奶牛場沼液施用對小麥及青貯玉米植株產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

楊 月，宮少碩,2，靳紅梅,2,3①，余 翔

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014；2.南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，江蘇 南京 210095；3.江蘇省有機固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210095；4.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院宿遷農(nóng)科所，江蘇 宿遷 223808)

規(guī)?；图s化養(yǎng)殖可有效提高養(yǎng)殖水平，降低飼養(yǎng)成本，增加經(jīng)濟效益，但也會造成糞污排放集中、處理難度大、生態(tài)環(huán)境壓力大等問題[1-2]。因地制宜對養(yǎng)殖糞污進行科學管理、減少環(huán)境排放是養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展的重要保障。厭氧發(fā)酵技術(shù)是規(guī)模養(yǎng)殖場糞污處理的重要手段之一[3]，不僅可以有效削減糞污中常見污染物，而且產(chǎn)生的沼氣可作為清潔能源，殘留的沼液和沼渣經(jīng)無害化處理后可作為肥料，是推動種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要紐帶[4]。

研究表明，畜禽糞便源沼液還田在改良土壤、提升作物品質(zhì)等方面具有明顯的效果[5-7]。YU等[8]發(fā)現(xiàn)，施用濃縮的牛糞沼液和豬糞沼液后，種植番茄土壤的有機質(zhì)、全氮(TN)、全磷(TP)和速效養(yǎng)分等肥力指標均顯著提升；王永翠等[9]發(fā)現(xiàn)，單施沼液有助于青貯玉米植株產(chǎn)量的提高，但對籽粒中粗蛋白含量沒有明顯的促進作用，而沼液與氮肥配施不僅對青貯玉米增產(chǎn)作用明顯，營養(yǎng)品質(zhì)也顯著提高；高威等[10]研究表明，豬糞沼液與氮肥配施能顯著提高小麥籽粒蛋白質(zhì)含量和淀粉的糊化特性，改善和優(yōu)化小麥籽粒品質(zhì)；BARG等[11]連續(xù)5 a的試驗結(jié)果表明，施用牛糞沼液提高了冬小麥籽粒中微量金屬元素鋅(Zn)、銅(Cu)和鐵(Fe)的含量。

沼液安全利用是農(nóng)田消納的重要保障。一方面，沼液作為一種液體肥料(含少量固體)，其理化特性和養(yǎng)分形態(tài)與固體有機肥、化肥差異較大[12]。沼液中銨態(tài)氮(NH4+-N)含量普遍較高，不恰當?shù)倪€田會增加氨揮發(fā)和徑流損失[13]。孫國峰等[14]研究表明，施用豬糞有機肥氮達常規(guī)化肥1.5倍時可實現(xiàn)水稻高產(chǎn)，但會明顯增加稻田地表徑流和磷、鉀的流失；另一方面，由于畜禽糞便中含有重金屬等有害物質(zhì)，經(jīng)厭氧發(fā)酵后沼液中砷(As)等金屬的生物有效性有所提高[15]，沼液還田存在重金屬安全風險。李金澄等[16]認為，沼液施用量小于玉米需氮量的4倍時，土壤和玉米籽粒中存在Zn、Cu、鎘(Cd)、As的遷移與富集，但均未達到污染風險等級；WAN等[17]研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)施用雞糞和豬糞顯著降低了水稻籽粒中Cd的積累，顯著提高了土壤中有效As含量，但對水稻籽粒中有效As含量的影響有限。

基于作物養(yǎng)分需求和土壤條件確定沼液合理的施用量和施用方法，是沼液農(nóng)田安全利用的普遍共識，對確保作物產(chǎn)量和品質(zhì)、避免二次污染具有重要意義[18]。目前，針對華東地區(qū)小麥-玉米輪作條件下連續(xù)灌溉沼液對小麥和青貯玉米植株產(chǎn)量及品質(zhì)的影響鮮有報道?；诖?，以江蘇省北部的小麥-玉米輪作農(nóng)田為研究對象，連續(xù)2 a施用奶牛場沼液，探究沼液不同施用量對小麥及青貯玉米植株產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以期為畜禽糞便源沼液在農(nóng)田的高效安全利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于江蘇省宿遷市泗洪縣(33°21′36″ N，118°02′42″ E)某規(guī)模奶牛養(yǎng)殖場配套的農(nóng)田內(nèi)。該地區(qū)屬暖溫帶季風性氣候區(qū)，年平均日照時數(shù)2 200 h，年平均氣溫14.3 ℃，年無霜期約200 d，年降水量約1 000 mm。試驗田土壤類型屬黃褐土，耕層(0～20 cm)土壤基本理化特征見表1。該區(qū)種植制度為夏玉米-冬小麥輪作，通常情況下，玉米在每年6月播種，9月底收獲；小麥在每年10月初播種，次年6月上半月收獲。

表1 試驗田耕層土壤基本理化特征

1.2 供試沼液

供試奶牛場沼液(以下簡稱“沼液”)取自規(guī)模奶牛場內(nèi)沼氣池，發(fā)酵裝置為黑膜厭氧發(fā)酵池。該養(yǎng)殖場奶牛存欄量常年穩(wěn)定在2 800～3 000 頭，清糞方式為鏈條式機械刮糞，收集到的糞尿及沖圈廢水首先經(jīng)過固液分離，分離液經(jīng)微濾后進入黑膜沼氣池，分離渣作為堆肥原料出售。養(yǎng)殖場內(nèi)共有5個黑膜沼氣池，總?cè)莘e為25 000 m3，水力停留時間常年維持在90～120 d，已正常運行3 a。發(fā)酵后的沼液通過管道輸送至周邊農(nóng)田的沼液貯存池，作為基肥施用，施用裝置為自主研發(fā)的沼液噴灌機(ZL 201921944557.5)。供試沼液的基本理化特性見表2。供試沼液中Fe、Zn和As含量分別為(44.67±8.22)、(38.69±6.52)、(0.19±0.05) mg·L-1，Cd含量未檢出(檢出限0.08 ng·L-1)，As和Cd含量未超過NY/T 2596—2014《沼肥》和NY/T 2065—2011《沼肥施用技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定。

表2 供試奶牛場沼液的理化特性

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置4個施肥處理，為不施肥的空白處理(CK)、化肥處理(CF100)、100%沼液氮替代處理(BS100)、150%沼液氮替代處理(BS150)。每個處理重復3次，12個試驗小區(qū)隨機排列。小區(qū)面積為30 m2(7.5 m×4 m)，各小區(qū)間設(shè)置1.5 m寬的保護行。種植的玉米和小麥品種分別為“雅玉青貯8號”和“煙農(nóng)19”。根據(jù)作物養(yǎng)分需求，玉米季需肥量分別為N 180 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2，K2O 120 kg·hm-2；小麥季需肥量分別為N 150 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2，K2O 120 kg·hm-2，其中化學N、P和K肥分別為尿素(CH4N2O)、過磷酸鈣〔Ca(H2PO4)2〕、氯化鉀(KCl)。根據(jù)等氮量替代原則以及沼液中養(yǎng)分含量，玉米季BS100和BS150處理的沼液施用量分別為142和213 t·hm-2，小麥季施用量分別為118和177 t·hm-2。施用沼液處理中添加Ca(H2PO4)2和KCl作為磷和鉀的補充。各處理施肥方式為基肥和追肥，基追比為6∶4，其中玉米季追肥時間為小喇叭口期，小麥季追肥時間為返青期和拔節(jié)前。沼液采用人工灑施的方式，同時在不同施肥處理組進行灌水，保證不同處理組之間水分含量一致。各處理的除草、施藥等其他田間管理方式相同。定位試驗開始于2018年4月，取樣時間為2020年11月。

1.4 樣品采集與分析

1.4.1植株樣品采集與產(chǎn)量計算

收獲時，在各試驗小區(qū)隨機布設(shè)1 m×1 m的樣方，將樣方內(nèi)的植株全部收獲。小麥脫粒后測產(chǎn)，玉米在抽穗期取整個植株樣品測產(chǎn)。小麥產(chǎn)量和青貯玉米植株產(chǎn)量以單位面積農(nóng)田的小麥和青貯玉米質(zhì)量計算。

1.4.2植株理化指標測定

選取2020年收獲的小麥和青貯玉米樣品測定理化指標。小麥籽粒曬干、粉碎備用。玉米植株樣本取回后用自來水和去離子水沖洗，自然晾干，放入烘箱中105 ℃殺青30 min，80 ℃烘至恒量，粉碎備用。

樣品粗蛋白測定參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質(zhì)的測定》，粗淀粉測定參照GB 5009.9—2016《食品安全國家標準 食品中淀粉的測定》，粗脂肪測定參照GB/T 6433—2006《飼料中粗脂肪的測定》，玉米植株中粗纖維測定參照GB/T 6434—2006《飼料中粗纖維的含量測定 過濾法》。

小麥的籽粒和玉米鮮樣中Fe、Zn、Cd和As含量測定參照GB 5009.90—2016《食品安全國家標準 食品中鐵的測定》、GB 5009.14—2017《食品安全國家標準 食品中鋅的測定》、GB 5009.11—2014《食品安全國家標準 食品中總砷及無機砷的測定》、GB 5009.15—2014《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》。測定儀器為電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS，Perken Elmer Nex ION 2000型，美國)。

1.4.3數(shù)據(jù)分析

處理間差異采用單因素方差分析(ANOVA)，多重比較采用Duncan法，設(shè)α=0.05，統(tǒng)計分析軟件為DPS 9.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液施用對小麥和青貯玉米植株產(chǎn)量的影響

由圖1可見，連續(xù)施用沼液后，處理間小麥產(chǎn)量均無顯著差異。沼液施用第1年，BS100處理中小麥產(chǎn)量最高，但BS150處理中小麥產(chǎn)量最低，這說明沼液等氮量替代更有利于小麥的生長。沼液施用后第2年，BS100處理產(chǎn)量較第1年有所降低，BS150處理中小麥產(chǎn)量略有提高，甚至高于BS100處理，這可能是由于沼液中養(yǎng)分形態(tài)差異較大[12]，導致作物對養(yǎng)分的利用差別較大。這說明沼液肥效的評估需要長期定位施用效果的支撐。2020年當?shù)赜晁渥鉡19]，在連續(xù)2 a不施肥的情況下，2020年CK處理的小麥產(chǎn)量高于2019年。同時，雨水充足導致沼液地表徑流損失，100%沼液處理第2年小麥產(chǎn)量為7.63 t·hm-2，比第1年降低約20%。說明在南方水網(wǎng)區(qū)，沼液施用策略需要更加精準，不光需要考慮土壤條件和作物養(yǎng)分需求，還需要關(guān)注氣候條件。沼液施用第1年，各處理的青貯玉米植株產(chǎn)量無顯著差異；CF100處理產(chǎn)量最高，CK處理產(chǎn)量最低，沼液處理產(chǎn)量介于CK和化肥處理之間，其中BS150處理產(chǎn)量略高于BS100處理。沼液施用2 a后，不同處理間青貯玉米植株產(chǎn)量出現(xiàn)顯著差異(P<0.05)，沼液處理的青貯玉米植株產(chǎn)量與CF100處理相比有顯著提高，且BS150處理顯著高于BS100處理，BS150處理的青貯玉米植株產(chǎn)量達101.07 t·hm-2，說明1.5倍氮量沼液更有利于青貯玉米生長。連續(xù)施用化肥會導致土壤酸化、化肥肥效降低[20]，且筆者試驗中2020年玉米未到乳熟期收獲，導致2020年CF100處理玉米植株產(chǎn)量較2019年產(chǎn)量降低近30%。

沼液能夠提供作物生長所需的各種養(yǎng)分，且在土壤中的保肥時間較長，對提高作物的營養(yǎng)生長效率和籽粒形成能力具有重要的作用[21]。供試的黃褐土pH值較低，在酸性條件下施用偏堿性的沼液，可以調(diào)節(jié)土壤pH值，有利于營造適宜玉米、小麥生長的土壤環(huán)境。沼液中各種腐殖酸與磷肥具有正交互作用，尤其低分子量腐殖酸與磷肥的正交互作用最強，含腐殖酸的磷肥具有明顯的增產(chǎn)作用[22]。前人關(guān)于沼液促進作物增產(chǎn)的研究表明，沼液過量還田，當季即可產(chǎn)生明顯增產(chǎn)效果[23]。李金澄等[24]試驗表明，以土壤環(huán)境安全最大承載量為優(yōu)先目標時，1倍氮養(yǎng)分沼液施用量為最優(yōu)。筆者研究采取等氮量和1.5倍氮量代替施用沼液，第1年增產(chǎn)效果不明顯，第2年青貯玉米增產(chǎn)效果明顯。

CK—不施肥的空白處理；CF100—化肥處理；BS100—100%沼液氮替代處理；BS150—150%沼液氮替代處理。

2.2 沼液施用對小麥和青貯玉米品質(zhì)的影響

2.2.1小麥籽粒營養(yǎng)品質(zhì)

在成熟的小麥籽粒中，淀粉約占65%，蛋白質(zhì)占10%～15%[25]。小麥的淀粉含量是判別小麥品種、影響出粉率及面粉用途的重要指標之一[26]，粗蛋白含量是小麥品質(zhì)分級的重要指標[27-28]。該研究選取粗淀粉和粗蛋白2個營養(yǎng)指標評價小麥籽粒營養(yǎng)品質(zhì)。連續(xù)2 a施用沼液后，不同處理組間小麥籽粒的粗蛋白和粗淀粉含量都存在顯著差異，粗蛋白和粗淀粉含量隨著沼液施用量的增加而顯著增加(P<0.05，圖2)。BS150處理小麥籽粒的粗蛋白含量w為14.24%，粗淀粉含量w為78.40%，且施用沼液處理的粗蛋白和粗淀粉含量顯著高于施用化肥處理，其主要原因是沼液可以促進植株對微量元素和生理活性物質(zhì)的吸收，增強與品質(zhì)形成相關(guān)的酶活性及生理代謝強度[29]。另外，沼液中養(yǎng)分有效性較高，且可促進土壤有機養(yǎng)分礦化分解，雖然總氮投入量沒有增加，但是作物對養(yǎng)分的吸收利用效率得以提高[30]，從而使作物粗蛋白和淀粉含量增加。研究結(jié)果表明，連續(xù)施用沼液可以促進小麥營養(yǎng)品質(zhì)提高。

Fe、Zn是生物體必需的微量元素[31]。Fe是植物生長發(fā)育過程中重要的微量元素，參與植物葉綠素的合成、光合作用等代謝過程[32]。Zn參與生物體眾多生理生化過程[33]，參與細胞膜上磷酸酯和巰基組分的相互作用，進而穩(wěn)定生物膜，維持細胞膜的正常作用[34]。連續(xù)2 a施用沼液后，BS100和BS150處理的Fe和Zn含量均顯著高于CK和CF100處理(P<0.05，圖3)，且BS150處理的Zn含量顯著高于BS100處理(P<0.05)。BS150處理的小麥籽粒Fe含量為22.09 mg·kg-1，Zn含量為20.53 mg·kg-1，說明施用沼液顯著提高了小麥籽粒中Fe、Zn含量，且Zn含量隨著沼液施用量的增加而顯著增加(P<0.05)。

CK—不施肥的空白處理；CF100—化肥處理；BS100—100%沼液氮替代處理；BS150—150%沼液氮替代處理。

CK—不施肥的空白處理；CF100—化肥處理；BS100—100%沼液氮替代處理；BS150—150%沼液氮替代處理。

2.2.2青貯玉米營養(yǎng)品質(zhì)

根據(jù)GB/T 25882—2010《青貯玉米品質(zhì)分級》，一級青貯玉米品質(zhì)指標的具體標準包括：水分含量w為60%～80%，粗蛋白含量w>7%，淀粉含量w>25%，中性洗滌劑纖維含量w<45%，酸性洗滌劑纖維含量w<23%。另外，粗脂肪也是常用評價指標之一[35]。因此，選取粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、Fe、Zn含量這5個指標評價沼液對青貯玉米品質(zhì)的影響。連續(xù)2 a施用沼液后，各試驗小區(qū)的青貯玉米植株品質(zhì)指標如圖4～5所示。

青貯玉米未到乳熟期收獲，導致其蛋白質(zhì)含量偏低，各處理植株粗蛋白含量w約1%左右。連續(xù)2 a施用沼液后，不同處理組之間青貯玉米植株的粗蛋白含量存在顯著差異(P<0.05)，粗蛋白含量隨著沼液施用量的增加而顯著提高(P<0.05)，BS150處理青貯玉米的粗蛋白含量為1.43%，且施用沼液處理的青貯玉米粗蛋白含量顯著高于施用化肥處理(P<0.05)，說明施用沼液提高了青貯玉米植株的粗蛋白含量，其原因與前文討論沼液對小麥粗蛋白含量的影響大致相同，不再贅述。試驗結(jié)果顯示，施用沼液降低了收獲時青貯玉米植株中粗脂肪含量，但隨著沼液施用量的增加其含量略有回升，其原因是粗脂肪含量不僅受N、P含量與種植密度等因子的影響，而且受收獲期的制約[36]。試驗結(jié)果顯示，施用化肥或沼液均顯著提高了青貯玉米中粗纖維含量(P<0.05)，BS150處理的粗纖維含量w為53.86%，且施用化肥和施用沼液處理間無顯著差異，其中BS100處理略低于CF100和BS150處理。青貯玉米的纖維包括中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維，在合理施氮條件下，增施氮肥可促進青貯玉米的生長，但氮素過量時不僅會使葉片衰老加速、纖維含量增加，還會對環(huán)境造成巨大壓力[37]。該研究中，施用沼液后玉米的粗纖維總量小于60%，且BS100處理的粗纖維含量略低于CF100處理，說明施用沼液不會降低青貯玉米品質(zhì)。

CK—不施肥的空白處理；CF100—化肥處理；BS100—100%沼液氮替代處理；BS150—150%沼液氮替代處理。同一幅圖中直方柱上方英文小寫字母不同表示各處理間某指標差異顯著(P<0.05)。

連續(xù)2 a施用沼液后，青貯玉米BS100處理的Fe含量較CK處理顯著降低(P<0.05)，隨著沼液的增加，F(xiàn)e含量有所回升。青貯玉米不同處理組間Zn含量存在顯著差異(P<0.05)，CK處理最高，施用化肥或沼液處理降低了青貯玉米植株中Zn含量。KARIM等[38]指出，玉米莖中Zn積累量的差異與基因型不同有關(guān)，與施Zn量關(guān)系不大。Zn、Fe元素在化學性質(zhì)上相似，存在相同的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，故很多情況下表現(xiàn)出相互競爭的關(guān)系[39]，這可能是造成該試驗玉米植株中Fe、Zn含量沒有明顯規(guī)律的主要原因。

CK—不施肥的空白處理；CF100—化肥處理；BS100—100%沼液氮替代處理；BS150—150%沼液氮替代處理。同一幅圖中直方柱上方英文小寫字母不同表示各處理間某指標差異顯著(P<0.05)。

2.3 沼液施用后小麥和青貯玉米中有害金屬的含量

As和Cd是2種環(huán)境風險極大的(類)重金屬污染物，其在土壤-作物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化是國際上研究的熱點[40]。畜禽糞便普遍含有As和Cd，經(jīng)厭氧發(fā)酵后沼液中兩者的溶解態(tài)含量有所提高[41]，農(nóng)田施用后是否造成生態(tài)環(huán)境風險增加一直以來備受關(guān)注。連續(xù)2 a施用沼液后，各試驗小區(qū)的小麥、青貯玉米中As、Cd含量如圖6～7所示。施用沼液增加了小麥籽粒As含量，但各處理間Cd含量無顯著差異，As和Cd含量均符合GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》的規(guī)定。施用沼液增加了青貯玉米植株中As含量；BS150處理的Cd含量顯著低于CF100處理，但與CK處理無顯著差異。青貯玉米植株中As、Cd含量均符合GB 13078—2017《飼料衛(wèi)生標準》的規(guī)定。這說明現(xiàn)有水平下，連續(xù)施用沼液不存在小麥和青貯玉米中As和Cd超標的風險。

TANG等[42]在稻-麥輪作田間試驗中連續(xù)5 a施用沼液，發(fā)現(xiàn)施用沼液的土壤重金屬污染風險相對較低，且小麥和水稻籽粒中Cd含量均在安全范圍內(nèi)。筆者試驗用沼液中As平均含量為0.19 mg·L-1，Cd含量未檢出(檢出限0.08 ng·L-1)，連續(xù)施用2 a后小麥籽粒和青貯玉米植株中As、Cd含量均未超過相關(guān)標準中污染物限量值，這與前人研究結(jié)果[16,42]一致，但對于長期施用沼液導致的農(nóng)田重金屬污染風險仍需要進一步研究。ZHAO等[43]提出，為了最大限度地減少污染物從土壤向食物鏈的轉(zhuǎn)移，可以盡量減少污染物的投入，用石灰或其他固定材料減少土壤中重金屬的有效性，選擇和培育低重金屬積累作物品種，采用適當?shù)乃头柿瞎芾?、生物修復、改變土地用途、種植非糧食作物等方式。

CK—不施肥的空白處理；CF100—化肥處理；BS100—100%沼液氮替代處理；BS150—150%沼液氮替代處理。

CK—不施肥的空白處理；CF100—化肥處理；BS100—100%沼液氮替代處理；BS150—150%沼液氮替代處理。

3 結(jié)論

(1)施用沼液未降低小麥-玉米系統(tǒng)的作物產(chǎn)量，施用沼液1 a后各處理的作物產(chǎn)量無顯著差異，而施用沼液2 a后各處理的青貯玉米鮮重隨著沼液用量的增加而顯著增加(P<0.05)。

(2)施用沼液對小麥和青貯玉米品質(zhì)有明顯的提升作用，其中小麥籽粒的粗蛋白、粗淀粉含量以及青貯玉米的粗蛋白含量隨著沼液施用量的增加而顯著增加(P<0.05)。施用沼液顯著提高了小麥籽粒中Fe和Zn含量(P<0.05)，但青貯玉米植株中Fe和Zn含量有所降低。

(3)施用沼液未增加作物有害重金屬的累積風險。連續(xù)施用沼液增加了小麥籽粒和青貯玉米植株中As含量，對Cd含量無顯著影響，As和Cd含量均未超過相關(guān)標準中污染物限量值。