奶牛养殖粪水还田对苜蓿产量及土壤理化性质的影响

刘青松，贾艳丽，肖宇，岳明强，王秀领，纪明妹，刘振敏，滕霄，卢相义，徐玉鹏，阎旭东

(沧州市农林科学院，河北 沧州 061001)

我国畜牧业发达，畜禽养殖量大，每年因畜禽产生的粪便超过38 亿t[1]。据全国污染源普查公报显示，畜牧养殖业废水排放占农业污染源的93.76%，是农业污染源之首[2]。随着我国奶牛养殖规模、集约化程度升高，粪便排放量大且集中，奶牛场粪污处理及资源化利用问题越来越严重。大量研究表明，还田处理是规模化奶牛养殖场粪污无害化和资源化利用的最有效的方式之一[3-5]。粪污还田不仅可减少化肥的使用，还可改良土壤性状，提升作物品质，是农业循环发展的重要环节[6-9]。当前奶牛场粪污处理的方式主要有厌氧发酵、兼氧贮存、好氧堆肥和污水处理等[10-11]，其中以固液分离后固体粪便填床、堆肥，液体粪水经发酵储存后还田方式较为普遍[12]。目前，中国奶牛养殖场普遍采用了固液分离工艺，研究表明，粪污经固液分离后贮存还田能显著减少氮损失率[13]、促进养殖场的种养一体化发展。然而，奶牛养殖粪水还田虽能实现养殖场废弃物资源化利用，但粪水还田对土壤有何影响则研究较少。本试验通过探究规模化养殖场奶牛废弃物经固液分离后液体粪水还田对土壤理化性质的影响，旨在为奶牛场粪污资源化利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2019—2020 年进行。试验地点位于河北中捷友谊农场(38°19′～29′N，117°23′～39′E)，季风型大陆性气候，年均降水量600 mm，无霜期206 d，年均气温12.1 ℃，1 月气温最冷，平均-4.6 ℃，7 月气温最高，平均26.8 ℃。平均冻土层深47.8 cm，最大冻土层深64 cm。土壤多为潮土类型(黏质、轻质盐化)，含盐量0.6～1.8 g/kg，有机质含量8～20 g/kg，地下淡水层320～600 m，矿化度1.5 g/L，地层允许承载力70～140 Kpa。

1.2 试验设计

采用随机区组试验设计，共设置3 个处理:

(1)CK:播种前施磷酸二铵600 kg/hm2，2019、2020 年于春季返青前追施苜蓿专用配方肥(N ∶P2O5∶K2O＝4 ∶13 ∶40)225 kg/hm2；

(2)ZF+ZY:播种前施磷酸二铵600 kg/hm2，2019、2020 年春季返青前追施112.5 kg/hm2苜蓿专用配方肥(N ∶P2O5∶K2O ＝4 ∶13 ∶40)，同时结合追肥浇灌1 次经固液分离发酵后的奶牛养殖场沼液粪水360 m3/hm2；

(3)ZY:播种前施磷酸二铵600 kg/hm2，不追肥，春季返青前浇灌1 次经固液分离发酵后的奶牛养殖场沼液粪水360 m3/hm2。

每个处理3 次重复，共9 个小区，小区面积为5 m×6 m＝30 m2，各小区随机排列。试验地作物为紫花苜蓿(Medicago sativaL.)，品种为中苜3 号。沼液粪水取自中捷犇放奶牛养殖场，粪水主要指标为pH8.29，碱解氮1.38 mg/L，有效磷3.25 mg/L，速效钾5.72 mg/L。

1.3 测定指标

产量:每小区取1 m2测定苜蓿鲜质量，取500 g烘干后称重，计算含水率，根据含水率计算苜蓿干草产量。干草产量(kg/hm2)＝1 m2苜蓿鲜质量×10 000×(1-含水率)。

于试验前测定试验地块基础土壤成分，同时于2019 年和2020 年第4 茬苜蓿收获后0～40 cm 土壤取样，测定各指标变化情况。

土壤pH:采用1 ∶5 水土比浸提—酸度计测定[14]；

有机质:高温重铬酸钾氧化容量法[14]；

铵态氮:氯化钾浸提元素分析仪法[14]；

有效磷:钼锑抗比色法[14]；

速效钾:火焰光度计法[14]；

铅、镉:采用GB/T 17141—1997 土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法[15]；

铜、锌:采用GB/T 17138—1997 土壤质量 铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法[15]。

1.4 数据分析

采用Excel 2010 软件进行数据整理，采用DPS 7.05 软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 产量

由表1 可看出，两年试验中各处理苜蓿产量表现趋势一致，不同处理对4 茬苜蓿产量及全年总产量影响差异显著(P＜0.05)。浇灌粪水和追肥+浇灌粪水两处理间在苜蓿第1、2 茬产量间无显著差异，但均显著高于CK 的产量。而第3、4 茬的苜蓿产量则为CK 的表现最好，产量显著优于只追施粪水和追肥+浇灌粪水处理。综合全年结果，2019、2020 年试验中追肥+浇灌粪水处理全年苜蓿产量最高，显著优于只浇灌粪水和只做追肥处理的产量(P＜0.05)。

表1 2019、2020 年各处理苜蓿干草产量比较Table 1 Effect of annual alfalfa hay yield under different treatments in 2019 and 2020 kg·hm-2

2.2 土壤pH、含盐量和有机质变化

由表2 可以看出，对比CK 处理，追施粪水显著提高了土壤的pH 值(P＜0.05)，0～40 cm 的土壤含盐量则表现为显著降低。粪水还田能显著提高土壤有机质含量，2019 和2020 年试验结果表明，只做追肥处理(CK)的苜蓿土壤有机质含量下降，而粪水还田的苜蓿地则土壤有机质含量显著提高。

表2 不同处理下土壤pH、含盐量和有机质变化Table 2 Changes on soil pH，salinity and organic matters under different treatments

2.3 土壤铵态氮、有效磷和速效钾含量变化

由表3 可看出，对照试验前土壤各指标，粪水浇灌处理的苜蓿土壤铵态氮含量显著降低，表明仅靠土壤中的氮素不能满足苜蓿生长需要。而只追肥处理(CK)的苜蓿土壤铵态氮含量显著高于试验前的土壤含氮量，追肥112.5 kg/hm2+浇灌粪水360 m3/hm2的处理除土壤铵态氮含量有小幅降低外，有效磷和速效钾的含量与试验前基本一致，说明仅靠浇灌粪水不能满足苜蓿对氮、磷、钾素的需求，但结合浇灌粪水能降低肥料施用量，提高肥料利用效率。

表3 2019、2020 年不同处理下土壤铵态氮、有效磷和速效钾的变化Table 2 Changes of ammonium nitrogen，available phosphorus and available potassium in soil under different treatments in 2019 and 2020 mg·kg-1

2.4 土壤重金属含量变化

由表4 可看出，不同处理对土壤不同重金属含量影响效果不同，对比试验前各土壤重金属含量，可看出浇灌粪水能加快土壤铜和锌含量的积累，镉和铅的含量则变化不大。浇灌粪水处理的铜和锌含量显著高于只追肥处理(P＜0.05)，而土壤镉和铅含量无显著差异(P＜0.05)。

表4 2019、2020 年不同处理下土壤铜、镉、铅和锌含量的变化Table 2 Changes of Cu，Cd，Pb and Zn of soil under different treatments in 2019 and 2020 mg·kg-1

3 讨论

经过固液分离发酵后的奶牛粪水含有一定量的氮、磷、钾，灌溉农田既可增加土壤营养元素含量，同时也可能增加农田养分的流失。前人研究[15]表明，连续多年养殖粪水灌溉后的土壤表层碱解氮、有效磷和速效钾的含量明显增加，养殖场粪水灌溉10～20 年后可显著增加土壤表层铵态氮、硝酸盐、有效磷、速效钾、全氮、全磷和有机碳的含量，但对土壤全钾含量的影响不明显。本试验研究中浇灌奶牛粪水可显著提高河北东部苜蓿第1、2 茬的产量，可能是由于河北东部春季干旱严重，苜蓿返青前灌溉粪水有利于解决苜蓿春季干旱问题，同时粪水中含有一定量的氮、磷、钾等营养元素，因此可提高苜蓿产量。到第3、4 茬苜蓿生长期，河北东部降雨增多，追施的苜蓿专用肥已发挥作用，追肥处理的第3、4 茬苜蓿产量较高。畜禽饲料中添加的铜、锌90%以上以粪尿形式排到体外[16]，根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB/T15618—2018)中不同pH 值的土壤重金属标准限值，对照和沼液还田后的土壤中铜、锌、镉和铅含量均未超过农用地土壤污染风险筛选值，但沼液长期还田对土壤中各重金属含量的影响及积累效应则需要连续多年的监测。

4 结论

本试验结果表明，苜蓿地春季追肥结合浇灌粪水能显著提高苜蓿产量，同时能降低肥料施用量。2019、2020 年春季追肥112.5 kg/hm2结合浇灌粪水360 m3/hm2的处理全年苜蓿干草产量分别达到15 506.5 kg/hm2和15 548.0 kg/hm2，显著高于其他处理。同时浇灌粪水能降低0～40 cm 耕层土壤的含盐量，提高土壤有机质含量。但仅靠浇灌粪水并不能满足苜蓿对氮、磷、钾等的需要，而追肥结合浇灌粪水不仅能提高肥料利用率，还能降低肥料使用量。苜蓿地块短期浇灌粪水可能会造成土壤铜、锌等重金属含量的积累，但不会造成镉和铅含量的提高，但长期施用沼液对土壤重金属含量的影响则需要进一步探究。