施肥处理对稀土尾矿王草农艺性状、产量及品质的影响

2023-11-02雷小文陈荣强邱静芸欧阳克蕙徐树明李建明

草地学报 2023年10期

欧翔,雷小文*,陈荣强,邱静芸,张强,欧阳克蕙,刘峥,徐树明,李建明

(1.赣州市畜牧水产研究所,江西赣州 341401;2.江西农业大学动物科学技术学院,江西南昌 330045;3.定南县农业农村局,江西定南 341900;4.定南县鼎瑞牧业有限公司,江西定南 341909)

赣南地区离子型稀土矿是我国最重要的重稀土来源之一,产量居世界第一[1]。特殊的浸矿开采工艺、长年累月的乱采滥挖及滞后的环境保护,使该区生态环境遭受了严重破坏[2]。植物修复具有投资少、易管理、无二次污染等优点[3],是当前稀土尾矿修复的主要技术之一。但稀土尾矿因土壤酸化沙化,营养物质和有机质缺乏,土壤微生物多样性及功能减弱等问题抑制了地表植被的建立,成为植物修复最主要的障碍之一[4-5]。王草(Pennisetumsinese)是禾本科狼尾草属多年生草本植物,其根系发达,须根繁茂交织成网状,在不同环境下都具有极强的适应性,被广泛应用于荒山荒坡生态环境治理中[6]。同时,王草茎叶柔嫩多汁、适口性好、营养丰富的特性深受牛羊喜食,是南方地区极具潜力的优质青饲料[7]。因此,在稀土尾矿区种植王草,既能改良土壤,修复稀土尾矿,又可建立种草养牛-牛粪还田种草的循环模式,具有良好的经济效益和生态效益。本团队前期研究发现,王草能够适应稀土尾矿的生长环境,但野生环境下,稀土尾矿种植的王草存在生长速度慢、产量低、品质差的问题。

土地复垦可显著改善离子型稀土尾矿土壤浸矿剂残留和土壤酸化问题,但不能有效提升土壤肥力[8]。植物修复需施肥处理,但施用化肥不能有效改善稀土尾矿土壤有机质缺失、土壤菌群失调的现状[9],并且,长期施用化肥易导致矿区土壤pH下降、土壤结构和生物多样性退化等问题[10]。有机肥对提升作物产量和品质、改良土壤的作用优于化肥[11],适宜用作尾矿修复。牛粪是我国南方重要的有机肥来源,因其重金属含量低,提高土壤微生物量碳氮效果好而优于猪粪[12],并可直接由王草养殖肉牛获取。牛粪发酵产生的腐熟牛粪、沼液可有效提升土壤肥力和有机质含量,改善土壤微生物系统,满足作物营养需求[13-14]。而牛粪养殖蚯蚓产生的蚯蚓粪同样可以有效提升作物生物量[15],其对提升土壤有机质和阳离子交换量,改善土壤理化性质的效果均优于腐熟牛粪[16]。蚯蚓粪是一种高效的土壤修复剂,可显著增强土壤微生物和酶的活性,调节土壤容重,改善持水率,有效减少矿区养分流失[17-18]。目前关于蚯蚓粪的研究主要集中于盐碱地、重金属污染耕地等土壤改良[19-20],以及在促进蔬菜、水稻等植物生长上的应用[21-22],而将其应用于改良稀土尾矿土壤,对种植王草的生长发育、产量、营养品质的效果尚需进一步探索。因此,本研究设置沼液、腐熟牛粪、蚯蚓粪作为施肥处理,并以化肥处理为对照,跟踪研究了不同施肥处理对离子型稀土尾矿种植王草连续三年的农艺性状、产量和品质影响,并用模糊数学隶属函数法对各施肥处理的饲用价值进行综合评价,寻找稀土尾矿王草种植的最佳施肥组合,为稀土尾矿生态修复和南方草牧业发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江西省赣州市定南县岭北镇蔡阳村鼎瑞牧业有限公司。定南县(24°78′N,115°02′E)稀土资源丰富,是首批11个国家稀土规划矿区之一,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℃,无霜期293 d,年均日照时数为1 777.1 h,年均降雨量1 520.4 mm。试验矿区地表裸露,几乎无植被覆盖,土壤质地为沙质壤土,pH 4.33,容重1.3 g·kg-1,有机质2.3 g·kg-1,全氮0.06 g·kg-1,全磷0.24 g·kg-1,速效钾56.68 mg·kg-1,土壤主要重金属分别为砷16.61 mg·kg-1,铅72.07 mg·kg-1,铬6.17 mg·kg-1,镉0.04 mg·kg-1。

1.2 试验材料

试验种植品种为‘热研4号’王草(Pennisrtumpurpureumxptyphoidevm‘Reyan No.4’),沼液、腐熟牛粪、蚯蚓粪由定南县鼎瑞牧业有限公司提供,其养分含量见表1。

1.3 试验设计

采用田间随机区组试验设计,设置6种施肥处理：CK(化肥)、Z(沼液)、N(腐熟牛粪)、N+Z(腐熟牛粪+沼液)、Q(蚯蚓粪)、Q+Z(蚯蚓粪+沼液),组间缓冲带1 m,每组5个小区共计30个小区,每个小区30 m2(5 m×6 m)。各施肥处理施氮量均在1 000 kg·hm-2左右,根据N总量计算各有机肥施用量,CK组施用喷浆硫酸钾复合肥(N-P2O5-K2O比例为14∶16∶15,总养分≥45%),其余组沼液、腐熟牛粪、蚯蚓粪施用量见表2。2020年5月11日翻耕土地,按行株距1.0 m×1.0 m种植王草,所有施肥处理在种植前及每年出芽前条施基肥1次,第一年刈割3茬,第二、三年刈割4茬,除每年最后一茬外,每茬刈割后均撒施追肥1次。

表2 各处理施肥用量Table 2 Fertilization amount of each treatment

1.4 农艺性状与产量测定

根据王草长势情况,2020年分别于7月31日、9月16日、11月3日共进行3次刈割测量,2021年分别于5月12日、6月24日、8月26日、10月21日共进行了4次刈割测量,2022年分别于5月30日、7月16日、9月17日、11月5日共进行了4次刈割测量。随机抽取3个小区,每个小区去边行后随机选取6株留茬10 cm刈割,分别测量株高、分蘖数、茎粗(所有分蘖茎粗平均值)、叶片数、单株鲜重,去边行后刈割小区内全部王草推算鲜草产量。

1.5 营养品质与重金属含量测定

采用2020年第3次、2021年第4次、2022年第4次刈割的各组王草作为分析对象,样品带回实验室后于烘箱中105℃杀青2 h后65℃烘干至恒重,粉碎保存,分别测定粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、粗灰分、砷、铅、铬、镉含量。其中粗蛋白的测定采用凯氏定氮法,粗脂肪的测定参照GB/T 6433-2006,粗纤维的测定采用过滤法,参照GB/T 6434-2006执行,粗灰分的测定参照GB/T 6438-2007,砷含量测定参照GB/T 13079-2006,铅含量测定参照GB/T 13080-2018,铬含量测定参照GB/T 13088-2006,镉含量测定参照GB/T 13082-2021。

1.6 数据分析及综合评价

利用Microsoft Excel 2013进行数据统计分析,Spss 24.0进行方差和显著性分析,结果以平均值±标准差(Mean±SD)表示。

采用模糊数学隶属函数法对各施肥处理的饲用价值进行综合评价。其中株高、分蘖数茎粗、叶片数、产量、粗蛋白、粗脂肪为王草饲用价值的优良指标,数值最大为最优,则可用以公式(1)表示。粗纤维、粗灰分为王草饲用价值的劣性指标,数值最小为优,则用公式(2)表示。

X1=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(1)

X2=(Xjmax-Xij)/(Xjmax-Xjmin)

(2)

式中i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n;m为评价对象数,n为评价指标数。Xij表示第i评价对象第j性状值;Xjmax、Xjmin分别表示m个评价对象第j性状集合的最大值和最小值。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对王草农艺性状的影响

由表3和图1可知,腐熟牛粪、蚯蚓粪处理组王草株高较CK组三年均有显著提升。Q+Z组最高,2022年株高达229.46 cm,较CK组提升了97.52%,较2020年提升了14.76%。各处理组各茬株高2020年第二茬均最低,后两年蚯蚓粪处理组除Q组2021年外,其余均在第三茬达到峰值,其中Q+Z组2022年二三茬间增幅达5.85%,其余处理组均在第二茬达到峰值后逐茬下降。

各施肥处理2020年分蘖数组间差异不显著,后两年蚯蚓粪组最高,其中Q+Z组2022年分蘖数达29.32,显著高于腐熟牛粪组,较CK组提升了545.81%,较2020年提升了233.94%。各处理组各茬分蘖数2020年趋势基本一致,2021年开始腐熟牛粪组均于前两茬升高后快速下降,蚯蚓粪处理组2021年二三茬间持平或略有上升,在第四茬达到峰值,2022年持续上升,在第三茬达到峰值后下降。

各施肥处理2020年茎粗仅N+Z组有显著提升,后两年蚯蚓粪处理组均显著提升,其中2022年Q、Q+Z组茎粗达15.58 mm,15.86 mm,显著高于其他处理组,分别较CK组提升了41.25%,43.79%。蚯蚓粪处理组各茬间连续三年均于第二茬达到峰值后下降,其余组趋势基本一致并在2020年、2022年第一茬峰值后迅速下降。

腐熟牛粪、蚯蚓粪处理组王草叶片数较CK组三年均显著提升,2022年蚯蚓粪组显著高于腐熟牛粪组,Q、Q+Z组分别达205.93,246.49,较CK组提升了530.72%,654.95%,较2020年提升了23.13%,51.32%。腐熟牛粪组各茬间波动较大,后两年N、N+Z组第二茬后下降幅度分别达46.10%,52.44%和50.45%,41.23%,蚯蚓粪组后两年各茬均维持较高水平,降幅较小。

表3 不同施肥处理下各年度王草农艺性状均值Table 3 Average agronomic traits of king grass under different fertilization treatments in each year

2.2 不同施肥处理对王草单株重及产量的影响

由表4及图2可知,腐熟牛粪、蚯蚓粪处理组王草单株重较CK组三年均有显著提升,其中Q+Z组2022年达3.7 kg,较CK组提升了421.13%,除Q组2021年略低外,蚯蚓粪处理均高于腐熟牛粪处理组,但组间差异不显著。Z组无显著提升。2020年蚯蚓粪处理组第一茬显著高于其余处理,但第三茬下降至与腐熟牛粪组同一水平,后两年各处理单株重均在第二茬峰值后下降,第四茬最低,N,N+Z,Q,Q+Z组二三茬2021年降幅为62.61%,67.56%,39.17%,25.88%,2022年降幅为53.62%,50.13%,16.36%,29.03%。

蚯蚓粪处理组王草年产量显著高于其他处理组,其中Q+Z组最高,三年产量分别较CK组提升了727.24%,958.53%,741.00%,且后两年显著高于Q组,Z组仅2021年产量有显著提升。各处理组产量排序为Q+Z >Q >N>N+Z >Z >CK。不同施肥处理各茬产量趋势与单株重基本一致,N,N+Z,Q,Q+Z组二三茬2021年降幅为51.96%,54.07%,35.03%,28.69%,2022年降幅为37.91%,39.74%,17.85%,17.98%。

图1 不同施肥处理下王草农艺性状各茬趋势Fig.1 Trends of agronomic traits of king grass under different fertilization treatments

2.3 不同施肥处理对王草营养品质及重金属含量的影响

腐熟牛粪、蚯蚓粪处理对王草营养品质有显著影响(表3),2020-2022年,粗蛋白含量Q+Z组值最高,依次是Q,N+Z,N,Z组。其中,Q+Z组的粗蛋白含量较CK组分别提高了117.46%,247.37%,226.28%。

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粗脂肪含量2020年各处理均较低,2021年开始Q+Z组最高,分别较CK组提升了11.97%,39.51%,N,Q组仅2022年有显著提升。

粗纤维含量2020年Q组最低,较CK组降低了12.35%,2021-2022年Q+Z组最低,分别较CK组降低了19.18%,23.32%,其他处理组2021年与CK组无显著差异,2022年除Z组外均显著低于CK组。

粗灰分含量2020年各组均在5%～6%左右,2021-2022年Q+Z组最低,较CK组降低了62.83%,54.81%,N+Z,N组三年与CK组均无显著差异,Z组2021年显著降低但第三年无显著差异。

不同施肥处理王草地上部分除2020年未检测出镉外,其余年份均检测出重金属。各处理组王草砷、铅、铬、镉含量均符合《GB 13078-2017 饲料卫生标准》(表4),可作为反刍动物饲料使用。不同施肥处理中除N组2021年铅、铬含量较CK组有所升高外,其他处理重金属含量较CK组均有所降低。

除2021年镉含量高于N组外,镉、砷、铅、铬含量均最低并显著低于CK组,2022年较2021年分别降低了82.93%,88.10%,59.44%,59.27%。2021年N+Z组镉含量低,其余与蚯蚓粪处理组差异不显著。除2020年Q组砷、铅略高外,砷、铅、铬含量均为蚯蚓粪处理组最低。Z组除2021年铅、铬略低外,其余均高于腐熟牛粪和蚯蚓粪处理组。

表4 不同施肥处理对王草重金属含量的影响Table 4 Effects of different fertilization treatments on heavy metal content in king grass 单位：mg·kg-1

2.4 不同施肥处理对王草饲用价值综合评价

将王草3年各性状平均值分别带入隶属函数公式(1)、公式(2),可得到不同施肥处理的王草各性状的隶属函数值(表5),综合值越大,说明该处理的饲用价值越高。Q+Z组饲用价值逐年升高,Q组略有下降但仍维持较高水平,N,N+Z,CK组快速下降,Z组各年持平,综合三年王草饲用价值排序为Q+Z>Q>N+Z>N>CK>Z。由此可见,施用蚯蚓粪对赣南稀土尾矿王草饲用价值有提升作用,Q+Z组(蚯蚓粪+牛沼液)效果最佳。

表5 不同施肥处理下王草各性状的隶属函数值Table 5 Subordinate function values of king grass characters under different fertilization treatments

3 讨论

3.1 不同施肥处理对王草农艺性状和产量的影响

养分是陆地生态系统生产力的重要限制因素,赣南地区离子型稀土尾矿区土壤极度贫瘠,植物生长缓慢、植株矮小,通过添加粪肥、沼液等基质提升土壤有机质和氮磷钾含量,改善土壤理化性质,促进植物生长是目前较为有效的植物修复方式[23-24]。Song等[25]研究发现,盐渍土壤中施用蚯蚓粪可有效提升土壤酶活性,显著提高杂交狼尾草叶绿素含量和净光合速率,促进植株生物量积累。张正昊等[26]研究发现,在沙化土壤中添加20%牛粪可改善土壤理化性质,显著提升油葵和紫花苜蓿的株高和生物量。Greenberg等[27]研究发现,在沙质土壤中施用沼液可增加土壤有机碳,但未能提升黑麦的地上生物量。本研究结果也发现,蚯蚓粪和腐熟牛粪单施或配合沼液均能显著提升王草株高、分蘖数、茎粗、叶片数、单株重和产量,施用沼液未能显著提升王草农艺性状和产量。

本研究中,Q+Z组的农艺性状和产量处于较高水平,并在第二年开始高于或显著高于其他处理,可能的原因在于相较于Q组,施用沼液提高了土壤水分含量,进而增加了叶片叶绿素含量和光合作用速率[28],提高了王草生物量,同时蚯蚓粪改良了土壤孔隙度,提升了微团聚体含量,缓解了沼液中营养成分的淋失;相较于N+Z组,蚯蚓粪有机质、全氮、全钾含量与腐熟牛粪相当,但全磷含量达3.15%,是腐熟牛粪的2.05倍。研究表明,磷素、氮素是陆地生态系统最主要的限制元素[29]。磷素可通过影响光合作用过程进而影响作物生物量的积累,蚯蚓粪中较高的磷含量可有效提升王草生物量。同时,牛粪经蚯蚓消解为蚯蚓粪后将显著提升硝态氮占全氮的比例[30],而硝态氮是高等植物主要吸收的氮形态[31],在等氮施肥的前提下,施用蚯蚓粪的氮素吸收效率要高于施用腐熟牛粪,可有效促进王草叶片和植株发育,提高叶片数和产量。但本研究中第一、二年Q组与N组各农艺性状指标差异不显著,可能的原因是蚯蚓粪和腐熟牛粪的含水量均较低,稀土尾矿区沙质土壤保水性差,干旱胁迫降低了王草叶片气孔导度,阻碍了CO2供应[32],降低了叶片光合速率,影响王草生物量的积累。Z组除第一年叶片数和第二年产量有显著提升外,其余年份农艺性状和产量均无显著提升,可能的原因是本试验中沼液的有机质和氮磷钾含量较低,且稀土尾矿区沙质壤土保水保肥能力差,氮磷径流流失量较高,限制了王草生物量的积累。

通过施肥处理改良稀土尾矿并种植王草,可建立种草养牛-牛粪还田种草的循环模式,在该循环中,王草每次刈割后均能保持一定的长势和产量,维持肉牛饲喂需求,是施肥处理需要解决的关键问题。本研究中,不同施肥处理对王草各茬农艺性状和产量影响各有不同。从农艺性状上看,Q+Z组的分蘖数、叶片数在第二年开始均逐茬上升,第三年达到峰值,株高第二年开始二三茬间保持上升趋势,茎粗第二年后于第二茬开始下降,但仍维持较高水平,Q组虽不及Q+Z组,但农艺性状指标后两年仍保持较高水平,N组和N+Z组第二年开始农艺性状于前两茬达到峰值后断崖式下降。从单株重和产量上看,N组和N+Z组除第三年二三茬间产量降幅较小外,其余年份单株重和产量降幅均超过50%。Q组和Q+Z组单株重和产量后两年二三茬间降幅均较小,第三年产量仅下降17.85%和17.98%。本研究中,蚯蚓粪处理对维持王草各茬长势和产量的效果均优于腐熟牛粪处理。相较于腐熟牛粪,蚯蚓粪可有效改善土壤总孔隙度和容重,提升有机质和<10 μm粒级微团聚体含量,提高土壤中蔗糖酶、碱性磷酸酶和多酚氧化酶活性[33],是一种优质的土壤改良剂。养分更加丰富且活性更强的蚯蚓粪在每茬刈割后追施,其持续的土壤改良作用可有效维持土壤供肥性能,同时养分的缓慢释放能在不同时期为王草提供充足的养分,维持王草长势和产量[34]。

3.2 不同施肥处理对王草营养品质及重金属含量的影响

王草叶片柔软、鲜嫩多汁,是一种适宜饲喂畜禽的青饲料,在正常耕地土壤中种植王草的粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、粗灰分含量分别在7.51%～11.80%,2.06%～6.09%,33.22%～41.04%,10.15%～12.87%之间[35-37],其粗蛋白、粗脂肪含量高于玉米,具有较高的营养价值。本研究中Q组和Q+Z组粗蛋白含量在7.29%～8.94%之间,粗脂肪后两年在4.17%～4.52%之间,处于正常土壤种植王草的营养品质水平内,粗纤维、粗灰分含量较CK组显著下降,并低于正常耕地土壤种植王草。钟云平等[38]研究发现,施用蚯蚓粪能有效提升稀土尾矿区种植的桂牧1号象草的粗蛋白含量,降低粗纤维含量,且随施入量的提高差异越显著,与本研究相似。刘占伟等[39]研究发现,施用牛粪堆肥或配施沼液均可显著提升青贮玉米粗蛋白含量,但单独施用沼液用量在60 m3·hm-2后粗蛋白含量呈递减趋势。本研究中N组和N+Z组粗蛋白含量较CK组有显著提升,Z组施用161.4 t·hm-2沼液后粗蛋白含量较CK组显著下降,与前人研究吻合。综合粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、粗灰分指标来看,蚯蚓粪配施沼液对提升王草营养品质的效果最佳。

本试验地中主要重金属元素为砷、铅、铬、镉。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018),除铅(70 mg·kg-1)外,该稀土尾矿区其余重金属元素均在风险筛选值内,对农作物产品质量安全的风险一般可以忽略。王草是砷、铅、铬、镉的耐性植物,适量的重金属污染能提升王草生物量[40],同时王草还是砷、铅、铬的低富集植物,镉的富集植物[41],其富集量均为地下部分高于地上部分[42]。本试验地土壤重金属含量较低,种植的王草地上部分重金属较低符合饲料卫生标准,不同施肥处理中,Q+Z组和Q组较为显著的降低了王草重金属含量,可能的原因是蚯蚓粪可影响土壤可交换态重金属含量,降低土壤重金属浓度,起到钝化剂的作用[43]。

3.3 不同施肥处理对王草饲用价值的综合评价

粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、粗灰分含量是衡量王草营养价值的重要指标,株高、茎粗、分蘖数、叶片数和产量是显示王草生长发育情况,影响王草种植的经济效益和推广价值的重要指标。本研究中不同指标排序结果不一致,而从某单一指标评价王草的饲用价值具有一定的片面性,需要进行多指标综合评价。何振富等[44]运用隶属函数法对甘肃临夏地区10个青贮玉米品种的生产性能及饲用价值进行评价,邹君洪等[45]利用隶属函数法对川西北天然草地17种野生饲用植物进行饲用价值评价,与前人研究相似,本研究采用隶属函数法对不同施肥处理王草的饲用价值进行综合评价,结果更为客观准确。结果显示,Q+Z组第一年饲用价值第二,后两年饲用价值第一,综合三年饲用价值0.913 1,排序第一,其他处理组和CK组的排序依次为Q>N+Z>N>CK>Z。处理组间表现为蚯蚓粪组优于腐熟牛粪组,沼液配施组优于单一施肥组。