蚯蚓粪及沼液处理对赣南稀土尾矿种植皇竹草及改良土壤的影响

雷小文 邱静芸 李建军 陈荣强 郭礼荣 李建明 欧阳克蕙

摘要：为探索利用不同来源蚯蚓粪及沼液构建的生态修复模式对稀土尾矿种植皇竹草及改良土壤效果的影响，采用田间随机区组试验设计，研究了在赣南稀土尾矿区采用复合肥+自来水（对照组）、牛粪养殖的蚯蚓粪+牛场沼液（试验Ⅰ组）、猪粪养殖的蚯蚓粪+猪场沼液（试验Ⅱ组）3种模式种植皇竹草后，稀土尾矿地土壤化学性质、重金属含量的变化，以及皇竹草定植生长及品质的差异。结果表明，Ⅰ组、Ⅱ组的土壤pH值和有机质含量高于对照组，部分差异达极显著水平，且Ⅰ组有机质含量较Ⅱ组极显著增加;Ⅰ组和Ⅱ组的有效磷含量显著或极显著高于对照组，且Ⅰ组明显高于Ⅱ组;Ⅰ组、Ⅱ组的速效钾含量均显著高于对照组。Ⅰ组、Ⅱ组的皇竹草存活率和鲜草产量均极显著高于对照组，且Ⅰ组极显著高于Ⅱ组;Ⅰ组、Ⅱ组的粗蛋白含量均比对照组显著提高，Ⅰ组的钙、磷含量显著高于对照组和Ⅱ组。Ⅰ组、Ⅱ组的土壤砷、铅含量均极显著低于对照组，皇竹草砷含量均显著低于对照组。可以看出，在稀土尾矿废弃地施用蚯蚓粪和灌溉沼液种植皇竹草，不仅可以提高皇竹草生长性能，还能同时改良稀土尾矿土壤，且牛粪源蚯蚓粪+牛沼液模式改良效果优于猪粪源蚯蚓粪+猪沼液。

关键词：皇竹草;稀土尾矿;土壤改良;蚯蚓粪;沼液;牛粪;猪粪

中图分类号： S156;X171.4  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）11-0191-06

收稿日期：2020-09-07

基金项目：江西省现代牛羊产业技术体系项目（编号：JXARS-13）。

作者简介：雷小文（1983—），男，江西赣州人，硕士，高级畜牧兽医师，主要从事畜禽废弃物资源化利用及牧草开发研究。E-mail：343224896@qq.com。

通信作者：欧阳克蕙，博士，教授，主要从事反刍动物营养研究。E-mail：ouyangkehui@sina.com。

离子型稀土矿是我国重要的战略资源，为世界工业发展发挥了重要作用并产生了巨大的经济效益。但由于历史原因，稀土开采过度遗留了大量稀土尾矿矿点，自然条件下，受雨水等侵蚀作用，加上前期化学浸提处理所用浸提液的强酸及重金属污染残留，导致矿区水土流失，土壤有机质缺失并呈酸化、沙化[1-3]，不仅严重破坏生态环境，荒废土地资源，还占据着广阔的土地。随着我国南方地区草地畜牧业的逐步兴起，优质牧草资源缺乏，可利用土地面积不足，南方地区稀土尾矿治理并有效利用的问题迫切需要解决。

生态修复是稀土尾矿治理最根本的措施，也是实现稀土尾矿区域经济价值的主要途径。土壤作为植物生长的基质与植被的载体，对其进行改良是首要解决的问题。研究表明，功能性土壤修复剂的施用可明显改善稀土尾矿地区土壤理化特性[4]，如粪污养殖蚯蚓所得蚯蚓粪。利用蚯蚓粪改良土壤，不仅可实现粪污资源化利用，其富含的大量有机质、腐殖酸、蚓激酶等成分还可作为提高稀土尾矿土壤肥力的关键来源，加速土壤改良进程[5-8]。

种植牧草也是土壤修复的措施之一，郭晓敏等研究发现，在稀土尾礦区种植牧草可提高土壤生物量，营造林下小生境，改善土壤酸性，提高土壤有机质含量[9]。皇竹草（Pennisetum hydridum）作为适口性好、粗蛋白含量较高的优质高产牧草品种，具有适应性广、抗逆性强、根系发达等优良特性，能够防止水土流失，牢固保留土壤养分[10-12]，在稀土尾矿种植不仅能发挥其对尾砂矿植被恢复和生态重建的作用，还能为南方肉牛生产提供牧草资源。而目前国内外关于探究利用蚯蚓粪和皇竹草共同改良稀土尾矿土壤的修复模式罕有报道。

因此，针对我国南方稀土尾矿亟待有效治理与生态修复的现状，以及当前我国南方丘陵山区大力发展草食畜的环境，本试验旨在稀土尾矿地区利用牛、猪粪处理产生的蚯蚓粪和沼液种植皇竹草，探索构建基于赣南稀土尾矿区域的“养殖废弃物—蚯蚓—牧草—肉牛”生态循环模式，为解决稀土尾矿的生态修复问题、合理利用畜牧产业废弃物和草食畜优质牧草供给提供新参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验场地位于江西省赣州市定南县某稀土矿废弃尾矿场（24.79°N，115.03°E），该地属中亚热带季风湿润气候区，境内气候温和，多年最高气温38 ℃，年平均气温19 ℃，冬季河流无冰冻现象，无霜期293 d，多年平均日照时数为1 777.1 h，太阳总幅射量4 543.9 MJ/m2。试验稀土尾矿面积300 m2，土地贫瘠，为典型亚热带稀土废矿区。

1.2 试验材料

皇竹草种茎由沭阳树元园艺有限公司提供;蚯蚓粪由赣州东山嘉禾现代农业有限公司提供，分别为牛粪养殖蚯蚓粪和猪粪养殖蚯蚓粪;猪沼液由赣州锐源生物科技有限公司提供;牛沼液由定南鼎瑞肉牛养殖专业合作社提供;复合肥为湖北诺维尔化肥有限公司提供。对照组灌溉用水为民用自来水。各肥料、沼液pH值及养分含量详见表1，重金属含量详见表2。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 采用田间随机区组试验设计。试验分为3组，每组6个小区（8 m×5.5 m）。对照组施0.42 kg/m2 N-P-K三元复合肥（氮含量13%，磷含量大于7%，钾含量大于6%），自来水浇灌;试验Ⅰ组，以牛粪为原料养殖蚯蚓后的衍生物蚯蚓粪作为基肥（20 kg/m2），并用牛场污水产沼气后的沼液浇灌;试验Ⅱ组，以猪粪为原料养殖蚯蚓后的衍生物蚯蚓粪作为基肥（20 kg/m2），并用猪场污水产沼气后的沼液浇灌。

1.3.2 试验方法 2019年3月上旬，在试验小区内挖沟35 cm后用蚯蚓粪（对照组用原土）填充至30 cm后，按照株距40 cm、行距50 cm插种皇竹草种苗，然后用尾矿土壤覆盖至与地面相平;种草和每次刈割后，试验组Ⅰ组和Ⅱ组分别用沼液灌溉，对照组用自来水灌溉并追施三元复合肥，浇透土壤为止。

1.4 样品采集与测定试验方法

1.4.1 皇竹草生长情况测定 5月底牧草植株株高为80～100 cm 时开始刈割测产，以后每40 d刈割1次，至11月中旬结束，留茬高度5～10 cm。

1.4.2 稀土尾矿土壤pH值、主要化学成分、重金属含量测定 种草前以及第5次刈割后（2019年11月中旬），蛇形采样法采集土壤样品，取样深度0～20 cm。土样按四分法混合均匀后取1 kg 带回实验室，风干后将每2个小区的样品混合，每组共制备3个重复样。土壤样品送到江西省分析测试中心进行相关指标的检测：pH值（NY/T 1121.2—2006《土壤检测 第2部分：土壤pH的测定》）、有机质含量（NY/T 1121.6—2006《土壤检测 第6部分：土壤有机质的测定》）、全氮含量（NY/T 53—1987《土壤全氮测定法（半微量开氏法）》）、全磷含量（LY/T 1232—2015《森林土壤磷的测定》）、有效磷含量（LY/T 1232—2015《森林土壤磷的测定》）、速效钾含量（LY/T 1234—2015《森林土壤鉀的测定》）、砷含量（GB/T 22105.2—2008《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第2部分：土壤中总砷的测定》）、铜含量（GB/T 14506.30—2010《硅酸盐岩石化学分析方法 第30部分：44个元素量测定》）、锌含量（GB/T 14506.30—2010《硅酸盐岩石化学分析方法 第30部分：44个元素量测定》）、镉含量（GB/T 14506.30—2010《硅酸盐岩石化学分析方法 第30部分：44个元素量测定》）、铅含量（GB/T 22105.3—2008《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第3部分：土壤中总铅的测定》）。

1.4.3 皇竹草主要成分、重金属指标测定 在第5次刈割后，采集皇竹草地上部新鲜茎叶，制备成风干样后，将每2个小区的样品混合，每组共制备3个重复样，分别测定其营养成分和重金属含量：粗蛋白质含量采用凯氏定氮法测定，粗纤维含量采用酸碱洗涤法测定，粗灰分含量采用灼烧法测定，粗脂肪含量采用索氏脂肪浸提法（GB/T 6433—2006《饲料中粗脂肪的测定》）测定，钙含量采用EDTA滴定法（GB/T 13885—2017《饲料中钙、铜、铁、镁、锰、钾、钠和锌含量的测定 原子吸收光谱法》）测定，磷含量采用钼黄比色法（GB/T 6437—2018《饲料中总磷的测定 分光光度法》）测定，砷含量按照GB/T 13079—2006《饲料中总砷的测定》测定，铅含量按照GB/T 22105.3—2008《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第2部分：土壤中总铅的测定》测定，镉含量按照GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》测定，铜含量按照GB/T 13885—2017《饲料中钙、铜、铁、镁、锰、钾、钠和锌含量的测定 原子吸收光谱法》测定，锌含量按照GB/T 13885—2017《饲料中钙、铜、铁、镁、锰、钾、钠和锌含量的测定 原子吸收光谱法》测定。

1.5 数据处理

数据采用Excel初步整理，用SPSS 20.0软件One-way ANOVA过程进行方差分析，LSD法进行多重比较。结果以“平均值±标准误”的形式表示，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 稀土尾矿土壤改良效果相关指标测定结果

2.1.1 稀土尾矿土壤化学性质变化情况

由表3 可知，与种草前相比，对照组土壤全氮含量显著提升100.00%（P<0.05），pH值、有机质含量、全磷含量、速效钾含量差异不显著。Ⅰ组土壤pH值较对照组极显著提高28.87%（P<0.01），较Ⅱ组土壤pH值极显著提高22.82%;Ⅰ组和Ⅱ组土壤有机质含量分别比对照组极显著增加26.32倍、6.15倍，Ⅰ组较Ⅱ组极显著增加2.82倍;Ⅰ组土壤全氮、全磷、有效磷、速效钾的含量分别比对照组显著或极显著提升25.50倍、15.08倍、20.00倍、3.65倍;Ⅱ组土壤有效磷、速效钾含量比对照组分别显著提升8.00倍、2.49倍，Ⅰ组的全氮、全磷、有效磷含量较Ⅱ组增加2.79倍、2.33倍、1.33倍。

2.1.2 稀土尾矿土壤重金属含量变化情况

由表4可知，与种草前相比，对照组镉含量极显著降低47.37%，砷、铅含量差异不显著。Ⅰ组砷、铅含量分别比对照组极显著降低69.80%、41.64%，镉含量极显著增加80.00%;Ⅱ组砷、铅含量相比对照组分别极显著降低81.18%、30.30%。各组铜含量差异不显著。

2.2 皇竹草在稀土尾矿存活率及生长情况

2.2.1 皇竹草的存活率及产量

由表5可知，Ⅰ组、Ⅱ组皇竹草存活率分别是对照组的2.30、2.22倍，差异达极显著水平，且Ⅰ组皇竹草存活率极显著高于Ⅱ组;Ⅰ组、Ⅱ组皇竹草总鲜草产量分别较对照组极显著提高79.84%、72.41%，且Ⅰ组极显著高于Ⅱ组。

2.2.2 皇竹草主要营养成分及重金属含量

由表6可知，与对照组相比，试验Ⅰ组和Ⅱ组皇竹草粗蛋白含量分别显著增加9.67%和12.31%;Ⅰ组皇竹草的粗蛋白、粗脂肪含量略低于Ⅱ组，粗纤维、粗灰分高于Ⅱ组，但差异均不显著;Ⅰ组皇竹草的钙、磷含量分别比Ⅱ组显著提高0.85倍、1.00倍，表明施用牛粪处理产物能够提高皇竹草的钙、磷含量。

3 讨论与结论

3.1 稀土尾矿土壤理化性质变化

稀土尾矿地表裸露，土壤酸化且肥力下降，修复形势严峻。土壤作为植物群落环境的主要因子，是稀土尾矿区植被恢复和生态重建的关键之一[13-14]。本试验为了探索“粪污—蚯蚓—牧草—肉牛”的生态修复模式，选择在酸胁迫、干旱胁迫及重金属胁迫下正常生长的皇竹草作为生态修复的牧草[15-17]，种植结果显示，本试验种草后较种草前土壤pH值和有机质含量增加，但差异不显著;试验Ⅰ组和Ⅱ组土壤有机质含量比对照组增加26.32倍、6.15倍，pH值提升1.29倍、1.05倍，全氮、全磷、有效磷、速效钾均显著或极显著增加。原因可能是Ⅰ组和Ⅱ组施用蚯蚓粪[18]和沼液[19]能够增加土壤肥力，改变微生物群落结构[20]，并通过微生物代谢和皇竹草发达的根系将这些固定在土壤中[21]，为在稀土尾矿区域利用牛、猪粪污构建的“粪污—蚯蚓—牧草—肉牛”模式修复稀土尾矿土壤提供理论支撑。

本研究Ⅰ组土壤有机质、全氮、全磷含量均极显著高于Ⅱ组，有效磷含量显著高于Ⅱ组，而沼液有机质、总氮、总磷、总钾含量均低于Ⅱ组，这可能是由于牛粪养殖蚯蚓周期较猪粪短，导致Ⅰ组蚯蚓粪中微生物和酶活性高于Ⅱ组，也可能是Ⅰ组土壤环境较Ⅱ组更接近中性，有利于微生物及酶活转化土壤中的养分。基于本试验牛粪模式改良土壤效果优于猪粪模式，同时牛粪可直接由肉牛场提供，形成资源循环利用，“牛粪—蚯蚓—皇竹草—肉牛”的模式优势明显。

3.2 稀土尾矿种植皇竹草生长情况及品质

皇竹草属多年生禾本科草本植物，其根系发达，成簇生长，适应土壤类型广泛，从沙质到黏质，从酸性到碱性均可栽培[22]。本研究在稀土尾矿种植皇竹草发现，对照组皇竹草存活率为40.94%，试验Ⅰ组和Ⅱ组皇竹草存活率分别提高1.30倍、1.22倍，总鲜草产量分别较对照组提高79.84%、72.41%，表明“粪污—蚯蚓—皇竹草”种植模式具有可行性。这可能得益于蚯蚓粪和沼液丰富营养成分提高了土壤養分和微生物、酶等活性物质，同时质地松软的蚯蚓粪能够增加土壤通透性[19，23]，促进了皇竹草对土壤中养分的充分吸收和利用[24]，保证了皇竹草生长，进而又促进土壤肥力保持，形成良性土壤修复循环模式

粗蛋白是家畜必不可少的营养物质，是牧草营养价值的关键指标之一。本试验Ⅰ组与Ⅱ组皇竹草粗蛋白含量均值分别为8.28%、8.48%，显著高于对照组，表明施用蚯蚓粪和沼液能够有效提高皇竹草营养价值。与种植在非稀土尾矿地区的研究结果相比：本研究试验组皇竹草粗蛋白含量高于李春雷的测定值（5.67%）[25]和李茂等的测定值（6.85%）[26]，这表明在稀土尾矿种植的皇竹草品质未受较大影响。本研究中，Ⅰ组种植皇竹草钙、磷含量显著高于对照组和Ⅱ组，钙含量分别是对照组和Ⅱ组的1.26倍和1.85倍，磷含量分别是对照组和Ⅱ组的2.2倍和2倍，这可能是由于土壤中钙、磷含量不同所致[27]。这表明，“牛粪—蚯蚓—皇竹草—肉牛”的种养结合模式较“猪粪—蚯蚓—皇竹草—肉牛”的种养结合模式下皇竹草饲用价值更高，具体饲喂效果有待进一步试验探究。

3.3 稀土尾矿土壤和皇竹草重金属含量

研究表明，土壤重金属镉（10 mg/kg）对植物高度和地上生物量具有明显的抑制作用[28-29]。稀土尾矿重金属含量在不同程度上超过国家背景值，植物生长受限，制约生态修复进程[30]，其重金属治理问题不容忽视。皇竹草地上生物量大，具有良好的土壤重金属提取潜力，王熙娜等以重金属锌、铜、铅 和镉污染的鸡粪和污泥为肥料处理皇竹草发现，皇竹草生长状况良好且土壤重金属提取率高达17.14%[31]。林晓燕等研究指出，在新鲜污泥上种植皇竹草后，污泥重金属含量降低，皇竹草重金属含量均符合国家饲料卫生标准[32]。蚯蚓粪也具有良好土壤重金属修复潜力，富含腐殖酸、微生物，能够有效吸附重金属，降低重金属生物活性，降低土壤中重金属离子的淋溶迁移性[24]。本研究中，试验组皇竹草长势良好，这可能是蚯蚓粪降低了土壤重金属活性，同时为皇竹草生长提供了足够肥力。本试验土壤重金属含量均符合国家农用地土壤污染风险筛选值（GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》，砷含量40 mg/kg，铜含量50 mg/kg，锌含量200 mg/kg，镉含量0.3 mg/kg，铅含量70 mg/kg），且试验组皇竹草的各项重金属指标均符合国家饲料卫生标准[GB 13078—2017，铅含量（饲草、粗饲料及其加工产品）≤30 mg/kg，镉含量（植物性饲料原料）≤1 mg/kg，砷含量（干草及其加工产品）≤4 mg/kg]，与前人研究一致。试验Ⅰ组的皇竹草砷含量高于Ⅱ组，这可能是由于2组蚯蚓粪微生物成分差异影响了皇竹草对重金属的提取[31]，其原理有待更深入的研究。

综上，基于稀土尾矿区域构建的“粪污—蚯蚓—皇竹草—肉牛”生态模式能够保证皇竹草正常生长，降低土壤重金属含量，同时，皇竹草重金属含量符合国家标准。

本试验中，种植皇竹草模式对稀土尾矿废弃地土壤的生态恢复有较好的作用，都能够显著改善土壤酸化状况，提高土壤养分含量，降低土壤重金属含量。与复合肥相比，蚯蚓粪+沼液的有机肥模式更有利于促进皇竹草的定植生长和改良土壤，且牛粪源蚯蚓粪+牛沼液模式改良效果优于猪粪源蚯蚓粪+猪沼液;这表明在稀土尾矿上构建“牛粪污—蚯蚓—皇竹草—肉牛”的生态循环模式具有可行性。

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