牛粪一次性施用对北美大平原北部有机小麦产量与品质的长期遗留效应研究

本综述系统探讨了一次性施用牛粪（0–50 Mg ha?1）对美国蒙大拿州干旱区有机小麦产量、蛋白质含量及千粒重的遗留效应，并比较了夏季休耕（SF）与豆科绿肥（LGM）轮作系统的影响。研究发现，高量牛粪（50 Mg ha?1）在施用后第三年起显著提升小麦产量，且蛋白质浓度在≥25 Mg ha?1处理中维持在缺氮阈值（121 g kg?1）以上。LGM虽在某些年份提高蛋白质含量，但易因土壤水分竞争导致减产。研究为干旱区有机农业的养分管理策略提供了实证依据。

　　

Abstract

在北美大平原北部干旱地区，有机小麦（Triticum spp.）生产中的氮素供应一直是一项挑战。本研究通过2021至2024年的田间试验，探讨了一次性施用牛粪（0、12、25 和 50 Mg ha^?1）对小麦/夏季休耕（SF）与小麦/豆科绿肥（LGM）系统中谷物产量和品质的影响。试验采用裂区设计，主区为粪肥梯度，副区为作物相位（SF后小麦、LGM后小麦、SF本身和LGM）。另设尿素施肥对照区。结果显示，2023年和2024年，50 Mg ha^?1粪肥处理的小麦产量显著高于低剂量（≤12 Mg ha^?1）和尿素处理（P < 0.05），而2021–2022年的持续干旱掩盖了产量响应。LGM后小麦产量在2022–2023年低于SF后小麦。高粪肥量（≥25 Mg ha^?1）下的籽粒蛋白质浓度与低剂量相比持平或更高，但尿素处理因产量稀释效应在后期年份表现更高。不过，在≥25 Mg ha^?1粪肥下，蛋白质浓度通常高于缺氮阈值（121 g kg^?1）。LGM与SF对蛋白质浓度和千粒重的影响不一致，但50 Mg ha^?1粪肥表现出显著的正面遗留效应。

Introduction

美国是全球最大的有机食品消费国，2022年有机食品零售额超过615亿美元，加拿大则以61亿美元位列第五，两国合计占全球有机食品市场的47%。为满足需求，2022年北美有机农田面积达160万公顷，其中谷物类（主要为玉米、小麦和燕麦）占70.6万公顷，小麦是加拿大最主要的有机谷物作物，约80%产自大平原省份。美国有机小麦也主要集中在大平原地区。

该地区降水少且变率大，常遭遇长期干旱，导致小麦产量低下。例如2021年蒙大拿州有机小麦平均产量仅739 kg ha^?1。土壤肥力不足，尤其是氮缺乏，被列为有机生产中最主要的限制因子。磷缺乏在加拿大曼尼托巴和萨斯喀彻温省也较为常见。

豆科绿肥（LGM）被广泛用于维持土壤肥力，通过生物固氮提供氮素。然而在干旱环境下，LGM可能因耗水过多或氮释放不同步而降低后茬谷物产量。牲畜粪肥作为替代方案，不仅能提供养分，还可通过添加有机质提升土壤持水力。尽管北美大平原许多有机农场缺乏牲畜，但肉牛养殖普遍，为粪肥利用提供了可能。

粪肥的养分释放较绿肥更持久：绿肥矿化主要在终止后4–8周内完成，而粪肥的遗留效应可延续数十年。研究表明，一次施用粪肥可在16年后仍改善土壤质量和小麦表现。但粪肥的增产效应因环境而异：在犹他州干旱区，粪肥使冬小麦增产250%，而在内布拉斯加和科罗拉多州的部分试验中未显著增产。土壤水分和基础肥力状况是导致响应差异的主因。

本研究旨在探讨一次性粪肥施用对美国北部大平原干旱有机小麦的即时的和遗留的效应，并比较LGM与SF系统下的表现。我们假设高量粪肥可在多年内提升小麦产量和品质，且LGM在多雨年份可能带来额外收益。

Materials and methods

试验于2021年4月在蒙大拿州立大学中央农业研究中心（北纬47°03′，西经109°57′，海拔1280 m）的认证有机田块进行。土壤属Mollisols，具体为Danvers–Judith黏壤土（Typic Calciustolls）。该土壤表层为薄层黏壤土，底土为粗质地层，含>40%砾石。

肥料处理按随机区组裂区设计安排，主区为粪肥梯度（0、12、25、50 Mg ha^?1，以14%湿度计）和每年依土壤测试结果撒施的尿素对照，副区为四种作物相位：（1）SF后小麦、（2）LGM后小麦、（3）SF、（4）LGM。粪肥于2021年5月一次性撒施并圆盘耙翻埋，其养分含量为：N 9.1 g kg^?1（其中硝酸盐1.78 g kg^?1，铵0.07 g kg^?1，有机氮7.3 g kg^?1），P 4.1 g kg^?1，K 1.4 g kg^?1，S 3.3 g kg^?1，以及Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等微量元素。

尿素于小麦分蘖期（Zadoks 21–25）撒施，用量基于土壤测试和产量目标（春小麦2016 kg ha^?1，冬小麦2843 kg ha^?1），介于61–210 kg ha^?1之间。土壤pH 7.4–7.9，有机质30–39 g kg^?1，P中等偏低，K中至高，S水平无明确分级。

作物序列包括四种轮作模式，副区尺寸6.1 m × 10.7 m。因项目启动延迟，2021年改种春小麦“Vida”，2021秋和2022秋种“Yellowstone”冬小麦，2023年因锯蜂危害换种“Warhorse”。LGMs为黄花草木樨（Melilotus officinalis）和奥地利冬豌豆（Pisum sativum subsp. sativum var. arvense），于6月下旬至7月初终止并翻压。

土壤水分使用Teros 10传感器在7、15、22 cm深度监测，数据每15分钟记录一次。植物生物量于小麦开花期在0.5 m²样方内采集，分小麦、杂草和草木樨（间作区）称干重。叶面积指数（LAI）用ACCUPAR LP-80冠层分析仪测定。谷物产量用小区联合收割机收获，蛋白质浓度用近红外光谱仪测定，千粒重以0.95 L容器称重。所有数据以120 g kg^?1含水率校正。

Statistical analysis

土壤水分数据用SAS MIXED程序分析，处理为固定效应，区组为随机效应。每日均值及三层深度分别检验，计算95%置信区间。作物数据用R软件“doebioresearch”包按年分拆进行裂区方差分析，经Shapiro–Wilk检验正态性后，必要时进行对数或平方根转换。用LSD法在P < 0.05水平比较处理间差异。

Environmental conditions

年降水量（上年9月至当年8月）介于长期均值（344 mm）的58%–126%之间。2021–2022年干旱严重，降水量仅为均值的79%和58%，其中2021年6月降水仅17 mm（均值54 mm）。2023–2024年降水偏多，6月降水达116 mm和87 mm。温度方面，2021和2023年生长季（4–8月）偏热，2022和2024年接近均值。综合而言，2021年干热，2022年干温正常，2023年湿热，2024年湿温正常。

Results

Soil water

粪肥处理与对照间土壤水分无一致差异。在2032次独立分析中，仅8%显示显著差异，且其中一半为对照区水分更高。61%的显著差异出现于2023年，其余在2024和2021年。趋势上，2021年7 cm深处对照水分较高，2023年中下层土壤对照水分更高，2024年22 cm深处对照略高。总体而言，粪肥未显著提升土壤持水力。

Vegetative data: wheat, intercropped sweetclover, and weeds

LAI在2022年无处理间差异，2023–2024年50 Mg ha^?1粪肥处理LAI较高。≤12.5 Mg ha^?1粪肥与尿素处理间无差异。间作草木樨降低2022–2023年LAI，2024年无影响。小麦地上生物量在2022–2024年无粪肥处理间差异，2021年存在互作：SF后小麦各处理无差异，但间作小麦中尿素处理生物量低于≥12.5 Mg ha^?1粪肥处理。间作草木樨生物量不受粪肥影响，2023年杂草生物量在尿素和高量粪肥区较高。

Vegetative data: legume green manure

LGM（第二年生草木樨）生物量无处理间差异，2021、2022、2024年平均分别为1004、1153、475 kg ha^?1。2023年因提前翻压无数据。2024年产量较低可能与上年竞争有关。

Grain yield and quality

2021–2022年产量无处理间差异，2023–2024年50 Mg ha^?1粪肥产量显著高于其他处理（2023年与25 Mg ha^?1持平）。尿素处理产量始终较低。LGM后小麦产量在2022–2023年比SF后低60%以上，2021和2024年无差异。蛋白质浓度在2021年≥12.5 Mg ha^?1粪肥处理中较高，2023–2024年尿素处理因产量稀释效应浓度更高。≥25 Mg ha^?1粪肥下蛋白质浓度通常高于121 g kg^?1缺氮阈值。千粒重受粪肥影响不显著，LGM与SF比较结果不一致。

Discussion

本研究证实，一次性施用50 Mg ha^?1牛粪可在第三年起显著提升干旱有机小麦产量，与犹他州长期研究结果一致。但低剂量粪肥（≤25 Mg ha^?1）和尿素处理未显增产效应。增产效应与环境密切相关：干旱年份响应被抑制，多雨年份表现显著。

粪肥的遗留效应主要归因于养分供应而非持水力提升。本研究中土壤水分无显著改善，可能因原土壤有机质较高（30–39 g kg^?1），弱化了粪肥的改良效果。养分中，磷的贡献可能大于氮：土壤测试显示磷缺乏，而粪肥含P 4.1 g kg^?1，高量施用可满足作物需求。尿素处理虽按产量目标施肥，但实际产量远低于目标，表明氮并非唯一限制因子。

LGM虽在某些年份提高蛋白质浓度，但多数年份降低产量，主要由于土壤水分耗竭未能及时补充。这与中部大平原研究结论一致。早期终止LGM可减少耗水，但可能削弱肥力效益。

在品质方面，粪肥通过增产稀释蛋白质，导致浓度低于尿素处理，但高量粪肥仍能维持蛋白质 above 缺氮阈值。千粒重响应不稳定，表明粪肥对品质的影响因参数而异。

研究亦指出长期试验的资金挑战，建议通过多学科合作维持项目持续。

Conclusions

本研究证明了一次性高量牛粪施用（50 Mg ha^?1）在干旱有机小麦中的正面遗留效应，为北美大平原有机农业的养分管理提供了实践依据。然而，LGM轮作未能稳定增产，反因水分竞争加剧减产风险。土壤磷缺乏可能是粪肥增产的主因。未来需进一步研究粪肥经济性及环境风险，尤其在浅层土壤中的淋溶潜力。

Acknowledgements

感谢Sally Dahlhausen在数据收集和田间管理的协助。本研究获美国农业部国家食品与农业研究所有机研究与推广计划（项目号2019-51300-30476）部分资助。本文观点不代表美国农业部立场。