張旭峰, 向天勇, 駱盧佳, 張正紅, 何文輝, 賀偉強(qiáng), 王陸游

[1.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)學(xué)院,浙江嘉興314036; 2.嘉興市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江嘉興 314036;3.中科檢測技術(shù)服務(wù)(嘉興)有限公司,浙江嘉興 314051]

養(yǎng)殖業(yè)是我國重要的民生產(chǎn)業(yè),近年來我國養(yǎng)殖業(yè)呈現(xiàn)不斷發(fā)展的趨勢。2017年我國肉類總產(chǎn)量為8.43×107t,禽蛋產(chǎn)量為3.07×107t,奶類產(chǎn)量為3.55×107t[1]。但是,伴隨著養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展,畜禽糞污不合理處置引起的環(huán)境污染問題越來越突出。目前,厭氧發(fā)酵處理是解決畜禽糞污環(huán)境問題的主要手段,具有處理高效、產(chǎn)生清潔能源、綜合成本較低的優(yōu)勢。然而發(fā)酵剩余物產(chǎn)生量大,氮、磷含量高,加之C/N偏低,后續(xù)生化處理難度大,一度成為農(nóng)村環(huán)境惡化的重要原因,嚴(yán)重影響了養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展[2-3]。2017年,十二屆全國人大五次會議提出開展畜禽糞污綜合利用試點(diǎn),實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢物的資源化利用[4]。沼液是厭氧發(fā)酵殘留物的液體部分,含有作物生長所需的營養(yǎng)元素和生物活性物質(zhì),能夠刺激作物生長、改善作物品質(zhì)等[5]。因此,沼液的資源化利用對于推動(dòng)厭氧發(fā)酵技術(shù)在畜禽糞污處置中的應(yīng)用具有重要意義。當(dāng)前,沼液資源化利用方式主要包括浸種、防治病蟲害、作為肥料及土壤改良劑[6-9]。王彥杰等認(rèn)為,3%的沼液浸種可提高水稻的發(fā)芽率,5%～25%的沼液浸種可促進(jìn)水稻的萌發(fā)及芽和根的生長[10-11]。此外,沼液肥用可促進(jìn)水稻生長,使水稻株高提高18%～38%,葉綠素含量提高18%～52%,產(chǎn)量提高 49%～286%,且水稻分蘗數(shù)有所增加,表明沼液能有效促進(jìn)水稻的生長和發(fā)育,提高水稻的產(chǎn)量[12-14]。然而,沼液濃度過高或用量過大會對水稻的生長和發(fā)育產(chǎn)生抑制作用[15-16]。因此,沼液肥用的關(guān)鍵問題是需要明確作物生長和發(fā)育的最適濃度和主要限制因子。然而,目前尚未有研究報(bào)道相關(guān)的結(jié)論[17]。相關(guān)研究的開展有助于進(jìn)一步明確沼液肥用的用量標(biāo)準(zhǔn),為沼液水肥一體化應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。本研究開展豬場沼液對水稻種子萌發(fā)及分蘗期生長和發(fā)育的影響,明確沼液對水稻生長和發(fā)育的最適濃度,識別影響水稻生長和發(fā)育的關(guān)鍵因子,為沼液水肥一體化應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù),并為沼液資源化利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究于2022年6月前往浙江華騰牧業(yè)有限公司嘉善養(yǎng)殖基地采集豬糞厭氧發(fā)酵沼液樣品,采集完立刻將樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,放置在4 ℃冰箱內(nèi)冷藏,用于后續(xù)研究。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 沼液對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長的影響 沼液pH值為7.76,總氮、總磷、總鉀、有機(jī)質(zhì)含量分別為2.42、117、1 940、16 100 g/L。通過對沼液進(jìn)行稀釋培養(yǎng),探討沼液中有效成分對水稻種子萌發(fā)及幼苗生長的影響,可為沼液用于水稻浸種提供科學(xué)依據(jù)。將采集的沼液稀釋0、5、10、20、40、80、160、320倍,分別取10 mL溶液加入組培瓶中作為試驗(yàn)組,同時(shí)取10 mL蒸餾水加入組培瓶中作為對照組,每組設(shè)置6個(gè)平行。在每個(gè)組培瓶中加入正常發(fā)芽的水稻種子10粒,在光照培養(yǎng)箱中以最適條件(12 h 光照12 h黑暗,光照度中等,白天溫度30 ℃、夜間溫度25 ℃,白天相對濕度50%、夜間相對濕度80%)進(jìn)行培養(yǎng)。整個(gè)試驗(yàn)周期為16 d(2022年7月2—18日),第1、第3、第8、第11、第15天觀察和記錄水稻種子的存活率及水稻幼苗的芽長和根長,明確水稻種子萌發(fā)和幼苗生長的最適濃度。

1.2.2 沼液對分蘗期水稻生長和發(fā)育的影響 用塑料花盆(直徑15 cm)構(gòu)建水稻種植微宇宙,每個(gè)微宇宙種植3株待插秧的水稻幼苗(長勢正常),在自然條件下預(yù)培養(yǎng)2 d,之后將50 mL不同濃度(稀釋0、5、10、20、40、80、160、320倍)沼液加入微宇宙中作為試驗(yàn)組(用量標(biāo)準(zhǔn)為28.35 t/hm2),同時(shí)將50 mL蒸餾水加入微宇宙中作為對照組,每組設(shè)置3個(gè)平行。將試驗(yàn)組和對照組放入光照培養(yǎng)箱中,以最適條件(12 h光照12 h黑暗,光照度最強(qiáng),白天溫度 30 ℃、夜間溫度25 ℃,白天相對濕度50%、夜間相對濕度80%)進(jìn)行培養(yǎng)。整個(gè)試驗(yàn)周期為33 d(2022年7月11日至8月12日)。由于試驗(yàn)過程中水分容易蒸發(fā)使土壤變干,向微宇宙中加入蒸餾水50 mL/d。同時(shí),每隔10 d(7月21日和8月1日)向微宇宙添加1次沼液(整個(gè)試驗(yàn)周期沼液用量標(biāo)準(zhǔn)為85.05 t/hm2)。第2、第7、第10、第15、第18、第22、第27、第32天記錄水稻的苗高,試驗(yàn)結(jié)束后將水稻移出,記錄水稻的苗高、根長、葉挺長、莖基寬、分蘗數(shù)等。此外,將每組土壤自然風(fēng)干后檢測其pH值、有機(jī)質(zhì)含量、總磷含量、有效磷含量、總氮含量、水解性氮含量、總鉀含量、速效鉀含量及重金屬含量等化學(xué)指標(biāo)。通過研究明確水稻生長和發(fā)育的最適濃度,識別沼液對水稻分蘗期生長和發(fā)育的關(guān)鍵影響因子。

1.3 土壤樣品檢測分析

土壤中有機(jī)質(zhì)含量采用《土壤檢測 第6部分：土壤有機(jī)質(zhì)的測定》(NY/T 1121.6—2006)方法測定,總磷含量采用《土壤 總磷的測定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》(HJ 632—2011)方法測定,有效磷含量采用《土壤檢測 第7部分：土壤有效磷的測定》(NY/T 1121.7—2014)方法測定,總氮含量采用《土壤質(zhì)量 全氮的測定 凱氏法》(HJ 717—2014)方法測定,水解氮含量采用《森林土壤水解性氮的測定》(LY/T 1228—2015)方法測定,總鉀含量采用《森林土壤鉀的測定》(LY/T 1234—2015)方法測定,速效鉀含量采用中國環(huán)境監(jiān)測總站(1992年)的《土壤元素的近代分析方法》測定。土壤中銅、鎳、鉻、鋅、鉛、鎘、砷含量采用《土壤和沉積物 12種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HJ 803—2016)方法測定,汞含量采用《土壤和沉積物 汞、砷、硒、鉍、銻的測定 微波消解原子熒光法》(HJ 680—2013)方法測定。

1.4 質(zhì)量控制與質(zhì)量保證

本試驗(yàn)過程中采用的質(zhì)量控制措施包括方法空白、過程空白和設(shè)立平行樣等。針對營養(yǎng)指標(biāo)和重金屬檢測分析,每一個(gè)批次的試驗(yàn)都測定空白樣品(每批2個(gè))和質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)樣品(每種做3個(gè)平行),同時(shí)將不低于總數(shù)10%(每10個(gè)樣品,2個(gè)平行雙樣)的樣品進(jìn)行重復(fù)平行試驗(yàn)和分析。本研究標(biāo)準(zhǔn)樣品的回收率在80%～120%,平行樣品的相對標(biāo)準(zhǔn)差小于10%。測試3次平行空白值,分別計(jì)算檢測結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差,取3倍標(biāo)準(zhǔn)差作為檢出限(LOD),10倍標(biāo)準(zhǔn)差作為定量限(LOQ)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究利用SPSS 22.0軟件對不同組別的水稻生長數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,P<0.05為差異顯著,P<0.01為差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

2.1.1 沼液對水稻種子萌發(fā)的影響 由表1可知,稀釋5倍及以下的沼液對水稻種子的存活率存在影響,其中,未稀釋過的沼液導(dǎo)致水稻種子全部死亡,稀釋5倍水稻的存活率為54%;稀釋10倍及以上的沼液對水稻種子的存活率沒有影響。沼液中總氮、總磷、總鉀、有機(jī)質(zhì)對種子存活率的濃度限值分別為0.24、11.7、194、1 610 g/L。沼液中部分有效成分濃度對水稻種子萌發(fā)可能產(chǎn)生影響,當(dāng)濃度達(dá)到或超過限值時(shí),將導(dǎo)致水稻種子死亡,影響水稻的產(chǎn)量。

表1 不同稀釋倍數(shù)沼液培養(yǎng)下水稻種子的存活率

2.1.2 沼液對水稻幼苗生長的影響 由圖1可知,水稻幼苗芽長隨時(shí)間的推進(jìn)而不斷增長,沼液濃度對水稻幼苗芽長具有顯著影響。稀釋5倍對幼苗芽長產(chǎn)生抑制作用(第8天除外);稀釋20～80倍時(shí),對幼苗芽長產(chǎn)生顯著的促進(jìn)作用,稀釋40倍時(shí),幼苗芽長達(dá)到峰值;稀釋160、320倍對幼苗芽長無明顯促進(jìn)作用?？偟?、總磷、總鉀、有機(jī)質(zhì)的最適濃度分別為0.06、2.93、48.5、403 g/L。沼液對水稻幼苗根長的影響結(jié)果(圖2)顯示,各組中幼苗根長在第8天達(dá)到最大值,稀釋5倍對幼苗根長具有顯著抑制作用;稀釋10倍及以上時(shí),沼液對幼苗根長無明顯影響。沼液中總氮、總磷、總鉀、有機(jī)質(zhì)對幼苗根長的濃度限值分別為0.24、11.7、194、1 610 g/L。

2.2 沼液對分蘗期水稻生長和發(fā)育的影響

本研究利用土培法探究沼液對分蘗期水稻生長和發(fā)育的影響。結(jié)果顯示,沼液能顯著提高分蘗期水稻的苗高(圖3)。在培養(yǎng)前期(0～10 d),未稀釋的沼液對水稻苗高起抑制作用(其中有1株水稻死亡),同時(shí),其他稀釋倍數(shù)對水稻苗高的促進(jìn)作用不明顯。在培養(yǎng)中后期(15～32 d),沼液稀釋0～40倍對水稻苗高起顯著的促進(jìn)作用,其中稀釋5倍時(shí)水稻的苗高達(dá)到最大值;稀釋80倍及以上時(shí),沼液對水稻苗高無顯著影響?？梢?沼液對水稻生長起顯著的促進(jìn)作用,但需要合理控制沼液的施用量,否則將影響水稻的正常生長。

為了進(jìn)一步明確沼液施用對分蘗期水稻生長和發(fā)育的影響, 在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)對水稻的生長和發(fā)育指標(biāo)進(jìn)行分析,結(jié)果(表2)顯示,沼液施用對水稻苗高、葉挺長、莖基寬、根長和分蘗數(shù)均會產(chǎn)生顯著影響。沼液施用顯著促進(jìn)水稻的苗高和葉挺長,其中,稀釋0～5倍對水稻苗高、葉挺長和莖基寬的促進(jìn)作用最明顯。沼液施用對水稻根長產(chǎn)生抑制作用,未稀釋過的沼液組抑制作用最顯著。稀釋20倍及以下時(shí)對水稻分蘗產(chǎn)生顯著影響,其中,未稀釋過的沼液組分蘗數(shù)最多,其次為稀釋5倍;稀釋倍數(shù)高于20倍時(shí)沼液對水稻分蘗的影響不顯著。說明沼液中有效營養(yǎng)成分的濃度對分蘗期水稻的生長和發(fā)育產(chǎn)生顯著影響,因此需要進(jìn)一步明確水稻生長和發(fā)育的關(guān)鍵影響因子。

表2 不同稀釋倍數(shù)沼液施用對分蘗期水稻生長和發(fā)育指標(biāo)的影響

2.3 沼液對土壤質(zhì)量的影響

本研究對沼液施用土壤中營養(yǎng)指標(biāo)和重金屬含量進(jìn)行檢測和分析,結(jié)果見表3、表4。表3、表4結(jié)果顯示,未稀釋過的沼液組土壤中pH值顯著低于其他試驗(yàn)組和對照組,由于pH值仍處于中性,無法判斷pH值對水稻生長和發(fā)育的影響。同時(shí),未稀釋過的沼液組土壤中水解性氮含量顯著高于其他試驗(yàn)組和對照組,表明水解性氮含量可能是促進(jìn)水稻分蘗的關(guān)鍵影響因子。此外,沼液施用對土壤中有機(jī)質(zhì)、總磷、有效磷、總氮、總鉀、速效鉀含量影響均不顯著,表明這些指標(biāo)對水稻生長和發(fā)育的影響可能較小。

表3 不同稀釋倍數(shù)沼液施用土壤中營養(yǎng)指標(biāo)的含量

表4 不同稀釋倍數(shù)沼液施用土壤中重金屬的含量

土壤中8種重金屬含量的檢測結(jié)果顯示,試驗(yàn)組和對照組之間重金屬含量差異均不顯著,表明沼液施用土壤中重金屬含量的影響較小。

3 討論

沼液中富含的氮、磷、鉀元素能為種子萌發(fā)與生長提供營養(yǎng),提高種子芽長、莖粗、根長以及2～4葉期的葉綠素含量。沼液浸種可提高5%～10%的發(fā)芽率和10%～15%的成秧率[6]。本研究結(jié)果證實(shí),沼液浸種對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長具有促進(jìn)作用。但在實(shí)際利用時(shí),需要控制沼液的濃度,確保種子的存活率[18]。李國雷等認(rèn)為,在一定濃度范圍內(nèi),沼液能顯著提升水稻幼苗的生長活性,但超過特定濃度時(shí),將顯著影響其質(zhì)量和活力,沼液的最佳濃度為20%[19]。高濃度沼液嚴(yán)重阻礙早熟禾種子的萌發(fā)及生長,并隨著稀釋倍數(shù)的增加,抑制作用逐漸消除,最適濃度為沼液稀釋100倍[20]。本研究結(jié)果顯示, 沼液稀釋5倍及以下對水稻種子的存活率存在影響,對幼苗芽長和根長產(chǎn)生顯著抑制作用,而稀釋40倍對幼苗芽長的促進(jìn)作用最明顯;沼液中總氮、總磷、總鉀、有機(jī)質(zhì)對種子存活率及幼苗芽長和根長的濃度限值分別為0.24、11.7、194、1 610 g/L,對幼苗芽長的最適濃度分別為0.06、2.93、48.5、403 g/L。因此,利用沼液進(jìn)行水稻種子浸種和催芽時(shí),須要控制一定的濃度,在適宜濃度條件下有利于水稻種子萌發(fā)和幼苗生長。

沼液作為一種有機(jī)液態(tài)肥,能夠促進(jìn)作物的生長發(fā)育,并提高作物的產(chǎn)量[21]。沼液能夠顯著促進(jìn)水稻分蘗和生長,有效提高水稻產(chǎn)量[22-23]。蔣會東等認(rèn)為,沼液施用可以促進(jìn)水稻生長,相較對照組,沼液處理組水稻株高提高18%～38%,干質(zhì)量提高80%～266%,葉綠素含量提高18%～52%,產(chǎn)量提高49%～286%[12]。董晶晶等認(rèn)為,沼液處理能有效促進(jìn)水稻分蘗,使水稻產(chǎn)量提高20.53%[13]。本研究結(jié)果顯示,沼液對分蘗期水稻的生長和發(fā)育具有顯著影響,稀釋5倍對水稻苗高、葉挺長和莖基寬的促進(jìn)作用最明顯,未稀釋過的沼液對根長產(chǎn)生顯著的抑制作用,稀釋20倍及以下對水稻分蘗產(chǎn)生顯著的促進(jìn)作用。倪天馳等認(rèn)為,沼液作為基肥或追肥需要控制其用量,高濃度沼液在水稻生長前期可能通過抑制根的生長進(jìn)而影響水稻的生長和存活[15]。侯福銀等認(rèn)為,在沼液用量為常規(guī)氮 320%(816 t/hm2)時(shí),株高達(dá)到最大值,繼續(xù)增加沼液株高反而會降低[24]。王惠霞等也指出,沼液用量不當(dāng)易造成作物生長受抑制、產(chǎn)量品質(zhì)下降等不良影響[25]。因此,沼液施用時(shí)需要合理選擇沼液的用量。此外,沼液施用會引入重金屬,容易造成土壤和作物體內(nèi)重金屬含量升高,影響作物的生長和發(fā)育。黃繼川等認(rèn)為,水稻種植土壤中As和Cr的含量與沼液施用量呈顯著正相關(guān),表明沼液施用可能導(dǎo)致土壤As和Cr含量超標(biāo)[26]。邵文奇等認(rèn)為,沼液施用使水稻秸稈中Hg、As、Cd、Cr含量不同程度地增加[16]。王桂良等認(rèn)為,沼液施用導(dǎo)致稻米中Cu、Zn、Pb、As含量增加[27]。然而,姜麗娜等認(rèn)為,施用沼液后土壤和農(nóng)產(chǎn)品中重金屬?zèng)]有明顯積累[28]。本研究未發(fā)現(xiàn)施用沼液對土壤重金屬積累有顯著影響,原因可能是試驗(yàn)周期較短,沼液施用量較少,也可能是沼液中重金屬含量較低,對土壤重金屬影響較小。未來需要進(jìn)一步探究沼液施用對土壤及水稻重金屬積累的影響。

4 結(jié)論

本研究探究豬場沼液對水稻種子萌發(fā)及不同階段生長和發(fā)育的影響,發(fā)現(xiàn)沼液培養(yǎng)對水稻種子的存活率、芽長和根長存在顯著影響,其中稀釋5倍及以下對水稻種子的存活率存在影響,對幼苗芽長和根長產(chǎn)生顯著抑制作用,而稀釋40倍對幼苗芽長的促進(jìn)作用最明顯;沼液中總氮、總磷、總鉀、有機(jī)質(zhì)對種子存活率及幼苗芽長和根長的濃度限值分別為0.24、11.7、194、1 610 g/L,對幼苗芽長的最適濃度分別為0.06、2.93、48.5、403 g/L。同時(shí),沼液對分蘗期水稻的生長和發(fā)育具有顯著影響,稀釋5倍對水稻苗高、葉挺長和莖基寬的促進(jìn)作用最明顯,未稀釋過的沼液對根長產(chǎn)生顯著抑制作用,稀釋20倍及以下對水稻分蘗產(chǎn)生顯著的促進(jìn)作用。水解性氮是促進(jìn)水稻分蘗的關(guān)鍵影響因子。此外,土壤中重金屬對水稻生長和發(fā)育的影響較小。研究結(jié)論能為沼液水肥一體化應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù),為沼液資源化利用提供技術(shù)支撐。