施用猪粪对稻麦产量和土壤磷素积累与淋失的影响

曾鹏宇，但浩，王昌全，杨娟，易云亮，徐强

(四川农业大学资源学院，四川 成都 611130)



施用猪粪对稻麦产量和土壤磷素积累与淋失的影响

曾鹏宇，但浩，王昌全*，杨娟，易云亮，徐强

(四川农业大学资源学院，四川 成都 611130)

摘 要：为确定农田畜禽粪便的安全消纳量，在成都平原稻麦轮作条件下，研究施用猪粪后土壤全磷(TP)、有效磷(Olsen–P和Mehlich3–P)、水溶性磷(CaCl2–P)的累积特征，评估磷的淋失风险。结果表明：随猪粪施用量的增加，土壤全磷含量呈逐渐增加的趋势，土壤Olsen–P含量 和Mehlich3–P含量在100%猪粪N处理后快速增加，增幅分别为21.87～90.58、53.25～262.82 mg/kg，CaCl2–P含量在100%猪粪N水平后急剧增加，增幅为0.18 ～ 2.40 mg/kg；在稻麦轮作体系下，土壤Olsen–P含量和Mehlich3–P含量流失的临界值分别为50、125 mg/kg，CaCl2–P含量流失的临界值为0.6 mg/kg；稻麦轮作周期内腐熟猪粪用量为23 364 kg/hm2时(50%化肥N+50%猪粪N处理)，土壤的磷素积累量明显小于磷素流失临界值，能够安全地最大化消纳猪粪；50%化肥N+50%猪粪N处理下，水稻产量和小麦产量的和最高，达13 309.7 kg/hm2，相较于常规化肥处理的总产量增加了10.01%，其综合生态效益和经济效益最优。

关 键 词：水稻土；稻麦轮作；猪粪；磷素积累；磷素淋失；成都平原

投稿网址：http://xb.ijournal.cn

中国畜禽粪便的产生量2011年比1978年增加了1.35倍，达到了25.45亿t，畜禽粪便中的磷含量增加了1.66倍，达到了247.98万t[1]。猪粪中的全磷含量高达33.76 g/kg，其中含有较大比例的易溶性磷(平均为44%)[2]。有机肥中的易溶性磷与施用有机肥土壤的水溶性磷流失有很大的相关性[3]。有机肥过量施用，进入农田的磷能够在短期内显著增加土壤全磷、有效磷、水溶性磷的含量[4–5]，但长期大量施用会造成农田土壤磷素大量积累，当超过一定的阈值时易引发土壤磷素向水体迁移，造成水体富营养化等环境问题[6]。据统计，太湖流域来源于农田的总磷占入湖总磷的20%，其贡献率已超过工业和城市生活的点源污染[7]。滇池入湖总磷中农业非点源磷占28%[8]，在南四湖则高达68%[9]。

当土壤中Olsen–P含量超过某一临界值(磷淋溶量增加的拐点)时，土体排出水中的磷含量迅速增加，这一临界值可以用土壤Olsen–P含量与CaCl2–P含量进行模拟，可用于对土壤磷素流失风险进行预测和评价[10–13]。柏兆海等[14]采用Sigma–P含量lot双线性模型进行分析模拟，确定了北京市谷平区农田土壤磷环境临界值。关于不同质地水稻土和不同土壤类型磷素环境敏感临界值的研究已有报道[12,15]。

目前关于土壤磷素流失临界值的研究多是针对磷素积累高的土壤，如菜田土壤[13,16]，主要是采用室内培养模拟试验[12,17–18]进行研究，采用田间试验的较少。笔者研究成都平原稻麦轮作体系大量施用猪粪后水稻土的全磷、有效磷、水溶性磷含量的积累特征，并分析它们之间的相关关系，以确定土壤磷素淋失临界值和猪粪的合理用量，旨在为成都平原猪粪的资源化利用提供参考依据。

1　材料与方法

1.1 材料

供试猪粪为都江堰德宏农业公司提供的经过干湿分离的腐熟猪肥，其N、P2O5、K2O含量分别为1.75%、5.95%、1.56%(以干基计算)，含水量为56%，其他无机肥料分别为尿素(46.4% N)、过磷酸钙(12% P2O5)、氯化钾(60% K2O)。水稻和小麦品种分别为F优498和内麦838。

供试土壤为岷江流域灰色冲积物发育的渗育水稻土，其pH为6.63，有机质含量28.40 g/kg，全氮、全磷、全钾含量为1.40、0.88、22.25 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾含量为113、8.5、53 mg/kg。

1.2试验设计

试验于2013年5月至 2014年5月在四川省都江堰市天马镇进行。

以常规农田化肥施用中的施氮量作为猪粪用量的标准，采用猪粪中全氮含量替代化学氮肥，设计不同的猪粪用量梯度。水稻和小麦均设置6个替代水平，试验共有8个处理：1) 不施磷肥；2) 常规化肥；3) 75%化肥N+25%猪粪N；4) 50%化肥N +50%猪粪N；5) 100%猪粪N；6) 150%猪粪N；7) 200%猪粪N；8) 300%猪粪N。以上处理依次记为P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7。试验重复3次。稻季和麦季的常规化肥施用均按照当地施肥习惯，N、P2O5、K2O用量分别为180 、75、90 kg/hm2，其余各处理中N、K2O的不足部分采用化肥补充。

小区随机排列，其面积为4 m × 5 m。小区间田埂用0.06 mm厚的塑胶薄膜覆盖，以防肥、水相互渗透。四周设保护行。每个小区均单设进、排水口。水稻株距、行距分别为13.0、28.5 cm。每穴定植2株。小麦按105 kg/hm2撒施播种。氮、磷、钾肥和猪粪均作基肥一次性施用。水稻和小麦生长过程中各小区均为独立灌排。适时防治病虫害。

1.3土壤样品的采集及相关指标的测定

水稻和小麦产量按小区全部收获量计算。取0～20 cm土层土样，风干过筛，测定土壤全磷、有效磷、水溶性磷的含量。土壤全磷采用 NaOH 熔融–钼锑抗显色–分光光度法测定[19]；有效磷(Olsen–P)含量用0.5 mol/L NaHCO3(pH8.5)浸提，采用钼锑抗比色法测定[19]；Mehlich3–P含量用Mehlich混合液(0.2 mol/L CH3COOH + 0.25 mol/L NH4NO3+ 0.015 mol/L NH4F+0.013 mol/L HNO3+ 0.001 mol/L EDTA)按土水质量比1∶10浸提，用钼锑抗比色法测定[16]；水溶性磷(CaCl2–P)含量用0.01 mol/L CaCl2按土水质量比(1∶10)浸提0.5 h，用钼锑抗比色法测定[11]。

1.4数据分析

用Excel 2010和SPSS 19.0统计软件进行数据处理，CaCl2含量与Olsen–P含量和Mehlich3–P含量间的关系采用Sigma–Plot双线性模型进行分析(模拟磷淋失临界值)。

2　结果与分析

2.1施用猪粪对稻麦产量的影响

由表1可见，水稻产量随猪粪施用量的增加呈先增加后逐渐降低的趋势，在P3处理下最高，为9 087.6 kg/hm2，显著高于P0、P1和P2处理；P3、P4和P5处理水稻产量间的差异均无统计学意义。小麦产量在P2处理下的最高，为4 491.9 kg/hm2，显著高于P1处理和P0处理，P2处理和P3处理小麦产量间的差异无统计学意义；小麦产量随猪粪用量的增加先增加后逐渐降低，P7处理小麦产量显著低于P1处理，减产23.12%。P4和P3处理稻麦产量较高，分别比P1处理增产11.39% 和13.96%。综合比较水稻和小麦的产量，发现本试验稻麦轮作体系下P3处理的作物产量最高，与P1处理相比增产10.01%，其次为P2处理和P4处理，但三者产量之间的差异无统计学意义，P2、P3、P4处理均显著高于P1处理和P0处理；P7处理下稻麦体系产量与P1处理相比减产5.24%。由此可知，过量施用猪粪不能持续增加稻麦产量，甚至降低产量。

表1　不同处理作物的产量Table 1　Crop yields under different treatments

2.2施用猪粪对稻麦轮作土壤全磷含量的影响

从图1中可以看出，随着猪粪施用量的增加，水稻季土壤全磷含量增加，不同猪粪用量处理下土壤全磷含量的变化范围为897 ～ 1 429 mg/kg。猪粪施用处理(P4、P5、P6、P7)比常规化肥处理P1显著提高了土壤的全磷含量，P2和P3处理下的土壤全磷含量分别为897、926 mg/kg，与P1处理间的差异无统计学意义；常规磷肥处理(P1)下，土壤全磷含量高于不施磷肥处理(P0)，但是2个处理土壤全磷含量间的差异无统计学意义。

小麦季继续施用猪粪，处理后土壤全磷含量的变化与水稻季各处理下土壤磷含量的变化趋势一致，均随猪粪施用量的增加而增加，尤其是在150%猪粪N用量下，土壤全磷含量显著增加；小麦季施用猪粪后，土壤中的全磷含量与水稻季相比呈增加趋势；小麦季除P2处理外，其余施用猪粪处理的土壤全磷含量都显著高于P1处理。P0和P1处理下土壤全磷含量间的差异无统计学意义。总体而言，施用猪粪后土壤全磷含量呈逐渐增加的趋势，且随猪粪用量的增加而增加。

图1　各处理小麦季土壤和水稻季土壤的总磷含量Fig.1 Soil total phosphorus content under different treatments in wheat and rice

2.3猪粪施用对稻麦轮作土壤有效磷含量的影响

从水稻季看(图2)，施用猪粪能明显提高土壤的Olsen–P含量，且随着猪粪用量的增加而增加。P7处理下土壤的有效磷含量高达82 mg/kg。各施用猪粪处理(除P2处理外)土壤的Olsen–P含量均显著高于P1处理。P1处理的土壤Olsen–P含量高于P0处理，但二者的差异无统计学意义。

图2　各处理小麦季土壤和水稻季土壤的Olsen–P含量Fig.2 Content of Olsen–P in soil under different treatments in wheat and rice

与水稻季相比，小麦季继续施用猪粪后，土壤的Olsen–P含量增加(图2)。P7处理下小麦季土壤的Olsen–P含量比水稻季高9 mg/kg。

由图3可见，不同猪粪处理下，土壤Mehlich3–P含量的变化趋势与土壤Olsen–P含量的变化趋势基本一致。在水稻季施用的猪粪明显提高了土壤的Mehlich3–P含量，且随着猪粪用量的增加而增加。水稻季P3处理下土壤的Mehlich3–P含量比P1处理显著增加。P0处理和P1处理土壤Mehlich3–P含量间的差异无统计学意义。

在小麦季继续施用猪粪，除P7处理外，土壤的Mehlich3–P含量比水稻季土壤的高。小麦季继续施用猪粪后，与水稻季相比，土壤的有效磷含量呈现出低量猪粪施用增加幅度较小、高量猪粪施用下增加幅度较大的趋势。

图3　各处理小麦季土壤和水稻季土壤的有效磷含量Fig.3 Content of Mehlich3–P in soil under different treatments in wheat and rice

2.4猪粪施用对稻麦轮作土壤水溶性磷含量的影响

由图4可知，施用猪粪明显提高土壤的CaCl2–P含量，且随着猪粪用量的增加，CaCl2–P含量增加。从水稻季看，P5处理下土壤的CaCl2–P含量比P1处理的显著增加；P7处理下土壤的CaCl2–P含量高达2.33 mg/kg；P0处理下没有从土壤中检测到CaCl2–P含量。P1处理下土壤的CaCl2–P含量仅为0.01 mg/kg。

在小麦季继续施用猪粪，土壤的CaCl2–P含量比水稻季土壤的高(图4)。在P4处理下，土壤的CaCl2–P含量比P1处理的显著增加。比较水稻季、小麦季土壤的CaCl2–P含量，大量施用猪粪处理(P4、P5、P6和P7)后，稻麦轮作土壤的CaCl2–P含量急剧增加，变幅为0.18 ～ 2.40 mg/kg。

图4　各处理小麦季土壤和水稻季土壤的水溶性磷含量Fig.4 Content of CaCl2–P in soil under different treatments in wheat and rice

2.5猪粪施用对稻麦轮作土壤磷淋失的影响

由图5可见，水溶性磷含量随土壤Olsen–P含量增加而增加，当Olsen–P含量低于50 mg/kg时，水溶性磷含量提高的幅度较小(y = 0.011 1x－0.022 1，x<50)；当Olsen–P含量超过50 mg/kg时，水溶性磷含量增加的幅度明显加大(y=0.046 5x－1.796 4，x≥50，R2=0.93**，n=48)。在Olsen–P含量为50 mg/kg时水溶性磷含量的变化存在一个明显的转折点，该点被认为是土壤磷素流失的临界点。当土壤Olsen–P含量小于磷流失临界值时，土壤磷流失风险较低；反之，磷流失风险较高。本试验中，当在成都平原水稻季施用猪粪至土壤中的Olsen–P含量超过50 mg/kg时，磷素流失的风险将迅速增大。

图5　土壤CaCl2–P含量与Olsen–P含量的关系Fig.5 Relationship between CaCl2–P and Olsen–P in soil

由图6可知，随 Mehlich3–P含量的增加，土壤水溶性磷含量明显增加，在Mehlich3–P含量为125 mg/kg时，CaCl2–P 含量的变化存在一个明显的拐点(y= 0.005 4x－0.021 5，x<125；y=0.013 4x–1.029 7 x≥125，R²=0.95，n=48)，因此，将Mehlich3–P含量125 mg/kg作为判断土壤磷素淋失的临界值。

由上可知，当土壤Olsen–P含量和Mehlich3–P含量都处于土壤磷素流失临界值时，CaCl2–P含量分别为0.5、0.7 mg/kg，故将CaCl2–P含量的平均值0.6 mg/kg作为成都平原水稻土稻麦轮作体系下磷素淋失的临界值。

图6　土壤CaCl2–P含量和Mehlich3–P含量的关系Fig.6 Relationship between CaCl2–P and Mehlich3–P in soil

3　结论与讨论

随猪粪用量的增加，土壤全磷、有效磷(Olsen–P 和Mehlich3–P)和水溶性磷的含量均有明显的增加，土壤TP含量呈缓慢增加的趋势，土壤有效磷Olsen–P和Mehlich3–P的含量则在施用100%猪粪N(高量猪粪)后迅速增加，变幅分别为21.87～ 90.58、53.25～ 262.82 mg/kg，CaCl2–P含量则在施用100%猪粪N后急剧增加，变幅为0.18 ～ 2.40 mg/kg。有机肥中的磷可分为水溶态磷或树脂态磷、NaHCO3提取态磷、NaOH 提取态磷、HCl提取态磷、H2SO4提取态磷和残渣态磷，其中水溶态和 NaHCO3提取态磷是易溶态磷，为有机肥磷的主要形态[20–21]。猪粪中磷的结合能力比较弱[2]，在淹水条件下(水稻季)易溶性磷迅速溶解，故可以推断，在相对封闭的试验小区中，施用的猪粪很容易被土壤吸附和固定。

在成都平原稻麦轮作体系下，土壤磷素淋失的Olsen–P含量和Mehlich3–P含量的临界值分别为50、125 mg/kg，CaCl2–P含量的临界平均值为0.6 mg/kg。钟晓英等[17]认为不同土壤的磷淋失临界值差异非常大，Olsen–P含量为30 ～ 157 mg/kg，CaCl2–P含量为0.14 ～ 3.87 mg/kg。聂敏等[18]通过室内模拟试验，研究得出可变电荷土壤 P 淋失临界点的Olsen–P含量(56～123 mg/kg)差异很大，旱地土壤临界点 Olsen–P含量主要集中在低值区间(＜60 mg/kg )，而水稻土临界点 Olsen–P含量集中在高值区间(＞80 mg/kg )。李廷亮等[16]初步确定山西省菜园土壤磷素流失的Olsen–P含量和Mehlich3–P含量的临界值分别为82、164 mg/kg。上述研究结果表明，不同土壤类型的磷淋失临界值存在差异。土壤磷淋失临界点的Olsen–P含量与土壤pH及有机质、活性铁铝、交换性钙、氧化铁铝等的含量存在密切关系[18,22–23]。Broadbalk长期定位试验结果表明，当土壤Olsen–P含量低于 60 mg/kg时，于60 cm土层排出水的总磷含量低于0.15 mg/kg，但Olsen–P含量约超过60 mg/kg，排出水的总磷含量增加，最高接近3 mg/kg[10]。章明奎等[15]通过室内试验，发现在好气条件下，水稻土磷环境的敏感临界值(转折点) 为 Olsen–P含量 50 ～ 75 mg/kg。本试验中，稻麦轮作体系下磷素淋失的Olsen–P含量临界值为50 mg/kg，该结果与文献[15]的结果基本吻合。

土壤有效磷的产量临界值是指当土壤磷含量增加而作物产量不再增加时的土壤磷含量[24]。对于大多数土壤和作物而言，当土壤有效磷( Olsen–P)含量超过20 mg/kg时，施用磷肥不能使作物显著增产[25]。中国水稻的有效磷临界值为10 ～ 20 mg/kg[26]，小麦的有效磷临界值为11 ～ 15 mg/kg[27]。本试验稻麦轮作体系中，产量最高的处理(P3)的小麦季有效磷含量仅为17 mg/kg，远小于本试验下磷素流失的有效磷临界值(50 mg/kg)，磷素流失风险较低。P3处理的体系产量比P1处理增产10.01%，比大邑县的稻麦体系产量12 934 kg/hm2[28]高3.0%。由以上分析可知：50%化肥N +50%猪粪N处理(P3)不仅能够获得较高的经济效益，而且土壤有效磷的积累明显小于流失临界值，能够较安全地最大化消纳猪粪。如果继续增加猪粪的用量，不仅不能增加作物产量，反而会增加环境污染的风险，因此，成都平原稻麦轮作系统下农田腐熟猪粪的最大安全消纳量为23 364 kg/hm2。万大娟等[29]通过查阅文献和工作站资料，得出每头猪(出栏)的排便系数为1.8 kg/d，并认为每1 hm2稻麦轮作农田对猪(出栏)的最大承载量为每年45头(含水量74%的猪粪29 822 kg)。根据该结果，本试验条件下，每1 hm2稻麦轮作农田对猪(出栏)的最大承载量为每年60头。有研究结果[30]表明，稻田中施入26 250 kg/hm2猪粪堆肥时水稻的产量相对较高。

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责任编辑：王赛群英文编辑：王 库

Effect of swine manure application on wheat and rice yields, soil phosphorus accumulation and leaching risk

Zeng Pengyu, Dan Hao, Wang Changquan*, Yang Juan, Yi Yunliang, Xu Qiang
(College of Resources and Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China)

Abstract:Determining the amount of livestock manure application in farmland is a foundation for circular agriculture. A field experiment was conducted in rice-wheat rotation cropping system in Chengdu plain. Soil total phosphorus (TP) content, Olsen–P, Mehlich3–P and CaCl2–P accumulation characteristics were studied to estimate the P leaching risk. The results showed that TP content in soil increased with the swine manure application, Olsen–P and Mehlich3–P showed a fast increase when plants were exposed to 100% pig manure N treatments, with the increase of 21.87–90.58 mg/kg and 53.25–262.82 mg/kg, respectively. CaCl2–P also showed a rapid increase when the plants were exposed to the 100% pig manure N, with the increase of 0.18–2.40 mg/kg. The diagnostic value of Olsen–P, Mehlich3–P and CaCl2–P in the cropping system was 50 mg/kg, 125 mg/kg and 0.6 mg/kg, respectively. When the amount of composting manure was 23 364 kg/hm2in rice-wheat rotation (50% chemical fertilizer N+50% pig manure N), the accumulation of the phosphorus in soil was significantly less than the critical value of phosphorus loss, which indicated that pig manure could be safely consumed to its maximum. Rice and wheat yield in treatments with 50% chemical fertilizer N+50% pig manure N was the highest, which reached to 13 309.7 kg/hm2, and the yield was improved by 10.01% compared to conventional fertilizer application. It came up to the best from the incomprehensive ecological and economic benefits.

Keywords:paddy soil; rice-wheat rotation swine manure; phosphorus accumulation; phosphorus leaching; Chengdu plain

中图分类号：S158.1

文献标志码：A

文章编号：1007−1032(2016)02−0202−06

收稿日期：2015–08–27 修回日期：2016–03–12

基金项目：国家“十二·五”科技支撑计划项目(2012BAD14B18)；四川省科技支撑计划项目(2013NZ0028)

作者简介：曾鹏宇(1991—)，男，四川成都人，硕士研究生，主要从事土壤生态系统养分循环及其调控研究，370172507@qq.com；*通信作者，王昌全，博士，教授，主要从事土壤(土地)质量与环境可持续研究，w.changquan@163.com