三種肥力紅黏土壤對豬糞安全消納量初步研究

張迪, 周志高, 王興祥,3,*

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三種肥力紅黏土壤對豬糞安全消納量初步研究

張迪1, 周志高2, 王興祥2,3,*

1. 南京曉莊學(xué)院環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 南京 211171 2.中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點實驗室(南京土壤研究所), 南京 210008 3. 中國江西省紅壤生態(tài)研究重點實驗室, 中國科學(xué)院紅壤生態(tài)實驗站, 鷹潭 335211

采用盆栽試驗方法, 在自然降雨條件下模擬研究了亞熱帶紅壤丘陵區(qū)花生—蘿卜輪作體系下三種肥力紅壤對豬糞的安全消納能力。通過監(jiān)測試驗3年間土壤滲漏水硝酸鹽遷移淋失, 結(jié)合土壤速效磷累積和花生產(chǎn)量變化, 初步確定3種肥力紅壤的豬糞安全消納量。試驗結(jié)果表明: 常規(guī)化肥減半用量下, 從硝態(tài)氮淋失以及速效磷積累角度, 低肥力、中肥力和高肥力紅壤配施豬糞最大安全用量分別為P 800 kg·hm–2、P 100 kg·hm–2和 P 50 kg·hm–2, 從花生產(chǎn)量角度考慮持續(xù)配施豬糞施用量不宜超過P 800 kg·hm–2、P 100 kg·hm–2和P 100 kg·hm–2。綜合考慮經(jīng)濟效益和環(huán)境效益, 低肥力、中肥力和高肥力紅壤配施豬糞的最大安全消納量分別為P 800 kg·hm–2、P 100 kg·hm–2和P 50 kg·hm–2。

紅壤; 肥力; 豬糞; 消納量

1 前言

畜禽糞便作為一種優(yōu)質(zhì)的有機肥源, 含有大量農(nóng)作物生長發(fā)育需要的養(yǎng)分, 其作為有機肥還田是目前的主要農(nóng)田利用方式, 然而施用畜禽糞肥在改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤養(yǎng)分、提高作物產(chǎn)量的同時, 也對土壤環(huán)境和周邊水體環(huán)境產(chǎn)生潛在威脅[1-2], 為避免糞肥還田帶來的二次污染問題, 研究農(nóng)田對畜禽糞肥的安全消納量具有重要意義。曾鵬宇等從土壤磷素積累角度確定水稻土在稻麥輪作周期內(nèi)每年施用腐熟豬糞最大量為23 t·hm–2[3]; Lourenzi從作物產(chǎn)量角度估算豬糞安全消納量, 研究發(fā)現(xiàn)種植菜豆的砂壤土年豬糞用量為20 m3·hm–2時, 菜豆籽粒產(chǎn)量最高, 與豬糞年施用量80 m3·hm–2時差異不顯著[4]。萬大娟等從土壤和地表水環(huán)境氮磷累積流失方面估算單季水稻田對豬糞的消納量為15 t·hm–2[5]。畜禽糞肥的安全消納量受多種因素影響, 其中土壤肥力是影響其承載力的重要因素。土壤基礎(chǔ)肥力不同, 對肥料的利用率、土壤養(yǎng)分的吸收和分配不同, 進而影響作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的累積和淋失, 因此有必要研究不同肥力土壤對糞肥的承載力。為明確中亞熱帶紅壤丘陵區(qū)三種肥力紅黏土紅壤豬糞安全消納量, 本文以花生—蘿卜輪作系統(tǒng)為例, 通過研究規(guī)?；B(yǎng)殖場豬糞堆肥還田利用對作物產(chǎn)量、土壤和水環(huán)境的影響, 在平衡環(huán)境效益和經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)上, 初步估算了低肥力、中肥力和高肥力三種肥力紅壤對豬糞最大安全消納量, 以期為農(nóng)田合理消納豬糞提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)域概況

試驗設(shè)在江西省鷹潭市余江縣中國科學(xué)院紅壤生態(tài)實驗站, 該實驗站位于116°55.30′E, 28°15.20′N, 屬于我國亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候, 四季分明, 溫?zé)岫嘤? 多年平均氣溫17.7℃, 無霜期262 天, 干濕季節(jié)變化較為明顯, 夏秋之間旱情頻發(fā), 年降水量1754 mm, 且多集中在3—6月, 降水量占全年總降水量60%, 年蒸發(fā)量1318 mm[6]。

2.2 試驗設(shè)計

供試土壤分別為低肥力、中肥力和高肥力紅黏土發(fā)育的紅壤(表蝕黏化濕潤富鐵土), 三種肥力紅壤均采集于江西省鷹潭市余江縣, 按照0—20、20—50 cm土層分別采集, 并測定其常規(guī)理化性質(zhì)(表1), 三種肥力紅黏土壤的確定是以有機碳含量為標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)田間土壤層次分層將土壤加入塑料桶中, 表層和下層土各裝20 cm和30 cm, 填土前在塑料桶底部預(yù)留一直徑7 mm小孔, 將硅膠管插入以便接收滲漏液, 具體過程詳見文獻[6]。每年4月播種花生前, 將化肥、豬糞與表層0—20 cm土壤混勻?；ㄉ贩N為贛花5號, 每盆播種 4顆, 間苗后保留2株, 花生于8月中旬收獲; 為增加地面覆蓋花生收獲后種植填閑作物蘿卜, 品種為浙大長蘿卜, 每盆播種 7—8粒, 間苗后保留2株, 蘿卜在12月初收獲, 蘿卜收獲后至次年3月為休閑期。該試驗?zāi)壳斑B續(xù)進行了3年, 除在每年花生播種前施用基肥外, 花生和蘿卜生長期間均不施任何肥料。三種肥力紅壤均設(shè)立8個不同水平的施肥處理, 每個處理3次重復(fù), 總共72盆。8個施肥處理分別為: 不施肥(CK), 常規(guī)施用化肥(CF), 常規(guī)化肥減半和豬糞配施(P1—P6)。常規(guī)施用化肥用量為: N: 100 kg·hm–2、P: 50 kg·hm–2、K: 100 kg·hm–2, 6個豬糞梯度用量分別為: P1: P 25 kg·hm–2, P2: P 50 kg·hm–2, P3: P 100 kg·hm–2, P4: P 200 kg·hm–2, P5: P 400 kg·hm–2, P6: P 800 kg·hm–2?；史謩e施用尿素(N≥46.4%)、鈣鎂磷肥(P2O5≥12%)、氯化鉀(K2O≥ 60%), 有機肥采用腐熟的豬糞, 含水量69%, 其養(yǎng)分含量平均值分別為(干基): 全磷12.55 g·kg–1, 全氮28.83 g·kg–1, 有機碳305.5 g·kg–1, 銨態(tài)氮 269.0 mg·kg–1, 硝態(tài)氮 620.4 mg·kg–1。

表1 土壤的基本理化性質(zhì)

1.3 樣品采集及分析方法

1.3.1 樣品采集及測定項目

水樣: 每次降雨后進行樣品采集, 雨季(4—6月)根據(jù)淋溶液體積比大約每10天將采集的水樣混合成1個樣品進行測定, 旱季每月至少取樣1次, 樣品采集后放在冰箱(4℃)保存以備測定水中NO3–-N濃度。土樣: 第三季蘿卜收獲后采取表層0—20 cm土壤樣品, 樣品風(fēng)干后碾碎, 過10目篩測定土壤速效磷含量。作物: 花生自然成熟后人工收獲測定每盆(0.1 m2) 產(chǎn)量, 花生莢果自然風(fēng)干至恒重稱量。

1.3.2 分析方法

水樣NO3–-N測定采用Smartchem 200全自動間斷化學(xué)分析儀(AMS-Westco, 意大利); 土壤速效磷采用Olsen 法[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 三種肥力紅壤硝態(tài)氮滲漏淋失特征

先前實驗研究已經(jīng)證實滲漏水銨態(tài)氮和總磷淋失量很低, 對淺層地下水環(huán)境質(zhì)量無影響, 具體分析詳見文獻[6], 因此本文中僅討論三種肥力紅壤硝態(tài)氮滲漏淋失情況。以最高施肥處理P6為例, 分析三種肥力紅壤滲漏水NO3–-N動態(tài)變化趨勢, 其它處理變化規(guī)律與此類似。從圖1可以看出, 3年試驗監(jiān)測期內(nèi), 三種肥力紅壤滲漏水NO3–-N含量均是在5月份最高, 中肥力和高肥力紅壤滲漏水NO3–-N含量均高于20 mg·L–1; 其次是9月份, 但在此時期僅高肥力土壤滲漏水NO3–-N含量高于20 mg·L–1; 休閑期(1月份至3月份)NO3–-N濃度未檢出(圖中未列出), 對淺層地下水環(huán)境質(zhì)量幾乎無影響, 因此這里僅分析不同施肥處理下三種肥力紅壤滲漏水NO3–-N在5月份變化情況。

3年監(jiān)測期內(nèi)NO3–-N在5月份平均濃度如圖2所示, 高量豬糞處理(P4—P6), 三種肥力紅壤之間滲漏水NO3–-N濃度呈顯著差異(<0.05); 低量豬糞處理(P1—P3), 中肥力和高肥力紅壤間差異不顯著, 但均顯著高于低肥力紅壤。滲漏水中硝態(tài)氮濃度隨豬糞用量增加而增加, 但即使最高豬糞處理(P6), 低肥力紅壤滲漏水NO3–-N含量仍低于地下水III類質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(硝態(tài)氮濃度≤ 20 mg·L–1, GB/T14848—93)。中肥力和高肥力紅壤分別在P3和P2豬糞處理滲漏水NO3–-N含量接近或已超過20 mg·L–1。

2.2 三種肥力紅壤表層速效磷含量

由于豬糞施用對土壤速效氮積累的影響較小, 而對速效磷的積累量更明顯, 具體分析詳見文獻[6], 因此本文中僅討論豬糞施用對三種肥力紅壤速效磷累積情況。如表2所示, 三種肥力紅壤速效磷累積量均隨豬糞用量的增加而顯著增加。與本底土壤速效磷含量相比, 最高施肥水平下(P6), 低肥力、中肥力和高肥力紅壤速效磷累積量分別增加166.7倍、5.95倍和6.65倍。且土壤肥力顯著影響速效磷積累, 大部分施肥處理下三種肥力紅壤速效磷累積量均呈現(xiàn)顯著差異(<0.05)。

圖1 三種肥力紅壤滲漏水硝態(tài)氮含量動態(tài)變化

注: 標(biāo)有不同小寫字母表示各肥力間差異顯著(P<0.05)。

注: 標(biāo)有不同小寫字母表示各豬糞處理間差異顯著(<0.05), 標(biāo)有不同大寫字母表示各肥力間差異顯著(<0.05)。

2.3 三種肥力紅壤花生產(chǎn)量分析

對施肥3年三種肥力紅壤花生產(chǎn)量分析表明(表3),試驗第1年, 低肥力紅壤花生產(chǎn)量非常低, 各豬糞處理間無顯著差異(P1—P6), 且不施肥花生無法生長; 試驗第2年和第3年, 花生產(chǎn)量顯著增加, 尤其是中高量豬糞處理(P4—P6)。相同施肥處理下, 中肥力和高肥力紅壤花生產(chǎn)量隨試驗?zāi)晗薜淖兓伙@著, 花生產(chǎn)量總體變化趨勢是高肥力>中肥力>低肥力。隨著豬糞用量的增加中肥力和高肥力紅壤花生產(chǎn)量也隨之增加, 但在施肥量超過P3水平時花生產(chǎn)量增加不顯著。

3 討論

3.1 土壤肥力對養(yǎng)分累積及淋失影響

土壤肥力不同, 土壤有機碳、氮、磷等養(yǎng)分含量均不同, 在不同的土壤養(yǎng)分背景值下, 作物對養(yǎng)分的吸收和分配的影響不同。周江明等研究指出不同的土壤背景磷條件下, 作物對肥料的利用率不同, 其農(nóng)學(xué)利用率隨磷水平的增高而下降, 以中等偏低磷含量的土壤養(yǎng)分利用率高[8]。本試驗中低肥力紅黏土壤磷含量遠低于中高肥力土壤, 作物對肥料的利用率高, 導(dǎo)致土壤中磷增加量少; 而且土壤肥力不同, 土壤有機質(zhì)含量不同, 有機質(zhì)可以活化土壤中的磷, 影響土壤中養(yǎng)分的供應(yīng)狀況[9], 因此中高肥力土壤速效磷的積累明顯高于低肥力土壤。本試驗中高肥力紅黏土壤硝態(tài)氮淋失顯著高于中肥力和低肥力紅壤, 主要是由于高肥力土壤本身能夠提供較多的養(yǎng)分, 土壤緩沖性能好, 在相同施肥量下, 作物對肥料的施入不敏感, 高肥力土壤對肥料利用率低[10]; 而低肥力土壤由于養(yǎng)分含量低, 肥料的施用大部分用來涵養(yǎng)土壤, 增加土壤肥力, 供給作物生長, 導(dǎo)致土壤中養(yǎng)分的累積遠低于高肥力土壤[11], 進而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的遷移淋失較少。而且土壤有機碳含量與氮的循環(huán)也密切相關(guān), 其對氮的礦化和固持具有調(diào)控作用, 高肥力土壤有機碳含量顯著高于低肥力土壤, 有利于異養(yǎng)菌固定土壤速效氮, 導(dǎo)致土壤氮儲量的增加[12]。由于土壤氮素有效形態(tài)主要是硝態(tài)氮, 而淋失的硝態(tài)氮大部分來自于土壤相, 施入的肥料有相當(dāng)一部分可以進入土壤固定相, 在以后的生長季節(jié)中逐步釋放出來進入土壤溶液而發(fā)生淋失[13]。因此, 土壤氮水平較高的高肥力土壤硝酸鹽淋失風(fēng)險更大。

表3 三種肥力紅壤花生產(chǎn)量 (g·pot–1)

注: 標(biāo)有不同小寫字母表示各豬糞處理間差異顯著(< 0.05), 標(biāo)有不同大寫字母表示各肥力間差異顯著(< 0.05) 。

3.2 土壤肥力對花生產(chǎn)量影響

土壤肥力對花生產(chǎn)量影響較大, 對3年花生產(chǎn)量分析發(fā)現(xiàn), 低肥力紅壤最高豬糞用量(P 800 kg·hm–2)下花生產(chǎn)量僅相當(dāng)于中肥力和高肥力紅壤豬糞用量為P 50—100 kg·hm–2時花生產(chǎn)量, 說明土壤基礎(chǔ)肥力水平是花生獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)。先前也有類似研究發(fā)現(xiàn)土壤肥力與作物產(chǎn)量密切相關(guān), 徐志平等研究表明土壤基礎(chǔ)肥力對甘薯產(chǎn)量的平均貢獻率達59.13%[14]; 劉彩玲對不同肥力土壤水稻產(chǎn)量研究發(fā)現(xiàn), 土壤基礎(chǔ)肥力對水稻產(chǎn)量的貢獻率超過70%[15]; 馬常寶等通過長期田間定位試驗發(fā)現(xiàn), 土壤地力對小麥和玉米產(chǎn)量的平均貢獻率達51.4%和54%[16]。土壤肥力影響土壤養(yǎng)分的供應(yīng), 直接影響作物對養(yǎng)分的吸收和利用[17]。土壤有機碳含量是衡量土壤基礎(chǔ)肥力的主要標(biāo)準(zhǔn)之一, 也是影響作物產(chǎn)量的重要因素, 它不僅含有作物生長發(fā)育需要的養(yǎng)分和微量元素[18], 同時能提高土壤酶活性, 加速土壤養(yǎng)分的分解轉(zhuǎn)化[19]。本試驗中中肥力和高肥力土壤有機碳含量分別是低肥力土壤的1.31和2.13倍, 因此中高肥力紅壤具有較強的養(yǎng)分供應(yīng)能力, 能夠促進花生對養(yǎng)分的吸收。而且由于花生生長發(fā)育對磷的需求較高, 中、高肥力紅壤速效磷含量較低肥力紅壤增加68和77倍, 可能也是導(dǎo)致花生產(chǎn)量較高的原因。

3.3 三種肥力紅壤對豬糞安全消納量分析

從水環(huán)境角度考慮, 硝態(tài)氮淋溶是影響地下水環(huán)境安全的主要因素。以地下水III類質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(NO3–-N濃度≤20 mg·L–1, GB/T14848—93)作為風(fēng)險臨界值估算豬糞最大安全消納量, 分析得出常規(guī)化肥減半與豬糞配施時, 豬糞用量分別為P 100 kg·hm–2和P 50kg·hm–2, 中肥力和高肥力紅壤滲漏水硝態(tài)氮含量接近或超過地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn); 但即使最高豬糞處理(P 800 kg·hm–2), 低肥力紅壤滲漏水NO3–-N含量仍低于地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

從土壤環(huán)境角度考慮, 豬糞施用能夠引起土壤速效磷的顯著積累, 最高施肥水平下(P6)低肥力、中肥力和高肥力紅壤速效磷累積量分別增加166.7倍、5.95倍和6.65倍。大量研究表明土壤速效磷含量可以作為磷素滲漏淋失的預(yù)警指標(biāo)[20, 21], 一般認為亞熱帶紅黏土壤旱地速效磷臨界值為60 mg·kg–1, 如果以此作為風(fēng)險臨界值, 常規(guī)化肥用量減半情況下, 低肥力、中肥力和高肥力紅壤豬糞用量應(yīng)分別為P 800 kg·hm–2、P 200 kg·hm–2和P 100 kg·hm–2。

從作物產(chǎn)量角度考慮, 以花生產(chǎn)量不隨豬糞用量的增加而顯著增加為估算標(biāo)準(zhǔn), 確定低肥力、中肥力和高肥力紅壤豬糞用量應(yīng)分別為P 800 kg·hm–2、P 100 kg·hm–2和P 100 kg·hm–2。

4 結(jié)論

豬糞安全消納量與土壤肥力密切相關(guān)。通過對滲漏水硝態(tài)氮淋失、土壤速效磷積累和花生產(chǎn)量綜合分析, 確定常規(guī)化肥用量減半與豬糞配施處理, 低肥力、中肥力和高肥力紅壤豬糞最大安全消納量分別為P 800 kg·hm–2、P 100 kg·hm–2和P 50 kg·hm–2。

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Preliminary research on maximum safe pig manure loading capacity of red soils from three soil fertility levels

ZHANG Di1,*, ZHOU Zhigao2, WANG Xingxiang2,3,*

1.Nanjing Xiaozhuang University, School of Environmental Science, Nanjing 211171,China 2.Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China 3.Jiangxi Key Laboratory of Ecological Research of Red Soil,Experimental Station of Red Soil, Chinese Academy of Sciences,Yingtan 335211, China

A pot experiment under natural rainfall with three red soils of different fertility levels was investigated to estimate the maximum safe pig manure loading capacity in Ecological Experimental Station of Red Soil, Chinese Academy of Sciences.The maximum safe capacity for pig manure application in red clay soil under peanut-radish system was estimated by monitoring the nitrate-N in leachate, the peanut production and the accumulation of nutrients in the soil. The results showed that the maximum safe application rate of pig manure was P 800 kg·hm–2, P 100 kg·hm–2and P 50 kg·hm–2for red clay soil of low fertility soil, medium and high fertility soils, respectively, for the treatment with half of conventional chemical fertilizers from the viewpoint of groundwater and soil environment protection. From the viewpoint of peanut production, the safe application rate of pig manure should be no more than P 800 kg·hm–2for low fertility soil, P 100 kg·hm–2for medium fertility soil and P 50 kg·hm–2for high fertility soil. Taking economic interests and environmental impacts into account, the maximum safe pig manure loading capacity could be P 800 kg·hm–2, P 100 kg·hm–2and P 50 kg·hm–2for red clay soil of low fertility soil, medium and high fertility soils, respectively.

red soil; soil fertility; pig manure; maximum safe loading capacity

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.05.018

X713

A

1008-8873(2018)05-140-06

2017-08-15;

2017-09-18

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項目(16KJB610010); 南京市環(huán)境科學(xué)與工程重點建設(shè)學(xué)科項目; 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項 (201203050)

張迪(1985—), 女, 山東煙臺人, 博士, 講師, 主要從事循環(huán)農(nóng)業(yè)研究, E-mail: zhangdi@njxzc.edu.cn

通信作者:王興祥(1967—), 男, 博士, 研究員, 主要從事規(guī)模養(yǎng)殖污染治理與資源循環(huán)利用

張迪, 周志高, 王興祥. 三種肥力紅黏土壤對豬糞安全消納量初步研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(5): 140-145.

ZHANG Di, ZHOU Zhigao, WANG Xingxiang. Preliminary research on maximum safe pig manure loading capacity of red soils from three soil fertility levels[J]. Ecological Science, 2018, 37(5): 140-145.