奶牛场象草地土壤质量现状评价

孙宝丽，陈汝能，吴银宝，2＊，姚兵华

（1.华南农业大学 动物科学学院，广东 广州510642；2.农业部生态农业重点开放实验室，广东 广州510642）

随着国民经济的发展，畜牧生产呈现出规模化、工厂化的发展趋势，同时也带来许多急需解决的问题，如畜禽废弃物对环境的污染日趋严重，特别是排泄物中的氮、磷、锌、铜等物质，当这些物质在环境中积累到一定程度时，不仅导致土壤退化，还可以通过地表径流、淋溶作用污染地表水和地下水，对生态环境造成危害［1-4］。

近年来我国奶牛养殖业发展迅速，奶牛饲养量大幅增加，奶牛场所排放的粪便、污水等废弃物量越来越大，造成占用土地、资源浪费、环境污染、引发疾病等问题。资料显示，1个千头奶牛场日排污水60～100 t、粪便10～30 t，畜禽粪便中含有大量的氮、磷等营养物，是营养丰富的有机肥料，如果不能合理地利用和处理这些物质，将造成有机养分资源的浪费，破坏生态平衡［5］。目前在畜禽粪便肥料化技术方面已有许多研究，堆肥化是处理各种有机废弃物的有效方法之一，是集处理和资源循环再生利用于一体的生物方法，随着人们对无公害农产品的需求增加和可持续发展的要求，对优质有机肥的需求量将不断扩大，畜禽粪便用作有机肥具有巨大的市场潜力［6］。

奶牛养殖通常与牧草种植相结合，养殖场所产生的牛粪直接施用于牧草地，一方面为牧草提供有机肥料，进而为奶牛场提供量多质高的青饲料，另一方面也减少了牛粪对周围环境的污染。但这种养殖模式是否合理、长期施用时是否会影响牧草地土壤质量等均值得研究和探讨［7］。本研究采集了四个不同季节施用奶牛粪的象草地土壤和未施用粪便的胡枝子园土壤样品，通过测定有机质、全氮、全磷、铜和锌等指标，评价奶牛场土壤质量现状，为评估与牧草种植相结合的奶牛场环境污染风险及此养殖模式的合理性提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点

本研究所选取的奶牛场位于广州市增城宁西镇，建于2000年，处于典型的亚热带气候区，全年平均气温为22.2℃，年均降雨量1 869 mm。奶牛场总面积为8.96 hm2，其中配套的象草地面积为3.87 hm2。牛舍采取人工干清粪和水冲清粪相结合的方式，清理出的粪便堆放在粪便处理区，污水进入厌氧池。牛粪堆积发酵后90%外销，10%用于养殖场配套象草地土壤施肥。

1.2 采样点选择及采样方法

本试验于2012～2013年进行，分春、夏、秋、冬4个季节采样，每个季节连续采样3 d，每日14∶00分别在象草园和胡枝子园设定的土壤采样点采集样品，采用五点采样法。以牛粪堆积区为中心，西面为未施用牛粪的胡枝子园，在胡枝子园内距离中心50 m处设土壤采样点A1、A2、A3，在距离中心150 m处设土壤采样点B1、B2、B3；东面为施用牛粪的象草地，在象草地内距离中心50 m处设土壤采样点C1、C2、C3，采样点如图1所示。

每个采样点采集0～20 cm土层混合样品500 g，其中100 g新鲜土样用于测定含水率和p H（玻璃电极法）；400 g土样经自然风干后用于检测有机质（高温外热重铬酸钾氧化-容量法，NY／T 85-1988）、全氮（半微量凯氏法，NY／T 53-1987）、全磷（氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法，NY／T 88-1988）、铜和锌（火焰原子吸收分光光度法，GB／T 17138-1997）。

图1 奶牛场土壤采样点平面图Fig.1 The floor plan of soil sample sites in a dairy farm

1.3 象草地奶牛粪便和污水氮、磷负荷量计算

象草地氮（磷）负荷量是指单位象草地种植面积上承载的奶牛粪便和污水中的氮（磷）量，其计算公式为：

式中：n表示象草地奶牛粪便和污水氮（磷）负荷量［kg／hm2·a］；W表示施用在象草地的奶牛粪便和污水的氮（磷）总量（t／a）；S表示有效象草地面积（hm2）；P表示施用到象草地上的奶牛粪便和污水中氮（磷）的损失率（%），考虑华南地区的降雨量、象草地坡度及施用方式等因素，此处取氮、磷的损失率为30%。

1.4 单项污染指数法评价象草地环境质量现状

单项污染指数法计算公式如下：

式中：Pi为单项污染指数，Ci为i污染物的实测值，Si为i污染物的评价标准（畜禽养殖产地环境评价规范，HJ 568-2010）。如果Pi＜1，表明环境未受到该污染物污染；如果Pi≥1，说明环境受到该污染物的污染。

1.5 数据处理

利用SAS 8.1版软件对试验数据进行统计与分析，方差分析使用one-way ANOVA，采用Tukey＇s HSD进行多重比较，结果用“平均值±标准误”表示，P＜0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 奶牛养殖场象草地粪便负荷当量

该奶牛场每年有100.5 t粪便和750 t污水施用于象草地土壤。象草地的氮负荷量为125.06 kg／hm2，象草地的磷负荷量为22.55 kg／hm2。

2.2.1 春季象草地土壤质量现状 春季象草地土壤质量测定结果见表1。由表1可知，春季距离奶牛粪便堆放中心50 m的象草地采样点土壤的有机质、全氮、全磷、铜均显著高于未施用牛粪的胡枝子园（P＜0.05）；距离粪便堆放中心50 m的胡枝子园采样点土壤的有机质、全氮、全磷、铜和锌均显著的高于距离粪便堆放中心1 5 0 m的胡枝子园（P＜0.05）；距离粪便堆放中心50 m的象草地采样点土壤的锌含量与距离堆放中心50 m的胡枝子园采样点土壤无显著差异（P＞0.05）。

表1 春季不同区域土壤化学指标Table 1 The soil chemical indexes of different areas in spring

2.2.2 夏季象草地土壤质量现状 夏季象草地土壤质量测定结果见表2。由表2可知，夏季距离奶牛粪便堆放中心50 m的象草地采样点土壤的有机质、全氮、铜和锌均显著的高于未施用牛粪的胡枝子园（P＜0.05）；距离粪便堆放中心50 m的胡枝子园采样点土壤的有机质、全氮、全磷、铜和锌均显著的高于距离粪便堆放中心1 5 0 m的胡枝子园（P＜0.05）；距离奶牛粪便堆放中心50 m的象草地采样点土壤的全磷量与距离50 m的胡枝子园采样点土壤无显著差异（P＞0.05）。与春季各采样点土壤指标相比，夏季象草地土壤中全氮、全磷、铜、锌等指标表现出一定的上升趋势。

表2 夏季不同区域土壤化学指标Table 2 The soil chemical indexes of different areas in summer

2.2.3 秋季象草地土壤质量现状 秋季象草地土壤质量测定结果见表3。由表3可知，秋季距离粪便堆放中心50 m的象草地采样点土壤的有机质、全氮、全磷、铜和锌均显著的高于未施用牛粪的胡枝子 园（P＜0.05）。距离粪便堆放中心50m的胡枝子园采样点土壤的有机质、全氮、全磷、铜和锌均显著的高于距离150 m的胡枝子园（P＜0.05）。表明虽然当地在秋季雨量较少，但距离粪便堆放中心较近的胡枝子园土壤仍然延续了春夏两季的状态，受到了粪便较大的影响，但这种影响远低于正常施肥的象草地。与夏季各采样点土壤指标相比，秋季象草地土壤中有机质、全氮、全磷、锌等指标略有下降趋势，这可能与象草地集中在春季施肥，秋季粪便数量下降有关。

表3 秋季不同区域土壤化学指标Table 3 The soil chemical indexes of different areas in autumn

2.2.4 冬季象草地土壤质量现状 冬季象草地土壤质量测定结果见表4。由表4可知，冬季距离奶牛粪便堆放中心50 m的象草地采样点土壤的有机质、全氮、全磷、铜和锌均显著的高于未施用牛粪的胡枝子园（P＜0.05）。距离粪便堆放中心50 m的胡枝子园采样点土壤的有机质、全氮、铜均显著的高于距离150m的胡枝子园（P＜0.05），但在冬季两个未施肥区采样点土壤的全磷和锌含量均无显著差异（P＞0.05）。与秋季相比，冬季象草地土壤中有机质、全氮、全磷、铜等指标略有下降趋势，这一方面可能与象草地集中在春季施肥，冬季粪便数量下降有关，另一方面也与降水量的下降有关。

表4 冬季不同区域土壤化学指标Table 4 The soil chemical indexes of different areas in winter

2.3 奶牛养殖场象草地土壤质量现状评价

象草地土壤在土壤环境质量分类中属于Ⅱ类土壤（参照土壤环境质量标准，GB15618-2008），执行二级标准，在5.5＜p H＜6.5的土壤环境中铜和锌的允许量标准值分别为50 mg／kg和200 mg／kg，由此根据1.4公式计算出的不同季节各采样点的铜、锌的单项污染指数如表5所示。由表5可知，各季节不同采样区内土壤铜和锌的单项污染指数均小于1，表明在当前施肥方式及施肥水平下象草地土壤未受到所施用奶牛粪便和污水中铜、锌的污染。但可以看出，四个季节未施肥的胡枝子园，铜、锌单向污染指数均低于正常施肥的象草地，表明施用奶牛粪后，由于土壤的富集作用，铜、锌等污染物已有一定水平的累积。

表5 各季节不同采样区土壤铜、锌单项污染指数Table 5 The individual pollution index of copper，zinc from different sampling area in different season

3 讨 论

3.1 施用奶牛粪便对象草地土壤质量现状的影响

本研究的结果显示，在四个季节中，施用牛粪的象草地土壤中有机质、全氮、全磷、铜、锌等指标含量均高于未施肥的胡枝子园土壤。表明在种植牧草的区域施用牛粪对改善土壤的理化性质、提高土壤肥力具有显著的效果。李昆［8］研究表明，连续施用蛋鸡粪可以增加龙眼园土壤相应物质的含量，这与本试验结果相一致。李江涛［9］研究显示，长期施用畜禽粪便能够通过增加土壤活性有机碳含量和改善土壤理化性质来改善土壤生物化学质量，应当加强管理以避免带来更严重的环境污染。从结果看到，距离粪便堆积中心较近的未施肥区域的土壤各指标的含量均高于距离较远的未施肥区域，部分奶牛粪便通过地表径流进入周围的环境，应防范由此带来的面源污染风险。本研究计算出的各季节不同采样区内土壤铜和锌的单项污染指数均小于1，表明在当前施肥方式及施肥水平下象草地土壤未受到奶牛粪便中铜、锌的污染，说明该奶牛场目前施用奶牛粪便的方式较为合理。但同时可以看到，在四个季节中，未施肥的胡枝子园土壤中铜、锌单向污染指数均低于正常施肥的象草地土壤，显示施用奶牛粪后，由于土壤的富集作用，铜、锌等污染物已有一定水平的累积，各污染物质逐年的沉积可能导致污染的发生，进而引发一系列的环境危害问题，所以该养殖场的环境状况须进一步的跟踪监测，防范因连续多年施肥造成的重金属等污染风险。

3.2 奶牛养殖场配套象草地氮、磷负荷量

发达国家的畜禽养殖业大多数属于养殖种田相结合的模式，同时严格控制养殖规模，具有充足的土地消纳畜禽粪便［10］。但目前我国大多数畜禽养殖场没有足够的土地消纳养殖产生的粪便，粪便的处理主要依赖外销，一旦外销出现阻滞，就造成畜禽粪便的大量堆积并随意排入环境，对水体、土壤和空气造成严重的污染，危及畜禽和人体的健康［11-13］。研究表明，种植每株象草全年的施肥量一般为氮6.00～9.00 g，每公顷密植象草（约5万株）能够承受的氮负荷在450～500 kg［14-16］，种植每株象草全年的施肥量一般为磷0.60～1.00 g，每公顷密植象草（约5万株）能够承受的磷负荷在45.00～50.00 kg［17］。本试验结果显示，所研究的奶牛场象草地氮、磷负荷量均低于每公顷密植象草（约5万株）能够承受的氮、磷负荷量，表明目前奶牛场配套象草地中牛粪的施用量暂未对土壤造成污染。

通过对该奶牛场情况的调查研究发现，虽然场区内象草地氮、磷的负荷量均低于氮、磷负荷限度，但仍存在一定的污染风险：（1）目前该场粪便通过堆积发酵后90%卖给当地果农作为有机肥，10%用于配套象草地的施肥，粪便处理主要依靠外销解决，若出现粪便滞销和扩大生产规模等情况，将会造成粪便的堆积，加大环境污染的风险。（2）距离粪便堆积中心较近的未施肥区域的土壤各指标的含量均高于距离较远的未施肥区域，奶牛粪便通过地表径流进入周围的环境，因此应加强奶牛粪便堆放区域的管理，防范由此带来的污染风险。

4 结 论

本文所研究的奶牛场配套象草地氮、磷的负荷量均低于氮、磷负荷限度。四个季节施用牛粪的土壤中有机质、全氮、全磷、铜、锌等指标含量均高于未施肥的区域；距离粪便堆积中心较近的未施肥区域的土壤各指标的含量均高于距离较远的未施肥区域。表明连续施用牛粪可以增加象草地土壤相应物质的含量，对改善土壤的理化性质、提高土壤肥力具有显著的效果。同时应注意因粪便堆积通过地表径流造成的周边环境的污染风险。四个季节象草地土壤铜、锌单项污染指数均小于1，属于安全级。

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