王 振,韓永勝,張淑芬,丁昕穎,付 龍,馬珊珊,尹珺伊,白長勝, 張 軍,田秋豐,史同瑞,趙金波,李 偉

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院 畜牧獸醫(yī)分院,黑龍江 齊齊哈爾 161000)

隨著動物源性食品在城鄉(xiāng)居民的消費比例提高,畜牧業(yè)規(guī)模化、集約化程度將繼續(xù)擴大[1],在此背景下我國畜禽糞便產(chǎn)生量近40×108t[2],成為重要的農(nóng)業(yè)污染源。面對畜牧業(yè)產(chǎn)能提高的需求和日益嚴峻的畜禽糞污污染之間的矛盾,畜禽糞污資源化利用得到了研究人員的廣泛關注[3-6],其中利用畜禽糞便含有豐富營養(yǎng)元素的特點,將糞便作為有機肥原料還田利用,成為資源化利用的主流手段[2,7-9]。

牛糞含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì),其中有機質(zhì)66.2%、全氮1.7%、全磷0.78%、全鉀0.98%[10]。雖然牛糞的營養(yǎng)物質(zhì)較其他畜禽糞便低,但其產(chǎn)量高、質(zhì)地細密、粗纖維含量較高,使得制成的牛糞有機肥具有改善土壤結構、緩釋的特點,肥料化利用潛力巨大。郭龍等[11]研究表明,使用牛糞有機肥替代化肥施用于茶園,土壤中有機質(zhì)、全氮含量均呈上升趨勢,茶葉產(chǎn)量品質(zhì)也得到顯著提高。楊洋等[12]研究表明,牛糞配施氮肥可有效增加土壤養(yǎng)分含量,提高土壤酶活性,促進土壤微生物生物量和玉米增產(chǎn),且均隨著牛糞施入量的增加而顯著增加。章志航[13]比較了牛糞有機肥、豬糞有機肥和雞糞有機肥在土壤中養(yǎng)分的釋放規(guī)律,結果表明牛糞有機肥雖然養(yǎng)分含量不及雞糞有機肥,但牛糞有機肥pH呈中性,在土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的釋放上表現(xiàn)最佳,具有適用性強的特點。值得注意的是,部分養(yǎng)殖場缺乏科學的飼喂指導,飼料中的過量重金屬會通過糞便進入環(huán)境,若長期施用重金屬含量較高的牛糞有機肥可能加劇土壤中重金屬的富集風險[14-15]。

本文采用盆栽試驗,以肉牛糞為供試材料,以玉米為試驗植物,將牛糞有機肥和化肥按不同比例配施,通過檢測土壤中重金屬銅(Cu)、鋅(Zn)總質(zhì)量分數(shù)及各形態(tài)質(zhì)量分數(shù),計算不同形態(tài)重金屬的分配率,探尋合適的配施比例,同時探討土壤內(nèi)在因素與重金屬富集的規(guī)律,為兼顧充分利用牛糞有機肥和避免重金屬富集提供理論依據(jù)和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

盆栽試驗于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)分院富拉爾基科研基地進行,供試土壤為東北黑土,采自科研基地試驗田,試驗土壤養(yǎng)分見表1;供試牛糞采自科研基地附近牛場,試驗前經(jīng)過充分好氧堆肥處理,牛糞有機肥pH為7.12,全氮含量為1.60%,全碳含量為41.83%,Zn含量為226.22 mg/kg,Cu含量為115.52 mg/kg;供試化肥使用均為分析純的尿素、磷酸二銨和氯化鉀配成的營養(yǎng)液;供試作物為玉米。

表1 土壤基礎養(yǎng)分Table 1 Basic nutrient of soil

1.2 試驗設計

試驗共設5個處理,每個處理重復3次,試驗盆栽每桶(33 cm×27 cm×25 cm)裝入風干土15 kg,充分澆水后,穩(wěn)定10 d后備用。處理1為空白對照不施肥(CK);處理2為單施牛糞(CD),施入牛糞量為287.5 g,牛糞有機肥全氮含量為1.6%,施入量折合氮后為4.6 g;處理3為單施化肥(CF),尿素施入量折合氮后為4.6 g;處理4為配施比例1∶1施入(DF1),牛糞有機肥和化肥施入量折合氮后合計為4.6 g;處理5在處理4的基礎上過量施入牛糞有機肥,牛糞有機肥和化肥提供氮的比例為2∶1(DF2),具體配施處理見表2。每個處理將物料均勻混合后裝盆種植玉米,每個處理種3顆,間苗后每個處理留1株幼苗,定期澆水,管理方式與大田相同,收獲玉米后采集土壤樣品。

表2 配施處理Table 2 Coordinate application treatment g

1.3 分析測試方法

土壤樣品風干后參考BCR提取法[16-17]提取不同形態(tài)重金屬,即有效態(tài)(可交換態(tài)、還原態(tài))、氧化態(tài)和殘渣態(tài),提取后參考火焰原子吸收分光光度法[18],測定重金屬Zn、Cu的總質(zhì)量分數(shù)及不同形態(tài)質(zhì)量分數(shù),并計算各形態(tài)重金屬的分配率;土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定[19];新鮮土壤樣品pH利用pH計(PHS-3C)測定,浸提水土比例為10∶1。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

化驗所得數(shù)據(jù)通過WPS進行錄入整理,通過SPSS 22.0和OriginPro 2021等軟件進行統(tǒng)計分析和圖表繪制,結果用平均數(shù)±標準差來表示。

2 結果與分析

2.1 不同配施措施對土壤重金屬Cu形態(tài)的影響

表3為不同施肥處理對土壤中重金屬Cu的影響。從Cu的總質(zhì)量分數(shù)看,單獨施用牛糞有機肥會顯著增加Cu的總質(zhì)量分數(shù),單獨施用化肥及牛糞有機肥和化肥配施可以顯著降低Cu的總質(zhì)量分數(shù),但隨配施比例的上升,Cu的質(zhì)量分數(shù)呈上升趨勢。從Cu的各形態(tài)質(zhì)量分數(shù)看,施肥可以降低殘渣態(tài)Cu的質(zhì)量分數(shù),化肥和牛糞有機肥配施對殘渣態(tài)Cu的降低效果更佳,可交換態(tài)Cu的質(zhì)量分數(shù)會因為施用牛糞有機肥而上升,單施化肥可交換態(tài)Cu的質(zhì)量分數(shù)會顯著下降,單獨施用牛糞有機肥會導致氧化態(tài)Cu的質(zhì)量分數(shù)上升,化肥和牛糞有機肥配施可以顯著降低氧化態(tài)Cu的質(zhì)量分數(shù)。

表3 不同施肥處理對土壤中重金屬Cu的影響Table 3 Effect of different fertilizations on heavy metal Cu in the soil

2.2 不同配施措施對土壤重金屬Zn形態(tài)的影響

表4為不同施肥處理對土壤中重金屬Zn的影響。從Zn的總質(zhì)量分數(shù)看,施肥可以顯著降低Zn的總質(zhì)量分數(shù)。與單獨施用化肥或牛糞有機肥相比,化肥和牛糞有機肥配施對Zn的總質(zhì)量分數(shù)降低更多,但隨著牛糞施用量的提升,Zn的總質(zhì)量分數(shù)也隨之上升。與單獨施用牛糞有機肥相比,單獨施用化肥對Zn的總質(zhì)量分數(shù)降低更多。從Zn的各形態(tài)質(zhì)量分數(shù)看,施肥可以降低殘渣態(tài)Zn的質(zhì)量分數(shù),并隨著牛糞施用量的上升,殘渣態(tài)Zn的質(zhì)量分數(shù)隨之下降,還原態(tài)Zn與殘渣態(tài)Zn有類似的趨勢,但單獨施用化肥還原態(tài)Zn質(zhì)量分數(shù)下降最多,氧化態(tài)Zn的質(zhì)量分數(shù)會因配施而下降,但單施牛糞有機肥使氧化態(tài)Zn的質(zhì)量分數(shù)顯著上升,可交換態(tài)Zn的趨勢與氧化態(tài)Zn相反,但單施牛糞有機肥同樣會使氧化態(tài)Zn的質(zhì)量分數(shù)顯著上升。

表4 不同施肥處理對土壤中重金屬Zn的影響Table 4 Effect of different fertilizations on Zn in the soil

2.3 不同配施措施對土壤重金屬Cu、Zn不同形態(tài)分配率的影響

從圖1可以看出,對于重金屬Cu,殘渣態(tài)在CK處理中含量最高,占比為55.81%,CF處理對土壤中Cu各形態(tài)分配率的影響不大,殘渣態(tài)占比最大,為52.78%,還原態(tài)略有上升。施有牛糞有機肥的處理均能降低殘渣態(tài)Cu的占比,CD和DF1處理差異較小,DF2處理降低幅度最大,為25.79%。從分配率的變化趨勢看,施用有機肥可以促進殘渣態(tài)Cu向可交換態(tài)轉化,與CK處理相比,CD和DF1處理可交換態(tài)Cu分配率從15.86%分別提高為28.12%、28.13%,DF2處理提高幅度最大,為42.02%。

圖1 不同施肥處理對土壤中Zn、Cu各形態(tài)分配率的影響Fig. 1 Effect of different fertilizations on the proportion of Cu, Zn distribution rate in the soil

重金屬Zn相對Cu來說,原土中可交換態(tài)和還原態(tài)分配率占比較高,氧化態(tài)含量最低,占比為4.69%,CF處理對土壤中Zn殘渣態(tài)分配率的影響不大,殘渣態(tài)占比最大,從CK處理的53.4%提高為59.43%,但CF處理還原態(tài)明顯下降,轉化為可交換態(tài)和殘渣態(tài),可交換態(tài)和殘渣態(tài)占比較CK處理分別提升了7.53、6.03個百分點。與Cu的變化趨勢類似,施用牛糞有機肥的處理均能降低殘渣態(tài)的占比,CD和DF1處理相比,各形態(tài)Zn的分配率差異不大,可見在該施肥量前提下,化肥對重金屬形態(tài)的影響較小。從CF、DF1和DF2處理可知,不同于Cu的變化趨勢,在施用化肥的前提下,施用牛糞有機肥使得一部分殘渣態(tài)Zn轉化為還原態(tài)Zn。從分配率的變化趨勢看,殘渣態(tài)和可交換態(tài)的變化趨勢與Cu的形態(tài)變化類似。與CK處理相比,CD和DF1處理殘渣態(tài)Zn分配率從53.40%分別降低為39.27%、38.40%,DF2處理變化幅度最大,降低為24.33%。

2.4 土壤pH、SOC與Cu、Zn有效態(tài)分配率的相關性

圖2 SOC、pH與Cu、Zn有效態(tài)分配率的線性擬合曲線Fig. 2 Linear fits for SOC, pH and effective state distribution rate of Cu and Zn in the soil

3 討 論

配施造成土壤環(huán)境條件的變化,土壤中重金屬的動態(tài)平衡隨之發(fā)生改變,使其表現(xiàn)出不同的生物活性。對不同配施措施下土壤Cu、Zn形態(tài)變化的研究結果表明,重金屬本身特性對其在土壤中的形態(tài)分布影響顯著,同時在土壤中施用牛糞有機肥改變了土壤中SOC、pH等理化性質(zhì),進而影響了重金屬的賦存形態(tài)和遷移活性。韓春梅等[21]認為,在土壤類型相同的前提下,重金屬的形態(tài)分布受重金屬總量的影響顯著;楊潞[22]發(fā)現(xiàn),重金屬總量與殘渣態(tài)Cu、還原態(tài)Zn及氧化態(tài)Zn呈極顯著正相關。對于重金屬Zn、Cu這類活潑元素而言,其活性形態(tài)隨重金屬的增加而增加,結合表3、表4中重金屬總質(zhì)量分數(shù)的變化,也可解釋本試驗牛糞有機肥的施用使重金屬Cu、Zn被活化的現(xiàn)象。

土壤SOC與重金屬離子間的靜電吸附、絡合效應直接影響重金屬的可移動性和生物有效性。丁疆華等[23]發(fā)現(xiàn),土壤有機質(zhì)與殘渣態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)和有機結合態(tài)含量呈顯著正相關;劉霞等[24]也發(fā)現(xiàn),重金屬的碳酸鹽結合態(tài)隨土壤有機質(zhì)含量的增加呈現(xiàn)降低趨勢。牛糞中含有大量的不易分解的有機碳[25],提供了大量的重金屬吸附點位,降低了土壤中重金屬的活性。李曉寧等[26]認為,有機碳的增加有利于土壤腐殖質(zhì)的提高,同時改善了土壤的理化性質(zhì),使重金屬的活化作用優(yōu)先于有機碳的吸附和絡合,該結論與本文的試驗結果相一致。

土壤pH是土壤理化性質(zhì)的綜合反映,影響土壤表面的吸附穩(wěn)定性、土壤重金屬的形態(tài)分布等。王洋等[27]發(fā)現(xiàn),隨著土壤中pH的增大,可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)及殘渣態(tài)質(zhì)量分數(shù)減小,鐵錳氧化物結合態(tài)和有機結合態(tài)的質(zhì)量分數(shù)增大;鐘曉蘭等[28]發(fā)現(xiàn),土壤pH和有機質(zhì)會顯著影響土壤重金屬的形態(tài)分布;劉霞等[29]研究發(fā)現(xiàn),土壤重金屬碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)和殘渣態(tài)重金屬含量隨pH的增大而增大,由此可見pH對土壤重金屬活性的影響較為復雜,生物活性較高的可交換態(tài)和還原態(tài)、較穩(wěn)定的氧化態(tài)和殘渣態(tài)均隨著pH的變化而變化。本文中重金屬Zn與pH呈正相關,結合DF2處理土壤pH為7.41,在所有處理中值最高的情況分析,在該試驗條件下,牛糞有機肥的施入使土壤pH顯著提高,土壤膠體表面氫氧根離子的濃度顯著提高[30],加劇了對Zn2+、Cu2+的吸附,而銅的相關性較差可能是因為從低pH開始,吸附作用隨著pH的升高而增強,到達最大值后,吸附作用逐漸減弱而解吸作用逐漸增強[31]。

4 結 論

配施牛糞有機肥使土壤中殘渣態(tài)Cu、Zn向其它形態(tài)轉化,且隨著施用量的增加,轉化趨勢更加明顯,單獨施用化肥對形態(tài)影響不大;配施牛糞有機肥使土壤pH、SOC含量顯著提高,有效態(tài)Cu、Zn與SOC含量呈顯著性正相關,有效態(tài)Zn與土壤pH呈顯著性正相關;過量配施牛糞有機肥會加劇重金屬Zn、Cu的活化,因此施用牛糞有機肥時應嚴格遵循測土配方算出的實際需求量,避免過量施用,增加土壤環(huán)境的重金屬污染風險。