净化沼液滴灌对砂壤土质量、青贮玉米生产力的影响及安全消纳容量分析

doi:10.11686/cyxb2024215

草业学报 ›› 2025, Vol. 34 ›› Issue (4): 64-81.DOI: 10.11686/cyxb2024215

净化沼液滴灌对砂壤土质量、青贮玉米生产力的影响及安全消纳容量分析

蒋鹏¹(), 李磊², 解昊郡³, 徐得甲³, 王锐³, 虎强⁴, 孙权³()

^1.宁夏大学林业与草业学院，宁夏银川 750021
^2.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏银川 750002
^3.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021
^4.宁夏防沙治沙与葡萄酒职业技术学院，宁夏银川 750199

收稿日期:2024-02-06 修回日期:2024-07-25 出版日期:2025-04-20 发布日期:2025-02-19
通讯作者: 孙权
作者简介:Corresponding author. E-mail： sqnxu@sina.com
蒋鹏（1992-），女，山东泰安人，在读博士。E-mail： Jiangpeng3867@126.com
基金资助:
奶牛粪污生物强化处理与分类再利用创新模式研究与示范(2022BEG02004)

Effect of purified biogas slurry drip irrigation on sandy loam soil quality， silage maize productivity and analysis of safe application rate

Peng JIANG¹(), Lei LI², Hao-jun XIE³, De-jia XU³, Rui WANG³, Qiang HU⁴, Quan SUN³()

^1.School of Forestry and Prataculture，Ningxia University，Yinchuan 750021，China
^2.Institute of Agricultural Resources and Environment，Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Yinchuan 750002，China
^3.School of Agriculture，Ningxia University，Yinchuan 750021，China
^4.Ningxia Technical College of Wine and Desertification Prevention，Yinchuan 750199，China

Received:2024-02-06 Revised:2024-07-25 Online:2025-04-20 Published:2025-02-19
Contact: Quan SUN

摘要/Abstract

摘要：

针对宁夏草畜产业“种养结合”不紧密，种植端土壤质量下降、作物生产力不高，而养殖端大量粪污直接施用存在环境和健康风险等问题，采用多级过滤工艺获得净化沼液，设置不同滴灌量（0、225、450、675、900、1125、1350 m³·hm^-2），以液肥形式滴灌于指示作物青贮玉米，系统研究其对土壤质量、青贮玉米生产力的影响及开展安全消纳容量分析。结果表明，土壤pH、全盐、速效氮、有效磷、速效钾及重金属铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）含量随着净化沼液滴灌量增加呈显著增加趋势，而土壤有机质含量随着净化沼液滴灌量增加表现为先增加后降低趋势，其中，还田量为900 m³·hm^-2时土壤有机质含量最高，同时，该处理显著提高了土壤水稳性大团聚体（>0.25 mm）含量、平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、微生物生物量碳（MBC）含量及酶活性，且提高了土壤质量指数（SQI）。青贮玉米产量、干物质及淀粉含量随着净化沼液施用量增加均呈先增加后降低趋势，线性回归方程模拟得出净化沼液还田量为805.56~925.00 m³·hm^-2可更好地促进青贮玉米产量与品质提升。此外，青贮玉米中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr含量随着净化沼液施用量增加呈增加趋势，但远远低于饲料卫生限量值。净化沼液滴灌量900 m³·hm^-2下SQI及青贮玉米生产力最高，以此滴灌量为计算依据，按照重金属Cd元素“木桶效应”则可计算出土壤环境消纳容量为连续滴灌 25 年可维持土壤重金属含量不超标，而按照全国第二次土壤普查宁夏土壤盐渍化划分标准可计算出连续滴灌19年可能不会发生土壤次生盐渍化。

关键词: 净化沼液, 青贮玉米, 产量, 土壤质量指数, 重金属

Abstract:

Ningxia’s forage and livestock industries currently face multiple issues； forage plant breeding and production is below requirement， the soil quality in the forage production areas is declining， the yields are modest， and the application of a large amounts of manure as fertilizer has both environmental and health risks. In this study， a multi-stage filtration process was used to obtain purified biogas slurry， and an experiment was set up to apply the slurry at different rates （0， 225， 450， 675， 900， 1125， 1350 m³·ha^-1） by drip irrigation. The purified slurry liquid fertilizer was applied to a silage maize crop， and its effects on soil quality and silage maize yield were systematically studied to determine the safe application rate. The results showed that soil pH， the contents of total salt， available nitrogen， available phosphorus， available potassium and heavy metals including copper （Cu）， zinc （Zn）， lead （Pb）， cadmium （Cd） and chromium （Cr） increased significantly with increased biogas slurry application rate， while the content of soil organic matter initially increased and then decreased with increased application rate. Soil organic matter level was highest under the 900 m³·ha^-1 treatment. This treatment also significantly increased the content of soil water-stable macroaggregates （>0.25 mm）， mean weight diameter， geometric mean diameter， microbial biomass carbon content， enzyme activity and quality index. The yield， dry matter content and starch content of silage maize increased initially and then decreased with successive increases in the application rate of purified biogas slurry. A linear regression equation showed that a purified slurry application rate of 806-925 m³·ha^-1best promoted the yield and quality of silage maize. In addition， the contents of Cu， Zn， Pb， Cd and Cr in silage maize showed an increasing trend with increase in the application rate of purified biogas slurry. However， heavy metal levels observed were far lower than the permissible limits in animal feed. Based on this study， it was concluded that the soil quality index and silage maize productivity were the highest under the slurry application rate of 900 m³·ha^-1. Based on this drip application rate， and the permissible levels of the heavy metal element， Cd， the soil environmental absorption capacity can be calculated. After continuous drip irrigation for 25 years， the soil heavy metal content would not exceed the standard. Furthermore， based on the second national soil census Ningxia soil salinization division standard， it can be calculated that continuous drip irrigation for 19 years would not result in soil secondary salinization.

Key words: purified biogas slurry, silage maize, yield, soil quality index, heavy metal

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图/表 21

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深度 Depth （cm）	机械组成Mechanical composition （%）			土壤质地 Soil texture	容重BD （g·cm^-3）	田间持水量 FC （%）
深度 Depth （cm）	砂粒Sand （0.02~2 mm）	粉粒Silt （0.002~0.02 mm）	黏粒Clay （<0.002 mm）	土壤质地 Soil texture	容重BD （g·cm^-3）	田间持水量 FC （%）
0~20	55.54±3.72a	32.23±0.49b	12.23±0.47a	砂质壤土Sandy loam	1.42±0.04a	16.54±0.50a
20~40	37.14±1.08b	48.65±3.83a	14.21±0.10a	粉砂质壤土Silty loam	1.39±0.03a	17.89±0.63a
40~60	37.12±1.64b	49.65±1.50a	13.23±0.35a	粉砂质壤土Silty loam	1.41±0.07a	18.03±0.27a

深度 Depth （cm）	机械组成Mechanical composition （%）			土壤质地 Soil texture	容重BD （g·cm^-3）	田间持水量 FC （%）
深度 Depth （cm）	砂粒Sand （0.02~2 mm）	粉粒Silt （0.002~0.02 mm）	黏粒Clay （<0.002 mm）	土壤质地 Soil texture	容重BD （g·cm^-3）	田间持水量 FC （%）
0~20	55.54±3.72a	32.23±0.49b	12.23±0.47a	砂质壤土Sandy loam	1.42±0.04a	16.54±0.50a
20~40	37.14±1.08b	48.65±3.83a	14.21±0.10a	粉砂质壤土Silty loam	1.39±0.03a	17.89±0.63a
40~60	37.12±1.64b	49.65±1.50a	13.23±0.35a	粉砂质壤土Silty loam	1.41±0.07a	18.03±0.27a

深度Depth （cm）	Cu	Zn	Pb	Cd	Cr
0~20	15.69±2.47a	0.44±0.06a	13.69±0.87a	0.39±0.05a	24.26±1.20a
20~40	7.45±0.12b	0.25±0.04b	5.54±0.55b	0.30±0.03a	18.48±2.39a
40~60	1.96±0.35c	0.18±0.35b	4.01±0.30b	0.28±0.05a	21.03±0.82a
国标限量值National standard limit	190.00	300.00	170.00	0.60	200.00

深度Depth （cm）	Cu	Zn	Pb	Cd	Cr
0~20	15.69±2.47a	0.44±0.06a	13.69±0.87a	0.39±0.05a	24.26±1.20a
20~40	7.45±0.12b	0.25±0.04b	5.54±0.55b	0.30±0.03a	18.48±2.39a
40~60	1.96±0.35c	0.18±0.35b	4.01±0.30b	0.28±0.05a	21.03±0.82a
国标限量值National standard limit	190.00	300.00	170.00	0.60	200.00

材料Material	Cu	Zn	Cr	Cd	Pb
沼液原液BS	34.56±1.23	24.33±6.64	1.46±0.09	0.06±0.00	4.66±0.06
净化沼液 PBS	15.30±0.97	11.19±0.11	0.82±0.03	0.03±0.01	2.49±0.15
国家限量标准National limit standard	-	-	50.00	3.00	50.00

净化沼液滴灌对砂壤土质量、青贮玉米生产力的影响及安全消纳容量分析

Effect of purified biogas slurry drip irrigation on sandy loam soil quality， silage maize productivity and analysis of safe application rate

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Metrics

处理 Treatment	实施措施Implementation measures			滴水次数 Water drip times	滴沼液次数 Biogas slurry drip times
处理 Treatment	净化沼液PBS （m³·hm^-2）	净化沼液含氮量PBS-N （kg·hm^-2）	水 Water （m³·hm^-2）	滴水次数 Water drip times	滴沼液次数 Biogas slurry drip times
S₀	0	0	3900	12	0
S₁	225	90	3675	12	8
S₂	450	180	3450	12	8
S₃	675	270	3225	12	8
S₄	900	360	3000	12	8
S₅	1125	450	2775	12	8
S₆	1350	540	2550	12	8

等级Grade	潜在生态危害指数Ecological risk index
清洁 Cleanly	<100
轻微 Slight	100~150
中等Moderate	150~300
重度 Severely	300~600
极重 Extremely	>600

处理Treatment	Cu （mg·kg^-1）	Zn （mg·kg^-1）	Pb （μg·kg^-1）	Cd （μg·kg^-1）	Cr （μg·kg^-1）
S₀	1.32±0.01e	0.42±0.01d	28.78±1.21d	20.53±0.23b	2.12±0.23c
S₁	1.37±0.07e	0.44±0.01d	30.09±0.65d	21.73±0.67b	2.42±0.33c
S₂	1.52±0.03d	0.47±0.03d	35.12±0.21cd	29.09±3.01b	3.82±3.39b
S₃	1.66±0.06c	0.56±0.01c	35.15±0.43bc	26.41±2.86b	3.76±0.67b
S₄	1.69±0.03c	0.65±0.03b	40.18±2.32ab	26.40±2.86b	3.54±0.88b
S₅	1.91±0.04b	0.73±0.03a	41.21±1.32a	40.79±6.69a	4.13±0.67a
S₆	2.12±0.03a	0.73±0.04a	45.01±5.79a	44.47±0.67a	6.47±0.88a
饲料限量值Feed limit value （mg·kg^-1）	-	-	30.00	1.00	5.00

指标 Indicator	2021		2022
指标 Indicator	公因子方差CFV	权重Weight	公因子方差CFV	权重Weight
MWD	0.901	0.066	0.901	0.062
GMD	0.857	0.062	0.857	0.059
pH	0.741	0.054	0.741	0.051
TS	0.954	0.070	0.954	0.066
AN	0.992	0.072	0.992	0.069
AP	0.989	0.072	0.989	0.069
AK	0.965	0.070	0.965	0.067
OM	0.892	0.065	0.892	0.062
URE	0.901	0.066	0.901	0.062
ALP	0.998	0.073	0.998	0.069
SUC	0.956	0.070	0.956	0.066
CAT	0.979	0.071	0.979	0.068
MBC	0.949	0.069	0.949	0.066
MBN	0.925	0.067	0.925	0.064
ERI	0.723	0.053	0.723	0.050

指标 Index	土壤重金属限量值 SHM limit value （mg·kg^-1）	土壤重金属起始值 SHM background value （mg·kg^-1）	净化沼液重金属含量 PBS heavy metal content （mg·kg^-1）	植株重金属含量 Plant heavy metal content （g·hm^-2）	消纳容量 Digestion capacity （m³·hm^-2）	消纳年限 Digestion years （a）
铜 Cu	190	15.69±0.04	15.30±1.04	24.70±1.49	37394.00±2732.97	41.55±3.04
锌Zn	300	0.44±0.01	11.19±0.03	8.73±0.40	87004.67±196.96	96.67±0.22
铅Pb	170	13.69±0.54	2.49±0.10	0.79±0.04	204935.67±8299.00	227.71±9.22
镉 Cd	0.60	0.39±0.02	0.03±0.01	0.37±0.03	22786.66±1240.76	25.32±0.38
铬 Cr	200	24.26±0.41	0.82±0.02	0.48±0.03	694694.67±17586.23	771.88±19.54

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