奶牛養殖糞水還田對苜蓿產量及土壤理化性質的影響

劉青松，賈艷麗，肖宇，岳明強，王秀領，紀明妹，劉振敏，滕霄，盧相義，徐玉鵬，閻旭東

(滄州市農林科學院，河北 滄州 061001)

我國畜牧業發達，畜禽養殖量大，每年因畜禽產生的糞便超過38 億t[1]。據全國污染源普查公報顯示，畜牧養殖業廢水排放占農業污染源的93.76%，是農業污染源之首[2]。隨著我國奶牛養殖規模、集約化程度升高，糞便排放量大且集中，奶牛場糞污處理及資源化利用問題越來越嚴重。大量研究表明，還田處理是規模化奶牛養殖場糞污無害化和資源化利用的最有效的方式之一[3-5]。糞污還田不僅可減少化肥的使用，還可改良土壤性狀，提升作物品質，是農業循環發展的重要環節[6-9]。當前奶牛場糞污處理的方式主要有厭氧發酵、兼氧貯存、好氧堆肥和污水處理等[10-11]，其中以固液分離后固體糞便填床、堆肥，液體糞水經發酵儲存后還田方式較為普遍[12]。目前，中國奶牛養殖場普遍采用了固液分離工藝，研究表明，糞污經固液分離后貯存還田能顯著減少氮損失率[13]、促進養殖場的種養一體化發展。然而，奶牛養殖糞水還田雖能實現養殖場廢棄物資源化利用，但糞水還田對土壤有何影響則研究較少。本試驗通過探究規模化養殖場奶牛廢棄物經固液分離后液體糞水還田對土壤理化性質的影響，旨在為奶牛場糞污資源化利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2019—2020 年進行。試驗地點位于河北中捷友誼農場(38°19′～29′N，117°23′～39′E)，季風型大陸性氣候，年均降水量600 mm，無霜期206 d，年均氣溫12.1 ℃，1 月氣溫最冷，平均-4.6 ℃，7 月氣溫最高，平均26.8 ℃。平均凍土層深47.8 cm，最大凍土層深64 cm。土壤多為潮土類型(黏質、輕質鹽化)，含鹽量0.6～1.8 g/kg，有機質含量8～20 g/kg，地下淡水層320～600 m，礦化度1.5 g/L，地層允許承載力70～140 Kpa。

1.2 試驗設計

采用隨機區組試驗設計，共設置3 個處理:

(1)CK:播種前施磷酸二銨600 kg/hm2，2019、2020 年于春季返青前追施苜蓿專用配方肥(N ∶P2O5∶K2O＝4 ∶13 ∶40)225 kg/hm2；

(2)ZF+ZY:播種前施磷酸二銨600 kg/hm2，2019、2020 年春季返青前追施112.5 kg/hm2苜蓿專用配方肥(N ∶P2O5∶K2O ＝4 ∶13 ∶40)，同時結合追肥澆灌1 次經固液分離發酵后的奶牛養殖場沼液糞水360 m3/hm2；

(3)ZY:播種前施磷酸二銨600 kg/hm2，不追肥，春季返青前澆灌1 次經固液分離發酵后的奶牛養殖場沼液糞水360 m3/hm2。

每個處理3 次重復，共9 個小區，小區面積為5 m×6 m＝30 m2，各小區隨機排列。試驗地作物為紫花苜蓿(Medicago sativaL.)，品種為中苜3 號。沼液糞水取自中捷犇放奶牛養殖場，糞水主要指標為pH8.29，堿解氮1.38 mg/L，有效磷3.25 mg/L，速效鉀5.72 mg/L。

1.3 測定指標

產量:每小區取1 m2測定苜蓿鮮質量，取500 g烘干后稱重，計算含水率，根據含水率計算苜蓿干草產量。干草產量(kg/hm2)＝1 m2苜蓿鮮質量×10 000×(1-含水率)。

于試驗前測定試驗地塊基礎土壤成分，同時于2019 年和2020 年第4 茬苜蓿收獲后0～40 cm 土壤取樣，測定各指標變化情況。

土壤pH:采用1 ∶5 水土比浸提—酸度計測定[14]；

有機質:高溫重鉻酸鉀氧化容量法[14]；

銨態氮:氯化鉀浸提元素分析儀法[14]；

有效磷:鉬銻抗比色法[14]；

速效鉀:火焰光度計法[14]；

鉛、鎘:采用GB/T 17141—1997 土壤質量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法[15]；

銅、鋅:采用GB/T 17138—1997 土壤質量 銅、鋅的測定 火焰原子吸收分光光度法[15]。

1.4 數據分析

采用Excel 2010 軟件進行數據整理，采用DPS 7.05 軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 產量

由表1 可看出，兩年試驗中各處理苜蓿產量表現趨勢一致，不同處理對4 茬苜蓿產量及全年總產量影響差異顯著(P＜0.05)。澆灌糞水和追肥+澆灌糞水兩處理間在苜蓿第1、2 茬產量間無顯著差異，但均顯著高于CK 的產量。而第3、4 茬的苜蓿產量則為CK 的表現最好，產量顯著優于只追施糞水和追肥+澆灌糞水處理。綜合全年結果，2019、2020 年試驗中追肥+澆灌糞水處理全年苜蓿產量最高，顯著優于只澆灌糞水和只做追肥處理的產量(P＜0.05)。

表1 2019、2020 年各處理苜蓿干草產量比較Table 1 Effect of annual alfalfa hay yield under different treatments in 2019 and 2020 kg·hm-2

2.2 土壤pH、含鹽量和有機質變化

由表2 可以看出，對比CK 處理，追施糞水顯著提高了土壤的pH 值(P＜0.05)，0～40 cm 的土壤含鹽量則表現為顯著降低。糞水還田能顯著提高土壤有機質含量，2019 和2020 年試驗結果表明，只做追肥處理(CK)的苜蓿土壤有機質含量下降，而糞水還田的苜蓿地則土壤有機質含量顯著提高。

表2 不同處理下土壤pH、含鹽量和有機質變化Table 2 Changes on soil pH，salinity and organic matters under different treatments

2.3 土壤銨態氮、有效磷和速效鉀含量變化

由表3 可看出，對照試驗前土壤各指標，糞水澆灌處理的苜蓿土壤銨態氮含量顯著降低，表明僅靠土壤中的氮素不能滿足苜蓿生長需要。而只追肥處理(CK)的苜蓿土壤銨態氮含量顯著高于試驗前的土壤含氮量，追肥112.5 kg/hm2+澆灌糞水360 m3/hm2的處理除土壤銨態氮含量有小幅降低外，有效磷和速效鉀的含量與試驗前基本一致，說明僅靠澆灌糞水不能滿足苜蓿對氮、磷、鉀素的需求，但結合澆灌糞水能降低肥料施用量，提高肥料利用效率。

表3 2019、2020 年不同處理下土壤銨態氮、有效磷和速效鉀的變化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 土壤重金屬含量變化

由表4 可看出，不同處理對土壤不同重金屬含量影響效果不同，對比試驗前各土壤重金屬含量，可看出澆灌糞水能加快土壤銅和鋅含量的積累，鎘和鉛的含量則變化不大。澆灌糞水處理的銅和鋅含量顯著高于只追肥處理(P＜0.05)，而土壤鎘和鉛含量無顯著差異(P＜0.05)。

表4 2019、2020 年不同處理下土壤銅、鎘、鉛和鋅含量的變化Table 2 Changes of Cu，Cd，Pb and Zn of soil under different treatments in 2019 and 2020 mg·kg-1

3 討論

經過固液分離發酵后的奶牛糞水含有一定量的氮、磷、鉀，灌溉農田既可增加土壤營養元素含量，同時也可能增加農田養分的流失。前人研究[15]表明，連續多年養殖糞水灌溉后的土壤表層堿解氮、有效磷和速效鉀的含量明顯增加，養殖場糞水灌溉10～20 年后可顯著增加土壤表層銨態氮、硝酸鹽、有效磷、速效鉀、全氮、全磷和有機碳的含量，但對土壤全鉀含量的影響不明顯。本試驗研究中澆灌奶牛糞水可顯著提高河北東部苜蓿第1、2 茬的產量，可能是由于河北東部春季干旱嚴重，苜蓿返青前灌溉糞水有利于解決苜蓿春季干旱問題，同時糞水中含有一定量的氮、磷、鉀等營養元素，因此可提高苜蓿產量。到第3、4 茬苜蓿生長期，河北東部降雨增多，追施的苜蓿專用肥已發揮作用，追肥處理的第3、4 茬苜蓿產量較高。畜禽飼料中添加的銅、鋅90%以上以糞尿形式排到體外[16]，根據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》(GB/T15618—2018)中不同pH 值的土壤重金屬標準限值，對照和沼液還田后的土壤中銅、鋅、鎘和鉛含量均未超過農用地土壤污染風險篩選值，但沼液長期還田對土壤中各重金屬含量的影響及積累效應則需要連續多年的監測。

4 結論

本試驗結果表明，苜蓿地春季追肥結合澆灌糞水能顯著提高苜蓿產量，同時能降低肥料施用量。2019、2020 年春季追肥112.5 kg/hm2結合澆灌糞水360 m3/hm2的處理全年苜蓿干草產量分別達到15 506.5 kg/hm2和15 548.0 kg/hm2，顯著高于其他處理。同時澆灌糞水能降低0～40 cm 耕層土壤的含鹽量，提高土壤有機質含量。但僅靠澆灌糞水并不能滿足苜蓿對氮、磷、鉀等的需要，而追肥結合澆灌糞水不僅能提高肥料利用率，還能降低肥料使用量。苜蓿地塊短期澆灌糞水可能會造成土壤銅、鋅等重金屬含量的積累，但不會造成鎘和鉛含量的提高，但長期施用沼液對土壤重金屬含量的影響則需要進一步探究。