2. 中国科学院南京土壤研究所,南京 210008;
3. 南京晓庄学院,南京 211171
随着我国规模化、集约化畜禽养殖业的快速发展,产生大量的畜禽粪便,带来了巨大的环境压力和污染风险[1-2]。粪便还田利用作为畜禽粪便处置的主要方式,是实现其资源化循环利用的重要途径。合理施用粪肥能改善土壤肥力,提高作物产量和品质[3-6],但施用不当会引起土壤氮磷流失加剧,从而增加水体富营养化风险[7-8],粪肥中残留重金属和抗生素也会引起土壤重金属和抗生素污染[9-11]。因此,在规模化畜禽养殖方式占主体及粪便数量剧增的新形势下,需要进一步研究畜禽粪便还田安全利用的理论与技术,探明农田消纳畜禽粪便合理数量,使畜禽粪便还田在改善土壤肥力和促进作物生产的同时,避免农田土壤养分过量积累,对周边水体产生二次污染。目前,关于农田畜禽粪便安全消纳量的研究已成为关注热点[12-14]。
农田的畜禽粪便安全消纳量与诸多因素相关,粪便来源、粪肥制备方法、土壤类型与肥力、作物类型、气候条件、粪便用量与施用时间、化肥配施比例等都将影响畜禽粪便安全消纳量[12-15]。易云亮等[13]基于粪便中磷素含量,估算了稻麦轮作农田对猪粪的最大安全消纳量为23.36 t/(hm2·a),对生猪的最大承载量为60 head/(hm2·a)。吴金昕等[14]估算出农田对规模化养牛场有机废弃物的安全消纳量为30 ~ 45 t/(hm2·a)。张迪等[7, 12]在常规化肥用量减半条件下,估算了花生-萝卜轮作体系下红黏土、红砂岩、花岗岩发育红壤的最大猪粪安全消纳量分别为24、12、12 t/(hm2·a)。土壤肥力也是影响农田粪便消纳量的重要因子。同一母质不同肥力水平土壤的物理、化学和生物性质也存在差异,其氮、磷的转化,积累和迁移能力也会有所不同[16-17],但目前关于土壤肥力水平对畜禽粪便安全消纳量的影响鲜有报道。本文以我国南方广泛分布的红黏土母质红壤上常见的花生-萝卜轮作种植模式为例,在不同化肥配施条件下,通过分析梯度猪粪堆肥用量对高、低两种肥力红壤的氮、磷渗漏淋失,土壤养分和作物产量的影响,在综合考虑环境效益和经济效益的基础上,分别估算了两种肥力水平红壤的猪粪安全消纳量,初步探讨了不同肥力红壤的猪粪安全消纳量存在差异的可能原因,以期为南方红壤地区规模化生猪养殖快速发展条件下,猪粪的还田安全利用提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验地点位于江西省鹰潭市余江县境内中国科学院红壤生态实验站(116°55.30′E,28°15.20′N),该地区属于亚热带湿润季风气候,温热多雨,干湿季节变化较为明显,年平均气温17.7 ℃,无霜期262 d,年降水量1 754 mm,年蒸发量1 318 mm。降雨多集中在3—6月,其降水量占全年总降水量60%。试验期间(2013年)月降水量和月平均气温分布如图 1所示。
供试土壤为第四纪红黏土发育的红壤,分别采自江西省鹰潭市余江县刘家站农垦场新开垦荒地(低肥力水平)和附近耕种20 a以上旱地(高肥力水平)。两种土壤的颗粒组成相似,pH和全钾也很接近,但土壤有机质以及其他肥力指标则存在明显差异(表 1)。2011年12月开始盆栽试验准备,桶(高55 cm、直径35 cm塑料桶)底开孔接渗漏液接收装置;根据田间土壤层次(0 ~ 15 cm表层和15 ~ 50 cm下层)分层填装土壤。2012年4月初开始试验,试验设置3个化肥配施条件:不施化肥(F0)、常规化肥用量减半(F1/2)和常规化肥用量(F1)。在每个化肥配施条件下,以常规化肥磷用量为参照,再设置7个猪粪梯度用量:P0、P0.5、P1、P2、P4、P8、P16(表 2),分别代表 0 ~ 16倍常规化肥磷投入量,其中P1处理的猪粪用量相当于当地熟耕红壤的猪粪习惯用量,P2处理的猪粪用量相当于当地新垦红壤的猪粪习惯用量。每种肥力土壤有21个处理,每个处理3次重复。当地化肥常规用量为:N 100 kg/hm2、P 50 kg/hm2、K 100 kg/hm2,施用的化肥包括尿素(N≥464 g/kg)、钙镁磷肥(P2O5≥120 g/kg)和钾肥(KCl,K2O≥600 g/kg)。施用的猪粪为堆腐处理过的猪粪,2013年所施用猪粪的基本性质为:含水量750 g/kg、pH 7.9、TOC 316.2 g/kg(以干重计,下同)、全氮30.95 g/kg、全磷18.17 g/kg、全钾12.84 g/kg。每年4月5日前后播种花生,播种前将化肥、猪粪与表层土壤混匀。花生品种为赣花5号,每盆播种4颗,间苗后保留2株。8月中旬收获。花生收获后不久(8月下旬)种植填闲作物萝卜,品种为浙大长萝卜,每盆播种7 ~ 8粒,间苗后保留2株,在12月下旬收获萝卜,收获后至次年3月为休耕期。每年除了在花生播种前以基肥形式施入所有肥料(包括腐熟猪粪)外,花生生长期间和萝卜这一季均不再施用任何肥料。考虑盆中土壤结构稳定需要较长时间,因此本文是以试验实施第二年(即2013年)的试验监测数据为基础进行分析研究。
水样:雨季时(4—6月,图 1),降雨频繁且降雨量大,每10 d左右采集一次水样,测定有关指标,取平均值作为该月的有关指标值;旱季时每月取样1次,即把该月主要降雨事件后所能产生的渗漏水收集在一起作为一个样。具体采样时间视实际降雨情况而定。样品采集后于4 ℃保存,在一星期内测定完水中NO3--N、NH4+-N、总磷(TP)浓度;样品量较多时,样品冷冻保存,在一个月内分批解冻测定有关指标。
土样:收获完萝卜后(2013年12月底),采集表层土壤(0 ~ 15 cm)样品。样品风干后过10目筛,测定土壤有效磷、NO3--N、NH4+-N含量。
作物:花生成熟后人工收获,花生荚果自然风干后称重计产。萝卜收获后,去除表面粘附的明显土粒,称重计产。
1.3.2 分析方法水样的NO3--N、NH4+-N、TP浓度采用Smartchem200全自动流动分析仪(AMS- Westco,意大利)测定,土壤有效磷采用Olsen法测定,速效氮采用碱解扩散法测定[18]。另外,供试土壤和猪粪的基本性质也是参照有关农化分析标准方法进行测定[18]。
1.4 数据统计分析数据的方差分析和相关分析均是采用SPSS 16.0完成,其中处理间差异显著性分析采用LSD检验法(P≤0.05)。文中各图是通过Excel 2007和OriginPro 8.5完成,数值表示为3次重复的平均值和标准差。
2 结果与分析 2.1 不同肥力红壤的氮磷淋失特征 2.1.1 NO3--N淋失特征两种肥力红壤渗漏水NO3--N浓度的动态变化如图 2所示。渗漏水NO3--N最高浓度均出现在5月份(播种施肥一个月后),此后渗漏水中NO3--N浓度则迅速降低。自7月份起(播种施肥3个月后),渗漏水中NO3--N浓度基本上都维持在很低的水平(< 0.5 mg/L),但在9月份(播种萝卜后约一个月),高肥力红壤的渗漏水NO3--N浓度出现了第二次峰值(> 0.5 mg/L),在配施化肥条件下(F1/2和F1)更为明显,而低肥力红壤无此现象。7月以后,高、低肥力红壤在3个化肥用量水平上的所有猪粪用量处理的渗漏水NO3--N浓度均远低于地下水III类质量标准限值(NO3--N浓度≤20 mg/L,GB/T 14848- 1993)。
总体来看,在渗漏水NO3--N检出浓度最高的5月份(图 3),两种肥力红壤的渗漏水NO3--N浓度均呈现随着猪粪用量的增加而升高的趋势,高肥力红壤的渗漏水NO3--N浓度远高于低肥力红壤。对于低肥力红壤,在不施或配施化肥条件下,所有猪粪用量处理包括高达当地常规用量8倍处理(P16)的渗漏水NO3--N浓度均低于地下水III类质量标准限值(≤20 mg/L)。但对于高肥力红壤,在不施化肥情况下(F0),当猪粪用量为P2及其以上时,渗漏水NO3--N浓度就会超过地下水III类质量标准限值(简称超标,下同);在化肥用量减半情况下(F1/2),除了不施猪粪处理(P0),所有添加猪粪处理的渗漏水NO3--N浓度均超标;在常规化肥用量情况下(F1),不施猪粪处理和所有施用猪粪处理的渗漏水NO3--N浓度均超标,其浓度最高可达到114.5 mg/L,是地下水III类质量标准限值的近6倍。
两种肥力红壤的渗漏水NH4+-N浓度动态变化如图 4所示。所有处理的渗漏水NH4+-N浓度随时间的变化基本一致:在播种花生的当月(4月),渗漏水NH4+-N浓度最高,随后迅速降低;7—12月,渗漏水中NH4+-N浓度始终保持很低的水平,甚至检测不到。
总体来看,在渗漏水NH4+-N检出浓度最高的4月份(图 5),两种肥力红壤的渗漏水NH4+-N浓度均表现出随着猪粪用量的增加而升高的趋势;在同一猪粪用量和化肥配施条件下,高肥力红壤渗漏水NH4+-N浓度一般都高于低肥力红壤,尤其在常规化肥用量和减半用量情况下(F1和F1/2),差异达到显著水平(P < 0.05)。对于低肥力红壤,在不施(F0)或配施化肥条件下(F1/2、F1),只有高用量猪粪P8、P16处理的渗漏水NH4+-N浓度高于地下水III类质量标准限值(NH4+-N浓度≤0.2 mg/L,GB/T 14848–1993)。对于高肥力红壤,在不施化肥条件下(F0),只有高量猪粪处理P8、P16的渗漏水NH4+-N浓度高于地下水III类质量标准限值(简称超标,下同);配施化肥时(F1/2和F1),高肥力红壤所有处理的渗漏水NH4+-N浓度均超标。
两种肥力红壤在不施或配施化肥条件下的所有猪粪用量处理的渗漏水总磷浓度都很低或检测不到(结果未列出)。以最高猪粪用量处理(P16)为例,两种肥力红壤的渗漏水总磷浓度动态变化如图 6所示。不论是否配施化肥,渗漏水中总磷浓度都很低。目前地下水质量标准尚未对地下水制定磷含量标准限值,如果以我国《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)III类水质量总磷标准限值0.05 mg/L(湖、库水)作为地下水磷含量的安全阈值,所有猪粪用量处理的渗漏水总磷浓度均低于这一限值,基本上没有引起环境问题的磷素淋失风险。
猪粪施用对不同肥力红壤NO3--N和NH4+-N的影响如图 7所示。在不施化肥(F0)或配施化肥(F1/2和F1)情况下,同一猪粪用量条件下的高肥力红壤土壤NO3--N含量总体上均高于低肥力红壤(除了F0和F1/2的最高猪粪用量P16处理)。与不施猪粪处理P0相比,两种肥力红壤的P0.5 ~ P8猪粪用量处理均无明显的NO3--N积累,但在P16猪粪用量下土壤NO3--N含量显著增加。与土壤NO3--N的表现相反,同一条件下,高肥力红壤的土壤NH4+-N含量总体上小于低肥力红壤。与不施猪粪处理P0相比,两种肥力土壤的最高猪粪用量P16处理的土壤NH4+-N显著增加,低肥力红壤的增加尤为明显,但P0.5 ~ P8猪粪用量处理的土壤NH4+-N无显著变化。
施用不同用量猪粪对不同肥力红壤土壤有效磷含量的影响如图 8所示。总体来看,随着猪粪用量的增加,高、低肥力土壤的有效磷均呈增加的趋势。对于低肥力红壤,在不施化肥和化肥用量减半条件下,随着猪粪用量的增加,土壤有效磷含量呈线性增加;而在常规化肥用量条件下,随着猪粪用量的增加,土壤有效磷含量呈指数型增加。对于高肥力红壤,在不施或配施化肥条件下,随着猪粪用量的增加,土壤有效磷含量均呈指数型增加。从有效磷积累的绝对量来看,同一条件下,高肥力红壤的有效磷增加值显著高于低肥力红壤。在最高猪粪用量下(P16),不同化肥配施处理(F0、F1/2和F1),高肥力红壤的有效磷较不施猪粪处理(P0)分别增加了137.1、204.3、208.7 mg/kg,而低肥力红壤仅增加了49.03、59.62、59.54 mg/kg。低肥力红壤仅在配施化肥F1/2和F1条件下的最高猪粪用量P16处理的有效磷含量超过环境风险阈值60 mg/kg[19],而高肥力红壤在F0、F1/2、F1条件下猪粪用量分别超过P4、P2、P2时均有超标风险。
猪粪施用对不同肥力红壤花生产量的影响如图 9所示。总体来看,在相同猪粪以及化肥配施条件下,高肥力红壤的花生产量明显高于低肥力红壤。对于低肥力红壤,在不施或配施化肥条件下,花生产量均随着猪粪用量的增加而不断增加。但对于高肥力红壤,当猪粪用量在P4以上,花生产量的增加不显著。后茬填闲作物萝卜的产量对于在前茬花生实施的不同猪粪用量处理下仍表现出明显的反应(图 10):随着猪粪用量的增加,低肥力红壤的萝卜产量呈现指数增加;猪粪用量从P0增加到P4,高肥力红壤的萝卜产量呈线性逐渐增加,当猪粪用量增加到P8时,萝卜产量呈指数式急增。
从本研究的试验结果来看,红壤氮素淋失的主要形态是NO3--N,NH4+-N的渗漏淋失比较小,这与以前很多研究的结论相一致[20-23]。NO3--N的渗漏淋失主要发生在5月(即施肥播种后的第二个月),这主要与当地的气候条件和作物生长有关。江西鹰潭的5月温暖多雨,一方面由于降雨使得NO3--N伴随着雨水下渗而产生渗漏淋失[24],另一方面由于高温使得施入土壤中的氮素大量转化成NO3--N,导致了渗漏水中NO3--N浓度增加[25-26]。另外,在花生的生长初期,对养分(氮素)的需求不是很高,植物根系吸收截留的土壤氮素也很有限,这也是NO3--N在5月出现峰值的另一个原因[27]。
NH4+-N的淋失主要集中在4月份,这主要也是因土壤特性、作物生长、气候条件所致。红壤属于可变电荷土壤,阳离子交换量一般较低,因此红壤对NH4+的吸附较弱,这可能是红壤出现NH4+-N淋失的主要原因[7, 21]。江西鹰潭的4月气温较低,土壤硝化作用不强,而4月也是多雨季,施用猪粪后产生的大量NH4+-N伴随着雨水下渗,而且由于花生种子刚播种下去,这一期间花生处于发芽和幼苗期,植物根系对NH4+-N吸收截留非常有限,这可能是早期渗漏水中出现高浓度NH4+-N的主要原因。以后随着气温升高,NH4+-N绝大部分在硝化作用下转化成NO3--N,因此后面几个月渗漏水中NH4+-N浓度均无明显变化,保持在一个很低的水平上。这一结果与其他研究者观察到的现象相一致[21, 23, 28]。
从磷素渗漏来看,即使在最高猪粪用量下,高、低肥力红壤的渗漏水磷浓度依然在一个很低的水平上,基本上无磷淋失环境风险(图 6)。这主要是因为红壤有很强的固磷能力[19, 29-30],猪粪和化肥中的磷绝大部分都吸持在土壤固相部分,并没有进入到土壤水中。与之相一致,红壤表层土壤有效磷含量随着猪粪用量的增加而增加(图 8)。
3.2 土壤肥力对施用猪粪条件下红壤氮素渗漏淋失的影响本试验的结果表明,在NO3--N渗漏淋失高峰期,高肥力红壤的渗漏水NO3--N浓度均显著高于低肥力红壤(图 3)。这一方面是因为高肥力红壤本身具有较高的氮水平(表 1),另一方面可能是与低肥力红壤硝化能力相对较弱有关。不同肥力的红壤,其中土壤养分含量、物理、化学、生物学特性也不同,从而导致不同肥力红壤中氮的转化、迁移也存在差异[16, 31]。有研究者针对不同肥力土壤进行小麦大田试验,发现高肥力土壤中残留的肥料氮量和肥料氮的损失量较高,并且肥力较高土壤,NO3--N下移较早,下移层次更深[32],这间接解释了高肥力土壤比低肥力土壤的NO3--N渗漏淋失较多,本试验结果与此一致。刘来等[33]研究指出土壤细菌数量与土壤有机质、全磷呈显著相关性,放线菌数量、过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶活性与养分呈显著相关性。微生物是氮素在土壤中矿化过程的重要参与者,它可以通过硝化作用和反硝化作用不断驱动氮素的转化[34-36]。王楠等[37]也从土壤微生物学特性角度解释了低肥力红壤在施肥处理下由于NH4+-N的积累,土壤还原性增强,抑制了过氧化氢酶的活性,使得微生物学过程的强度被削弱,因而导致了更多NH4+-N积累在土壤中。与这些研究相一致,本研究也发现在施用猪粪条件下低肥力红壤比高肥力红壤保留较多的NH4+-N(图 7)。本试验高肥力红壤的全氮显著高于低肥力红壤(表 1),推测由于低肥力红壤微生物数量少,对猪粪有机氮矿化作用和NH4+-N硝化作用的能力弱,而高肥力红壤中微生物的高硝化速率使得NH4+-N很难残留下来[31],因此高肥力红壤的NO3--N、NH4+-N积累呈现相反的趋势(图 7)。
3.3 不同肥力红壤的猪粪安全消纳量估算从地下水环境角度考虑,施用猪粪红壤基本无磷淋失环境风险,但渗漏水NH4+-N浓度在施肥后当月(4月)、NO3--N浓度在施肥后的第二个月(5月)会有超过地下水III类质量标准限值的风险(图 3、5、6)。对于低肥力红壤,不论何种化肥配施情况,其渗漏水NO3--N浓度均无超标现象,只有当猪粪用量超过P8时(P≥400 kg/(hm2·a))渗漏水NH4+-N浓度才会有超标风险,因而低肥力红壤的猪粪安全消纳量应不超过P 400 kg/(hm2·a)。对于高肥力红壤,不施化肥(F0)条件下,猪粪用量超过P8时,渗漏水NH4+-N浓度会有超标风险,但猪粪用量P2以上(P≥100 kg/(hm2·a))时渗漏水NO3--N就会有超标风险;在常规化肥用量减半配施条件下(F1/2),猪粪用量P0.5以上(P≥25 kg/(hm2·a))渗漏水NO3--N浓度会有超标风险,但所有猪粪用量处理的渗漏水NH4+-N浓度均有超标风险;在配施常规化肥用量条件下(F1),即使不施猪粪,其渗漏水NH4+-N和NO3--N浓度均有超标风险。因此,对于高肥力红壤,施用猪粪时应减少化肥用量甚至不施;在F0条件下,高肥力红壤的猪粪安全用量应不超过P 100 kg/(hm2·a)。
从土壤环境角度考虑,高、低肥力红壤都有着较强的固磷能力,施用猪粪土壤中的有效磷显著积累。根据魏红安等[19]和聂敏等[30]提出的亚热带红黏土红壤旱地Olsen-P 60 mg/kg临界值,比照我们的土壤有效磷数据(图 8),可以得出低肥力红壤在配施化肥条件下(F1/2和F1)的猪粪安全用量为不超过P16(P 800 kg/(hm2·a)),而高肥力红壤在不配施化肥(F0)情况下的猪粪安全用量为不超过P4(P 200 kg/(hm2·a),在化肥减半配施(F1/2)情况下的猪粪安全用量上限为不超过P2(P 100 kg/(hm2·a)),在常规化肥用量配施(F1)情况下的猪粪安全用量上限为不超过P1(P 50 kg/(hm2·a))。
从作物产量角度考虑,对于低肥力红壤,不论何种化肥配施情况,在猪粪最高用量P16仍使花生产量显著增加;但对于高肥力红壤,不施化肥(F0)情况下,当猪粪用量超过P4时花生产量不再显著增加;配施化肥(F1/2和F1)情况下,当猪粪用量至P2时花生产量不再显著增加。填闲作物萝卜的产量随着猪粪用量的增加一直呈增加的趋势(图 10),并没有出现产量反应的平台期,故而在红壤猪粪安全消纳量测算中不考虑萝卜产量这一因素。因此,从花生增产效应方面考虑,高肥力红壤的猪粪安全用量在不施化肥条件下为P 200 kg/(hm2·a),配施化肥条件下为P 100 kg/(hm2·a)。
4 结论1) 红黏土红壤的猪粪安全用量与其土壤肥力水平密切相关。红黏土红壤的渗漏养分淋失以NO3--N为主,高肥力红壤渗漏水中氮浓度明显高于低肥力红壤。猪粪施用条件下,土壤养分积累以磷素为主,对氮素积累的影响不显著。当猪粪用量超过一定水平后,高肥力红壤的花生产量不再随着猪粪用量的增加而增加,但低肥力红壤的花生产量随着猪粪用量的增加而一直呈增加趋势。综合考虑猪粪施用对地下水环境(氮、磷渗漏)、土壤环境(氮、磷积累)和作物产量等3个因素的影响效应及其安全范围,估算了两种肥力红黏土红壤的猪粪安全消纳量:在不配施化肥情况下,低肥力和高肥力红壤的猪粪安全消纳量分别为P 400、100 kg/(hm2·a),相当于含水量750 g/kg堆腐猪粪91.2、22.8 t/(hm2·a);在配施减半常规化肥用量情况下,低肥力和高肥力红壤的猪粪安全消纳量分别为P 400、25 kg/(hm2·a),相当于含水量750 g/kg堆腐猪粪91.2、5.7 t/(hm2·a))。
2) 为了最大限度地合理消纳猪粪,建议在红壤地区种植花生时将猪粪主要施用于低肥力红黏土红壤。对于高肥力红壤,应谨慎施用猪粪,如果确有消纳猪粪的需求,建议减少配施化肥量。
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