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畜禽有机肥磷素在冬小麦上替代化肥磷当量研究

本站小编 Free考研考试/2021-12-26
徐久凯,, 袁亮, 温延臣, 张水勤, 林治安, 李燕婷, 李海燕, 赵秉强,中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室,北京100081

Phosphorus Fertilizer Replacement Value of Livestock Manure in Winter Wheat

XU JiuKai,, YUAN Liang, WEN YanChen, ZHANG ShuiQin, LIN ZhiAn, LI YanTing, LI HaiYan, ZHAO BingQiang,Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081

通讯作者: 赵秉强,Tel：010-82108658;E-mail： zhaobingqiang@caas.cn

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-11-28接受日期:2021-04-9
基金资助:“十三五”国家重点研发计划(2016YFD0200402)


Received:2020-11-28Accepted:2021-04-9
作者简介 About authors
徐久凯,E-mail： xujiukai2008@163.com。










摘要
【目的】近年来化学磷肥的过量施用不仅造成了磷矿资源的浪费,还增加了环境污染的风险。畜禽粪便是一种很好的化肥磷替代资源,但由于其成分复杂,转化过程影响因素较多,畜禽粪便中磷素相对化肥磷素的有效性一直存在不同结论。明确畜禽粪便中磷素替代化肥磷当量,能够确定有机肥磷素替代化肥磷素的准确比例,为有机肥磷素的合理施用提供数据支撑。【方法】选取腐熟的猪粪、鸡粪、牛粪和化肥为材料,施磷（P2O5）量均设置6个水平,分别为0、20、40、60、80、100 mg·kg-1干土,利用土柱栽培试验在冬小麦上研究粪肥磷和化肥磷对小麦产量、磷素吸收利用及土壤速效磷含量的影响,并对3种粪肥中磷素替代化肥磷素的相对替代当量进行统计分析。【结果】（1）3种粪肥中有机磷和无机磷含量存在较大差异,猪粪、鸡粪和牛粪中有机磷占总磷的比例分别为25.9%、17.6%和56.5%。从磷组分看,牛粪中磷素形态主要以活性磷（H2O-P和NaHCO3-P）为主,而鸡粪和猪粪以高稳定态磷（HCl-P）为主。（2）等磷施用粪肥和化肥条件下,各处理间小麦产量无显著差异。化肥处理的小麦磷素吸收量略高于3种粪肥处理。（3）本试验条件下,若以磷素的当季回收率作为参考指标,鸡粪、猪粪和牛粪中磷素相对化肥磷素的等效值分别为80.3%、84.3%和90.4%。以化肥磷用量与籽粒产量、生物量、籽粒吸磷量及地上部吸磷量的回归关系函数计算的3种粪肥磷素的相对替代当量,猪粪的相对替代当量分别为90.0%、93.6%、80.6%、80.2%,鸡粪的相对替代当量分别为78.4%、87.9%、73.4%、67.6%,牛粪的相对替代当量分别为89.6%、99.9%、90.0%、87.3%。（4）粪肥磷和化肥磷均可提高土壤中速效磷含量,但短期内粪肥磷对土壤中速效磷含量的提高稍弱于化肥磷。【结论】本试验条件下综合几种计算磷素相对替代当量的方法,猪粪能够替代85.7%的化肥磷素,鸡粪能够替代77.6%的化肥磷素,而牛粪能够替代91.4%的化肥磷素。
关键词： 畜禽粪便;磷素;小麦产量;磷吸收利用;相对替代当量

Abstract
【Objective】 Excessive application of phosphorus has not only caused the depletion of phosphate rock resources, but also increased the risk of environmental pollution. Livestock manure has always been used as a good alternative resource for chemical phosphorus. However, due to the complex composition and various influencing factors in the transformation process of phosphorus in animal manure, its effectiveness compared with that in chemical fertilizers has long been controversial. Clarifying the phosphorus replacement value of livestock manure, and the accurate proportion of organic fertilizer phosphorus replacing chemical fertilizer phosphorus, could provide the supporting data for rational application of organic fertilizer phosphorus.【Method】In this study, composted pig manure, chicken manure and cattle manure as well as chemical fertilizer were selected as the research materials. The application rate of P2O5 was set at 6 levels, which were 0, 20, 40, 60, 80 and 100 mg·kg-1 dry soil, respectively. A soil column experiment was conducted to investigate the effects of phosphorus in manure and chemical fertilizer on wheat yield, phosphorus uptake and the content of soil available phosphorus. Furthermore, the relative substitution equivalent of phosphorus in three kinds of manure was statistically analyzed.【Result】 (1) The content of organic and inorganic phosphorus in the three kinds of manure varied much. The proportion of organic phosphorus accounted for 25.9%, 17.6% and 56.5% of total phosphorus in pig, chicken and cattle manures, respectively. The liable phosphorus (H2O-P and NaHCO3-P) was the main phosphorus fraction for the cattle manure, while there was more phosphorus fraction attributed to highly stable phosphorus (HCl-P) in chicken manure and pig manure. (2)There was no significant difference in grain yield between different phosphorus supplies with the same application rate. The phosphorus uptake of wheat with chemical fertilizer was slightly higher than that treated with three kinds of manure. (3) In this study, when the seasonal recovery rate of phosphorus was used as a reference index, the chemical fertilizer equivalent value in chicken, pig and cattle manures to the commercial mineral phosphorus (super phosphate) were 80.3%, 84.3% and 90.4%, respectively. When the relative substitution equivalents of three kinds of manure were calculated by using the regression function between the chemical phosphorus and grain yield, biomass, phosphorus uptake of grain or total phosphorus uptake, the relative substitution equivalents of pig manure were 90.0%, 93.6%, 80.6% and 80.2%, respectively; The relative substitution equivalents of chicken manure were 78.4%, 87.9%, 73.4%, 67.6%, and that of cattle manure were 89.6%, 99.9%, 90.0%, 87.3%. (4) Both the manure and chemical fertilizer could increase the content of available phosphorus in soil, but the manure showed a slight effect than the chemical fertilizer. 【Conclusion】 Based on the integrated methods for calculating substitution equivalent of the present experimental condition, the phosphorus in pig manure could replace 85.7% of equivalent chemical fertilizer P, while chicken manure and cow manure could replace 77.6% and 91.4%, respectively.
Keywords：livestock manure;phosphorus;wheat yield;phosphorus uptake and utilization;relative substitution equivalents


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本文引用格式
徐久凯, 袁亮, 温延臣, 张水勤, 林治安, 李燕婷, 李海燕, 赵秉强. 畜禽有机肥磷素在冬小麦上替代化肥磷当量研究. 中国农业科学, 2021, 54(22): 4826-4839 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.22.010
XU JiuKai, YUAN Liang, WEN YanChen, ZHANG ShuiQin, LIN ZhiAn, LI YanTing, LI HaiYan, ZHAO BingQiang. Phosphorus Fertilizer Replacement Value of Livestock Manure in Winter Wheat. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(22): 4826-4839 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.22.010


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0 引言

【研究意义】磷是植物生长发育所必需的营养元素之一,参与植物体内许多重要的生理生化过程,在改善作物品质,提高产量方面具有重要作用[1]。在过去30年,化肥磷素一直是农田磷素的主要来源[2,3],而有机肥资源一直被忽视。中国是世界上最大的畜牧业生产国,2016年畜禽粪便提供的猪粪当量磷（P）量约为545万吨[4]。能够被循环利用进入土壤的磷量不足50%[5]。如何合理使用畜禽粪便中磷素,同时减少由其引起的环境问题将是我国农业绿色发展的重要环节。目前,我国所开展的有机无机配施试验大多采用氮推荐方式[6,7],但大多数作物N/P2O5的平均值>2.5,而有机肥有效N/P2O5<2,如果有机肥施用量较大而化肥磷又不减量或者盲目减量,势必导致磷的富集或亏缺,造成磷资源浪费或影响作物生长[8,9]。因此,了解畜禽有机肥中磷素的生物有效性并量化其替代化肥磷素的潜力对有机肥合理施用及节约化肥磷资源具有重要意义。【前人研究进展】畜禽粪便中磷素和化肥磷素均能够提高作物产量,增加土壤中全磷和有效磷含量[10,11]。但由于畜禽粪便中磷素对作物的供应受其本身组成、水热条件及植物生长等因素影响,其相对化肥磷素的有效性一直存在争议[12,13,14]。粪肥中磷素包括无机磷和有机磷,一般认为无机磷部分有效性相对较高,但也和其组成成分有关。而有机磷部分需要矿化为无机磷才能被作物吸收[15],也有研究表明,水溶性有机磷是可以直接为作物所吸收利用的形态[16]。粪肥中磷素形态受多种因素影响,包括粪肥种类、固液分离状况、清粪方式、处理方式及腐熟程度等,尤其是粪肥种类,由于不同动物消化系统及饲料构成的差异,导致不同粪肥中磷素含量及形态特征存在较大差别[17,18],进而影响粪肥磷素的有效性。有研究表明,相比化肥,粪肥磷具有同等甚至更高的作物有效性[19,20],也有研究认为粪肥中磷素的生物有效性低于化肥[21]。EBELING等[22]在等磷量施用条件下利用粪肥磷和磷酸钙进行小麦砂培试验发现,施用磷酸钙处理的小麦干物质量高于粪肥磷;但利用砂加土为媒介进行试验时,磷酸钙处理的小麦干物质量与粪肥磷处理无显著差别,但磷素吸收量却显著低于粪肥磷处理,导致此结果主要原因是土壤介质增加了微生物活性,促进了粪肥磷中有机磷的矿化,而土壤介质同时加快了磷酸钙中无机磷的固定。KULIGOWSKI等[23]基于大麦干物质量/磷吸收量与施磷量之间的回归关系对干燥的颗粒状猪粪沼气残渣、经过液/固分离的干猪粪和厌氧发酵猪粪尿浆的相对替代当量进行分析发现,三者基于大麦干物质量和磷吸收量的相对替代当量分别为95%和155%,64%和82%,104%和109%。【本研究切入点】多年来****一直致力于研究粪肥磷施入土壤后的化学行为及施加粪肥后土壤磷素的转化[24],但对于粪肥磷代替化肥磷的潜力研究较少,了解不同磷资源磷素有效性的差异将有利于确定不同来源磷肥的施用量,从而达到既能满足作物对磷的需求,又能尽量减少土壤磷的积累和径流损失的目的。【拟解决的关键问题】因此,本研究选取我国畜禽粪便产出量较高的猪粪、鸡粪和牛粪三大有机肥为试验材料,采用HEDLEY磷分组方法[25],研究不同粪肥中磷素形态特征,并利用土柱试验在冬小麦上探讨其磷素有效性和替代化肥磷素的相对替代当量,以期为粪肥磷的合理施用提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验于2018年10月至2019年6月在中国农业科学院德州实验站禹城试验基地（E 116°34', N 36°50'）进行,供试作物为小麦,品种为济麦22。供试土壤为连续3年未施用任何肥料的匀地试验场土壤,类型为石灰性潮土,质地为轻壤。土壤采集过程中,0—20 cm的耕层土壤和20—60 cm的底层土壤分别采集,风干,过1 cm筛,各土层土壤充分混匀,备用。0—20 cm和20—60 cm土层的pH分别为8.47、8.43,有机质含量为10.73、10.36 g·kg-1,全氮含量为0.71、0.63 g·kg-1,有效磷含量为6.75、6.37 mg·kg-1,速效钾含量为119.80、97.52 mg·kg-1。

供试畜禽粪便为腐熟猪粪、鸡粪和牛粪,均采自禹城试验基地粪场,供试化学磷肥为过磷酸钙（CAS：10031-30-8,天津大茂）。试验开始前采集3种粪肥,在空旷处风干,过1 cm筛,备用。粪肥基本理化性质分析参考《土壤农业化学分析方法》[26],其结果见表1。

Table 1
表1
表1牛粪、鸡粪、猪粪养分含量
Table 1Nutrient content of cattle manure, chicken manure and pig manure
有机肥
Organic manure		养分含量 Nutrient content (%,Air dried basis)有机碳
Organic C (%)		C/N
C/P
全氮Total N (N)全磷Total P (P)全钾Total K (K)
牛粪 Cattle manure1.610.571.2921.0213.0636.88
鸡粪 Chicken manure1.952.301.7418.119.287.87
猪粪 Pig manure2.233.131.5123.5010.547.51

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1.2 试验设计

试验采用土柱栽培的方式,将高100 cm、内径25 cm的PVC管埋入土中,上部高出地面5 cm,以防止降水地表径流流入;下部5 cm压入原位土中,且不封口,与自然土壤直接接触,模拟田间自然栽培状态;每个土柱装干土50 kg,土柱中30—90 cm土层填充土壤（干土35 kg）取自田间的20—60 cm土层的土壤,土壤分两次装入,每次装入后均灌水沉实;0—30 cm土层土壤（干土15 kg）取自田间的0—20 cm的耕层土壤,与肥料混匀后,装入,灌水。

本试验选取猪粪、鸡粪、牛粪和化肥4种肥料,施磷（P2O5）量均设置6个水平,分别为0、20、40、60、80、100 mg·kg-1干土,共计21个处理,每个处理设6次重复。为防止氮、钾素成为限制因子,氮、钾素施用量保持充足,土柱试验中氮（N）、钾（K2O）的推荐量均为0.2 g·kg-1干土。化肥处理中氮肥为尿素（N 46.5%）,钾肥为氯化钾（K2O 60%）。由于有机肥中的氮素多为有机态,需矿化为无机氮才能被作物利用,参考相关文献资料及结合本课题组相关试验数据（未发表）,猪粪氮和鸡粪氮当季潜在有效氮含量约为60%[27,28],牛粪氮当季潜在有效氮含量约为30%[29],因此,在本试验中,有机肥带入的潜在有效氮（N）含量不足0.2 g·kg-1干土的,用尿素补足,超过0.2 g·kg-1干土的,按有机肥带入的氮量算;有机肥中的钾（K2O）带入量不足0.2 g·kg-1干土的,用氯化钾补足,如果超过0.2 g·kg-1干土,按有机肥自身带入量计算。

小麦于2018年10月25日播种,每个土柱小麦播种量为36粒,于分蘖前间苗至12株。小麦生长期间按常规栽培技术进行日常管理,于2019年6月4日小麦成熟期收获测产。将小麦秸秆和籽粒分别烘干粉碎,过0.149 mm筛,保存,备用。收获后同时采集0—30 cm土层土样,风干过筛后备用。

1.3 测试指标及方法

粪肥磷的分级采用修正的Hedley分级体系[15,30]。可分为水提取磷（H2O-P）、NaHCO3提取磷（NaHCO3-P）、NaOH提取磷（NaOH- P）、HCI提取磷（HCl-P）和残留磷（residual-P）。具体方法为：称取0.3 g过2 mm筛的风干样品置于50 mL离心管中,依次采用30 mL去离子水（H2O-P）、0.5 mol·L-1NaHCO3（NaHCO3-P）、0.1 mol·L-1NaOH（NaOH- P）、1.0 mol·L-1HCl（HCl-P）进行分级提取。每次加入浸提液后,振荡16 h后（25℃,200 r/min）,离心（18 000 g,10 min,4℃）,之后收集上层清液并过0.45 μm滤膜,HCl浸提后的样品所含磷为残留磷（residual-P）。各部分提取的无机磷（Pi）含量直接采用等离子体发射光谱仪（ICP）测定,全磷（Pt）及残留磷含量首先采用H2SO4-H2O2消化后,再采用等离子体发射光谱仪（ICP）进行测定。有机磷（Po）含量为全磷和无机磷的差值,总无机磷含量为各部分无机磷的总和,总有机磷含量为各部分有机磷之和加上残余磷。

利用H2SO4-H2O2消煮-钒钼黄比色法测定小麦植株样品各部位全磷含量;土壤有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法进行测定[26]。

1.4 数据处理与分析

（1）植株各部位磷吸收量（g/pot）=植物各部位生物量×植株各部位磷含量;

（2）磷素回收率（%）=（施磷处理地上部吸磷总量-不施磷处理地上部吸磷总磷）/施磷量×100;

（3）磷素等效值[19]。磷素等效值是评价有机肥中磷素有效性的一种方法,从概念上来说是指某一有机肥中单位磷素的有效磷量与提供此同一有效量的化肥磷素的比值。即在等磷量施用有机肥和化肥条件下,有机肥磷素回收率与化肥磷素回收率的比值。

磷素等效值（%）=有机肥中磷素回收率/化肥中磷素回收率×100;

（4）有机肥磷素替代化肥磷素的相对替代当量。采用有机肥磷素替代化肥磷素的相对替代当量来评价有机肥磷素有效性的方法在国内外被广泛应用[27-29,31]。其计算方法如下：首先分别求出化肥磷用量与作物籽粒产量、生物量、籽粒吸磷量、地上部吸磷量的回归方程,再将某一有机肥用量下作物的产量、生物量、籽粒吸磷量、地上部吸磷量代入回归方程,求出这一有机肥用量下相当的化肥磷素用量,即为有机肥磷素替代化肥磷素的替代当量。这一替代当量与有机肥磷素施用量的比值即为相对替代当量。

相对替代当量（%）=替代化肥磷素的替代当量/有机肥磷素施用量×100;

（5）磷素收获指数 (PHI) = 籽粒磷吸收量/地上部吸磷总量×100%。

试验数据采用Excel进行数据处理与作图,SAS 8.0软件进行数据统计分析,Duncan新复极差法进行多重比较（P<0.05）。

2 结果

2.1 粪肥中磷组分特征

由表2可知,鸡粪和猪粪中的磷以无机磷为主,分别占总磷的82.5%和74.1%,而牛粪中的磷以有机磷为主,占总磷量的56.5%。对于不同磷组分,用水浸提的磷（H2O-P）是活性较强的磷素形态[25,32],鸡粪和牛粪中的H2O-P含量分别为21.2%和21.8%,均高于猪粪的16.2%。在H2O-P中,鸡粪、猪粪和牛粪均以无机磷为主,但牛粪中的H2O-Po含量高达鸡粪和猪粪的2倍。采用0.5 mol·L-1NaHCO3提取的磷（NaHCO3-P）是被吸附在矿物表面的活性磷,无机磷部分对作物直接有效,而有机磷部分可在短期内矿化被植物吸收利用,因此,这部分磷的有效性也相对较高[15,25]。在本研究中,以牛粪的NaHCO3-P含量最高,占总磷量的31.6%,猪粪和鸡粪NaHCO3-P含量分别为16.8%和16.5%。粪肥中的H2O-P和NaHCO3-P均为不稳定磷素,有效性相对较高,能够快速被植物吸收,3种粪肥中,牛粪的不稳定态磷最高,为53.4%,鸡粪和猪粪次之。采用0.1 mol·L-1NaOH提取的磷（NaOH-P）,主要是与无定形Fe/Al以及有机质结合的那部分磷,溶解性相对较差,为中稳态磷[15,24]。NaOH-P的含量及其在总磷中所占的比例较低,鸡粪、猪粪和牛粪中NaOH-P的含量分别为7.3%、16.9%和18.9%,鸡粪和牛粪中NaOH-P以有机磷为主,猪粪中以无机磷为主。采用1.0 mol·L-1HCl提取的磷（HCl-P）是与钙结合形成的稳定矿物,为高稳定态磷[15]。此部分磷含量以鸡粪和猪粪为最高,其占总磷比例高达48.9%和43.5%,牛粪中含量较少,仅为18.8%。采用H2SO4-H2O2消煮提取的残余态磷（residual-P）,是粪肥中最稳定的有机态磷,相对其他组分,其所占总磷的比例最低,鸡粪、猪粪、牛粪中的残余态磷（residual-P）占总磷比例分别为5.7%、6.9%、8.9%。

Table 2
表2
表2鸡粪、猪粪和牛粪中各形态磷占总磷比例
Table 2Phosphorus fractions in chicken manure, pig manure and cattle manure (%)
项目
Item		不同肥料品种 Different types of fertilizer
猪粪
Pig manure		鸡粪
Chicken manure		牛粪
Cattle manure
H2O-Pi12.55 ±0.9517.62±0.9513.19 ±0.16
H2O-Po3.64±0.103.61±0.038.61±0.19
NaHCO3-Pi12.17±0.2413.91±0.4012.61±0.53
NaHCO3-Po4.36 ±0.282.95±0.2618.98 ±0.22
NaOH-Pi13.66±0.372.06±0.158.21±0.15
NaOH-Po3.28±0.105.33±0.2810.64±0.45
HCl-Pi35.69±0.9148.94±2.009.54 ±0.11
HCl-Po7.76±0.220.00±0.009.29±0.50
residual-P6.89±0.315.65±0.168.93±0.20
H2O-Pi：水提取无机磷、H2O-Po：水提取有机磷,NaHCO3-Pi：NaHCO3提取无机磷、NaHCO3-Po：NaHCO3提取有机磷,NaOH-Pi：NaOH提取无机磷、NaOH-Po：NaOH提取有机磷,HCl-Pi：HCI提取无机磷、HCl-Po：HCI提取有机磷,residual-P：残留磷
H2O-Pi: Inorganic phosphorus extracted by deionized H2O, H2O-Po: Organic phosphorus extracted by deionized H2O; NaHCO3-Pi: Inorganic phosphorus extracted by NaHCO3, NaHCO3-Po: Organic phosphorus extracted by NaHCO3; NaOH-Pi: Inorganic phosphorus extracted by NaOH, NaOH-Po: Organic phosphorus extracted by NaOH; HCl-Pi: Inorganic phosphorus extracted by HCI; HCl-Po: Organic phosphorus extracted by HCI

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2.2 不同来源磷素对小麦籽粒产量、生物量及产量构成因素的影响

从表3可以看出,与不施肥对照相比,牛粪、猪粪、鸡粪和化肥的籽粒产量增加量分别为50.9%— 97.8%、44.9%—100.1%、31.5%—107.8%和54.7%— 108.9%,且随着施磷量的增加产量均呈现先增加后平稳的趋势。在等磷量施用条件下,3种粪肥和化肥在各施磷水平下的小麦籽粒产量差异均不显著,说明粪肥的磷素和化肥磷素对小麦增产作用相一致,无显著差别。

Table 3
表3
表3不同来源磷素对小麦籽粒产量和生物量的影响
Table 3Effects of different sources of phosphorus on wheat yield and biomass
项目
Item		施磷量
P2O5 rate (mg·kg-1)		不同肥料品种 Different type of fertilizers
猪粪 Pig manure鸡粪 Chicken manure牛粪 Cattle manure化肥 Chemical fertilizer
籽粒产量
Grain yield
(g/pot)		047.14±7.67d A47.14±7.67d A47.14±7.67d A47.14±7.67d A
2068.29±9.95c A64.98±5.15c A72.20±5.77c A72.94±6.95c A
4083.32±12.5b A84.01±12.59b A83.42±5.91b A83.29±9.28b A
6092.01±8.03ab A84.50±5.88b A86.80±7.29ab A91.64±8.22ab A
8094.34±6.81a A97.96±6.77a A92.86±6.21a A98.49±11.20a A
10093.88±9.76ab A92.76±6.03ab A93.22±7.79a A96.73±6.62a A
生物量
Wheat biomass
(g/pot)		089.87±14.02d A89.87±14.02e A89.87±14.02d A89.87±14.02c A
20130.29±18.97c A125.97±12.33d A138.58±10.86c A137.34±11.46b A
40156.04±15.82b A157.15±18.04c A158.73±9.25b A150.93±12.61b A
60173.44±11.65ab A161.59±12.43bc A163.37±13.53ab A170.3±14.01a A
80169.45±11.48ab A183.87±10.57a A173.04±13.08a A183.77±19.52a A
100173.52±18.29a A173.02±12.20ab A169.00±12.67ab A181.01±14.73a A
同列数据后不同小写字母表示不同施磷水平在5%水平差异显著,同行数据后不同大写字母表示不同肥料品种在5%水平差异显著。下同
Values followed by different lowercase letters in a column are significant difference among the P rate at the 5% level, Values followed by different capital letters in same row are significant difference among the different fertilizer varieties at the 5% level. The same as below

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对于小麦生物量,3种粪肥和化肥的变化趋势与籽粒产量相似,施磷处理的小麦生物量均高于空白对照处理,当施磷量<80 mg·kg-1干土,猪粪、鸡粪、牛粪和化肥生物量随施磷量的增加而增加;施磷量>80 mg·kg-1干土,生物量随施磷量的增加无显著变化。在同一施磷水平下,猪粪、鸡粪和牛粪的小麦生物量差异不显著,3种粪肥与化肥相比,也无显著差异。

从小麦产量构成因素（表4）来看,3种粪肥和化肥的小麦穗数、穗粒数和千粒重均高于空白对照,差异显著。对于小麦穗数,3种粪肥在施磷量<80 mg·kg-1干土时,小麦穗数随施磷量的增加而增加;施用猪粪、鸡粪和牛粪的处理的小麦穗数在施磷量80—100 mg·kg-1干土之间未表现出显著差异。在化肥处理中,随着施磷量的提高,小麦穗数显著提高,施磷量>80 mg·kg-1干土的各处理显著高于施磷量低的处理。在同一施磷水平下,对3种粪肥和化肥进行比较发现,各处理之间差异不显著。

Table 4
表4
表4不同来源磷素对小麦产量构成因素的影响
Table 4Effects of different sources of phosphorus on yield components of wheat
项目
Item		施磷量
P2O5 rate (mg·kg-1)		不同肥料品种 Different type of fertilizers
猪粪 Pig manure鸡粪 Chicken manure牛粪 Cattle manure化肥 Chemical fertilizer
穗数
Number of ears (No./pot)
033±4c A33±4c A33±4c A33±4d A
2035±3bc A37±2c A39±2b A39±4c A
4039±6b A44±4b A45±6a A43±4bc A
6046±2a A43±5b A44±1a A45±2ab A
8047±6a A49±1a A47±4a A49±6a A
10047±5a AB45±3ab AB43±2a B49±3a A
穗粒数
Grain No.per spike (No./spike)		030±3b A30±3b A30±3c A30±3b A
2039±5a A36±4a B38±4b A39±1a A
4042±2a A38±4a AB37±4b B39±3a AB
6040±2a A39±3a A39±3b A40±2a A
8040±2a A39±2a A40±2ab A40±2a A
10039±1a B40±2a AB43±5a A39±2a B
千粒重
Thousand seed weight (g)		047.36±1.04c A47.36±1.04c A47.36±1.04c A47.36±1.04d A
2049.50±1.44b A48.66±1.55bc A48.98±0.67bc A48.92±1.27c A
4050.85±1.54ab A50.15±1.53ab A50.97±1.23a A50.32±1.00b A
6050.92±2.16ab A51.01±1.53a A50.36±2.56ab A51.15±1.03ab A
8050.59±2.16ab A50.59±1.76a A50.26±1.71ab A50.95±0.69ab A
10051.38±1.23a A51.00±2.04a A50.42±1.97ab A51.55±1.00a A

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与对照相比,3种粪肥和化肥处理均能够提高小麦穗粒数,但不同磷水平之间差异不显著。在20 mg·kg-1干土施磷量下,猪粪、牛粪和化肥处理之间差异不显著,但均显著高于鸡粪处理。施磷量为40 mg·kg-1干土时,猪粪处理显著高于牛粪处理,当施磷量>40 mg·kg-1干土时,4种肥料之间小麦穗粒数差异不显著。

千粒重也是小麦产量构成的主要因素,由表4可知,增加施磷量有助于提高小麦千粒重,4种肥料小麦千粒重随施磷量的提高呈先增加后稳定的趋势。不同肥料品种进行比较发现,3种粪肥和化肥在同一施磷水平下对小麦千粒重的影响一致,各肥料品种之间差异不显著。

2.3 不同来源磷素对小麦磷素吸收利用的影响

由表5可知,与空白对照相比,施用磷肥能够显著增加小麦各部位磷吸收量。小麦各部位吸磷量随施磷量的增加呈升高的趋势,高量（80—100 mg·kg-1干土）施磷处理均显著高于低量（20—40 mg·kg-1干土）施磷处理。在20 mg·kg-1干土施磷水平下,牛粪的籽粒吸磷量和地上部吸磷量均显著高于鸡粪,与化肥和猪粪差异不显著,其他施磷水平下,各肥料品种的籽粒吸磷量差异不显著,对于地上部吸磷量,化肥在施磷量为80—100 mg·kg-1干土时显著高于猪粪和鸡粪,与牛粪无显著差异。等磷量施用条件下,不同肥料品种的磷素收获指数间无显著差异。

Table 5
表5
表5不同来源磷素对小麦各部位磷吸收量影响
Table 5Effects of different sources of phosphorus on phosphorus uptakes in different organs of wheat
项目
Item		施磷量
P2O5 rate (mg·kg-1)		不同肥料品种 Different type of fertilizers
猪粪 Pig manure鸡粪 Chicken manure牛粪 Cattle manure化肥 Chemical fertilizer
磷吸收量
P uptake
(g/pot)		秸秆
Straw		00.05±0.01d A0.05±0.01d A0.05±0.01d A0.05±0.01e A
200.06±0.01c A0.06±0.01cd A0.06±0.01c A0.06±0.01d A
400.07±0.02b A0.07±0.01bc A0.07±0.01c A0.08±0.02c A
600.09±0.01ab A0.08±0.02b B0.08±0.02bc B0.09±0.02b AB
800.09±0.00a B0.09±0.00a B0.08±0.01b B0.11±0.02ab A
1000.10±0.02a A0.09±0.01a A0.10±0.01a A0.11±0.02a A
籽粒
Grain		00.14±0.03d A0.14±0.03d A0.14±0.03d A0.14±0.03e A
200.21±0.05c AB0.19±0.03c B0.23±0.02c A0.22±0.02d AB
400.27±0.03b A0.26±0.07b A0.27±0.04b A0.28±0.03c A
600.29±0.03ab A0.29±0.04b A0.30±0.05ab A0.32±0.03b A
800.32±0.04a A0.34±0.04ab A0.33±0.03a A0.35±0.03ab A
1000.31±0.04a B0.32±0.03a AB0.33±0.04a AB0.36±0.03a A
地上部
Above ground		00.19±0.03d A0.19±0.03d A0.19±0.03e A0.19±0.03e A
200.27±0.05c AB0.24±0.03c B0.29±0.02d A0.28±0.03d AB
400.34±0.07b A0.33±0.07b A0.34±0.05c A0.36±0.04c A
600.39±0.04ab A0.36±0.04b A0.38±0.07bc A0.41±0.04b A
800.41±0.03a B0.43±0.05a B0.41±0.02ab AB0.46±0.05a A
1000.41±0.06a B0.42±0.04a B0.43±0.04a AB0.47±0.02a A
磷素收获指数
PHI (%)		075.70±6.13a A75.70±6.13b A75.70±6.13b A75.70±6.13b A
2079.08±4.51a A76.98±2.52b A77.88±2.56ab A77.84±3.66ab A
4078.54±1.00a A79.38±4.20aA79.35±2.50a A77.70±4.96ab A
6075.84±2.00a A79.03±5.67ab A80.01±3.76a A78.35±2.88a A
8078.07±1.65a A78.40±1.95ab A79.42±3.79a A76.46±2.27ab A
10076.35±1.88a A77.13±2.58b A77.27±2.53ab A75.91±3.51ab A

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2.4 不同粪肥磷素替代化肥磷素的相对替代当量

由表6可知,不同粪肥和化肥磷素的回收率基本变化规律为随施磷量的增加,回收率逐渐降低。在低磷（20 mg·kg-1干土）处理下,磷素回收率以鸡粪最低,牛粪最高;在其他施磷量下,化肥处理磷素回收率均高于粪肥处理。粪肥中磷素的有效性与化肥磷素的有效性相比发现,猪粪、鸡粪、牛粪相对化肥磷素的等效值随施磷量的增加而逐渐降低,3种粪肥的平均等效值分别为84.3%、80.3%、90.4%。

Table 6
表6
表6磷素回收率与相对化肥磷素的等效值
Table 6The equivalent value of mineral phosphorus and recovery rate
项目
Item		施磷量
P2O5 rate (mg·kg-1)		不同肥料品种 Different type of fertilizers
猪粪 Pig manure鸡粪 Chicken manure牛粪 Cattle manure化肥 Chemical fertilizer
磷素回收率
Phosphorous recovery ratio (%)		2055.82a AB48.15a B72.18a A66.45a AB
4052.85a A50.70a A55.03b A61.80abA
6047.01ab A40.89ab A46.52bc A52.10abc A
8038.82ab B42.68ab A39.43cB48.62bc A
10032.04lb B32.33b B34.88c AB40.03cA
化肥磷素等效值
Chemical phosphorus equivalent value (%)		2084.0272.46108.63--
4087.3682.0589.04--
6090.2478.5085.82--
8079.8487.7881.10--
10080.0380.7687.15--

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粪肥磷素替代化肥磷素的相对替代当量是指作物达到相同干物质量或相同吸磷量时所需化肥磷素与所施用有机肥磷素的比值,可由小麦籽粒产量、总生物量、籽粒吸磷量或地上部吸磷量与化肥磷施用量之间的回归关系曲线（图1）计算而来。在本研究中,当施磷量高于80 mg·kg-1干土时,化肥处理的小麦籽粒产量、总生物量、籽粒吸磷量或地上部吸磷量均不再显著增加,因此,在各回归曲线中将施磷量为100 mg·kg-1干土所对应的数据剔除。

图1

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图1化肥磷素（P2O5）用量与小麦籽粒产量（a）、生物量（b）、籽粒吸磷量（c）和地上部吸磷量（d）的响应关系

Fig. 1The response of chemical phosphorus application rate to wheat grain yield (a), biomass (b), grain phosphorus uptake (c) and aboveground phosphorus uptake (d)



从表7可知,以不同响应关系曲线（图1）做参考,有机肥磷素可替代化肥磷素当量明显不同,基于小麦籽粒产量与施磷量的关系曲线（图1-a）可知,猪粪、鸡粪和牛粪的平均相对替代当量分别为90.0%、78.4%和89.6%,猪粪的相对替代当量最高,鸡粪最低。当以小麦生物量与施磷量的关系曲线（图1-c）为参考时,猪粪相对替代当量的范围为68.8%—104.8%,平均为93.6%;鸡粪的范围为72.5%—102.2%,平均为87.9%;牛粪的范围为75.1%—133.1%,平均为99.9%;从生物量来看,3种粪肥的相对替代当量均有增加的趋势,并且以牛粪为最高,说明粪肥的施用能够增加小麦秸秆的产量,而牛粪对秸秆产量的增加优于猪粪和鸡粪。籽粒吸磷量和地上部吸磷量与施磷量的响应关系曲线也是计算有机肥相对替代当量的重要参考,如果以籽粒吸磷量（图1-b）作为参考,猪粪、鸡粪和牛粪的平均相对替代当量分别为80.6%、73.4%和90.0%;而以地上部吸磷量（图1-d）作为参考时,猪粪、鸡粪和牛粪的平均相对替代当量分别为80.2%、67.6%和87.3%。

Table 7
表7
表7基于小麦籽粒产量、生物量、籽粒吸磷量和地上部吸磷量粪肥磷素替代化肥磷素的相对替代当量
Table 7Mineral phosphorus fertilizer replacement value of manures on the basis of wheat grain yield biomass, grain phosphorus uptake and aboveground phosphorus uptake
项目
Item		施磷量
P2O5 rate (mg·kg-1)		粪肥磷素替代化肥磷素（P2O5）的相对替代当量
Mineral phosphorus fertilizer replacement value (%)
猪粪 Pig manure鸡粪 Chicken manure牛粪 Cattle manure
籽粒Grain2093.8160.84116.12
4095.7898.5796.20
6092.4667.0773.74
8078.0887.0272.26
生物量Biomass20104.8072.53133.09
4099.56102.15107.93
60101.1976.7183.35
8068.84100.0075.13
籽粒磷吸收量
Grain phosphorus uptake		2088.4452.67109.76
4087.8986.1492.81
6075.4070.5181.00
8070.7884.2576.39
地上部磷吸收量
Aboveground phosphorus uptake		2083.1141.25110.13
4087.4281.1594.95
6080.4868.1072.82
8069.5979.9171.14

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2.5 不同来源磷素对土壤速效磷含量的影响

由表8可知,与对照相比,施用磷肥能够提高土壤中速效磷含量,3种粪肥和化肥处理的土壤中速效磷含量随施磷量的增加而增加。在同一施磷水平下,对3种粪肥进行比较发现,始终以鸡粪处理土壤含磷量最低,施磷量为20 mg·kg-1干土时,猪粪处理显著高于其他处理,而在其他施磷水平下,3种粪肥之间差异不显著。不同磷水平下,猪粪、鸡粪、牛粪和化肥处理土壤平均有效磷含量分别为7.9、6.8、7.2和8.1 mg·kg-1,综合来看,在单季小麦试验中,化肥磷素对土壤速效磷含量的提高优于粪肥。

Table 8
表8
表8施用不同来源磷素对土壤速效磷含量的影响
Table 8Effects of different sources of phosphorus on soil available phosphorus content
施磷量
P2O5 rate (mg·kg-1)		速效磷含量 Available phosphorus (mg·kg-1)
猪粪 Pig manure鸡粪 Chicken manure牛粪 Cattle manure化肥 Chemical fertilizer
04.77±0.65d A4.77±0.65d A4.77±0.65d A4.77±0.65d A
206.27±0.82c A4.52±0.40d C5.16±0.53cd BC5.41±0.89d B
407.03±1.17c AB5.82±0.76c C5.97±0.61c BC7.35±1.09cd A
609.04±1.68bA8.18±1.15b A8.21±0.71b A8.50±2.74bc A
808.82±1.14b B7.91±0.62b B8.38±0.91b B10.37±1.80b A
10011.50±1.02a A9.61±1.05a B10.45±1.24a AB12.20±2.24a A

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3 讨论

3.1 粪肥中磷素形态及其影响因素

本研究中猪粪、鸡粪和牛粪的无机磷含量占总磷量的比例分别为82.5%、74.1%和43.5%。PAGLIARI汇总不同粪肥结果表明,猪粪、鸡粪、肉牛粪和奶牛粪中无机磷分别占总干灰分磷量的54%—92%、42%—72%、48%—67%和28%—96%[32];邢璐对牛粪和鸡粪中不同形态磷测定发现,牛粪中的无机磷组分占总磷的83.0%,大于鸡粪的70.3%[24]。不同的研究中对粪肥中磷素含量的报道差异很大,动物种类和年龄、饲料结构、储存方式、粪肥处理方式（垫料、堆肥、厌氧发酵、固液分离等）均影响粪肥中磷含量和形态[15]。本文所用牛粪中含有少量秸秆,也可能是导致其有机磷含量较高的原因之一。

H2O-P和NaHCO3-P为易溶态磷,其所含无机磷较易为植物吸收利用;有机磷主要包括核酸（DNA）,磷脂类（phospholipids）和简单的单酯磷（simple phosphate monoesters）,这些有机磷在土壤中的吸附较弱,容易被酶解为无机磷,因此生物有效性也较高[33]。本研究中鸡粪、猪粪和牛粪中易溶态磷（H2O-P+ NaHCO3-P）的总量分别为38.1%、32.7%和53.4%,易溶态磷在牛粪中的比例显著高于鸡粪和猪粪。严正娟等[15]通过对北京市52个规模化养殖场粪肥样品分析发现,非反刍动物粪肥中易溶态磷（H2O-P+ NaHCO3-P）占总磷含量为44%,反刍动物粪肥中易溶态磷占总磷含量为61%,这一结果与本研究结果相似。而DOU等研究结果显示,牛粪中H2O-P和NaHCO3-P分别占总磷的70%和14%,鸡粪中H2O-P和NaHCO3-P分别占总磷的49%和19%,表明牛粪中的活性磷比例显著高于鸡粪[27]。通常认为NaOH-P和HCl-P溶解性较差,是较为稳定的磷素[34],本研究中鸡粪和猪粪中的HCl-P占有相当大的比例,分别为总磷量的48.9%和43.5%,但HCl-P并不是不可利用的磷组分,只是其矿化分解需要一定时间,有研究表明,在水分充足的情况下,HCl-P也能溶于水[17],总体规律为反刍动物粪肥磷多溶解于水和NaHCO3溶液,非反刍动物粪肥磷大部分溶解于HCl溶液[15,24]。因此,从磷素组成进行分析,在等量粪肥磷投入情况下,牛粪磷在施用初期可能具有更高的有效性,而猪粪和鸡粪中的磷经矿化分解后也可以较快地释放活性磷素,但其肥效较牛粪相对迟缓。

3.2 不同来源磷素对小麦产量和生物学特征的影响

粪肥中磷对作物的增产作用受所含磷素形态、有机物料的C/P比等因素影响[24]。本试验结果显示,施磷量为20 mg·kg-1时,4种肥料的小麦籽粒产量以鸡粪最低,牛粪和化肥最高,在其他施磷水平下差异不显著;同一施磷水平,各肥料处理之间小麦生物量差异不显著。总体来看,粪肥中磷素对小麦的增产作用与化肥磷素无显著差异。刘占军等在吉林省公主岭黑土上研究有机磷部分替代化肥磷对春玉米产量影响发现,利用30%腐熟猪粪磷替代化肥磷的春玉米产量和生物量与全施化肥磷处理相当[35]。在低磷水平下,由于牛粪中不稳定态磷的比例高于猪粪和鸡粪,因此在小麦生长初期,牛粪的有效性较高,虽然鸡粪和猪粪随后经过矿化分解也可以很快地释放活性磷,但由于施磷量较低,不足以满足小麦整个生育期的生长需要,因此在产量上表现为牛粪高于猪粪和鸡粪。赵明等研究鸡粪、牛粪和猪粪中速效磷的养分释放规律发现,120 d内有效磷的释放率分别为24.6%、61.3%和34.8%[36]。当施磷量较高时,鸡粪和猪粪所含的不稳定态磷足以满足小麦生长初期的需要,再加上猪粪和鸡粪较易矿化分解快速释放活性磷的特征,能够在小麦整个生育期持续供应,3种粪肥的产量水平差异不显著,这与此前的研究结论相似[23]。

姜宗庆等[37]研究施磷量对小麦物质生产及吸磷特性的影响发现,在低磷土壤条件下,施磷量（P2O5）在0—180 kg·hm-2范围内,小麦茎蘖数、茎蘖成穗数、干物质积累量随施磷量的增加而增加,但超过180 kg·hm-2时,相关物质生产指标呈下降趋势。本研究结果与其相似,在一定施磷范围内,增施磷肥能够提高小麦有效穗数、穗粒数及千粒重。小麦对磷素的吸收高峰期有两个,第一个出现在出苗到越冬期,第二个出现在拔节到孕穗期,第一个吸收高峰保证了冬前分蘖和有效穗数的形成,而第二个吸收高峰保证了穗粒数和干物质量的形成[37,38]。本研究中牛粪含有较高的易溶性磷,因此,在低施磷量（20—40 mg·kg-1）条件下,牛粪中的有效磷保证了小麦有效穗数的形成,而在第二个吸收高峰期,随着气温的升高,猪粪矿化和累积的有效磷不断增多,保证了其穗粒数和干物质的形成。

3.3 粪肥磷替代化肥磷的相对替代当量

在磷肥的推荐施用方面,粪肥中的磷与化肥中的磷一般具有同等的肥料价值[15,28],从长期来看,这可能是正确的,因为粪肥中的磷素具有明显的后效[39,40]。在本试验中,当以磷肥回收率为参考指标时,鸡粪、猪粪和牛粪磷素相对化肥磷素的相对替代当量分别为80.3%、84.3%和90.4%。莫淑勋等也曾比较过粪肥中磷素与化肥磷素对作物有效性的异同,在施用等磷量条件下盆栽水稻,测定了2种鸡粪、4种猪粪和2种牛粪与普通过磷酸钙中磷素有效性之间的关系,其结果为鸡粪与过磷酸钙的等效值为81.5%,猪粪为88.3%,牛粪为94.5%[19],此结果与本研究结果相似。如果基于籽粒产量/生物量和籽粒磷吸收量/地上部磷吸收量与化肥磷肥施用量的关系曲线对粪肥中磷素的相对替代当量进行统计（表7）,猪粪、鸡粪和牛粪的相对替代当量范围分别为68.8%—104.8%、41.3%%—102.2%和71.1%—133.1%。也有研究发现,在单季春小麦试验中,粪肥（鸡粪、牛粪尿、水貂粪）磷的相对替代当量为过磷酸钙的60%—70%[40]。这可能与有机肥中所含磷素形态有关,据了解,猪粪和牛粪中无机磷主要为磷酸镁铵和磷酸氢钙,而鸡粪包括β-Ca3(PO4)2、磷酸镁铵、CaHPO4·2H2O和CaHPO4;猪粪和牛粪中有机磷为单酯磷和植酸,而鸡粪主要为植酸[32]。无论是有机磷还是无机磷,鸡粪中的磷的组分更为复杂也更难转化,因此其有效性也相对较低。另外,粪肥中磷素在土壤中的转化主要取决于土壤微生物的活动和磷酸酶活性,而两者主要受土壤温度、湿度、pH、C/P比、耕作措施等因素影响,所以以上因素均会影响粪肥中磷素的转化[41]。土壤微生物活动最适宜的温度为25—30℃,土壤磷酸酶最适温度为45—65℃[42],另外,多数****认为有机磷在淹水或湿度大的状态下矿化速率快[41]。因此,在冬小麦季,干旱少雨,气温低可能是影响粪肥中磷供应的一个重要因素。

在表7中,本研究选取了4个参考指标来计算粪肥磷替代化肥磷的替代当量,这几个参考指标各有优缺点,选取籽粒产量为参考指标,更符合生产实践,因为籽粒产量是农民收益的部分,并且不用进行化学分析,但籽粒产量与施磷量之间多为非线性关系,利用非线性关系计算的替代当量易受粪肥施磷量的影响,而利用线性关系计算的替代当量则与施磷量无关[43]。在最佳施磷量以下,磷吸收量与磷素施用量的响应曲线通常更接近于线性,选取磷素吸收量为参考指标能够使替代当量的结果更加稳定可靠[44]。另外,由于不同粪肥磷素释放规律不一致,因此对籽粒产量/籽粒磷吸收量和地上部生物量/地上部磷吸收量的影响并不同步,选取地上部生物量为参考指标,能够反映磷肥的整体效果,从本研究可以看出,选取地上部生物量为参考指标计算的替代当量略高于以籽粒为参考计算的替代当量。因此,在计算替代当量时,可根据不同目的选取合适的参考指标。

3.4 不同来源磷素对土壤速效磷含量的影响

粪肥施入除了由自身带入的磷素能够增加土壤磷库外,同时还通过改变土壤理化性质和土壤生物和非生物过程,促进土壤不同形态磷素之间的转化[45],有研究表明,长期施用牛粪,显著增加了土壤中碱性磷酸单酯酶和双酯酶、无机焦磷酸酶以及脱氢酶的活性,但与化肥处理相比没有显著提高酸性磷酸单酯酶的活性[46,47],粪肥的施入还能够增加磷素的解吸能力及影响磷素沉淀-溶解过程[48]。因此,虽然粪肥中存在的一部分有机磷有效性较低,但通过调节土壤的理化性状及自身的矿化过程,仍具有较高的有效性,甚至在某些特定条件下,会超过化肥。但在本研究中,与化肥相比,在不同施磷水平下,粪肥的施用并未显著提高土壤中速效磷含量,粪肥对于土壤速效磷的提高可能是一个长期的过程,因为粪肥具有明显的后效,单季试验会低估粪肥的效果[29]。

4 结论

本试验条件下,牛粪中活性磷（H2O-P和NaHCO3- P）比例较高,而猪粪和鸡粪中高稳定态磷（HCl-P）比例较高。从统计分析结果来看,在等磷量施用条件下,3种粪肥磷素对小麦籽粒产量和生物量的提升效果与化肥磷素无显著差异。综合不同参考指标,鸡粪、猪粪和牛粪替代化肥磷素的相对替代当量分别为77.6%、85.7%和91.4%。在开展有机肥替代化肥行动时,为避免磷素在土壤中大量累积,应根据所配施有机肥的特性,适量减少化肥磷素的施用量。

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