3. 贵州金农富平生态农牧科技有限公司, 贵州松桃 554100;
3. 松桃苗族自治县农业农村局, 贵州松桃 554100
随着生猪养殖规模化的发展,如何实现粪污资源化利用已成为制约行业可持续发展的关键问题。《农业农村部办公厅 财政部办公厅关于开展绿色种养循环农业试点工作的通知》(2021)[1]明确提出,应重点推进液体粪肥就近就地还田利用,着力构建低成本、低风险的液体粪肥还田技术体系。液体粪肥富含氮、磷、钾等速效养分,科学施用可提升作物产量并改善土壤质量[2-3],但其中潜在的重金属污染风险不容忽视。饲料添加剂中的大部分重金属元素会随动物代谢排出体外,导致粪肥中重金属残留问题突出[4]。粪液施用量与土壤–作物系统重金属累积量呈显著正相关[5],这提示科学的粪液用量是保障农田生态安全的关键。然而,当前粪液还田技术体系仍存在以下瓶颈:首先,不同养殖类型粪液重金属含量差异大,表现为集约化养猪场 > 养牛场 > 散户养殖;其次,不同农业系统对粪液的消纳能力存在显著差异,不同耕地类型消纳容量排序为杂交象草 > 速生用材林 > 叶类蔬菜 > 木本果树[6];再者,现有技术尚未建立差异化施用标准,难以适应区域农业多样性需求。值得注意的是,多项长期定位试验为粪液安全利用提供了科学依据。习彦花等[7]通过5年田间试验证实,白三叶草地按4.5 t/hm2年施用量连续施用粪液,在提升土壤有机质28.7% 的同时未引发重金属污染。陈园园等[8]研究显示,在玉米–小麦轮作体系中实施沼液配施模式,连续3年试验周期内作物籽粒重金属含量均低于国家食品安全标准。这些研究成果为构建区域适配的粪液还田技术体系提供了重要参考,但不同气候带、土壤类型及耕作制度下的粪液安全消纳仍需进一步验证。
在贵州喀斯特地区耕地资源有限的现实条件下,如何通过科学调控提升单位土地粪液消纳能力,成为破解种养结合瓶颈的关键。这一转型亟待通过系统研究构建基于区域土壤特性与农作制度的技术标准体系,以保障粪液资源化利用的生态安全性。象草(Pennisetum purpureum)为多年生C4植物,具有生物量大、根系发达、耐刈割、抗逆性强等优点[9],被广泛应用于各类土壤修复研究中。本研究针对贵州喀斯特地貌区“耕地碎片化、粪污消纳空间受限”的突出问题,通过构建象草粪液消纳梯度田间试验,对西南生态脆弱区规模化生猪养殖粪液消纳困境具有重要实践意义。
1 材料与方法 1.1 试验材料试验选址于贵州省铜仁市松桃县黄板镇(109.21°E,28.17°N),属典型喀斯特地貌农业区,供试土壤为黄壤。供试作物为桂闽象草(Pennisetum purpureum cv. Guiminyin),于2021年3月定植,栽培当年实行零施肥管理以消除前茬肥料干扰。本粪液消纳试验为连续2年的田间定位试验(2022年4月—2024年10月),试验所用粪液取自周边2 km范围内的规模化生猪养殖场。养殖场收集的粪污经过固液分离装置预处理后几乎拦截了绝大部分未被猪消化的饲料及猪毛等大颗粒物,液态部分进入串联的六级沉淀池系统进行无害化处理。该工艺通过多级自然沉淀逐步去除悬浮颗粒,并通过长时间的静置贮存进行厌氧发酵和自然沉降,从而显著降低粪液中的有害物质含量,并有效杀灭病原体及寄生虫卵,最终获得性质稳定的试验用粪液。供试土壤(耕作层)及粪液基本性状见表 1。
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表 1 供试土壤、粪液基本性状 Table 1 Characteristics of tested soil and separated pig digested slurry |
本研究以“种养结合、循环利用”的绿色发展理念为指导,针对现有液体粪肥还田技术缺乏差异化标准、难以适应区域农业多样性需求的瓶颈,聚焦集约化养猪场粪液量大的特点,选取消纳容量较高的象草–土壤系统为研究对象,通过构建“饲草安全–环境安全”双目标导向的梯度试验体系,系统探究猪粪液生态安全消纳阈值。试验设计综合考虑象草常规化肥施用规律与粪液养分特征,参照当地化肥施用习惯(苗期、拔节期及刈割后分别施用尿素300 kg/hm2)分3次浇灌粪液,浇灌粪液时选在晴朗无雨的天气进行,粪液浇灌量大的处理采用少量多次浇灌,避免粪液过快下渗。粪液浇灌量依据粪液全氮含量(0.68 g/kg)进行氮素当量换算,设置6个梯度粪液处理及常规化肥对照(CK),粪液处理具体包括:80%(F1)、100%(F2)、150%(F3)、200%(F4)、250%(F5)、300%(F6)氮素替代处理,每个处理10个重复。试验采用定制化隔离装置确保独立性:选用抗腐蚀PVC材质排污管(直径1.0 m×高0.4 m)构建环形围隔,垂直嵌入土层20 cm形成物理屏障,有效阻隔田面水侧渗和跨区迁移。供试象草定植密度按45 000株/hm2标准化种植,在试验期间,各处理间的田间管理措施均保持一致。
1.3 样品采集试验象草提前一年种植,生长期间不作任何施肥处理。象草一年割2茬,于粪液消纳试验开始后第二年在象草第二茬刈割时采集土壤和植株样品。测产后各处理每个重复随机取象草植株1 kg左右混合后留取3份每份1 kg的样品,105 ℃杀青30 min后65 ℃烘干用于测定粗蛋白含量。以5点采样法用直径50 mm的不锈钢土钻取各处理每个重复0~20 cm的表层土壤,去除根系、杂草、石块等杂质后充分混合,每个处理留取3份样品,每份1 kg;土壤样品自然风干,碾碎过100目筛,保存于自封袋中备用。
1.4 样品测定与方法粪液、土壤及象草植株的粗蛋白、全氮、全钾、全磷、碱解氮、速效钾、有效磷、Cu、Zn、Cd、As、Hg含量及pH由武汉普奈斯检测技术有限公司检测,检测方法如表 2所示。
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表 2 各项指标检测方法 Table 2 Analytical methods for measured parameters |
试验数据采用Excel 2019进行整理,采用SPSS 26进行统计分析,并运用Origin 2018进行绘图。以LSD法进行多重比较,差异显著水平为P < 0.05;采用Pearson法进行相关性分析。
2 结果与分析 2.1 粪液消纳对土壤重金属含量的影响从表 3可以看出,试验地土壤重金属Cd的背景值偏高,浇灌粪液后土壤中Cd含量较CK有增加的趋势,在F5和F6处理时土壤中Cd的含量达到最大,与CK差异显著(P < 0.05)。浇灌粪液后各处理土壤中的As含量显著高于CK(P < 0.05),但不同粪液消纳量处理的As含量仍远低于农用地土壤污染风险筛选值,且各粪液处理间差异不显著。浇灌粪液对土壤中的Hg影响较小,各粪液消纳处理间Hg含量与CK差异不显著。Cu和Zn的变化规律一致,粪液消纳后土壤中Cu和Zn含量较CK有所增加,在F4处理时含量达到最高且显著高于CK,随着粪液消纳量的增加,其含量又呈降低的趋势。浇灌粪液后土壤中重金属As、Hg、Cu和Zn的含量较CK有不同程度的增加,但这4种重金属在不同粪液消纳量处理下的含量均在农用地土壤污染风险筛选值(GB15618—2018)安全范围内,表明这些重金属的污染风险较低。
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表 3 不同粪液消纳量下土壤重金属含量变化(mg/kg) Table 3 Soil heavy metal contents under different pig slurry application rates |
由表 4可知,粪液消纳对土壤pH影响不大,各粪液处理的土壤pH与CK差异均不显著。随粪液消纳量的增加,土壤有机质、全磷和全氮含量呈先增高后降低的趋势,且均在F4处理时达到最大值,显著高于CK(P < 0.05),增幅分别为55.91%、42.20%、45.24%。粪液消纳对土壤全钾含量的影响较小,各粪液消纳处理间及与CK处理间差异均不显著。
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表 4 不同粪液消纳量下土壤理化性质变化 Table 4 Soil physicochemical properties under different pig slurry application rates |
由图 1可知,粪液消纳后土壤中有效磷和碱解氮的变化规律与全磷和全氮的变化规律一致,浇灌粪液后土壤中的有效磷和碱解氮含量较CK增加,并在F4处理时显著高于CK(P < 0.05),增幅分别为74.77%、42.94%,但各粪液处理间差异不显著。粪污消纳对土壤中速效钾含量影响较小,各粪液消纳处理与CK差异不显著。
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(图中小写字母不同表示处理间差异显著(P < 0.05),下同) 图 1 不同粪液消纳量处理下土壤有效磷、碱解氮和速效钾含量 Fig. 1 Contents of soil available phosphorus, alkali-hydrolyzable nitrogen, and available potassium under different pig slurry application rates |
由图 2可知,适宜的粪液消纳量不会造成象草减产,除了在F1处理时象草的鲜草产量显著低于CK(P < 0.05),其他粪液处理的鲜草产量与CK差异不显著。不同粪液消纳量处理的象草粗蛋白含量变化趋势与鲜草产量一致,除F1处理外,其他粪液消纳量处理下象草粗蛋白含量与CK差异不显著。
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图 2 不同粪液消纳量处理下象草产量和粗蛋白含量 Fig. 2 Yields and crude protein contents of Pennisetum purpureum under different pig slurry application rates |
由表 5可知,象草植株中重金属Hg和Cd含量较低,在不同粪液消纳量处理下均未检出。粪液消纳处理象草植株中的As、Cu、Zn含量均高于CK,且随粪液消纳量的增加呈先增高后降低的趋势,在F4处理时含量达到最高,较CK分别显著提升241.67%、25.61%、75.98%(P < 0.05)。但其As含量仍远低于GB13078—2017《饲料卫生标准》的限量值,可以安全饲喂家畜。
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表 5 不同粪液消纳量处理下象草植株重金属含量(mg/kg) Table 5 Heavy metal contents in Pennisetum purpureum under different pig slurry application rates |
对粪液消纳量、土壤重金属和理化性质进行相关分析可知(表 6),土壤重金属As、Hg、Cu、Zn含量与土壤有机质、有效磷、全磷和全氮呈显著或极显著正相关,土壤Cd含量仅与粪液消纳量呈极显著正相关。土壤pH与土壤有机质呈显著正相关,与粪液消纳量及土壤养分相关性不显著。粪液消纳量与土壤重金属Cu、Cd、Zn呈显著或极显著正相关,与重金属As和Hg的相关性不显著,与土壤有机质、全磷、全氮呈显著或极显著正相关。
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表 6 粪液消纳量与土壤肥力指标及重金属含量的相关性 Table 6 Correlations between pig slurry application rate with soil fertility indicators and heavy metal contents |
粪液作为有机肥源,其养分构成与作物需求具有高度适配性。粪液中水溶性氮、有效磷及可溶性有机质等活性组分占比显著高于常规化肥,这些组分可通过促进根系分泌物分泌,激活土壤磷酸酶和脲酶活性,进而增强养分生物有效性[29-30]。本研究揭示(图 2),当粪液施用量达100% 氮替代(F2处理)时,象草年产量达142 t/hm2,粗蛋白含量7.56%,与常规化肥处理(CK)无显著差异。这表明适宜的粪液可以代替化肥,但过量地施用粪液并不利于提高象草产量。这种“抛物线型”产量响应规律在多类作物系统中得到印证。陈广银等[31]发现,猪粪水200% 氮替代时水稻可获得最大产量,但过量施用猪粪水造成水稻烂根、死苗,小麦疯长;娄雨等[32]通过叶面生理分析揭示,沼液替代化肥可使小白菜根长和株高增加,提高叶片叶绿素含量,其提质机制与粪液含有的氮磷钾、腐殖酸、维生素C等营养物质的生物强化作用密切相关。Rahaman等[33]的长期定位试验进一步证实,38% 氮替代模式在维持玉米产量的同时,可使氨挥发通量降低,这为粪液农用的环境协同效益提供了量化依据。以上研究表明粪液中的养分能够满足作物生长所需,粪液安全施用量应通过作物–土壤系统的养分供需平衡与重金属累积风险的耦合分析确定。
粪液中不仅含有丰富的营养物质,还含有重金属,作物在吸收利用营养物质的同时也会吸收重金属,长期或过量施用可能会对作物造成污染。有研究表明,施用猪粪/粪液后茄子[34]、蔬菜[35]、水稻[31]中的重金属含量增加。本研究中,施用粪液后象草植株中的重金属含量高于常规化肥处理,在200% N粪液消纳(F4处理)时象草植株重金属含量最高,但仍远低于GB13078—2017《饲料卫生标准》[28]限值。不同作物对重金属的吸收具有一定的差异,艾平等[36]研究发现蔬菜类作物较粮食作物更易积累重金属。刘炳妤等[6]对不同土地利用类型的沼液还田风险进行分析和评价,结果表明,不同耕地类型对沼液的消纳容量大小为杂交象草 > 速生用材树 > 叶类蔬菜 > 木本果树;沼液还田对不同植物的可食用部分的污染风险为水果类 > 蔬菜类 > 牧草类。此外,我国GB 13078—2017《饲料卫生标准》[28]中牧草的重金属限量值较低,As、Cd、Hg含量限量值分别为2、1、0.1 mg/kg,是GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》[37]中蔬菜As(0.5 mg/kg)的4倍、Cd(0.05 mg/kg)的20倍、Hg(0.01 mg/kg)的10倍。象草是多年生草本植物,再生能力强,生物量大。因此,施用沼液不易造成象草重金属污染,可通过周期性的刈割,少量多次地从土壤中提取并移除重金属。这种方法不仅减轻了粪污对环境的污染风险,还因其低成本和可持续性,为粪污消纳提供了一种经济可行的解决方案。
3.2 粪液消纳对土壤养分含量的影响粪液中含有植物生长所需的各种养分,施用粪液能改善土壤肥力,提高土壤生产力。前人研究表明,施用粪液能有效改善土壤质量[8]。本研究表明,施用粪液后土壤氮、磷及有机质增加,这与前人研究结果一致[38]。分析原因为:浇灌粪液后通过吸收、挥发以及硝化作用将其中的铵态氮转化为了土壤中的硝态氮。同时,粪液中所含的纤维素、木质素等高分子物质在微生物的作用下分解转化为土壤有机质,其所含的氮、磷、钾等元素则直接补充土壤有效养分,从而显著提升土壤有机质及有效养分含量,改善土壤肥力[39]。但粪液消纳对土壤肥力的提升并不是粪液消纳量越大肥力提升效果越明显。在本研究中,粪液消纳量200% 氮替代(F4处理)时土壤中有机质、全氮、全磷、有效磷和碱解氮含量增加达到显著水平,随着粪液消纳量的进一步增加,各养分含量呈降低趋势,这表明土壤对粪液的保持能力有限。粪液中的养分除大部分被象草和土壤吸收外,还有部分粪液向深层土壤迁移[40]。为更好地给粪液安全消纳提供参考依据,后续还需对不同土层剖面以及高施用量、不同施用频次下粪液消纳对土壤的影响进行研究。
本研究中粪液消纳对土壤中全钾和有效钾的含量影响不显著,表明粪液对土壤钾的补充效果不明显,这与胡振民等[41]、马强等[42]、罗伟等[43]的研究结果一致。这可能与土壤中钾的形态分布有关,土壤中大部分钾以矿物晶格中的结构性钾形式存在,这种形态的钾由于结构稳定,难以被植物直接吸收利用。而且,土壤中可直接被植物利用的水溶性钾和交换性钾的比例较低[44]。虽然用粪液完全代替化肥对象草的产量及粗蛋白含量无明显影响,但是从维持土壤养分平衡的角度,使用粪液种植时需要额外补充养分钾[41]。本研究也表明,粪液消纳后土壤pH较为稳定,这一现象可能归因于供试粪液呈微碱性,且供试土壤呈中性,导致粪液对试验土壤的pH影响较小,这与艾平等[36]、金柯达等[45]的研究结果一致。值得注意的是,粪液中富含Ca2+、Mg2+、Na+等碱基阳离子,这些离子能有效补充土壤交换性盐基,增强土壤盐基饱和度,从而显著提升土壤缓冲能力和抗酸化潜力[46]。
3.3 粪液消纳对土壤重金属含量的影响饲料中常添加含有Cu、Zn、As等元素的矿物质和化学物质,这些元素在动物体内不易被吸收,最终大部分随粪便排出体外,在粪污厌氧发酵过程中,微生物无法降解有机物中的重金属成分,这些重金属最终会残留在沼液沼渣中[47]。尽管本研究仅进行了2年,但土壤中As、Cu、Zn、Cd含量较常规化肥处理显著增加,表明施用粪液存在土壤重金属富集的风险。这与顾佳等[48]对江苏省规模化生猪养殖场重金属污染风险评价的结果一致,其研究表明规模化养猪场土壤中重金属Zn、Cu、Cd、As存在不同程度的累积现象。在施用200% N粪液(F4处理)时土壤Zn、Cu、As含量最高,但仍远低于农用地土壤污染风险筛选值,随着粪液量的加大,3种土壤重金属含量降低。这与土壤养分的变化规律一致,表明Zn、Cu、As 3种重金属可能发生了纵向迁移。受成土母质影响,研究区土壤重金属Cd的背景值偏高[49],施用粪液后土壤中Cd呈现累积趋势,但象草植株中未检出Cd(检出限0.002 mg/kg)。这可能是因为研究区土壤呈中性,导致Cd的生物有效性较低,从而限制了象草对Cd的吸收和转运。为进一步优化粪液的安全高效消纳,后续研究应重点关注粪液施用对土壤Cd不同赋存形态的影响,以更科学地评估其环境风险。
4 结论粪液消纳控制在适宜范围内可有效改良土壤。本试验中,施用200% N粪液对土壤的改良效果最佳,可显著提高土壤有机质、氮和磷含量,但对钾的补充效果较为有限。研究区域受地质背景影响,土壤Cd背景值较高。尽管粪液施用使土壤中As、Hg、Cu、Zn含量较常规施肥有所增加,但所有检测值均低于GB 15618—2018中规定的农用地土壤污染风险筛选值。然而,过量施用粪水可能导致地下水污染和重金属富集风险,因此建议在种植象草用于粪污消纳时,以施用200% N粪液为宜。象草能够适应土壤高负荷粪液消纳的需求,并可吸收粪液中的重金属。通过周期性地刈割象草,可实现土壤重金属的安全提取,降低环境风险。同时,所产象草的重金属含量远低于GB 13078—2017《饲料卫生标准》的限量要求,可用于饲喂牛羊等家畜。
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2026, Vol. 58



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