奶牛场沼液施用对小麦及青贮玉米植株产量和品质的影响

杨 月，宫少硕,2，靳红梅,2,3①，余 翔

(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014；2.南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京 210095；3.江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，江苏 南京 210095；4.江苏省农业科学院宿迁农科所，江苏 宿迁 223808)

规模化和集约化养殖可有效提高养殖水平，降低饲养成本，增加经济效益，但也会造成粪污排放集中、处理难度大、生态环境压力大等问题[1-2]。因地制宜对养殖粪污进行科学管理、减少环境排放是养殖业健康发展的重要保障。厌氧发酵技术是规模养殖场粪污处理的重要手段之一[3]，不仅可以有效削减粪污中常见污染物，而且产生的沼气可作为清洁能源，残留的沼液和沼渣经无害化处理后可作为肥料，是推动种养结合循环农业发展的重要纽带[4]。

研究表明，畜禽粪便源沼液还田在改良土壤、提升作物品质等方面具有明显的效果[5-7]。YU等[8]发现，施用浓缩的牛粪沼液和猪粪沼液后，种植番茄土壤的有机质、全氮(TN)、全磷(TP)和速效养分等肥力指标均显著提升；王永翠等[9]发现，单施沼液有助于青贮玉米植株产量的提高，但对籽粒中粗蛋白含量没有明显的促进作用，而沼液与氮肥配施不仅对青贮玉米增产作用明显，营养品质也显著提高；高威等[10]研究表明，猪粪沼液与氮肥配施能显著提高小麦籽粒蛋白质含量和淀粉的糊化特性，改善和优化小麦籽粒品质；BARG等[11]连续5 a的试验结果表明，施用牛粪沼液提高了冬小麦籽粒中微量金属元素锌(Zn)、铜(Cu)和铁(Fe)的含量。

沼液安全利用是农田消纳的重要保障。一方面，沼液作为一种液体肥料(含少量固体)，其理化特性和养分形态与固体有机肥、化肥差异较大[12]。沼液中铵态氮(NH4+-N)含量普遍较高，不恰当的还田会增加氨挥发和径流损失[13]。孙国峰等[14]研究表明，施用猪粪有机肥氮达常规化肥1.5倍时可实现水稻高产，但会明显增加稻田地表径流和磷、钾的流失；另一方面，由于畜禽粪便中含有重金属等有害物质，经厌氧发酵后沼液中砷(As)等金属的生物有效性有所提高[15]，沼液还田存在重金属安全风险。李金澄等[16]认为，沼液施用量小于玉米需氮量的4倍时，土壤和玉米籽粒中存在Zn、Cu、镉(Cd)、As的迁移与富集，但均未达到污染风险等级；WAN等[17]研究发现，连续施用鸡粪和猪粪显著降低了水稻籽粒中Cd的积累，显著提高了土壤中有效As含量，但对水稻籽粒中有效As含量的影响有限。

基于作物养分需求和土壤条件确定沼液合理的施用量和施用方法，是沼液农田安全利用的普遍共识，对确保作物产量和品质、避免二次污染具有重要意义[18]。目前，针对华东地区小麦-玉米轮作条件下连续灌溉沼液对小麦和青贮玉米植株产量及品质的影响鲜有报道。基于此，以江苏省北部的小麦-玉米轮作农田为研究对象，连续2 a施用奶牛场沼液，探究沼液不同施用量对小麦及青贮玉米植株产量和品质的影响，以期为畜禽粪便源沼液在农田的高效安全利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于江苏省宿迁市泗洪县(33°21′36″ N，118°02′42″ E)某规模奶牛养殖场配套的农田内。该地区属暖温带季风性气候区，年平均日照时数2 200 h，年平均气温14.3 ℃，年无霜期约200 d，年降水量约1 000 mm。试验田土壤类型属黄褐土，耕层(0～20 cm)土壤基本理化特征见表1。该区种植制度为夏玉米-冬小麦轮作，通常情况下，玉米在每年6月播种，9月底收获；小麦在每年10月初播种，次年6月上半月收获。

表1 试验田耕层土壤基本理化特征

1.2 供试沼液

供试奶牛场沼液(以下简称“沼液”)取自规模奶牛场内沼气池，发酵装置为黑膜厌氧发酵池。该养殖场奶牛存栏量常年稳定在2 800～3 000 头，清粪方式为链条式机械刮粪，收集到的粪尿及冲圈废水首先经过固液分离，分离液经微滤后进入黑膜沼气池，分离渣作为堆肥原料出售。养殖场内共有5个黑膜沼气池，总容积为25 000 m3，水力停留时间常年维持在90～120 d，已正常运行3 a。发酵后的沼液通过管道输送至周边农田的沼液贮存池，作为基肥施用，施用装置为自主研发的沼液喷灌机(ZL 201921944557.5)。供试沼液的基本理化特性见表2。供试沼液中Fe、Zn和As含量分别为(44.67±8.22)、(38.69±6.52)、(0.19±0.05) mg·L-1，Cd含量未检出(检出限0.08 ng·L-1)，As和Cd含量未超过NY/T 2596—2014《沼肥》和NY/T 2065—2011《沼肥施用技术规范》的规定。

表2 供试奶牛场沼液的理化特性

1.3 试验设计

试验设置4个施肥处理，为不施肥的空白处理(CK)、化肥处理(CF100)、100%沼液氮替代处理(BS100)、150%沼液氮替代处理(BS150)。每个处理重复3次，12个试验小区随机排列。小区面积为30 m2(7.5 m×4 m)，各小区间设置1.5 m宽的保护行。种植的玉米和小麦品种分别为“雅玉青贮8号”和“烟农19”。根据作物养分需求，玉米季需肥量分别为N 180 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2，K2O 120 kg·hm-2；小麦季需肥量分别为N 150 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2，K2O 120 kg·hm-2，其中化学N、P和K肥分别为尿素(CH4N2O)、过磷酸钙〔Ca(H2PO4)2〕、氯化钾(KCl)。根据等氮量替代原则以及沼液中养分含量，玉米季BS100和BS150处理的沼液施用量分别为142和213 t·hm-2，小麦季施用量分别为118和177 t·hm-2。施用沼液处理中添加Ca(H2PO4)2和KCl作为磷和钾的补充。各处理施肥方式为基肥和追肥，基追比为6∶4，其中玉米季追肥时间为小喇叭口期，小麦季追肥时间为返青期和拔节前。沼液采用人工洒施的方式，同时在不同施肥处理组进行灌水，保证不同处理组之间水分含量一致。各处理的除草、施药等其他田间管理方式相同。定位试验开始于2018年4月，取样时间为2020年11月。

1.4 样品采集与分析

1.4.1植株样品采集与产量计算

收获时，在各试验小区随机布设1 m×1 m的样方，将样方内的植株全部收获。小麦脱粒后测产，玉米在抽穗期取整个植株样品测产。小麦产量和青贮玉米植株产量以单位面积农田的小麦和青贮玉米质量计算。

1.4.2植株理化指标测定

选取2020年收获的小麦和青贮玉米样品测定理化指标。小麦籽粒晒干、粉碎备用。玉米植株样本取回后用自来水和去离子水冲洗，自然晾干，放入烘箱中105 ℃杀青30 min，80 ℃烘至恒量，粉碎备用。

样品粗蛋白测定参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》，粗淀粉测定参照GB 5009.9—2016《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》，粗脂肪测定参照GB/T 6433—2006《饲料中粗脂肪的测定》，玉米植株中粗纤维测定参照GB/T 6434—2006《饲料中粗纤维的含量测定 过滤法》。

小麦的籽粒和玉米鲜样中Fe、Zn、Cd和As含量测定参照GB 5009.90—2016《食品安全国家标准 食品中铁的测定》、GB 5009.14—2017《食品安全国家标准 食品中锌的测定》、GB 5009.11—2014《食品安全国家标准 食品中总砷及无机砷的测定》、GB 5009.15—2014《食品安全国家标准 食品中镉的测定》。测定仪器为电感耦合等离子体质谱(ICP-MS，Perken Elmer Nex ION 2000型，美国)。

1.4.3数据分析

处理间差异采用单因素方差分析(ANOVA)，多重比较采用Duncan法，设α=0.05，统计分析软件为DPS 9.01。

2 结果与分析

2.1 沼液施用对小麦和青贮玉米植株产量的影响

由图1可见，连续施用沼液后，处理间小麦产量均无显著差异。沼液施用第1年，BS100处理中小麦产量最高，但BS150处理中小麦产量最低，这说明沼液等氮量替代更有利于小麦的生长。沼液施用后第2年，BS100处理产量较第1年有所降低，BS150处理中小麦产量略有提高，甚至高于BS100处理，这可能是由于沼液中养分形态差异较大[12]，导致作物对养分的利用差别较大。这说明沼液肥效的评估需要长期定位施用效果的支撑。2020年当地雨水充足[19]，在连续2 a不施肥的情况下，2020年CK处理的小麦产量高于2019年。同时，雨水充足导致沼液地表径流损失，100%沼液处理第2年小麦产量为7.63 t·hm-2，比第1年降低约20%。说明在南方水网区，沼液施用策略需要更加精准，不光需要考虑土壤条件和作物养分需求，还需要关注气候条件。沼液施用第1年，各处理的青贮玉米植株产量无显著差异；CF100处理产量最高，CK处理产量最低，沼液处理产量介于CK和化肥处理之间，其中BS150处理产量略高于BS100处理。沼液施用2 a后，不同处理间青贮玉米植株产量出现显著差异(P<0.05)，沼液处理的青贮玉米植株产量与CF100处理相比有显著提高，且BS150处理显著高于BS100处理，BS150处理的青贮玉米植株产量达101.07 t·hm-2，说明1.5倍氮量沼液更有利于青贮玉米生长。连续施用化肥会导致土壤酸化、化肥肥效降低[20]，且笔者试验中2020年玉米未到乳熟期收获，导致2020年CF100处理玉米植株产量较2019年产量降低近30%。

沼液能够提供作物生长所需的各种养分，且在土壤中的保肥时间较长，对提高作物的营养生长效率和籽粒形成能力具有重要的作用[21]。供试的黄褐土pH值较低，在酸性条件下施用偏碱性的沼液，可以调节土壤pH值，有利于营造适宜玉米、小麦生长的土壤环境。沼液中各种腐殖酸与磷肥具有正交互作用，尤其低分子量腐殖酸与磷肥的正交互作用最强，含腐殖酸的磷肥具有明显的增产作用[22]。前人关于沼液促进作物增产的研究表明，沼液过量还田，当季即可产生明显增产效果[23]。李金澄等[24]试验表明，以土壤环境安全最大承载量为优先目标时，1倍氮养分沼液施用量为最优。笔者研究采取等氮量和1.5倍氮量代替施用沼液，第1年增产效果不明显，第2年青贮玉米增产效果明显。

CK—不施肥的空白处理；CF100—化肥处理；BS100—100%沼液氮替代处理；BS150—150%沼液氮替代处理。

2.2 沼液施用对小麦和青贮玉米品质的影响

2.2.1小麦籽粒营养品质

在成熟的小麦籽粒中，淀粉约占65%，蛋白质占10%～15%[25]。小麦的淀粉含量是判别小麦品种、影响出粉率及面粉用途的重要指标之一[26]，粗蛋白含量是小麦品质分级的重要指标[27-28]。该研究选取粗淀粉和粗蛋白2个营养指标评价小麦籽粒营养品质。连续2 a施用沼液后，不同处理组间小麦籽粒的粗蛋白和粗淀粉含量都存在显著差异，粗蛋白和粗淀粉含量随着沼液施用量的增加而显著增加(P<0.05，图2)。BS150处理小麦籽粒的粗蛋白含量w为14.24%，粗淀粉含量w为78.40%，且施用沼液处理的粗蛋白和粗淀粉含量显著高于施用化肥处理，其主要原因是沼液可以促进植株对微量元素和生理活性物质的吸收，增强与品质形成相关的酶活性及生理代谢强度[29]。另外，沼液中养分有效性较高，且可促进土壤有机养分矿化分解，虽然总氮投入量没有增加，但是作物对养分的吸收利用效率得以提高[30]，从而使作物粗蛋白和淀粉含量增加。研究结果表明，连续施用沼液可以促进小麦营养品质提高。

Fe、Zn是生物体必需的微量元素[31]。Fe是植物生长发育过程中重要的微量元素，参与植物叶绿素的合成、光合作用等代谢过程[32]。Zn参与生物体众多生理生化过程[33]，参与细胞膜上磷酸酯和巯基组分的相互作用，进而稳定生物膜，维持细胞膜的正常作用[34]。连续2 a施用沼液后，BS100和BS150处理的Fe和Zn含量均显著高于CK和CF100处理(P<0.05，图3)，且BS150处理的Zn含量显著高于BS100处理(P<0.05)。BS150处理的小麦籽粒Fe含量为22.09 mg·kg-1，Zn含量为20.53 mg·kg-1，说明施用沼液显著提高了小麦籽粒中Fe、Zn含量，且Zn含量随着沼液施用量的增加而显著增加(P<0.05)。

CK—不施肥的空白处理；CF100—化肥处理；BS100—100%沼液氮替代处理；BS150—150%沼液氮替代处理。

CK—不施肥的空白处理；CF100—化肥处理；BS100—100%沼液氮替代处理；BS150—150%沼液氮替代处理。

2.2.2青贮玉米营养品质

根据GB/T 25882—2010《青贮玉米品质分级》，一级青贮玉米品质指标的具体标准包括：水分含量w为60%～80%，粗蛋白含量w>7%，淀粉含量w>25%，中性洗涤剂纤维含量w<45%，酸性洗涤剂纤维含量w<23%。另外，粗脂肪也是常用评价指标之一[35]。因此，选取粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、Fe、Zn含量这5个指标评价沼液对青贮玉米品质的影响。连续2 a施用沼液后，各试验小区的青贮玉米植株品质指标如图4～5所示。

青贮玉米未到乳熟期收获，导致其蛋白质含量偏低，各处理植株粗蛋白含量w约1%左右。连续2 a施用沼液后，不同处理组之间青贮玉米植株的粗蛋白含量存在显著差异(P<0.05)，粗蛋白含量随着沼液施用量的增加而显著提高(P<0.05)，BS150处理青贮玉米的粗蛋白含量为1.43%，且施用沼液处理的青贮玉米粗蛋白含量显著高于施用化肥处理(P<0.05)，说明施用沼液提高了青贮玉米植株的粗蛋白含量，其原因与前文讨论沼液对小麦粗蛋白含量的影响大致相同，不再赘述。试验结果显示，施用沼液降低了收获时青贮玉米植株中粗脂肪含量，但随着沼液施用量的增加其含量略有回升，其原因是粗脂肪含量不仅受N、P含量与种植密度等因子的影响，而且受收获期的制约[36]。试验结果显示，施用化肥或沼液均显著提高了青贮玉米中粗纤维含量(P<0.05)，BS150处理的粗纤维含量w为53.86%，且施用化肥和施用沼液处理间无显著差异，其中BS100处理略低于CF100和BS150处理。青贮玉米的纤维包括中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维，在合理施氮条件下，增施氮肥可促进青贮玉米的生长，但氮素过量时不仅会使叶片衰老加速、纤维含量增加，还会对环境造成巨大压力[37]。该研究中，施用沼液后玉米的粗纤维总量小于60%，且BS100处理的粗纤维含量略低于CF100处理，说明施用沼液不会降低青贮玉米品质。

CK—不施肥的空白处理；CF100—化肥处理；BS100—100%沼液氮替代处理；BS150—150%沼液氮替代处理。同一幅图中直方柱上方英文小写字母不同表示各处理间某指标差异显著(P<0.05)。

连续2 a施用沼液后，青贮玉米BS100处理的Fe含量较CK处理显著降低(P<0.05)，随着沼液的增加，Fe含量有所回升。青贮玉米不同处理组间Zn含量存在显著差异(P<0.05)，CK处理最高，施用化肥或沼液处理降低了青贮玉米植株中Zn含量。KARIM等[38]指出，玉米茎中Zn积累量的差异与基因型不同有关，与施Zn量关系不大。Zn、Fe元素在化学性质上相似，存在相同的转运系统，故很多情况下表现出相互竞争的关系[39]，这可能是造成该试验玉米植株中Fe、Zn含量没有明显规律的主要原因。

CK—不施肥的空白处理；CF100—化肥处理；BS100—100%沼液氮替代处理；BS150—150%沼液氮替代处理。同一幅图中直方柱上方英文小写字母不同表示各处理间某指标差异显著(P<0.05)。

2.3 沼液施用后小麦和青贮玉米中有害金属的含量

As和Cd是2种环境风险极大的(类)重金属污染物，其在土壤-作物系统中的迁移转化是国际上研究的热点[40]。畜禽粪便普遍含有As和Cd，经厌氧发酵后沼液中两者的溶解态含量有所提高[41]，农田施用后是否造成生态环境风险增加一直以来备受关注。连续2 a施用沼液后，各试验小区的小麦、青贮玉米中As、Cd含量如图6～7所示。施用沼液增加了小麦籽粒As含量，但各处理间Cd含量无显著差异，As和Cd含量均符合GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》的规定。施用沼液增加了青贮玉米植株中As含量；BS150处理的Cd含量显著低于CF100处理，但与CK处理无显著差异。青贮玉米植株中As、Cd含量均符合GB 13078—2017《饲料卫生标准》的规定。这说明现有水平下，连续施用沼液不存在小麦和青贮玉米中As和Cd超标的风险。

TANG等[42]在稻-麦轮作田间试验中连续5 a施用沼液，发现施用沼液的土壤重金属污染风险相对较低，且小麦和水稻籽粒中Cd含量均在安全范围内。笔者试验用沼液中As平均含量为0.19 mg·L-1，Cd含量未检出(检出限0.08 ng·L-1)，连续施用2 a后小麦籽粒和青贮玉米植株中As、Cd含量均未超过相关标准中污染物限量值，这与前人研究结果[16,42]一致，但对于长期施用沼液导致的农田重金属污染风险仍需要进一步研究。ZHAO等[43]提出，为了最大限度地减少污染物从土壤向食物链的转移，可以尽量减少污染物的投入，用石灰或其他固定材料减少土壤中重金属的有效性，选择和培育低重金属积累作物品种，采用适当的水和肥料管理、生物修复、改变土地用途、种植非粮食作物等方式。

CK—不施肥的空白处理；CF100—化肥处理；BS100—100%沼液氮替代处理；BS150—150%沼液氮替代处理。

CK—不施肥的空白处理；CF100—化肥处理；BS100—100%沼液氮替代处理；BS150—150%沼液氮替代处理。

3 结论

(1)施用沼液未降低小麦-玉米系统的作物产量，施用沼液1 a后各处理的作物产量无显著差异，而施用沼液2 a后各处理的青贮玉米鲜重随着沼液用量的增加而显著增加(P<0.05)。

(2)施用沼液对小麦和青贮玉米品质有明显的提升作用，其中小麦籽粒的粗蛋白、粗淀粉含量以及青贮玉米的粗蛋白含量随着沼液施用量的增加而显著增加(P<0.05)。施用沼液显著提高了小麦籽粒中Fe和Zn含量(P<0.05)，但青贮玉米植株中Fe和Zn含量有所降低。

(3)施用沼液未增加作物有害重金属的累积风险。连续施用沼液增加了小麦籽粒和青贮玉米植株中As含量，对Cd含量无显著影响，As和Cd含量均未超过相关标准中污染物限量值。