黑水虻处理牛粪对水稻生长状况及养分流失风险的影响.pdf
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1、江西农业学报 2023,35(10):8795ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.10.014黑水虻处理牛粪对水稻生长状况及养分流失风险的影响王春雪1,2,李祖然1,李 元1,陈建军1*,李 博1,王 昭1,李 敏1,舒正文1(1.云南农业大学 资源与环境学院,云南 昆明 650201;2.云南磷化集团有限公司 国家磷资源开发利用工程技术研究中心,云南 昆明 650600)摘 要:设置8个盆栽试验处理,即施用100%化肥(100%F)、70%化肥+30%鲜牛粪(70%F+30%N)、50%化肥+50%鲜牛粪(50%F+50%N)
2、、30%化肥+70%鲜牛粪(30%F+70%N)、70%化肥+30%黑水虻处理牛粪(70%F+30%CN)、50%化肥+50%黑水虻处理牛粪(50%F+50%CN)、30%化肥+70%黑水虻处理牛粪(30%F+70%CN)、不施肥(CK),研究了2种牛粪替代部分化肥对水稻生长状况以及盆面水养分流失风险的影响。结果表明:施用经黑水虻处理过的牛粪可以降低水稻在根生物量上的配置,增加其地上部分的生物量配置比例;当2种牛粪替代化肥的比例小于50%时,水稻的生长指标和产量在短期内没有显著降低;盆面水氮素流失的关键期在施肥后710 d内,而磷素流失的关键期受施肥期和水稻生长期的共同影响。考虑到新鲜牛粪具有
3、污染环境等风险,黑水虻处理后的牛粪更适合用作水稻的有机肥。关键词:黑水虻;牛粪;水稻;生长状况;产量;养分流失 中图分类号:S511.062 文献标志码:A 文章编号:1001-8581(2023)10-0087-09Effects of Dairy Cattle Manure Treated by Hermetia illucens on Growth Status of Rice and Nutrient Loss Risk WANGChun-xue1,2,LIZu-ran1,LIYuan1,CHENJian-jun1*,LIBo1,WANGZhao1,LIMin1,SHUZheng-we
4、n1 (1.CollegeofResourcesandEnvironment,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China;2.YunnanPhosphateChemicalGroupCo.,Ltd.,NationalEngineeringandTechnologyResearchCenterforDevelopment&UtilizationofPhosphorousResources,Kunming650600,China)Abstract:Eightpottreatmentsweresetupinthisstudy,namely,100
5、%fertilizer(100%F),70%fertilizer+30%freshdairycattlemanure(70%F+30%N),50%fertilizer+50%freshdairycattlemanure(50%F+50%N),30%fertilizer+70%freshdairycattlemanure(30%F+70%N),70%fertilizer+30%dairycattlemanuretreatedbyHermetia illucens(70%F+30%CN),50%fertilizer+50%dairycattlemanuretreatedbyHermetia ill
6、ucens(50%F+50%CN),30%fertilizer+70%dairycattlemanuretreatedbyHermetia illucens(30%F+70%CN)andnofertilization(CK).Theeffectsoftwokindsofdairycattlemanureonricegrowthandnutrientlossriskinbasinsurfacewaterofricewerestudied.Theresultsshowedthatthedairycattlemanuretreated byHermetia illucenscoulddecrease
7、theallocationofrootbiomassofrice,andincreasetheallocationofabovegroundpartofrice.Inthetreatmentgroupwherethesubstitutionratiooftwokindsofdairycattlemanurewaslessthan50%,thericegrowthindexandyielddidnotdecreasesignificantlyintheshortterm.Thecriticalperiodofnitrogenlosswaswithin710dafterfertilization,
8、andcriticalperiodofphosphoruslosswasaffectedbythefertilizationperiodandthegrowthperiodofrice.Consideringtheenvironmentalpollutionrisksbroughtbyfreshdairycattlemanure,thedairycattlemanuretreatedbyHermetia illucensismoresuitabletobeusedasorganicfertilizerforrice.Key words:Hermetia illucens;Dairycattle
9、manure;Rice;Growthstatus;Yield;Nutrientloss目前,我国水稻种植面积约占粮食种植总面积的30%1。据统计,在当前水稻常规的施肥水平下,收稿日期:2023-06-27基金项目:云南省科技计划“曲靖市麒麟区畜禽养殖废弃物资源化利用”(202204BI090010);云南省重大科技专项“原浅水富营养化湖泊污染协同综合治理关键技术集成与示范”(202203AC100002);中央环境保护专项“洱海流域种植业污染物原位流失专题监测调查”(H20220103)。作者简介:王春雪(1984),女,河北涿鹿人,助理研究员,博士,主要从事农业生态学、恢复生态学研究。*通信
10、作者:陈建军。江 西 农 业 学 报35 卷88我国水稻的氮肥利用率仅有30%左右2,磷肥当季利用率不超过15%3。这说明当季施用的化肥有一半以上的氮、磷素未被利用,它们最终经地表径流、下渗作用进入水体,造成水体和土壤被污染4;稻田田面水氮、磷的浓度是影响径流中氮、磷流失的直接因素5。从源头提高作物对氮、磷的当季利用效率,降低农业面源污染中氮、磷的流失,阻止氮、磷进入水体,是提高化肥利用率、控制农业面源污染的关键。在稻田施用有机肥能够在一定程度上降低田面水中氮、磷的流失速率6。有机肥中含有作物生长发育必需的氮、磷、钾元素以及其他中微量元素,并且有机肥养分释放缓慢,肥效持续时间长,能够满足作物中
11、后期生长发育对养分的需求7。此外,有机肥还能够增加土壤中的阳离子交换量,从而增加土壤的保肥力和有机质含量8。用有机肥替代部分化肥能够协调化肥的供肥过程,有效提高氮、磷化肥的利用率,降低氮、磷元素的流失9,还有利于协调土壤氮库和碳库的平衡,提高土壤系统的生产力10。减量施用化肥,并且配施一定比例的有机肥,能够在不降低土壤肥力的前提下,显著降低氮、磷元素的流失风险8。黑水虻(Hermetia illucens)又名亮斑扁角水虻,为双翅目、水虻科、扁角水虻属的一种腐生性昆虫。用黑水虻的幼虫处理畜禽粪便已经被认为是一种生态友好、促进人与自然和谐共生的可持续粪污处理方式11。用黑水虻处理畜禽粪便可以有效
12、降低其中的抗生素、重金属、耐药基因(ARGs)、病原体、臭味物质和温室气体,从而生产出高价值的增值产品,有助于建立畜禽粪便资源化利用循环农业生产体系11。刘涛12研究表明,与对照相比,黑水虻幼虫在转化畜禽粪便后,其虫沙中的总氮含量较低,但总磷和总钾含量显著增加,最终总养分(N+P2O5+K2O)含量提高了14.78%26.19%。Rana等13研究发现,经过黑水虻处理后的牛粪与常规牛粪相比,氮、磷含量降低了30%60%,且变得质地疏松、无臭气。本研究利用黑水虻幼虫处理奶牛粪便,用处理后得到的虫沙替代水稻田中施用的部分氮化肥,分析了黑水虻处理牛粪对水稻生长状况以及氮、磷流失风险的影响,以期为奶牛
13、粪便的农业资源化利用提供数据支撑。1 材料与方法1.1 试验区概况本试验在云南省大理白族自治州农业农村部环保所大理综合实验站(25 50 N,100 07 E)网棚中进行。试验区海拔1900m,属于低纬度高原季风气候区,干湿季分明,年平均气温为21,年平均降水量为1084mm,全年降水量主要集中在510月。1.2 试验处理及试验方法本研究共设置8个处理:施用100%化肥(代号100%F)、70%化肥+30%鲜牛粪(70%F+30%N)、50%化 肥+50%鲜 牛 粪(50%F+50%N)、30%化 肥+70%鲜牛粪(30%F+70%N)、70%化肥+30%黑水虻处理牛粪(70%F+30%CN)
14、、50%化肥+50%黑水虻处理牛粪(50%F+50%CN)、30%化肥+70%黑水虻处理牛粪(30%F+70%CN)、不施肥(CK)。除了对照CK不施用任何化肥和牛粪以外,其他的处理均用牛粪中的氮按比例替代氮化肥中的氮,并用磷化肥中的磷补齐牛粪中磷的不足部分,最终保证每个施肥处理的氮、磷施入量均相等(CK除外)。每个处理设置3个重复盆栽,试验用盆为直径35cm、高50cm的塑料水桶,每个盆装入当地水稻田中020cm的表层土壤20kg,其基础理化性质为:pH7.77,全氮1.92g/kg,碱解氮237.21mg/kg,全磷0.40g/kg,速效磷125.16mg/kg,有机质31.89g/kg。
15、供试水稻品种为“云粳25”,种植密度为7穴/盆,每穴种植3株水稻幼苗。2018年6月4日插秧,6月16日施用分蘖肥,7月27日施用穂肥,9月28日收割。按当地常规方式对盆栽水稻进行管理;盆栽水稻的灌溉水来自农用沟渠中的灌溉水和生长期的自然降雨,其中农用灌溉水的理化性质(平均值)为:pH值8.19,化学需氧量(COD)10.96mg/L,总氮(TN)0.67mg/L,总磷(TP)0.15mg/L,硝态氮(NO3-N)0.39mg/L,铵态氮(NH4+-N)0.31mg/L。供试牛粪由大理当地的奶牛养殖户提供,其中鲜牛粪为未经任何发酵处理的牛粪,黑水虻处理牛粪为经过7d龄黑水虻幼虫处理转化14d后
16、的奶牛粪便。鲜牛粪和黑水虻处理牛粪的养分含量见表1。供试化肥为尿素(含N46.4%)、过磷酸钙(含P2O516%)、硫酸钾(含K2O50%)。牛粪、磷化肥、钾化肥作为底肥一次性施用;100%F处理组的氮化肥按111的比例分别在插秧期、分蘖期、抽穗期施用;其余6种配施牛粪的处理则底肥施入牛粪、磷化肥和钾化肥,氮化肥按1 1的比例分别在分蘖期、抽穗期施用。各处理的具体施肥量见表2。10 期王春雪等:黑水虻处理牛粪对水稻生长状况及养分流失风险的影响89表1 2种供试牛粪的理化性质(干基)牛粪类型总氮/(g/kg)总磷/(g/kg)总钾/(g/kg)含水率/%鲜牛粪4.900.491.910.100.
17、100.0278.202.66黑水虻处理牛粪2.400.080.700.022.340.1010.530.52 表2 不同处理的施肥量 g/盆处理总施肥量底肥分蘖肥穗肥尿素过磷酸钙硫酸钾牛粪尿素过磷酸钙硫酸钾牛粪尿素尿素100%F3.316.591.1101.106.591.1101.101.1070%F+30%N2.324.591.1172.1104.591.1172.111.161.1650%F+50%N1.663.291.11120.1803.291.11120.180.830.8330%F+70%N0.991.971.11168.2501.971.11168.250.500.5070%
18、F+30%CN2.324.621.1121.9404.621.1121.941.161.1650%F+50%CN1.663.301.1136.5703.301.1136.570.830.8330%F+70%CN0.991.981.1151.2001.981.1151.200.500.50CK00000000001.3 样品的采集及测定在水稻收获期,将每盆中的7丛水稻连根收获,测定每丛水稻的株高、根长、分蘖数、籽粒数、根重、茎重、叶重、籽粒重等指标。在每次施肥后第2、4、7、10天,于上午10:00采集盆栽水稻田面水样品250mL,将水样带回实验室,在48h内完成TN、TP、NO3-N、NH4+
19、-N浓度等指标的测定。1.4 试验数据的统计分析使用Excel2003、IBMSPSSStatistics22软件对试验数据进行统计分析,使用OriginPro9.1软件进行插图制作。此外,水稻盆面水的富营养化风险参数时间间隔加权污染物平均浓度的计算公式14为:Ct=(CT)/Tt上式中:Ct为时间间隔加权污染物平均浓度(mg/L);C为每次取样的污染物质量浓度(mg/L);T为2次取样的间隔时间(d);Tt为水稻总生长时间(d)。2 结果与分析2.1 不同施肥处理对水稻形态指标的影响水稻的形态指标可以直接反映出水稻的生长状况及健康情况。由图1a可知,100%F和70%F+30%N处理的水稻株
20、高显著高于30%F+70%N、30%F+70%CN、CK的,而其余的处理在株高方面没有显著差异。这说明70%的化肥被牛粪替代(即处理30%F+70%N、30%F+70%CN)已经对水稻的株高产生了显著的负面影响。由图1b可知:在鲜牛粪与化肥配施的处理中,水稻的根长随着鲜牛粪替代比例的增加而增加;在黑水虻处理牛粪与化肥配施的处理中,水稻的根长随着牛粪替代比例的增加而降低。说明随着鲜牛粪施用量的增加,水稻从根系获取养分的难度增加;而随着黑水虻处理牛粪施用量的增加,水稻从根系获取养分的难度有所降低,表明鲜牛粪经黑水虻处理后,其养分更容易被水稻吸收和利用。从图1c和图1d可以看出,处理30%F+70%
21、CN和CK的水稻分蘖数和穗数均显著低于其他处理的。这说明用黑水虻处理牛粪替代70%的化肥以及不施肥对照均会直接影响水稻的分蘖和出穗,从而降低水稻的产量。剑叶是水稻生长后期重要的光合器官,剑叶的生长及功能状况能够反映水稻生长后期的光合产物积累情况。如图1e所示,处理100%F和70%F+30%N的水稻剑叶长显著高于其他处理的,而CK的剑叶长显著低于其他处理的。这说明纯化肥处理和30%的鲜牛粪替代处理均能够使剑叶在后期保持良好的生长状态,而不施肥则显著降低了水稻成熟期剑叶的长度。2.2 不同施肥处理对水稻籽粒特征的影响籽粒数和籽粒重是表征水稻产量的2个重要指标。由图2a可知,每株水稻的籽粒总数、饱
22、粒数、瘪粒数均随着化肥被替代比例的增加而降低,尤其是处理30%F+70%CN的籽粒数显著低于处理100%F的。如图2b所示,处理70%F+30%N的每株籽粒鲜重和干重均显著高于处理30%F+70%CN、CK的,而其他处理的每株籽粒鲜重和干重均与处理100%F无显著差异,这说明用黑水虻处理牛粪替代70%的化肥会显著降低水稻的籽粒重。江 西 农 业 学 报35 卷90ab处理处理e处理cd处理处理分蘖数/(个/丛)穗数/(穗/丛)图1 不同施肥处理对成熟期水稻形态指标的影响2.3 不同施肥处理对水稻营养器官生物量的影响根、茎、叶是水稻的营养器官,它们的生长状况和生物量配置能够反映出水稻的养分状况。
23、由图3可知:处理50%F+50%CN、30%F+70%CN、CK的水稻营养器官总生物量均显著低于其他处理的,说明黑水虻处理牛粪替代化肥的比例过高或者不施肥均会显著抑制水稻根、茎、叶的生长;100%F处理和70%F+30%N的叶片生物量所占比例最高,说明这2个处理能增加光合器官的生物量,有利于水稻生长后期光合产物的积累;相较于100%F处理,其他处理都不同程度地增加了根生物量所占比例。2.4 不同施肥处理对水稻盆面水养分含量的影响盆栽水稻的盆面水与大田的田面水相似,但其缺少下渗流失,因此与大田的田面水又有所差异。如图4a所示,100%F处理由于底肥包括氮化肥,所以施用底肥后第2天盆面水中的TN浓
24、度出现了大幅度的升高,第10天以后才降到较低水平;其他处理由于底肥不包括氮化肥,所以盆面水中的TN浓度在底肥施用后一直保持在较低水平。在分蘖肥10 期王春雪等:黑水虻处理牛粪对水稻生长状况及养分流失风险的影响91和穗肥施用后,除了CK外,其他处理盆面水的TN浓度均有一个较大的升高过程,在施肥后第24天达到峰值,直到第710天才基本上恢复到施肥前的水平。由图4b可知:各处理在施入底肥后,盆面水的TP浓度均有一个小幅度的升高过程;各处理在施入分蘖肥(氮化肥)后,盆面水的TP浓度没有明显的变化;在施入穗肥(氮化肥)后,盆面水的TP浓度有一个大幅的升高过程,施肥后第2天达到最高值,第710天基本上恢复
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