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作物秸秆和畜禽粪便是重要的有机肥源,有机肥料不仅含有作物需要的氮、磷、钾和多种中微量元素,同时还可提供相当数量的有机营养成分。华北平原是我国主要的农业区,耕地面积约为3500万hm2,其中,冬小麦产量约占我国总产量的61%,夏玉米产量约占我国总产量的39%,肉、蛋、奶产量占我国总产量的25%、45%和33%。据统计,2010年华北地区畜禽粪便总排放量为4.8亿t,占全国畜禽粪便总排放量的25%。近几十年来,随着我国农业产业结构的调整,集约化畜禽养殖迅猛发展,以及农业劳动力成本提高等因素,传统施用有机肥的习惯在一些地区逐渐消失,化肥成为作物生长的主要养分来源。通过有机肥带入农田的养分越来越少,养分不平衡成为了农业生产发展的主要限制因子,也带来了一系列严重的环境污染问题,威胁到粮食的安全生产。因此,合理利用作物秸秆和畜禽粪便,是实现农业与环境可持续发展的有效途径。本研究利用华北平原冬小麦-夏玉米轮作区始于2005年的长期定位试验于2011-2013年冬小麦季采样研究了不同秸秆还田量、还田时期和粪肥用量对小麦产量的影响,以及土壤-作物系统中的养分及主要重金属的变化,以期为合理利用秸秆和粪肥,节约养分资源、提高养分利用、提高作物产量、改善作物品质、降低环境污染提供理论依据。取得的主要结论如下:(1)通过田间定位试验,研究了不同秸秆还田量对麦田土壤大量、微量元素及重金属含量的影响。结果表明,麦玉秸秆50%、100%还田处理较对照提高了土壤全N、有效P、速效K、有效Fe、有效Zn含量,降低了土壤有效Cu的含量,对土壤有效Mn含量的影响表现出不同的趋势。50%秸秆还田量处理较100%秸秆还田量处理使土壤全N含量两年平均增加10.4%和5.2%,土壤有效P含量两年平均增加20.8%和7.5%,土壤速效K含量两年平均增加3.6%和3.3%,土壤有效Fe含量两年平均增加1.9%和3.4%,土壤有效Zn含量两年平均增加24.9%和17.8%。不同秸秆还田处理下土壤Cd、Cr、Pb含量均低于中国土壤环境质量标准的自然背景值,没有引起土壤重金属Cd、Cr和Pb的富集。(2)通过田间取样测定,研究了不同秸秆还田量和还田时期对冬小麦产量、矿质营养品质和重金属含量的影响。结果表明,与对照相比,小麦玉米秸秆50%、100%还田处理使小麦籽粒产量两年平均增加5.4%和5.7%,小麦生物量两年平均增加4.9%和5.9%。50%秸秆还田量处理较100%秸秆还田量处理使小麦籽粒氮含量两年分别增加4.2%和4.5%,籽粒P含量两年分别增加7.8%和4%,籽粒K含量两年分别增加2%和10.7%。小麦玉米秸秆50%还田量处理较对照处理使小麦秸秆Fe含量两年分别增加12.6%和26.9%,小麦秸秆Zn含量两年分别增加16.9%和14.5%;100%秸秆还田量处理较对照处理使小麦秸秆Fe含量两年分别增加15.9%和40.4%,小麦秸秆Zn含量两年分别增加15.1%和18%。50%秸秆还田量处理较100%秸秆还田量处理使小麦籽粒Fe含量两年平均降低0.6%和10.3%,小麦籽粒Zn含量两年平均降低11.2%和9.2%,小麦籽粒Cu含量两年平均降低9.1%和4.7%,小麦籽粒Mn含量两年平均降低7.5%和4.1%。不同秸秆还田处理,小麦秸秆、籽粒中Cd和Pb含量均未检出,小麦秸秆Cr含量范围在0.1-0.17 mg kg–1,小麦籽粒Cr含量范围在0.04-0.09 mg kg-1,低于我国食品安全标准食品污染物限量值,处于安全范围内。(3)对不同粪肥用量的田间试验进行取样测定,研究了不同粪肥用量对土壤大量、微量元素及重金属含量的影响以及农田系统中养分输入输出的平衡状况。结果表明,与对照相比,低量粪肥条件下(7500 kg ha–1-15000 kg ha–1)土壤全氮含量提高不明显,高量粪肥条件下(22500 kg ha–1-30000 kg ha–1)显著提高土壤全氮含量,两年平均增加17%和10%。施用不同粪肥用量均未显著增加土壤表层有效磷的含量。粪肥用量在22500 kg ha–1和30000 kg ha–1时,土壤速效钾含量较对照两年平均增加35%和43%。施用粪肥增加了土壤有效Fe、Zn、Mn的含量,但降低了土壤有效Cu的含量。粪肥用量在22500 kg ha–1和30000kg ha–1时,土壤有效Fe含量较对照两年平均增加26%和11%,土壤有效Zn含量较对照两年平均增加42%和43%。不同粪肥用量处理较对照使土壤有效Mn含量两年平均增加2%和11%,土壤有效Cu含量两年平均降低14%和11%。不同粪肥处理土壤Cd含量变化范围在0.09-0.18 mg kg–1,土壤Cr含量变化范围在51.6-56.8 mg kg–1,土壤Pb含量变化范围在3.2-7.1 mg kg–1,土壤Cd、Cr、Pb含量均低于我国土壤环境质量标准的自然背景值。不施粪肥处理农田系统中土壤大量和微量元素含量出现亏缺;施粪肥处理的营养元素均有盈余,盈余量随粪肥用量的增加而增加。(4)利用田间试验,研究了华北平原小麦-玉米轮作区不同粪肥用量对小麦产量、矿质营养品质和重金属含量的影响。结果表明,施用不同粪肥用量均未显著增加小麦籽粒产量和生物量。与对照相比,不同粪肥用量显著降低了小麦秸秆、籽粒N含量,小麦秸秆氮两年平均降低9%和18%,小麦籽粒氮两年平均降低16%和12%。粪肥用量在7500kg ha–1时,小麦秸秆、籽粒磷的含量最高为5.0 g kg–1和4.7 g kg–1,比对照增加40%和13%。施用不同粪肥用量较对照显著降低了小麦秸秆钾的含量,两年平均降低13%和26%。不同粪肥用量处理在本试验第二年较对照显著提高小麦籽粒钾含量17%。施用不同粪肥用量使小麦秸秆、籽粒Fe含量两年平均增加46%和53%,小麦籽粒Zn含量两年平均增加12%,小麦籽粒Cu含量两年平均降低14%,小麦秸秆、籽粒Mn含量两年平均降低9%和18%。不同粪肥处理小麦秸秆、籽粒中Cd和Pb含量均未检出,不同粪肥处理小麦籽粒Cr含量范围在0.07-0.68 mg kg–1,低于我国食品安全标准食品污染物限量值,处于安全范围内。与人类膳食营养素摄入量标准(DRIs)相比,本试验条件下微量元素Fe、Zn、Cu未达到推荐量,Mn元素高于推荐量。