羊粪对土壤性状及植物生长影响的研究进展

王明明,任春环,黄桠锋,张子军,2,程 箫*,王强军*

(1.安徽农业大学 动物科技学院,安徽 合肥 230036;2.定远县现代农业技术合作推广中心,安徽 定远 233200)

土壤作为一种不可再生资源,在人类活动和社会发展中具有至关重要的作用。然而,随着现代农业对无机化肥的依赖性不断增强,过高的化肥施用量与盲目使用导致土壤肥力严重退化和环境污染,对生态环境保护带来了巨大压力[1]。目前的研究发现,对土壤施用畜禽粪便可以通过增加土壤有机质、氮和磷输入、刺激微生物活动和加速可利用养分循环等过程改善土壤理化性质,从而降低或消除长期过量施无机肥对土壤理化性状和微生物多样性产生的负面影响[2-3]。

有机肥按热力性质可分热性肥料、温性肥料及冷性肥料。羊粪作为一种常见的热性肥料,其纤维素含量高、疏松多孔、水分易蒸发,且羊粪中含有纤维细菌多,能促进纤维素分解,在堆放过程中能够产生高于50 ℃以上的高温[4]。羊粪外观呈黑色颗粒状,粪质细腻,肥质浓密,具有良好的表面致密形态和较大的孔隙率,通常含水率为60%、碳氮比(C/N)为20左右,有机质(organic matter,OM)含量为24%～27%,氮(N) 0.7%～0.8%,磷(P) 0.45%～0.6%,钾(K) 0.4%～0.5%[5]。此外,羊粪较高的C/N会改变土壤理化性质[6]、增加土壤酶活性[7]、微生物多样性[8]和重金属浓度[9],进而达到促进植物生长和改善果蔬品质的目的。本文以施羊粪对土壤理化性状及对植物生长的影响为切入点,就施羊粪肥改善土壤理化性状、促进植物根系发育、生长以及改善果蔬品质等方面进行了详细综述,并提出当前农业生产过程中羊粪施肥存在的问题及未来发展方向。

1 羊粪对土壤的影响

1.1 羊粪施用对土壤理化性质的影响

保持土壤良好的物理、化学性质是促进植物生长的前提条件[10],而施用肥料可以改变土壤结构、含水量、pH以及有机质(OM)、速效氮(available nitrogen,AN)、速效磷(available phosphorus,AP)、速效钾(available potassium,AK)等。(1)改善土壤物理性质:适当施用腐熟羊粪能够促进土壤团粒形成,改良土壤结构[10],降低土壤容重、增加含水率,且以羊粪施用量为3 000 kg/hm2、70%条施+30%穴施为宜[11]。吴红等[12]发现随着羊粪施加量的增加,深层土壤蓄水能力也随之增加。此外,腐熟羊粪可使土壤粘粒含量增加15.0%[13],大于2 mm的水稳性团聚体增加357.45%,并且可以提高土壤孔隙度、土壤通气度[14]。(2)改善土壤化学性质:郑海霞等[15]研究发现,长期施用堆腐羊粪的内蒙古草原围栏封育区土壤pH较未施肥区提高0.47～0.59,而在种植高粱、葡萄、烟草、小麦和甘蓝的土壤施用羊粪后pH变化不一致(表1)。施加腐熟羊粪可以提高土壤OM、AP、AK、总氮(total nitrogen,TN)等含量[16-17];与对照组相比,分别施用山羊粪和绵羊粪可以使AP增加54%和135%,且施山羊粪土壤TN增加了165%[18]。当羊粪施加量为20～100 t/hm2时,葡萄园不同深度土壤中OM、AP、AK和TN含量均会显著提高[12]。在种植烟草土壤中发现,条施和穴施可使OM、AP、AK、TN含量和pH显著提高,且条施+穴施较单独条施在提高土壤养分上效果更好[11]。在种植小麦和甘蓝土壤发现,施羊粪可以显著提高土壤AK和TN,而对小麦种植土壤AP无显著影响(表1)[19-20]。

表1 羊粪对土壤理化性质的影响Table 1 Effects of sheep manure on soil physicochemical properties

P元素在植物营养中具有至关重要的作用,其溶解度较低,容易与铝、铁氧化物、氢氧化物以及非晶态等物质发生固相吸附和沉淀反应,使得无法被植物利用[21]。施加腐熟羊粪可以降低P的固相吸附,从而减少P的沉淀。原因可能是:(1)有机肥使土壤pH增加导致土壤颗粒表面负电荷增加,从而增加负离子排斥和降低P吸附[22]。(2)较高的有机质会降低土壤中P的吸附能力,磷酸盐和有机配体之间会竞争吸附位点[23]。此外,腐熟羊粪可以显著提高土壤磷缓冲能力[21],从而提高土壤中磷的有效性,减少了维持磷浓度所需要的肥料。这些研究说明羊粪施肥可以改善土壤理化性质,减少无机肥料对环境造成的污染。

1.2 羊粪施用对土壤酶活性和微生物组成的影响

土壤酶活性是土壤生态系统中的关键组成部分,可以直接影响土壤环境变化。羊粪有机肥料中有动物消化道分泌的各种活性酶以及微生物产生的各种酶,其中包括参与C、N和P循环的关键土壤酶,如β葡萄糖苷酶(S-β-GC)、N-乙酰-β-葡萄糖苷酶(S-N-AG)和酸性磷酸酶(S-ACP)[24]。Ning等[25]研究发现,施用堆腐后的羊粪对土壤酶活性有显著影响,当羊粪施加量为4～32 g/kg时,土壤脲酶(URE)、S-ACP、过氧化氢酶(S-CAT)较未施肥组分别提高了488.8%～2150.0%、368.6%～770.8%、21.8%～48.6%,且施加羊粪+无机肥组合较单独施用无机肥或羊粪对土壤酶活性的影响更加显著。此外,堆腐羊粪可以显著增加土壤中脱氢酶、葡萄糖苷酶和土壤磷酸酶活性[7],并且发现土壤酶活性与土壤有机碳、营养物质和植物根系生物量呈显著正相关[17]。这些研究结果提示,长期施用羊粪有机肥可以通过提高土壤酶活性来改善土壤质量。

微生物是衡量土壤质量的重要指标,可通过新陈代谢和死亡分解为植物提供养分,促进营养素的循环[26]。土壤微生物以细菌和真菌为主,是土壤有机质分解和养分动态的主要调节剂[27],参与土壤有机质动力学、养分循环和分解过程(包括外源生物解毒),是土壤质量和功能的关键[28]。而羊粪有机肥料中的微生物在代谢过程中产生大量的有机酸类物质,这些物质能够把植物必需的矿物元素溶解,变成可以被植物直接吸收利用的营养元素,增加了土壤的供肥能力。同时,山羊粪经腐熟处理后,土壤总微生物生物量、原生动物及真菌丰度明显升高[29]。此外,与未施肥土壤相比,施加腐熟羊粪土壤根际微生物总数、细菌、真菌数量都显著提高,而施加羊粪较未施肥土壤放线菌数量显著减少[30]。李亚飞等[11]研究表明,当羊粪施加量为3.0 t/hm2时可显著提高土壤细菌、真菌、放线菌数量,且细菌与真菌比值、放线菌与真菌比值也显著提高。另外,Calleja等[13]和李艳春等[31]研究均表明施加腐熟羊粪可改善土壤微生物区系,与常规施肥处理相比,土壤微生物多样性指数显著提高。此外,Qiu等[32]研究表明,放线菌门(Actinobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)能有效降解木质素(Lignin)和纤维素(Cellulose),对提高有机堆肥质量有重要作用。与此同时,Murphy等[33]研究发现,土壤中的线虫可使有机物在养分循环过程中快速腐烂、掺入,并以细菌、真菌和原生动物为食,而在天然草地放牧绵羊可使土壤线虫、微生物活性、养分有效性、蚯蚓平均数量和牧草产量增多,从而促进了土壤养分循环、提高生物量。

1.3 羊粪施用对土壤重金属的影响

重金属是影响土壤健康的全球性问题[34],会导致土壤有机物含量、N、P、K水平降低以及其他物理性状异常[35]。传统金属污染土壤修复技术成本昂贵且容易对环境造成二次破坏,而有机改良剂的掺入可稳定土壤中金属,降低金属利用率和流动性,使其毒性降低[36]。

羊粪有机肥料在土壤中分解,能够转化形成各种腐殖酸(HA),而HA是一种高分子物质,具有很好的吸附性能,对重金属离子有很好的吸附作用,能够有效减轻重金属离子对土壤的危害。利用辅助植物稳定技术处理羊粪等有机改良剂发现可以增加土壤pH、OM含量和无机盐分,同时降低土壤中铅(Pb)、锌(Zn)的可提取浓度和土壤生态毒性,并在羊粪处理的植物红杉茎发现Pb、Zn等重金属浓度降低[16]。此外,Elouear等[9]发现,施加腐熟羊粪可以降低苜蓿根和土壤中Pb、镉(Cd)和Zn浓度,降低其生物富集因子(bioenrichment factor,BCF)及易位因子(translocation factor,TF),同时也发现土壤经亚氨基二琥珀酸四钠金属螯合剂(DTPA)提取的Pb、Cd和Zn浓度降低,这可能与土壤中金属与羊粪中有机质之间存在螯合、络合和吸附等作用有关[37]。王默涵等[38]研究发现,羊粪在800 ℃下制备的羊粪生物炭对土壤中Pb2+、Cu2+和 Cd2+的最大吸附容量分别为 25.9 mg/L、18.1 mg/L和3.2 mg/L,这可能是粪肥中有机物-COOH基团和-OH基团的电离使交换位增加,提高了土壤阳离子交换量(cation exchange capacity,CEC),增加了金属吸附[39]。此外,铬(Cr)是土壤中常见金属,用羊粪等畜禽粪制作的生物碳比起直接施加羊粪能够更有效地降低土壤中Cr(VI)的毒性[40],这是由于羊粪改良的生物炭表面有含氧的酸性官能团(如酚、羧基、羰基等),可作为质子供体,被证明是Cr(VI)还原的有效催化剂,将有毒的Cr(Ⅵ)还原为毒性较小的Cr(Ⅲ),并通过表面络合和沉淀反应吸附Cr(Ⅲ)[41]。因此,羊粪制作的生物炭是降低土壤重金属的有效途径。

2 羊粪对植物的影响

2.1 羊粪施用对植物根系发育的影响

土壤是生态系统能量和物质转换场所,是植物生长所需水分和营养的主要来源,而这一功能主要由植物根系来发挥作用。因此,优化根系可以提高对土壤养分的吸收效果,从而促进作物生长和提高产量。植物重要的发育过程,如根毛形成、主根生长和侧根形成,对内外营养物质浓度的变化特别敏感,而调控根部内外营养物质浓度及根的发育中存在营养特异性信号转导途径,植物激素包括生长素(IAA)、细胞分裂素(CTK)和乙烯(ETH),是这些营养介导途径的关键因素[42]。同时,营养途径影响激素的生物合成、运输和/或敏感性[43]。一些控制硝酸盐和磷酸盐信号通路的关键步骤的基因已经被确定,其中包括拟南芥的ANR1和PHR1,以及日本荷花的HAR1基因,而硝酸盐、磷酸盐、硫酸盐和铁等营养物质充当了可感知的信号,这些信号触发分子机制,改变根系内的细胞分裂和细胞分化过程,并对根系结构产生深远影响[42]。羊粪作为优质有机肥,经微生物作用后可以为植物提供所需元素及硝酸盐等各种矿物质盐类,这些盐类触发相关机制并刺激植物根系发育后显著增加了植物根数、根径、根长及根鲜重,但不同土壤类型施用羊粪对植株根系生长发育存在差异[44-46](表2)。

表2 羊粪对作物根系的影响Table 2 Effects of sheep manure on root system of crops

2.2 羊粪施用对植物生长性能的影响

光合作用是植物生长的重要生理活动,决定了作物生长和产量的高低,同时也是生态系统中物质循环与能量流动的基础[47]。施用腐熟羊粪对作物叶片中叶绿素含量、光合作用强度、水分利用效率具有明显的促进效果[48-49],可以明显改善作物生长、提高产量[18]。在果树研究上发现,施用腐熟羊粪可使开花座果期的梨枣光合作用显著增强,净光合速率增加22.24%[50];在香梨的膨果期施加腐熟羊粪后叶绿素含量、叶面积指数和叶片净光合速率分别增幅了6.05%、19.15%、51.32%[51];用腐熟的羊粪处理后可使红枣叶绿体总量、净光合速率分别增加25.42%、29.80%[52];当羊粪施用量为3～15 t/hm2时可使甘蓝叶绿体含量、叶面积指数及产量分别增加12.24%、78.24%和200%～474.82%,且在施用量为12 t·hm2甘蓝产量达到最大值,净收益增加378.92%[53](表3)。此外,腐熟羊粪处理铁观音茶树后茶叶产量提高了12.9%[34],而大麦施加10%～20%羊粪后茎长、茎径、叶长、叶数、叶面积和茎干生物量均有所增加[54]。与之类似,小麦施加羊粪后单叶面积、叶面积扩张率、特定叶面积、叶面积比、株高、茎伸长率、根长、根数、绝对生长速率和作物生长速率均显著增加[55]。此外,施加腐熟羊粪对玉米[56]、小麦[57]、水稻[58]、胡萝卜[59]及甜椒[60]等作物均会显著提高其产量。

表3 羊粪对作物生长性能及品质的影响Table 3 Effects of sheep manure on growth performance and quality of crops

2.3 羊粪施用对果蔬品质的影响

果蔬品质对于产业经济效益至关重要,而安全合理施肥不仅可以提高作物产量,还可以提升作物品质,因为施用肥料可以改善土壤中的微量元素组成、调节土壤酸碱度后为作物的正常提供了良好的基础环境,以此从根本上改变作物的风味,提高作物品质。其中可溶性固形物作为果实品质的重要参数,与营养价值呈正相关[61]。Abu-Zahra等[62]研究表明,当土壤中添加动物粪便后可提高甜椒果实可溶性固形物,并且与其他动物粪便处理相比,羊粪处理组的总可溶性固形物最高,效果最好。王亚雄等[63]研究发现,增施腐熟的羊粪可有效改善枸杞果实的品质,对枸杞可溶性固形物、可溶性糖及维生素C的改善效果最佳,分别增加了12%、13.64%和64.4%。同样,施加腐熟羊粪可显著提高梨枣可溶性固形物、维生素C含量和可溶性糖含量,且降低了可滴定酸含量[54](表3)。此外,施加20～60 t/hm2发酵羊粪可显著提高巨峰葡萄果实外观品质,施加量为60 t/hm2可以显著提高果实粒重、果实纵径和果实横径,同样也提高了可溶性固形物、可溶性糖和维生素C含量,可滴定酸同样有所下降[13]。

图1 羊粪作为有机肥对土壤、土壤微生物及植物的影响Fig.1 Effects of sheep manure as organic fertilizer on soil, soil microorganisms and plants

值得关注的是,抗坏血酸氧化酶作为瓜类、种子、谷物、水果和蔬菜中的一种含铜酶,具有抗衰老作用,并且影响植物体内的物质代谢,而降低抗坏血酸氧化酶的活性可减少对维生素C的消耗,延缓果实营养流失,增加果实品质和经济效益。刘倩雯[64]研究发现,相比于无机肥,施用发酵羊粪处理的枣果中抗坏血酸氧化酶活性显著降低,说明羊粪对果蔬提升品质有着重要的作用。

3 小 结

羊粪对植物生长和土壤修复均具有至关重要的作用,可以为土壤提供各种元素、有机质和降低土壤提取能力,从而增强土壤肥力及降低重金属浓度、改变生态系统物质与能量循环,进而有利于植物的生长,提高经济效益。

绿色发展是构建高质量现代化农业必然要求,是解决土壤问题的根本之策。早在2017年,中央一号文件曾重点提到“有机农业”[65],且中央财经委员会第一次会议特别强调:“要坚持走农业绿色发展道路,首先调整农业投入结构,减少化肥农药使用量,增加有机肥使用量”[66],意味着有机农业不仅是一种消费趋势,也是国家重点扶持发展的对象。而有机农业的发展必然离不开有机肥。羊粪有机肥料在有机农业中扮演着重要角色,在后续羊粪有机肥应用中,需要严格监控,科学、合理利用,而如何改进羊粪处理工艺减少废气排放、科学合理的施肥、因地制宜的使用羊粪、维持植物养分供给与需求量之间的平衡成为当前亟待解决的问题,以此进一步提升羊粪的综合利用效率,促进农业绿色可持续发展。