澆施沼液對狼尾草植株硝酸鹽累積及其氮素利用效率研究

黃秀聲，黃勤樓，楊信，翁伯琦，陳鐘佃1，，鐘珍梅

（1.福建省農業科學院農業生態研究所，福建 福州350013；2.福建省草業工程技術研究中心，福建 福州350013；3.福建省丘陵地區循環農業工程技術研究中心，福建 福州350013；4.福建省農業科學院畜牧獸醫研究所，福建 福州350013）

＊畜牧業是我國農村經濟的優勢產業和支柱產業，與其迅速發展相伴生的環境問題日益突出，畜禽廢棄物排放已成為影響我國環境狀況改善的重要污染源之一。近年來，一些養殖場引進狼尾草屬（Pennisetum）牧草進行污染生物降解吸收和環境修復，通過它來消納沼液或污水［1］。狼尾草屬牧草為多年生禾本科牧草，具有耐旱、耐瘠、耐氮、耐濕的特點，加之產量高，適口性好，不僅是草食性畜禽的優良青飼料，打漿后還可以作為肉豬的青飼料［2］，也可作為飼糧粗纖維來源，解決生產上母豬飼糧中粗纖維含量難以滿足的實際問題。但是，對于狼尾草草地系統，如果過量的容納沼液或污水，極易因為N、P淋溶造成土壤污染、土質退化和地下水污染。此外，利用沼液澆灌牧草是否會造成牧草硝酸鹽含量超標，美國家畜飼養標準規定，飼料作物干物質中硝態氮含量（以硝酸鹽計）0～0.25%安全，0.25%～0.50%警戒，0.50%～1.50%危險，超過1.50%有毒。由于硝酸鹽含量超過0.25%時，對家畜均會造成不同程度的毒害，因此，有的研究者把硝酸鹽含量超過0.25%作為有毒的限量指標［3，4］。目前，國內外關于飼草硝酸鹽積累的研究主要集中在無機氮肥及畜禽糞便等有機氮肥［3－7］，對沼液澆灌對牧草植株硝酸鹽安全及沼液中的氮素利用效率報道很少。本研究主要采用土柱栽培法，通過不同氮素水平的沼液澆灌，研究狼尾草植株硝酸鹽含量累積、牧草產量、粗蛋白產量及沼液中的氮素淋溶等指標，評價氮素利用效率及硝酸鹽累積安全性，為今后狼尾草在養殖場的污染治理及循環利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試牧草 試驗于2009年在福建省農業科學院農業生態研究所網室進行。品種為“閩牧6號”狼尾草（P.americanum×P.purpureumCV.Minmu 6），來自福建省農業科學院農業生態研究所牧草品種資源圃。采用莖節扦插成活后30d移栽。

1.1.2 供試土樣 采用南方典型的山地紅壤土，未被人為耕作過，按0～20，20～40，40～70cm不同土層分層取土，0～20cm土層土壤營養成分為 N 0.09%、P 0.020%、K 2.53%；20～40cm 土層營養成分為 N 0.09%、P 0.022%、K 2.53%；40～70cm 土層營養成分為 N 0.08%，P 0.021%，K 1.67%。

1.1.3 沼液 取自福州某集約化大型豬場，每個牧草刈割周期取沼液2次，用25kg的密閉容器盛裝，貯于冰柜保鮮。試驗期間共取沼液8次，測得沼液含 N 量分別為0.20%，0.12%，0.15%，0.15%，0.18%，0.15%，0.18%，0.18%。

1.2 試驗方法

1.2.1 栽培方法 采用土柱栽培法，栽培試驗用長85cm、內徑30cm的由PVC管鋸成的塑料土柱21個，土柱管底套上1個可以滲水的白鐵皮托盤，并在托盤外套上1個白鐵皮加工的漏斗，漏斗管下接盛接液體的密閉容器。在管內底部裝10cm左右石英砂，并加以濾布，以過濾下滲水。采用原位土柱法，按0～20，20～40，40～70 cm裝土，每個土柱裝土60kg，種植牧草以后，面上再鋪2cm厚的石英砂。塑料土柱置于鋼架臺面，栽培試驗放在網室中進行，網室高5m，屋頂用透明玻璃遮蓋，四周通風。

1.2.2 試驗處理 沼液澆施牧草設7個處理，3次重復。試驗設計每次沼液澆肥水平以折算成如下純N用量水平，分別用 N0（CK）、N1、N2、N3、N4、N5、N6表示。即每次澆灌折純氮0，5，10，20，40，80，160kg／hm2。牧草刈割周期為45d［8］，每個刈割周期澆灌沼液9次。牧草全年共刈割4次，分別用T1，T2，T3，T4表示。

1.2.3 澆灌方法 移栽成活返青后，按上述不同處理設計每5d澆灌1次，澆灌方法按上述不同處理不同濃度稀釋到1 500mL的相同體積來澆灌，澆灌沼液的間隔期間再澆1次水，用量為1 000mL。

1.2.4 取樣 試驗期每45d刈割1次，牧草留茬高度為10cm。每次分別取地上部植株鮮樣進行硝態氮測定，取地上部莖葉進行干物質和全N含量測定。每天對土柱淋溶液體及時地收集，測定記錄淋溶液體體積，并在冰箱0℃以下冰凍起來，每15d對每個處理匯集的土柱淋溶液體測定全N含量。在試驗結束時，分別取土柱0～20，20～40，40～70cm土層土壤，測定土壤全N含量。

1.3 測定指標和方法

1.3.1 硝酸鹽測定 采用水楊酸－濃硫酸法［9］。

1.3.2 干物質測定 按刈割時間分別對植株莖和葉稱鮮重，然后置65℃烘箱烘干至恒重后稱重。

1.3.3 株植全氮和粗蛋白含量測定 全氮含量測定采用半微量凱氏定氮法［3］。粗蛋白質含量按照全氮含量×6.25折算。

1.3.4 淋溶水樣全氮含量測定 采用堿性硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB11894－89）。

1.3.5 土壤全氮含量測定 采用半微量凱氏定氮法［10］。

1.3.6 氮素生產效率評價指標 參考文獻［5，11，12］的方法，評價指標氮肥利用率（recovery rate，REN）＝（UN－U0）／FN×100；氮肥生理利用率（physiological efficiency，PEN）＝（YN－Y0）／（UN－U0）；氮肥農學利用率（agronomic efficiency，AEN）＝（YN－Y0）／FN；氮肥偏生產力（partial factor productivity，PFPN）＝YN／FN。式中，Y0，U0代表不施沼液的對照牧草產量和氮素吸收。YN，UN代表施沼液處理的牧草產量和氮素吸收。FN代表施沼液處理氮素用量。粗蛋白質生產效率（crude protein production efficiency，CPPE）為每盆的粗蛋白質產量與施氮量之比。

1.4 數據處理與統計分析

用Microsoft Excel軟件進行數據處理，用SPSS 13.0統計軟件進行方差分析，Duncan’s多重比較及二次回歸模型建立。

2 結果與分析

2.1 澆施沼液對狼尾草硝酸鹽累積的影響

在T1測定期，處理N1、N2、N3的狼尾草植株（干基）硝酸鹽含量與N0（CK）相比較無顯著差異 （P＞0.05）（圖1），但隨著施沼液氮量水平的提升，牧草植株硝酸鹽含量隨沼液氮量水平的提高而顯著提高，其中N6處理的硝酸鹽含量最高，達到412.94μg／g，顯著高于各處理（P＜0.05）。T2測定期也以N6處理的植株硝酸鹽含量最高，達到352.51μg／g，顯著高于各處理（P＜0.05）。N2、N3、N5牧草植株硝酸鹽含量也顯著高于對照（P＜0.05），N1和N4則與N0無顯著差異（P＞0.05）。T3測定期N1、N2處理牧草植株硝酸鹽含量與對照N0（CK）差異不顯著（P＞0.05），但 N3、N4、N5、N6則顯著高于對照 N0（P＜0.05），其中 N4、N5、N6的植株硝酸鹽含量分別達到673.28，858.86和850.47μg／g，顯著高于其他處理（P＜0.05）。T4測定期除 N1硝酸鹽含量與 N0（CK）無顯著差異外，N2～N6均顯著高于對照N0（P＜0.05）。從T1～T4各刈割期的植株硝酸鹽分析結果看，“閩牧6號”狼尾草植株硝酸鹽含量隨著沼液氮素水平的提升而提高的趨勢較為明顯，從牧草沼液中氮量水平與硝酸鹽含量的相關性分析（表1）也可看出，從T1～T4期，牧草植株硝酸鹽含量與沼液中的氮量水平均呈正相關，其中T1、T3和T4期，呈極顯著相關（P＜0.01）。在T3、T4刈割期，N5處理植株硝酸鹽水平達到最高，其中T4刈割期硝酸鹽最高含量達965.69μg／g，但低于硝酸鹽有毒限量指標0.25%。

圖1 不同沼液氮素水平雜交狼尾草植株硝酸鹽含量Fig.1 Effect of different levels N in biogas slurry on nitrate content in Pennisetum

表1 沼液氮素水平與硝酸鹽的相關系數Table 1 Correlation coefficient between different levels N in biogas slurry and nitrate in Pennisetum

2.2 澆施沼液對狼尾草產量及粗蛋白含量和粗蛋白產量的影響

2.2.1 施沼液對狼尾草產量的影響 在T1測定期，各處理牧草干草產量差異不顯著（表2），這可能是在牧草建植過程中，土壤中的營養成分可以足夠為植株吸收，因此在T1期，澆灌沼液的處理并未表現出產量的優勢，N1和N2的牧草產量還略低于對照。但在隨后的刈割周期，隨著施肥水平的提升，牧草產量呈較為明顯的上升。從全年產量看，處理 N0～N6分別為130.66，149.03，162.12，199.90，193.64，231.56，261.49 g／盆，其中N1、N2牧草產量與對照差異不顯著，但產量仍比對照分別提高14.06%和24.08%。N3～N6的牧草產量則顯著高于不澆沼液的對照（P＜0.05），其中N6處理產量最高，顯著高于處理N0～N4（P＜0.05），與N5差異不顯著（P＞0.05）。

2.2.2 施沼液對狼尾草產量及粗蛋白含量和粗蛋白產量的影響 牧草以莖葉為收獲對象，莖葉中粗蛋白含量的高低，直接關系到草食動物的飼用效果。從“閩牧6號”狼尾草移栽后第1次刈割（T1），N0～N6各處理的粗蛋白含量均無顯著差異（P＞0.05）（圖2）。從第2次刈割（T2）開始，牧草粗蛋白含量隨著沼液氮素水平的提升呈較為明顯的上升。T2測定期除N1與對照無顯著差異外（P＞0.05），其他處理粗蛋白含量均比對照顯著提高（P＜0.05），其中N6處理顯著高于N0～N4處理（P＜0.05），但與N5差異不顯著（P＞0.05）。T3測定期N1、N2粗蛋白含量與N0無顯著差異（P＞0.05）。N3～N6的粗蛋白含量則顯著高于對照N0（P＜0.05），其中N6的粗蛋白含量最高，達18.69%，顯著高于其他處理（P＜0.05）。T4測定期N6處理的粗蛋白含量達到最高，為21.35%，但與N4、N5處理無顯著差異（P＞0.05）。從T2～T4測定期可以看出，從N3開始牧草粗蛋白含量出現較為明顯的上升，但在N5時（每次澆灌純N用量水平80kg／hm2），牧草粗蛋白含量基本趨于穩定。

在粗蛋白產量方面（圖3），在T1測定期，各處理的粗蛋白產量差異不顯著（P＞0.05），這可能是在牧草建植過程中，土壤中的營養成分可以足夠為植株吸收，因此，在粗蛋白含量和產量方面，各處理間差異不顯著。但從T2測定期開始，牧草粗蛋白產量隨著沼液澆灌量的加大呈較為明顯的上升趨勢。從全年牧草粗蛋白總產量看出，N0～N6的粗蛋白產量分別為10.37，13.10，15.59，21.31，27.69，34.84，44.09g／盆，其中 N1、N2處理與對照差異不顯著，但隨著沼液澆灌氮量的提升，牧草粗蛋白產量呈上升趨勢，N6的粗蛋白產量顯著高于其他處理（P＜0.05）。

表2 施沼液對雜交狼尾草干草產量的影響Table 2 Effect of fertilizing biogas slurry on yield of Pennisetumhey g／盆 Pot

圖2 各刈割期牧草粗蛋白含量Fig.2 Crude protein content of forage in different cutting periods

2.3 施沼液對雜交狼尾草氮素利用效率的影響

從全年牧草生產的氮肥利用率、蛋白質生產效率、氮素生理利用率、氮素農學生產效率和氮肥偏生產力等5個氮素利用效率指標來看（表3），隨著施氮量的增加，5個指標均呈降低趨勢，其中在氮肥利用率方面，處理N1、N2、N3分別達到34.66%，33.70%，34.72%，三者間差異不顯著（P＞0.05）；處理N4、N5、N6的氮肥利用率則逐漸下降，N6氮肥利用率僅為13.38%。以上5個氮素利用效率指標說明利用沼液澆灌牧草，沼液量越大，其施氮越多，氮素利用效率也越低，損失率也越大。

2.4 土柱淋溶氮量分析

從T1、T2、T3、T4土柱淋溶的氮量測定表明（表4），隨著沼液中氮素水平的提高，氮素淋溶的量呈明顯的加大趨勢，其中以N6處理淋溶的氮量最大，顯著高于其他處理（P＜0.05），其次為N5處理。而在T3、T4期，由于牧草生物量逐漸下降，對于高氮素水平澆灌的處理N5和N6，其氮素淋溶量也增大，其中N5處理在T3、T4期淋溶量達到26.81和36.90mg，N6處理在T3、T4期淋溶量則達到99.78和147.34mg。從全年生產期間總的淋溶氮量分析，處理 N0～N6分別為2.11，2.39，2.97，5.24，13.96，80.69，312.3mg，方差分析表明，N6顯著高于其他6個處理（P＜0.05），N5顯著高于處理N0～N4（P＜0.05），而N0～N4則相互之間差異不顯著（P＞0.05）。

圖3 各刈割期牧草粗蛋白產量Fig.3 Crude protein yield of forage in different cutting period

表3 施沼液對雜交狼尾草氮素利用效率Table 3 Effect of fertilizing biogas slurry on Pennisetumutilization of N%

表4 不同氮素水平的沼液土柱淋溶氮量Table 4 Effect of different N levels on amount of N in soil column leaching mg

2.5 狼尾草產量、粗蛋白產量等指標和沼液氮素水平的相關系數及二次回歸模型分析

對沼液澆灌的狼尾草全年產量、粗蛋白產量、總淋溶N量、氮素利用率和沼液氮素水平進行相關性分析表明（表5），全年產量、粗蛋白產量、總淋溶N量和施氮量相互間都呈極顯著正相關（P＜0.01），而氮素利用率與全年施氮量、全年產量、粗蛋白產量呈負相關關系，與總淋溶N量呈正相關關系。此外，建立了狼尾草全年產量、粗蛋白產量、總淋溶N量、氮素利用率和沼液氮素水平的二次回歸模型（表6），從上述各項指標分析可以看出，狼尾草全年產量、粗蛋白產量、總淋溶N量、氮素利用率與施氮量的關系多數與二次多項式相吻合。

表5 狼尾草全年產量、粗蛋白產量、總淋溶N量、氮素利用率和施氮量的相關系數Table 5 Correlation coefficient among year’s yield of Pennisetum，crude protein yield，N amount of soil column leaching，utilization of N，amount of N fertilized

表6 狼尾草全年產量、粗蛋白產量、總淋溶N量、氮素利用率和施氮量的二次回歸模型Table 6 Quadratic regression model among one year’s yield of Pennisetum，crude protein yield，N quantity of soil column leaching，utilization of N，quantity of N fertilized

2.6 對土壤全氮含量的影響

在0～20cm土層，土壤中全氮含量隨著沼液氮素水平的上升呈上升的趨勢（表7），但N0～N5處理間差異并不顯著，N6處理全氮含量最高，達0.0744%，顯著高于N0和N3（P＜0.05），但與 N1、N2、N4、N5處理差異不顯著。在20～40cm土層，以N6處理全氮含量最高，但各處理間差異不顯著。在40～70cm，N1～N4處理與對照差異不顯著，而N5、N6土壤氮含量顯著上升，全氮含量顯著高于N1～N3處理（P＜0.05），說明隨著沼液氮素水平的提升，沼液中的氮在40cm以下越深的土層，殘留量越大。

表7 土壤不同土層全氮含量Table 7 Total N content in different soil layers %

3 討論

硝態氮是大多數植物從土壤中吸收氮素的主要形態，植株中硝態氮累積是旱作植物的共性。本研究利用養殖場沼液每次以不同氮素水平0～160kg／hm2澆灌“閩牧6號”狼尾草。從植株硝酸鹽積累看，狼尾草硝酸鹽含量隨著沼液氮素水平的提升而提高，但在N5水平時（每次澆灌氮素水平達到80kg／hm2，即1個刈割期共澆9次，施氮量達720kg／hm2）基本趨于穩定，其中在T4刈割期植株硝酸鹽水平最高含量達965.69μg／g，但低于硝酸鹽有毒限量指標0.25%。說明利用養殖場高氮量的沼液來澆灌狼尾草，植株硝酸鹽累積均在安全范圍內，牲畜飼用則是安全的。王永軍等［6］研究認為，1次施高氮600kg／hm2不會引起墨西哥玉米（Zeamays）硝酸鹽含量超標。而鐘小仙等［4］研究則認為有機肥有降低作物硝酸鹽含量的作用，而無機氮肥則相反。目前，沼液對牧草硝酸鹽累積的研究鮮有報道，對于沼液中的氮素形態對狼尾草植株的硝酸鹽累積過程尚需進一步地深入研究。

粗蛋白含量和粗蛋白產量是衡量牧草營養價值的重要指標。國內外大量研究表明，施用氮肥可促進牧草粗蛋白含量的提高［13］。從沼液中施氮水平來分析，牧草的粗蛋白含量和粗蛋白產量都隨著施氮量的增加而升高，其中粗蛋白含量在N5時基本趨于穩定。但隨著施氮量的增加，蛋白質生產效率則逐漸降低，其中N5和N6處理蛋白質全年生產效率僅為1.73%和1.09%，顯著低于N1～N4處理。這與黃立華等［14］、王月褔等［15］的研究結果相似，適量增施氮肥可提高作物粗蛋白含量，而過量增施氮肥使牧草中粗蛋白質含量增幅變小，氮肥利用效率降低。

全年牧草生產的氮肥利用率、蛋白質生產效率、氮素生理利用率、氮素農學生產效率和氮肥偏生產力等5個氮素利用效率指標分別表明，利用沼液澆灌牧草，沼液量越大，其施氮越多，氮素利用效率也越低，損失率也越大。此外從土柱淋溶的氮量分析也表明，隨著沼液中氮素含量水平的提高，氮素淋溶的量呈明顯的加大趨勢。其中N5和N6處理全年淋溶的氮量分別達到80.69和312.3mg，土柱40cm以下越深的土層全氮含量也顯著提高。在草地生態系統中，氮是禾本科牧草產量的一個重要限制因子，氮肥的利用是提高牧草產量和品質的有效手段之一［16，17］。但過量的氮量不僅使作物對氮素的利用率降低［3，6，18－20］，而且對土壤造成污染，并通過淋溶作用對地下水造成污染［21－23］。當前，我國畜禽廢棄物所造成的面源污染主要是水體污染問題，而水體污染的核心問題是水體氮、磷富營養化［24－26］。利用草地系統吸納沼液，也必須考慮草地的生態承載力。本研究綜合考慮認為，利用狼尾草草地消納沼液，在1個刈割周期，狼尾草草地消納的沼液中氮量應低于處理N4的氮素水平，即低于純氮360 kg／hm2較為合理。

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