施肥處理對稀土尾礦王草農藝性狀、產量及品質的影響

歐 翔,雷小文*,陳榮強,邱靜蕓,張 強,歐陽克蕙,劉 崢,徐樹明,李建明

(1.贛州市畜牧水產研究所,江西 贛州 341401;2.江西農業大學動物科學技術學院,江西 南昌 330045;3.定南縣農業農村局,江西 定南 341900;4.定南縣鼎瑞牧業有限公司,江西 定南 341909)

贛南地區離子型稀土礦是我國最重要的重稀土來源之一,產量居世界第一[1]。特殊的浸礦開采工藝、長年累月的亂采濫挖及滯后的環境保護,使該區生態環境遭受了嚴重破壞[2]。植物修復具有投資少、易管理、無二次污染等優點[3],是當前稀土尾礦修復的主要技術之一。但稀土尾礦因土壤酸化沙化,營養物質和有機質缺乏,土壤微生物多樣性及功能減弱等問題抑制了地表植被的建立,成為植物修復最主要的障礙之一[4-5]。王草(Pennisetumsinese)是禾本科狼尾草屬多年生草本植物,其根系發達,須根繁茂交織成網狀,在不同環境下都具有極強的適應性,被廣泛應用于荒山荒坡生態環境治理中[6]。同時,王草莖葉柔嫩多汁、適口性好、營養豐富的特性深受牛羊喜食,是南方地區極具潛力的優質青飼料[7]。因此,在稀土尾礦區種植王草,既能改良土壤,修復稀土尾礦,又可建立種草養牛-牛糞還田種草的循環模式,具有良好的經濟效益和生態效益。本團隊前期研究發現,王草能夠適應稀土尾礦的生長環境,但野生環境下,稀土尾礦種植的王草存在生長速度慢、產量低、品質差的問題。

土地復墾可顯著改善離子型稀土尾礦土壤浸礦劑殘留和土壤酸化問題,但不能有效提升土壤肥力[8]。植物修復需施肥處理,但施用化肥不能有效改善稀土尾礦土壤有機質缺失、土壤菌群失調的現狀[9],并且,長期施用化肥易導致礦區土壤pH下降、土壤結構和生物多樣性退化等問題[10]。有機肥對提升作物產量和品質、改良土壤的作用優于化肥[11],適宜用作尾礦修復。牛糞是我國南方重要的有機肥來源,因其重金屬含量低,提高土壤微生物量碳氮效果好而優于豬糞[12],并可直接由王草養殖肉牛獲取。牛糞發酵產生的腐熟牛糞、沼液可有效提升土壤肥力和有機質含量,改善土壤微生物系統,滿足作物營養需求[13-14]。而牛糞養殖蚯蚓產生的蚯蚓糞同樣可以有效提升作物生物量[15],其對提升土壤有機質和陽離子交換量,改善土壤理化性質的效果均優于腐熟牛糞[16]。蚯蚓糞是一種高效的土壤修復劑,可顯著增強土壤微生物和酶的活性,調節土壤容重,改善持水率,有效減少礦區養分流失[17-18]。目前關于蚯蚓糞的研究主要集中于鹽堿地、重金屬污染耕地等土壤改良[19-20],以及在促進蔬菜、水稻等植物生長上的應用[21-22],而將其應用于改良稀土尾礦土壤,對種植王草的生長發育、產量、營養品質的效果尚需進一步探索。因此,本研究設置沼液、腐熟牛糞、蚯蚓糞作為施肥處理,并以化肥處理為對照,跟蹤研究了不同施肥處理對離子型稀土尾礦種植王草連續三年的農藝性狀、產量和品質影響,并用模糊數學隸屬函數法對各施肥處理的飼用價值進行綜合評價,尋找稀土尾礦王草種植的最佳施肥組合,為稀土尾礦生態修復和南方草牧業發展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于江西省贛州市定南縣嶺北鎮蔡陽村鼎瑞牧業有限公司。定南縣(24°78′N,115°02′E)稀土資源豐富,是首批11個國家稀土規劃礦區之一,屬中亞熱帶季風濕潤氣候區,境內氣候溫和,多年最高氣溫38℃,年平均氣溫19℃,無霜期293 d,年均日照時數為1 777.1 h,年均降雨量1 520.4 mm。試驗礦區地表裸露,幾乎無植被覆蓋,土壤質地為沙質壤土,pH 4.33,容重1.3 g·kg-1,有機質2.3 g·kg-1,全氮0.06 g·kg-1,全磷0.24 g·kg-1,速效鉀56.68 mg·kg-1,土壤主要重金屬分別為砷16.61 mg·kg-1,鉛72.07 mg·kg-1,鉻6.17 mg·kg-1,鎘0.04 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

試驗種植品種為‘熱研4號’王草(Pennisrtumpurpureumxptyphoidevm‘Reyan No.4’),沼液、腐熟牛糞、蚯蚓糞由定南縣鼎瑞牧業有限公司提供,其養分含量見表1。

1.3 試驗設計

采用田間隨機區組試驗設計,設置6種施肥處理：CK(化肥)、Z(沼液)、N(腐熟牛糞)、N+Z(腐熟牛糞+沼液)、Q(蚯蚓糞)、Q+Z(蚯蚓糞+沼液),組間緩沖帶1 m,每組5個小區共計30個小區,每個小區30 m2(5 m×6 m)。各施肥處理施氮量均在1 000 kg·hm-2左右,根據N總量計算各有機肥施用量,CK組施用噴漿硫酸鉀復合肥(N-P2O5-K2O比例為14∶16∶15,總養分≥45%),其余組沼液、腐熟牛糞、蚯蚓糞施用量見表2。2020年5月11日翻耕土地,按行株距1.0 m×1.0 m種植王草,所有施肥處理在種植前及每年出芽前條施基肥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 各處理施肥用量Table 2 Fertilization amount of each treatment

1.4 農藝性狀與產量測定

根據王草長勢情況,2020年分別于7月31日、9月16日、11月3日共進行3次刈割測量,2021年分別于5月12日、6月24日、8月26日、10月21日共進行了4次刈割測量,2022年分別于5月30日、7月16日、9月17日、11月5日共進行了4次刈割測量。隨機抽取3個小區,每個小區去邊行后隨機選取6株留茬10 cm刈割,分別測量株高、分蘗數、莖粗(所有分蘗莖粗平均值)、葉片數、單株鮮重,去邊行后刈割小區內全部王草推算鮮草產量。

1.5 營養品質與重金屬含量測定

采用2020年第3次、2021年第4次、2022年第4次刈割的各組王草作為分析對象,樣品帶回實驗室后于烘箱中105℃殺青2 h后65℃烘干至恒重,粉碎保存,分別測定粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、粗灰分、砷、鉛、鉻、鎘含量。其中粗蛋白的測定采用凱氏定氮法,粗脂肪的測定參照GB/T 6433-2006,粗纖維的測定采用過濾法,參照GB/T 6434-2006執行,粗灰分的測定參照GB/T 6438-2007,砷含量測定參照GB/T 13079-2006,鉛含量測定參照GB/T 13080-2018,鉻含量測定參照GB/T 13088-2006,鎘含量測定參照GB/T 13082-2021。

1.6 數據分析及綜合評價

利用Microsoft Excel 2013進行數據統計分析,Spss 24.0進行方差和顯著性分析,結果以平均值±標準差(Mean±SD)表示。

采用模糊數學隸屬函數法對各施肥處理的飼用價值進行綜合評價。其中株高、分蘗數莖粗、葉片數、產量、粗蛋白、粗脂肪為王草飼用價值的優良指標,數值最大為最優,則可用以公式(1)表示。粗纖維、粗灰分為王草飼用價值的劣性指標,數值最小為優,則用公式(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為評價對象數,n為評價指標數。Xij表示第i評價對象第j性狀值;Xjmax、Xjmin分別表示m個評價對象第j性狀集合的最大值和最小值。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對王草農藝性狀的影響

由表3和圖1可知,腐熟牛糞、蚯蚓糞處理組王草株高較CK組三年均有顯著提升。Q+Z組最高,2022年株高達229.46 cm,較CK組提升了97.52%,較2020年提升了14.76%。各處理組各茬株高2020年第二茬均最低,后兩年蚯蚓糞處理組除Q組2021年外,其余均在第三茬達到峰值,其中Q+Z組2022年二三茬間增幅達5.85%,其余處理組均在第二茬達到峰值后逐茬下降。

各施肥處理2020年分蘗數組間差異不顯著,后兩年蚯蚓糞組最高,其中Q+Z組2022年分蘗數達29.32,顯著高于腐熟牛糞組,較CK組提升了545.81%,較2020年提升了233.94%。各處理組各茬分蘗數2020年趨勢基本一致,2021年開始腐熟牛糞組均于前兩茬升高后快速下降,蚯蚓糞處理組2021年二三茬間持平或略有上升,在第四茬達到峰值,2022年持續上升,在第三茬達到峰值后下降。

各施肥處理2020年莖粗僅N+Z組有顯著提升,后兩年蚯蚓糞處理組均顯著提升,其中2022年Q、Q+Z組莖粗達15.58 mm,15.86 mm,顯著高于其他處理組,分別較CK組提升了41.25%,43.79%。蚯蚓糞處理組各茬間連續三年均于第二茬達到峰值后下降,其余組趨勢基本一致并在2020年、2022年第一茬峰值后迅速下降。

腐熟牛糞、蚯蚓糞處理組王草葉片數較CK組三年均顯著提升,2022年蚯蚓糞組顯著高于腐熟牛糞組,Q、Q+Z組分別達205.93,246.49,較CK組提升了530.72%,654.95%,較2020年提升了23.13%,51.32%。腐熟牛糞組各茬間波動較大,后兩年N、N+Z組第二茬后下降幅度分別達46.10%,52.44%和50.45%,41.23%,蚯蚓糞組后兩年各茬均維持較高水平,降幅較小。

表3 不同施肥處理下各年度王草農藝性狀均值Table 3 Average agronomic traits of king grass under different fertilization treatments in each year

2.2 不同施肥處理對王草單株重及產量的影響

由表4及圖2可知,腐熟牛糞、蚯蚓糞處理組王草單株重較CK組三年均有顯著提升,其中Q+Z組2022年達3.7 kg,較CK組提升了421.13%,除Q組2021年略低外,蚯蚓糞處理均高于腐熟牛糞處理組,但組間差異不顯著。Z組無顯著提升。2020年蚯蚓糞處理組第一茬顯著高于其余處理,但第三茬下降至與腐熟牛糞組同一水平,后兩年各處理單株重均在第二茬峰值后下降,第四茬最低,N,N+Z,Q,Q+Z組二三茬2021年降幅為62.61%,67.56%,39.17%,25.88%,2022年降幅為53.62%,50.13%,16.36%,29.03%。

蚯蚓糞處理組王草年產量顯著高于其他處理組,其中Q+Z組最高,三年產量分別較CK組提升了727.24%,958.53%,741.00%,且后兩年顯著高于Q組,Z組僅2021年產量有顯著提升。各處理組產量排序為Q+Z >Q >N>N+Z >Z >CK。不同施肥處理各茬產量趨勢與單株重基本一致,N,N+Z,Q,Q+Z組二三茬2021年降幅為51.96%,54.07%,35.03%,28.69%,2022年降幅為37.91%,39.74%,17.85%,17.98%。

圖1 不同施肥處理下王草農藝性狀各茬趨勢Fig.1 Trends of agronomic traits of king grass under different fertilization treatments

2.3 不同施肥處理對王草營養品質及重金屬含量的影響

腐熟牛糞、蚯蚓糞處理對王草營養品質有顯著影響(表3),2020-2022年,粗蛋白含量Q+Z組值最高,依次是Q,N+Z,N,Z組。其中,Q+Z組的粗蛋白含量較CK組分別提高了117.46%,247.37%,226.28%。

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粗脂肪含量2020年各處理均較低,2021年開始Q+Z組最高,分別較CK組提升了11.97%,39.51%,N,Q組僅2022年有顯著提升。

粗纖維含量2020年Q組最低,較CK組降低了12.35%,2021-2022年Q+Z組最低,分別較CK組降低了19.18%,23.32%,其他處理組2021年與CK組無顯著差異,2022年除Z組外均顯著低于CK組。

粗灰分含量2020年各組均在5%～6%左右,2021-2022年Q+Z組最低,較CK組降低了62.83%,54.81%,N+Z,N組三年與CK組均無顯著差異,Z組2021年顯著降低但第三年無顯著差異。

不同施肥處理王草地上部分除2020年未檢測出鎘外,其余年份均檢測出重金屬。各處理組王草砷、鉛、鉻、鎘含量均符合《GB 13078-2017 飼料衛生標準》(表4),可作為反芻動物飼料使用。不同施肥處理中除N組2021年鉛、鉻含量較CK組有所升高外,其他處理重金屬含量較CK組均有所降低。

除2021年鎘含量高于N組外,鎘、砷、鉛、鉻含量均最低并顯著低于CK組,2022年較2021年分別降低了82.93%,88.10%,59.44%,59.27%。2021年N+Z組鎘含量低,其余與蚯蚓糞處理組差異不顯著。除2020年Q組砷、鉛略高外,砷、鉛、鉻含量均為蚯蚓糞處理組最低。Z組除2021年鉛、鉻略低外,其余均高于腐熟牛糞和蚯蚓糞處理組。

表4 不同施肥處理對王草重金屬含量的影響Table 4 Effects of different fertilization treatments on heavy metal content in king grass 單位：mg·kg-1

2.4 不同施肥處理對王草飼用價值綜合評價

將王草3年各性狀平均值分別帶入隸屬函數公式(1)、公式(2),可得到不同施肥處理的王草各性狀的隸屬函數值(表5),綜合值越大,說明該處理的飼用價值越高。Q+Z組飼用價值逐年升高,Q組略有下降但仍維持較高水平,N,N+Z,CK組快速下降,Z組各年持平,綜合三年王草飼用價值排序為Q+Z>Q>N+Z>N>CK>Z。由此可見,施用蚯蚓糞對贛南稀土尾礦王草飼用價值有提升作用,Q+Z組(蚯蚓糞+牛沼液)效果最佳。

表5 不同施肥處理下王草各性狀的隸屬函數值Table 5 Subordinate function values of king grass characters under different fertilization treatments

3 討論

3.1 不同施肥處理對王草農藝性狀和產量的影響

養分是陸地生態系統生產力的重要限制因素,贛南地區離子型稀土尾礦區土壤極度貧瘠,植物生長緩慢、植株矮小,通過添加糞肥、沼液等基質提升土壤有機質和氮磷鉀含量,改善土壤理化性質,促進植物生長是目前較為有效的植物修復方式[23-24]。Song等[25]研究發現,鹽漬土壤中施用蚯蚓糞可有效提升土壤酶活性,顯著提高雜交狼尾草葉綠素含量和凈光合速率,促進植株生物量積累。張正昊等[26]研究發現,在沙化土壤中添加20%牛糞可改善土壤理化性質,顯著提升油葵和紫花苜蓿的株高和生物量。Greenberg等[27]研究發現,在沙質土壤中施用沼液可增加土壤有機碳,但未能提升黑麥的地上生物量。本研究結果也發現,蚯蚓糞和腐熟牛糞單施或配合沼液均能顯著提升王草株高、分蘗數、莖粗、葉片數、單株重和產量,施用沼液未能顯著提升王草農藝性狀和產量。

本研究中,Q+Z組的農藝性狀和產量處于較高水平,并在第二年開始高于或顯著高于其他處理,可能的原因在于相較于Q組,施用沼液提高了土壤水分含量,進而增加了葉片葉綠素含量和光合作用速率[28],提高了王草生物量,同時蚯蚓糞改良了土壤孔隙度,提升了微團聚體含量,緩解了沼液中營養成分的淋失;相較于N+Z組,蚯蚓糞有機質、全氮、全鉀含量與腐熟牛糞相當,但全磷含量達3.15%,是腐熟牛糞的2.05倍。研究表明,磷素、氮素是陸地生態系統最主要的限制元素[29]。磷素可通過影響光合作用過程進而影響作物生物量的積累,蚯蚓糞中較高的磷含量可有效提升王草生物量。同時,牛糞經蚯蚓消解為蚯蚓糞后將顯著提升硝態氮占全氮的比例[30],而硝態氮是高等植物主要吸收的氮形態[31],在等氮施肥的前提下,施用蚯蚓糞的氮素吸收效率要高于施用腐熟牛糞,可有效促進王草葉片和植株發育,提高葉片數和產量。但本研究中第一、二年Q組與N組各農藝性狀指標差異不顯著,可能的原因是蚯蚓糞和腐熟牛糞的含水量均較低,稀土尾礦區沙質土壤保水性差,干旱脅迫降低了王草葉片氣孔導度,阻礙了CO2供應[32],降低了葉片光合速率,影響王草生物量的積累。Z組除第一年葉片數和第二年產量有顯著提升外,其余年份農藝性狀和產量均無顯著提升,可能的原因是本試驗中沼液的有機質和氮磷鉀含量較低,且稀土尾礦區沙質壤土保水保肥能力差,氮磷徑流流失量較高,限制了王草生物量的積累。

通過施肥處理改良稀土尾礦并種植王草,可建立種草養牛-牛糞還田種草的循環模式,在該循環中,王草每次刈割后均能保持一定的長勢和產量,維持肉牛飼喂需求,是施肥處理需要解決的關鍵問題。本研究中,不同施肥處理對王草各茬農藝性狀和產量影響各有不同。從農藝性狀上看,Q+Z組的分蘗數、葉片數在第二年開始均逐茬上升,第三年達到峰值,株高第二年開始二三茬間保持上升趨勢,莖粗第二年后于第二茬開始下降,但仍維持較高水平,Q組雖不及Q+Z組,但農藝性狀指標后兩年仍保持較高水平,N組和N+Z組第二年開始農藝性狀于前兩茬達到峰值后斷崖式下降。從單株重和產量上看,N組和N+Z組除第三年二三茬間產量降幅較小外,其余年份單株重和產量降幅均超過50%。Q組和Q+Z組單株重和產量后兩年二三茬間降幅均較小,第三年產量僅下降17.85%和17.98%。本研究中,蚯蚓糞處理對維持王草各茬長勢和產量的效果均優于腐熟牛糞處理。相較于腐熟牛糞,蚯蚓糞可有效改善土壤總孔隙度和容重,提升有機質和<10 μm粒級微團聚體含量,提高土壤中蔗糖酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性[33],是一種優質的土壤改良劑。養分更加豐富且活性更強的蚯蚓糞在每茬刈割后追施,其持續的土壤改良作用可有效維持土壤供肥性能,同時養分的緩慢釋放能在不同時期為王草提供充足的養分,維持王草長勢和產量[34]。

3.2 不同施肥處理對王草營養品質及重金屬含量的影響

王草葉片柔軟、鮮嫩多汁,是一種適宜飼喂畜禽的青飼料,在正常耕地土壤中種植王草的粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、粗灰分含量分別在7.51%～11.80%,2.06%～6.09%,33.22%～41.04%,10.15%～12.87%之間[35-37],其粗蛋白、粗脂肪含量高于玉米,具有較高的營養價值。本研究中Q組和Q+Z組粗蛋白含量在7.29%～8.94%之間,粗脂肪后兩年在4.17%～4.52%之間,處于正常土壤種植王草的營養品質水平內,粗纖維、粗灰分含量較CK組顯著下降,并低于正常耕地土壤種植王草。鐘云平等[38]研究發現,施用蚯蚓糞能有效提升稀土尾礦區種植的桂牧1號象草的粗蛋白含量,降低粗纖維含量,且隨施入量的提高差異越顯著,與本研究相似。劉占偉等[39]研究發現,施用牛糞堆肥或配施沼液均可顯著提升青貯玉米粗蛋白含量,但單獨施用沼液用量在60 m3·hm-2后粗蛋白含量呈遞減趨勢。本研究中N組和N+Z組粗蛋白含量較CK組有顯著提升,Z組施用161.4 t·hm-2沼液后粗蛋白含量較CK組顯著下降,與前人研究吻合。綜合粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、粗灰分指標來看,蚯蚓糞配施沼液對提升王草營養品質的效果最佳。

本試驗地中主要重金屬元素為砷、鉛、鉻、鎘。根據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618-2018),除鉛(70 mg·kg-1)外,該稀土尾礦區其余重金屬元素均在風險篩選值內,對農作物產品質量安全的風險一般可以忽略。王草是砷、鉛、鉻、鎘的耐性植物,適量的重金屬污染能提升王草生物量[40],同時王草還是砷、鉛、鉻的低富集植物,鎘的富集植物[41],其富集量均為地下部分高于地上部分[42]。本試驗地土壤重金屬含量較低,種植的王草地上部分重金屬較低符合飼料衛生標準,不同施肥處理中,Q+Z組和Q組較為顯著的降低了王草重金屬含量,可能的原因是蚯蚓糞可影響土壤可交換態重金屬含量,降低土壤重金屬濃度,起到鈍化劑的作用[43]。

3.3 不同施肥處理對王草飼用價值的綜合評價

粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、粗灰分含量是衡量王草營養價值的重要指標,株高、莖粗、分蘗數、葉片數和產量是顯示王草生長發育情況,影響王草種植的經濟效益和推廣價值的重要指標。本研究中不同指標排序結果不一致,而從某單一指標評價王草的飼用價值具有一定的片面性,需要進行多指標綜合評價。何振富等[44]運用隸屬函數法對甘肅臨夏地區10個青貯玉米品種的生產性能及飼用價值進行評價,鄒君洪等[45]利用隸屬函數法對川西北天然草地17種野生飼用植物進行飼用價值評價,與前人研究相似,本研究采用隸屬函數法對不同施肥處理王草的飼用價值進行綜合評價,結果更為客觀準確。結果顯示,Q+Z組第一年飼用價值第二,后兩年飼用價值第一,綜合三年飼用價值0.913 1,排序第一,其他處理組和CK組的排序依次為Q>N+Z>N>CK>Z。處理組間表現為蚯蚓糞組優于腐熟牛糞組,沼液配施組優于單一施肥組。

4 結論

贛南離子型稀土尾礦施用蚯蚓糞或腐熟牛糞,以及兩者配施沼液均能顯著提升王草農藝性狀、產量和品質,而蚯蚓糞單獨或配施沼液處理效果均優于腐熟牛糞,適宜作為離子型稀土尾礦區種植王草的較優施肥處理。