不同比例沼液施用量对苜蓿生长发育、品质及土壤肥力的影响

郭治国， 李梓丹， 刘 华， 刘伯帅， 朱晓艳,2,3， 付 彤,2,3， 李德锋,2,3， 王成章,2,3， 李志伟， 史莹华,2,3*

(1. 河南农业大学牧医工程学院， 河南 郑州 450002；2. 河南省草地资源创新与利用重点实验室， 河南 郑州 450002； 3. 河南省牧草工程技术研究中心， 河南 郑州 450002；4. 漯河市农业科学院， 河南 漯河 452000)

随着我国市场经济的快速发展，我国集约化、规模化畜禽养殖场数量大幅度增加，全国畜禽粪便年排放量已经超过工业固体废物产生量，畜禽养殖的污染已经成为主要的污染来源[1]。目前国内对于畜禽粪污沼气发酵技术已经比较成熟，沼气工程在处理畜禽养殖场粪污废水方面发挥着重要作用。但是，粪污经沼气工程处理后产生的沼液，其氮、磷等含量仍明显高于国家相应的排放标准，由于缺乏后续处理能力，大量沼液违规排放已成为我国农村水体环境的主要污染源之一[2-4]。土地消解被认为是目前最经济有效的沼液处理办法，以往的研究[5-6]主要集中在全部或部分的沼液替代无机肥对作物产量和品质的影响方面，研究[7]发现，沼液中不仅氮、磷、钾、生长素含量丰富，易被作物吸收利用，养分利用率高，是一种多元有机肥料；并且沼液中还富含植物生长所需的次生代谢产物，如有机质、腐植酸和粗蛋白，在种植土壤中施用适量的沼液，可以改善土壤环境，增强植物抗病虫害的能力，促进作物增产。在农业生产中其常用于浸种、叶面施肥、种植蔬菜等[8]。沼液是一种安全、高效的有机肥料，沼液的合理利用，可使粪污资源化，进而减少对环境的污染。另外，沼液在种植中可作为有机肥，改良土壤、减少农业方面投资，并且可以提高农作物品质。土地对沼液的消解能力，关键是在作物的耐受范围之内尽可能多的消纳沼液，从而减少养殖场周边环境压力及对土壤环境的影响[9]。紫花苜蓿(Medicagosativa)是一种适应性比较强、产量和营养价值高的豆科牧草，并且对土壤生态环境的改善以及农牧业区域结构调整有着重要作用。近年来，对紫花苜蓿耐受性的研究比较多，研究发现紫花苜蓿对于干旱、盐碱等环境的耐受性比较强[10-12]，但是对于畜禽沼液施用对苜蓿生长发育、品质的研究较少[13]。另外，苜蓿草粉作为饲料原料在畜禽养殖方面研究比较多，有研究[14,15]表明饲粮中添加苜蓿草粉可以提高猪的生产性能，改善肉品质。本试验通过施用沼液初步探讨不同比例沼液施用量对紫花苜蓿生长发育、品质以及土壤肥力的影响，为畜禽粪污资源化利用提供科学依据，实现节约农业生产成本，达到种养结合可持续运行机制的目的[16]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

苜蓿品种：紫花苜蓿WL343，购自北京正道生态科技有限公司。

沼液：为河南省漯河市民社农牧有限公司规模化猪场的沼气工程产生的沼液，存放时间大于30 d，基本成分为：有机质13.04 g·L-1，总氮0.34 g·L-1，总磷0.30 g·L-1，总钾0.25 g·L-1，pH值7.08。

1.2 试验地点及条件

试验于2017年3—10月在河南省漯河市民社农牧有限公司承包田进行，地理位置为北纬33°24′～33°59′，东经113°27′～114°16′。气候类型为暖湿性季风气候，四季分明，无霜期216～225 d，年日照时数2 187～2 359 h，年均气温14.6℃，境内空气较为湿润，降雨量平均为749.2～845.2 mm。土壤为黑色黏土，土壤质地均匀、地形平整。供试耕层土壤(0～20 cm)基本成分为有机质26.57 g·kg-1，总氮1.17 g·kg-1，碱解氮89.67 g·kg-1，速效磷8.48 g·kg-1，速效钾236 g·kg-1，pH值为7.34。

1.3 试验设计

紫花苜蓿属于多年生牧草，本试验采用第2年的紫花苜蓿田进行试验。试验按所施用沼液比例不同设6个处理组，每个处理3个重复，每个重复(小区)100 m2，即每个处理占地300 m2。随机区组排列，共18个小区。处理间间隔50 cm，重复间间隔40 cm，四周设保护行。另外，各处理按照300 m3·hm-2量灌溉，其总养分及田间管理措施都保持一致。各处理情况如下：

T0为空白对照处理组(Control treatment，T0)，只用井水灌溉，不追肥；

T1为施无机肥对照处理组(Inorganic fertilizer treatment，T1)，追肥施加磷酸二铵0.050 kg·m-2、硫酸钾0.018 kg·m-2；

T2为25%(体积分数)沼液处理组(25% biogas slurry treatment，T2)，追肥施加磷酸二铵0.045 kg·m-2、硫酸钾0.015 kg·m-2；

T3为50%(体积分数)沼液处理组(50% biogas slurry treatment，T3)，追肥施加磷酸二铵0.040 kg·m-2、硫酸钾0.011 kg·m-2；

T4为75%(体积分数)沼液处理组(75% biogas slurry treatment，T4)，追肥施加磷酸二铵0.035 kg·m-2、硫酸钾0.008 kg·m-2；

T5为100%(体积分数)沼液处理组(100% biogas slurry treatment，T5)，追肥施加磷酸二铵0.030 kg·m-2、硫酸钾0.005 kg·m-2。

1.4 测定项目及方法

1.4.1土壤养分测定 用土钻取0～20 cm层土壤样品，风干过20目(孔径0.45 mm)和100目(孔径0.15 mm)筛备用，按常规土壤养分分析方法[17]测定有机质、总氮、碱解氮、速效磷、速效钾、pH值。

1.4.2沼液成分测定 沼液施用前取样测定，测定方法参照水和废水监测分析方法[18]。

1.4.3植株高度测定 试验收获以初花期为刈割标准，刈割4茬，刈割日期分别为4月30日、6月10日、7月10日、8月10日，每次刈割留茬高度3～5 cm。每次刈割前随机选取30棵植株测量从地面到顶端的垂直高度，取其平均值；初花期标准：当观察到田间有5%～10%的苜蓿植株开花即为初花期[19]。

1.4.4干物质含量测定 在初花期，每小区随机取样1 m2，刈割时留茬3～5 cm左右后准确称重，为鲜草产量；每个小区取鲜草500 g，烘箱中65℃烘干至恒重，此为风干草产量；粉碎后105℃烘至恒重，计算各茬次干物质(Dry matter，DM)含量以及年干物质总产量(Dry matter yield，DMY)[19]。

1.4.5营养成分测定 将各小区风干样粉碎过40目(孔径0.45 mm)筛备用，各茬次风干样品于塑料样品袋中保存，避免潮湿、阳光直射及霉变。每茬刈割后使用近红外光谱仪(美国FOSS，NIRS DS 2500)分析技术对样品中粗蛋白(Crude protein，CP)、粗脂肪(Ether extract，EE)、中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber，NDF)、酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber，ADF)、钙(Calcium，Ca)、磷(Phosphorus，P)以及水分含量进行测定。相对饲喂价值(Relative feed value，RFV)依据NDF和ADF的含量按照以下公式进行计算得出：RFV=(88.9-0.779×ADF)×(120/NDF)/1.29。

1.5 统计分析

试验数据采用Excel 2010 以重复为单位进行整理，并按照随机区组法试验的要求，采用SPSS 20.0软件进行方差和相关性分析，并制图。运用Duncan法进行多重比较分析，数据统一采用平均值±标准差表示，P<0.05表示差异显著，P<0.01表示差异极显著。

2 结果与分析

2.1 不同比例沼液施用量对苜蓿生长发育的影响

2.1.1不同比例沼液施用量对苜蓿各茬次株高的影响 由表1可知，对于不同比例沼液施用量对苜蓿各茬次株高的影响，在第一、三、四茬中，各处理组之间无显著差异(P>0.05)；但在第二茬中，沼液处理各处理组(T2，T3，T4，T5)较T0有所提高，尤其T3较T0，T2，T4，T5显著提高(P<0.05)，较T1也有提高的趋势(P>0.05)；另外，整体研究发现，对于所有处理组，其株高均随着刈割茬次的增加而依次降低。

表1 不同比例沼液施用量对苜蓿各茬次株高的影响Table 1 Effect of biogas slurry irrigation amount on the plant height of each cut/cm

注：同列中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P<0.05). The same as below

2.1.2不同比例沼液施用量对苜蓿各茬次干物质产量的影响 由表2可知，不同比例沼液施用量对苜蓿各茬次干物质产量的影响，在第一茬中，沼液处理各组较T0变化不明显，较T1有降低的趋势，尤其T5较T1显著降低(P<0.05)；在第二茬中，T3较T0，T1，T2，T4，T5均显著提高(P<0.05)；T0，T1，T2，T4，T5之间无显著差异(P>0.05)；在第三茬中，各处理组之间无显著差异(P>0.05)；在第四茬中，T3，T4，T5较T0，T1有所增加，但差异不显著(P>0.05)，T5较T2显著提高(P<0.05)；在年干物质总产量方面，T3较T0，T1，T2，T4有所提高(P>0.05)，较T5显著提高(P<0.05)。

表2 不同比例沼液施用量对苜蓿各茬次干物质产量的影响Table 2 Effect of biogas slurry irrigation amount on the dry matter yield of each cut/kg·hm-2

2.2 不同比例沼液施用量对苜蓿品质的影响

由表3可知，对于不同比例沼液施用量对苜蓿营养成分含量的影响，在灰分含量方面，各处理组之间无显著差异(P>0.05)；在粗蛋白含量方面，T3，T5较T0，T1显著降低(P<0.05)；在粗脂肪含量方面，T3较T0显著降低(P<0.05)；在酸性洗涤纤维含量方面，T3较T0，T1，T2，T4显著提高(P<0.05)；在中性洗涤纤维含量方面，T2较T0显著降低(P<0.05)；在磷含量方面，T3较T0，T1，T2显著降低(P<0.05)；在钙含量方面，T5较T0，T2显著降低(P<0.05)；在相对饲喂价值方面，T2较T0，T3，T4，T5显著提高(P<0.05)。

表3 不同比例沼液施用量对苜蓿营养成分含量的影响Table 3 Effect of biogas slurry irrigation amount on the nutrient compositions

2.3 不同比例沼液施用量对土壤理化性质的影响

由表4可知，在0～20 cm深度的土壤中，在土壤pH方面，沼液处理各组较T0没有变化，较T1有略微降低，尤其T5显著降低(P<0.05)；在土壤有机质方面，沼液处理各组较T0有提高，尤其T5显著提高(P<0.05)，并且随着沼液量的增加氮含量也在增加，T0，T1，T2间无显著差异(P>0.05)；在土壤总氮、碱解氮、速效磷方面，各处理组间无显著差异(P>0.05)；在土壤速效钾方面，T3较T0，T2显著提高(P<0.05)，较T1，T4，T5有提高的趋势(P>0.05)。

表4 不同比例沼液施用量对土壤养分含量的影响Table 4 Effect of biogas slurry irrigation amount on soil nutrient content

2.4 不同处理组间苜蓿农艺性状及土壤养分相关性分析

如图1所示，对各处理组苜蓿的生长发育指标(株高、干物质总产量)、营养成分、RFV和土壤养分含量进行相关性分析发现，各茬株高与干物质总产量呈显著正相关(P<0.05)，并且发现株高与粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、钙指标呈负相关，与ADF呈正相关；RFV与NDF和ADF的含量呈极显著负相关(P<0.01)，CP的含量与ADF的含量呈极显著负相关(P<0.01)，与EE和Ca的含量呈显著正相关(P<0.05)；各茬株高和干物质总产量与碱解氮呈显著正相关(P<0.05)，第一茬株高与速效磷呈显著正相关(P<0.05)。

图1 苜蓿各茬次株高、干物质总产量、营养成分与土壤理化性质的相关性Fig.1 Correlation between plant height,total dry matter yield,nutrient composition of each cut and soil physical and chemical properties注：*表示显著相关(P<0.05)，**表示极显著相关(P<0.01)Note:* indicate significant correlation (P<0.05),** indicate highly significant correlation (P<0.01)

3 讨论

3.1 不同比例沼液施用量对苜蓿株高和产量的影响

植株高度是生产性能的直接体现，年干物质产量是衡量其应用价值和经济效益的重要指标[20]。本试验发现，施用不同比例的沼液及无机肥对苜蓿株高和干物质产量的影响有所差异，在第一茬中，苜蓿株高的变化对无机肥的施用更为敏感，而沼液的施用对株高的影响较为缓慢，但是，对第二、三、四茬苜蓿株高及干物质产量研究发现，50%的沼液灌溉量更有助于苜蓿的生长及干物质的积累。沼液能够促进植株生长，这可能是因为沼肥中含有多种植物生长所需养分，这些养分被植株吸收后利用，从而增加了植株株高。植株的干物质产量也是植物生长发育状况的一个重要指标[21]。有研究[22,23]表明，在植株上施用适宜用量的沼液，可以改善植株的养分吸收状况，促进生长，提高植株的干物质的积累，这些研究的结论与本试验结果相一致。本文研究得出，适量的沼液能够提高苜蓿的年干物质产量，但是过量施用时，植株的生长反而受到一定程度的抑制，这可能是因为沼肥里过量的营养元素对苜蓿产生了胁迫作用，抑制其正常生长[23]。施用沼液给植物提供的营养更具有持久性。这与已有研究[24-26]发现沼液灌溉对植物具有促进生长、提高产量的作用结果相一致。另外，本研究结果显示：苜蓿的植株高度在不同茬次之间的变化趋势与产量趋于一致，即各处理组各茬次株高均依次递减；不同茬次的产量也呈现出第一茬最高，然后依次为第二、三、四茬，此趋势不因无机肥及沼液的施用量不同而有显著性差异，另外后两茬株高和产量较低，原因可能是第一茬经历了3月初到5月中旬80天左右的生长时期，且整个生长周期中温度和光照均为苜蓿的最适生长条件，加之阳光和水分充足，有利于生物量的积累；而后两茬生长周期较短，一般为30天左右，气温偏高，容易遭遇病虫和旱涝灾害，不利于苜蓿的营养生长[27]。

3.2 不同比例沼液施用量对苜蓿品质的影响

施用不同比例的沼液及无机肥处理后对紫花苜蓿品质的影响因试验条件、土壤肥力的不同而不同。粗蛋白、粗脂肪、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、粗灰分等含量是反映饲草料营养价值的重要指标。本试验结果显示，25%的沼液灌溉的苜蓿相对饲喂价值最高，其与施用无机肥的苜蓿作用效果相当。井水灌溉的苜蓿相对饲喂价值最低，说明沼液的施用可以提高苜蓿的营养价值。研究表明，将沼液应用于农业生产，可以为农作物提供充足的营养物质、丰富的微量元素及其他所需营养。沼液大部分用作叶面肥和有机肥，有助于提高作物产量和品质。利用沼液灌溉可以促进农作物光合作用，增加叶绿素含量、叶厚和干物质产量，进而有助于农作物整体品质的提升[28]。另外，如果长期只施用无机肥料会造成污染，降低土壤肥力，增加土壤侵蚀，增加能量消耗。但是，施用有机肥不仅可以为植物提供综合营养，而且具有长期的施肥效果，可以增强土壤的有机质，促进微生物繁殖，提高土壤理化性质和生物活性。邵小达等[29]研究发现以沼液和无机肥配合施用可以获得较高的产量，但沼肥不能完全代替无机肥，本研究结果与该结论一致。

在美国，商业应用中的紫花苜蓿质量标准规定，粗蛋白含量、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维含量是评价紫花苜蓿品质优劣的重要指标，优质的紫花苜蓿粗蛋白含量高于20%，酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量分别低于30%和40%，这样才能具有较高的经济价值[30]。粗脂肪是饲料的重要组成成分，虽然动物对其的需要量不大，但是不能缺少，它可以提供能量并增加饲料的适口性。牧草中矿物元素含量和比例直接影响动物的健康和生产力水平，因此，研究苜蓿中矿物质组成是很重要的[31]。有研究[32]证明，苜蓿的株高越高其纤维含量越高，而粗蛋白含量越低。在本研究中，紫花苜蓿的生长发育指标和营养成分指标表明，50%的沼液灌溉的苜蓿其株高、干物质产量较高，但是其营养成分含量较其它处理组较低，本试验相关性分析也证实了这一点。在粗饲料饲用价值方面，国际上已提出了许多评价指数，采用较多的是RFV，RFV越高证明粗饲料的营养价值越高[33]。牧草的ADF、NDF越低蛋白含量和粗脂肪含量越高，经过计算后的相对饲喂价值较高，为优质牧草。

3.3 不同比例沼液施用量对土壤理化性质的影响

大量研究[7,34,35]表明，施用沼液或者无机肥对土壤的pH、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾等指标均有一定的影响。沼液是一种高效、安全的有机肥料，沼液的合理利用，可使粪污资源化、进而减少对环境的污染。另外，沼液的施用不仅改良土壤的养分、减少农业方面投资，并且可以提高农作物品质[36]。土壤pH和养分含量是土壤酸化程度及潜在肥力供应能力和储量的重要指标，本研究结果表明，无机肥的施用提高了土壤的pH值，但是，随着沼液施用量的增加，土壤的pH值有所降低，这可能与无机肥和沼液的理化性质有关，本研究施用的无机肥主要呈弱碱性，而沼液偏中性，该结果与已有研究结果相似[7]。在土壤有机质含量方面，施用无机肥以及不同比例的沼液对其影响不大，这可能是由于无机肥和沼液主要是一些速效养分，施用到土壤中很快被分解，对土壤有机质贡献较小。以往研究同样发现不同比例沼液和无机肥的配合使用对土壤的有机质含量影响不大。沼液是一种养分全面兼速效特点的肥料，氮素养分特别是速效氮养分较高，本研究随着沼液施用量增加，土壤中总氮含量不断提高，说明施用沼液在一定程度上能够改善土壤的理化性质。吕汶霖[37]在小麦的研究中也得到类似的结论，施用沼液4.5×104kg·hm-2以上显著提高土壤的总氮含量，同时对土壤有机质含量的影响相对较小。本研究施用的无机肥主要是磷肥和钾肥，这可能是无机肥组土壤中速效磷和速效钾含量较高的原因。通过对土壤养分和苜蓿品质进行相关性分析发现，苜蓿的生长及干物质总产量与碱解氮和速效磷呈正相关，说明在苜蓿的生长过程中，可适当增加氮肥和磷肥的使用。但是，沼液的大量施用及长期灌溉对苜蓿品质及土壤质量的影响还需进一步深入研究。

4 结论

研究结果表明，50%(体积分数)沼液处理可以显著提高紫花苜蓿株高及年干物质产量，25%沼液处理可以提高其营养品质。另外，沼液的施用明显提高了土壤的总氮及速效钾的含量，有助于调节土壤的酸碱度。综合分析，施用25%～50%的沼液更有利于提高苜蓿的产量、品质以及改善土壤肥力。沼液作为苜蓿的灌溉资源，一方面可以提高饲草的产量和营养价值，另一方面可以达到实现粪污资源化利用和种养结合绿色发展的目的。