猪粪肥施用年限对耕地质量的影响

曾庆庆， 何腾兵,3*， 黄会前， 邹习文， 滕 浪， 石振情

(1.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025； 2.贵州省山地畜禽养殖污染控制与资源化技术工程实验室，贵州 贵阳 550025； 3.贵州大学 新农村发展研究院，贵州 贵阳 550025)

自20世纪80年代以来，我国规模化养殖业得以迅速的发展，2016年贵州省生猪出栏数为1 759.35万头，猪肉154.96万t[1]。这种大规模、集中经营的养猪模式虽然满足了人们对于猪肉的需求量，但却存在如何处理大量粪便的问题。由于猪粪中含有大量的养分，如果处理不当便会污染环境，将其当作肥料施入土壤中是当前的主要处理途径[2-6]。猪粪中含有大量植物生长发育所需的必需营养元素，经过处理后施入土壤中不仅能让作物增产，还能有效地改善土壤质量[7-9]。土壤中施用猪粪肥与化肥相比，其可改变土壤酸碱度[10-11]、减少氮素流失[7,12]和提高作物种植体系的生产率[13]。如果把所有畜禽粪便进行充分利用，可最大程度地减少化肥的施用量，进而改善农业化肥对土壤的污染[14]。关于猪粪肥施用对土壤养分影响已有较多的研究报道，但对贵州喀斯特生态脆弱地区的研究较少。为此，选择位于贵州省贵阳市某种养殖有限公司规模化养猪场种植基地，研究猪粪肥施用年限对土壤养分的影响，以期为种养一体化循环农业的发展提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 肥料 猪粪、沼渣和沼液(表1)，由贵阳某种养殖有限公司提供。

表1 猪粪、沼渣及沼液的养分含量

1.1.2 土样 在研究区域分别采集施用猪粪肥不同年限的玉米地和蔬菜地土壤样品共计30个(表2)，地形为丘陵，土壤类型为黄壤，成土母质为第四纪黏土母质。

表2猪粪肥不同施用年限的土壤样品数量

Table 2 Sample number of soil continuously applied with pig manure for different years 个

1.2 研究区概况

研究区域地处黔中高原区，地势较高、起伏不平，属于北亚热带季风湿润气候，年平均气温 12℃，年降雨量1 419 mm，海拔1 000～1 400 m，相对高差1 195.5 m。由于风化强烈，流水侵蚀、溶蚀严重，岩溶较为发育，形成复杂多样的地貌类型，属于典型的喀斯特地形区域，生态环境脆弱。

1.3 方法

1.3.1 样品的采集 采用GPS定位，在研究区域选取地形条件、成土母质、土壤类型和耕作模式基本一致的具有代表性的不同施肥年限(0 a、1 a、3 a、5 a及8 a)地块，采用5点采样法采集各地块的表层土壤(0～20 cm)，平均海拔1 273 m，最高海拔1 430 m，最低海拔1 150 m，相对高差280 m。2种作物类型地块的粪肥施用量均为2 500 kg/667m2，采取干猪粪、沼渣作基肥，沼液用于后期追肥。

1.3.2 样品的制备 将采集的土壤样品分别装入不含重金属的布袋，带回在实验室风干，剔除植物残体及大砾石等非土壤物质，同时避免酸、碱等污染。取风干土样按四分法充分混合后，用木棍辗压、过尼龙筛，而后进一步研磨，过孔径2 mm筛后用于测定土壤速效养分；取少量混合的2 mm土样研磨，过0.25 mm筛后测定土壤全量养分，将过筛样品置于密封袋中贴好标签，保存备用[15]。

1.3.3 指标测定 pH采用电位法(水土比为1∶2.5)测定，有机质采用重铬酸钾容量-外加热法测定，全氮采用凯氏法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，全磷采用高氯酸-浓硫酸消煮法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，缓效钾采用热硝酸-火焰光度法测定，有效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定，土壤阳离子交换量采用乙酸铵交换法测定。

1.4 土壤肥力的主成分分析

为了综合评价施用猪粪肥后土壤的肥力，对影响土壤性质的有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷、缓效钾、速效钾、pH和土壤阳离子交换量9个养分指标进行主成分分析，选取累积贡献率>85%的主成分个数，用不同主成分载荷向量除以其特征值的算术平方根得到主成分系数，得出不同主成分与9个养分指标的线性组合，通过每个主成分所占权重得到综合模型(综合得分)，再根据主成分的线性组合及综合模型计算出各施肥年份样本的平均得分。

1.5 数据处理

采用Excel 2016进行数据统计，SPSS 22.0对土壤养分含量进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 猪粪肥施用年限对耕层土壤pH的影响

不同作物对土壤的酸碱度要求不同，土壤酸碱度不仅影响植物根系对养分的吸收，还对土壤养分的有效性产生很大的影响。从图1可知，土壤pH在未施用猪粪肥之前较为离散，随着施用年限的增加呈先升后降的变化过程，可能是为防止猪粪发酵过程中产生大量气泡添加生石灰所致。当施用年限达8 a时，pH稳定在5.00～6.00，但并未出现土壤酸化现象。

图1 猪粪肥各施用年限土壤pH的变化

Fig.1 pH value of soil continuously applied with pig manure for different years

2.2 猪粪肥施用年限对耕层土壤有机质含量的影响

从图2看出，随着猪粪肥施用年限的增加，有机质含量呈缓慢累积的过程，但玉米地的有机质含量不同施肥年限差异不显著。蔬菜地的有机质含量在施用1 a和 8 a时差异显著；玉米地和蔬菜地的有机质含量分别在施用3 a和 5 a时略有下降，可能是由于黄壤中的粘粒成分含量较高，使猪粪中有机碳的分解较慢；也可能是受自然因素影响以及作物类型的不同引起的，其具体原因有待进一步探讨。在施用猪粪肥8 a后，玉米地和蔬菜地的有机质含量比未施用猪粪肥地块分别提高14%和21%。

2.3 猪粪肥施用年限对耕层土壤氮磷钾含量的影响

从表3可知，随着猪粪肥施用年限的增加，玉米地和蔬菜地的养分含量均有所提高。2种类型样地土壤连续施用猪粪肥8 a，全氮含量较未施用猪粪肥土壤分别提高1%和26%，碱解氮含量较未施用猪粪肥土壤分别提高25%和51%，全磷含量较未施用猪粪肥土壤分别提高165%和32%，有效磷含量较未施用猪粪肥土壤分别提高99%和271%，缓效钾含量较未施用猪粪肥土壤分别提高24%和45%，速效钾含量则分别提高74%和91%。说明，连续施用猪粪肥可显著提高土壤的全磷含量，尤其是有效磷含量；且长期施用猪粪肥还可有效地提高土壤钾素的供给能力，有利于作物的生长。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters indicate significance of difference atP<0.05 level. The same below.

图2猪粪肥各施用年限土壤有机质的含量

Fig.2 Organic matter content of soil continuously applied with pig manure for different years

表3 猪粪肥各施用年限耕层土壤氮磷钾的含量

注：各类型地块同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significance of difference atP<0.05 level.

2.4 猪粪肥施用年限对耕层土壤阳离子交换量(CEC )的影响

土壤阳离子交换量(CEC)是指土壤所能吸附和交换的阳离子的容量，其受土壤的胶体类型、胶体数量和pH的影响。从图3可知，蔬菜地和玉米地土壤阳离子交换量(CEC)分别在猪粪肥连续施用1 a和5 a时有所下降，但其继续施用至8 a时，其CEC较未施用猪粪肥土壤分别提高12%和18%。说明，连续施用猪粪肥能有效地提高土壤的CEC，在一定程度上增加土壤胶体表面阳离子交换性能，提高了土壤的缓冲性及保肥性。

图3猪粪肥各施用年限土壤阳离子交换量(CEC)的变化趋势

Fig.3 Variation trend of cation exchange capacity of soil continuously applied with pig manure for different years

2.5 主成分分析

从表4可知，在有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷、缓效钾、速效钾、pH及土壤阳离子交换量9个成分中，前5个主成分的贡献率>85%，为91.273%，即前5个主成分已足够体现土壤的肥力状况。其中，第1主成分的方差所占全部主成分方差的44.735%，接近50%。由表5看出，第1主成分由有机质、全氮、全磷、有效磷、土壤阳离子交换量、速效钾和缓效钾构成；第2主成分由速效钾、pH、全磷和有效磷构成；第3主成分由pH、碱解氮和土壤阳离子交换量构成；第4主成分由碱解氮和缓效钾构成；第5主成分由pH和缓效钾构成。从表6可知，在连续施肥的条件下，综合得分呈现先降后升趋势，这与有机质、氮、磷及钾养分的含量变化趋于一致，表明主成分分析结果可靠。在连续施肥8 a时，5个主成分的得分均为正值，且综合得分大于其他几个施肥年限土壤，说明土壤肥力得到了较好的改善。但是其得分并没有随着施肥年限的增加而呈现规律性的变化。

表4 不同成分的特征值、贡献率及累积贡献率

表5 5个主成分的载荷向量

表6 不同主成分的综合得分

3 结论与讨论

不同作物对土壤的酸碱度要求不同，土壤酸碱度不仅影响植物根系对养分的吸收，还对土壤养分的有效性产生很大的影响。研究结果表明，当施用年限达8 a时，pH稳定在5.00～6.00，未出现土壤酸化现象。与倪亮等[10-11]的研究结果一致。单施化肥使土壤pH降低，长期施用易导致土壤酸化板结，施用沼液后，土壤pH接近中性，可有效地防止土壤的酸化板结[10]。在保护地蔬菜栽培土壤中施用沼渣也有利于防止土壤pH降低[11]。

有机质是土壤肥力供给的基础物质，土壤有机质是指土壤中各种含有碳的有机物质的总和。有机质能够提供给植物氮、磷等各种所需的养分，能够影响土壤团粒结构、孔隙度、酸碱度、微生物活性和养分的供给，进而影响到土壤养分含量。在一定范围内土壤的有机质含量范围常常能反映土壤肥力的高低，故将其作为评价土壤肥力指标之一。因此，要了解土壤的肥力状况，制定施肥方案和定向培肥土壤的措施，都必须测定土壤有机质的含量[16]。研究结果表明，随着猪粪肥施用年限的增加，有机质含量呈缓慢累积的过程，但玉米地的有机质含量不同施肥年限差异不显著。蔬菜地的有机质含量在施用1 a和 8 a时差异显著；玉米地和蔬菜地的有机质含量分别在施用3 a和 5 a时略有下降。与李祥云等[17-18]的研究结果相近。

猪粪尿中含有丰富的氮磷钾及微量元素，易腐熟，肥效快。施用猪粪肥，土壤C/N相对较小，土壤矿化作用强于微生物的同化作用，植物可从有机物质矿化过程中获得有效氮的供应。研究结果表明，随着猪粪肥施用年限的增加，玉米地和蔬菜地的全氮和碱解氮含量均有所提高，全磷、有效磷、缓效钾和速效钾含量显著提高。与陈永杏等[18]的研究结果相近。连续施用猪粪肥可显著提高土壤的全磷含量、有效磷含及钾素的含量，有利于作物的生长。

阳离子交换量(CEC)能直接反应土壤的保肥、供肥性能和缓冲能力，还是土壤分类的重要指标[16]。研究结果表明，蔬菜地和玉米地土壤CEC分别在猪粪肥连续施用1 a和5 a时有所下降，但其继续施用至8 a时，CEC较未施用猪粪肥土壤分别提高12%和18%。9个土壤营养成分中前5个主成分的累积贡献率>85%，为91.273%，即前5个主成分已足够体现土壤的肥力状况。

长期连续施用猪粪肥，玉米地和蔬菜地耕层土壤pH呈不同变化趋势，在施肥5～8 a时，玉米地和蔬菜地土壤pH稳定在5.00～6.00，可防止土壤酸化。连续施用猪粪肥，玉米地和蔬菜地耕层土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、速效钾和缓效钾含量提高，CEC增加，土壤保肥供肥能力和缓冲能力提高。长期连续施用猪粪肥能有效的改善土壤环境质量，提高土壤养分的含量，增强耕层土壤的保肥供肥能力。但是耕层土壤养分随施肥年限的变化规律并不明显，还有待进一步深入研究。