王 振,韩永胜,张淑芬,丁昕颖,付 龙,马珊珊,尹珺伊,白长胜, 张 军,田秋丰,史同瑞,赵金波,李 伟
(黑龙江省农业科学院 畜牧兽医分院,黑龙江 齐齐哈尔 161000)
随着动物源性食品在城乡居民的消费比例提高,畜牧业规模化、集约化程度将继续扩大[1],在此背景下我国畜禽粪便产生量近40×108t[2],成为重要的农业污染源。面对畜牧业产能提高的需求和日益严峻的畜禽粪污污染之间的矛盾,畜禽粪污资源化利用得到了研究人员的广泛关注[3-6],其中利用畜禽粪便含有丰富营养元素的特点,将粪便作为有机肥原料还田利用,成为资源化利用的主流手段[2,7-9]。
牛粪含有丰富的营养物质,其中有机质66.2%、全氮1.7%、全磷0.78%、全钾0.98%[10]。虽然牛粪的营养物质较其他畜禽粪便低,但其产量高、质地细密、粗纤维含量较高,使得制成的牛粪有机肥具有改善土壤结构、缓释的特点,肥料化利用潜力巨大。郭龙等[11]研究表明,使用牛粪有机肥替代化肥施用于茶园,土壤中有机质、全氮含量均呈上升趋势,茶叶产量品质也得到显著提高。杨洋等[12]研究表明,牛粪配施氮肥可有效增加土壤养分含量,提高土壤酶活性,促进土壤微生物生物量和玉米增产,且均随着牛粪施入量的增加而显著增加。章志航[13]比较了牛粪有机肥、猪粪有机肥和鸡粪有机肥在土壤中养分的释放规律,结果表明牛粪有机肥虽然养分含量不及鸡粪有机肥,但牛粪有机肥pH呈中性,在土壤铵态氮和硝态氮的释放上表现最佳,具有适用性强的特点。值得注意的是,部分养殖场缺乏科学的饲喂指导,饲料中的过量重金属会通过粪便进入环境,若长期施用重金属含量较高的牛粪有机肥可能加剧土壤中重金属的富集风险[14-15]。
本文采用盆栽试验,以肉牛粪为供试材料,以玉米为试验植物,将牛粪有机肥和化肥按不同比例配施,通过检测土壤中重金属铜(Cu)、锌(Zn)总质量分数及各形态质量分数,计算不同形态重金属的分配率,探寻合适的配施比例,同时探讨土壤内在因素与重金属富集的规律,为兼顾充分利用牛粪有机肥和避免重金属富集提供理论依据和技术支持。
1.1 试验材料
盆栽试验于黑龙江省农业科学院畜牧兽医分院富拉尔基科研基地进行,供试土壤为东北黑土,采自科研基地试验田,试验土壤养分见表1;供试牛粪采自科研基地附近牛场,试验前经过充分好氧堆肥处理,牛粪有机肥pH为7.12,全氮含量为1.60%,全碳含量为41.83%,Zn含量为226.22 mg/kg,Cu含量为115.52 mg/kg;供试化肥使用均为分析纯的尿素、磷酸二铵和氯化钾配成的营养液;供试作物为玉米。
表1 土壤基础养分Table 1 Basic nutrient of soil
1.2 试验设计
试验共设5个处理,每个处理重复3次,试验盆栽每桶(33 cm×27 cm×25 cm)装入风干土15 kg,充分浇水后,稳定10 d后备用。处理1为空白对照不施肥(CK);处理2为单施牛粪(CD),施入牛粪量为287.5 g,牛粪有机肥全氮含量为1.6%,施入量折合氮后为4.6 g;处理3为单施化肥(CF),尿素施入量折合氮后为4.6 g;处理4为配施比例1∶1施入(DF1),牛粪有机肥和化肥施入量折合氮后合计为4.6 g;处理5在处理4的基础上过量施入牛粪有机肥,牛粪有机肥和化肥提供氮的比例为2∶1(DF2),具体配施处理见表2。每个处理将物料均匀混合后装盆种植玉米,每个处理种3颗,间苗后每个处理留1株幼苗,定期浇水,管理方式与大田相同,收获玉米后采集土壤样品。
表2 配施处理Table 2 Coordinate application treatment g
1.3 分析测试方法
土壤样品风干后参考BCR提取法[16-17]提取不同形态重金属,即有效态(可交换态、还原态)、氧化态和残渣态,提取后参考火焰原子吸收分光光度法[18],测定重金属Zn、Cu的总质量分数及不同形态质量分数,并计算各形态重金属的分配率;土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定[19];新鲜土壤样品pH利用pH计(PHS-3C)测定,浸提水土比例为10∶1。
1.4 数据统计分析
化验所得数据通过WPS进行录入整理,通过SPSS 22.0和OriginPro 2021等软件进行统计分析和图表绘制,结果用平均数±标准差来表示。
2.1 不同配施措施对土壤重金属Cu形态的影响
表3为不同施肥处理对土壤中重金属Cu的影响。从Cu的总质量分数看,单独施用牛粪有机肥会显著增加Cu的总质量分数,单独施用化肥及牛粪有机肥和化肥配施可以显著降低Cu的总质量分数,但随配施比例的上升,Cu的质量分数呈上升趋势。从Cu的各形态质量分数看,施肥可以降低残渣态Cu的质量分数,化肥和牛粪有机肥配施对残渣态Cu的降低效果更佳,可交换态Cu的质量分数会因为施用牛粪有机肥而上升,单施化肥可交换态Cu的质量分数会显著下降,单独施用牛粪有机肥会导致氧化态Cu的质量分数上升,化肥和牛粪有机肥配施可以显著降低氧化态Cu的质量分数。
表3 不同施肥处理对土壤中重金属Cu的影响Table 3 Effect of different fertilizations on heavy metal Cu in the soil
2.2 不同配施措施对土壤重金属Zn形态的影响
表4为不同施肥处理对土壤中重金属Zn的影响。从Zn的总质量分数看,施肥可以显著降低Zn的总质量分数。与单独施用化肥或牛粪有机肥相比,化肥和牛粪有机肥配施对Zn的总质量分数降低更多,但随着牛粪施用量的提升,Zn的总质量分数也随之上升。与单独施用牛粪有机肥相比,单独施用化肥对Zn的总质量分数降低更多。从Zn的各形态质量分数看,施肥可以降低残渣态Zn的质量分数,并随着牛粪施用量的上升,残渣态Zn的质量分数随之下降,还原态Zn与残渣态Zn有类似的趋势,但单独施用化肥还原态Zn质量分数下降最多,氧化态Zn的质量分数会因配施而下降,但单施牛粪有机肥使氧化态Zn的质量分数显著上升,可交换态Zn的趋势与氧化态Zn相反,但单施牛粪有机肥同样会使氧化态Zn的质量分数显著上升。
表4 不同施肥处理对土壤中重金属Zn的影响Table 4 Effect of different fertilizations on Zn in the soil
2.3 不同配施措施对土壤重金属Cu、Zn不同形态分配率的影响
从图1可以看出,对于重金属Cu,残渣态在CK处理中含量最高,占比为55.81%,CF处理对土壤中Cu各形态分配率的影响不大,残渣态占比最大,为52.78%,还原态略有上升。施有牛粪有机肥的处理均能降低残渣态Cu的占比,CD和DF1处理差异较小,DF2处理降低幅度最大,为25.79%。从分配率的变化趋势看,施用有机肥可以促进残渣态Cu向可交换态转化,与CK处理相比,CD和DF1处理可交换态Cu分配率从15.86%分别提高为28.12%、28.13%,DF2处理提高幅度最大,为42.02%。
图1 不同施肥处理对土壤中Zn、Cu各形态分配率的影响Fig. 1 Effect of different fertilizations on the proportion of Cu, Zn distribution rate in the soil
重金属Zn相对Cu来说,原土中可交换态和还原态分配率占比较高,氧化态含量最低,占比为4.69%,CF处理对土壤中Zn残渣态分配率的影响不大,残渣态占比最大,从CK处理的53.4%提高为59.43%,但CF处理还原态明显下降,转化为可交换态和残渣态,可交换态和残渣态占比较CK处理分别提升了7.53、6.03个百分点。与Cu的变化趋势类似,施用牛粪有机肥的处理均能降低残渣态的占比,CD和DF1处理相比,各形态Zn的分配率差异不大,可见在该施肥量前提下,化肥对重金属形态的影响较小。从CF、DF1和DF2处理可知,不同于Cu的变化趋势,在施用化肥的前提下,施用牛粪有机肥使得一部分残渣态Zn转化为还原态Zn。从分配率的变化趋势看,残渣态和可交换态的变化趋势与Cu的形态变化类似。与CK处理相比,CD和DF1处理残渣态Zn分配率从53.40%分别降低为39.27%、38.40%,DF2处理变化幅度最大,降低为24.33%。
2.4 土壤pH、SOC与Cu、Zn有效态分配率的相关性
图2 SOC、pH与Cu、Zn有效态分配率的线性拟合曲线Fig. 2 Linear fits for SOC, pH and effective state distribution rate of Cu and Zn in the soil
配施造成土壤环境条件的变化,土壤中重金属的动态平衡随之发生改变,使其表现出不同的生物活性。对不同配施措施下土壤Cu、Zn形态变化的研究结果表明,重金属本身特性对其在土壤中的形态分布影响显著,同时在土壤中施用牛粪有机肥改变了土壤中SOC、pH等理化性质,进而影响了重金属的赋存形态和迁移活性。韩春梅等[21]认为,在土壤类型相同的前提下,重金属的形态分布受重金属总量的影响显著;杨潞[22]发现,重金属总量与残渣态Cu、还原态Zn及氧化态Zn呈极显著正相关。对于重金属Zn、Cu这类活泼元素而言,其活性形态随重金属的增加而增加,结合表3、表4中重金属总质量分数的变化,也可解释本试验牛粪有机肥的施用使重金属Cu、Zn被活化的现象。
土壤SOC与重金属离子间的静电吸附、络合效应直接影响重金属的可移动性和生物有效性。丁疆华等[23]发现,土壤有机质与残渣态、铁锰氧化物结合态和有机结合态含量呈显著正相关;刘霞等[24]也发现,重金属的碳酸盐结合态随土壤有机质含量的增加呈现降低趋势。牛粪中含有大量的不易分解的有机碳[25],提供了大量的重金属吸附点位,降低了土壤中重金属的活性。李晓宁等[26]认为,有机碳的增加有利于土壤腐殖质的提高,同时改善了土壤的理化性质,使重金属的活化作用优先于有机碳的吸附和络合,该结论与本文的试验结果相一致。
土壤pH是土壤理化性质的综合反映,影响土壤表面的吸附稳定性、土壤重金属的形态分布等。王洋等[27]发现,随着土壤中pH的增大,可交换态、碳酸盐结合态及残渣态质量分数减小,铁锰氧化物结合态和有机结合态的质量分数增大;钟晓兰等[28]发现,土壤pH和有机质会显著影响土壤重金属的形态分布;刘霞等[29]研究发现,土壤重金属碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和残渣态重金属含量随pH的增大而增大,由此可见pH对土壤重金属活性的影响较为复杂,生物活性较高的可交换态和还原态、较稳定的氧化态和残渣态均随着pH的变化而变化。本文中重金属Zn与pH呈正相关,结合DF2处理土壤pH为7.41,在所有处理中值最高的情况分析,在该试验条件下,牛粪有机肥的施入使土壤pH显著提高,土壤胶体表面氢氧根离子的浓度显著提高[30],加剧了对Zn2+、Cu2+的吸附,而铜的相关性较差可能是因为从低pH开始,吸附作用随着pH的升高而增强,到达最大值后,吸附作用逐渐减弱而解吸作用逐渐增强[31]。
配施牛粪有机肥使土壤中残渣态Cu、Zn向其它形态转化,且随着施用量的增加,转化趋势更加明显,单独施用化肥对形态影响不大;配施牛粪有机肥使土壤pH、SOC含量显著提高,有效态Cu、Zn与SOC含量呈显著性正相关,有效态Zn与土壤pH呈显著性正相关;过量配施牛粪有机肥会加剧重金属Zn、Cu的活化,因此施用牛粪有机肥时应严格遵循测土配方算出的实际需求量,避免过量施用,增加土壤环境的重金属污染风险。
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