陳方可,張世文,梁玉偉,王維瑞,張 蕾

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.北京市土肥工作站,北京 100029;3.北京市耕地建設(shè)保護(hù)中心,北京 100010)

【研究意義】隨著我國經(jīng)濟(jì)和畜牧業(yè)發(fā)展,畜禽糞便的處置不當(dāng)導(dǎo)致較多環(huán)境問題。當(dāng)前我國畜禽糞污年產(chǎn)生量約3.8×109t,綜合利用率為60%左右[1]。畜禽糞污直接還田給生態(tài)系統(tǒng)帶來不容忽視的安全風(fēng)險(xiǎn),糞污中的重金屬、磷素積累于土壤,糞污中的有害微生物大量繁殖[2],抗生素及抗性基因富集土壤[3-4],畜禽糞污已成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源[5]。有機(jī)肥還田既可解決畜禽糞便處理問題還可提高土壤肥力,是我國未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。實(shí)行有機(jī)肥科學(xué)還田,對(duì)減少農(nóng)業(yè)面源污染、培肥土壤、提高作物產(chǎn)量均有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】有機(jī)肥-無機(jī)肥配施和單獨(dú)施用有機(jī)肥改良土壤理化性質(zhì)和提高作物產(chǎn)量被廣泛關(guān)注,如Khaliq等[6]報(bào)道,在小麥-大豆種植區(qū)的尿素-秸稈聯(lián)合施用較單獨(dú)施用尿素使土壤容重降低7%～12%,有機(jī)質(zhì)含量增加3%～9%。裴雪霞等[7]研究發(fā)現(xiàn),豬糞替代20%常量化肥或羊糞替代40%常量化肥可明顯增加小麥含水率和產(chǎn)量,增加土壤有機(jī)質(zhì)。陳貴等[8]發(fā)現(xiàn),在同等施用量下,豬糞和牛糞對(duì)作物生長(zhǎng)、養(yǎng)分吸收及土壤肥力的影響存在較大差異,豬糞對(duì)土壤氮、磷、鉀含量的提升效果顯著好于牛糞。李永平等[9]以土壤培肥、玉米增產(chǎn)效果及經(jīng)濟(jì)效益等為標(biāo)準(zhǔn),比較多種畜禽糞肥的肥效,由高到低依次為雞糞>羊糞>豬糞>牛糞。安娜等[10]研究發(fā)現(xiàn),施用糞肥土壤2.00～0.25 mm大團(tuán)聚體顯著增加,增幅為35.3%～56.6%;土壤有機(jī)碳和胡敏酸碳含量分別增加34.00%～45.50%和72.80%～99.20%,有效態(tài)N、P、K含量分別提高63.60%～84.90%、173.00%～222.00%和21.40%～39.20%;施用有機(jī)肥能增加土壤碳源[11],從而調(diào)節(jié)微生物群落結(jié)構(gòu),增強(qiáng)土壤微生物的代謝活動(dòng)[12],張雅容等[13]發(fā)現(xiàn),施用有機(jī)肥較化肥對(duì)黃壤有機(jī)碳含量的提升效果明顯,且年增加速率明顯高于化肥處理;劉威等[14]比較了施用不同來源有機(jī)肥植煙土壤酶活性的變化,發(fā)現(xiàn)生物炭有機(jī)肥、植物來源有機(jī)肥均可顯著提高土壤脲酶、硝酸還原酶活性;王興松等[15]測(cè)定了增施有機(jī)肥處理后植煙土壤有益菌群的豐度,發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥刺激了土壤有益微生物菌群的生長(zhǎng)和繁殖?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人研究多集中在有機(jī)肥對(duì)單一作物的土壤增肥效果和產(chǎn)量效應(yīng),針對(duì)施用不同腐熟度有機(jī)肥后麥玉輪作系統(tǒng)土壤的養(yǎng)分變化鮮有研究,且有機(jī)肥質(zhì)量對(duì)土壤與作物的影響尚不明確?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以順義小麥-玉米輪作區(qū)土壤為研究對(duì)象,將堆肥過程與施肥過程相結(jié)合,研究不同腐熟度有機(jī)肥對(duì)麥玉輪作土壤肥力、小麥和玉米產(chǎn)量的影響,并通過結(jié)構(gòu)方程模型探討有機(jī)肥的質(zhì)量與土壤肥力、小麥和玉米產(chǎn)量的關(guān)系,揭示有機(jī)肥質(zhì)量與土壤肥力的關(guān)聯(lián)程度,確定有機(jī)肥質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,為提升土壤肥力和作物產(chǎn)量提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020年10月至2022年10月連續(xù)2年在北京順義區(qū)興農(nóng)天力科技園進(jìn)行(116°28′ E, 40°18′ N),地處溫帶大陸性季風(fēng)區(qū),以小麥-玉米輪作為主要耕作模式,土壤類型為砂質(zhì)壤土,基礎(chǔ)土樣有機(jī)質(zhì)12.21 g/kg,全氮0.79 g/kg,有效磷5.02 mg/kg,速效鉀110.20 mg/kg,pH 7.50。

1.2 不同腐熟度有機(jī)肥的制備

采用高溫好氧發(fā)酵方法,以牛糞、雞糞、稻殼為堆肥的基本原料,C/N調(diào)節(jié)為25,水分調(diào)節(jié)為55%進(jìn)行條垛式堆肥,堆體長(zhǎng)約50 m,堆體底部寬約2 m,高約2 m,堆肥物料共計(jì)20 t。堆肥來自北京興農(nóng)天力農(nóng)機(jī)合作社,采用國際通用的種子發(fā)芽指數(shù)(Germination index, GI)代表堆肥腐熟程度。當(dāng)GI值達(dá)到50%時(shí),堆肥已基本達(dá)到腐熟[16]。在堆肥GI值接近70%時(shí),密集取樣50 kg,用以測(cè)試?yán)砘再|(zhì)并繼續(xù)堆肥,最終以GI值為70%、100%為節(jié)點(diǎn)選擇堆肥產(chǎn)物作為后續(xù)試驗(yàn)的有機(jī)肥產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),以有機(jī)肥無機(jī)肥配施的方式設(shè)計(jì)施肥處理,種植小麥、玉米時(shí),有機(jī)肥施用量為10 000 kg/hm2,以施氮、磷、鉀化肥為CK-H處理。每個(gè)處理重復(fù)3次。種植模式為小麥-玉米輪作。小麥季、玉米季CK-H處理的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥用量分別為170、70、70 kg/hm2,不同腐熟度處理GI70、GI100處理的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥用量分別為145、71、71 kg/hm2,其中70%氮肥在小麥、玉米播種期施入,其余氮肥在小麥拔節(jié)期、玉米喇叭口期追施,有機(jī)肥撒施前進(jìn)行磨碎混勻,盡量保證撒施均勻,使用迪爾1204型拖拉機(jī)掛拋肥機(jī)進(jìn)行有機(jī)肥拋灑。小麥品種為‘農(nóng)大212’,在2020年、2021年10月下旬播種,次年6月初收獲;玉米品種為‘農(nóng)大95’,在2021年、2022年6月中旬播種,于當(dāng)年9月初收獲,2種作物的田間管理一致。

1.4 樣品采集與分析

于2020年10月、2021年6月、2021年10月、2022年6月采集土壤樣品,每個(gè)小區(qū)用土鉆采用對(duì)角取樣法采5點(diǎn),深度為耕地表層20 cm,混合為一個(gè)土樣帶回室內(nèi)分析。每個(gè)小區(qū)于小麥、玉米收獲期測(cè)產(chǎn)。

有機(jī)肥樣品參照《有機(jī)肥料(NY/T525—2012)》進(jìn)行測(cè)定。土壤基本理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)化分析(第3版)》進(jìn)行測(cè)定,土壤全氮采用凱氏氮法測(cè)定;土壤有效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬藍(lán)比色法測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定;土壤速效鉀采用1 mol/L乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定;同時(shí)做空白對(duì)照實(shí)驗(yàn),測(cè)定土樣設(shè)置3組重復(fù),測(cè)定結(jié)果取平均值進(jìn)行分析。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019和SPSS 24進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)和多重比較(LSD),圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)構(gòu)方程模型構(gòu)建利用Amos Graphics 21.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同腐熟度有機(jī)肥的差異性

2.1.1 技術(shù)指標(biāo) 從表1可知,不同腐熟度有機(jī)肥的養(yǎng)分含量有顯著差異。GI100處理的全氮、全鉀、pH顯著高于GI70處理(P<0.05,下同),全氮是GI70的1.37倍,全鉀是GI70處理的1.77倍,pH為GI70處理的1.29倍。GI70處理的有機(jī)質(zhì)含量、含水率和機(jī)械雜質(zhì)含量顯著高于GI100處理,分別為GI100處理的2.89、1.68、1.29倍。說明,腐熟度高的有機(jī)肥營(yíng)養(yǎng)成分含量更高。

表1 有機(jī)肥的技術(shù)指標(biāo)

2.1.2 限量指標(biāo) 從表2可知,堆肥樣品的重金屬含量無較大差異,全部符合國家規(guī)定的商品有機(jī)肥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。GI70處理的砷、鎘、鉛含量略微高于GI100處理,除兩者鉻、汞含量未檢出外,重金屬含量并未達(dá)到顯著差異(P>0.05,下同)。GI100處理的蛔蟲死亡率顯著高于GI70處理,糞大腸菌群數(shù)量顯著低于GI70處理。說明,腐熟度高的有機(jī)肥無害化程度優(yōu)于腐熟度低的有機(jī)肥。

表2 有機(jī)肥的限量指標(biāo)比較

2.2 不同腐熟度有機(jī)肥對(duì)土壤指標(biāo)的影響

2.2.1 有機(jī)質(zhì)含量變化 從表3可知,小麥第1季收獲期CK-H、GI70、GI100處理土壤有機(jī)質(zhì)含量與播種時(shí)相比均上升,GI100處理有機(jī)質(zhì)含量(17.87 g/kg)顯著高于CK-H處理(12.42 g/kg),GI70處理有機(jī)質(zhì)含量(13.93 g/kg)高于CK-H處理,但差異不顯著;下茬玉米收獲期CK-H、GI70、GI100處理土壤有機(jī)質(zhì)含量高于CK-H處理,GI70處理有機(jī)質(zhì)含量(19.38 g/kg)顯著高于CK-H處理(13.84 g/kg),GI100處理(18.30 g/kg)高于CK-H處理,但差異不顯著(表4)。

表3 不同腐熟度有機(jī)肥對(duì)小麥土壤肥力的影響

表4 不同腐熟度有機(jī)肥對(duì)玉米土壤肥力指標(biāo)的影響

小麥第2季收獲期,GI100處理有機(jī)質(zhì)含量(15.94 g/kg)顯著高于CK-H(12.30 g/kg),GI70處理有機(jī)質(zhì)含量(13.28 g/kg)高于CK-H處理,但差異不顯著。下茬玉米收獲期,GI70、GI100處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于CK-H處理,分別為20.51、19.35 g/kg,且GI70處理與CK-H處理差異顯著。

小麥-玉米輪作第1年土壤有機(jī)質(zhì)含量較小麥播種時(shí)均增加,有機(jī)肥處理增加量均高于CK-H,依次為GI70處理(7.17 g/kg)>GI100處理(6.09 g/kg)>CK-H處理(1.63 g/kg)。輪作第2年,CK-H、GI70、GI100處理玉米收獲期土壤有機(jī)質(zhì)含量較小麥第1季播種時(shí)均增加,GI70處理的增加量(8.30 g/kg)最大,其次為GI100(7.14 g/kg)、CK-H處理(1.59 g/kg)。

2.2.2 全氮含量變化 在小麥第1季收獲期,GI100處理土壤全氮含量(1.07 g/kg)顯著高于CK-H處理,GI70(0.87 g/kg)相較CK-H有所下降。下茬玉米收獲期,CK-H、GI70、GI100處理無顯著差異,GI100處理土壤全氮含量最高,GI70處理次之,CK-H處理最低。

小麥第2季收獲期處理組全氮含量均顯著高于CK-H處理表現(xiàn)為GI100處理(0.99 g/kg)>GI70處理(0.83 g/kg)>CK-H處理(0.81 g/kg)。下茬玉米收獲期,CK-H、GI70、GI100處理無顯著差異,GI100處理土壤全氮含量最高,GI70處理次之,CK-H處理最低。

輪作第1年,玉米收獲期土壤全氮含量較小麥播種時(shí)均增加,表現(xiàn)為GI100處理(1.08 g/kg)>GI70處理(0.92 g/kg)>CK-H處理(0.90 g/kg)。輪作第2年,玉米收獲期耕層土壤全氮含量與第1年小麥播種時(shí)比,有機(jī)肥腐熟度高的處理組增加量較高,表現(xiàn)為GI100處理(0.43 g/kg)>GI70處理(0.31 g/kg)>CK-H處理(0.15 g/kg),有機(jī)肥處理組全氮增加量均高于CK-H。

2.2.3 有效磷含量變化 小麥第1季收獲期,與CK-H處理相比,GI70、GI100處理的土壤有效磷含量均顯著升高,分別為27.52、15.52 mg/kg。下茬玉米收獲期,GI70處理土壤有效磷含量(20.92 mg/kg)顯著高于其他處理組(P<0.05),GI100處理(10.62 mg/kg)次之,CK-H處理最低。

小麥第2季收獲期,施有機(jī)肥土壤有效磷含量均高于CK-H處理且差異顯著,表現(xiàn)為GI70處理>GI100處理>CK-H處理。下茬玉米季與小麥季相似,有機(jī)肥處理組均高于CK-H處理且差異顯著(P<0.05),表現(xiàn)為GI70處理>GI100處理>CK-H處理(表4)。

輪作第1年,有機(jī)肥處理組土壤有機(jī)磷含量增加量高于CK-H處理,表現(xiàn)為GI70處理(23.85 mg/kg)>GI100處理(11.13 mg/kg)>CK-H處理(5.48 mg/kg)。輪作第2年,玉米收獲期土壤有效磷含量均增加且與第1年趨勢(shì)類似,表現(xiàn)為GI70處理(21.38 mg/kg)>GI100處理(12.27 mg/kg)>CK-H處理(9.87 mg/kg)。

2.2.4 速效鉀含量變化 從表3可知,小麥第1季收獲期,GI70、GI100處理土壤速效鉀含量較CK-H處理均下降,差異不顯著,與播種時(shí)相比土壤速效鉀含量均增加;下茬玉米收獲期,所有處理土壤速效鉀含量差異不顯著(表4)。

小麥第2季收獲期,GI70、GI100處理土壤速效鉀含量均低于CK-H處理,GI70處理顯著低于CK-H處理47.74%(P<0.05);下茬玉米收獲期,所有處理土壤速效鉀含量差異不顯著(表4)。

輪作第1年,與小麥播種開始相比,玉米收獲期土壤速效鉀含量表現(xiàn)為CK-H處理(29.35 g/kg)>GI100處理(8.00 g/kg)>GI70處理(-5.14 g/kg)。輪作第2年,玉米收獲期土壤全氮含量與第1年小麥播種時(shí)比,CK-H處理增加量較高,表現(xiàn)為CK-H處理(25.26 g/kg)>GI100處理(0.43 g/kg)>GI70處理(-8.03 g/kg)。總體看CK-H處理的土壤速效鉀增加量均高于施有機(jī)肥處理組。

2.3 不同腐熟度有機(jī)肥施用后小麥、玉米籽粒產(chǎn)量變化

從圖1可知,小麥和玉米的產(chǎn)量隨有機(jī)肥腐熟度的增加而增加。輪作第1年,與CK-H處理相比,小麥季GI100、GI70處理小麥產(chǎn)量增加17.00%、9.90%,其中GI100與GI70處理的小麥產(chǎn)量差異不顯著,GI100與CK-H處理的差異顯著(P<0.05)。下茬玉米季,GI100處理的玉米產(chǎn)量仍最高,與CK-H處理相比,GI100、GI70處理的小麥產(chǎn)量分別增加11.97%、1.41%,但顯著不差異(圖1-b)。

輪作第2年,與CK-H處理相比,小麥季GI100、GI70處理小麥產(chǎn)量分別增產(chǎn)12.89%、9.59%,且GI100處理較CK-H處理顯著增加(P<0.05)。下茬玉米季期,GI100、GI70處理產(chǎn)量比CK-H處理產(chǎn)量分別增產(chǎn)19.44%、17.17%,均達(dá)到顯著水平。

小麥輪作2年后,GI70處理小麥產(chǎn)量較CK-H處理平均增產(chǎn)9.77%,GI100處理小麥產(chǎn)量較CK-H處理平均增產(chǎn)14.82%,表明增施腐熟度高的有機(jī)肥是提高小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵。玉米輪作2年后,GI70處理玉米產(chǎn)量較CK-H平均增產(chǎn)9.39%,GI100處理玉米產(chǎn)量較CK-H平均增產(chǎn)15.75%,表明增施腐熟度高的有機(jī)肥是提高玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵。

2.4 不同腐熟度有機(jī)肥對(duì)土壤肥力和小麥、玉米產(chǎn)量的調(diào)控作用

采用結(jié)構(gòu)方程模型Amos Graphics 21.0構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型量化變量之間的因果關(guān)系(圖2)。運(yùn)行結(jié)果表明模型與觀測(cè)數(shù)據(jù)的適配度較高,模型整體適配效果較好,模型的路徑見圖2,箭頭上的數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)化后的權(quán)重系數(shù)值,表明正或負(fù)影響作用的相對(duì)大小,路徑系數(shù)的計(jì)算參考相關(guān)文獻(xiàn)[17,18]。肥力指標(biāo)可顯著正向影響土壤肥力和小麥、玉米產(chǎn)量,路徑系數(shù)為0.75,其中有機(jī)肥總鉀含量的因子載荷最大,有機(jī)質(zhì)含量的因子載荷第二,都達(dá)到顯著程度,表明二者是影響有機(jī)肥肥力的關(guān)鍵因素;技術(shù)指標(biāo)可以正向影響土壤肥力和小麥、玉米產(chǎn)量,但未達(dá)顯著程度,路徑系數(shù)分別為0.13、0.40,其中有機(jī)肥腐熟度的因子載荷最大,蛔蟲死亡率、pH的因子載荷達(dá)到顯著程度,說明三者對(duì)有機(jī)肥的質(zhì)量起到重要作用;重金屬含量對(duì)土壤肥力、作物產(chǎn)量的路徑系數(shù)分別為-0.61、-0.32,皆為負(fù)向影響,砷(As)含量對(duì)重金屬含量的因子載荷最大,說明在生產(chǎn)有機(jī)肥時(shí)要注意控制As的含量。

不同大寫字母表示2021年處理差異顯著,不同小寫字母表示2022年處理差異顯著(P<0.05)。Different capital letters indicate significant difference in treatment in 2021, and different lowercase letters indicate significant difference in treatment in 2022 (P<0.05).

在作物產(chǎn)量要素中,玉米產(chǎn)量的因子載荷最高(0.99),表明玉米對(duì)有機(jī)肥施用的增產(chǎn)效應(yīng)最高,土壤肥力要素組成中,土壤全氮的因子載荷最高(0.94),表明土壤全氮對(duì)有機(jī)肥施用的增肥效應(yīng)最高。

Pb:鉛;Cd:鎘;As:砷;GI:腐熟度;pH:酸堿度;TN:全氮;TP:全磷;TK:全鉀;OM:有機(jī)質(zhì);STN:土壤全氮;SAP:土壤有效磷;SAK:土壤速效鉀;SOM:土壤有機(jī)質(zhì);*表示路徑系數(shù)達(dá)顯著差異(P<0.05)。Pb: Lead; Cd: Cadmium; As: Arsenic; GI: Degree of maturity; pH: Acidity and alkalinity; TN: Total nitrogen; TP: Total phosphorus; TK: Total potassium; OM: Organic matter; STN: Total soil nitrogen; SAP: Soil available phosphorus; SAK: Soil available potassium; SOM: Soil organic matter; * shows significantly different path coefficients (P<0.05).

3 討 論

有機(jī)肥的氮、磷、鉀含量豐富,是開展種養(yǎng)循環(huán)的基礎(chǔ),前人研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)肥的原料種類繁多,導(dǎo)致養(yǎng)分不穩(wěn)定,質(zhì)量參差不齊[19],黃紹文等[20]通過調(diào)查全國主要菜區(qū)典型商品有機(jī)肥、有機(jī)廢棄物后發(fā)現(xiàn),商品有機(jī)肥中氮、磷、鉀含量均高于有機(jī)廢棄物,有機(jī)廢棄物中全磷、有機(jī)質(zhì)含量、C/N和C/P均高于商品有機(jī)肥,商品有機(jī)肥的EC值遠(yuǎn)高于有機(jī)廢棄物。同源有機(jī)肥的養(yǎng)分差異也較大,王若斐等[21]研究發(fā)現(xiàn),調(diào)控不同碳氮比的豬糞、稻殼及蘑菇渣混合物高溫堆肥后,初始C/N為35、25、10的堆肥氮、磷、鉀含量有顯著差異,C/N為35的堆肥氮、磷、鉀含量均高于其他處理組。在堆肥結(jié)束后,有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)含量降低[22],氮、磷、鉀含量則上升[23]。本研究發(fā)現(xiàn),不同腐熟度有機(jī)肥的養(yǎng)分差異較大,腐熟度高的有機(jī)肥有機(jī)養(yǎng)分含量更高,且蛔蟲死亡率、大腸菌群數(shù)更少,可能是因?yàn)楦於雀叩挠袡C(jī)肥碳源更充足,微生物會(huì)更徹底地分解碳源與合成有機(jī)質(zhì)。因此,施用有機(jī)肥時(shí)要考慮其腐熟度,但也要注意氮、磷養(yǎng)分的平衡,防止過量施用造成土壤氮、磷素積累。pH是評(píng)價(jià)有機(jī)肥腐熟度的一項(xiàng)重要指標(biāo)[24],本研究表明,GI100處理土壤呈弱堿性,GI70處理土壤呈酸性,與前人研究結(jié)果[25]一致,可能是因?yàn)樵诔跏糃/N一致的情況下,隨著堆肥的進(jìn)行有機(jī)氮分解更徹底。

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的內(nèi)部表征[26],與土壤質(zhì)量關(guān)系密切,與單施化肥相比,施用有機(jī)肥能夠改良土壤結(jié)構(gòu),改善土壤理化性狀、微生物酶活性和微生物環(huán)境[27],還能提高土壤CEC值[28]。本研究發(fā)現(xiàn),麥玉輪作區(qū)施用有機(jī)肥對(duì)兩季土壤養(yǎng)分均有一定促進(jìn)作用,整體上對(duì)冬小麥季土壤肥力的提升優(yōu)于夏玉米季,但隨著麥玉輪作的進(jìn)行對(duì)土壤養(yǎng)分的促進(jìn)作用減小。這可能是由于本研究?jī)H在冬小麥季將有機(jī)肥施入土壤,因此,對(duì)夏玉米季的土壤養(yǎng)分促進(jìn)效果較弱。闞正榮等[29]研究發(fā)現(xiàn),適宜的施炭量可以更好地提高冬小麥產(chǎn)量,對(duì)夏玉米產(chǎn)量無顯著影響,甚至表現(xiàn)為減產(chǎn)。李昊昱等[30]研究發(fā)現(xiàn),冬小麥季單季秸稈還田對(duì)冬小麥的增產(chǎn)效果更大,本研究表明,與化肥處理相比,施用不同腐熟度的有機(jī)肥可活化土壤營(yíng)養(yǎng)成分和作物產(chǎn)量,并呈隨腐熟度增加產(chǎn)量增加趨勢(shì),這可能是因?yàn)橛袡C(jī)肥腐熟度不同影響其“補(bǔ)碳”效果,進(jìn)而引起土壤氮庫容量變化和影響化肥氮的轉(zhuǎn)化[31]。因此,施用有機(jī)肥應(yīng)首選腐熟度高的有機(jī)肥,以減少施用后在土壤中的分解[32]。有機(jī)肥對(duì)冬小麥的產(chǎn)量提升比夏玉米大,與前人研究結(jié)果一致[33],這可能是由于冬小麥季施用有機(jī)肥為冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育提供了充足的養(yǎng)分,而夏玉米季玉米生育期內(nèi)降水量較多,高于研究區(qū)多年平均降水量,較多的降水可能降低有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分對(duì)土壤肥力的有效性,從而使對(duì)夏玉米的增產(chǎn)效果減弱,這一點(diǎn)也反映在玉米季土壤速效鉀含量提升不明顯甚至有所下降,說明單施有機(jī)肥可能存在鉀素供應(yīng)不足的問題[34]。

土壤培肥的實(shí)質(zhì)是土壤-有機(jī)肥相互作用的結(jié)果。研究表明,有機(jī)肥分解受有機(jī)肥物料性質(zhì)、土壤性質(zhì)的共同作用,有機(jī)肥自身微生物不足會(huì)使微生物分解碳源、氮源的速度降低,提高肥料的緩釋作用,施用有機(jī)肥可促進(jìn)土壤氮素轉(zhuǎn)化,可為微生物提供基質(zhì)、養(yǎng)分及適宜的生存環(huán)境[35-38]。黃興成等[39]指出,施用有機(jī)肥和磷肥可通過維持和提高黃壤性水稻土土壤綜合肥力而間接提升水稻產(chǎn)量,本研究通過結(jié)構(gòu)方程模型發(fā)現(xiàn),有機(jī)肥的養(yǎng)分含量和技術(shù)指標(biāo)是土壤培肥、作物增產(chǎn)的主控因子,肥力指標(biāo)路徑系數(shù)分別為0.75、0.94,技術(shù)指標(biāo)分別為0.13、0.40,都表現(xiàn)為正向影響。本研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)肥腐熟度、pH、蛔蟲死亡率、有機(jī)質(zhì)含量等對(duì)作物的影響程度高于對(duì)土壤肥力的影響程度,這可能是因?yàn)楸镜淄寥赖幕A(chǔ)肥力較高,土壤對(duì)施肥的響應(yīng)低于作物對(duì)施肥的響應(yīng)。重金屬影響土壤微生物群的活動(dòng),抑制細(xì)菌分解有機(jī)碳的能力,并會(huì)使作物體內(nèi)細(xì)胞膜造成損害,降低產(chǎn)量[40],因此,控制有機(jī)肥重金屬含量對(duì)作物增產(chǎn)、土壤培肥較重要。夏文建等[41]研究發(fā)現(xiàn),土壤中的重金屬主要由施用有機(jī)肥帶入,使土壤全量重金屬含量明顯變化,同時(shí)也改變土壤重金屬的有效性,是土壤重金屬污染主要的“源”。一方面,全量重金屬干擾施入土壤的有機(jī)肥中有機(jī)酸、糖類、酚類及含氮、硫的雜環(huán)化合物的分解[42],并通過抑制敏感物種代謝活動(dòng)改變微生物群落,使土壤酶活性降低[43],進(jìn)而影響土壤的物質(zhì)循環(huán),無法維持土壤理化性質(zhì)、肥力[44];另一方面,重金屬有效性的增加加劇植物的毒性風(fēng)險(xiǎn)。張民等[45]研究發(fā)現(xiàn),土壤重金屬的有效態(tài)與有機(jī)質(zhì)和速效磷含量呈顯著正相關(guān),夏文建等[41]研究發(fā)現(xiàn),土壤陽離子交換量和速效磷可能是酸性稻田中重金屬有效態(tài)調(diào)控的關(guān)鍵因子。因此,良好的土壤理化性質(zhì)和土壤肥力有助于緩解土壤重金屬污染。本研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)肥中的重金屬對(duì)土壤肥力的影響大于對(duì)作物產(chǎn)量的影響,路徑系數(shù)分別為-0.61、-0.32,說明有機(jī)肥中的重金屬主要通過抑制土壤肥力造成作物減產(chǎn)。

As、Cr作為飼料添加劑有抑制病原微生物、促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)的作用[46-47]。本研究發(fā)現(xiàn),供試有機(jī)肥中As、Cd、Pb、Hg、Cr含量較低,表明其主要來源于有機(jī)肥原料或生產(chǎn)環(huán)境,而As的因子載荷在5類重金屬種載荷最大,因此需要關(guān)注其在生產(chǎn)中的污染。我國目前有機(jī)肥重金屬元素限量規(guī)定采用的是《有機(jī)肥料(NY/T 525—2021)》,分別對(duì)As、Cd、Pb、Hg、Cr的限定制定了嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn),但對(duì)有機(jī)肥中Cu、Zn沒有制定限量標(biāo)準(zhǔn),可能是因?yàn)镃u、Zn是畜禽生長(zhǎng)的必需元素,根據(jù)《飼料添加劑安全使用規(guī)范》(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公告第2625號(hào)),Cu和Zn均有推薦添加量及最高允許限量,因此,有必要制定商品有機(jī)肥中Cu、Zn等的限量標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

100%腐熟度有機(jī)肥與70%腐熟度有機(jī)肥相比,營(yíng)養(yǎng)成分、無害化程度更高,重金屬含量更低。在小麥-玉米輪作區(qū),施用100%腐熟度的有機(jī)肥能夠保證土壤養(yǎng)分的有效供給,實(shí)現(xiàn)小麥、玉米的穩(wěn)定增產(chǎn)。結(jié)構(gòu)方程模型進(jìn)一步表明,有機(jī)肥的肥力指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、重金屬含量是影響土壤肥力、作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。因此,應(yīng)從有機(jī)肥的肥力指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、重金屬含量考慮,采取相應(yīng)的措施提高有機(jī)肥的質(zhì)量,從而提升麥玉輪作系統(tǒng)的土壤肥力和作物產(chǎn)量。