鸭粪替代化肥处理对砀山梨园土壤和梨品质的影响*

薛鹏英，陈永杏，朱志平**，郝东敏，宋 曼

鸭粪替代化肥处理对砀山梨园土壤和梨品质的影响*

薛鹏英1，陈永杏1，朱志平1**，郝东敏2，宋 曼1

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.安徽强英鸭业集团有限公司，砀山 235300）

为探究鸭粪施用对土壤环境质量以及梨品质的影响，促进梨树施肥中鸭粪肥部分替代化肥的科学施用，在等氮量替代条件下，以当地习惯施肥为对照（CK），设置30%（DM1）、40%（DM2）、50%（DM3）和60%（DM4）共5种鸭粪替代化肥处理，并于4月和7月对25a树龄的砀山酥梨进行两次施肥；于9月采集不同处理组的土壤和梨样品，检测分析土壤环境质量（土壤养分、重金属、抗生素）以及梨品质指标（可溶性固形物、可溶性糖、维生素C）。结果表明：与对照组相比，鸭粪替代组（DM1-DM4）土壤pH提升6%～21%，40-60cm土层有机质得到提升；DM3处理组对土壤中有效磷和速效钾的含量提高最为显著；各处理不同土层重金属含量均符合无公害和绿色食品产地对土壤环境的要求。鸭粪替代化肥施用可提升梨品质，较CK处理梨果中可溶性固形物、可溶性糖、维生素C分别提升5.21%～17.44%、2.50%～8.45%、0.39%～11.01%。比较各处理结果表明，鸭粪50%替代化肥处理对土壤环境质量提升效果较优，而鸭粪30%替代化肥处理对提升梨品质效果较优。

鸭粪；替代比例；土壤环境；梨品质

据统计，2021年世界肉鸭的出栏量约为60.6亿只，其中，中国的肉鸭出栏量占比最大，中国已成为世界第一肉鸭生产大国[1]。肉鸭养殖生产行业竞争加剧，规模化养殖逐渐成为行业主流，使肉鸭的全产业链生产成为新趋势，肉鸭产业呈现越来越明显的集聚现象[2]。规模化养殖产生了大量的肉鸭粪污，肉鸭粪污的不合理处理和利用，成为环境污染的重要来源之一。若肉鸭粪污不进行处理随意堆放，不仅会导致粪污中氮磷等营养元素和有机质的流失，而且还会污染空气、土壤和水体[3]。此外，当有害因子含量超过一定标准时，农产品被认为是不安全的。如果不科学施用，畜禽粪污中的有害因子会通过不同途径累积到人体内[4]。

在粪肥施用方面，研究表明施用有机肥可显著提高土壤中有机质含量，有机无机配比施用对土壤理化性质的影响高于单施化肥[5]。张雪丽等研究表明，不同比例的有机肥替代化肥均能改变土壤无机氮的主要形态，且提高0-20 cm土层中全氮含量[6]。也有研究表明，施用畜禽粪肥不仅能够有效提高土壤中有机物含量、提升土壤的呼吸速率，还会对作物，如玉米的穗长、株高、茎粗等产生不同程度的影响[7]。刘茂等[8]实验结果表明，有机肥不仅可以促使梨树叶茎、绿叶面积增大，还能提高梨果甜度和结果率，达到增产效果。在等氮量投入下，刘秀春[9]对南果梨树进行施加不同配比的生物有机肥与复合肥料，发现有机无机配施不仅能够为梨树提供生长所需要的氮磷钾等大量元素，还可改变土壤结构和肥料利用率；提高南果梨的产量和品质，甚至增强南果梨树抗性。规模化集约化的肉鸭养殖产生了大量鸭粪，亟待被合理处理和利用。鸭粪中含有大量容易被果树吸收利用，满足其生长发育需要的氮、磷、钾等营养元素及铁、锌、钙等微量元素；但是畜禽养殖粪肥中也普遍存在重金属、抗生素、抗性基因等典型污染物[10]。但目前，鸭粪还田利用对土壤养分、重金属、抗生素含量的影响特征鲜有报道，其还田利用可能造成的风险尚未得到足够的重视。

砀山酥梨距今已有500多年的栽培历史，是中国栽培面积最大的梨品种和重要的梨树资源之一[11]。当地“重化肥”的施肥方式虽在一定程度上可以提高产量，但长期大量化肥持续投入，产生了梨园土壤质量退化和梨果实品质下降等问题，制约了当地梨产业的可持续性发展。安徽省砀山县不仅盛产砀山酥梨，拥有世界上最大的连片果园，同时该区域也是肉鸭规模化养殖区，肉鸭粪污也急需找到资源化利用途径，开展肉鸭粪污与砀山梨为纽带的种养结合循环研究，对推动当地农业绿色发展和减少环境污染具有双重作用。本文以砀山酥梨为研究对象，主要探索施加不同比例鸭粪对梨园土壤环境和梨品质及产量的影响，以期为肉鸭粪污合理还田利用提供科学依据，减少肉鸭养殖造成的环境污染并推动农业绿色发展。

1 材料与方法

1.1 实验地概况

实验地位于安徽省砀山县玄庙镇花园村，采用长势相近，树龄为25a的砀山酥梨，砀山县地处暖温带半湿润季风气候区，四季分明，气候温和，雨量适中，日照充足，无霜期长。在开展施肥实验前，于2021年3月20日采集腐熟后的鸭粪和实验地土壤样品进行检测，其养分状况如表1所示。

表1 实验前土壤（干基）和鸭粪理化特性参数

注:-表示未检测。Note: - indicates no detected.

1.2 实验设计

挑选生长正常、树势一致的梨树为对象。共设5个处理，每个处理3次重复，完全随机排列。以发酵床腐熟后的鸭粪肥替代相同比例复合肥（含氮量16.0%）和有机肥（含氮量7.6%），鸭粪量以各处理氮平衡为基准。处理分别为：（1）对照（CK）为当地习惯施肥，施肥量为2 kg·株−1复合肥和5 kg·株−1颗粒有机肥；（2）鸭粪肥替代30%化肥（DM1）；（3）鸭粪肥替代40%化肥（DM2）；（4）鸭粪肥替代50%化肥（DM3）；（5）鸭粪肥替代60%化肥（DM4）。

2021年3月20日将约0.13hm2梨园随机划分实验小区，每个小区三棵树，为一个处理，每个处理3次重复，即3个小区，共选取长势较一致的9棵树，随机区组排列。于4月5日梨树萌芽期第一次施肥，7月20日梨果膨大期第二次施肥，不施加颗粒有机肥，复合肥和腐熟鸭粪用量相同（表2）。施肥方式：以树干为中心，距树干120cm四角坑施，坑深40cm，坑宽20−30cm，将肥料与挖出的表层土壤混合后在20−40cm土层施入，再覆盖表层土。不同处理施肥量见表2，其他田间管理措施与当地传统管理保持一致。

1.3 测定指标

（1）土壤理化性状

于9月中旬在距树干150cm左右，东、南、西、北四个方向（避开施肥处），用土钻取0−60cm土层的土样，每株梨树4个点，共3kg左右，土样多点混合后进行土壤相关指标分析。

土壤pH值用酸度计测定，水土比为5:1；土壤有机质用重铬酸钾法，土壤有效磷用0.5mol·L−1NaHCO3浸提，UV-2500紫外分光光度计测定；全氮用半微量开氏法；速效钾用1mol·L−1NH4OAc浸提，火焰光度计测定。土壤重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr测定采用HNO3-HClO4消解−原子吸收分光光度法，As采用原子荧光光度法测定，重金属测定设置5%的平行样和标准样品GSV-2进行质量控制[12]。抗生素采用液相色谱−串联质谱法[13]测定，质量控制采取空白样、平行样、标准物质控制法。

（2）梨果实理化性状

采用单株单收方法计算梨果产量；每处理随机选3棵树，于2021年9月中旬采摘果实，每次采摘成熟果实并记录至小区果实采摘结束，计算单株产量并换算成总产量。

单果重：取有代表性的样果10个，用电子天平(0.1g)称重，取平均值。

梨果横纵经：用游标卡尺测定果实纵径，分别取果实上、中、下3个部位测量横径，取平均值。

梨果重金属含量：Cu、Zn、Pb、Cd、Cr采用HNO3-HF4消解−原子吸收分光光度测定。

梨果品质分析：采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量，维生素C含量采用2，6－二氯靛酚滴定法，WYT-4型糖量计测定可溶性固形物含量[14]。

1.4 数据处理

使用Origin 2022和Excel 2016进行数据处理并作图，结果用“平均值±标准差”表示。采用IBM SPSS Statistics 19.0分析不同比例鸭粪替代化肥方案对土壤pH、养分、重金属、抗生素以及梨品质等实验数据进行显著性检验和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 鸭粪替代化肥对土壤酸碱度的影响

由图1可知，与CK处理组相比，DM1−DM4处理中不同深度土壤pH均有所提高，且与CK处理存在显著性差异（P<0.05）。在0−20cm土层，加入不同比例鸭粪替代化肥即DM1−DM4处理中土壤pH较CK提高了6%～21%，其中DM4处理中pH最大，为7.99。在20−40cm土层，CK处理土壤pH为7.37，DM1−DM4处理较CK处理土层pH提高13%～16%，其中DM4处理pH最大，为8.43。在40−60cm土层，CK处理土壤pH为7.62，DM1−DM4处理较CK处理土层pH提高7%～9%。结果表明，由于施入了不同比例鸭粪，梨树干周边半径150cm范围内0−60cm土层中土壤pH明显增高，而且施入鸭粪比例最高处理组土壤pH增加最多。

表2 各处理施肥方案（kg·株−1）

图1 不同处理0−60cm各层土壤pH比较

注：小写字母表示处理间在0.05水平上的差异显著性。下同。

Note：Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level. The same as below.

2.2 鸭粪替代化肥对土壤养分的影响

由图2可见，肉鸭粪肥按不同比例替代化肥施加到土壤后，与CK相比，不同深度土壤养分存在差异，且部分处理间存在显著差异（P<0.05）。从土壤有机质变化看（图2a），在0−20cm土层，DM1、DM3和DM4处理可明显提高土壤有机质含量；其中DM3处理土壤有机质含量最高，为8.58g·kg−1，高于CK处理土壤的7.14g·kg−1，且DM3处理与CK处理存在显著性差异（P＜0.05）；在20−40cm土层，DM1、DM3和DM4处理土层中有机质含量提高15.6%～37.7%，与CK存在显著差异（P<0.05）；在40−60cm土层，肉鸭粪肥按不同比例替代化肥施用后，40−60cm土层有机质含量较CK提高5%～50%，DM1、DM2和DM3处理与CK存在显著差异（P＜0.05）。由图2b可知，与CK处理相比，肉鸭粪肥按不同比例替代化肥对0−20cm土层的全氮含量提高不明显，但可提高20−40cm和40−60cm土层全氮含量；其中两个土层中DM3处理土壤全氮含量最高，分别为0.32g·kg−1和0.26g·kg−1，均与CK处理存在显著性差异（P＜0.05）；同时，DM3处理中20−40cm和40−60cm土层有效磷和速效钾含量也最高，分别为0.32、0.26mg·kg−1和285.04、338.03mg·kg−1，与其他处理存在显著差异（P＜0.05）（图2c和图2d）。

图2 不同处理0−60cm各层土壤养分含量比较

2.3 鸭粪替代化肥对土壤重金属残留的影响

由图3可见，肉鸭粪肥按不同比例替代化肥施加到土壤中后，与当地常规施肥处理（CK）相比，DM1−DM3处理Cu和Zn的含量均随土壤深度先减少后增加。CK处理土壤中6种重金属总含量大致随土壤深度增加后减少，而DM1−DM3处理20−40cm土层重金属含量低于或趋近于40−60cm土层。在0−20cm土层，DM1−DM3处理土壤6种重金属含量较CK分别增加了7.1%、6.1%和15.9%，从结果来看，鸭粪施用可能会增加表层土壤重金属含量，但对深层土壤重金属含量并无影响；在20−40cm土层，DM3处理土壤6种重金属含量较CK分别增加10.6%；在40−60cm土层， DM3处理土壤6种重金属含量较CK分别增加38.9%。以土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618−2018）的风险筛选限值为标准，各处理不同土层重金属含量均完全符合农用地土壤环境的要求。

2.4 不同处理土壤中抗生素含量观测结果

实验共检测了CK处理和肉鸭粪肥不同比例替代化肥土壤中四环素类、氟喹诺酮类、磺胺类、大环内酯类共四大类18种抗生素，其中阿奇霉素、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺喹噁啉、磺胺间甲氧嘧啶、替米考星、泰乐菌素、氯霉素、甲砜氯霉素共10种抗生素未检出，不同抗生素含量观测结果所占比例见图4，平均含量观测结果见表3。由图可见，实验地土壤中主要以恩诺沙星和氧氟沙星为主，两种抗生素分别占检测土壤中抗生素含量的64.81%和23.08%（图4）。由表3可见，肉鸭粪肥按不同比例替代化肥施加到土壤中后，与当地常规施肥处理（CK）相比，各处理组中检测出的抗生素以恩诺沙星为主，且主要在0−20cm土层检出，部分处理土层中检出环丙沙星和土霉素，DM4处理40−60cm土层检出氟甲砜氯霉素含量为2.83±0.27ng·g−1，而CK处理0−20cm土壤中检测出达氟沙星和四环素，含量分别为2.37±0.14ng·g−1和3.13±0.07ng·g−1，检测结果表明肉鸭粪肥中的抗生素风险较低。

图3 不同处理各层土壤重金属残留量的比较

图4 土壤抗生素含量占比观测结果（所有处理的平均值）

表3 不同处理土壤抗生素含量观测结果（平均值±均方差，ng·g−1）

注：“-”为未检测出。下同。

Note: "-" is no detected. The same as below.

2.5 鸭粪替代化肥对梨品质及产量的影响

由表4可见，肉鸭粪肥按不同比例替代化肥施加到土壤后，与当地常规施肥处理（CK）相比，DM1−DM4处理的梨果实维生素C含量、可溶性固形物、可溶性糖含量等指标优于CK处理，品质提升范围分别为5.21%～17.44%、2.50%～8.45%、0.39%～11.01%。其中DM1处理效果较其他处理梨果品质提升显著优于其他肉鸭粪肥不同比例替代化肥处理（P<0.05），相较常规施肥处理可溶性固形物、维生素C和可溶性糖含量分别提高17.44%、8.45%和11.01%。梨果中重金属检测结果表明，仅在DM2处理的梨中检出铜含量为0.865mg·kg−1，DM4处理检出铅含量0.067mg·kg−1，但其含量都在GB 2762−2017食品安全国家标准规定的污染物限量值以下，其他处理中均未检出重金属。

肉鸭粪肥不同比例替代化肥处理方式下梨的产量检测结果见表5。由表可见，不同处理组DM1、DM2、DM3、DM4和CK处理梨产量无显著差异。同时，DM3处理的梨树产量最高，为237kg·plant−1，比CK处理增产8.7%，单果重和果径也存在相似规律。

表4 不同处理梨果品质和重金属含量的比较

注：同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Note: Different letters in same column mean significant differences among treatments in the amount of manure substitution (P < 0.05). The same as below.

表5 不同处理梨产量的比较（平均值±均方差）

3 讨论与结论

3.1 讨论

畜禽粪肥还田在改善土壤质量、提升农作物品质方面起到重要的作用，但在养殖过程中饲料添加剂的使用和生长治疗用药会导致畜禽粪便中含有一定量的重金属和抗生素，而畜禽粪肥的不合理施用可能对土壤和农产品安全产生不良影响，不同畜禽由于饲养方式和饲料类型不同，畜禽粪便中养分、重金属和抗生素残留存在较大的差异。

本研究开展了鸭粪替代化肥方案对土壤环境和梨品质的影响研究，结果表明鸭粪替代化肥方案能够提高土壤pH，在一定程度上可以缓解土壤酸化，这对解决南方土壤的酸化问题有一定的帮助。李德等研究发现土壤pH与土壤中水溶态Cd、Pb含量均呈显著负相关，提高土壤pH可降低环境风险，Cd、Pb的稳定化作用增强，生物有效性也会随之降低[15]。鸭粪与化肥配施不仅可提高土壤pH，还能提高土壤肥力，提高土壤中的全氮、有效磷、速效钾等养分含量。张雪丽等研究发现，在水稻收获时，有机肥不同比例替代化肥氮均能改变土壤无机氮主要形态并提高0−20cm土层全氮含量，该研究还表明肥料作为底肥施加并放水泡田对土壤表层养分的影响大于土壤深层[6]。在本研究中，本试验中的粪肥的施肥深度为20−40cm，故对20−60cm土层土壤全氮、有效磷、速效钾等土壤养分含量的提升优于0−20cm。施用有机肥可增加土壤有机质含量，提高土壤养分含量，促使土壤形成良好的团聚体结构，改善土壤微生态系统，从而增强土壤保肥供肥能力[16−17]。有针对‘皇冠’梨品种的研究发现，以0.015kg·m−2菌肥作底肥，追肥以菌肥9kg＋尿素20kg＋复合肥20kg处理，能够显著提高土壤有机质含量、根系生长量、梨的品质以及梨产量，可以使土壤保持较高的微生物生物量，提高氮肥的农学利用效率和偏生产力[18]，鸭粪肥适当比例替代的无机肥同样能提高土壤肥力。

在土壤重金属累积和重金属迁移方面，本研究发现重金属含量随土层深度增加而减少，0−20cm土层中重金属含量高于40−60cm，同时发现不同鸭粪替代化肥方案土壤中重金属与对照组未出现明显差异，但是部分替代组的梨果中检出少量重金属残留，也初步说明粪肥中的重金属会迁移到梨果上。李志洋等发现虽然短期施用有机肥并未使农作物中重金属含量显著上升，但是鸭粪重金属在土壤中具有累积性，有机肥施用次数增加，会使作物可食部分中Pb、Cd等重金属含量上升，引起重金属超标，产生食品安全问题[19−21]，因此应加强有机肥施用的安全风险监测。

土壤抗生素残留检测结果发现，鸭粪替代化肥处理的土壤中主要含有恩诺沙星和环丙沙星，相较鸭粪替代化肥施肥处理的土壤，传统施肥处理的土壤中还检测出四环素和达氟沙星，表明鸭粪中的抗生素风险较低。有研究表明粪肥产品施入土壤后，虽然大多数抗生素的残留浓度相对较低，但是残留的抗生素会影响土壤中酶的活性以及土壤中微生物生长，从而间接影响土壤肥力。并且土壤中的抗生素极易向植物体内富集，也会通过食物链积累，影响人类健康，其富集率可高达万倍以上[22−23]。

在提升农作物品质方面，本文鸭粪替代化肥处理的果实品质均高于对照，与常规化肥处理相比，不同比例替代化肥对砀山酥梨可溶性固形物、可溶性糖和维生素C的含量有明显提升作用，进一步验证了有机肥施用对改善农作物品质的效果。实验结果表明在与复合肥和有机肥配施的基础上加腐熟鸭粪肥能促进腐熟鸭粪中的微生物分解土壤中的有机物和矿物质，对提高梨果实的风味及内在品质具有明显效果，这与童盼盼等[24−25]研究的复合肥配合施用有机肥或生物菌肥可以提高并有效改善果实品质的研究结果基本一致。但在用畜禽粪肥代替化肥时，应注意适时适量，由于有机肥的肥效太慢，在果树需要快速补充养分时，追求果实优质高产的情况下会显得力不从心，以有机无机适时相结合，肥效有快有慢，才能更好地给果树提供充足的养分；另外任何一种畜禽粪肥中养分含量并不是固定不变完美搭配的，比如畜禽粪肥中氮磷比值大约是作物生长所需氮磷比值的2倍，所以应根据作物养分需求量与土壤肥力来确定粪肥的代替量。

3.2 结论

（1）肉鸭粪肥按不同比例替代化肥可使梨树干周边半径150cm范围内0−60cm土层中土壤pH增加6%～21%，替代比例越高对土壤pH提升越明显。

（2）肉鸭粪肥按50%替代化肥较其他替代比例更能提高土壤中有机质、全氮、有效磷和速效钾含量，与常规处理存在显著性差异。

（3）肉鸭粪肥按不同比例替代化肥与CK处理相比，梨果的维生素C含量、可溶性固形物、可溶性糖分别提升5.21%～17.44%、2.50%～8.45%、0.39%～11.01%。其中30%替代比例的各项指标优于其他处理，可实现梨园节肥增效的目的。

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Effects of Duck Manure Replacing Chemical Fertilizer on Soil Nutrient Characteristics and Pear Quality in Pear Planting

XUE Peng-ying1，CHEN Yong-xing1，ZHU Zhi-ping1，HAO Dong-min2，SONG Man1

(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2. Anhui Qiangying Duck Industry Group Co, Ltd, Dangshan 235300）

The purpose of this study was to explore the effects of duck manure application on soil environmental quality and pear quality and to promote the scientific application of duck manure to partially replace chemical fertilizers in pear planting. Under the condition of equal nitrogen substitution, the duck manure alternative fertilizer program in this study was divided into five groups including the control group (CK), 30% (DM1), 40% (DM2), 50% (DM3), and 60% (DM4). The duck manure was applied to the pear tree soil in April and July. Soil and pear samples were collected in October. The soil environmental quality (soil pH, soil nutrients, heavy metals, antibiotics) and pear quality parameters (soluble solids, soluble sugars, vitamin C) were also analyzed. The results showed that all the duck manure replacement treatments (DM1-DM4) could significantly increase the soil pH (6%−21%) compared with the control group, and the organic matter of deeper soil (40−60cm) was improved. The most significant effect on increasing the content of available phosphorus and available potassium in the soil was also found in the DM3 group. Fortunately, the contents of heavy metals in different soil layers of each treatment fully meet the requirements of pollution-free and green food producing areas for soil environment. The results also indicated that the application of duck manure improved the pear quality, and the soluble solids, soluble sugars, and vitamin C of pear were increased by 5.21%−17.44%, 2.50%−8.45%, and 0.39%−11.01%, respectively. The results showed that 30% duck manure replacing had the best effect on improving pear quality, while 50% duck manure replacing had the best effect on improving soil environment quality.

Duck manure; Substitution ratio; Soil environment; Pear quality

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.12.006

薛鹏英,陈永杏,朱志平,等.鸭粪替代化肥处理对砀山梨园土壤和梨品质的影响[J].中国农业气象,2022,43(12):1015-1024

2022−01−10

财政部和农业农村部“国家现代农业产业技术体系（CARS-42-23）”

朱志平，研究员，研究方向为农业废弃物处理与资源化利用，E-mail：zhuzhiping@caas.cn

薛鹏英，E-mail：xuepengying22vic@163.com