趙自超，付龍?jiān)?，李彥?，姚利，田忠紅，井永蘋，仲子文，王艷芹，3*

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，濟(jì)南 250100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物基質(zhì)化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100；4.山東銀香偉業(yè)集團(tuán)有限公司，山東菏澤 274400）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活質(zhì)量日漸提高，對(duì)牛奶的需求量越來越大，估計(jì)2050 年我國(guó)牛奶需求量將是2010 年的3.2 倍[1]。奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展水平的高低是畜牧業(yè)甚至是整個(gè)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的一個(gè)重要標(biāo)志[2]。近年來，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)使奶牛規(guī)模化養(yǎng)殖得到了迅速發(fā)展，在解決農(nóng)村剩余勞動(dòng)力轉(zhuǎn)化、增加農(nóng)民收入、滿足人民生活需要等方面發(fā)揮了重要作用。但奶牛養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的大量糞污難以處理，尤其是污水處理已成為奶牛場(chǎng)的主要難題[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，存欄4 000 頭奶牛的奶牛場(chǎng)，每日的污水產(chǎn)生量約為300 t左右，若處理不當(dāng)，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染[5-6]。奶牛場(chǎng)污水污染物濃度高，達(dá)標(biāo)排放處理難且成本高（每噸污水25 元左右），因此，將糞水厭氧發(fā)酵儲(chǔ)存后進(jìn)行農(nóng)田利用成為了替代選擇。

華北平原是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)之一，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民投入了大量的化肥和灌溉水確保作物生產(chǎn)，隨之產(chǎn)生了氮淋溶、氨揮發(fā)、水資源短缺等環(huán)境問題。冬小麥-夏玉米輪作體系是華北地區(qū)主要的糧食種植方式，而華北地區(qū)的降雨量無法滿足該種植方式對(duì)水分的需求，為維持糧食作物的高產(chǎn)，大量地下水資源被消耗，造成該區(qū)地下水位持續(xù)下降[7-8]。水資源短缺與環(huán)境污染問題嚴(yán)重制約著華北地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)于華北地區(qū)來說，開展糞水農(nóng)田灌溉可以有效緩解水資源供需的矛盾，糞水富含氮、磷、鉀元素和有機(jī)質(zhì)物質(zhì)，是一種良好的有機(jī)肥，其可以替代一定量的化肥施用于農(nóng)田[9-11]。糞水還田是一種降低成本、節(jié)約資源和減少環(huán)境污染的有效方式。在華北地區(qū)，糞水施用到農(nóng)田后對(duì)作物產(chǎn)量、氮素利用及損失（氮淋洗、氨揮發(fā)）的具體影響還不清楚。

為此，本研究以華北地區(qū)典型冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田為研究對(duì)象，對(duì)規(guī)?；膛?chǎng)糞水施用條件下的作物產(chǎn)量、氮素利用率及氮素?fù)p失進(jìn)行研究，以期為規(guī)模化奶牛場(chǎng)的糞污資源化利用和制定減少氮素?fù)p失策略提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究于2019 年6 月—2020 年6 月在山東省曹縣某奶牛養(yǎng)殖廢棄物循環(huán)利用示范基地內(nèi)進(jìn)行。該地區(qū)屬于黃河沖積平原，氣候?yàn)榈湫偷呐瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，光照充裕，年日照時(shí)數(shù)2 147 h，年平均氣溫14.3 ℃，年平均降水量678 mm。種植模式為冬小麥-夏玉米輪作，6 月—9 月為夏玉米生育期，10月—次年6月為冬小麥生育期。供試土壤為潮土，其0～20 cm土層基礎(chǔ)理化性狀如下：pH值為7.74，有機(jī)質(zhì)含量為15.1 g·kg-1，全氮含量為1.06 g·kg-1，速效磷含量為6.3 mg·kg-1，速效鉀含量為322 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)5 個(gè)處理，分別為：不施氮肥（CK）、常規(guī)化肥（全部化肥，撒施，CF）、糞水化肥配施（糞水等氮代替50%化肥，化肥撒施，糞水澆灌，CSF）、糞水澆灌（糞水等氮代替100%化肥，澆灌，CS）、糞水深施（糞水等氮代替100%化肥，深施，CSD）。每處理重復(fù)3次，每小區(qū)長(zhǎng)9 m，寬6 m。

試驗(yàn)用小麥品種為濟(jì)麥22，玉米品種為豫青貯23。養(yǎng)分設(shè)計(jì)以氮含量為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，小麥季和玉米季均按照210 kg·hm-2氮施用量為一個(gè)單位計(jì)算糞水的投入量，小麥季磷（P2O5）、鉀（K2O）用量分別為105 kg·hm-2和90 kg·hm-2，玉米季磷（P2O5）、鉀（K2O）用量分別為75 kg·hm-2和105 kg·hm-2。氮肥基追比為1∶1，磷鉀肥全部作為基肥使用。糞水取自基地所在的奶牛場(chǎng)，是糞污經(jīng)過固液分離后，進(jìn)入黑膜貯存池內(nèi)發(fā)酵6 個(gè)月后得到的液體，含固率2%～5%，養(yǎng)分含量見表1。施用過程中，糞水中磷鉀不足的用化學(xué)肥料補(bǔ)齊。氮肥為尿素（含氮量為46%），磷肥為重磷酸鈣（含P2O546%），鉀肥為硫酸鉀（含K2O 為50%）。小麥季和玉米季各施肥2次，灌溉2次，每次75 mm（清水+糞水），糞水澆灌時(shí)隨灌溉水施用，深施采用埋溝法進(jìn)行，深度15 cm。蟲草防治根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行。

表1 供試糞水養(yǎng)分特征Table 1 Nutrient properties of the tested slurry

1.3 樣品采集與測(cè)定

青貯玉米收獲時(shí)，每小區(qū)取3 個(gè)9 m2樣方進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，直接稱質(zhì)量，以鮮質(zhì)量計(jì)算產(chǎn)量，風(fēng)干后測(cè)定氮含量。冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)，每小區(qū)取3 個(gè)3 m2樣方進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，風(fēng)干后稱質(zhì)量，計(jì)算籽粒和秸稈產(chǎn)量，并測(cè)定氮含量。用H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮法測(cè)定所有處理小麥籽粒、秸稈和玉米秸稈中的全氮含量[12]。氮素利用率采用以下公式計(jì)算[13]：

氮素利用率（NUE）=（施氮肥處理的氮素吸收量-不施肥處理的氮素吸收量）/氮肥施用量×100%

土壤氨揮發(fā)采用通氣法采集[14]，土壤淋溶液采用淋溶桶法采集[12]，采集后的樣品經(jīng)過處理后利用自動(dòng)間斷分析儀（Smartchem 200）測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量[15]，從而計(jì)算土壤氨揮發(fā)量和氮淋洗量。氨揮發(fā)系數(shù)和氮淋失率采用以下公式計(jì)算[14，16]：

氨揮發(fā)系數(shù)=（施氮肥處理的氨揮發(fā)量-不施肥處理的氨揮發(fā)量）/氮肥施用量×100%

氮淋失率=（施氮肥處理的氮淋失量-不施肥處理的淋失量）/氮肥施用量×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel 2016 處理和繪圖，應(yīng)用SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 糞水施用對(duì)作物產(chǎn)量的影響

從圖1 可以看出，不施氮處理小麥籽粒和青貯玉米（鮮質(zhì)量）產(chǎn)量最低。施氮處理中，與CF處理相比，CSF、CS和CSD處理的小麥籽粒產(chǎn)量和青貯玉米產(chǎn)量差異均不顯著。CF、CSF、CS 和CSD 處理的小麥籽粒產(chǎn)量分別為5.40、5.31、5.46 t·hm-2和6.13 t·hm-2，青貯玉米產(chǎn)量（鮮質(zhì)量）分別為72.9、70.6、69.7 t·hm-2和73.1 t·hm-2。牛場(chǎng)糞水部分或全部代替化肥不會(huì)顯著減少作物產(chǎn)量，且糞水深施能提高作物產(chǎn)量。

2.2 糞水施用對(duì)作物氮素利用率的影響

從圖2 可以看出，4 個(gè)施肥處理間的小麥季和玉米季NUE差異均不顯著。CF、CSF、CS 和CSD 4 個(gè)處理的小麥季NUE分別為39.7%、44.1%、48.0% 和50.5%，玉米季NUE分別為36.3%、36.4%、34.0%和39.3%。牛場(chǎng)糞水代替化肥不會(huì)降低作物氮素利用率，且施用糞水能提高作物氮素利用率，尤其是在小麥季。

2.3 糞水施用對(duì)土壤氨揮發(fā)的影響

從圖3 可以看出，在小麥季，隨著澆灌施用糞水量的增加，氨揮發(fā)量隨之增加；施肥處理中，相比CF處理，CSF 和CS 處理的氨揮發(fā)量分別增加了5.6%和27.1%。由于CSD 處理采取了糞水深施措施，其氨揮發(fā)量相比CF 和CS 處理顯著降低，分別下降了15.3%和30.0%。CF、CSF、CS 和CSD 4 個(gè)處理的小麥季氨揮發(fā)系數(shù)分別為4.22%、4.08%、6.86%和2.85%。相比CF 和CS 處理，CSD 處理顯著降低了氨揮發(fā)系數(shù)（圖4）。

與小麥季不同的是，在玉米季，4 個(gè)施氮肥處理間的氨揮發(fā)量差異不顯著（圖3），氨揮發(fā)系數(shù)差異也不顯著（圖4）。CF、CSF、CS和CSD 4個(gè)處理的玉米季氨揮發(fā)系數(shù)分別為5.16%、5.70%、6.18%和5.18%。CSD 處理相比CS 處理的氨揮發(fā)量和氨揮發(fā)系數(shù)分別降低了12.6%和1個(gè)百分點(diǎn)。

2.4 糞水施用對(duì)土壤氮淋失的影響

由圖5 可以看出，在小麥季，相比施用化肥，施用糞水顯著降低了無機(jī)氮淋失，也顯著降低了氮淋失率（圖6），CF、CSF、CS 和CSD 4 個(gè)處理的小麥季氮淋失率分別為9.52%、5.51%、2.55%和5.79%。相比CF 處理，CSF、CS 和CSD 的氮淋失量分別降低了38.5%、66.7%和35.8%。糞水深施處理（CSD）相比澆灌處理（CS）氮淋失量增加了91.8%。4 個(gè)施肥處理中，氮淋失以硝態(tài)氮為主，占97.8%～99.3%。

與小麥季相同，在玉米季，施用糞水相比施用化肥顯著降低了無機(jī)氮淋失量（圖5）及氮淋失率（圖6）。相比CF 處理，CSF、CS和CSD 的氮淋失量分別降低了22.6%、39.2%和57.8%。在玉米季，氮淋失主要成分也是硝態(tài)氮，占86.3%～97.7%。CF、CSF、CS 和CSD 4 個(gè)處理的小麥季氮淋失率分別為3.25%、2.36%、1.70%和0.94%。在玉米季，每個(gè)施肥處理的氮淋失量和氮淋失率均低于小麥季。CSD 相比CS 處理氮淋失量減少了30.7%。

3 討論

發(fā)酵后的糞水不僅含有大量的氮、磷、鉀等作物必需大量元素，還含有氨基酸、微量元素和腐植酸等活性物質(zhì)，能改善土壤狀況，刺激作物生長(zhǎng)[17-19]。杜會(huì)英等[20]發(fā)現(xiàn)牛場(chǎng)糞水與化肥配施對(duì)小麥產(chǎn)量有促進(jìn)作用。郭海剛等[21]在利用牛場(chǎng)糞水灌溉冬小麥的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，糞水灌溉與正常施肥相比可以提高冬小麥品質(zhì)和產(chǎn)量，冬小麥籽粒中蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和產(chǎn)量分別提高了2.5%～8.3%和4.6%～6.6%。這說明施用糞水能夠提高土壤肥力、增加作物產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)[22]。本研究的結(jié)果表明，施用糞水尤其是糞水深施條件下，相比化肥可以增加小麥籽粒產(chǎn)量及氮素利用率。在玉米季，施用糞水處理青貯玉米產(chǎn)量和氮素利用率有所下降，但各處理間差異不顯著。造成以上結(jié)果的原因可能是在玉米季溫度較高，且試驗(yàn)地是堿性土壤，富含銨離子的糞水施入土壤中，氮素會(huì)通過氨揮發(fā)等途徑損失[23-24]，從而導(dǎo)致氮素利用率低于化肥。但從整個(gè)年度來看，常規(guī)化肥、糞水配施化肥、糞水澆灌和糞水深施4 個(gè)處理在等氮量投入條件下的氮素利用率分別為38.0%、40.3%、41.0%和44.9%。這說明施用糞水會(huì)增加華北小麥-玉米輪作系統(tǒng)的年度氮素利用率。

土壤氨揮發(fā)和氮淋失是華北農(nóng)田氮素?fù)p失的兩個(gè)主要途徑[12，15]。本研究中，相比施用化肥，澆灌糞水顯著增加了小麥季的氨揮發(fā)量，但是顯著降低了小麥季的氮淋失量；在玉米季，氨揮發(fā)量和氮淋失量變化趨勢(shì)與小麥季的相同，但是各處理間差異不顯著。常規(guī)化肥、糞水配施化肥、澆灌糞水和糞水深施4 個(gè)處理的氨揮發(fā)量在小麥季占氮損失量（氨揮發(fā)量+氮淋失量）的比例分別為39.6%、52.9%、71.5% 和46.4%，而在玉米季的這個(gè)比例則是71.5%、63.7%、70.9%和80.7%。因而，在糞水施用過程中，減少氨揮發(fā)，尤其是在玉米季是控制氮素?fù)p失的有效措施。研究表明，除溫度和表面施用等物理因素外，影響糞水施用后土壤氨揮發(fā)的最重要因素是pH和氮素的有效性[25]，本研究的土壤pH 是7.74，澆灌施用含有大量銨離子的堿性糞水會(huì)引起大量氨揮發(fā)，而控制糞水施用后土壤氨揮發(fā)的有效途徑是糞水酸化和糞水深施[26-27]，這也是在小麥季深施糞水會(huì)顯著降低氨揮發(fā)的原因。在玉米季，糞水深施對(duì)于降低氨揮發(fā)的效果并不好，這可能是玉米季溫度過高或深施深度不夠的原因，提高深施深度或酸化糞水可能會(huì)減少玉米季的氨揮發(fā)量。氮素淋失是造成地下水污染和地表水富營(yíng)養(yǎng)化的重要途徑之一[28]。本研究的結(jié)果表明，施用糞水會(huì)降低氮淋失，尤其是在小麥季。從整個(gè)年度來看，相比常規(guī)化肥處理，糞水配施化肥、糞水澆灌和糞水深施3個(gè)處理的氮素?fù)p失（氨揮發(fā)+氮淋失）分別降低了14.2%、20.0%和25.0%。這說明施用糞水會(huì)降低華北小麥-玉米輪作系統(tǒng)的氮素?fù)p失。

綜上所述，施用糞水相比化肥在維持產(chǎn)量的同時(shí)，不僅提高了作物氮素利用率，還降低了土壤氮素?fù)p失。其中，等氮量替代化肥、糞水深施的效果最好。同時(shí)，糞水還能節(jié)約灌溉水，經(jīng)核算，每年每公頃可節(jié)省450～467 t 的灌溉水。因而，農(nóng)田施用糞水不僅解決了養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理難的問題，還為農(nóng)作物生產(chǎn)節(jié)約了水肥，是實(shí)現(xiàn)華北地區(qū)綠色種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)的有效措施。但同時(shí)需要注意糞水施入農(nóng)田中可能會(huì)帶來N2O 排放量增高和重金屬以及抗生素污染等問題[29-30]，需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）在同等施氮量條件下，施用牛場(chǎng)糞水不僅不會(huì)降低作物產(chǎn)量，還會(huì)提高華北小麥-玉米輪作體系年度氮素利用率，糞水配施化肥、糞水澆灌和糞水深施相比常規(guī)化肥處理，氮素利用率分別提高了2.3個(gè)、3.0個(gè)和6.9個(gè)百分點(diǎn)。

（2）施用牛場(chǎng)糞水引起的氮素?fù)p失主要是氨揮發(fā)，尤其是在玉米季，占氮損失（氨揮量+氮淋失量）的63.7%～80.7%，采取措施減少糞水施用過程中的氨揮發(fā)量，可進(jìn)一步降低氮素?fù)p失造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。施用牛場(chǎng)糞水可以通過降低氮淋失而降低氮損失，相比常規(guī)化肥處理，糞水配施化肥、糞水澆灌和糞水深施的年度氮損失量分別降低了14.2%、20.0%和25.0%。

（3）糞水深施是維持作物產(chǎn)量的同時(shí)提高氮素利用率和降低氮素?fù)p失的有效措施。