畜禽粪便配施对冬小麦产量及Cu、Zn、As在植株累积和土壤中垂直分布的影响

李金峰+聂兆君+赵鹏+刘世亮+于华+苏红丽+高巍+刘红恩

摘要：为了研究畜禽粪便在冬小麦上的应用效果及对植株、土壤中重金属Cu、Zn、As含量变化的影响，于2013年10月至2014年6月在河南农业大学许昌校区农场进行田间小区试验。结果发现：在常规施肥的基础上配施一定量的畜禽粪便，可以显著提高冬小麦产量及其产量构成要素，增产率达到17.23%，然而过量的畜禽粪便会导致冬小麦后期倒伏减产。另外，随着畜禽粪便配施量的增加，冬小麦植株各部位对重金属Cu、Zn、As的累积量及总累积量显著增加，同时重金属Cu、Zn、As含量在土壤垂直分布中明显增加。以上结果表明，农业生产中配施畜禽粪便对食品安全及土壤环境具有一定的潜在风险。因此，合理施用畜禽粪便对我国农业生产的增产增效，实现粮食安全，实现资源节约型、环境优化型可持续发展现代农业具有重要意义。

关键词：畜禽粪便；冬小麦；重金属；累积量；土壤；垂直分布

中图分类号：S512.101；S141.2

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）04-0137-04

进入20世纪90年代以来，我国氮肥用量、化肥生产总量和施肥总量相继跃居世界首位[1]。其中氮肥用量达到全球氮肥用量的36%以上[2]，使我国成为全球第一氮肥消费大国。然而，随着我国肥料用量的逐年增加，肥料利用率并没有明显提高[3]。每年有约1 500万t氮素（约占氮肥用量的60%）损失进入大气和水体[4]。我国农业生产面临高肥料投入量和低肥料利用率的情况，导致大量农田出现土壤板结、酸碱pH值变化、活性降低等问题，进一步引发生产效益降低、能源浪费和环境污染等一系列问题，使农业可持续发展陷入困境。在此背景下，“有机农业”“生态农业”作为一种资源循环利用模式，以生产优质、安全、生态的农产品，减缓不合理施肥对资源和环境造成的严重压力为目标，取得了一定的进展。因此，为了实现农业的可持续发展，构建资源节约型、环境友好型新型农业模式，加大有机肥的投入量是必由之路。

我国有机肥的来源非常广泛并资源丰富，2008年全国有机肥料生产企业调查结果显示，我国畜禽粪便有机肥料资源约达22.4亿t，畜禽粪便成为我国有机肥料生产的主要原料来源，其合理施用对提高农田土壤肥力起着重要的作用[5]，具有增加土壤养分、增强土壤微生物活性及改善作物品质等作用[6-8]。但是越来越多的研究表明，大量使用畜禽粪便对大气、土壤和水体等造成潜在威胁。一方面，有机肥被认为是温室气体的重要来源之一[9]；另一方面，畜禽养殖过程中多以配合饲料喂养，为了预防畜禽病害、增加畜禽质量，往往过量添加和施用含砷、铜、锌的饲料添加剂[10]，但由于其生物有效性极低，极易被排出体外导致畜禽粪便中重金属含量超标[11]。况且有机肥中养分释放很慢，矿化所需时间较长，因此一般有机肥施用量较高，这样很容易导致重金属通过地下径流、地表淋洗、挥发等多种形式流失在土壤-作物体系之中，存在对农田土壤环境造成污染的风险[12-14]。因此，为了研究畜禽废弃物的施用对植株重金属富集及土壤重金属垂直分布的影响，进一步探究畜禽废弃物的施用对环境造成的影响，在河南农业大学许昌校区农场布置田间小区试验，研究施用不同用量的畜禽废弃物有机肥对植株重金属累积以及土壤铜、锌、砷等重金属垂直分布的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2013年10月至2014年6月在河南农业大学许昌校区农场进行。供试土壤为壤质潮土（表1）。

1.2 供试材料

供试小麦品种为当地广泛种植的周麦22，试验用肥料品种为普通尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O5 16%）、氯化钾（K2O 60%），供试有机肥为经堆肥腐熟的猪粪（表2）。

1.3 试验设计

试验共设置3个处理，具体如下：T1，常规施肥处理（养分含量为23%-12%-10%的小麦专用复合肥750 kg/hm2）；T2，常规施肥+中量有机肥（养分含量为 23%-12%-10% 的小麦专用复合肥750 kg/hm2、畜禽粪便22 500 kg/hm2）；T3，常规施肥+高量有机肥（养分含量为23%-12%-10%的小麦专用复合肥750 kg/hm2、畜禽粪便50 000 kg/hm2）。

试验采取随机区组排列，3次重复，小区面积为5 m×6 m=30 m2，同时设置保护行和观察道。所有处理的有机肥和复合肥均作为基肥一次性以撒施方式施入，然后翻耕，种植密度及其他水肥管理措施按照当地高产优质小麦生产技术规程进行，各项措施由专人在同日完成。

1.4 测试项目和方法

小麦成熟后，按照一米双行法调查产量构成要素，1 m2 样方实打实收计产。取每小区植株样，分为籽粒、颖壳、茎叶等，计算各部位生物量，并烘干粉碎，测定各部位铜、锌、砷含量；各小区采用S形随机布点取样法采集 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层的土壤样品，风干、粉碎、过筛后测定土壤全铜、全锌、全砷含量。其中，植株铜、锌含量采用干灰化-AAS法测定，植株样品经HNO+H2SO4消化后采用原子荧光法测定总砷含量。土壤全铜、全锌采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解-火焰原子吸收分光光度法测定；土壤全砷含量采用浸提-水浴原子荧光法测定。

1.5 统计分析

试验数据采用Excel 2003和SPSS 10.0软件进行数据处理和统计分析，各处理平均值的多重比较采用LSD-test法（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 施用畜禽粪便对冬小麦产量及其构成因素的影响

与T1（常规施肥）处理相比，T2（常规施肥+中量有机肥）处理的穗数、穗粒数、理论产量、实际产量等指标均高于T1处理，其中穗数、穗粒数、理论产量、实际产量分别增加 30.94%、1.99%、31.81%、17.23%（表3）。T3（常规施肥+高量有机肥）处理在穗粒数上高于T1处理，但在穗数、千粒质量、实际产量上却低于T1处理 。以上结果表明，在常规施肥的基础上增施一定量的畜禽粪便可以增加冬小麦产量及产量构成要素，但是过量的畜禽粪便投入则会导致小麦后期倒伏，造成冬小麦减产。

2.2 施用畜禽粪便对冬小麦各部位Cu、Zn、As富集的影响

所有处理中，T1处理各部位的Cu、Zn、As累积量及总累积量均最低，且在茎叶、颖壳中Cu、Zn、As各元素累积量均达到显著性差异水平（P<0.05）。另外，植株在Cu、Zn、As总累积量方面也随着畜禽粪便施用量的增加而增加（表4）。

在茎叶中，Cu、Zn、As累积量随着畜禽粪便的施用量的增加而增加。其中，T2处理的Cu、Zn、As累积量比T1处理分别增加81.36%、195.71%、81.63%；T3处理中Cu、Zn、As累积量比T2处理分别增加40.81%、97.08%、122.80%。

在颖壳中，Cu、Zn、As累积量同样随着畜禽粪便施用量的增加而增加。其中，T2处理的Cu、Zn、As累积量比T1处理分别增加110.55%、105.26%、66.28%；T3处理中Cu、Zn、As累积量比T2处理分别增加53.90%、11851%、38.35%。

在籽粒中，T2处理的Cu、Zn、As累积量在3个处理中均最高，且达到显著差异水平。其中，T2处理的Cu、Zn、As累积量比T1处理分别增加48.24%、20.27%、59.86%；T3处理中Cu、As累积量比T1处理分别增加 15.80%、47.23%。

以上结果表明，在冬小麦茎叶、颖壳中Cu、Zn、As累积量随着畜禽粪便施用量的增加而增加，且累积量较为明显；施用畜禽粪便，可增加冬小麦籽粒中重金属的累积，但是随着畜禽粪便施用量的增加，会导致冬小麦后期倒伏，大大降低籽粒产量，进而导致小麦籽粒重金属累积量有所降低。另外，随着畜禽粪便施用量的成倍增加，Cu、Zn、As在植株体内的累积增加量有所降低；且不和施用量成正比，还受其他因素的制约。

2.3 施用畜禽粪便对重金属Cu在土壤中垂直分布的影响

各个土层中Cu的含量随着畜禽粪便施用量的增加而增加，均在T1处理含量最低，在T3处理达到最大值（图1）。其中T3处理比T1、T2处理在耕作层分别增加75.59%、48.25%。T3处理在20～40、40～60、60～80、80～100 cm等不同土层比T1处理相应土层重金属Cu含量分别增加 53.97%、45.70%、41.75%、48.05%；比T2处理在20～40、40～60、60～80、80～100 cm等不同土层重金属Cu含量分别增加33.01%、33.55%、28.41%、21.38%。3个处理的各个土层相比，重金属Cu含量均在耕作层达到最大值。其中，T3、T2、T1各处理0～20 cm重金属Cu含量较20～40 cm分别增加20.84%、8.41%、5.96%，同时在T3处理中差异达到显著水平。结果表明。施用畜禽粪便可增加土壤各个层次的Cu含量，尤其在耕作层更为明显。在土壤0～100 cm的垂直分布中，随着土层深度的增加，重金属Cu的含量呈降低趋势，重金属Cu含量越高，淋溶效果越明显。

2.4 施用畜禽粪便对重金属Zn在土壤中垂直分布的影响

各个土层中Zn的含量随着畜禽粪便施用量的增加而增加，均在T1处理含量最低，在T3处理达到最大值（图2）。其中T3处理比T1、T2处理在耕作层分别增加69.33%、31.72%。T3处理在20～40、40～60、60～80、80～100 cm等不同土层中较T1处理相应土层重金属Zn含量分别增加 38.25%、57.31%、40.77%、34.96%；比T2处理各个不同土层中重金属Zn含量分别增加22.02%、26.32%、18.39%、6.33%。3个处理的各个土层相比，重金属Zn含量均在耕作层达到最大值。结果表明，重金属Zn在土壤中的性质与Cu相似，施用畜禽粪便可增加土壤各个层次的Zn含量，尤其在耕作层更为明显。在土壤0～100 cm的垂直分布中，随着土层深度的增加，重金属Zn的含量呈降低趋势，土壤中重金属Zn含量越高，淋溶效果越明显。

2.5 施用畜禽粪便对重金属As在土壤中垂直分布的影响

在土壤20～100 cm处，施用畜禽粪便处理（T2、T3）中的重金属As含量较常规施肥处理（T1）均有所升高（图3）。其中，T2处理在20～40、40～60、60～80、80～100 cm等土层比T1处理相应土层As含量分别增加7.00%、3.67%、2.59%、1.95%；T3处理在20～40、60～80、80～100 cm等土层较T1处理相应土层As含量分别增加14.13%、12.37%、22.21%。但各个处理之间耕作层重金属As含量变化不大，差异未达到显著水平。结果表明，施用畜禽粪便能增加土壤中As的含量，但是促进了重金属As在土壤中的淋溶，使得重金属As在耕作层含量变化不大，却明显增加了20～100 cm土层的As含量。

3 结论与讨论

试验结果表明，在常规施肥的基础上配施一定量的畜禽粪便，可增加冬小麦产量及其构成要素，然而过量的畜禽粪便施用量则会导致冬小麦后期倒伏并造成减产，这与前人的研究结论[15-16]一致。

在常规施肥的基础上配施畜禽粪便，可以显著增加植株体内重金属Cu、Zn、As的累积量，并随畜禽粪便投入量的增加而增加，但并未超过我国食品安全国家标准中规定谷物食品中所规定的Cu、Zn、As含量标准，这与王美等的研究结论[17]相一致。另外，冬小麦植株锌累积量远远高于铜累积量，这不仅是因为畜禽粪便、土壤本身锌含量较高，而且还可能由于不同重金属对小麦生理功能影响不同，而导致锌比铜更容易在小麦体内积累。LHerroux等研究发现，猪粪中锌的迁移性较强，而铜则由于有机质对其亲和力较强，易形成有机结合态而降低其生物有效性[18]。另外，薛艳等研究发现，土壤中铜浓度的增高也可以促进植物对锌的吸收[19]。

施用畜禽粪便能够影响土壤理化性质和结构，进而影响土壤重金属的迁移和转化。已有研究表明，一方面有机肥中的腐殖质通过螯合、络合反应固定重金属，从而降低重金属对植物的有效性[20-21]；另一方面，施用有机肥具有降低重金属有效性的作用[22-23]。本试验结果表明，施用有机肥对土壤耕作层全砷含量影响不大，甚至出现随着有机肥施用量增加，土壤砷含量减少的趋势。而对土壤铜、锌影响较大，随着施肥量的增加，土壤中铜、锌含量呈现极显著增加趋势，所以对土壤环境有污染风险。因此，不合理的施肥是引发土壤重金属污染的主要因素之一[24]。铜、锌是植物生长必须的元素，缺乏易导致缺素症，但是当土壤中含量超过一定限度时，会影响作物的生长和安全品质[25]。已有研究显示，饲料添加剂中往往含有较多的铜、锌而使畜禽粪便中的铜、锌含量较高，在施用畜禽粪便时，常常会造成土壤铜、锌累积，对植物生长存在潜在的危害[26]，这与本试验结果相一致。

在常规施肥的基础上配施一定量的畜禽粪便，可以显著提高冬小麦产量及其产量构成要素，然而配施过量的畜禽粪便会导致冬小麦后期倒伏，进而导致减产减效。另外，随着畜禽粪便配施量的增加，不仅冬小麦植株各部位对重金属Cu、Zn、As的累积量及总累积量显著增加，而且重金属Cu、Zn、As在土壤垂直分布中明显增加。虽然小麦籽粒中重金属含量并没有超过我国食品安全国家标准，但是这对我国粮食安全、土壤环境污染均具有一定的潜在风险。因此，合理的施用畜禽粪便对我国农业生产的增产增效，实现粮食安全，实现资源节约型、环境优化型可持续发展现代农业具有重要的意义。

参考文献：

[1]孙克刚，李丙奇，和爱玲，等. 控释肥及控释BB肥在小麦生产上的应用效果和氮肥利用率研究[J]. 河南科学，2011，29（11）：1331-1334.

[2]张福锁，王激清，张卫峰，等. 中国主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径[J]. 土壤学报，2008，45（5）：915-924.

[3]彭少兵，黄见良，钟旭华，等. 提高中国稻田氮肥利用率的研究策略[J]. 中国农业科学，2002，35（9）：1095-1103.

[4]张夫道. 长期施肥条件下土壤养分的动态和平衡[J]. 植物营养与肥料学报，1996，2（1）：39-47.

[5]沈其荣，沈振国. 有机肥氮素的矿化特征及与其化学组成的关系[J]. 南京农业大学学报，1992，15（1）：59-64.

[6]姚丽贤，周修冲. 有机肥对环境的影响及预防研究[J]. 中国生态农业学报，2005，13（2）：113-115.

[7]徐阳春，沈其荣，冉 炜，等. 长期免耕与施用有机肥对土壤微生物生物量碳，氮，磷的影响[J]. 土壤学报，2002，39（1）：89-96.

[8]马守臣，张紧紧，冯荣成，等. 深耕和施用有机肥对麦田土壤微环境的影响[J]. 华北农学报，2014（4）：192-197.

[9]Hao X，Chang C，Larney F J，et al. Greenhouse gas emissions during cattle feedlot manure composting[J]. Journal of Environmental Quality，2001，30（2）：376-386.

[10]邢延铣. 畜牧业生产对生态环境的污染及其防治[J]. 云南环境科学，2001，20（1）：39-43.

[11]闫秋良，刘福柱. 通过营养调控缓解畜禽生产对环境的污染[J]. 家畜生态，2002，23（3）：68-70.

[12]熊国华，林咸永. 施用有机肥对蔬菜保护地土壤环境质量影响的研究进展[J]. 科技通报，2005（1）：59-64.

[13]Campbell C A，Eentner P. Soil organic matter as influenced by crop rotation and fertilization[J]. Soil Science of American Journal，1993，57：1034-1040.

[14]Par T，Dinel H，Moulin A P，Townley-Smith L. Organic matter quality and structural stabilityof a black chernozemic soil under different manure and tillage practices[J]. Geothermal，1999，91（3/4）：311-326.

[15]刘 骏，陈荣丽，陈桂月，等. 秸秆还田与氮肥、有机肥配施对小麦生长发育和产量的影响[J]. 河南农业科学，2015（3）：48-51.

[16]张 睿，刘党校. 氮磷与有机肥配施对小麦光合作用及产量和品质的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2007，13（4）：543-547.

[17]王 美，李书田. 肥料重金属含量状况及施肥对土壤和作物重金属富集的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2014（2）：466-480.

[18]LHerroux L，Roux S L，Appriou P，et al. Behaviour of metals following intensive pig slurry applications to a natural field treatment process in Brittany （France）[J]. Environmental Pollution，1997，97（1/2）：119-130.

[19]薛 艳，沈振国，周东美，等. 蔬菜对土壤重金属吸收的差异与机理[J]. 土壤，2005，37（1）：32-36.

[20]华 珞，白玲玉，韦东善，等. 有机肥-镉-锌交互作用对土壤镉、锌形态和小麦生长的影响[J]. 中国环境科学，2002，22（4）：346-350.

[21]Chang C，Entz T. Nitrate leaching losses under repeated cattle feedlot manure applications in southern Alberta[J]. Journal of Environmental Quality，1996，25（1）：145-153.

[22]陈同斌，陈志军. 水溶性有机质对土壤中镉吸附行为的影响[J]. 应用生态学报，2002，3（2）：183-186.

[23]高 明，车福才，魏朝富，等. 长期使用有机肥对紫色水稻土铁锰铜锌形态的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2000，6（1）：11-17.

[24]周启星，唐世荣. 健康土壤学——土壤健康质量与农产品安全[M]. 北京：科学出版社，2005：172-180.

[25]仁顺荣，邵玉翠，高宝岩，等. 长期定位施肥对土壤重金属含量的影响[J]. 水土保持学报，2005，19（4）：96-99.

[26]刘 景. 长期施肥对农田土壤重金属的影响[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2009.张英虎，沈会权，臧 慧，等. 1982—2011年江苏大麦育成品种亲本分析[J]. 江苏农业科学，2016，44（4）：141-145.