持续施用鸭粪和牛粪对山东设施菜田土壤氮、磷转化及迁移的影响

石宁 李彦 宫志远 孙泽强 刘盛林

摘要：设施菜田施用有机粪肥是改善土壤质量的重要手段，但是常年持续过量施用粪肥极易造成土壤氮磷的累积和淋失。本研究在持续施用鸭粪和牛粪5年以上的设施大棚中，分析施用两种粪肥在作物生长过程中对土壤氮、磷累积转化和迁移的影响，可为今后设施菜田科学施用粪肥提供理论依据。通过筛选长期施用鸭粪和牛粪的设施大棚，在作物苗期、初果期、盛果期和拉秧期按照20 cm一层采集0～100 cm土壤剖面样品，研究其不同土层氮、磷累积和迁移的变化规律，以及表层土壤氮、磷转化规律。结果表明，持续施用鸭粪和牛粪5年以上的设施菜田中，氮、磷在不同土层中均出现累积，两种粪肥处理下氮素在不同土层中均以向下迁移为主，牛粪处理速效磷在60 cm以下土层中仍以累积为主，而鸭粪处理以向下迁移为主;表層土壤C/N受生育时期影响显著，且与土壤Olsen-P、微生物量磷显著正相关，土壤硝态氮和微生物量碳极显著正相关。鸭粪和牛粪持续施用5年以上的设施菜田土壤硝态氮的累积深度已在100 cm以下土层中;60 cm土层是养分迁移敏感层，持续施用鸭粪更易使Olsen-P在60 cm以上土层中达到饱和并发生淋溶;微生物量磷的周转主要受有机碳和氮素含量的影响，牛粪相对于鸭粪更有利于微生物量碳氮的周转。

关键词：粪肥;设施菜田;氮;磷;迁移;转换

中图分类号：S141：S625.5+4  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2020）11-0001-08

Effects of Continuous Application of Duck Manure and

Cow Manure on Transformation and Migration of Soil Nitrogen

and Phosphorus in Shandong Greenhouse Vegetable Fields

Shi Ning， Li Yan， Gong Zhiyuan， Sun Zeqiang， Liu Shenglin

（Institute of Agricultural Resources and Environment， Shandong Academy of

Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Agro-Environment of Huanghe-Huaihe-Haihe Plain，

Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Shandong Provincial Key Laboratory of Agricultural

Non-Point Source Pollution Control and Prevention/Scientific Observing and Experimental Station of

Arable Land Conservation （Shandong）， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Jinan 250100， China）

Abstract The application of organic manure in vegetable fields is very important for improving soil quality， while excessive manure application for years easily caused soil nitrogen （N） and phosphorus （P） accumulation and leaching. In this study， the application effects of duck manure and cow manure on accumulation and migration of soil N and P during crop growth period were analyzed in a greenhouse with continuous application of the two kinds of manure for more than 5 years， which would provide a theoretical basis for scientific application of manure in vegetable fields in future. The greenhouse with long-term application of duck manure and cow manure was screened out， and every 20-cm soil sample from 0～100-cm layers was collected at seedling stage， initial fruiting stage， full fruiting stage and harvest stage. The N and P accumulation and migration in different soil layers were also analyzed， as well as the transformation in topsoil. The soil N and P were accumulated in different soil layers in the greenhouse vegetable field with continuous application of the two kinds of manure for more than 5 years. The N mainly migrated downward in the soil layers of 0～100 cm under the two kinds of manure treatments; the Olsen-P mainly accumulated below the 60-cm soil layer under cow manure treatment， but migrated under the duck manure treatment. The C/N value in topsoil was significantly affected by growth periods， and positively correlated with soil Olsen-P and MBP. The soil nitrate nitrogen was significantly positively correlated with MBC. The accumulation of nitrate nitrogen in the vegetable field soil with duck manure and cow manure for more than 5 years had occurred below 100-cm soil layer. The 60-cm soil layer was a sensitive layer for nutrient migration， and continuous application of duck manure was more likely to make Olsen-P reach saturation and leaching in the soil layers above 60 cm. The MBP turnover was mainly affected by organic carbon and N content， and cow manure was more favorable for MBC and MBN turnover than duck manure.

Keywords Manure; Greenhouse vegetable field; Nitrogen; Phosphorus; Migration; Transformation

随着我国畜禽养殖业的迅速发展，每年产生的畜禽粪尿数量以及其包含的养分资源对减少化肥施用并保证粮食安全具有重要意义。据统计，2015年中国畜禽粪尿数量为31.584亿t，其中养分资源总量分别达到氮 （N） 1 478.0万t、磷（P2O5） 901.0万t和钾 （K2O） 1 453.9万t[1]。宋大利等[1]认为，在理论上，畜禽粪尿全还田的情况下可以分别减少化肥氮、磷、钾施用量的37.3%、87.6%和65.9%。所以，畜禽粪尿作为主要农业废弃物之一存在巨大的潜在发展空间。

畜禽粪尿回田是其养分资源高效循环利用的途径之一。适宜的粪肥施用量不仅能够降低化肥投入，节约生产成本，还能提升土壤质量，促进土壤水稳性团聚体的形成，改善土壤肥力[2， 3]，提升作物产量和品质[4]。欧盟农业政策规定，粪肥的年施氮标准为170 kg/hm2，超过标准施用量则容易对农田和水环境产生污染[5， 6]。而在我国集约化设施菜田中，粪肥投入的养分达到了400～800 kg/hm2，占总施肥量的一半以上[7， 8]。粪肥的养分释放在时效上存在延缓[9]，长期过量施用更容易造成氮的累积并产生潜在的环境风险[10-12]。通过对不同来源粪便腐解过程研究表明，反刍动物粪便在腐解过程中产生的水溶性有机化合物显著高于非反刍动物粪便[13]，而高C/N比值的有机粪肥可以通过调节土壤C/N，降低土壤氮素的淋失[14]。

山东是设施蔬菜生产的重要省份，蔬菜生产过程中畜禽粪便的施用不可避免，在淄博临淄区主要以鸭粪和牛粪施用最为普遍。大多数农户在施用畜禽粪肥时往往只采用单一种类粪肥，且持续多年过量施用，极易造成土壤养分过量累积和流失等环境问题，而蔬菜清洁生产、生态健康持续发展已经成为设施农业发展的瓶颈。

针对目前设施蔬菜生产中普遍存在的单一粪肥种类过量且常年持续施用造成土壤养分严重累积，本试验以牛粪和鸭粪为例，在种植年限、生产背景以及管理水平等相似的大棚中，研究持续投入一种有机粪肥在作物生长过程中对土壤碳、氮、磷养分的转换以及累积迁移的影响，为寻求设施菜田粪肥合理科学持续的施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况及样品采集

山东省淄博市临淄区淄博东科蔬菜专业合作社成立于2009年，建有蔬菜大棚70余座（36°52′27.55″N，118°24′11.81″E）。该区属北温带大陆性气候，年均降水量650～800 mm，年均气温13.2℃。当地土壤类型为褐土。分别选择长期施用鸭粪和牛粪的设施大棚。园区内蔬菜生产安全管理严格，遵循统一种苗，统一供化肥，统一检测、销售和技术指导。施用两种粪肥大棚土壤背景养分含量见表1。

本研究中，大棚长宽为105 m×14 m。常年种植长茬西葫芦，株、行距分别为0.5、0.4 m，种植密度为26 000株/hm2。种植时间为2016年10月20日至2017年5月25日。粪肥均以干基计，鸭粪有机质（OM）含量平均为43.9%，N-P-K=139-1.60-1.13;牛粪OM为86.2%，N-P-K=1.18-0.60-0.98。鸭粪和牛粪施用量相同，平均约为40 t/hm2，作基肥一次性施入。根据两种粪肥养分含量差异，分别采用尿素（含N 46%）和过磷酸钙（含P2O5 12%）将牛粪氮磷含量补足并与粪肥同时施入。化肥由合作社统一调配，基追比為1∶[KG-*2/3]3，采用配方冲施肥（N-P2O5-K2O=10-4-11，山东淄博东科肥业有限公司生产），种植季总化肥养分投入为375 kg/hm2（N）、150 kg/hm2（P2O5）和410 kg/hm2（K2O），追施时间分别为11月19日、12月13日、1月17日、2月22日、3月20日和4月25日。

分别于西葫芦苗期、初果期、盛果期和拉秧期在每个大棚中取5钻土壤制备混合样，按照20 cm一层分别采集0～100 cm土体土壤。所有大棚灌水统一使用膜下滴灌方式，西葫芦整个生育期共灌溉7次。每次采集样品均在追肥前1～2天。

1.2 测定方法

采集的鲜土样用2 mol/L KCl溶液（土水比1∶5）浸提，并通过氮素连续流动分析仪（TRAACS 2000， Bran and Luebbe， Norderstedt， Germany）测定硝态氮;土壤速效磷（Olsen-P）采用0.5 mol/L NaHCO3（pH=8.5）浸提-钼锑抗比色法测定;土壤有机质采用重铬酸钾-浓硫酸氧化（外加热法）、硫酸亚铁溶液滴定法测定[15]。0～20 cm土层鲜土样，一部分过2 mm筛后于4℃保存，测定土壤微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）和微生物量磷（MBP）。MBC和MBN采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法测定，换算系数均为0.45，MBP采用氯仿熏蒸-NaHCO3提取法测定，换算系数为0.4。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理和绘图;采用SPSS 20.0软件进行方差分析，多重比较采用LSD法，显著性差异水平为0.05。土壤C/N和C/P分别采用土壤含碳量和全氮的比值以及和土壤速效磷的比值。

相对累积速率（relative nutrient accumulation rate）计算公式为：

其中，N1 和 N2分别表示在第一次收获时（T1）和第二次收获时（T2）土壤中的养分含量。

2 结果与分析

2.1 土壤硝态氮和速效磷含量的变化

土壤速效氮磷表征土壤供应氮磷的强度，当持续向土壤施用大量有机无机养分时，极易造成农业面源污染，此时，速效养分也是养分淋溶流最直接的指标。由图1A看出，苗期两种粪肥处理0～100 cm土体中硝态氮含量较高，且随着土层加深呈现先降低后升高的趋势。0～20 cm土层中，牛粪处理土壤硝态氮含量为43 mg/kg，显著高于鸭粪处理（32 mg/kg），但在20～80 cm土层中，鸭粪处理的硝态氮含量均高于牛粪处理，40～60 cm土层达到显著水平，80～100 cm深层土壤中鸭粪处理硝态氮含量高达38 mg/kg。与苗期相比，拉秧期0～100 cm土体中硝态氮含量整体下降，鸭粪处理在0～20 cm表层中只有18 mg/kg，但在整个土体中，鸭粪处理硝态氮含量均高于牛粪处理，并在20～40 cm和 40～60 cm土层达到显著水平（图1B）。

西葫芦苗期，两种有机肥处理的土壤Olsen-P含量在0～20 cm表层均达到500 mg/kg，随着土层加深，速效磷含量逐渐降低;在整个土体中，鸭粪处理速效磷含量均高于牛粪处理，并在40～60 cm和80～100 cm土层达到显著水平，在80～100 cm土层鸭粪处理为73 mg/kg，牛粪处理为50 mg/kg（图1C）。与苗期相比，拉秧期两个有机肥处理速效磷含量在0～20 cm和20～40 cm土层均显著降低，但在40～60 cm及60 cm以下深层土中，速效磷含量和苗期相比均有所增加。在80～100 cm土层，牛粪处理达到81 mg/kg，比苗期增加62%;并且牛粪处理在40 cm以下土层中速效磷含量均高于鸭粪处理，在60～80 cm和80～100 cm土层达到显著水平（图1D）。2.2 土壤硝态氮和速效磷在不同土层中的相对累积速率

由图2A看出，牛粪和鸭粪处理0～100 cm土体中硝态氮的相对累积速率均为负值，说明在西葫芦整个生育期中硝态氮在每层土中均主要以向下层运移为主，累积发生已经延伸到深层土壤。在60 cm以上土层中，牛粪处理的硝态氮向下运移的速率大于鸭粪处理，80～100 cm的深層土壤中，鸭粪处理硝态氮运移速率明显大于牛粪处理，60～80 cm土层中两个处理硝态氮的运移速率相似。

土壤Olsen-P在不同土层中的相对累积和迁移速率变化与硝态氮完全不同。从图2B中可以发现，鸭粪处理Olsen-P在0～100 cm土体中均以向下运移为主，其相对累积速率均为负值，随着土层加深呈先快后慢的规律;牛粪处理Olsen-P在60 cm以上土层主要以向下运移为主，在60 cm以下土层中主要以累积为主。

由图3A看出，两种有机肥处理0～20 cm土壤C/N值均随作物生育时期呈先升高后降低的趋势。苗期，鸭粪和牛粪处理C/N值分别为8.14和8.73;初果期达到峰值，分别为15.57和15.61;拉秧期，C/N值又降至7.49和8.09。由图3B看出，两种有机肥处理C/P值在生育期后期均稍有提高，但都未达显著水平。鸭粪和牛粪处理前3个时期C/P值平均分别为47.21和52.58，拉秧期C/P值分别为53.79和57.72，分别提高13.9%和9.8%。

通过分析0～20 cm土层MBC、MBN和MBP含量在不同生育期的变化发现，两种有机肥处理的土壤MBC和MBN含量均随着生育期进程呈逐渐降低趋势。苗期鸭粪和牛粪处理MBC分别达到172.30 mg/kg和219.56 mg/kg，拉秧期分别降低为22.55 mg/kg和54.67 mg/kg，牛粪处理MBC在整个生育期均高于鸭粪处理，除拉秧期都未达到显著水平（图4A）。鸭粪和牛粪处理的MBN含量在苗期和初果期含量均较高，两个时期的平均含量分别为17.43 mg/kg和18.82 mg/kg，作物生长后期MBN降低，在拉秧期分别为13.61 mg/kg和8.33 mg/kg（图4B）。土壤MBP随作物生育期呈现先升高后降低的变化趋势，苗期两种粪肥处理MBP含量仅在50 mg/kg左右，初果期和盛果期鸭粪和牛粪MBP含量升高，在120～185 mg/kg之间，拉秧期MBP降至60 mg/kg左右（图4C）。

对表层土壤不同取样时期各指标之间的相关性进行分析发现，土壤MBP与C/N极显著相关、与Olsen-P显著相关，MBN与土壤Olsen-P、MBC显著相关，MBC与土壤NO-3-N、Olsen-P极显著相关，而Olsen-P与土壤C/N显著相关（表2）。

3 讨论

3.1 施用鸭粪、牛粪对设施菜田土壤环境及氮、磷迁移的影响

鸭粪和牛粪对硝态氮和Olsen-P在不同土层中的累积和迁移差异显著。长期施用两种粪肥导致硝态氮在0～100 cm土层中已达到饱和状态，由于作物根系生长吸收、追肥以及灌溉等原因造成在不同生育时期，个别土层中硝态氮含量在两种粪肥处理下会有差异，但是在整个生育期0～100 cm土体中硝态氮的相对累积均以向下迁移为主。说明两种粪肥在持续施用5年以上的设施菜田0～100 cm土体中的硝态氮含量已基本稳定，氮淋失造成的损失以及对地下水安全的威胁会越明显。

长期施用两种粪肥均导致土壤速效磷在0～100 cm土体中大量累积，但是受根系生长范围的影响，60 cm土层一般是农田土壤养分淋溶的敏感层[7，16]，60 cm以上土层中Olsen-P含量均达到100 mg/kg以上，且以向下迁移为主，而在60 cm以下深层中，鸭粪处理仍以迁移为主，牛粪处理却以累积为主，Olsen-P含量显著高于鸭粪处理。粪肥中磷素多是无机态磷[17]，其中有机态磷也多以可溶态或胶体态存在，能明显提高磷在土壤中的迁移性，并增加磷的淋溶强度[18-20]。另外，非反刍动物粪肥磷含量一般是反刍动物粪肥的3～5倍[21]，所以鸭粪中磷素含量高于牛粪，长期施用鸭粪较牛粪更容易使土壤Olsen-P达到饱和并发生淋溶，这和肖辉等[22]的研究结果一致，非反刍动物更能增加土壤Olsen-P的累积量和淋溶量。

3.2 施用鸭粪、牛粪对土壤碳、氮、磷周转的影响

长期施用牛粪和鸭粪的土壤表层MBC含量虽然无显著差异，但是牛粪处理MBC周转量在不同时期均高于鸭粪处理。有机粪肥的投入会导致土壤有机碳含量及土壤碳氮比出现差异并刺激微生物活性，影响微生物量，尤其是微生物量碳含量[9，23-27]。随着可利用有机碳的逐渐分解和减少，氮养分浓度逐渐成为微生物量周转的限制因素[28]，土壤MBC和MBN容量逐渐减少，土壤硝态氮含量也随之降低。但是由于牛粪处理经过反刍消化吸收养分，氮、磷养分含量较鸭粪处理低，所以牛粪处理土壤C/N和C/P都略高于鸭粪处理，因此长期施用牛粪可显著增加土壤微生物碳含量[26， 29]。

大田土壤速效磷含量普遍较低，所以土壤MBP的周转量主要受土壤Olsen-P含量的影响[30]，但是设施菜田土壤由于长期施用有机粪肥导致速效磷累积，Olsen-P浓度上升，充足的速效磷已经不能成为作物生长和微生物磷周转的主要限制因素，所以在有机肥投入初期，有机碳是微生物竞争的主要对象，随着有机碳的不断消耗，氮素和磷素的释放与消耗，MBN和MBP也逐渐增加，MBP和土壤C/N呈显著相关，硝态氮和MBC相关性也达到极显著水平。随着氮素的快速流失，氮素逐渐成为土壤微生物周转新的制约因素，土壤微生物量均降低，因此在生长后期，硝态氮成为了微生物量和土壤养分周转的关键因素。

3.3 有机粪肥的科学利用潜力

畜禽养殖业的迅速发展，规模化比例快速提升，导致畜禽粪便产生量日益增加，对土壤和水体环境产生的威胁也日益突出[31]。Kamaa等[32]在长期定位试验中发现，长期施用粪肥比施用玉米秸秆更能提高土壤真菌的多样性。如果畜禽粪便的养分资源可以合理返还农田，不仅会大量减少化肥投入，还能有效改善土壤质量、减轻环境压力[33]。杨泳冰等[34]研究表明，如果用有机肥替代化肥，全球气候变暖潜力、水体富营养化潜力和环境酸化潜力都将分别降低17.5%、52.9%和62.6%。虽然从肥料化角度分析畜禽粪便资源化利用率高达60%以上[35]，但是畜禽粪便普遍C/N较低，投入土壤后养分释放快速，在短期内容易造成养分过量累积并发生淋失。另外，在畜禽养殖过程中，饲料中经常会过量添加含Cu、Zn和含量较少的As、Cd、Cr、Pb和Hg的添加剂，以及四环素、氯霉素、磺胺类等抗生素以防止畜禽疾病、促进畜禽生长等[36，37]，而饲料中的重金属和抗生素绝大部分会随着畜禽粪便排出体外[38]，长期施用重金属和抗生素含量超标的畜禽粪便必然导致农田土壤污染。所以，如何科学安全地利用畜禽粪便是未来农业发展首要考虑的问题之一。

4 结论

长期持续施用鸭粪和牛粪两种有机粪肥，土壤速效氮、磷均出现严重累积，对深层土壤和地下水安全产生了严重威胁：①鸭粪和牛粪持续施用5年以上的设施菜田0～100 cm土体中硝态氮含量维持稳定，深层土壤硝态氮累积和迁移加剧;②设施菜田60 cm土层是养分迁移敏感层，持续施用鸭粪更易使Olsen-P在60 cm以上土层中达到饱和并发生淋溶;③在长期施用鸭粪和牛粪的设施菜田中，微生物量磷的周转主要受有机碳和氮素含量的影响，牛粪相对于鸭粪更有利于微生物量碳氮的周转。

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