孫寶麗，陳汝能，吳銀寶，2＊，姚兵華

（1.華南農(nóng)業(yè)大學 動物科學學院，廣東 廣州510642；2.農(nóng)業(yè)部生態(tài)農(nóng)業(yè)重點開放實驗室，廣東 廣州510642）

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，畜牧生產(chǎn)呈現(xiàn)出規(guī)?；?、工廠化的發(fā)展趨勢，同時也帶來許多急需解決的問題，如畜禽廢棄物對環(huán)境的污染日趨嚴重，特別是排泄物中的氮、磷、鋅、銅等物質(zhì)，當這些物質(zhì)在環(huán)境中積累到一定程度時，不僅導致土壤退化，還可以通過地表徑流、淋溶作用污染地表水和地下水，對生態(tài)環(huán)境造成危害［1-4］。

近年來我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，奶牛飼養(yǎng)量大幅增加，奶牛場所排放的糞便、污水等廢棄物量越來越大，造成占用土地、資源浪費、環(huán)境污染、引發(fā)疾病等問題。資料顯示，1個千頭奶牛場日排污水60～100 t、糞便10～30 t，畜禽糞便中含有大量的氮、磷等營養(yǎng)物，是營養(yǎng)豐富的有機肥料，如果不能合理地利用和處理這些物質(zhì)，將造成有機養(yǎng)分資源的浪費，破壞生態(tài)平衡［5］。目前在畜禽糞便肥料化技術方面已有許多研究，堆肥化是處理各種有機廢棄物的有效方法之一，是集處理和資源循環(huán)再生利用于一體的生物方法，隨著人們對無公害農(nóng)產(chǎn)品的需求增加和可持續(xù)發(fā)展的要求，對優(yōu)質(zhì)有機肥的需求量將不斷擴大，畜禽糞便用作有機肥具有巨大的市場潛力［6］。

奶牛養(yǎng)殖通常與牧草種植相結合，養(yǎng)殖場所產(chǎn)生的牛糞直接施用于牧草地，一方面為牧草提供有機肥料，進而為奶牛場提供量多質(zhì)高的青飼料，另一方面也減少了牛糞對周圍環(huán)境的污染。但這種養(yǎng)殖模式是否合理、長期施用時是否會影響牧草地土壤質(zhì)量等均值得研究和探討［7］。本研究采集了四個不同季節(jié)施用奶牛糞的象草地土壤和未施用糞便的胡枝子園土壤樣品，通過測定有機質(zhì)、全氮、全磷、銅和鋅等指標，評價奶牛場土壤質(zhì)量現(xiàn)狀，為評估與牧草種植相結合的奶牛場環(huán)境污染風險及此養(yǎng)殖模式的合理性提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點

本研究所選取的奶牛場位于廣州市增城寧西鎮(zhèn)，建于2000年，處于典型的亞熱帶氣候區(qū)，全年平均氣溫為22.2℃，年均降雨量1 869 mm。奶牛場總面積為8.96 hm2，其中配套的象草地面積為3.87 hm2。牛舍采取人工干清糞和水沖清糞相結合的方式，清理出的糞便堆放在糞便處理區(qū)，污水進入?yún)捬醭?。牛糞堆積發(fā)酵后90%外銷，10%用于養(yǎng)殖場配套象草地土壤施肥。

1.2 采樣點選擇及采樣方法

本試驗于2012～2013年進行，分春、夏、秋、冬4個季節(jié)采樣，每個季節(jié)連續(xù)采樣3 d，每日14∶00分別在象草園和胡枝子園設定的土壤采樣點采集樣品，采用五點采樣法。以牛糞堆積區(qū)為中心，西面為未施用牛糞的胡枝子園，在胡枝子園內(nèi)距離中心50 m處設土壤采樣點A1、A2、A3，在距離中心150 m處設土壤采樣點B1、B2、B3；東面為施用牛糞的象草地，在象草地內(nèi)距離中心50 m處設土壤采樣點C1、C2、C3，采樣點如圖1所示。

每個采樣點采集0～20 cm土層混合樣品500 g，其中100 g新鮮土樣用于測定含水率和p H（玻璃電極法）；400 g土樣經(jīng)自然風干后用于檢測有機質(zhì)（高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法，NY／T 85-1988）、全氮（半微量凱氏法，NY／T 53-1987）、全磷（氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法，NY／T 88-1988）、銅和鋅（火焰原子吸收分光光度法，GB／T 17138-1997）。

圖1 奶牛場土壤采樣點平面圖Fig.1 The floor plan of soil sample sites in a dairy farm

1.3 象草地奶牛糞便和污水氮、磷負荷量計算

象草地氮（磷）負荷量是指單位象草地種植面積上承載的奶牛糞便和污水中的氮（磷）量，其計算公式為：

式中：n表示象草地奶牛糞便和污水氮（磷）負荷量［kg／hm2·a］；W表示施用在象草地的奶牛糞便和污水的氮（磷）總量（t／a）；S表示有效象草地面積（hm2）；P表示施用到象草地上的奶牛糞便和污水中氮（磷）的損失率（%），考慮華南地區(qū)的降雨量、象草地坡度及施用方式等因素，此處取氮、磷的損失率為30%。

1.4 單項污染指數(shù)法評價象草地環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀

單項污染指數(shù)法計算公式如下：

式中：Pi為單項污染指數(shù)，Ci為i污染物的實測值，Si為i污染物的評價標準（畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)地環(huán)境評價規(guī)范，HJ 568-2010）。如果Pi＜1，表明環(huán)境未受到該污染物污染；如果Pi≥1，說明環(huán)境受到該污染物的污染。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SAS 8.1版軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析，方差分析使用one-way ANOVA，采用Tukey＇s HSD進行多重比較，結果用“平均值±標準誤”表示，P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 奶牛養(yǎng)殖場象草地糞便負荷當量

該奶牛場每年有100.5 t糞便和750 t污水施用于象草地土壤。象草地的氮負荷量為125.06 kg／hm2，象草地的磷負荷量為22.55 kg／hm2。

2.2.1 春季象草地土壤質(zhì)量現(xiàn)狀 春季象草地土壤質(zhì)量測定結果見表1。由表1可知，春季距離奶牛糞便堆放中心50 m的象草地采樣點土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷、銅均顯著高于未施用牛糞的胡枝子園（P＜0.05）；距離糞便堆放中心50 m的胡枝子園采樣點土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷、銅和鋅均顯著的高于距離糞便堆放中心1 5 0 m的胡枝子園（P＜0.05）；距離糞便堆放中心50 m的象草地采樣點土壤的鋅含量與距離堆放中心50 m的胡枝子園采樣點土壤無顯著差異（P＞0.05）。

表1 春季不同區(qū)域土壤化學指標Table 1 The soil chemical indexes of different areas in spring

2.2.2 夏季象草地土壤質(zhì)量現(xiàn)狀 夏季象草地土壤質(zhì)量測定結果見表2。由表2可知，夏季距離奶牛糞便堆放中心50 m的象草地采樣點土壤的有機質(zhì)、全氮、銅和鋅均顯著的高于未施用牛糞的胡枝子園（P＜0.05）；距離糞便堆放中心50 m的胡枝子園采樣點土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷、銅和鋅均顯著的高于距離糞便堆放中心1 5 0 m的胡枝子園（P＜0.05）；距離奶牛糞便堆放中心50 m的象草地采樣點土壤的全磷量與距離50 m的胡枝子園采樣點土壤無顯著差異（P＞0.05）。與春季各采樣點土壤指標相比，夏季象草地土壤中全氮、全磷、銅、鋅等指標表現(xiàn)出一定的上升趨勢。

表2 夏季不同區(qū)域土壤化學指標Table 2 The soil chemical indexes of different areas in summer

2.2.3 秋季象草地土壤質(zhì)量現(xiàn)狀 秋季象草地土壤質(zhì)量測定結果見表3。由表3可知，秋季距離糞便堆放中心50 m的象草地采樣點土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷、銅和鋅均顯著的高于未施用牛糞的胡枝子 園（P＜0.05）。距離糞便堆放中心50m的胡枝子園采樣點土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷、銅和鋅均顯著的高于距離150 m的胡枝子園（P＜0.05）。表明雖然當?shù)卦谇锛居炅枯^少，但距離糞便堆放中心較近的胡枝子園土壤仍然延續(xù)了春夏兩季的狀態(tài)，受到了糞便較大的影響，但這種影響遠低于正常施肥的象草地。與夏季各采樣點土壤指標相比，秋季象草地土壤中有機質(zhì)、全氮、全磷、鋅等指標略有下降趨勢，這可能與象草地集中在春季施肥，秋季糞便數(shù)量下降有關。

表3 秋季不同區(qū)域土壤化學指標Table 3 The soil chemical indexes of different areas in autumn

2.2.4 冬季象草地土壤質(zhì)量現(xiàn)狀 冬季象草地土壤質(zhì)量測定結果見表4。由表4可知，冬季距離奶牛糞便堆放中心50 m的象草地采樣點土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷、銅和鋅均顯著的高于未施用牛糞的胡枝子園（P＜0.05）。距離糞便堆放中心50 m的胡枝子園采樣點土壤的有機質(zhì)、全氮、銅均顯著的高于距離150m的胡枝子園（P＜0.05），但在冬季兩個未施肥區(qū)采樣點土壤的全磷和鋅含量均無顯著差異（P＞0.05）。與秋季相比，冬季象草地土壤中有機質(zhì)、全氮、全磷、銅等指標略有下降趨勢，這一方面可能與象草地集中在春季施肥，冬季糞便數(shù)量下降有關，另一方面也與降水量的下降有關。

表4 冬季不同區(qū)域土壤化學指標Table 4 The soil chemical indexes of different areas in winter

2.3 奶牛養(yǎng)殖場象草地土壤質(zhì)量現(xiàn)狀評價

象草地土壤在土壤環(huán)境質(zhì)量分類中屬于Ⅱ類土壤（參照土壤環(huán)境質(zhì)量標準，GB15618-2008），執(zhí)行二級標準，在5.5＜p H＜6.5的土壤環(huán)境中銅和鋅的允許量標準值分別為50 mg／kg和200 mg／kg，由此根據(jù)1.4公式計算出的不同季節(jié)各采樣點的銅、鋅的單項污染指數(shù)如表5所示。由表5可知，各季節(jié)不同采樣區(qū)內(nèi)土壤銅和鋅的單項污染指數(shù)均小于1，表明在當前施肥方式及施肥水平下象草地土壤未受到所施用奶牛糞便和污水中銅、鋅的污染。但可以看出，四個季節(jié)未施肥的胡枝子園，銅、鋅單向污染指數(shù)均低于正常施肥的象草地，表明施用奶牛糞后，由于土壤的富集作用，銅、鋅等污染物已有一定水平的累積。

表5 各季節(jié)不同采樣區(qū)土壤銅、鋅單項污染指數(shù)Table 5 The individual pollution index of copper，zinc from different sampling area in different season

3 討 論

3.1 施用奶牛糞便對象草地土壤質(zhì)量現(xiàn)狀的影響

本研究的結果顯示，在四個季節(jié)中，施用牛糞的象草地土壤中有機質(zhì)、全氮、全磷、銅、鋅等指標含量均高于未施肥的胡枝子園土壤。表明在種植牧草的區(qū)域施用牛糞對改善土壤的理化性質(zhì)、提高土壤肥力具有顯著的效果。李昆［8］研究表明，連續(xù)施用蛋雞糞可以增加龍眼園土壤相應物質(zhì)的含量，這與本試驗結果相一致。李江濤［9］研究顯示，長期施用畜禽糞便能夠通過增加土壤活性有機碳含量和改善土壤理化性質(zhì)來改善土壤生物化學質(zhì)量，應當加強管理以避免帶來更嚴重的環(huán)境污染。從結果看到，距離糞便堆積中心較近的未施肥區(qū)域的土壤各指標的含量均高于距離較遠的未施肥區(qū)域，部分奶牛糞便通過地表徑流進入周圍的環(huán)境，應防范由此帶來的面源污染風險。本研究計算出的各季節(jié)不同采樣區(qū)內(nèi)土壤銅和鋅的單項污染指數(shù)均小于1，表明在當前施肥方式及施肥水平下象草地土壤未受到奶牛糞便中銅、鋅的污染，說明該奶牛場目前施用奶牛糞便的方式較為合理。但同時可以看到，在四個季節(jié)中，未施肥的胡枝子園土壤中銅、鋅單向污染指數(shù)均低于正常施肥的象草地土壤，顯示施用奶牛糞后，由于土壤的富集作用，銅、鋅等污染物已有一定水平的累積，各污染物質(zhì)逐年的沉積可能導致污染的發(fā)生，進而引發(fā)一系列的環(huán)境危害問題，所以該養(yǎng)殖場的環(huán)境狀況須進一步的跟蹤監(jiān)測，防范因連續(xù)多年施肥造成的重金屬等污染風險。

3.2 奶牛養(yǎng)殖場配套象草地氮、磷負荷量

發(fā)達國家的畜禽養(yǎng)殖業(yè)大多數(shù)屬于養(yǎng)殖種田相結合的模式，同時嚴格控制養(yǎng)殖規(guī)模，具有充足的土地消納畜禽糞便［10］。但目前我國大多數(shù)畜禽養(yǎng)殖場沒有足夠的土地消納養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便，糞便的處理主要依賴外銷，一旦外銷出現(xiàn)阻滯，就造成畜禽糞便的大量堆積并隨意排入環(huán)境，對水體、土壤和空氣造成嚴重的污染，危及畜禽和人體的健康［11-13］。研究表明，種植每株象草全年的施肥量一般為氮6.00～9.00 g，每公頃密植象草（約5萬株）能夠承受的氮負荷在450～500 kg［14-16］，種植每株象草全年的施肥量一般為磷0.60～1.00 g，每公頃密植象草（約5萬株）能夠承受的磷負荷在45.00～50.00 kg［17］。本試驗結果顯示，所研究的奶牛場象草地氮、磷負荷量均低于每公頃密植象草（約5萬株）能夠承受的氮、磷負荷量，表明目前奶牛場配套象草地中牛糞的施用量暫未對土壤造成污染。

通過對該奶牛場情況的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，雖然場區(qū)內(nèi)象草地氮、磷的負荷量均低于氮、磷負荷限度，但仍存在一定的污染風險：（1）目前該場糞便通過堆積發(fā)酵后90%賣給當?shù)毓r(nóng)作為有機肥，10%用于配套象草地的施肥，糞便處理主要依靠外銷解決，若出現(xiàn)糞便滯銷和擴大生產(chǎn)規(guī)模等情況，將會造成糞便的堆積，加大環(huán)境污染的風險。（2）距離糞便堆積中心較近的未施肥區(qū)域的土壤各指標的含量均高于距離較遠的未施肥區(qū)域，奶牛糞便通過地表徑流進入周圍的環(huán)境，因此應加強奶牛糞便堆放區(qū)域的管理，防范由此帶來的污染風險。

4 結 論

本文所研究的奶牛場配套象草地氮、磷的負荷量均低于氮、磷負荷限度。四個季節(jié)施用牛糞的土壤中有機質(zhì)、全氮、全磷、銅、鋅等指標含量均高于未施肥的區(qū)域；距離糞便堆積中心較近的未施肥區(qū)域的土壤各指標的含量均高于距離較遠的未施肥區(qū)域。表明連續(xù)施用牛糞可以增加象草地土壤相應物質(zhì)的含量，對改善土壤的理化性質(zhì)、提高土壤肥力具有顯著的效果。同時應注意因糞便堆積通過地表徑流造成的周邊環(huán)境的污染風險。四個季節(jié)象草地土壤銅、鋅單項污染指數(shù)均小于1，屬于安全級。

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