增施猪粪有机肥以及不同比例替冬小麦生长及土壤养分的影响

杜鑫宇, 张哲栋, 闫之春, 薛林杰, 闫淋淋, 张笑笑, 梁晓飞

(山东新希望六和集团有限公司, 山东 青岛 266100)

在规模化生猪养殖过程中会排放大量的粪尿,由于生猪对日粮中的氮、磷等养分利用效率不高,使生猪粪尿中含有超过50%的营养物质[1]。生猪粪中的营养物质经过处理后制成的猪粪有机肥,在管理得当的情况下,施于农田是改善土壤健康、提高农业经济效益和实现农业生态系统多样化的可持续选择[2]。施用有机肥不仅能为作物生长提供养分,还能改善土壤理化性质,提高土壤肥力[3]。PlazaC[4]等研究结果表明,施用有机肥有利于提高土壤养分和酶活性。另一方面,增施有机肥可以提高冬小麦的光合作用能力,增加光合作用产物,促进小麦生长,提高产量[5]。马凡凡[6]等研究表明,通过猪粪肥替代化肥后的土壤中有机质、NPK等养分显著高于其他处理,并降低土壤氮素径流流失。曾庆庆[7]等通过不同年限施加猪粪肥结果表明,土壤肥力显著提升,土壤中营养物质含量明显增加,并且随着施用时间不断提高。Qaswar[8]和Kang[9]通过长期田间试验表明,长期施用猪粪有机肥能提高土壤养分含量以及土壤中微生物含量。有研究发现,在水稻和小麦不减产的前提下,有机肥的施用可以替代25%化肥[10]。Guo[11]等研究发现,25%有机肥+75%化肥处理的产量与100%NPK的并无显著差异。早在2000年,牟善积[12]等提出有机肥和化肥配施的重要性,两者配施有利于全面调节土壤养分平衡,解决供需矛盾,实现用地和养地相结合,培肥地力。本研究通过设置不同梯度猪粪有机肥替代化肥以及单施有机肥来探究对冬小麦农艺生长形状、产量、品质以及土壤养分变化的影响,确定猪粪有机肥替代化肥的最佳比例,以期探索适合小麦稳产增产和土壤增肥的最佳有机无机配施比例。

1 材料与方法

1.1 试验地点及基本情况

试验地点位于安徽省五河县霍庄村。该地区属于暖温带过渡型季风气候,根据气象数据统计,该地区年平均气温为14.7℃,年降雨量平均为896.3 mm。该地区实行冬小麦-大豆两茬制,于10月下旬大豆收获后旋地整地,之后种植冬小麦。

供试土壤0～20 cm土层的基础理化性质见表1。

表1 供验土壤0～20 cm理化性质

1.2 试验设计

试验于2021年10月下旬开始,试验共设置7个施肥处理,每个施肥处理3个重复,采用完全随机区组设置,共21个小区,各小区5 m×10 m;各处理在冬小麦播种前将氮、磷、钾肥全部施入,施氮量参考国家标准为250 kg·hm-2;有机肥为集约化猪场发酵产生的猪粪有机肥,其中有机质含量≥60%,全氮含量占2.42%,有机肥具体用量以全氮含量为标准进行折算,各试验区冬小麦播种量均为20 kg·667 m-2,其他管理措施与当地大田一致。

具体试验处理分别为: 1)CK:对照,不施肥; 2)T1:100%化肥氮素; 3)T2:100%氮素有机肥+100%氮素化肥混合; 4)T3:120%氮素有机肥+80%氮素化肥混合(有机肥替代化肥氮素20%); 5)T4:160%氮素有机肥+40%氮素化肥混合(有机肥替代化肥氮素60%); 6)T5:200%氮素有机肥(有机肥替代化肥氮素100%)。

1.3 测定项目与方法

小麦成熟期时采集各小区中间划定的2 m×3 m收获区,分别测定株高、穗粒数、千粒重、穗长、亩均成穗数、粗蛋白、湿面筋,产量为每小区实收产量;收割后对每小区进行0～20 cm土壤取样,测定土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、碱解氮、速效钾。

1.4 数据分析

采用 Excel 2019进行数据统计与处理,运用Origin 2018软件绘图,运用 IBM SPSS Statistics 21软件进行单因素显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥比例对冬小麦农艺性状、产量结构的影响

由表2可知,各施肥处理之前的小麦株高、穗粒数、有效穗数均显著高于CK,T2处理各指标均为最高,且各指标均显著高于T4、T5处理。T2处理实际产量显著高于T3处理,但株高、穗粒数、千粒重、有效穗上变化无显著性差异,产量结构上随着有机肥替代量的增加,实际产量逐渐下降,不同施肥处理之间均有显著性差异,实际产量T2处理较T1增幅7.07%,较T3增幅9.97%,较T4增幅86.41%,较T5增幅113.07%。

表2 不同施肥比例冬小麦农艺形状、产量结构变化

2.2 不同施肥比例对冬小麦粗蛋白、粗脂肪、湿面筋含量的影响

蛋白质含量是小麦品质的标志,不同施肥比例对冬小麦粗蛋白含量的影响发现,不同处理冬小麦粗蛋白含量存在显著性差异,由图1可知,施肥处理的粗蛋白含量均显著高于CK,T2处理粗蛋白含量显著高于其它处理,较T1增加8.1%、较T3增加4.7%、较T4增加10.7%、较T5增加18.6、较CK增加28.8%;T3处理的粗蛋白含量较T1显著增加3.47%,说明增施有机肥有利于提高小麦粗蛋白含量,但过量替代化肥施用,则会降低小麦粗蛋白含量。

图1 不同施肥比例冬小麦粗蛋白含量变化

脂类是作物营养的三大成分之一,是影响小麦品质的重要因素[13],如图2所示,随着有机肥替代量的增加,化肥用量的减少,粗脂肪含量呈逐渐下降的趋势,T1、T2、T3、T4处理之间的粗脂肪含量无显著性差异,但均显著高于CK与T5处理,T1、T2处理粗脂肪含量较T5增幅6.96%,T3处理较T5增幅7.55%,T4处理较T5增幅5.06%。

图2 不同施肥比例冬小麦粗脂肪含量变化

面筋含量和质量是评价小麦品质的重要指标,面筋含量的多少直接影响到小麦品质的优劣[14]。图3表明不同施肥处理之间冬小麦湿面筋含量存在差异性变化,T1、T2、T3处理湿面筋含量显著其他处理,T2处理湿面筋含量最高,为25.7%、其次是T3处理,为25.2%。T4、T5处理的湿面筋含量较T2处理分别下降16.3%、18.3%。

图3 不同施肥比例冬小麦湿面筋含量变化

根据冬小麦品质指标的变化情况说明,随着有机肥替代化肥施用量的增加冬小麦的品质逐渐降低,但20%替代量并不会影响冬小麦的生长质量。

2.3 不同施肥比例对土壤有机质和N、P、K的影响

2.3.1 不同施肥比例对土壤有机质含量的影响

土壤有机质含量是衡量土壤肥力高低的重要指标,它能改善土壤中的理化、生物环境[15],在种植前对冬小麦种植土壤进行化验得到基础有机质含量,由图4试验结果表明,土壤有机质含量T2>T3>T4>T5>T1>CK,T2、T3、T4、T5处理土壤有机质含量较基础土壤分别增加27.23%、12.98%、17.18%、19.32%。T2处理较基础土壤、CK相比变化不显著。土壤表层中有机质含量越高则越有利于内部形成良好的团聚体结构,说明有机肥对于提高土壤肥力有显著作用。

图4 不同施肥比例冬小麦种植土壤有机质含量变化

2.3.2 不同施肥比例对土壤全氮、碱解氮含量的影响

增施有机肥后土壤全氮、碱解氮含量有明显变化。如图5所示,与基础土壤相比,T1、T2处理显著提高了土壤全氮的含量。T2处理增幅最高(27.89%),除T2外,各施肥处理间土壤全氮的含量无显著差异,但均显著高于CK处理。

图5 不同施肥比例冬小麦种植土壤全氮含量变化

由图6所示,施肥对土壤碱解氮含量也有显著增加的作用,T1、T2、T3处理的土壤碱解氮含量均高于其他处理,与基础土壤碱解氮含量相比T2增幅最大(6.21%),而CK处理出现明显降幅,说明与单施化肥相比,有机+无机结合的方式更有利于增加土壤氮素的累积。

图6 不同施肥比例冬小麦种植土壤碱解氮含量变化

2.3.3 不同施肥比例对土壤全磷、速效磷含量的影响

土壤磷素中的全磷和有效磷分别反应土壤磷库的大小和可供当季作物吸收利用的磷素水平[16],全磷和有效磷的含量也是评价土壤供磷能的重要指标[17]。如图7所示,施肥处理中,T2处理的土壤全磷和速效磷含量增幅最高,全磷含量变化中,只有T2处理与CK处理相比变化显著,但施肥处理间的土壤全磷含量差异不显著,全磷含量比较上:T2>T3>T1>T5>T4>CK。

图7 不同施肥比例冬小麦种植土壤全磷含量变化

由图8可知,速效磷变化上除T2处理外,其余处理间均无显著性差异,速效磷含量高低比较上:T2>T1>T3>T4>T5>CK。通过对土壤磷素的变化观察发现,100%氮素有机肥+100%氮素化肥混合处理的土壤磷素增加最明显。

图8 不同施肥比例冬小麦种植土壤速效磷含量变化

2.3.4 不同施肥比例对土壤全钾、速效钾含量的影响

钾是植物的必须营养元素之一,钾元素的丰富程度可以做为衡量土壤肥力的重要指标之一。通过观察图9、图10可知,不施肥CK处理的全钾、速效钾含量较种植前的养分情况有所下降,降幅分别为8.32%、9.91%,与常规化肥处理相比(T1),增加有机肥处理(T2)更明显地增加了冬小麦种植土壤的全钾与速效钾含量,有机肥替代20%化肥处理(T3)的全钾与速效钾含量也略高于T1处理,但差异性不显著。土壤全钾与速效钾含量高低顺序均为T2>T3>T1>T4>T5。速效钾含量变化上,各施肥处理速效钾含量与基础土壤相比均有不同程度增加,但增幅无显著差异。全钾含量变化上,仅T2处理显著高于基础土壤,增幅为23.74%。

图9 不同施肥比例冬小麦种植土壤全钾含量变化

图10 不同施肥比例冬小麦种植土壤速效钾含量变化

3 讨论与结论

许多研究表明,有机肥添加后可以提高作物产量和土壤肥力。有研究数据表明,生物有机肥替代25%的化肥时,可以提高小麦和玉米单产[18]。本实验中通过不同配比施肥以及替代化肥施肥,冬小麦的农艺形状以及产量产生了明显的不同变化趋势,在不减少化肥施用的条件下,增加等氮量的有机肥可以有效提高冬小麦在生长期间的单产,产量上T2处理较常规化肥施用处理(T1)提高26.57 kg·亩-1,但有机肥替代20%化肥处理(T3)产量较T1处理有所降低。

李春明[19]等研究表明不同有机肥和无机肥配比能够提高籽粒蛋白质含量增加2.18%～2.75%,本试验中与纯施化肥(T1)处理相比,T2处理与有机肥替代20%化肥均能提高小麦蛋白质含量。与对照相比所有冬小麦施肥处理的湿面筋含量均显著增高。

目前国内学者研究生物有机肥结合化肥后在农业生产中的应用发现,有机无机配施可增加土壤有机质,改善土壤生态条件,从而提高农作物的产量[20]。本研究中100%氮素有机肥+100%氮素化肥混合处理的土壤的有机质、NPK含量较基础土壤增幅均最高,20%替代化肥(T3)处理下的土壤养分含量也较纯化肥(T2)处理增幅效果明显。

研究表明,100%氮素有机肥+100%氮素化肥混合施用可以最高效地提高土壤养分含量与小麦品质,有机肥替代20%化肥施用对于增加小麦品质与土壤养分含量也有一定提高作用,但过量替代化肥不仅会造成肥力供应不足,还会降低当季冬小麦品质。