当前我国畜禽粪污年产生量约38亿t,综合利用率约为60%左右,已成为农业面源污染的重要来源。《第二次全国污染源普查公报》显示,2017年畜禽养殖业主要污染物化学需氧量、总氮、总磷排放量分别达1000.53万、59.63万、11.97万t,分别占农业源排放总量的93.8%、42.1%和56.5%。因此,将“粪污”变“粪肥”,实行粪肥科学还田,适量替代化肥,对减少农业面源污染、助力农业绿色低碳发展具有十分重要的意义。国内外关于有机肥还田的报道较多[1]。前人研究指出,有机无机肥合理配施有利于提高水稻产量、改善稻米品质、提高土壤肥力和氮肥利用率[1-3],但有机肥高比例替代化肥会减少水稻分蘖,降低氮素吸收利用能力[4-5]。稻田沼液利用也有报道,主要集中在水稻生长、产量及品质[6-12]、氮肥利用率[6-7],以及温室气体排放、氨挥发与重金属污染等环境效应[13-15]。已有研究表明,合理施用沼液有利于增加水稻产量[6-9],提升稻米品质[6-7];也有报道指出全量沼液替代化肥会显著降低水稻产量[10],对稻米品质影响较小[11-12]。另外,等氮量沼液处理水稻氮肥利用率差异较大,在13%~35%,且与化肥处理比较结果不一致[9-11, 13]。目前,长期施用猪粪沼液条件下水稻产量、稻米品质及氮肥利用率尚未见报道。本研究基于长期定位试验,研究连续施用猪粪沼液对水稻产量、稻米品质及氮肥利用率的影响,进一步明确猪粪沼液替代化肥后稻米品质、氮吸收与利用的长期累积效应,为稻麦两熟区粪肥还田提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验始于2010年11月,在江苏省农业科学院六合基地(32°29′N,118°36′E)进行。该区属北亚热带季风湿润气候区,年均温度15.3℃,年均降雨量970 mm,年日照时数2200h,年均无霜期215d,该区以水稻-小麦轮作模式为主。
试验田为黄褐土,试验前耕层土壤容重1.38g· cm-3,有机质含量12.1g·kg-1,全氮含量0.91g·kg-1,全磷含量0.55g·kg-1,有效磷含量5.39mg·kg-1,速效钾含量105.6mg·kg-1。
1.2 试验设计采用随机区组设计,以不施肥(CK)为对照,设置等氮量化肥(CF)、50%沼液(50%BS,分2次施用,其中水稻季基肥施用15%沼液、穗肥施用35%沼液,小麦季基肥、穗肥各施用25%沼液)、100%沼液(100%BS,其中水稻季按m基肥∶m分蘖肥∶m穗肥=4∶2∶4分3次施用,小麦季根据土壤墒情在播种后至返青期分2~4次施用)、50%猪粪(50%PM,其中50%猪粪作基肥1次性施用)、100%猪粪(100%PM,猪粪按m基肥∶ m穗肥=6∶4分2次施用),共6个处理,每个处理3次重复,每个小区面积20m2。选用宁麦21、南粳9108为供试材料。施肥量以化肥处理为参照,稻季施纯氮300kg·hm-2,磷(P2O5)、钾(K2O)均为150kg·hm-2,麦季施纯氮225kg·hm-2,磷(P2O5)、钾(K2O)均为112.5 kg·hm-2。根据测定的猪粪、沼液养分含量,按氮含量计算水稻季、小麦季的猪粪、沼液施用量,磷钾肥不足时分别用过磷酸钙(12%)和硫酸钾(50%)补齐。稻季氮肥按m基肥∶m分蘖肥∶m穗肥=4∶2∶4施用,磷肥于耕作前作基肥一次撒施,钾肥作基肥和穗肥分两次施用,每次用量50%;麦季氮肥按m基肥∶m穗肥=6∶4施用,磷钾肥于耕作前作基肥一次撒施。其他田间管理措施按当地一般高产农田管理方式进行。
1.3 样品采集与分析在2018年和2019年水稻收获期,各小区采用实收3m2测定稻谷、稻草的实际产生量;同时每小区取3穴植株,65℃烘干后粉碎,用H2O2-H2SO4消煮,凯氏定氮法测定稻草和稻谷的全氮含量。
实收测产的稻谷于室温保存3个月后进行稻米品质测定。按照农业行业标准《米质测定方法》(NY/ T83—2017)测定稻米的糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、垩白度、胶稠度、直链淀粉含量、蛋白质含量等品质指标;采用日本佐竹公司生产的STA1B型米饭食味计(SATAKECo.,Ltd,日本)测定稻米食味值,每个样品重复3次。
1.4 数据分析采用Excel2016和SPSS17.0软件进行数据处理及做图,处理间多重比较用LSD法。
2 结果与分析 2.1 水稻产量各处理水稻产量见图 1。与不施肥处理相比,各施肥处理均显著提高了水稻产量,平均增产95.4%~ 102.5%(P < 0.05)。与化肥处理相比,50%沼液、100% 沼液和50%猪粪处理平均增产0.17%~0.96%,而100%猪粪处理降低了水稻产量,降幅为0.59%~ 4.54%,但均未达到显著水平。
各处理稻米品质见表 1。对于稻米加工品质,与化肥处理相比,猪粪、沼液处理糙米率、精米率略有降低;但50%沼液、100%沼液和50%猪粪处理均增加了整精米率,平均提高了6.0~8.5个百分点,而100% 猪粪处理整精米率存在年际差异,变幅在-2.5~7.8个百分点之间,两年平均提高2.6个百分点,但均未达到显著水平。因此,等氮量猪粪、沼液替代化肥有利于提高整精米率。
对于稻米外观品质,与化肥处理相比,猪粪处理整体降低了稻米垩白粒率、垩白度,两年平均分别降低了0.8~1.0、0.02~0.23个百分点,而沼液处理存在年际差异,但均未达到显著水平。其中,2018年50%猪粪处理稻米垩白度显著低于100%沼液处理(P < 0.05)。猪粪替代化肥有利于改善稻米外观品质,而沼液替代化肥对稻米品质影响较小。
各处理稻米食味值见图 2。2019年稻米食味值整体呈现猪粪处理>沼液处理>化肥处理的规律,分析可能是由于猪粪、沼液处理降低了稻米蛋白质含量。2018年猪粪、沼液处理较化肥处理也降低了稻米蛋白质含量,其中100%猪粪与化肥处理差异达到显著水平(P < 0.05),而其他处理差异不显著。另外,与化肥相比,猪粪处理降低了稻米胶稠度,而沼液处理却增加了稻米胶稠度,但各处理差异均不显著。因而,猪粪、沼液替代化肥有助于改善稻米食味品质。
氮收获指数=籽粒吸氮量/植株总吸氮量,不同处理氮收获指数见图 3。水稻氮收获指数整体呈现不施肥>猪粪>化肥>沼液处理的规律。具体来看,与不施肥相比,2019年50%猪粪、50%沼液、100%沼液和化肥处理均显著降低了水稻氮收获指数(P < 0.05),分别降低了7.69%、16.4%、14.7%和10.9%,其中50%猪粪处理水稻氮收获指数显著高于50%沼液(P < 0.05),100%猪粪较50%沼液、100%沼液处理均显著提高了水稻氮收获指数(P < 0.05)。2018年各处理间水稻氮收获指数均未达到显著水平。可见,猪粪处理提高了氮素在稻谷中的比例,而沼液处理影响不显著。
2018和2019年水稻氮肥吸收利用率(NUE)见表 2,整体呈现100%沼液>50%沼液>化肥>50%猪粪> 100%猪粪处理的规律,与化肥处理相比,沼液处理平均提高了1.2~3.3个百分点,猪粪处理平均降低了1.7~9.8个百分点。分析其原因,主要与水稻地上部吸氮量有关,其中稻草氮含量为主要限制因素,如沼液处理平均提高了6.64%~9.51%、猪粪处理平均降低了7.78%~15.3%。而水稻氮肥生理利用率的变化规律恰好与之相反,整体呈现100%猪粪>50%猪粪>化肥>50%沼液>100%沼液处理的规律,其中猪粪处理平均提高了5.35%~24.8%、沼液处理平均降低了1.29%~7.44%。具体来看,与化肥相比,2018年100% 沼液处理显著提高了水稻氮肥吸收利用率(P < 0.05);而2018年和2019年100%猪粪处理均显著降低了水稻氮肥吸收利用率(P < 0.05)。50%沼液、50%猪粪和化肥处理水稻氮肥利用率的各项指标(氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率、氮肥生理利用率、氮肥偏生产力)差异均不显著。可见,半量猪粪和沼液氮替代化肥对水稻氮肥利用率影响不显著,而全量沼液氮替代化肥有提高水稻氮肥吸收利用率的趋势,全量猪粪氮替代化肥显著降低了水稻氮肥吸收利用率。
通过相关性分析发现(表 3),稻米胶稠度与直链淀粉含量、氮肥生理利用率均呈显著负相关(P < 0.05),而与氮肥吸收利用率呈显著正相关(P < 0.05)。稻米食味值与直链淀粉含量、氮肥生理利用率呈正相关,而与蛋白质含量、胶稠度、氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率呈负相关,但均未达到显著水平。
稻米食味值是反映稻米食味品质的综合指标,主要受稻米蛋白质、直链淀粉含量的影响[16]。其中,稻米蛋白质含量易受氮肥施用量、施肥时期及氮素形态的影响,而直链淀粉含量主要受作物品种遗传特性影响[16-17]。由于氮肥过量施用,我国稻米蛋白质含量普遍升高,导致食味品质变差[17]。本研究也发现稻米食味值与蛋白质含量呈负相关,这与前人研究结果一致[18]。猪粪、沼液处理提高了稻米食味值,改善了稻米食味品质,分析主要原因是猪粪、沼液处理降低了稻米蛋白质含量[17, 19]。周江明[2]的研究指出,不同品种水稻蛋白质含量受有机无机肥配施的响应也不一致。唐微等[6]和王桂良等[7]的研究指出,施用沼液会增加稻米蛋白质含量,改善稻米营养品质。也有研究表明,施用沼液对稻米品质影响较小[11-12]。这可能与水稻品种、施氮量、氮肥运筹以及试验环境等因素有关。另外,胶稠度是反映淀粉胶体的流体特性(柔软性)的指标,一般胶稠度>60mm的精米蒸煮冷却后米饭较为柔软、温润且光滑,较受消费者偏爱[16]。本研究中,沼液替代化肥提高了稻米胶稠度,有利于改善米饭口感。此外,猪粪处理降低了稻米垩白粒率、垩白度,有利于改善稻米外观品质,这与前人研究结果一致[20]。
3.2 水稻产量与氮肥利用率作物产量是衡量粪肥还田可行性的重要指标之一。本研究中,等氮量猪粪、沼液与化肥处理水稻产量差异不显著,其中100%猪粪处理水稻产量略有降低,主要原因是有机肥高比例替代化肥会减少水稻分蘖,降低氮素吸收利用能力,进而降低水稻产量[5]。已有研究表明,适量施用沼液有利于增加水稻产量[6],其中沼液替代化肥比例为50%~75%时水稻增产效果较佳[7, 9],并且沼液分次施用的水稻产量显著高于一次性施用[9]。但也有研究指出,等氮量沼液处理显著降低了水稻产量[10],这可能与盆栽模拟与田间试验条件差异较大有关。
氮肥利用率是粪肥科学还田的重要参数。适量有机肥替代化肥能够提高水稻氮肥利用率[1],而等氮量沼液与化肥的水稻氮肥利用率比较结果不一致[9-11, 13]。本研究结果表明,50%猪粪和100%猪粪处理水稻氮肥吸收利用率均有降低的趋势,在28.1%~ 39.7%,其中100%猪粪处理水稻氮肥吸收利用率显著低于化肥处理(P < 0.05),这与有机肥高比例替代化肥减少水稻分蘖,降低氮素吸收利用能力有关[4-5]。另外,50%沼液和100%沼液处理水稻氮肥吸收利用率较化肥处理均有增加趋势,但差异不显著,这与黄红英等[9]研究结果一致。分析主要原因是沼液处理增加了稻草氮含量,平均提高了6.64%~9.51%。黄继川等[8]的研究也指出,施用沼液能够有效提高水稻秸秆氮含量,促进水稻氮素累积。也有学者认为,等氮量施用沼液会降低水稻氮素吸收利用率[10, 13],可能与沼液中有机氮影响作物对氮的吸收利用有关[11]。此外,本研究长期施用沼液处理水稻氮肥吸收利用率为40.9%~44.3%,显著高于已有报道的13%~35%[9-11, 13],这可能主要与试验周期、水稻吸氮量的差异有关。本研究仅为粪肥还田第8~9a的累积效应,仍需继续监测多年猪粪沼液还田的长期效应,为粪肥还田提供更为科学的依据。
4 结论(1)等氮量猪粪、沼液替代化肥提高了整精米率、稻米食味值,有助于改善稻米食味品质,其主要原因是降低了稻米蛋白质含量。同时,猪粪替代化肥降低了稻米垩白粒率、垩白度,有利于改善稻米外观品质;沼液替代化肥对稻米外观品质影响较小。
(2)水稻氮肥吸收利用率整体呈现等氮量沼液>化肥>猪粪处理的规律,并与水稻氮肥生理利用率、稻米胶稠度显著负相关。其中,沼液较化肥处理提高了水稻氮肥吸收利用率,其主要原因是增加了稻草氮含量。但等量沼液、半量猪粪氮替代化肥对水稻产量及氮肥利用率影响较小,而全量猪粪氮替代化肥会显著降低水稻氮肥吸收利用率。
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