豬糞肥施用量對紫色象草栽培及土壤重金屬富集的影響

李翔宏,吳志勇

(江西省畜牧技術推廣站,江西 南昌 330046)

在規模化畜禽養殖過程中,為了防止畜禽疾病、提高飼料利用率和促進畜禽生長,一些重金屬元素如Cu、Zn等被添加到畜禽飼料中。由于這些重金屬元素在動物體內的生物效價很低,大部分隨畜禽糞便排出體外,故畜禽糞便往往含有高量的重金屬,從而增加了農用畜禽糞便污染環境的風險。這幾年在環保的高壓政策下,養殖戶對豬場產生的糞污處理也越來越重視,在發酵床、沼氣等處理方法、改造工程建設方面的資金投入也越來越多,但取得的效果并不理想。據許衛華(2009)[1]報道,采用“豬—沼液—牧草(主要為狼尾草)”的治污模式,以6～9頭豬配備1 m3沼氣池,可有效消納豬場產生的糞污。目前,種養結合、循環利用才是治理畜禽糞便污染環境的有效途徑。隨著草食畜牧業的發展及國家南方現代草地畜牧業推進行動項目的實施,優質高產飼草的種植得到了很好的推廣利用。紫色象草作為一種適應性強、草產量高的優質牧草品種,其對水肥和礦物質需求量大,目前鮮見其在消納豬糞肥方面的研究報道。為此,我們在種植的多年生紫色象草中施用不同水平的豬糞肥,觀測了其生產性能及對豬糞中重金屬吸附、土壤重金屬殘留等的影響,旨在為建立豬-草種養一體化生態循環模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗在南昌縣黃馬鄉江西現代牧業示范園區內進行。該地屬亞熱帶季風氣候,年均氣溫17.5 ℃,≥10.0 ℃年積溫為5579.4 ℃·d,夏季8月平均氣溫28.0 ℃,極端最高氣溫40.2 ℃；冬季1月平均氣溫6.3 ℃,極端最低氣溫-9.3 ℃,其中2016年1月最低溫度-5.0 ℃,平均最高溫度8.8 ℃,平均最低溫度3.2 ℃;年均降雨量1598 mm,50%集中在4～6月,7、8、9月高溫少雨,常常伏旱連秋旱;無霜期270～290 d。試驗地為低丘紅壤新開墾生地,土壤貧瘠[2],其土壤養分及重金屬含量見表1。

表1 試驗點土壤養分及重金屬含量

1.2 供試材料

紫色象草,學名PennisetumpurpureumSchumab cv.purple,原產于巴西,2003年引進種植,2009年審定登記為廣西農作物品種。紫色象草是多年生禾本科草本植物,耐寒，抗逆性強，分蘗多，再生性強，鮮干草產量高、營養豐富，其干物質中木質纖維素含量高、燃燒后熱值高,是優質高產的能源用草本植物。同時其鮮草品質優、適口性好,是草食動物的優質飼草,并被廣泛用于水土保持、土壤改良、荒坡綠化等[3]。供試紫色象草為從廣西引進品種,經由前1年貯藏的種莖育苗后,選擇植株優良的種苗用于試驗。

施用豬糞采用平地自然堆置發酵法，堆放約50 d至腐熟,含水量為70%～80%。表2為2016～2017年共5次施用的豬糞肥抽樣養分及Cu、Zn、Cd、Pb、As含量檢測結果。

表2 各次施用豬糞肥養分及有關重金屬含量

1.3 試驗設計及田間管理

試驗地為生地,栽植前1周對土地進行深翻,除去地里雜草,避免苗期雜草侵占和與牧草幼苗爭水肥及空間。試驗小區按肥力梯度順序依次排列,每個處理設3次重復,小區面積為5 m×6 m,每小區種植密度為60株,株距60,行距80。2016年4月26日進行移栽。

試驗設3個不同施肥量處理，處理1、處理2和處理3分別施用45000、90000、135000 kg/hm2豬糞(已堆漚發酵，濕度60%～80%)。2016年共施肥3次,即于移栽前(2月2日)施底肥(占總量的3/5)1次,第1次刈割后(7月23日)追肥(占總量的1/5)1次,第3次刈割后(12月3日)施越冬肥(占總量的1/5)1次。2017年共施肥3次,即第1次刈割后(6月23日)追肥(占總量的1/3)1次,第2次刈割后(9月2日)追肥(占總量的1/3)1次,第3次刈割后(11月30日)施越冬肥(占總量的1/3)1次。

待牧草移栽成活后,定期或不定期地觀測象草的生長情況,在幼苗期注意田間雜草的侵害情況,適時除雜,防止雜草在田間的進一步生長。次年返青后若有栽植蔸死亡,則及時補種新苗。每次刈割測產后進行中耕除雜、施肥。

1.4 觀測方法及內容

1.4.1 越冬率 越冬前最后1次測產后,中耕并施豬糞肥以利越冬,第2年返青時測定死亡植株數目,計算越冬率:越冬率(%)=(小區植株總數-死亡株數)×100/小區植株總數。

1.4.2 分蘗數 刈割時,每小區隨機選取10蔸,每次測產時計算其分蘗數,每個處理3個小區的分蘗數平均值即為該處理的分蘗數。

1.4.3 產草量 在草群平均植株高150～210 cm(絕對高度)時進行刈割,留茬高度10～12 cm,測定每個處理3個小區的鮮草產量,取平均值。

1.4.4 草品質及微量元素含量 每次刈割測產時,對每個處理3個小區隨機各取樣約3.3 kg,共計10.0 kg,用刀具將鮮草樣鍘碎混勻,然后從其中取1.0 kg草樣晾曬風干,送樣檢測草品質(粗蛋白、粗脂肪、粗纖維含量)及微量元素(Cu、Zn、Cd、Pb、As)含量[4]。測定方法: GB/T 17138─1997土壤質量:銅、鋅的測定和GB/T 17141─1997土壤質量:鉛、鎘的測定(火焰原子吸收分光光度法)； GB/T 22105.2─2008土壤質量：總汞、總砷、總鉛的測定(原子熒光法)。

1.4.5 豬糞肥、土壤中養分和重金屬元素含量 每次施用豬糞肥時均對其進行抽樣檢測(具體抽樣日期見表2)。取試驗地土壤表層0～20深進行抽樣檢測,種植前檢測1次,施肥處理后各處理每年度測定1次[5-6](具體抽樣日期見表7和表8)。

1.5 數據分析

應用Excel 2007軟件進行數據整理,采用SPSS 19.0軟件進行方差分析,組間顯著性差異檢驗采用LSD、Duncan法,試驗數據用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 越冬率

2016年,紫色象草種植當年共施豬糞肥3次,其中11月28日第3次為越冬肥(圍繞植株蔸部進行),待次年植株返青后,觀測整個小區死亡植株蔸數。由表3可知,處理1、處理2、處理3的越冬率分別為92.8%、92.8%、94.5%,處理間無顯著差異,說明不同豬糞肥施用量處理對紫色象草抗寒性能、越冬率的影響不明顯。

2.2 分蘗數

在紫色象草種植當年(2016年),各處理第2茬刈割后測定的植株蔸分蘗數均大于第1茬刈割后的,第3茬刈割后的植株蔸分蘗數均大于第2茬刈割后的；3次刈割時植株蔸平均分蘗數隨施肥水平的增加有增加趨勢,其中第1、2次刈割各處理之間無顯著差異,第3次刈割處理1與處理2、處理3之間差異顯著(P<0.05)。2017年,各處理第2茬刈割后測定的植株蔸分蘗數均大于第1茬刈割后的,第3茬刈割后的分蘗數均大于第2茬刈割后的;3次刈割各處理間植株蔸平均分蘗數無顯著差異(表4)。兩年的測定結果表明,紫色象草植株蔸分蘗數總體上隨著生長年限及刈割次數的增加而增加,不同施用豬糞肥水平對其影響不明顯。

表3 各試驗小區越冬后紫色象草的死亡植株數

表4 各處理小區紫色象草分蘗數測定結果

注:同行數據后附不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.3 生物產量

2016年和2017年均刈割3次。從表5可以看出：在2016年,處理1在3次刈割中的總生物產量顯著低于處理2(P<0.05)，極顯著低于處理3(P<0.01),但處理2與處理3間無顯著差異,說明紫色象草在種植的第1年,其生物產量受豬糞肥施用量的影響較大,且隨著施豬糞肥水平的增加而明顯增加;在2017年,處理1在3次刈割中的總生物產量極顯著低于處理2和處理3(P<0.01),但處理2與處理3間無顯著差異,說明在施用豬糞肥1年后,隨著土壤肥力的增加,施豬糞肥水平對紫色象草生物產量的影響減弱。

2.4 草品質及微量元素含量

2016～2017年共6次刈割測產后取樣檢測結果(表6)顯示：各處理紫色象草干物質的含量范圍為75.0%～89.0%，粗脂肪0.9%～1.4%，粗蛋白7.04%～15.80%，粗纖維22.4%～33.1%，銅1.32～13.11 mg/kg，鋅10.56～47.15 mg/kg(2017年6月22日處理1為71.11 mg/kg、處理3為122.82 mg/kg除外)，鎘0.027～0.240 mg/kg，鉛0.47～5.19 mg/kg，砷0～1.04 mg/kg。因此，草樣中5種重金屬含量均未超過最大允許值(一般牧草中上述5種重金屬含量的最大允許值為:銅35 mg/kg，鋅250 mg/kg，鎘1 mg/kg，鉛7 mg/kg，砷0.8 mg/kg),且各次測定的指標值在處理1、處理2、處理3之間無明顯的變化規律。

表5各處理小區紫色象草生物產量測定結果kg/hm2

刈割日期(年/月/日)處理1處理2處理3第1茬(2016/7/23)31516.5±3529.5 B54304.5±5184.0 aA63921.0±7284.0 aA第2茬(2016/9/22)41743.5±8770.5 a46189.5±7269.0 a49468.5±3969.0 a第3茬(2016/11/28)27625.5±1896.0 aB30459.0±948.0 aB37129.5±1798.5 A2016年總計100885.5±13128.0 bB130953.0±12183.0 aAB150519.0±11598.0 aA第1茬(2017/6/22)71146.5±5763.0 B91267.5±5853.0 aA94435.5±6478.5 aA第2茬(2017/8/23)55027.5±2082.0 B59029.5±2404.5 aAB61920.0±2220.0 aA第3茬(2017/11/6)18064.5±625.5 aB20010.0±1065.0 aB23151.0±1171.5 aA2017年總計144240.0±8217.0 B170307.0±8964.0 aA164685.0±17392.5 aA

注:同行數據后不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01),不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

表6 各處理試驗小區紫色象草抽樣測定結果

經兩年6次取樣測定,不同豬糞施用量處理對草品質和微量元素富集的影響分別見圖1和圖2。紫色象草干物質中粗脂肪、粗蛋白、粗纖維含量檢測均值分別為1.13%、9.97%、28.17%,各處理間無顯著性差異,且變化規律不明顯。紫色象草干物質中重金屬元素銅、鋅、鎘、鉛、砷含量的兩年檢測均值分別為5.80、32.71、0.10、2.01、0.32 mg/kg,其中鋅含量最高,其次是銅元素,其它3種重金屬元素的含量較低,且在各處理間無顯著性差異,變化規律不明顯。

2.5 豬糞肥、土壤中養分和重金屬元素含量

畜禽糞便中重金屬主要直接來自動物飼料,或者間接來自動物攝入的污染土壤和糞便的堆積處理過程。而當畜禽糞便被施入耕作土壤時,就會再次對土壤造成污染,因此加強對畜禽糞便重金屬污染的監測十分重要。施用豬糞肥養分及Cu、Zn、Cd、Pb、As含量抽樣檢測結果見表2,對比土壤環境質量標準值(于1995年1月頒布,1996年3月實施,目前正在修訂)可知：2016年第1次(2月2日)檢測的Cu、Zn含量值均在自然背景條件下1級標準范圍內,第2、3次檢測的Cu含量值在2級標準范圍內,而第2次檢測的Zn含量值超過了土壤環境質量3級標準范圍,Cd、Pb、As含量值都在土壤環境質量標準1級范圍內;在2017年2次檢測中,Cu、Zn的含量值均超過了土壤環境質量3級標準范圍,而Cd、Pb、As的含量值都在土壤環境質量1級標準范圍內。在各次施用的豬糞肥中氮、磷、鉀含量分別為2.01%～2.79%、0.26%～1.04%、0.20%～0.36%。

圖1 不同豬糞施用量對紫色象草品質的影響

圖2 不同豬糞施用量對紫色象草重金屬元素富集的影響

對各處理小區進行土樣檢測，結果(表7)表明:各豬糞肥施用量處理土壤中pH值、全氮、全磷、全鉀含量分別為4.48～4.70、0.151%～0.217%、0.0429%～0.0591%、1.20%～1.34%。在各處理土壤中,pH值相差不大,但均小于對照值,全氮、全磷含量高于對照值,全鉀含量小于對照值,各處理間指標值變化規律不明顯。

在檢測的土壤重金屬中,Cu、Zn、Cd、Pb、As含量均不超標(對照土壤環境質量標準值范圍),但變化情況各有不同。其中,2016年3個處理小區土壤抽樣檢測的Cu含量值均大于對照,2017年3個處理小區土壤抽樣的Cu含量檢測值均小于對照；2016年、2017年各處理小區土壤抽樣檢測的Zn含量值均大于對照；除2016年處理2、3小區土壤抽樣檢測的Cd含量值大于對照外,其他均小于對照；2016年、2017年各處理小區土壤抽樣檢測的Pb含量值均小于對照；2016年、2017年各處理小區土壤抽樣檢測的As含量值均大于對照(表8)。

表8施肥量處理對土壤重金屬含量的影響mg/kg

測定日期/(年/月/日)處理銅鋅鎘鉛砷2017/1/16CK28.383.430.06028.8713.59136.4160.700.03322.0017.70234.7156.100.30211.2019.80334.9203.400.11824.4023.402018/1/10123.0126.100.03226.0028.10226.9138.600.03026.3021.90322.5130.700.03727.9022.40

3 討論

紫色象草對水、肥及礦物質元素需求量大,因此,種植紫色象草會消耗土壤中大量的水、肥及一定量的其他礦物質元素。對豬糞肥的檢測結果表明,豬糞中含有豐富的磷、鉀、氮、微量元素、有機物質等,是一種極有利用價值的資源[7-9]。向紫色象草種植地高水平施用豬糞有機肥,不僅可以很好地滿足其生長的需要,提高其生物產量,還可以為規模化養豬場消納大量的豬糞肥,構建從養殖到種植的生態高效循環物質和能量流通體系[4-5]。本研究發現，豬糞肥施用量對紫色象草草品質及重金屬富集影響的規律不明顯。豬糞肥作為越冬肥還可對紫色象草蔸起到一定的保溫作用,有利于提高紫色象草的抗寒性和越冬率,使其能安全越冬,但需要注意施肥的方式方法,應在越冬前最后1次刈割后圍繞植株蔸施肥。越冬肥還可促進紫色象草次年的早日返青,提高植株蔸的分蘗數和生物產量。

紫色象草分蘗多，再生性強，鮮草產量高。據易顯鳳等[3]報道,紫色象草每年可刈割5次,鮮草產量達225000 kg/hm2。本研究結果表明：在種植紫色象草當年，刈割3次的鮮草產量達到150519.0 kg/hm2；第2年刈割3次的鮮草產量達到164685.0 kg/hm2,兩年間鮮草產量差異較大,可能與種植地南昌夏季高溫的氣候條件有很大關系。但紫色象草對豬糞肥的消納能力強,年可消納豬糞肥135000 kg/hm2以上,且此時具有最高分蘗能力,各指標性能表現也最好,說明在生地上第1年種植紫色象草時,不僅可達到高水平消納豬糞肥的目的,還可提高紫色象草種植當年的生物產量。同時,通過多次刈割收獲紫色象草營養生物體,少量多次帶走施入土壤中的Cu、Zn等重金屬元素,減輕豬糞對環境的污染,促進物質和能量的循環[10-13],實現經濟效益和生態效益雙贏。