畜禽糞便配施對冬小麥產量及Cu、Zn、As在植株累積和土壤中垂直分布的影響

李金峰+聶兆君+趙鵬+劉世亮+于華+蘇紅麗+高巍+劉紅恩

摘要：為了研究畜禽糞便在冬小麥上的應用效果及對植株、土壤中重金屬Cu、Zn、As含量變化的影響，于2013年10月至2014年6月在河南農業大學許昌校區農場進行田間小區試驗。結果發現：在常規施肥的基礎上配施一定量的畜禽糞便，可以顯著提高冬小麥產量及其產量構成要素，增產率達到17.23%，然而過量的畜禽糞便會導致冬小麥后期倒伏減產。另外，隨著畜禽糞便配施量的增加，冬小麥植株各部位對重金屬Cu、Zn、As的累積量及總累積量顯著增加，同時重金屬Cu、Zn、As含量在土壤垂直分布中明顯增加。以上結果表明，農業生產中配施畜禽糞便對食品安全及土壤環境具有一定的潛在風險。因此，合理施用畜禽糞便對我國農業生產的增產增效，實現糧食安全，實現資源節約型、環境優化型可持續發展現代農業具有重要意義。

關鍵詞：畜禽糞便；冬小麥；重金屬；累積量；土壤；垂直分布

中圖分類號：S512.101；S141.2

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0137-04

進入20世紀90年代以來，我國氮肥用量、化肥生產總量和施肥總量相繼躍居世界首位[1]。其中氮肥用量達到全球氮肥用量的36%以上[2]，使我國成為全球第一氮肥消費大國。然而，隨著我國肥料用量的逐年增加，肥料利用率并沒有明顯提高[3]。每年有約1 500萬t氮素（約占氮肥用量的60%）損失進入大氣和水體[4]。我國農業生產面臨高肥料投入量和低肥料利用率的情況，導致大量農田出現土壤板結、酸堿pH值變化、活性降低等問題，進一步引發生產效益降低、能源浪費和環境污染等一系列問題，使農業可持續發展陷入困境。在此背景下，“有機農業”“生態農業”作為一種資源循環利用模式，以生產優質、安全、生態的農產品，減緩不合理施肥對資源和環境造成的嚴重壓力為目標，取得了一定的進展。因此，為了實現農業的可持續發展，構建資源節約型、環境友好型新型農業模式，加大有機肥的投入量是必由之路。

我國有機肥的來源非常廣泛并資源豐富，2008年全國有機肥料生產企業調查結果顯示，我國畜禽糞便有機肥料資源約達22.4億t，畜禽糞便成為我國有機肥料生產的主要原料來源，其合理施用對提高農田土壤肥力起著重要的作用[5]，具有增加土壤養分、增強土壤微生物活性及改善作物品質等作用[6-8]。但是越來越多的研究表明，大量使用畜禽糞便對大氣、土壤和水體等造成潛在威脅。一方面，有機肥被認為是溫室氣體的重要來源之一[9]；另一方面，畜禽養殖過程中多以配合飼料喂養，為了預防畜禽病害、增加畜禽質量，往往過量添加和施用含砷、銅、鋅的飼料添加劑[10]，但由于其生物有效性極低，極易被排出體外導致畜禽糞便中重金屬含量超標[11]。況且有機肥中養分釋放很慢，礦化所需時間較長，因此一般有機肥施用量較高，這樣很容易導致重金屬通過地下徑流、地表淋洗、揮發等多種形式流失在土壤-作物體系之中，存在對農田土壤環境造成污染的風險[12-14]。因此，為了研究畜禽廢棄物的施用對植株重金屬富集及土壤重金屬垂直分布的影響，進一步探究畜禽廢棄物的施用對環境造成的影響，在河南農業大學許昌校區農場布置田間小區試驗，研究施用不同用量的畜禽廢棄物有機肥對植株重金屬累積以及土壤銅、鋅、砷等重金屬垂直分布的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2013年10月至2014年6月在河南農業大學許昌校區農場進行。供試土壤為壤質潮土（表1）。

1.2 供試材料

供試小麥品種為當地廣泛種植的周麥22，試驗用肥料品種為普通尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O5 16%）、氯化鉀（K2O 60%），供試有機肥為經堆肥腐熟的豬糞（表2）。

1.3 試驗設計

試驗共設置3個處理，具體如下：T1，常規施肥處理（養分含量為23%-12%-10%的小麥專用復合肥750 kg/hm2）；T2，常規施肥+中量有機肥（養分含量為 23%-12%-10% 的小麥專用復合肥750 kg/hm2、畜禽糞便22 500 kg/hm2）；T3，常規施肥+高量有機肥（養分含量為23%-12%-10%的小麥專用復合肥750 kg/hm2、畜禽糞便50 000 kg/hm2）。

試驗采取隨機區組排列，3次重復，小區面積為5 m×6 m=30 m2，同時設置保護行和觀察道。所有處理的有機肥和復合肥均作為基肥一次性以撒施方式施入，然后翻耕，種植密度及其他水肥管理措施按照當地高產優質小麥生產技術規程進行，各項措施由專人在同日完成。

1.4 測試項目和方法

小麥成熟后，按照一米雙行法調查產量構成要素，1 m2 樣方實打實收計產。取每小區植株樣，分為籽粒、穎殼、莖葉等，計算各部位生物量，并烘干粉碎，測定各部位銅、鋅、砷含量；各小區采用S形隨機布點取樣法采集 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層的土壤樣品，風干、粉碎、過篩后測定土壤全銅、全鋅、全砷含量。其中，植株銅、鋅含量采用干灰化-AAS法測定，植株樣品經HNO+H2SO4消化后采用原子熒光法測定總砷含量。土壤全銅、全鋅采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解-火焰原子吸收分光光度法測定；土壤全砷含量采用浸提-水浴原子熒光法測定。

1.5 統計分析

試驗數據采用Excel 2003和SPSS 10.0軟件進行數據處理和統計分析，各處理平均值的多重比較采用LSD-test法（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 施用畜禽糞便對冬小麥產量及其構成因素的影響

與T1（常規施肥）處理相比，T2（常規施肥+中量有機肥）處理的穗數、穗粒數、理論產量、實際產量等指標均高于T1處理，其中穗數、穗粒數、理論產量、實際產量分別增加 30.94%、1.99%、31.81%、17.23%（表3）。T3（常規施肥+高量有機肥）處理在穗粒數上高于T1處理，但在穗數、千粒質量、實際產量上卻低于T1處理 。以上結果表明，在常規施肥的基礎上增施一定量的畜禽糞便可以增加冬小麥產量及產量構成要素，但是過量的畜禽糞便投入則會導致小麥后期倒伏，造成冬小麥減產。

2.2 施用畜禽糞便對冬小麥各部位Cu、Zn、As富集的影響

所有處理中，T1處理各部位的Cu、Zn、As累積量及總累積量均最低，且在莖葉、穎殼中Cu、Zn、As各元素累積量均達到顯著性差異水平（P<0.05）。另外，植株在Cu、Zn、As總累積量方面也隨著畜禽糞便施用量的增加而增加（表4）。

在莖葉中，Cu、Zn、As累積量隨著畜禽糞便的施用量的增加而增加。其中，T2處理的Cu、Zn、As累積量比T1處理分別增加81.36%、195.71%、81.63%；T3處理中Cu、Zn、As累積量比T2處理分別增加40.81%、97.08%、122.80%。

在穎殼中，Cu、Zn、As累積量同樣隨著畜禽糞便施用量的增加而增加。其中，T2處理的Cu、Zn、As累積量比T1處理分別增加110.55%、105.26%、66.28%；T3處理中Cu、Zn、As累積量比T2處理分別增加53.90%、11851%、38.35%。

在籽粒中，T2處理的Cu、Zn、As累積量在3個處理中均最高，且達到顯著差異水平。其中，T2處理的Cu、Zn、As累積量比T1處理分別增加48.24%、20.27%、59.86%；T3處理中Cu、As累積量比T1處理分別增加 15.80%、47.23%。

以上結果表明，在冬小麥莖葉、穎殼中Cu、Zn、As累積量隨著畜禽糞便施用量的增加而增加，且累積量較為明顯；施用畜禽糞便，可增加冬小麥籽粒中重金屬的累積，但是隨著畜禽糞便施用量的增加，會導致冬小麥后期倒伏，大大降低籽粒產量，進而導致小麥籽粒重金屬累積量有所降低。另外，隨著畜禽糞便施用量的成倍增加，Cu、Zn、As在植株體內的累積增加量有所降低；且不和施用量成正比，還受其他因素的制約。

2.3 施用畜禽糞便對重金屬Cu在土壤中垂直分布的影響

各個土層中Cu的含量隨著畜禽糞便施用量的增加而增加，均在T1處理含量最低，在T3處理達到最大值（圖1）。其中T3處理比T1、T2處理在耕作層分別增加75.59%、48.25%。T3處理在20～40、40～60、60～80、80～100 cm等不同土層比T1處理相應土層重金屬Cu含量分別增加 53.97%、45.70%、41.75%、48.05%；比T2處理在20～40、40～60、60～80、80～100 cm等不同土層重金屬Cu含量分別增加33.01%、33.55%、28.41%、21.38%。3個處理的各個土層相比，重金屬Cu含量均在耕作層達到最大值。其中，T3、T2、T1各處理0～20 cm重金屬Cu含量較20～40 cm分別增加20.84%、8.41%、5.96%，同時在T3處理中差異達到顯著水平。結果表明。施用畜禽糞便可增加土壤各個層次的Cu含量，尤其在耕作層更為明顯。在土壤0～100 cm的垂直分布中，隨著土層深度的增加，重金屬Cu的含量呈降低趨勢，重金屬Cu含量越高，淋溶效果越明顯。

2.4 施用畜禽糞便對重金屬Zn在土壤中垂直分布的影響

各個土層中Zn的含量隨著畜禽糞便施用量的增加而增加，均在T1處理含量最低，在T3處理達到最大值（圖2）。其中T3處理比T1、T2處理在耕作層分別增加69.33%、31.72%。T3處理在20～40、40～60、60～80、80～100 cm等不同土層中較T1處理相應土層重金屬Zn含量分別增加 38.25%、57.31%、40.77%、34.96%；比T2處理各個不同土層中重金屬Zn含量分別增加22.02%、26.32%、18.39%、6.33%。3個處理的各個土層相比，重金屬Zn含量均在耕作層達到最大值。結果表明，重金屬Zn在土壤中的性質與Cu相似，施用畜禽糞便可增加土壤各個層次的Zn含量，尤其在耕作層更為明顯。在土壤0～100 cm的垂直分布中，隨著土層深度的增加，重金屬Zn的含量呈降低趨勢，土壤中重金屬Zn含量越高，淋溶效果越明顯。

2.5 施用畜禽糞便對重金屬As在土壤中垂直分布的影響

在土壤20～100 cm處，施用畜禽糞便處理（T2、T3）中的重金屬As含量較常規施肥處理（T1）均有所升高（圖3）。其中，T2處理在20～40、40～60、60～80、80～100 cm等土層比T1處理相應土層As含量分別增加7.00%、3.67%、2.59%、1.95%；T3處理在20～40、60～80、80～100 cm等土層較T1處理相應土層As含量分別增加14.13%、12.37%、22.21%。但各個處理之間耕作層重金屬As含量變化不大，差異未達到顯著水平。結果表明，施用畜禽糞便能增加土壤中As的含量，但是促進了重金屬As在土壤中的淋溶，使得重金屬As在耕作層含量變化不大，卻明顯增加了20～100 cm土層的As含量。

3 結論與討論

試驗結果表明，在常規施肥的基礎上配施一定量的畜禽糞便，可增加冬小麥產量及其構成要素，然而過量的畜禽糞便施用量則會導致冬小麥后期倒伏并造成減產，這與前人的研究結論[15-16]一致。

在常規施肥的基礎上配施畜禽糞便，可以顯著增加植株體內重金屬Cu、Zn、As的累積量，并隨畜禽糞便投入量的增加而增加，但并未超過我國食品安全國家標準中規定谷物食品中所規定的Cu、Zn、As含量標準，這與王美等的研究結論[17]相一致。另外，冬小麥植株鋅累積量遠遠高于銅累積量，這不僅是因為畜禽糞便、土壤本身鋅含量較高，而且還可能由于不同重金屬對小麥生理功能影響不同，而導致鋅比銅更容易在小麥體內積累。LHerroux等研究發現，豬糞中鋅的遷移性較強，而銅則由于有機質對其親和力較強，易形成有機結合態而降低其生物有效性[18]。另外，薛艷等研究發現，土壤中銅濃度的增高也可以促進植物對鋅的吸收[19]。

施用畜禽糞便能夠影響土壤理化性質和結構，進而影響土壤重金屬的遷移和轉化。已有研究表明，一方面有機肥中的腐殖質通過螯合、絡合反應固定重金屬，從而降低重金屬對植物的有效性[20-21]；另一方面，施用有機肥具有降低重金屬有效性的作用[22-23]。本試驗結果表明，施用有機肥對土壤耕作層全砷含量影響不大，甚至出現隨著有機肥施用量增加，土壤砷含量減少的趨勢。而對土壤銅、鋅影響較大，隨著施肥量的增加，土壤中銅、鋅含量呈現極顯著增加趨勢，所以對土壤環境有污染風險。因此，不合理的施肥是引發土壤重金屬污染的主要因素之一[24]。銅、鋅是植物生長必須的元素，缺乏易導致缺素癥，但是當土壤中含量超過一定限度時，會影響作物的生長和安全品質[25]。已有研究顯示，飼料添加劑中往往含有較多的銅、鋅而使畜禽糞便中的銅、鋅含量較高，在施用畜禽糞便時，常常會造成土壤銅、鋅累積，對植物生長存在潛在的危害[26]，這與本試驗結果相一致。

在常規施肥的基礎上配施一定量的畜禽糞便，可以顯著提高冬小麥產量及其產量構成要素，然而配施過量的畜禽糞便會導致冬小麥后期倒伏，進而導致減產減效。另外，隨著畜禽糞便配施量的增加，不僅冬小麥植株各部位對重金屬Cu、Zn、As的累積量及總累積量顯著增加，而且重金屬Cu、Zn、As在土壤垂直分布中明顯增加。雖然小麥籽粒中重金屬含量并沒有超過我國食品安全國家標準，但是這對我國糧食安全、土壤環境污染均具有一定的潛在風險。因此，合理的施用畜禽糞便對我國農業生產的增產增效，實現糧食安全，實現資源節約型、環境優化型可持續發展現代農業具有重要的意義。

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