猪粪肥施用量对紫色象草栽培及土壤重金属富集的影响

李翔宏,吴志勇

(江西省畜牧技术推广站,江西 南昌 330046)

在规模化畜禽养殖过程中,为了防止畜禽疾病、提高饲料利用率和促进畜禽生长,一些重金属元素如Cu、Zn等被添加到畜禽饲料中。由于这些重金属元素在动物体内的生物效价很低,大部分随畜禽粪便排出体外,故畜禽粪便往往含有高量的重金属,从而增加了农用畜禽粪便污染环境的风险。这几年在环保的高压政策下,养殖户对猪场产生的粪污处理也越来越重视,在发酵床、沼气等处理方法、改造工程建设方面的资金投入也越来越多,但取得的效果并不理想。据许卫华(2009)[1]报道,采用“猪—沼液—牧草(主要为狼尾草)”的治污模式,以6～9头猪配备1 m3沼气池,可有效消纳猪场产生的粪污。目前,种养结合、循环利用才是治理畜禽粪便污染环境的有效途径。随着草食畜牧业的发展及国家南方现代草地畜牧业推进行动项目的实施,优质高产饲草的种植得到了很好的推广利用。紫色象草作为一种适应性强、草产量高的优质牧草品种,其对水肥和矿物质需求量大,目前鲜见其在消纳猪粪肥方面的研究报道。为此,我们在种植的多年生紫色象草中施用不同水平的猪粪肥,观测了其生产性能及对猪粪中重金属吸附、土壤重金属残留等的影响,旨在为建立猪-草种养一体化生态循环模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验在南昌县黄马乡江西现代牧业示范园区内进行。该地属亚热带季风气候,年均气温17.5 ℃,≥10.0 ℃年积温为5579.4 ℃·d,夏季8月平均气温28.0 ℃,极端最高气温40.2 ℃；冬季1月平均气温6.3 ℃,极端最低气温-9.3 ℃,其中2016年1月最低温度-5.0 ℃,平均最高温度8.8 ℃,平均最低温度3.2 ℃;年均降雨量1598 mm,50%集中在4～6月,7、8、9月高温少雨,常常伏旱连秋旱;无霜期270～290 d。试验地为低丘红壤新开垦生地,土壤贫瘠[2],其土壤养分及重金属含量见表1。

表1 试验点土壤养分及重金属含量

1.2 供试材料

紫色象草,学名PennisetumpurpureumSchumab cv.purple,原产于巴西,2003年引进种植,2009年审定登记为广西农作物品种。紫色象草是多年生禾本科草本植物,耐寒，抗逆性强，分蘖多，再生性强，鲜干草产量高、营养丰富，其干物质中木质纤维素含量高、燃烧后热值高,是优质高产的能源用草本植物。同时其鲜草品质优、适口性好,是草食动物的优质饲草,并被广泛用于水土保持、土壤改良、荒坡绿化等[3]。供试紫色象草为从广西引进品种,经由前1年贮藏的种茎育苗后,选择植株优良的种苗用于试验。

施用猪粪采用平地自然堆置发酵法，堆放约50 d至腐熟,含水量为70%～80%。表2为2016～2017年共5次施用的猪粪肥抽样养分及Cu、Zn、Cd、Pb、As含量检测结果。

表2 各次施用猪粪肥养分及有关重金属含量

1.3 试验设计及田间管理

试验地为生地,栽植前1周对土地进行深翻,除去地里杂草,避免苗期杂草侵占和与牧草幼苗争水肥及空间。试验小区按肥力梯度顺序依次排列,每个处理设3次重复,小区面积为5 m×6 m,每小区种植密度为60株,株距60,行距80。2016年4月26日进行移栽。

试验设3个不同施肥量处理，处理1、处理2和处理3分别施用45000、90000、135000 kg/hm2猪粪(已堆沤发酵，湿度60%～80%)。2016年共施肥3次,即于移栽前(2月2日)施底肥(占总量的3/5)1次,第1次刈割后(7月23日)追肥(占总量的1/5)1次,第3次刈割后(12月3日)施越冬肥(占总量的1/5)1次。2017年共施肥3次,即第1次刈割后(6月23日)追肥(占总量的1/3)1次,第2次刈割后(9月2日)追肥(占总量的1/3)1次,第3次刈割后(11月30日)施越冬肥(占总量的1/3)1次。

待牧草移栽成活后,定期或不定期地观测象草的生长情况,在幼苗期注意田间杂草的侵害情况,适时除杂,防止杂草在田间的进一步生长。次年返青后若有栽植蔸死亡,则及时补种新苗。每次刈割测产后进行中耕除杂、施肥。

1.4 观测方法及内容

1.4.1 越冬率 越冬前最后1次测产后,中耕并施猪粪肥以利越冬,第2年返青时测定死亡植株数目,计算越冬率:越冬率(%)=(小区植株总数-死亡株数)×100/小区植株总数。

1.4.2 分蘖数 刈割时,每小区随机选取10蔸,每次测产时计算其分蘖数,每个处理3个小区的分蘖数平均值即为该处理的分蘖数。

1.4.3 产草量 在草群平均植株高150～210 cm(绝对高度)时进行刈割,留茬高度10～12 cm,测定每个处理3个小区的鲜草产量,取平均值。

1.4.4 草品质及微量元素含量 每次刈割测产时,对每个处理3个小区随机各取样约3.3 kg,共计10.0 kg,用刀具将鲜草样铡碎混匀,然后从其中取1.0 kg草样晾晒风干,送样检测草品质(粗蛋白、粗脂肪、粗纤维含量)及微量元素(Cu、Zn、Cd、Pb、As)含量[4]。测定方法: GB/T 17138─1997土壤质量:铜、锌的测定和GB/T 17141─1997土壤质量:铅、镉的测定(火焰原子吸收分光光度法)； GB/T 22105.2─2008土壤质量：总汞、总砷、总铅的测定(原子荧光法)。

1.4.5 猪粪肥、土壤中养分和重金属元素含量 每次施用猪粪肥时均对其进行抽样检测(具体抽样日期见表2)。取试验地土壤表层0～20深进行抽样检测,种植前检测1次,施肥处理后各处理每年度测定1次[5-6](具体抽样日期见表7和表8)。

1.5 数据分析

应用Excel 2007软件进行数据整理,采用SPSS 19.0软件进行方差分析,组间显著性差异检验采用LSD、Duncan法,试验数据用平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 越冬率

2016年,紫色象草种植当年共施猪粪肥3次,其中11月28日第3次为越冬肥(围绕植株蔸部进行),待次年植株返青后,观测整个小区死亡植株蔸数。由表3可知,处理1、处理2、处理3的越冬率分别为92.8%、92.8%、94.5%,处理间无显著差异,说明不同猪粪肥施用量处理对紫色象草抗寒性能、越冬率的影响不明显。

2.2 分蘖数

在紫色象草种植当年(2016年),各处理第2茬刈割后测定的植株蔸分蘖数均大于第1茬刈割后的,第3茬刈割后的植株蔸分蘖数均大于第2茬刈割后的；3次刈割时植株蔸平均分蘖数随施肥水平的增加有增加趋势,其中第1、2次刈割各处理之间无显著差异,第3次刈割处理1与处理2、处理3之间差异显著(P<0.05)。2017年,各处理第2茬刈割后测定的植株蔸分蘖数均大于第1茬刈割后的,第3茬刈割后的分蘖数均大于第2茬刈割后的;3次刈割各处理间植株蔸平均分蘖数无显著差异(表4)。两年的测定结果表明,紫色象草植株蔸分蘖数总体上随着生长年限及刈割次数的增加而增加,不同施用猪粪肥水平对其影响不明显。

表3 各试验小区越冬后紫色象草的死亡植株数

表4 各处理小区紫色象草分蘖数测定结果

注:同行数据后附不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

2.3 生物产量

2016年和2017年均刈割3次。从表5可以看出：在2016年,处理1在3次刈割中的总生物产量显著低于处理2(P<0.05)，极显著低于处理3(P<0.01),但处理2与处理3间无显著差异,说明紫色象草在种植的第1年,其生物产量受猪粪肥施用量的影响较大,且随着施猪粪肥水平的增加而明显增加;在2017年,处理1在3次刈割中的总生物产量极显著低于处理2和处理3(P<0.01),但处理2与处理3间无显著差异,说明在施用猪粪肥1年后,随着土壤肥力的增加,施猪粪肥水平对紫色象草生物产量的影响减弱。

2.4 草品质及微量元素含量

2016～2017年共6次刈割测产后取样检测结果(表6)显示：各处理紫色象草干物质的含量范围为75.0%～89.0%，粗脂肪0.9%～1.4%，粗蛋白7.04%～15.80%，粗纤维22.4%～33.1%，铜1.32～13.11 mg/kg，锌10.56～47.15 mg/kg(2017年6月22日处理1为71.11 mg/kg、处理3为122.82 mg/kg除外)，镉0.027～0.240 mg/kg，铅0.47～5.19 mg/kg，砷0～1.04 mg/kg。因此，草样中5种重金属含量均未超过最大允许值(一般牧草中上述5种重金属含量的最大允许值为:铜35 mg/kg，锌250 mg/kg，镉1 mg/kg，铅7 mg/kg，砷0.8 mg/kg),且各次测定的指标值在处理1、处理2、处理3之间无明显的变化规律。

表5各处理小区紫色象草生物产量测定结果kg/hm2

刈割日期(年/月/日)处理1处理2处理3第1茬(2016/7/23)31516.5±3529.5 B54304.5±5184.0 aA63921.0±7284.0 aA第2茬(2016/9/22)41743.5±8770.5 a46189.5±7269.0 a49468.5±3969.0 a第3茬(2016/11/28)27625.5±1896.0 aB30459.0±948.0 aB37129.5±1798.5 A2016年总计100885.5±13128.0 bB130953.0±12183.0 aAB150519.0±11598.0 aA第1茬(2017/6/22)71146.5±5763.0 B91267.5±5853.0 aA94435.5±6478.5 aA第2茬(2017/8/23)55027.5±2082.0 B59029.5±2404.5 aAB61920.0±2220.0 aA第3茬(2017/11/6)18064.5±625.5 aB20010.0±1065.0 aB23151.0±1171.5 aA2017年总计144240.0±8217.0 B170307.0±8964.0 aA164685.0±17392.5 aA

注:同行数据后不同大写字母表示差异极显著(P<0.01),不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

表6 各处理试验小区紫色象草抽样测定结果

经两年6次取样测定,不同猪粪施用量处理对草品质和微量元素富集的影响分别见图1和图2。紫色象草干物质中粗脂肪、粗蛋白、粗纤维含量检测均值分别为1.13%、9.97%、28.17%,各处理间无显著性差异,且变化规律不明显。紫色象草干物质中重金属元素铜、锌、镉、铅、砷含量的两年检测均值分别为5.80、32.71、0.10、2.01、0.32 mg/kg,其中锌含量最高,其次是铜元素,其它3种重金属元素的含量较低,且在各处理间无显著性差异,变化规律不明显。

2.5 猪粪肥、土壤中养分和重金属元素含量

畜禽粪便中重金属主要直接来自动物饲料,或者间接来自动物摄入的污染土壤和粪便的堆积处理过程。而当畜禽粪便被施入耕作土壤时,就会再次对土壤造成污染,因此加强对畜禽粪便重金属污染的监测十分重要。施用猪粪肥养分及Cu、Zn、Cd、Pb、As含量抽样检测结果见表2,对比土壤环境质量标准值(于1995年1月颁布,1996年3月实施,目前正在修订)可知：2016年第1次(2月2日)检测的Cu、Zn含量值均在自然背景条件下1级标准范围内,第2、3次检测的Cu含量值在2级标准范围内,而第2次检测的Zn含量值超过了土壤环境质量3级标准范围,Cd、Pb、As含量值都在土壤环境质量标准1级范围内;在2017年2次检测中,Cu、Zn的含量值均超过了土壤环境质量3级标准范围,而Cd、Pb、As的含量值都在土壤环境质量1级标准范围内。在各次施用的猪粪肥中氮、磷、钾含量分别为2.01%～2.79%、0.26%～1.04%、0.20%～0.36%。

图1 不同猪粪施用量对紫色象草品质的影响

图2 不同猪粪施用量对紫色象草重金属元素富集的影响

对各处理小区进行土样检测，结果(表7)表明:各猪粪肥施用量处理土壤中pH值、全氮、全磷、全钾含量分别为4.48～4.70、0.151%～0.217%、0.0429%～0.0591%、1.20%～1.34%。在各处理土壤中,pH值相差不大,但均小于对照值,全氮、全磷含量高于对照值,全钾含量小于对照值,各处理间指标值变化规律不明显。

在检测的土壤重金属中,Cu、Zn、Cd、Pb、As含量均不超标(对照土壤环境质量标准值范围),但变化情况各有不同。其中,2016年3个处理小区土壤抽样检测的Cu含量值均大于对照,2017年3个处理小区土壤抽样的Cu含量检测值均小于对照；2016年、2017年各处理小区土壤抽样检测的Zn含量值均大于对照；除2016年处理2、3小区土壤抽样检测的Cd含量值大于对照外,其他均小于对照；2016年、2017年各处理小区土壤抽样检测的Pb含量值均小于对照；2016年、2017年各处理小区土壤抽样检测的As含量值均大于对照(表8)。

表8施肥量处理对土壤重金属含量的影响mg/kg

测定日期/(年/月/日)处理铜锌镉铅砷2017/1/16CK28.383.430.06028.8713.59136.4160.700.03322.0017.70234.7156.100.30211.2019.80334.9203.400.11824.4023.402018/1/10123.0126.100.03226.0028.10226.9138.600.03026.3021.90322.5130.700.03727.9022.40

3 讨论

紫色象草对水、肥及矿物质元素需求量大,因此,种植紫色象草会消耗土壤中大量的水、肥及一定量的其他矿物质元素。对猪粪肥的检测结果表明,猪粪中含有丰富的磷、钾、氮、微量元素、有机物质等,是一种极有利用价值的资源[7-9]。向紫色象草种植地高水平施用猪粪有机肥,不仅可以很好地满足其生长的需要,提高其生物产量,还可以为规模化养猪场消纳大量的猪粪肥,构建从养殖到种植的生态高效循环物质和能量流通体系[4-5]。本研究发现，猪粪肥施用量对紫色象草草品质及重金属富集影响的规律不明显。猪粪肥作为越冬肥还可对紫色象草蔸起到一定的保温作用,有利于提高紫色象草的抗寒性和越冬率,使其能安全越冬,但需要注意施肥的方式方法,应在越冬前最后1次刈割后围绕植株蔸施肥。越冬肥还可促进紫色象草次年的早日返青,提高植株蔸的分蘖数和生物产量。

紫色象草分蘖多，再生性强，鲜草产量高。据易显凤等[3]报道,紫色象草每年可刈割5次,鲜草产量达225000 kg/hm2。本研究结果表明：在种植紫色象草当年，刈割3次的鲜草产量达到150519.0 kg/hm2；第2年刈割3次的鲜草产量达到164685.0 kg/hm2,两年间鲜草产量差异较大,可能与种植地南昌夏季高温的气候条件有很大关系。但紫色象草对猪粪肥的消纳能力强,年可消纳猪粪肥135000 kg/hm2以上,且此时具有最高分蘖能力,各指标性能表现也最好,说明在生地上第1年种植紫色象草时,不仅可达到高水平消纳猪粪肥的目的,还可提高紫色象草种植当年的生物产量。同时,通过多次刈割收获紫色象草营养生物体,少量多次带走施入土壤中的Cu、Zn等重金属元素,减轻猪粪对环境的污染,促进物质和能量的循环[10-13],实现经济效益和生态效益双赢。