沼肥施用对成都平原稻麦轮作土壤及作物养分和重金属含量的影响

宋三多, 刘汉军, 刘轶豪, 刘武, 谭渊, 董振寰, 唐雪, 余秀梅, 陈强,* , 欧阳平



沼肥施用对成都平原稻麦轮作土壤及作物养分和重金属含量的影响

宋三多1, 刘汉军1, 刘轶豪1, 刘武1, 谭渊1, 董振寰1, 唐雪1, 余秀梅1, 陈强1,*, 欧阳平2

1. 四川农业大学资源学院, 四川, 成都 611130, 2. 四川省农业厅成都土壤肥料测试中心, 四川, 成都 610041

为研究沼肥施用对成都平原稻麦轮作土壤及作物养分、重金属含量的影响, 试验共设置6种不同施肥处理, 包括沼肥低量(BL)、沼肥中量(BM)、沼肥高量(BH)、沼氮混施(BN)、氮磷钾肥(NPK)及不施肥(CK)处理, 分析了不同处理土壤养分和重金属含量、作物秸秆、籽粒养分和重金属含量。试验结果表明: 与不施肥相比, 沼肥显著增加了土壤、作物养分含量。其中, 土壤全氮、有机质、铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾含量变幅分别为1.19—1.45 g·kg–1、17.65 g·kg–1—33.38 g·kg–1、24.69—50.87mg·kg–1、12.35—19.78 mg·kg–1、6.24—27.07 mg·kg–1、62.81—90.08 mg·kg–1; 同时, 施沼肥显著提高了作物秸秆全氮、全磷、全钾含量。尽管施用沼肥土壤重金属含量有所增加, 但未造成污染, 不同处理土壤Cd、Cr、Cu、Pb和Zn含量分别为0.191—0.334 mg·kg–1、34.128—89.850 mg·kg–1、11.071—17.148 mg·kg–1、31.342—46.658 mg·kg–1和99.808—145.475mg·kg–1, 符合《土壤环境质量标准》(GB15618-1995) 二级标准值; 小麦及水稻籽粒中未检测出Cd, 其Cr、Cu、Pb和Zn含量变幅分别为0.151—0.392 mg·kg–1、3.206—5.181 mg·kg–1、0.078—0.144 mg·kg–1、22.242—41.825 mg·kg–1, 均低于《国家食品重金属含量》(NY861-2004)限制标准值。综上, 沼氮混施(BN)处理可增加作物产量, 提高土壤肥力, 且不会造成重金属含量超标, 是成都平原稻麦轮作区适宜的施肥方案。

沼肥; 稻麦轮作; 土壤与作物养分; 重金属

1 前言

稻麦轮作是我国南方常见耕作方式, 可有效提高耕地利用效率, 增加粮食产量。但稻麦轮作体系需氮量高[1-2], 长期施用化肥可导致土壤酸化、有机质降低, 农田生态环境污染[3]。沼渣沼液(沼肥)是畜禽养殖废弃物沼气发酵无害化处理后的产物, 是优良的肥料。研究表明, 沼肥农用可改良土壤结构、提高土壤养分和供肥能力, 改变微生物区系, 从而促进作物生长发育, 提高农产品品质[4-7]。由于沼气发酵以畜禽粪便为主, 有研究认为饲料中添加的Cu、Zn等营养元素进入沼气发酵池, 沼肥农用易造成重金属积累, 并经生物富集进入食物链危害人体健康[8]; 也有研究表明, 沼肥中重金属含量远低于有机肥标准的要求[9], 施用沼液不会造成土壤重金属污染[10]。由于土壤供给能力及作物需求的差异, 造成了重金属在农产品中残留的差异[11-3], 因而探明生产中适宜的沼肥用量极为重要。本研究探讨了成都平原稻麦轮作制度下沼肥使用后土壤、作物秸秆养分和重金属含量的变化, 以期为该区域沼肥合理施用提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 供试材料

研究基地位于四川省崇州市桤泉镇四川农业大学现代农业研发基地。供试土壤为潴育性水稻土, 种植制度为稻麦轮作。土壤基础养分为全氮1.14 g·kg–1, 有机质18.7 g·kg–1, 速效磷12.29 mg·kg–1, 速效钾51.35 mg·kg–1, 硝态氮13.79 mg·kg–1, 铵态氮17.67 mg·kg–1, pH7.8。

田间试验所用沼肥为崇州市桤泉镇养殖场猪粪尿经沼气发酵完成后的沼渣沼液混合物, 小麦季沼肥的肥力特征为全氮0.15%, 全磷0.20%, 全钾0.40%, Cd、Cr(III)、Cu、Pb和Zn浓度分别为 0.076 mg·kg–1、1.22 mg·kg–1、1.19 mg·kg–1、2.39 mg·kg–1和29.85 mg·kg–1; 水稻季所用沼肥, 全氮0.075%, 全磷0.12%, 全钾0.29%, Cd、Cr(III)、Cu、Pb和Zn浓度分别为 0.084 mg·kg–1、1.19 mg·kg–1、1.22 mg·kg–1、2.11 mg·kg–1和32.34 mg·kg–1。

实验所用化肥均为市售, 氮肥为尿素(含氮46%); 钾肥为氯化钾(含K2O 60%); 磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)。

2.2 实验设计

稻麦轮作施肥试验始于2013年10月, 冬季种小麦, 夏季种水稻; (2014-2015年连续开展同样试验。采用完全随机区组设计方案共设置6种施肥处理: 沼肥低量(BL)、沼肥中量(BM)、沼肥高量(BH)、沼氮混施(BN)、单施化肥(NPK)以及不施肥(CK)处理。设置6个处理, 小区面积20 m2, 每种处理设3次重复, 共18个小区。施肥量根据沼肥养分、小麦和水稻需肥特点确定。2014年11月7日播种小麦同时施底肥, 2015年1月４日追肥, 沼肥底、追肥比为1.2:1, 化肥一道清, 小麦其余生长过程中不施肥; 水稻于2015年5月18日移苗栽植, 5月25日施底肥, 7月6日追肥, 沼肥底、追肥比为1:1, 化肥一道清, 水稻其余生长过程中不施肥。试验设计见表1。

表1 试验设计及施肥量

Tab.1 Fertilization treatments and dose rate

2.3 样品采集

分别于2015年5月18日小麦收获期(简称小麦季), 9月15日水稻收获期(简称水稻季)采集样品, 按五点法S形采集整株作物连同根系及0—20cm土壤, 用无菌PET树脂袋封装低温保藏带回实验室, 同时收集小麦、水稻植株和种子。小麦和水稻植株105 ℃杀青0.5 h, 80 ℃烘干48 h后粉碎过筛; 种子去皮后磨细过筛测定重金属含量; 土样风干后磨细过筛, 用于测定养分和重金属离子含量。

2.4 样品中养分和重金属含量测定

沼肥、秸秆样品分别测定有机质、全氮、全磷、全钾含量, 土壤样品测定有机质, 全氮、铵态氮、硝态氮、速效磷和速效钾含量。有机质测定采用重Cr酸钾外加热法, 全氮测定采用凯氏定氮法, 铵态氮采用奈氏试剂比色法, 硝态氮采用双波长比色法, 速效磷采用钼锑抗比色法, 速效钾采用火焰光度计法, pH采用pH计(上海, 雷磁PHSJ-3F)测定[14-15]。

样品重金属离子Cu和Zn含量采用原子发射光谱仪(ICP)测定, Cd、Cr与Pb含量采用火焰原子吸收仪测定。

2.5 数据处理

采用Excel 2010及SPSS 17.0对数据进行处理及统计分析。

3 结果与分析

3.1 土壤及植株养分含量

3.1.1 不同施肥处理土壤养分变化

分别测定了小麦季及水稻季土壤有机质, 氮、磷、钾等元素含量, 结果表明(表2), 施沼肥可有效提高土壤有机质含量, 小麦季以BH最高, 土壤有机质含量为33.38 g·kg–1, 比CK 提高了76.05%, BN为25.03 g·kg–1, 比CK 提高了32.01%, 差异达到显著水平(<0.05); 水稻季土壤有机质含量以BH处理最高, 为30.08 g·kg–1, BN为24.85 g·kg–1, 分别较CK提高了70.37%和40.74%。

表 2 稻麦轮作不同施肥处理土壤养分含量

Tab.2 Soil nutrient content under different fertilizer treatments in rice-wheat rotation system

注: 平均值±标准差, 不同小写字母表示在5%水平上差异显著(<0.05)。

同样, 沼肥施用可有效增加土壤氮素含量, 均以BH含量最高, 其次为BN, 分别比CK增加了15.84%和13.66%, 13.17%和10.35%。小麦季土壤铵态氮以BN最高(32.47mg·kg–1), CK最低(24.69 mg·kg–1); 水稻季以BH最高(50.87 mg·kg–1), 其次为BN(50.72 mg·kg–1)。小麦季和水稻季土壤硝态氮含量均以NPK处理最高, 分别为19.78 mg·kg–1和14.27 mg·kg–1。

各施肥处理土壤速效磷含量显著高于CK (< 0.05), 小麦季以BH最高(27.07 mg·kg–1), 水稻季以BN处理最高(24.70 mg·kg–1)。小麦季和水稻季土壤速效钾均以NPK处理最高, 分别为 90.08 mg·kg–1和85.61 mg·kg–1, 施肥处理显著高于CK(<0.05)。可见, 沼肥施用可有效提高土壤养分含量, 以BH及BN效果较好。

3.1.2 小麦和水稻产量及秸秆养分含量

表3为不同处理小麦和水稻产量及秸秆氮磷钾含量。结果表明, 与CK相比, 沼肥处理显著增加了作物产量(<0.05), 小麦增幅为39.00%—97.14%, 水稻增幅为19.14%-73.05%, 小麦及水稻产量均以BN处理最高, 分别为4176.797 kg·hm–2、7554.521 kg·hm–2, 较CK分别增加了97.14%和73.05%。

不同处理小麦秸秆氮磷钾养分含量存在差异, 其中, 全氮、全磷含量均以BN处理最高, 分别为0.136%、0.082%, 显著高于NPK、CK处理(<0.05), 分别增加了17.59%、36.00%和12.33%、22.68%; 全钾含量以BM处理最高, 与CK差异显著(<0.05)。从水稻秸秆养分看, 全氮以BH最高, BM次之, 较CK分别增加了48.06%和39.50%, 差异显著(<0.05); 全磷含量显著高于其他施肥处理(<0.05), 以BH最高, 其次为BM, 分别比CK增加了23.42%和21.08%; 秸秆全钾含量以BN最高, NPK次之, 各施肥处理间差异不显著, 但除BL外均显著高于CK(<0.05)。

3.2 不同处理土壤、植株及籽粒中重金属含量变化

3.2.1 不同处理土壤重金属含量

表4为土壤重金属含量测定结果, 由表可见, 小麦季土壤 Cd、Cr、Cu、Pb、Zn含量均以BH处理最高, 分别较CK增加了18.76%、146.42%、51.24%、17.89%和25.43%; BN处理土壤Cd、Cr、Cu、Pb含量分别较CK增加了3.24%、126.69%、48.39%、10.46%, 其中Cd、Cr含量低于NPK处理, 而Zn含量较CK降低了6.42%。

表 3 小麦、水稻产量及秸秆氮磷钾含量

Tab.3 Yields of wheat and rice and nutrient content of wheat and rice straws

注: 平均值±标准差, 不同小写字母表示在5%水平上差异显著(<0.05)。

表 4 稻麦轮作不同施肥处理土壤重金属含量变化

Tab.4 Heavy metal content of soil under different fertilizer treatments in rice-wheat rotation system

注: 平均值±标准差, 不同小写字母表示在5%水平上差异显著(<0.05)。

水稻季土壤 Cd、Cr含量以NPK处理最高, 分别较CK增加了39.18%和66.27%; Cu、Pb、Zn含量以BH处理最高, 分别较CK增加了11.69%、30.52%和45.75%; BN处理土壤Cd、Cr、Cu、Pb、Zn含量分别较CK增加了13.75%、42.08%、3.93%、6.97%、21.32%。

尽管施肥后土壤重金属含量有所增加, 但总体看, 其总量并未出现逐年增加的趋势, 且含量均低于国家《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准值。与BH或NPK处理相比, BN处理重金属含量增加较少, 说明合理施肥不会带来稻麦轮作土壤重金属污染。

3.2.2 不同处理小麦和水稻秸秆重金属含量

表5结果显示, 小麦秸秆中未检测Cd; Cr(III)、Zn含量以NPK处理最高, 分别比CK增加了3.42%和29.76%, Cu、Pb含量以BH处理最高, 较CK增加了16.01%和31.20%。BN处理Cr、Cu含量均低于CK处理, 而Pb与Zn含量较CK增加了30.16%和27.01%。

水稻秸秆中Cr(III)、Cu含量以BH处理最高, 分别较CK增加12倍和13.32%, Cd、Pb含量以NPK处理最高, 较CK增加了46.13%和92.17%, Zn含量以BM处理最高, 较CK增加56.41%。BN处理Cd、Cr、Cu、Pb、Zn含量分别较CK增加了9.83倍、35.97%、3.97%、23.47%和56.51%。以上结果表明, 与BH或NPK处理相比, BN处理作物秸秆中重金属含量增加较少。

3.2.3 不同处理小麦和水稻籽粒重金属含量

对小麦籽粒(面粉)重金属分析结果(表6)表明, 面粉中均未检测出Cd, Cr、Cu、Pb、Zn含量均以BH处理最高, 分别较CK增加了84.64%、46.39%、76.49%、68.45%; BN处理面粉中Cr、Cu、Pb、Zn含量较CK增加了23.29%、28.73%、51.10%和4.71%。

同样, 所有处理糙米均未检测出Cd, Cr、Pb、Zn含量均以BH处理最高, 分别较CK增加了71.22%、66.08%和5.55%, Cu含量以NPK处理最高, 较CK增加了6.66%; BN处理糙米中Cr、Cu、Pb、Zn含量较CK分别增加了63.08%、3.99%、66.09%和5.55%。

表 5 不同处理小麦及水稻秸秆重金属含量

Tab.5 Heavy metal content in wheat and rice straw

注: 平均值±标准差, 不同小写字母表示在5%水平上差异显著(<0.05)。

表6 面粉及糙米重金属含量

Tab.6 Heavy metal content inflour and brown rice

注: 平均值±标准差, 不同小写字母表示在5%水平上差异显著(<0.05)。

尽管多数施肥处理小麦面粉和水稻糙米中重金属含量高于CK(除Cd外), 但均低于《国家食品重金属含量》限制标准值(NY861-2004)。而且籽粒中重金属含量以BN处理低于NPK处理, 说明沼氮混施有利于降低籽粒中重金属含量。

4 讨论

4.1 沼肥对土壤及作物养分含量影响

沼肥富含有机质和养分, 施用后可提高土壤和作物养分, 并可增强微生物活性, 促进土壤难溶性矿质元素转化, 提高养分有效性, 促进作物吸收[16-17]。本试验中, 施肥显著提高了土壤有机质和养分含量, 尤其以施用沼肥(BH)处理最佳, 土壤有机质达到30.08—33.38 g·kg–1, 表现出了良好的提升土壤有机质效果。有机肥配施氮肥能够平衡作物不同生长阶段养分供给, 增强氮素吸收, 提高产量[18], 与BH、NPK处理相比, BN处理增产效果显著。

土壤硝态氮是作物直接吸收的氮素形式, 本研究结果表明, 小麦季土壤硝态氮含量高于水稻季, 说明旱田有利于硝态氮累积, 但若硝态氮残留过多, 淋溶后可造成地下水污染。国际标准旱田施氮量上限为225 kg·hm–2[19], 稻田施氮量150 kg·hm–2为宜[20], 以避免氮素淋失。本研究中, BH、BN处理施氮量分别为130 kg·hm–2和137 kg·hm–2, 属于安全施肥范围。

4.2 沼肥施用对土壤及作物重金属含量影响

本研究试验区土壤和所用沼肥重金属含量符合要求, 尽管施肥后土壤重金属含量有所增加, 如沼肥高量(BH)与NPK处理土壤重金属含量显著高于CK, 但各处理重金属含量均远低于国家《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准值。由于在沼气厌氧发酵时, 硫化物及磷酸盐可与Cd、Pb等重金属形成沉淀, 沼肥中重金属主要存在于沼渣[21-23], 因而沼肥合理配施化肥, 既可增加土壤养分含量, 又能降低重金属污染风险。本研究中, 沼氮混施(BN)处理土壤重金属含量低于BH处理, 部分重金属甚至低于NPK处理, 这可能由于过磷酸钙富含Cu、Zn、Cd、Pb等重金属所致[24-25]。

有研究指出, 土壤中的Cd迁移能力较强, 易与Zn, Ni, Cu等呈现协同累积效应[26], 但本研究所有处理小麦和水稻籽粒中并未检测出Cd, 其余重金属含量以BH处理最高, BN处理低于BH处理。从研究结果看, 施肥后小麦和水稻秸秆、籽粒中的大部分重金属的含量有所上升, 但均未超过《国家粮食卫生标准》(NY861-2004)限值, 说明合理施用沼肥不会造成重金属超标[27]。本研究结果还表明, 土壤、秸秆与籽粒中重金属含量逐渐降低, 说明未出现生物富集, 与相关研究相似[28]。

5 结论

(1)施用沼肥可有效提高土壤养分含量, BH与BN处理效果显著。土壤有机质与全氮含量以BH处理最高, 小麦季分别为33.38 g·kg–1和1.45 g·kg–1, 水稻季分别为30.08 g·kg–1和1.34 g·kg–1; 铵态氮含量在小麦季以BN处理最高, 为32.47 mg·kg–1, 水稻季以BH处理最高, 为50.87 mg·kg–1; 硝态氮含量以NPK处理最高, 小麦季和水稻季分别为19.78 mg·kg–1和14.27 mg·kg–1; 速效磷含量在小麦季以BH处理最高, 为27.07 mg·kg–1, 水稻季以BN处理最高, 为24.70 mg·kg–1; 速效钾含量虽以NPK处理最高, 但与BH处理间差异不显著, 小麦季和水稻季BH处理分别为88.04 mg·kg–1和85.32 mg·kg–1; 同时施用沼肥能够显著提高秸秆全氮、全磷、全钾含量, 稻、麦产量均以BN处理最高, 分别为7564 kg·hm–2和4176kg·hm–2。

(2)施用沼肥处理会增加土壤和作物中重金属含量, 但其总量并无明显上升; 且土壤中Cd、Cr、Pb、Cu和Zn含量符合《土壤环境质量标准》(GB15618- 1995)二级标准值; 作物籽粒中重金属含量符合《国家粮食卫生标准》(NY861-2004)要求。(3)沼氮混施(BN)处理, 即小麦季用肥: 沼肥5.49× 104kg·hm–2+氮肥179.91 kg·hm–2, 水稻季用肥: 沼肥7.30×105kg·hm–2+氮肥176.91 kg·hm–2, 既可增加土壤及作物养分含量, 提高肥料利用率, 又能够降低氮素淋失, 同时重金属含量增加较少, , 是该区域一种较好的施肥方案。本研究为稻麦轮作连续两年的结果, 沼肥长期施用对土壤重金属有效性及其累积效应有待进一步研究。

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Effects of biogas manure application on nutrient and heavy metal content in soil and crop under rice-wheat rotation in Chengdu plain

SONG Sanduo1, LIU Hanjun1, LIU Yihao1, LIU Wu1, TAN Yuan1, DONG Zhenhuan1, TANG Xue1, YU Xiumei1, CHEN Qiang1,*, OU Yangping2

1. College of Resource, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China . Sichuan Agricultural Environmental Monitoring Center, Chengdu 610041, China 2. Sichuan Agricultural Environmental Monitoring Center, Chengdu 610041, China

In order to reveal the effects of biogas manure application on soil and crop nutrient and heavy metal content of rice-wheat rotation system in Chengdu plain, the field experiment included six fertilizer treatments, i.e., low amount of biogas manure (BL), medium quantity of biogas manure(BM), high quantity of biogas manure(BH), biogas manure combined with chemical nitrogen fertilizer(BN), chemical fertilizer(NPK), and no fertilizer treatment (CK) were carried out; and the soil total nitrogen, available P, available K, organic matter, Cd, Cr(III), Pb, Cu and Zn in soil, crop and grain were determined respectively. The results showed that the addition of biogas manure and fertilizer significantly increased the soil organic matter, total nitrogen, nitrate nitrogen, ammonium nitrogen, available phosphorus, and available potassium, and the content ranged from 1.19-1.45 g·kg–1, 17.65 g·kg–1-33.38 g·kg–1, 24.69-50.87 mg·kg–1, 12.35-19.73 mg·kg–1, 6.24-27.07 mg·kg–1and 62.81-90.08 mg·kg–1, respectively. Meanwhile, application of biogas manure could improve the total nitrogen, total phosphorus, and total potassium of wheat and rice straw. Application of fertilizer, including biogas manure, increased the content of heavy metal, which did not result in the heavy metal pollution. The soil Cd, Cr, Cu, Pb and Zn contents ranged from 0.191-0.334 mg·kg–1, 34.128-89.850 mg·kg–1, 11.071-17.148 mg·kg–1, 31.342-46.658 mg·kg–1and 99.808-145.475 mg·kg–1, respectively, which were lower than the second level of soil environment quality standard (GB15618-1995). Simultaneously, Cd was not detected in wheat or rice grains, and the contents of Cr, Cu, Pb and Zn ranged from 0.151-0.392 mg·kg–1, 3.206-5.181 mg·kg–1, 0.078-0.144 mg·kg–1and 22.242-41.825 mg·kg–1, respectively, which were lower than the state food and heavy metal content restrict standard for grain (NY861-2004). In conclusion, fertilizer treatment of biogas manure combined with chemical nitrogen fertilizer (BN) could increase crop yield, improve the soil fertility, and wouldresult in heavy metal content exceeding the national standard, hence, BN was a proper fertilization measurement for rice and wheat rotation system in Chengdu plain.

biogas manure; rice-wheat rotation system; soil and crop nutrient content; heavy metal

X833

A

1008-8873(2018)01-035-07

2017-02-23;

2017-04-11

国家科技支撑计划项目(2012BAD14B18); 四川省科技支撑计划项目 (2014NZ0044)

宋三多(1986—), 男, 吉林辽源人, 博士, 主要从事微生物学研究, E-mail: ssanduo2015@hotmail.com

陈强, 男, 博士, 教授, 主要从事微生物学研究, E-mail: cqiang @sicau.edu.cn

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.01.005

宋三多, 刘汉军, 刘轶豪, 等. 沼肥施用对成都平原稻麦轮作土壤及作物养分和重金属含量的影响[J]. 生态科学, 2018, 37(1): 35-41.

SONG Sanduo, LIU Hanjun, LIU Yihao, et al. Effects of biogas manure application on nutrient and heavy metal content in soil and crop under rice-wheat rotation in Chengdu plain[J]. Ecological Science, 2018, 37(1): 35-41.