豬場沼液對水稻生長發(fā)育和土壤質(zhì)量的影響

張旭峰, 向天勇, 駱盧佳, 張正紅, 何文輝, 賀偉強, 王陸游

[1.嘉興職業(yè)技術(shù)學院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)學院,浙江嘉興314036; 2.嘉興市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全檢測重點實驗室,浙江嘉興 314036;3.中科檢測技術(shù)服務(嘉興)有限公司,浙江嘉興 314051]

養(yǎng)殖業(yè)是我國重要的民生產(chǎn)業(yè),近年來我國養(yǎng)殖業(yè)呈現(xiàn)不斷發(fā)展的趨勢。2017年我國肉類總產(chǎn)量為8.43×107t,禽蛋產(chǎn)量為3.07×107t,奶類產(chǎn)量為3.55×107t[1]。但是,伴隨著養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展,畜禽糞污不合理處置引起的環(huán)境污染問題越來越突出。目前,厭氧發(fā)酵處理是解決畜禽糞污環(huán)境問題的主要手段,具有處理高效、產(chǎn)生清潔能源、綜合成本較低的優(yōu)勢。然而發(fā)酵剩余物產(chǎn)生量大,氮、磷含量高,加之C/N偏低,后續(xù)生化處理難度大,一度成為農(nóng)村環(huán)境惡化的重要原因,嚴重影響了養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展[2-3]。2017年,十二屆全國人大五次會議提出開展畜禽糞污綜合利用試點,實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢物的資源化利用[4]。沼液是厭氧發(fā)酵殘留物的液體部分,含有作物生長所需的營養(yǎng)元素和生物活性物質(zhì),能夠刺激作物生長、改善作物品質(zhì)等[5]。因此,沼液的資源化利用對于推動厭氧發(fā)酵技術(shù)在畜禽糞污處置中的應用具有重要意義。當前,沼液資源化利用方式主要包括浸種、防治病蟲害、作為肥料及土壤改良劑[6-9]。王彥杰等認為,3%的沼液浸種可提高水稻的發(fā)芽率,5%～25%的沼液浸種可促進水稻的萌發(fā)及芽和根的生長[10-11]。此外,沼液肥用可促進水稻生長,使水稻株高提高18%～38%,葉綠素含量提高18%～52%,產(chǎn)量提高 49%～286%,且水稻分蘗數(shù)有所增加,表明沼液能有效促進水稻的生長和發(fā)育,提高水稻的產(chǎn)量[12-14]。然而,沼液濃度過高或用量過大會對水稻的生長和發(fā)育產(chǎn)生抑制作用[15-16]。因此,沼液肥用的關(guān)鍵問題是需要明確作物生長和發(fā)育的最適濃度和主要限制因子。然而,目前尚未有研究報道相關(guān)的結(jié)論[17]。相關(guān)研究的開展有助于進一步明確沼液肥用的用量標準,為沼液水肥一體化應用提供科學依據(jù)。本研究開展豬場沼液對水稻種子萌發(fā)及分蘗期生長和發(fā)育的影響,明確沼液對水稻生長和發(fā)育的最適濃度,識別影響水稻生長和發(fā)育的關(guān)鍵因子,為沼液水肥一體化應用提供科學依據(jù),并為沼液資源化利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究于2022年6月前往浙江華騰牧業(yè)有限公司嘉善養(yǎng)殖基地采集豬糞厭氧發(fā)酵沼液樣品,采集完立刻將樣品運回實驗室,放置在4 ℃冰箱內(nèi)冷藏,用于后續(xù)研究。

1.2 試驗設計

1.2.1 沼液對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長的影響 沼液pH值為7.76,總氮、總磷、總鉀、有機質(zhì)含量分別為2.42、117、1 940、16 100 g/L。通過對沼液進行稀釋培養(yǎng),探討沼液中有效成分對水稻種子萌發(fā)及幼苗生長的影響,可為沼液用于水稻浸種提供科學依據(jù)。將采集的沼液稀釋0、5、10、20、40、80、160、320倍,分別取10 mL溶液加入組培瓶中作為試驗組,同時取10 mL蒸餾水加入組培瓶中作為對照組,每組設置6個平行。在每個組培瓶中加入正常發(fā)芽的水稻種子10粒,在光照培養(yǎng)箱中以最適條件(12 h 光照12 h黑暗,光照度中等,白天溫度30 ℃、夜間溫度25 ℃,白天相對濕度50%、夜間相對濕度80%)進行培養(yǎng)。整個試驗周期為16 d(2022年7月2—18日),第1、第3、第8、第11、第15天觀察和記錄水稻種子的存活率及水稻幼苗的芽長和根長,明確水稻種子萌發(fā)和幼苗生長的最適濃度。

1.2.2 沼液對分蘗期水稻生長和發(fā)育的影響 用塑料花盆(直徑15 cm)構(gòu)建水稻種植微宇宙,每個微宇宙種植3株待插秧的水稻幼苗(長勢正常),在自然條件下預培養(yǎng)2 d,之后將50 mL不同濃度(稀釋0、5、10、20、40、80、160、320倍)沼液加入微宇宙中作為試驗組(用量標準為28.35 t/hm2),同時將50 mL蒸餾水加入微宇宙中作為對照組,每組設置3個平行。將試驗組和對照組放入光照培養(yǎng)箱中,以最適條件(12 h光照12 h黑暗,光照度最強,白天溫度 30 ℃、夜間溫度25 ℃,白天相對濕度50%、夜間相對濕度80%)進行培養(yǎng)。整個試驗周期為33 d(2022年7月11日至8月12日)。由于試驗過程中水分容易蒸發(fā)使土壤變干,向微宇宙中加入蒸餾水50 mL/d。同時,每隔10 d(7月21日和8月1日)向微宇宙添加1次沼液(整個試驗周期沼液用量標準為85.05 t/hm2)。第2、第7、第10、第15、第18、第22、第27、第32天記錄水稻的苗高,試驗結(jié)束后將水稻移出,記錄水稻的苗高、根長、葉挺長、莖基寬、分蘗數(shù)等。此外,將每組土壤自然風干后檢測其pH值、有機質(zhì)含量、總磷含量、有效磷含量、總氮含量、水解性氮含量、總鉀含量、速效鉀含量及重金屬含量等化學指標。通過研究明確水稻生長和發(fā)育的最適濃度,識別沼液對水稻分蘗期生長和發(fā)育的關(guān)鍵影響因子。

1.3 土壤樣品檢測分析

土壤中有機質(zhì)含量采用《土壤檢測 第6部分：土壤有機質(zhì)的測定》(NY/T 1121.6—2006)方法測定,總磷含量采用《土壤 總磷的測定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》(HJ 632—2011)方法測定,有效磷含量采用《土壤檢測 第7部分：土壤有效磷的測定》(NY/T 1121.7—2014)方法測定,總氮含量采用《土壤質(zhì)量 全氮的測定 凱氏法》(HJ 717—2014)方法測定,水解氮含量采用《森林土壤水解性氮的測定》(LY/T 1228—2015)方法測定,總鉀含量采用《森林土壤鉀的測定》(LY/T 1234—2015)方法測定,速效鉀含量采用中國環(huán)境監(jiān)測總站(1992年)的《土壤元素的近代分析方法》測定。土壤中銅、鎳、鉻、鋅、鉛、鎘、砷含量采用《土壤和沉積物 12種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HJ 803—2016)方法測定,汞含量采用《土壤和沉積物 汞、砷、硒、鉍、銻的測定 微波消解原子熒光法》(HJ 680—2013)方法測定。

1.4 質(zhì)量控制與質(zhì)量保證

本試驗過程中采用的質(zhì)量控制措施包括方法空白、過程空白和設立平行樣等。針對營養(yǎng)指標和重金屬檢測分析,每一個批次的試驗都測定空白樣品(每批2個)和質(zhì)控標準樣品(每種做3個平行),同時將不低于總數(shù)10%(每10個樣品,2個平行雙樣)的樣品進行重復平行試驗和分析。本研究標準樣品的回收率在80%～120%,平行樣品的相對標準差小于10%。測試3次平行空白值,分別計算檢測結(jié)果的標準差,取3倍標準差作為檢出限(LOD),10倍標準差作為定量限(LOQ)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究利用SPSS 22.0軟件對不同組別的水稻生長數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析,P<0.05為差異顯著,P<0.01為差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

2.1.1 沼液對水稻種子萌發(fā)的影響 由表1可知,稀釋5倍及以下的沼液對水稻種子的存活率存在影響,其中,未稀釋過的沼液導致水稻種子全部死亡,稀釋5倍水稻的存活率為54%;稀釋10倍及以上的沼液對水稻種子的存活率沒有影響。沼液中總氮、總磷、總鉀、有機質(zhì)對種子存活率的濃度限值分別為0.24、11.7、194、1 610 g/L。沼液中部分有效成分濃度對水稻種子萌發(fā)可能產(chǎn)生影響,當濃度達到或超過限值時,將導致水稻種子死亡,影響水稻的產(chǎn)量。

表1 不同稀釋倍數(shù)沼液培養(yǎng)下水稻種子的存活率

2.1.2 沼液對水稻幼苗生長的影響 由圖1可知,水稻幼苗芽長隨時間的推進而不斷增長,沼液濃度對水稻幼苗芽長具有顯著影響。稀釋5倍對幼苗芽長產(chǎn)生抑制作用(第8天除外);稀釋20～80倍時,對幼苗芽長產(chǎn)生顯著的促進作用,稀釋40倍時,幼苗芽長達到峰值;稀釋160、320倍對幼苗芽長無明顯促進作用。總氮、總磷、總鉀、有機質(zhì)的最適濃度分別為0.06、2.93、48.5、403 g/L。沼液對水稻幼苗根長的影響結(jié)果(圖2)顯示,各組中幼苗根長在第8天達到最大值,稀釋5倍對幼苗根長具有顯著抑制作用;稀釋10倍及以上時,沼液對幼苗根長無明顯影響。沼液中總氮、總磷、總鉀、有機質(zhì)對幼苗根長的濃度限值分別為0.24、11.7、194、1 610 g/L。

2.2 沼液對分蘗期水稻生長和發(fā)育的影響

本研究利用土培法探究沼液對分蘗期水稻生長和發(fā)育的影響。結(jié)果顯示,沼液能顯著提高分蘗期水稻的苗高(圖3)。在培養(yǎng)前期(0～10 d),未稀釋的沼液對水稻苗高起抑制作用(其中有1株水稻死亡),同時,其他稀釋倍數(shù)對水稻苗高的促進作用不明顯。在培養(yǎng)中后期(15～32 d),沼液稀釋0～40倍對水稻苗高起顯著的促進作用,其中稀釋5倍時水稻的苗高達到最大值;稀釋80倍及以上時,沼液對水稻苗高無顯著影響。可見,沼液對水稻生長起顯著的促進作用,但需要合理控制沼液的施用量,否則將影響水稻的正常生長。

為了進一步明確沼液施用對分蘗期水稻生長和發(fā)育的影響, 在試驗結(jié)束時對水稻的生長和發(fā)育指標進行分析,結(jié)果(表2)顯示,沼液施用對水稻苗高、葉挺長、莖基寬、根長和分蘗數(shù)均會產(chǎn)生顯著影響。沼液施用顯著促進水稻的苗高和葉挺長,其中,稀釋0～5倍對水稻苗高、葉挺長和莖基寬的促進作用最明顯。沼液施用對水稻根長產(chǎn)生抑制作用,未稀釋過的沼液組抑制作用最顯著。稀釋20倍及以下時對水稻分蘗產(chǎn)生顯著影響,其中,未稀釋過的沼液組分蘗數(shù)最多,其次為稀釋5倍;稀釋倍數(shù)高于20倍時沼液對水稻分蘗的影響不顯著。說明沼液中有效營養(yǎng)成分的濃度對分蘗期水稻的生長和發(fā)育產(chǎn)生顯著影響,因此需要進一步明確水稻生長和發(fā)育的關(guān)鍵影響因子。

表2 不同稀釋倍數(shù)沼液施用對分蘗期水稻生長和發(fā)育指標的影響

2.3 沼液對土壤質(zhì)量的影響

本研究對沼液施用土壤中營養(yǎng)指標和重金屬含量進行檢測和分析,結(jié)果見表3、表4。表3、表4結(jié)果顯示,未稀釋過的沼液組土壤中pH值顯著低于其他試驗組和對照組,由于pH值仍處于中性,無法判斷pH值對水稻生長和發(fā)育的影響。同時,未稀釋過的沼液組土壤中水解性氮含量顯著高于其他試驗組和對照組,表明水解性氮含量可能是促進水稻分蘗的關(guān)鍵影響因子。此外,沼液施用對土壤中有機質(zhì)、總磷、有效磷、總氮、總鉀、速效鉀含量影響均不顯著,表明這些指標對水稻生長和發(fā)育的影響可能較小。

表3 不同稀釋倍數(shù)沼液施用土壤中營養(yǎng)指標的含量

表4 不同稀釋倍數(shù)沼液施用土壤中重金屬的含量

土壤中8種重金屬含量的檢測結(jié)果顯示,試驗組和對照組之間重金屬含量差異均不顯著,表明沼液施用土壤中重金屬含量的影響較小。

3 討論

沼液中富含的氮、磷、鉀元素能為種子萌發(fā)與生長提供營養(yǎng),提高種子芽長、莖粗、根長以及2～4葉期的葉綠素含量。沼液浸種可提高5%～10%的發(fā)芽率和10%～15%的成秧率[6]。本研究結(jié)果證實,沼液浸種對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長具有促進作用。但在實際利用時,需要控制沼液的濃度,確保種子的存活率[18]。李國雷等認為,在一定濃度范圍內(nèi),沼液能顯著提升水稻幼苗的生長活性,但超過特定濃度時,將顯著影響其質(zhì)量和活力,沼液的最佳濃度為20%[19]。高濃度沼液嚴重阻礙早熟禾種子的萌發(fā)及生長,并隨著稀釋倍數(shù)的增加,抑制作用逐漸消除,最適濃度為沼液稀釋100倍[20]。本研究結(jié)果顯示, 沼液稀釋5倍及以下對水稻種子的存活率存在影響,對幼苗芽長和根長產(chǎn)生顯著抑制作用,而稀釋40倍對幼苗芽長的促進作用最明顯;沼液中總氮、總磷、總鉀、有機質(zhì)對種子存活率及幼苗芽長和根長的濃度限值分別為0.24、11.7、194、1 610 g/L,對幼苗芽長的最適濃度分別為0.06、2.93、48.5、403 g/L。因此,利用沼液進行水稻種子浸種和催芽時,須要控制一定的濃度,在適宜濃度條件下有利于水稻種子萌發(fā)和幼苗生長。

沼液作為一種有機液態(tài)肥,能夠促進作物的生長發(fā)育,并提高作物的產(chǎn)量[21]。沼液能夠顯著促進水稻分蘗和生長,有效提高水稻產(chǎn)量[22-23]。蔣會東等認為,沼液施用可以促進水稻生長,相較對照組,沼液處理組水稻株高提高18%～38%,干質(zhì)量提高80%～266%,葉綠素含量提高18%～52%,產(chǎn)量提高49%～286%[12]。董晶晶等認為,沼液處理能有效促進水稻分蘗,使水稻產(chǎn)量提高20.53%[13]。本研究結(jié)果顯示,沼液對分蘗期水稻的生長和發(fā)育具有顯著影響,稀釋5倍對水稻苗高、葉挺長和莖基寬的促進作用最明顯,未稀釋過的沼液對根長產(chǎn)生顯著的抑制作用,稀釋20倍及以下對水稻分蘗產(chǎn)生顯著的促進作用。倪天馳等認為,沼液作為基肥或追肥需要控制其用量,高濃度沼液在水稻生長前期可能通過抑制根的生長進而影響水稻的生長和存活[15]。侯福銀等認為,在沼液用量為常規(guī)氮 320%(816 t/hm2)時,株高達到最大值,繼續(xù)增加沼液株高反而會降低[24]。王惠霞等也指出,沼液用量不當易造成作物生長受抑制、產(chǎn)量品質(zhì)下降等不良影響[25]。因此,沼液施用時需要合理選擇沼液的用量。此外,沼液施用會引入重金屬,容易造成土壤和作物體內(nèi)重金屬含量升高,影響作物的生長和發(fā)育。黃繼川等認為,水稻種植土壤中As和Cr的含量與沼液施用量呈顯著正相關(guān),表明沼液施用可能導致土壤As和Cr含量超標[26]。邵文奇等認為,沼液施用使水稻秸稈中Hg、As、Cd、Cr含量不同程度地增加[16]。王桂良等認為,沼液施用導致稻米中Cu、Zn、Pb、As含量增加[27]。然而,姜麗娜等認為,施用沼液后土壤和農(nóng)產(chǎn)品中重金屬沒有明顯積累[28]。本研究未發(fā)現(xiàn)施用沼液對土壤重金屬積累有顯著影響,原因可能是試驗周期較短,沼液施用量較少,也可能是沼液中重金屬含量較低,對土壤重金屬影響較小。未來需要進一步探究沼液施用對土壤及水稻重金屬積累的影響。

4 結(jié)論

本研究探究豬場沼液對水稻種子萌發(fā)及不同階段生長和發(fā)育的影響,發(fā)現(xiàn)沼液培養(yǎng)對水稻種子的存活率、芽長和根長存在顯著影響,其中稀釋5倍及以下對水稻種子的存活率存在影響,對幼苗芽長和根長產(chǎn)生顯著抑制作用,而稀釋40倍對幼苗芽長的促進作用最明顯;沼液中總氮、總磷、總鉀、有機質(zhì)對種子存活率及幼苗芽長和根長的濃度限值分別為0.24、11.7、194、1 610 g/L,對幼苗芽長的最適濃度分別為0.06、2.93、48.5、403 g/L。同時,沼液對分蘗期水稻的生長和發(fā)育具有顯著影響,稀釋5倍對水稻苗高、葉挺長和莖基寬的促進作用最明顯,未稀釋過的沼液對根長產(chǎn)生顯著抑制作用,稀釋20倍及以下對水稻分蘗產(chǎn)生顯著的促進作用。水解性氮是促進水稻分蘗的關(guān)鍵影響因子。此外,土壤中重金屬對水稻生長和發(fā)育的影響較小。研究結(jié)論能為沼液水肥一體化應用提供科學依據(jù),為沼液資源化利用提供技術(shù)支撐。