豬糞肥施用年限對耕地質(zhì)量的影響

曾慶慶， 何騰兵,3*， 黃會前， 鄒習(xí)文， 滕 浪， 石振情

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州省山地畜禽養(yǎng)殖污染控制與資源化技術(shù)工程實驗室，貴州 貴陽 550025； 3.貴州大學(xué) 新農(nóng)村發(fā)展研究院，貴州 貴陽 550025)

自20世紀(jì)80年代以來，我國規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)得以迅速的發(fā)展，2016年貴州省生豬出欄數(shù)為1 759.35萬頭，豬肉154.96萬t[1]。這種大規(guī)模、集中經(jīng)營的養(yǎng)豬模式雖然滿足了人們對于豬肉的需求量，但卻存在如何處理大量糞便的問題。由于豬糞中含有大量的養(yǎng)分，如果處理不當(dāng)便會污染環(huán)境，將其當(dāng)作肥料施入土壤中是當(dāng)前的主要處理途徑[2-6]。豬糞中含有大量植物生長發(fā)育所需的必需營養(yǎng)元素，經(jīng)過處理后施入土壤中不僅能讓作物增產(chǎn)，還能有效地改善土壤質(zhì)量[7-9]。土壤中施用豬糞肥與化肥相比，其可改變土壤酸堿度[10-11]、減少氮素流失[7,12]和提高作物種植體系的生產(chǎn)率[13]。如果把所有畜禽糞便進行充分利用，可最大程度地減少化肥的施用量，進而改善農(nóng)業(yè)化肥對土壤的污染[14]。關(guān)于豬糞肥施用對土壤養(yǎng)分影響已有較多的研究報道，但對貴州喀斯特生態(tài)脆弱地區(qū)的研究較少。為此，選擇位于貴州省貴陽市某種養(yǎng)殖有限公司規(guī)模化養(yǎng)豬場種植基地，研究豬糞肥施用年限對土壤養(yǎng)分的影響，以期為種養(yǎng)一體化循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 肥料 豬糞、沼渣和沼液(表1)，由貴陽某種養(yǎng)殖有限公司提供。

表1 豬糞、沼渣及沼液的養(yǎng)分含量

1.1.2 土樣 在研究區(qū)域分別采集施用豬糞肥不同年限的玉米地和蔬菜地土壤樣品共計30個(表2)，地形為丘陵，土壤類型為黃壤，成土母質(zhì)為第四紀(jì)黏土母質(zhì)。

表2豬糞肥不同施用年限的土壤樣品數(shù)量

Table 2 Sample number of soil continuously applied with pig manure for different years 個

1.2 研究區(qū)概況

研究區(qū)域地處黔中高原區(qū)，地勢較高、起伏不平，屬于北亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫 12℃，年降雨量1 419 mm，海拔1 000～1 400 m，相對高差1 195.5 m。由于風(fēng)化強烈，流水侵蝕、溶蝕嚴(yán)重，巖溶較為發(fā)育，形成復(fù)雜多樣的地貌類型，屬于典型的喀斯特地形區(qū)域，生態(tài)環(huán)境脆弱。

1.3 方法

1.3.1 樣品的采集 采用GPS定位，在研究區(qū)域選取地形條件、成土母質(zhì)、土壤類型和耕作模式基本一致的具有代表性的不同施肥年限(0 a、1 a、3 a、5 a及8 a)地塊，采用5點采樣法采集各地塊的表層土壤(0～20 cm)，平均海拔1 273 m，最高海拔1 430 m，最低海拔1 150 m，相對高差280 m。2種作物類型地塊的糞肥施用量均為2 500 kg/667m2，采取干豬糞、沼渣作基肥，沼液用于后期追肥。

1.3.2 樣品的制備 將采集的土壤樣品分別裝入不含重金屬的布袋，帶回在實驗室風(fēng)干，剔除植物殘體及大礫石等非土壤物質(zhì)，同時避免酸、堿等污染。取風(fēng)干土樣按四分法充分混合后，用木棍輾壓、過尼龍篩，而后進一步研磨，過孔徑2 mm篩后用于測定土壤速效養(yǎng)分；取少量混合的2 mm土樣研磨，過0.25 mm篩后測定土壤全量養(yǎng)分，將過篩樣品置于密封袋中貼好標(biāo)簽，保存?zhèn)溆肹15]。

1.3.3 指標(biāo)測定 pH采用電位法(水土比為1∶2.5)測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定，全氮采用凱氏法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，全磷采用高氯酸-濃硫酸消煮法測定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，緩效鉀采用熱硝酸-火焰光度法測定，有效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定，土壤陽離子交換量采用乙酸銨交換法測定。

1.4 土壤肥力的主成分分析

為了綜合評價施用豬糞肥后土壤的肥力，對影響土壤性質(zhì)的有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、緩效鉀、速效鉀、pH和土壤陽離子交換量9個養(yǎng)分指標(biāo)進行主成分分析，選取累積貢獻率>85%的主成分個數(shù)，用不同主成分載荷向量除以其特征值的算術(shù)平方根得到主成分系數(shù)，得出不同主成分與9個養(yǎng)分指標(biāo)的線性組合，通過每個主成分所占權(quán)重得到綜合模型(綜合得分)，再根據(jù)主成分的線性組合及綜合模型計算出各施肥年份樣本的平均得分。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，SPSS 22.0對土壤養(yǎng)分含量進行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 豬糞肥施用年限對耕層土壤pH的影響

不同作物對土壤的酸堿度要求不同，土壤酸堿度不僅影響植物根系對養(yǎng)分的吸收，還對土壤養(yǎng)分的有效性產(chǎn)生很大的影響。從圖1可知，土壤pH在未施用豬糞肥之前較為離散，隨著施用年限的增加呈先升后降的變化過程，可能是為防止豬糞發(fā)酵過程中產(chǎn)生大量氣泡添加生石灰所致。當(dāng)施用年限達8 a時，pH穩(wěn)定在5.00～6.00，但并未出現(xiàn)土壤酸化現(xiàn)象。

圖1 豬糞肥各施用年限土壤pH的變化

Fig.1 pH value of soil continuously applied with pig manure for different years

2.2 豬糞肥施用年限對耕層土壤有機質(zhì)含量的影響

從圖2看出，隨著豬糞肥施用年限的增加，有機質(zhì)含量呈緩慢累積的過程，但玉米地的有機質(zhì)含量不同施肥年限差異不顯著。蔬菜地的有機質(zhì)含量在施用1 a和 8 a時差異顯著；玉米地和蔬菜地的有機質(zhì)含量分別在施用3 a和 5 a時略有下降，可能是由于黃壤中的粘粒成分含量較高，使豬糞中有機碳的分解較慢；也可能是受自然因素影響以及作物類型的不同引起的，其具體原因有待進一步探討。在施用豬糞肥8 a后，玉米地和蔬菜地的有機質(zhì)含量比未施用豬糞肥地塊分別提高14%和21%。

2.3 豬糞肥施用年限對耕層土壤氮磷鉀含量的影響

從表3可知，隨著豬糞肥施用年限的增加，玉米地和蔬菜地的養(yǎng)分含量均有所提高。2種類型樣地土壤連續(xù)施用豬糞肥8 a，全氮含量較未施用豬糞肥土壤分別提高1%和26%，堿解氮含量較未施用豬糞肥土壤分別提高25%和51%，全磷含量較未施用豬糞肥土壤分別提高165%和32%，有效磷含量較未施用豬糞肥土壤分別提高99%和271%，緩效鉀含量較未施用豬糞肥土壤分別提高24%和45%，速效鉀含量則分別提高74%和91%。說明，連續(xù)施用豬糞肥可顯著提高土壤的全磷含量，尤其是有效磷含量；且長期施用豬糞肥還可有效地提高土壤鉀素的供給能力，有利于作物的生長。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters indicate significance of difference atP<0.05 level. The same below.

圖2豬糞肥各施用年限土壤有機質(zhì)的含量

Fig.2 Organic matter content of soil continuously applied with pig manure for different years

表3 豬糞肥各施用年限耕層土壤氮磷鉀的含量

注：各類型地塊同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significance of difference atP<0.05 level.

2.4 豬糞肥施用年限對耕層土壤陽離子交換量(CEC )的影響

土壤陽離子交換量(CEC)是指土壤所能吸附和交換的陽離子的容量，其受土壤的膠體類型、膠體數(shù)量和pH的影響。從圖3可知，蔬菜地和玉米地土壤陽離子交換量(CEC)分別在豬糞肥連續(xù)施用1 a和5 a時有所下降，但其繼續(xù)施用至8 a時，其CEC較未施用豬糞肥土壤分別提高12%和18%。說明，連續(xù)施用豬糞肥能有效地提高土壤的CEC，在一定程度上增加土壤膠體表面陽離子交換性能，提高了土壤的緩沖性及保肥性。

圖3豬糞肥各施用年限土壤陽離子交換量(CEC)的變化趨勢

Fig.3 Variation trend of cation exchange capacity of soil continuously applied with pig manure for different years

2.5 主成分分析

從表4可知，在有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、緩效鉀、速效鉀、pH及土壤陽離子交換量9個成分中，前5個主成分的貢獻率>85%，為91.273%，即前5個主成分已足夠體現(xiàn)土壤的肥力狀況。其中，第1主成分的方差所占全部主成分方差的44.735%，接近50%。由表5看出，第1主成分由有機質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、土壤陽離子交換量、速效鉀和緩效鉀構(gòu)成；第2主成分由速效鉀、pH、全磷和有效磷構(gòu)成；第3主成分由pH、堿解氮和土壤陽離子交換量構(gòu)成；第4主成分由堿解氮和緩效鉀構(gòu)成；第5主成分由pH和緩效鉀構(gòu)成。從表6可知，在連續(xù)施肥的條件下，綜合得分呈現(xiàn)先降后升趨勢，這與有機質(zhì)、氮、磷及鉀養(yǎng)分的含量變化趨于一致，表明主成分分析結(jié)果可靠。在連續(xù)施肥8 a時，5個主成分的得分均為正值，且綜合得分大于其他幾個施肥年限土壤，說明土壤肥力得到了較好的改善。但是其得分并沒有隨著施肥年限的增加而呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。

表4 不同成分的特征值、貢獻率及累積貢獻率

表5 5個主成分的載荷向量

表6 不同主成分的綜合得分

3 結(jié)論與討論

不同作物對土壤的酸堿度要求不同，土壤酸堿度不僅影響植物根系對養(yǎng)分的吸收，還對土壤養(yǎng)分的有效性產(chǎn)生很大的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)施用年限達8 a時，pH穩(wěn)定在5.00～6.00，未出現(xiàn)土壤酸化現(xiàn)象。與倪亮等[10-11]的研究結(jié)果一致。單施化肥使土壤pH降低，長期施用易導(dǎo)致土壤酸化板結(jié)，施用沼液后，土壤pH接近中性，可有效地防止土壤的酸化板結(jié)[10]。在保護地蔬菜栽培土壤中施用沼渣也有利于防止土壤pH降低[11]。

有機質(zhì)是土壤肥力供給的基礎(chǔ)物質(zhì)，土壤有機質(zhì)是指土壤中各種含有碳的有機物質(zhì)的總和。有機質(zhì)能夠提供給植物氮、磷等各種所需的養(yǎng)分，能夠影響土壤團粒結(jié)構(gòu)、孔隙度、酸堿度、微生物活性和養(yǎng)分的供給，進而影響到土壤養(yǎng)分含量。在一定范圍內(nèi)土壤的有機質(zhì)含量范圍常常能反映土壤肥力的高低，故將其作為評價土壤肥力指標(biāo)之一。因此，要了解土壤的肥力狀況，制定施肥方案和定向培肥土壤的措施，都必須測定土壤有機質(zhì)的含量[16]。研究結(jié)果表明，隨著豬糞肥施用年限的增加，有機質(zhì)含量呈緩慢累積的過程，但玉米地的有機質(zhì)含量不同施肥年限差異不顯著。蔬菜地的有機質(zhì)含量在施用1 a和 8 a時差異顯著；玉米地和蔬菜地的有機質(zhì)含量分別在施用3 a和 5 a時略有下降。與李祥云等[17-18]的研究結(jié)果相近。

豬糞尿中含有豐富的氮磷鉀及微量元素，易腐熟，肥效快。施用豬糞肥，土壤C/N相對較小，土壤礦化作用強于微生物的同化作用，植物可從有機物質(zhì)礦化過程中獲得有效氮的供應(yīng)。研究結(jié)果表明，隨著豬糞肥施用年限的增加，玉米地和蔬菜地的全氮和堿解氮含量均有所提高，全磷、有效磷、緩效鉀和速效鉀含量顯著提高。與陳永杏等[18]的研究結(jié)果相近。連續(xù)施用豬糞肥可顯著提高土壤的全磷含量、有效磷含及鉀素的含量，有利于作物的生長。

陽離子交換量(CEC)能直接反應(yīng)土壤的保肥、供肥性能和緩沖能力，還是土壤分類的重要指標(biāo)[16]。研究結(jié)果表明，蔬菜地和玉米地土壤CEC分別在豬糞肥連續(xù)施用1 a和5 a時有所下降，但其繼續(xù)施用至8 a時，CEC較未施用豬糞肥土壤分別提高12%和18%。9個土壤營養(yǎng)成分中前5個主成分的累積貢獻率>85%，為91.273%，即前5個主成分已足夠體現(xiàn)土壤的肥力狀況。

長期連續(xù)施用豬糞肥，玉米地和蔬菜地耕層土壤pH呈不同變化趨勢，在施肥5～8 a時，玉米地和蔬菜地土壤pH穩(wěn)定在5.00～6.00，可防止土壤酸化。連續(xù)施用豬糞肥，玉米地和蔬菜地耕層土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、速效鉀和緩效鉀含量提高，CEC增加，土壤保肥供肥能力和緩沖能力提高。長期連續(xù)施用豬糞肥能有效的改善土壤環(huán)境質(zhì)量，提高土壤養(yǎng)分的含量，增強耕層土壤的保肥供肥能力。但是耕層土壤養(yǎng)分隨施肥年限的變化規(guī)律并不明顯，還有待進一步深入研究。