài)存在,利用率較高,導(dǎo)致其在土壤殘留較低。有機(jī)肥氮在土壤中的高殘留量不僅能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,而且還可貯備部分養(yǎng)分供下季作物吸收利用,是提升農(nóng)田地力水平的有效途徑。2.4秋季測定了15n牛糞氮的回收率和表觀率2.4.1小麥、夏玉米季N示蹤試驗(yàn)看出,冬小麥、夏玉米輪作周期肥料15N回收率在不同處理間表現(xiàn)為F300>F450>M300>M450(表3)。冬小麥、夏玉米季,M300和M450處理15N回收率均顯著低于F300和F450處理;兩季輪作15N回收率在M300處理為17%,在F300處理則高達(dá)45%,可見在該輪作體系中化肥15N回收率遠(yuǎn)大于有機(jī)肥15N回收率。但F300、F450處理夏玉米吸收的15N包括夏玉米當(dāng)季施入的硫酸銨15N和冬小麥?zhǔn)斋@后殘留于土壤的15N,因此該結(jié)果高于夏玉米對15N的實(shí)際回收數(shù)值。2.4.2對措施間化肥表觀利用率的影響冬小麥、夏玉米輪作周期中,M300處理的氮肥表觀利用率在山東陵縣較低,在天津薊縣較高;F300處理則正好相反(表4)。表明秋季一次基施牛糞肥效在長期施用有機(jī)肥的農(nóng)田較高,在長期施用化肥的中低產(chǎn)田較低。在山東陵縣,冬小麥、夏玉米及其輪作周期內(nèi)氮肥表觀利用率不同處理間的順序均為:F300>F450>M300>M450。并且M300處理在兩季輪作的氮肥表觀利用率與M450處理相比無顯著差異,均顯著低于F300處理(42.9%)。在天津薊縣,F300處理在兩季輪作的氮肥表觀利用率與M300處理幾乎相等(26%)。說明在冬小麥-夏玉米輪作周期,有機(jī)肥利用效率在長期施用化肥的中低產(chǎn)田低于化肥利用效率,在長期施用有機(jī)肥的高產(chǎn)田與化肥利用效率無顯著差異。受夏季高溫多雨氣候條件影響,牛糞氮在夏玉米季有更好的礦化條件,在兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),M300處理在夏玉米季氮肥表觀利用率均大于其在冬小麥季氮肥表觀利用率,而表現(xiàn)出更好的后效。3不同保水處理對土壤no33--n0—討論試驗(yàn)表明,秋季一次性基施牛糞,在冬小麥-夏玉米輪作周期的氮素?fù)p失為30%~38%,其中約2/3的損失發(fā)生在冬小麥季。主要是牛糞施入農(nóng)田后,土-肥界面的銨態(tài)氮濃度和表土層pH均迅速增加,導(dǎo)致在最初幾天有機(jī)肥氮損失率較高、損失量大。Chantigny等研究認(rèn)為,在加拿大魁北克省,施入牧草田的豬糞尿銨態(tài)氮通過氨揮發(fā)途徑損失主要發(fā)生在9d內(nèi),損失量達(dá)豬糞尿銨態(tài)氮總量的40%,其中前2d的損失量占9d內(nèi)總損失量的87.5%;在德國免耕自然植被、黑燕麥農(nóng)田施用豬糞尿40~80m3/hm2條件下,最初20h內(nèi)通過氨揮發(fā)途徑損失豬糞尿氮量占全部豬糞尿氮損失量的50%左右。由此來看,本試驗(yàn)牛糞氮在冬小麥季的損失量高于夏玉米季,主要是有機(jī)肥施入農(nóng)田后短期內(nèi)大量銨態(tài)氮通過氨揮發(fā)途徑損失引起的。降雨條件是影響農(nóng)田有機(jī)肥氮素流失的重要因素之一。Beckwith等認(rèn)為,在冬季雨量豐富的英國,9月份施入農(nóng)田的動物糞尿氮(N200kg/hm2)約有20%~30%通過淋溶徑流損失,施肥期如果推遲到12月或次年1月份,則通過徑流損失則可控制在5%以內(nèi)。說明在英國秋季使用動物糞尿,冬季通過徑流損失的風(fēng)險(xiǎn)很高。德國等許多歐洲國家秋季施用有機(jī)肥氮損失研究也有類似結(jié)果,并且有機(jī)肥氮損失量也普遍高于化肥氮損失量。本試驗(yàn)所在的華北平原,冬季干旱少雨,10月到次年2月累計(jì)降水量僅為16.1mm,而同期歐洲(以倫敦為例)的總降水量高達(dá)247.3mm,因此華北平原冬季基本無徑流損失發(fā)生。但在華北平原,小麥在越冬前普遍澆灌一次凍水(本試驗(yàn)也澆灌一次凍水),可能會導(dǎo)致少量有機(jī)肥氮素通過淋溶作用損失掉。與歐洲一些國家相比,冬季無徑流損失降低了華北平原秋季一次基施有機(jī)肥氮損失風(fēng)險(xiǎn),提高了秋季施用有機(jī)肥的可行性。有機(jī)肥施入農(nóng)田后,土壤NO?33--N數(shù)量也會對環(huán)境產(chǎn)生潛在影響。山東陵縣、天津薊縣兩地,冬小麥、夏玉米收獲后土壤NO?33--N(0—80cm)數(shù)量均表現(xiàn)為不施肥處理略低于秋季一次基施有機(jī)肥處理,以分次施用化肥處理最高(圖2)。冬小麥、夏玉米收獲后,M300處理0—80cm土壤NO?33--N在天津薊縣分別為N95、28kg/hm2,是F300處理的54%~84%;在山東陵縣分別為N36、18kg/hm2,是F300處理的40%~70%。在后者試驗(yàn)點(diǎn),M450處理0—80cm土壤NO?33--N在兩季作物收獲后分別為N40、23kg/hm2,僅為F450處理的23%~47%。這與許多研究結(jié)果類似。冬小麥或夏玉米收獲后,地表無植被覆蓋,而冬小麥?zhǔn)斋@后又處于高溫多雨季節(jié),土