有机肥还田对温带草甸草原土壤养分的影响

仝宗永，商丽荣，万里强，何 峰，李向林

(中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京100193)

随着我国畜牧业和奶业的快速发展，规模化和集约化牧场不断增多，大幅提升了我国肉蛋奶等农产品的供给，但同时也暴露出一些难以忽视的环境和社会问题。研究表明，每头奶牛日产粪尿约60 kg，每头肉牛日产粪尿约24 kg[1]。据统计，到2020年，全国畜禽养殖废弃物总量将达到42.44×108t，这是一个巨大的难题和挑战[2]。集约化生产带来的大量粪尿排放如果没有得到有效的处理和利用，随意堆放或排入水体，会造成水体富营养化、病原菌滋生扩散、产生有害气体等严重的环境问题。为此国家制定了各项治理畜禽废弃物的法律法规鼓励和强制规定牧场环境整治和废弃物的资源化利用，同时鼓励农民加快转变施肥方式，深入推进科学施肥，增加有机肥资源利用，走高产高效、优质环保、可持续发展之路，促进粮食增产和生态环境安全。

为了解决相关问题，国内外进行了很多研究，目前公认较好的解决方式是建立种养结合的生态型牧场，将养殖废弃物进行资源化循环利用，提高资源利用率、肥料利用率和饲料利用率，达到“减量化、无害化、资源化”[3]，减少环境污染，建立环境友好型的新型现代化牧场。对于养殖废弃物的资源化利用技术，目前较先进的方式是在牧场中引入自动清粪和固液分离系统，固体粪渣生产有机肥和垫料，废液经过处理用于农业生产。固体粪渣一般通过堆积发酵、制作生物有机肥、制作生物质燃料、牛床垫料等进行利用，废液经过沼气池进行发酵或者经过沉降池处理直接还田[4-6]。呼伦贝尔地区草地资源丰富，有大量牧草地可以对牛粪进行消纳，一般牛粪会直接发酵，或者固液分离以后，固体做牛床垫料，液体沉降后直接还田，取得较好的经济和社会效益[7]。但牛粪中含有大量病原菌和有机质，容易造成草地局部“烧苗”现象和水体富营养化等问题。而用生物进行资源化处理后，牛粪可以作为肥料还田，为草地提供养分，但是此过程中的营养元素变化情况较为复杂，很难对废弃物处理量进行精确控制。

针对该地区的上述问题，本试验利用呼伦贝尔地区谢尔塔拉第二牧场生产的牛粪，发酵处理后做基质进行种植双孢蘑菇和养殖蚯蚓，残渣用来进行生产有机肥[8-11]，并在天然草地上进行施用，研究其在“牛粪-有机肥-土壤-植物”不同界面中的养分转化过程，为研究养殖废弃物资源化处理中养分流动和转化过程提供理论支持。此模式不仅延长了产业链，充分利用了牛粪的养分，而且提高了产品附加值，增加了经济效益，有利于大面积推广，成为了一种新的循环生态农业的经济模式。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

供试的养殖废弃物来自呼伦贝尔谢尔塔拉镇第二牧场，废弃物处理和有机肥还田试验于2018年6月至2019年9月在呼伦贝尔国家草原生态系统野外观测站内进行，地点位于内蒙古呼伦贝尔市海拉尔区谢尔塔拉镇东约3 km处(49°32ˊN,119°94ˊE，海拔670 m)，年均温约为-5 ℃，无霜期95～110 d，年平均降水量为350～400 mm。土壤为黑钙土或栗钙土，试验地本底养分数据为：有机质4.75%，全氮3.11 g/kg，全磷0.68 g/kg，全钾30.47 g/kg，速效氮0.20 g/kg，速效磷26.17 mg/kg，速效钾0.22 g/kg，土壤磷素较缺乏，其余养分充足。主要草地类型是温带草甸草原，优势物种有羊草(Leymuschinensis)、贝加尔针茅 (Stipabaicalensis)、冷蒿 (Artemisiafrigida)、线叶菊 (Filifoliumsibiricum)等。

1.2 有机肥来源

供试的有机肥为来自鲜牛粪经过蚯蚓养殖和种植双孢蘑菇处理得到的蚓肥(QY)和菇渣(JZ)作为原料。双孢蘑菇菌株为W192，采用全牛粪发酵栽培，辅料为过磷酸钙、石灰等材料，配比为牛粪95%、过磷酸钙1.9%、石灰1.1%、碳酸钙1.0%和石膏1.0%。温度控制在20-24 ℃，空气相对湿度控制在85-95%，菇床灌水48 h后进行覆土[9]，发酵培养后蘑菇菌丝较白，质量好，可作为鲜食蘑菇销售，剩下的菇渣具有颗粒性，透气性较好，可直接作为肥料使用。另外，鲜牛粪堆积成垄，接种大平2号蚯蚓品种，保持相对湿度为70%，牛粪经过蚯蚓消化道中砂囊的机械研磨和体内一系列酶的消化后，会形成粉末状，无味道的残渣[12]，即蚓肥(vermicompost)。

1.3 试验设计

试验采用随机区组试验设计，试验包括蚓肥(低l、中m、高h)、菇渣(低l、中m、高h)和不施肥的对照CK，共7个处理，每个处理3次重复。小区面积3×5 m2，小区间设1 m隔离带，有机肥撒施前进行磨碎混匀，每小区单独称重，尽量保证撒施均匀，于2018年6月15日撒施入天然草地，下一年不施肥。

表1 施肥种类和施肥量

1.4 样品采集和指标测定

连续两年进行同样方法的取样和测定。有机肥样品为施肥前进行混匀取样，每个有机肥取100 g，重复3份样品。植物样品和土壤样品同时采集自8月下旬。样地内随机选取3个样方(0.5×0.5 m2)，齐地面剪下地上植物，置于烘箱中65 ℃烘干至恒重，测定植物群落的地上生物量，并放入密封袋进行营养成分测定。用直径为2.5 cm的土钻在每个样地内取0～20 cm土层的土壤共计5钻，将5钻土壤均匀混合成1份土样，带回实验室后自然风干后进行粉碎，过2 mm土筛去除杂物后作为样品。

测定有机肥、土壤和植物样品中的全效氮磷钾、速效氮磷钾及有机质：全氮(TN)和速效氮(AN)采用凯氏定氮法(Kjeltec 1026，瑞典Foss Tecator公司)，全磷(TP)采用酸溶-钼锑抗比色法，速效磷(AP)采用0.05 mol/L NaHCO3-钼锑抗比色法，全钾(TK)采用氢氧化钠熔融法，速效钾(AK)采用NH4OAc浸提法和火焰光度计测定，有机质(OM)的测定采用重铬酸钾容量法测定样品中有机碳(OC)的含量，再乘以常数1.724，即为有机质含量。

1.5 数据分析

所有试验数据用Microsoft Excel 2010进行初步整理后，用SPSS 19.0软件进行方差分析，用Duncun法进行多重比较，表中数据以“平均值±标准误”表示，P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 废弃物资源化处理后的营养成分比较

收集鲜牛粪、菇渣和蚓肥的样品，混匀后测定其各自的营养成分，各取3次重复，结果如表2。由表2可以看出，鲜牛粪经过种植双孢蘑菇、养殖蚯蚓处理后，收集蘑菇菇渣和蚯蚓排泄物进行堆肥制作有机肥料，两种有机肥的速效氮含量显著增加(P<0.05)，蚓肥中的速效氮是鲜牛粪的5倍；而有机碳、速效磷和速效钾的含量均大幅降低(P<0.05)，尤其是速效磷的含量，处理之后含量低至0.11 g/kg。

表2 鲜牛粪、菇渣与蚓肥营养成分比较

菇渣中的全氮含量和鲜牛粪基本一致，但是蚓肥中的全氮含量比二者显著降低(P<0.05)，因此菇渣的碳氮比较鲜牛粪明显降低(P<0.05)，而蚓肥中的碳氮比则显著升高(P<0.05)(表2)。而由于速效氮的大幅增加(P<0.05)，两种肥料的速效氮/全氮也显著增加(P<0.05)，尤其是蚓肥的速效氮/全氮大幅增加(P<0.05)，由1.09%增加到16.47%。

2.2 有机肥施用对天然草地土壤养分的影响

2018年6月初施用两种有机肥后，于2018～2019连续两年在8月底同一时期，对天然草地土壤的0～20 cm土层进行5点取样后混匀，随后进行氮、磷、钾和有机质等营养成分分析(见图1)。

图1 不同有机肥处理对土壤养分的影响A. 有机质，B. 速效氮，C.速效磷，D. 速效钾 注：大写字母代表2018年的处理比较，小写字母代表2019年，不同大小写字母表示差异性显著(P<0.05).

结果显示，在0～20 cm层土壤中，全效的氮、磷、钾元素均没有显著性差异(P>0.05)(数据未列出)。但是速效的氮、磷、钾元素和有机质含量均有不同程度的变化。在2018年各处理中的有机质(OM)含量均没有显著性差异(P>0.05)，而在2019年，基本所有肥料处理比对照均有显著增加(P<0.05)，尤其是JZ-l处理和QY-h处理比对照提高了19.5%和22.5%，达到了63.38 g/kg和65.42 g/kg。

和有机质含量类似，2018年时，处理的速效氮(AN)含量比对照没有显著差异(P>0.05)。而在2019年，所有有机肥处理的AN均有大幅度提高，与对照相比，AN均显著提高了25%以上(P<0.05)，最高的处理QY-h的AN达到了294.79 g/kg。

对于某一年度的速效磷(AP)和速效钾(AK)的变化规律相同，均是有机肥处理的比对照含量高，尤其是在在两个高水平处理JZ-h和QY-h处理下较CK差异显著(P<0.05)。但是两年度对比来看，AP在2019年的含量较2018年有显著下降(P<0.05)，而2019年AK含量均高于2018年。

2.3 有机肥对植物地上生物量和氮素滞留量的影响

氮素(N)是组成蛋白质的主要成分，对光合作用和酶促反应有重要作用，对植物茎叶的生长和果实发育影响很大。试验对样方中植物的地上生物量(above-ground biomass，AB)和含氮量(TN)也进行了测定(两年平均值)，并且通过有机肥的含氮量计算出氮素添加量。当草场的地上部分被刈割后，植物中的氮素即被移出，可以计算出土壤中的氮素保持量，即氮素滞留量(N retention, NR)。氮素滞留量是地上生物量维持生长的物质基础，对生态系统的可持续发展至关重要。有机肥处理的氮素滞留量结果见表3。由表3可见，施用有机肥确实对地上生物量(AB)和植物含氮量有极大的促进作用，菇渣处理中的JZ-m和JZ-h、蚓肥中的QY-h生物量和含氮量为均显著高于CK(P<0.05)。植株中的含氮量也和肥料中氮添加的多少直接相关，CK中的植株的含氮量仅有1.52%，而菇渣处理可明显提高植株中的含氮量，其中JZ-h处理的含氮量高达2.49%。而蚓肥中植物吸收利用的氮含量有限，在低水平和中水平处理的含氮量没有明显的提高(P>0.05)。

表3 有机肥处理的氮素滞留量

菇渣处理的氮素移出量均显著高于CK(P<0.05)，其中JZ-h的氮素移出量达到60.78 kg/hm2，而蚓肥中只有QY-h显著高于CK(P<0.05)。由于有机肥氮素的大量施入，导致氮滞留量比对照大幅增加，最高的滞留量为JZ-h的662.82 kg/hm2，最低是对照的-26.27 kg/hm2。而QY-l的平衡量为60.35 kg/hm2，由于会有部分氮素通过挥发和淋溶作用散失，消耗量基本和输入量保持平衡。

3 讨 论

3.1 有机肥的营养成分

本试验研究发现，和鲜牛粪相比，养殖蚯蚓消化后的蚓肥中，有机碳(OM)、速效磷(AP)和速效钾(AK)的含量均大幅降低，全氮(TN)含量降低但是速效氮(AN)含量升高。前人也研究了相当多蚯蚓处理牛粪之后的营养成分变化，例如柏彦超等研究中新鲜牛粪经蚯蚓消解处理后，蚓肥中的pH、有机质、全氮、全钾含量均降低，全磷含量上升。速效氮和硝态氮含量占全氮含量的比例比新鲜牛粪的高，速效磷含量占全磷含量的比例比新鲜牛粪的低[13]。相似的是，陆钰等研究蚓肥中总碳、有机碳、全氮、全钾含量均低于传统的牛粪自然堆制物，而全磷、速效磷、速效氮和速效钾均高于牛粪自然堆制物，其解释原因为牛粪蚯蚓堆制加快了堆制物矿化速率，提高了堆制物速效养分含量[12]，此类研究较多也支持这一结论[14-16]。而朱晓玲等[17]研究发现，蚯蚓处理牛粪后全氮含量均增加，其解释为蚯蚓消化使牛粪总质量减少，氮相对含量增加。张艳等[18]发现，蚯蚓处理牛粪后全氮、全磷含量增加，而全钾和有机质含量明显下降，可能与其高原地区的环境条件有关。所以以上研究有不少相互矛盾之处，可能与气候条件，蚯蚓品种，饲养方式等有关。但是基本一致的结论是，蚯蚓处理牛粪后，其有机质(OM)含量下降，但可利用氮(AN)的比重增加，可能是由于牛粪中的含氮物质(如蛋白质)经过蚯蚓体内各种蛋白酶处理，全氮(TN)含量明显下降，但是可利用的速效氮(AN)却大幅增加，所以速效氮对全氮的比例(AN/TN)也大幅升高。

而种植双孢蘑菇后收集的菇渣肥料中，试验结果发现，同鲜牛粪相比，有机碳(OC)、速效磷(AP)和速效钾(AK)的含量同蚓肥一致均大幅降低，但是其全氮(TN)含量基本一致，速效氮(AN)含量升高。王胤晨等[19]研究表明，收获蘑菇后培养料中的氮、磷、钾含量均下降。由此推测，由于牛粪同相关微生物协同消解或吸收牛粪中的有机质(OM)，其有机质含量下降。而由于微生物的硝化作用，速效氮/全氮(AN/TN)明显增加，因此蚓肥中的碳氮比(C/N)显著下降。

3.2 有机肥对土壤改良的作用

本试验中两种有机肥施用以后，第二年土壤中的有机质含量均比对照有显著的增加。尤其是施肥量最高的处理45 t/hm2时效果最为明显，说明土壤有机质的含量和有机质的输入量直接相关。有机肥施用对土壤的全效养分无显著影响，但是对土壤的速效养分有明显的促进作用，尤其是施肥量高的处理的速效氮磷钾均比对照有显著的增加。刘占伟[20]在农田上用牛粪堆肥也在45 t/hm2时对土壤的改良效果最佳，使土壤的有机质、全氮、速效磷、速效钾等含量均显著提高。国内有大量的牛粪有机肥还田的研究[21-23]，还有牛粪和蚯蚓粪添加不同比例对土壤肥料的研究[24]，结果均证明有机肥可以显著提升土壤的有机质含量，各种矿质元素和养分含量均有所增加。

本试验中第一年各处理的土壤有机质和速效氮、速效钾没有显著变化[25]，第二年各处理均比第一年有显著的增加，可能是由于有机肥的肥效是缓释的，需要经过一段时间的分解和微生物作用将养分逐渐释放出来。但是第二年各个处理的速效磷的含量却比第一年有显著的下降，可能是由于有机肥中磷的含量较低，只有0.11 g/kg，同时第二年磷的淋溶作用明显导致土壤速效磷含量整体下降。

3.3 有机肥对土壤氮滞留量的影响

之前研究表明，施用养殖废弃物制成的有机肥可以增加天然草地的地上生物量[26]，同时由于补充了大量氮素，也对植株的含氮量有极大的促进作用。试验中除去刈割植株移走的氮素，土壤中还剩余大量氮素可以利用，氮素也是草地资源可持续发展的重要物质基础。其中双孢菇消化后的菇渣有机肥可以极大补充氮素，对天然草地上的氮素滞留量贡献最大。但是也需要充分利用其氮素资源，防止造成温室气体的排放和污染。

4 结 论

牧场废弃物经过资源化处理后，与新鲜牛粪相比，作为有机肥的蘑菇菇渣和蚓肥中速效氮含量显著增加，其中蚓肥提高了4倍。而有机碳、速效磷和速效钾的含量均大幅降低。菇渣中的全氮含量和处理前基本一致，蚓肥中的全氮含量显著下降了67%。作为有机肥还田时，当菇渣或蚓肥施用量为45 t/hm2时，土壤有机质大约提高20%，速效氮磷钾的含量均显著升高，而第二年所有处理的速效磷含量均显著下降。并且有机肥对草地地上生物量有极大的促进作用，菇渣有机肥可以极大补充氮素，对天然草地上的氮素滞留量贡献最大，最高可达每公顷663.82 kg。