浇施沼液对狼尾草植株硝酸盐累积及其氮素利用效率研究

黄秀声，黄勤楼，杨信，翁伯琦，陈钟佃1，，钟珍梅

（1.福建省农业科学院农业生态研究所，福建 福州350013；2.福建省草业工程技术研究中心，福建 福州350013；3.福建省丘陵地区循环农业工程技术研究中心，福建 福州350013；4.福建省农业科学院畜牧兽医研究所，福建 福州350013）

＊畜牧业是我国农村经济的优势产业和支柱产业，与其迅速发展相伴生的环境问题日益突出，畜禽废弃物排放已成为影响我国环境状况改善的重要污染源之一。近年来，一些养殖场引进狼尾草属（Pennisetum）牧草进行污染生物降解吸收和环境修复，通过它来消纳沼液或污水［1］。狼尾草属牧草为多年生禾本科牧草，具有耐旱、耐瘠、耐氮、耐湿的特点，加之产量高，适口性好，不仅是草食性畜禽的优良青饲料，打浆后还可以作为肉猪的青饲料［2］，也可作为饲粮粗纤维来源，解决生产上母猪饲粮中粗纤维含量难以满足的实际问题。但是，对于狼尾草草地系统，如果过量的容纳沼液或污水，极易因为N、P淋溶造成土壤污染、土质退化和地下水污染。此外，利用沼液浇灌牧草是否会造成牧草硝酸盐含量超标，美国家畜饲养标准规定，饲料作物干物质中硝态氮含量（以硝酸盐计）0～0.25%安全，0.25%～0.50%警戒，0.50%～1.50%危险，超过1.50%有毒。由于硝酸盐含量超过0.25%时，对家畜均会造成不同程度的毒害，因此，有的研究者把硝酸盐含量超过0.25%作为有毒的限量指标［3，4］。目前，国内外关于饲草硝酸盐积累的研究主要集中在无机氮肥及畜禽粪便等有机氮肥［3－7］，对沼液浇灌对牧草植株硝酸盐安全及沼液中的氮素利用效率报道很少。本研究主要采用土柱栽培法，通过不同氮素水平的沼液浇灌，研究狼尾草植株硝酸盐含量累积、牧草产量、粗蛋白产量及沼液中的氮素淋溶等指标，评价氮素利用效率及硝酸盐累积安全性，为今后狼尾草在养殖场的污染治理及循环利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试牧草 试验于2009年在福建省农业科学院农业生态研究所网室进行。品种为“闽牧6号”狼尾草（P.americanum×P.purpureumCV.Minmu 6），来自福建省农业科学院农业生态研究所牧草品种资源圃。采用茎节扦插成活后30d移栽。

1.1.2 供试土样 采用南方典型的山地红壤土，未被人为耕作过，按0～20，20～40，40～70cm不同土层分层取土，0～20cm土层土壤营养成分为 N 0.09%、P 0.020%、K 2.53%；20～40cm 土层营养成分为 N 0.09%、P 0.022%、K 2.53%；40～70cm 土层营养成分为 N 0.08%，P 0.021%，K 1.67%。

1.1.3 沼液 取自福州某集约化大型猪场，每个牧草刈割周期取沼液2次，用25kg的密闭容器盛装，贮于冰柜保鲜。试验期间共取沼液8次，测得沼液含 N 量分别为0.20%，0.12%，0.15%，0.15%，0.18%，0.15%，0.18%，0.18%。

1.2 试验方法

1.2.1 栽培方法 采用土柱栽培法，栽培试验用长85cm、内径30cm的由PVC管锯成的塑料土柱21个，土柱管底套上1个可以渗水的白铁皮托盘，并在托盘外套上1个白铁皮加工的漏斗，漏斗管下接盛接液体的密闭容器。在管内底部装10cm左右石英砂，并加以滤布，以过滤下渗水。采用原位土柱法，按0～20，20～40，40～70 cm装土，每个土柱装土60kg，种植牧草以后，面上再铺2cm厚的石英砂。塑料土柱置于钢架台面，栽培试验放在网室中进行，网室高5m，屋顶用透明玻璃遮盖，四周通风。

1.2.2 试验处理 沼液浇施牧草设7个处理，3次重复。试验设计每次沼液浇肥水平以折算成如下纯N用量水平，分别用 N0（CK）、N1、N2、N3、N4、N5、N6表示。即每次浇灌折纯氮0，5，10，20，40，80，160kg／hm2。牧草刈割周期为45d［8］，每个刈割周期浇灌沼液9次。牧草全年共刈割4次，分别用T1，T2，T3，T4表示。

1.2.3 浇灌方法 移栽成活返青后，按上述不同处理设计每5d浇灌1次，浇灌方法按上述不同处理不同浓度稀释到1 500mL的相同体积来浇灌，浇灌沼液的间隔期间再浇1次水，用量为1 000mL。

1.2.4 取样 试验期每45d刈割1次，牧草留茬高度为10cm。每次分别取地上部植株鲜样进行硝态氮测定，取地上部茎叶进行干物质和全N含量测定。每天对土柱淋溶液体及时地收集，测定记录淋溶液体体积，并在冰箱0℃以下冰冻起来，每15d对每个处理汇集的土柱淋溶液体测定全N含量。在试验结束时，分别取土柱0～20，20～40，40～70cm土层土壤，测定土壤全N含量。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 硝酸盐测定 采用水杨酸－浓硫酸法［9］。

1.3.2 干物质测定 按刈割时间分别对植株茎和叶称鲜重，然后置65℃烘箱烘干至恒重后称重。

1.3.3 株植全氮和粗蛋白含量测定 全氮含量测定采用半微量凯氏定氮法［3］。粗蛋白质含量按照全氮含量×6.25折算。

1.3.4 淋溶水样全氮含量测定 采用碱性硫酸钾消解紫外分光光度法（GB11894－89）。

1.3.5 土壤全氮含量测定 采用半微量凯氏定氮法［10］。

1.3.6 氮素生产效率评价指标 参考文献［5，11，12］的方法，评价指标氮肥利用率（recovery rate，REN）＝（UN－U0）／FN×100；氮肥生理利用率（physiological efficiency，PEN）＝（YN－Y0）／（UN－U0）；氮肥农学利用率（agronomic efficiency，AEN）＝（YN－Y0）／FN；氮肥偏生产力（partial factor productivity，PFPN）＝YN／FN。式中，Y0，U0代表不施沼液的对照牧草产量和氮素吸收。YN，UN代表施沼液处理的牧草产量和氮素吸收。FN代表施沼液处理氮素用量。粗蛋白质生产效率（crude protein production efficiency，CPPE）为每盆的粗蛋白质产量与施氮量之比。

1.4 数据处理与统计分析

用Microsoft Excel软件进行数据处理，用SPSS 13.0统计软件进行方差分析，Duncan’s多重比较及二次回归模型建立。

2 结果与分析

2.1 浇施沼液对狼尾草硝酸盐累积的影响

在T1测定期，处理N1、N2、N3的狼尾草植株（干基）硝酸盐含量与N0（CK）相比较无显著差异 （P＞0.05）（图1），但随着施沼液氮量水平的提升，牧草植株硝酸盐含量随沼液氮量水平的提高而显著提高，其中N6处理的硝酸盐含量最高，达到412.94μg／g，显著高于各处理（P＜0.05）。T2测定期也以N6处理的植株硝酸盐含量最高，达到352.51μg／g，显著高于各处理（P＜0.05）。N2、N3、N5牧草植株硝酸盐含量也显著高于对照（P＜0.05），N1和N4则与N0无显著差异（P＞0.05）。T3测定期N1、N2处理牧草植株硝酸盐含量与对照N0（CK）差异不显著（P＞0.05），但 N3、N4、N5、N6则显著高于对照 N0（P＜0.05），其中 N4、N5、N6的植株硝酸盐含量分别达到673.28，858.86和850.47μg／g，显著高于其他处理（P＜0.05）。T4测定期除 N1硝酸盐含量与 N0（CK）无显著差异外，N2～N6均显著高于对照N0（P＜0.05）。从T1～T4各刈割期的植株硝酸盐分析结果看，“闽牧6号”狼尾草植株硝酸盐含量随着沼液氮素水平的提升而提高的趋势较为明显，从牧草沼液中氮量水平与硝酸盐含量的相关性分析（表1）也可看出，从T1～T4期，牧草植株硝酸盐含量与沼液中的氮量水平均呈正相关，其中T1、T3和T4期，呈极显著相关（P＜0.01）。在T3、T4刈割期，N5处理植株硝酸盐水平达到最高，其中T4刈割期硝酸盐最高含量达965.69μg／g，但低于硝酸盐有毒限量指标0.25%。

图1 不同沼液氮素水平杂交狼尾草植株硝酸盐含量Fig.1 Effect of different levels N in biogas slurry on nitrate content in Pennisetum

表1 沼液氮素水平与硝酸盐的相关系数Table 1 Correlation coefficient between different levels N in biogas slurry and nitrate in Pennisetum

2.2 浇施沼液对狼尾草产量及粗蛋白含量和粗蛋白产量的影响

2.2.1 施沼液对狼尾草产量的影响 在T1测定期，各处理牧草干草产量差异不显著（表2），这可能是在牧草建植过程中，土壤中的营养成分可以足够为植株吸收，因此在T1期，浇灌沼液的处理并未表现出产量的优势，N1和N2的牧草产量还略低于对照。但在随后的刈割周期，随着施肥水平的提升，牧草产量呈较为明显的上升。从全年产量看，处理 N0～N6分别为130.66，149.03，162.12，199.90，193.64，231.56，261.49 g／盆，其中N1、N2牧草产量与对照差异不显著，但产量仍比对照分别提高14.06%和24.08%。N3～N6的牧草产量则显著高于不浇沼液的对照（P＜0.05），其中N6处理产量最高，显著高于处理N0～N4（P＜0.05），与N5差异不显著（P＞0.05）。

2.2.2 施沼液对狼尾草产量及粗蛋白含量和粗蛋白产量的影响 牧草以茎叶为收获对象，茎叶中粗蛋白含量的高低，直接关系到草食动物的饲用效果。从“闽牧6号”狼尾草移栽后第1次刈割（T1），N0～N6各处理的粗蛋白含量均无显著差异（P＞0.05）（图2）。从第2次刈割（T2）开始，牧草粗蛋白含量随着沼液氮素水平的提升呈较为明显的上升。T2测定期除N1与对照无显著差异外（P＞0.05），其他处理粗蛋白含量均比对照显著提高（P＜0.05），其中N6处理显著高于N0～N4处理（P＜0.05），但与N5差异不显著（P＞0.05）。T3测定期N1、N2粗蛋白含量与N0无显著差异（P＞0.05）。N3～N6的粗蛋白含量则显著高于对照N0（P＜0.05），其中N6的粗蛋白含量最高，达18.69%，显著高于其他处理（P＜0.05）。T4测定期N6处理的粗蛋白含量达到最高，为21.35%，但与N4、N5处理无显著差异（P＞0.05）。从T2～T4测定期可以看出，从N3开始牧草粗蛋白含量出现较为明显的上升，但在N5时（每次浇灌纯N用量水平80kg／hm2），牧草粗蛋白含量基本趋于稳定。

在粗蛋白产量方面（图3），在T1测定期，各处理的粗蛋白产量差异不显著（P＞0.05），这可能是在牧草建植过程中，土壤中的营养成分可以足够为植株吸收，因此，在粗蛋白含量和产量方面，各处理间差异不显著。但从T2测定期开始，牧草粗蛋白产量随着沼液浇灌量的加大呈较为明显的上升趋势。从全年牧草粗蛋白总产量看出，N0～N6的粗蛋白产量分别为10.37，13.10，15.59，21.31，27.69，34.84，44.09g／盆，其中 N1、N2处理与对照差异不显著，但随着沼液浇灌氮量的提升，牧草粗蛋白产量呈上升趋势，N6的粗蛋白产量显著高于其他处理（P＜0.05）。

表2 施沼液对杂交狼尾草干草产量的影响Table 2 Effect of fertilizing biogas slurry on yield of Pennisetumhey g／盆 Pot

图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 施沼液对杂交狼尾草氮素利用效率的影响

从全年牧草生产的氮肥利用率、蛋白质生产效率、氮素生理利用率、氮素农学生产效率和氮肥偏生产力等5个氮素利用效率指标来看（表3），随着施氮量的增加，5个指标均呈降低趋势，其中在氮肥利用率方面，处理N1、N2、N3分别达到34.66%，33.70%，34.72%，三者间差异不显著（P＞0.05）；处理N4、N5、N6的氮肥利用率则逐渐下降，N6氮肥利用率仅为13.38%。以上5个氮素利用效率指标说明利用沼液浇灌牧草，沼液量越大，其施氮越多，氮素利用效率也越低，损失率也越大。

2.4 土柱淋溶氮量分析

从T1、T2、T3、T4土柱淋溶的氮量测定表明（表4），随着沼液中氮素水平的提高，氮素淋溶的量呈明显的加大趋势，其中以N6处理淋溶的氮量最大，显著高于其他处理（P＜0.05），其次为N5处理。而在T3、T4期，由于牧草生物量逐渐下降，对于高氮素水平浇灌的处理N5和N6，其氮素淋溶量也增大，其中N5处理在T3、T4期淋溶量达到26.81和36.90mg，N6处理在T3、T4期淋溶量则达到99.78和147.34mg。从全年生产期间总的淋溶氮量分析，处理 N0～N6分别为2.11，2.39，2.97，5.24，13.96，80.69，312.3mg，方差分析表明，N6显著高于其他6个处理（P＜0.05），N5显著高于处理N0～N4（P＜0.05），而N0～N4则相互之间差异不显著（P＞0.05）。

图3 各刈割期牧草粗蛋白产量Fig.3 Crude protein yield of forage in different cutting period

表3 施沼液对杂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 狼尾草产量、粗蛋白产量等指标和沼液氮素水平的相关系数及二次回归模型分析

对沼液浇灌的狼尾草全年产量、粗蛋白产量、总淋溶N量、氮素利用率和沼液氮素水平进行相关性分析表明（表5），全年产量、粗蛋白产量、总淋溶N量和施氮量相互间都呈极显著正相关（P＜0.01），而氮素利用率与全年施氮量、全年产量、粗蛋白产量呈负相关关系，与总淋溶N量呈正相关关系。此外，建立了狼尾草全年产量、粗蛋白产量、总淋溶N量、氮素利用率和沼液氮素水平的二次回归模型（表6），从上述各项指标分析可以看出，狼尾草全年产量、粗蛋白产量、总淋溶N量、氮素利用率与施氮量的关系多数与二次多项式相吻合。

表5 狼尾草全年产量、粗蛋白产量、总淋溶N量、氮素利用率和施氮量的相关系数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 狼尾草全年产量、粗蛋白产量、总淋溶N量、氮素利用率和施氮量的二次回归模型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 对土壤全氮含量的影响

在0～20cm土层，土壤中全氮含量随着沼液氮素水平的上升呈上升的趋势（表7），但N0～N5处理间差异并不显著，N6处理全氮含量最高，达0.0744%，显著高于N0和N3（P＜0.05），但与 N1、N2、N4、N5处理差异不显著。在20～40cm土层，以N6处理全氮含量最高，但各处理间差异不显著。在40～70cm，N1～N4处理与对照差异不显著，而N5、N6土壤氮含量显著上升，全氮含量显著高于N1～N3处理（P＜0.05），说明随着沼液氮素水平的提升，沼液中的氮在40cm以下越深的土层，残留量越大。

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

3 讨论

硝态氮是大多数植物从土壤中吸收氮素的主要形态，植株中硝态氮累积是旱作植物的共性。本研究利用养殖场沼液每次以不同氮素水平0～160kg／hm2浇灌“闽牧6号”狼尾草。从植株硝酸盐积累看，狼尾草硝酸盐含量随着沼液氮素水平的提升而提高，但在N5水平时（每次浇灌氮素水平达到80kg／hm2，即1个刈割期共浇9次，施氮量达720kg／hm2）基本趋于稳定，其中在T4刈割期植株硝酸盐水平最高含量达965.69μg／g，但低于硝酸盐有毒限量指标0.25%。说明利用养殖场高氮量的沼液来浇灌狼尾草，植株硝酸盐累积均在安全范围内，牲畜饲用则是安全的。王永军等［6］研究认为，1次施高氮600kg／hm2不会引起墨西哥玉米（Zeamays）硝酸盐含量超标。而钟小仙等［4］研究则认为有机肥有降低作物硝酸盐含量的作用，而无机氮肥则相反。目前，沼液对牧草硝酸盐累积的研究鲜有报道，对于沼液中的氮素形态对狼尾草植株的硝酸盐累积过程尚需进一步地深入研究。

粗蛋白含量和粗蛋白产量是衡量牧草营养价值的重要指标。国内外大量研究表明，施用氮肥可促进牧草粗蛋白含量的提高［13］。从沼液中施氮水平来分析，牧草的粗蛋白含量和粗蛋白产量都随着施氮量的增加而升高，其中粗蛋白含量在N5时基本趋于稳定。但随着施氮量的增加，蛋白质生产效率则逐渐降低，其中N5和N6处理蛋白质全年生产效率仅为1.73%和1.09%，显著低于N1～N4处理。这与黄立华等［14］、王月褔等［15］的研究结果相似，适量增施氮肥可提高作物粗蛋白含量，而过量增施氮肥使牧草中粗蛋白质含量增幅变小，氮肥利用效率降低。

全年牧草生产的氮肥利用率、蛋白质生产效率、氮素生理利用率、氮素农学生产效率和氮肥偏生产力等5个氮素利用效率指标分别表明，利用沼液浇灌牧草，沼液量越大，其施氮越多，氮素利用效率也越低，损失率也越大。此外从土柱淋溶的氮量分析也表明，随着沼液中氮素含量水平的提高，氮素淋溶的量呈明显的加大趋势。其中N5和N6处理全年淋溶的氮量分别达到80.69和312.3mg，土柱40cm以下越深的土层全氮含量也显著提高。在草地生态系统中，氮是禾本科牧草产量的一个重要限制因子，氮肥的利用是提高牧草产量和品质的有效手段之一［16，17］。但过量的氮量不仅使作物对氮素的利用率降低［3，6，18－20］，而且对土壤造成污染，并通过淋溶作用对地下水造成污染［21－23］。当前，我国畜禽废弃物所造成的面源污染主要是水体污染问题，而水体污染的核心问题是水体氮、磷富营养化［24－26］。利用草地系统吸纳沼液，也必须考虑草地的生态承载力。本研究综合考虑认为，利用狼尾草草地消纳沼液，在1个刈割周期，狼尾草草地消纳的沼液中氮量应低于处理N4的氮素水平，即低于纯氮360 kg／hm2较为合理。

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