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

doi:10.11686/cyxb2024215

Abstract

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

Peng JIANG, Lei LI, Hao-jun XIE, De-jia XU, Rui WANG, Qiang HU, Quan SUN. Effect of purified biogas slurry drip irrigation on sandy loam soil quality， silage maize productivity and analysis of safe application rate[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2025, 34(4): 64-81.

Figures/Tables 21

References 58

1	Kumar S， Malav L C， Malav M K， et al. Biogas slurry： Source of nutrients for eco-friendly agriculture. International Journal of Extensive Research， 2015， 2（2）： 42-46.
2	You L， Yu S Q， Liu H Y， et al. Effects of biogas slurry fertilization on fruit economic traits and soil nutrients of Camellia oleifera Abel. PLoS One， 2019， 14（5）： 0208289.
3	Abdul N， Khan F H， Mahmood R， et al. Comparative study of biogas slurry with farmyard manure as fertilizer on maize crop. Science International， 2010， 22（4）： 297-301.
4	Li C L， Wang Q， Shao S Z， et al. Stable isotope effects of biogas slurry applied as an organic fertilizer to rice， straw， and soil. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2021， 69（29）： 8090-8097.
5	Zheng L. Effects of biogas slurry irrigation on soil structure stability of salinized fluvo-aquic soil in the Huang-Huai-Hai Plain. Beijing： Chinese Academy of Agricultural Sciences， 2020.
	郑莉. 沼液施用对黄淮海平原盐化潮土土壤结构稳定性的影响. 北京：中国农业科学院， 2020.
6	Qi Y C， Wang Y Q， Liu J， et al. Comparative study on composition of soil aggregates with different land use patterns and several kinds of soil aggregate stability index. Transactions of the CSAE， 2011， 27（1）： 340-347.
	祁迎春，王益权，刘军，等. 不同土地利用方式土壤团聚体组成及几种团聚体稳定性指标的比较. 农业工程学报， 2011， 27（1）： 340-347.
7	Madari B， Machado P， Torres E， et al. No tillage and crop rotation effects on soil aggregation and organic carbon in a Rhodic Ferralsol from southern Brazil. Soil & Tillage Research， 2005， 80（1/2）： 185-200.
8	Desosal L L， Glanville H C， Marshall M R， et al. Stoichiometric constraints on the microbial processing of carbon with soil depth along a riparian hillslope. Biology and Fertility of Soils， 2018， 54： 949-963.
9	Chen S L， Yu W W， Zhang Z， et al. Soil properties and enzyme activities as affected by biogas slurry irrigation in the Three Gorges Reservoir areas of China. Journal of Environment Biology， 2015， 36（2）： 513-520.
10	Walsh J J， Jones D L， Gareth E J， et al. Replacing inorganic fertilizer with anaerobic digestate may maintain agricultural productivity at less environmental cost. Journal of Plant Nutrition and Soil Science， 2012， 175（6）： 840-845.
11	Tang C L， Jin Z W， Yao G W， et al. Effects of combined application of biochar and biogas slurry on regulating nitrogen cycle function genes and promoting nitrogen efficiency. Environmental Chemistry， 2023， 42（8）： 2843-2852.
	唐存柳，靳泽文，姚光伟，等. 生物质炭-沼液联合施用对调控氮循环功能基因促进氮素增效的影响. 环境化学， 2023， 42（8）： 2843-2852.
12	Zheng J， Li X Y， Ma J， et al. Effect of biogas slurry combined with straw biochar on soil organic matter and total nitrogen content. Journal of Agro-Environment Science， 2020， 39（5）： 1111-1121.
	郑健，李欣怡，马静，等. 秸秆生物炭配施沼液对土壤有机质和全氮含量的影响. 农业环境科学学报， 2020， 39（5）： 1111-1121.
13	Cai M， Yu X B， Zhou W W， et al. Effect of slurry on soil quality. Journal of Tropical Biology， 2014， 5（1）： 52-56.
	蔡茂，余雪标，周卫卫，等. 沼液排放对土壤质量的影响.热带生物学报， 2014， 5（1）： 52-56.
14	Zhao Q Z， Yang Z M， Kong F J， et al. Effect of biogas slurry return to field on heavy metal accumulation in soil-crop system： A meta-analysis. Environmental Science， 2023， 44（7）： 4091-4099.
	赵奇志，杨志敏，孔凡靖，等. 沼液还田对土壤-作物系统重金属累积的影响： Meta分析. 环境科学， 2023， 44（7）： 4091-4099.
15	Wan H W. Effects of biogas slurry on corn and wheat physiological characteristics， soil nutrients and yield. Yangling： Northwest A&F University， 2016.
	万海文. 沼液对土壤养分和玉米、小麦生理特性及产量的影响. 杨凌：西北农林科技大学， 2016.
16	Liu Q P. Effect of siogas slurry on soil fertility， heavy metal content and corn yields in black soil. Harbin： Northeast Agricultural University， 2020.
	刘庆平. 沼液农用对黑土土壤肥力、重金属含量和玉米产量的影响. 哈尔滨：东北农业大学， 2020.
17	Cao Y F. Effects of biogas slurry application on annual silage crops yield， quality and soil nutrients. Yangzhou： Yangzhou University， 2022.
	曹易繁. 沼液施用对周年青贮作物产量、品质和土壤养分的影响. 扬州：扬州大学， 2022.
18	Li X T. Soil environmental quality risk control standard for soil contamination of agricultural land， GB 15618-2018. Beijing： Ministry of Ecology and Environment of the People’s Republic of China， State Administration for Market Regulation， 2018.
	李晓弢. 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准， GB 15618-2018. 北京：中华人民共和国生态环境部，国家市场监督管理总局， 2018.
19	Xiong W， Sun X F， Li J M， et al. Biogas slurry for agricultural use， GB/T 40750-2021. Beijing： State Administration for Market Regulation， Standardization Administration， 2021.
	熊伟，孙宪法，李景明，等. 农用沼液， GB/T 40750-2021. 北京：国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会， 2021.
20	Bao S D. Soil agrochemical analysis. Beijing： China Agriculture Press， 2000.
	鲍士旦. 土壤农化分析. 北京：中国农业出版社， 2000.
21	Fan L Q， Yang J G， Xu X， et al. Salinity characteristics of soil and correlation of saline-alkali soil in Ningxia irrigation district. Chinese Agricultural Science Bulletin， 2012， 28（35）： 221-225.
	樊丽琴，杨建国，许兴，等. 宁夏引黄灌区盐碱地土壤盐分特征及相关性.中国农学通报， 2012， 28（35）： 221-225.
22	Li H S. Plant physiological and biochemical experiment principle and technology. Beijing： Higher Education Press， 2001.
	李合生. 植物生理生化实验原理和技术. 北京：高等教育出版社， 2001.
23	Lu R K. Soil agrochemical analysis method. Beijing： China Agricultural Science and Technology Press， 2002.
	鲁如坤. 土壤农业化学分析方法. 北京：中国农业科技出版社， 2002.
24	Chen Q Y， Liu Z J， Zhou J B， et al. Long-term straw mulching with nitrogen fertilization increases nutrient and microbial determinants of soil quality in a maize-wheat rotation on China’s Loess Plateau. Science of the Total Environment， 2021， 775： 145930.
25	Liu B Y， Wang Y P， Yao Z F， et al. Risk assessment and safe consumption analysis of heavy metals under different planting patterns of biogas slurry. Ecology and Environmental Sciences， 2023， 32（8）： 1507-1515.
	刘炳妤，王一佩，姚作芳，等. 沼液还田下不同种植模式的重金属风险评价及安全消纳量分析. 生态环境学报， 2023， 32（8）： 1507-1515.
26	Xu Z Q， Ni S J， Tuo X G， et al. Calculation of heavy metals’ toxicity coefficient in the evaluation of potential ecological risk index. Environmental Science &Technology， 2008， 31（2）： 112-115.
	徐争启，倪师军，庹先国，等. 潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算. 环境科学与技术， 2008， 31（2）： 112-115.
27	Sha Y S， Wang L W， Wu Y B， et al. Hygienical standard for feeds， GB 13078-2017. Beijing： General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China， Standardization administration， 2017.
	沙玉圣，王黎文，武玉波，等. 饲料卫生标准， GB 13078-2017. 北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会， 2017.
28	Guhra T， Stolze K， Totsche K U. Pathways of biogenically excreted organic matter into soil aggregates. Soil Biology and Biochemistry， 2022， 164： 108483.
29	Liao H， Hao X L， Zhang Y C， et al. Soil aggregate modulates microbial ecological adaptations and community assemblies in agricultural soils. Soil Biology and Biochemistry， 2022， 172： 108769.
30	Tang X， Qiu J C， Xu Y Q， et al. Responses of soil aggregate stability to organic C and total N as controlled by land-use type in a region of south China affected by sheet erosion. Catena， 2022， 218： 106543.
31	Zhu R W. Effects of biogas slurry and biochar on soil aggregate organic carbon and microbial community diversity. Nanjing： Nanjing Forestry University， 2019.
	朱荣玮. 施用沼液和生物炭对土壤团聚体有机碳及其微生物多样性的影响. 南京：南京林业大学， 2019.
32	Wang W， Tang J， Yin J Z， et al. Aggregates and associated organic carbon in lime concretion black soil in response to combined full-rate straw incorporation and biogas slurry application.Soil， 2023， 55（1）： 53-61.
	王威，唐蛟，殷金忠，等. 秸秆全量还田配施沼液对砂姜黑土水稳性团聚体及结合有机碳的影响.土壤， 2023， 55（1）： 53-61.
33	Tang J， Wang W， Pan F F， et al. The effects of biogas slurry irrigation on aggregation and stability of fluvo-aquic soil in Huang-Huai-Hai plain. Journal of Irrigation and Drainage， 2022， 41（2）： 10-17.
	唐蛟，王威，潘飞飞，等. 沼液灌施对潮土土壤团聚体组成及稳定性的影响. 灌溉排水学报， 2022， 41（2）： 10-17.
34	Chen H， Lou M H， Xu X， et al. Effects of digested dairy slurry application on soil aggregates and their organic carbon composition in wheat and maize rotation system. Journal of Nanjing University of Information Science & Technology （ Natural Science Edition）， 2022， 14（1）： 50-61.
	陈皓，娄梦函，徐轩，等. 奶牛粪沼液对小麦-玉米轮作土壤团聚体有机碳组分的影响.南京信息工程大学学报（自然科学版）， 2022， 14（1）： 50-61.
35	Liao H， Hao X， Li Y T， et al. Protists regulate microbially mediated organic carbon turnover in soil aggregates. Global Change Biology， 2024， 30（1）： 17102.
36	Li G R， Yu C Y， Shen P F， et al. Crop diversification promotes soil aggregation and carbon accumulation in global agroecosystems： A meta-analysis. Journal of Environmental Management， 2024， 350： 119661.
37	Yang J H， Liu M Y， Zhang J， et al. Spatial variability of soil nutrients and its affecting factors at small watershed in gully region of the Loess Plateau. Journal of Natural Resources， 2020， 35（3）： 743-754.
	杨静涵，刘梦云，张杰，等. 黄土高原沟壑区小流域土壤养分空间变异特征及其影响因素. 自然资源学报， 2020， 35（3）： 743-754.
38	Xu M， Xian Y， Wu J， et al. Effect of biogas slurry addition on soil properties， yields， and bacterial composition in the rice-rape rotation ecosystem over 3 years. Journal of Soils and Sediments， 2019， 19（5）： 2534-2542.
39	Amlinger F， GÖTZ B， Dreher P， et al. Nitrogen in biowaste and yard waste compost： Dynamics of mobilisation and availability： A review. European Journal of Soil Biology， 2003， 39（3）： 107-116.
40	Luo W. Effects of biogas slurry on potato yield， quality and soil environmental quality.Ya’an： Sichuan Agricultural University， 2020.
	罗伟. 沼液对马铃薯产量、品质及土壤环境质量的影响研究. 雅安：四川农业大学， 2020.
41	Li X Y. Effect of the location-based application of biogas slurry for three consecutive years on rice production and soil environmental quality.Ya’an： Sichuan Agricultural University， 2013.
	李小宇. 连续三年定位施用沼液对水稻生产及土壤环境质量的影响研究. 雅安：四川农业大学， 2013.
42	Li N， Xi H， Zhou Y， et al. Effect of water-salt regulation of drip irrigation using digested effluent of food waste on soil environment and broccoli yield. Water Saving Irrigation， 2024（5）： 10-17.
	李娜，奚辉，周扬，等. 餐厨沼液滴灌水盐调控对土壤环境和西兰花产量的影响.节水灌溉， 2024（5）： 10-17.
43	Li L， Wang J， Zhu Z M， et al. Effects of nitrogen fertilizer reduction combined with organic fertilizer/straw application on soil fertility index and maize yield in saline-alkali soil.Soil Bulletin， 2020， 51（4）： 928-935.
	李磊，王晶，朱志明，等. 氮肥减施与有机肥/秸秆配施对盐碱地土壤肥力指标及玉米产量的影响.土壤通报， 2020， 51（4）： 928-935.
44	Yang X， Zhu Y M， Xu Y J， et al. Simulated warming and low O₂ promote N₂O and N₂ emissions in subtropical montane forest soil. Journal of Soils and Sediments， 2022， 22（10）： 2706-2719.
45	Chen S Y， Li Q， Kong F J， et al. Integrated analysis of effects of livestock and poultry manure biogas slurry returning to fields on soil NO^3--N accumulation. China Environmental Science， 2023， 43（S1）：179-185.
	陈思扬，李晴，孔凡靖，等. 沼液还田对土壤NO₃-N累积影响的整合分析. 中国环境科学， 2023， 43（S1）： 179-185.
46	Zeng W S， Qiu J R， Wang D H， et al. Ultrafiltration concentrated biogas slurry can reduce the organic pollution of groundwater in fertigation. Science of the Total Environment， 2022， 810： 151294.
47	Pettit N M， Smith A R J， Freedman R B， et al. Soil urease： Activity， stability and kinetic properties. Soil Biology and Biochemistry， 1976， 8（6）： 479-484.
48	Dick W A， Cheng L， Wang P. Soil acid and alkaline phosphatase activity as pH adjustment indicators. Soil Biology and Biochemistry， 2000， 32（13）： 1915-1919.
49	Du Y N. Effects of biogas slurry and biochar applications on soil nitrogen and phosphorus in the poplar plantation in a costal area，China. Nanjing： Nanjing Forestry University， 2018.
	杜妍宁. 施用沼液和生物炭对杨树人工林土壤氮、磷的影响. 南京：南京林业大学， 2018.
50	Huang Q Y， Yan H B， Liu Y H， et al. Effects of microalgae-bacteria inoculation ratio on biogas slurry treatment and microorganism interactions in the symbiosis system. Journal of Cleaner Production， 2022， 362： 132271.
51	Peng J Y， Zhang S A， Han Y Y， et al. Soil heavy metal pollution of industrial legacies in China and health risk assessment. Science of the Total Environment， 2022， 816： 151632.
52	Lai X， Wu J， Wang J W， et al. The long-term effects of biogas slurry on soil properties and potential risks of heavy metals in soils. Journal of Soil and Water Conservation， 2018， 32（6）： 359-364， 370.
	赖星，伍钧，王静雯，等. 连续施用沼液对土壤性质的影响及重金属污染风险评价. 水土保持学报， 2018， 32（6）： 359-364， 370.
53	Chen Z M， Wang Q， Ma J W， et al. Fungal community composition change and heavy metal accumulation in response to the long-term application of an aerobically digested slurry in a paddy soil. Ecotoxicology and Environmental Safety， 2020， 196： 110453.
54	Bian B， Wu H S， Zhou L J. Contamination and risk assessment of heavy metals in soils irrigated with biogas slurry： a case study of Taihu basin. Environmental Monitoring and Assessment， 2015， 187（4）： 1-15.
55	Jiang S J. Analysis of the effect of biogas slurry on rice yield and quality. Sichuan Agricultural Science and Technology， 2018（11）： 16-19.
	蒋胜军. 沼液对水稻产量和品质的影响分析. 四川农业科技， 2018（11）： 16-19.
56	Xu Z M， Wang Z， Gao Q， et al. Influence of irrigation with microalgae-treated biogas slurry on agronomic trait， nutritional quality， oxidation resistance， and nitrate and heavy metal residues in Chinese cabbage. Journal of Environmental Management， 2019， 244： 453-461.
57	Ghimire K， Gautam D M， Mishra K， et al. Influence of biogas slurry and urea on yield and quality of okra （Abelmoschus esculentus L.） fruits. Journal of Agriculture and Environment， 2015， 16： 161-169.
58	Hartemink A E， Barrow N J. Soil pH-nutrient relationships： The diagram. Plant and Soil， 2023， 486（1）： 209-215.

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