畜禽粪便处理下矿山生态型水蓼磷积累及去除能力研究

李玉洁，沈启维，张澳，刘丹，叶代桦*，李廷轩

（1. 四川农业大学资源学院，四川 成都 611130；2. 自贡市自流井区环保局，四川 自贡 643000）

规模化养殖业迅猛发展导致大量畜禽粪便产生，且以猪粪、鸡粪、牛粪和羊粪为主［1-2］。畜禽粪便中含有丰富的磷素资源，2016 年我国家禽粪、猪粪和牛粪中全磷产生量分别为188 万、93 万和89 万t［3］。我国畜禽粪便主要用于有机肥还田，但其磷氮比值较植物可吸收利用值高，导致农田土壤磷累积现象突出［4-5］。过量施用畜禽粪便，尤其是含磷较高的猪粪和鸡粪，是导致土壤磷素流失进入水环境，造成水体富营养化的主要原因［6-7］。因此，减少畜禽粪便施用土壤中的磷以降低环境污染风险意义重大。

生物量大、适应性强的磷富集植物已用于提取畜禽粪便污染土壤中过量的磷［8-9］。研究发现，不同种类植物在畜禽粪便处理下的生长及磷积累能力存在较大差异［10-12］。在鸡粪用量为50 g·kg-1时，多花黑麦草（Lolium multiflorum）磷积累量最大［12］。当猪粪用量超过50 g·kg-1时，蚕茧蓼（Polygonum japonicum）地上部磷积累量显著降低［8］。矿山生态型粗齿冷水花（Pilea sinofasciata）分别在25 g·kg-1猪粪、50 g·kg-1鸡粪用量时磷积累能力最强［9，13］。但相关研究结果未揭示磷富集植物磷积累能力对不同种类和用量畜禽粪便的响应规律，难以实现磷富集植物在畜禽粪便污染土壤上的修复应用。此外，植物磷吸收积累能力受生长时期的影响，在植株磷积累能力最强时期收获能最大限度去除土壤中的过量磷，提高植物修复效率［14-15］。可见，明晰磷富集植物的最佳收获时期是植物提取畜禽粪便污染土壤过量磷的关键。因此，磷富集植物对不同种类及用量畜禽粪便处理土壤的磷积累响应特征，及其在适宜用量畜禽粪便下的阶段性磷积累与磷去除能力变化值得探讨。

矿山生态型水蓼（Polygonum hydropiper）具有地上部生物量大、磷积累能力强和环境适应性强等特点，是一种水陆两生的磷富集植物。前期研究发现，矿山生态型水蓼在高磷环境下具有较强的磷富集能力，其对畜禽废水的磷提取能力强［16-17］。但不同种类和用量畜禽粪便处理的土壤环境下，矿山生态型水蓼的生长响应及磷积累与磷去除能力还不清楚。因此，本研究以矿山生态型水蓼为研究对象，设置两期土培试验，研究不同用量鸡粪、猪粪和牛粪处理下矿山生态型水蓼磷积累能力，并探讨适宜用量畜禽粪便处理下矿山生态型水蓼不同生长期的磷积累特征和磷提取能力，为利用其提取畜禽粪便污染土壤中过剩的磷提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试植物 矿山生态型水蓼种子采自四川省什邡金河磷矿区（104°01′E，31°25′N）。种子经10%H2O2消毒后洗净，播种于装有蛭石的育苗盘中。于两叶一心期浇灌1/2 改良Hoagland 营养液至株高约10 cm，选择长势一致的幼苗移栽。

1.1.2 供试土壤 不同用量畜禽粪便对矿山生态型水蓼磷积累能力的影响试验：灰潮土，采自四川省都江堰市蒲阳镇双柏村，其基本理化性质为：pH 6.78、有机质18.60 g·kg-1、全氮0.73 g·kg-1、全磷0.61 g·kg-1、碱解氮32.20 mg·kg-1、有效磷19.70 mg·kg-1、速效钾31.90 mg·kg-1。

适宜用量畜禽粪便下矿山生态型水蓼磷积累特征变化试验：灰潮土，采自四川省都江堰市蒲阳镇双柏村，其基本理化性质为：pH 6.80、有机质11.72 g·kg-1、全氮0.55 g·kg-1、全磷0.99 g·kg-1、碱解氮34.00 mg·kg-1、有效磷7.60 mg·kg-1、速效钾16.70 mg·kg-1。

1.1.3 供试畜禽粪便 猪粪、鸡粪、牛粪，均采自四川省都江堰市规模化养殖场，经腐熟、风干、过筛后备用，其基本理化性质见表1。

表1 供试畜禽粪便基本理化性质Table 1 Basic physico-chemical properties of the tested manures

1.2 试验设计与处理

1.2.1 不同用量畜禽粪便对矿山生态型水蓼磷积累能力的影响 设置鸡粪（poultry manure，PM）、猪粪（swine manure，SM）、牛粪（dairy manure，DM）处理，用量分别为25、50、75、100 g·kg-1，以不施畜禽粪便作为对照（CK），重复3 次，共39 盆，完全随机排列。采用土培盆栽（6 L），每盆装土6 kg，畜禽粪便加入土壤后充分混匀，陈化4 周后，移栽幼苗，每盆3 株。按70%田间最大持水量确定灌水量，采用自然光照，并进行常规管理。试验于2015 年6-9 月在四川农业大学教学科研院区有防雨设施的网室中进行。

1.2.2 适宜用量畜禽粪便下矿山生态型水蓼磷积累特征变化 根据不同用量畜禽粪便试验的结果，设置适宜用量畜禽粪便处理，鸡粪、猪粪和牛粪用量分别为75 g·kg-1（PM75）、100 g·kg-1（SM100）和100 g·kg-1（DM100），以不施畜禽粪便作为对照（CK），重复12 次，共48 盆，完全随机排列。采用土培盆栽（6 L），试验处理及管理同1.2.1。PM75、SM100和DM100加入土壤充分混匀，陈化4 周后，土壤有效磷含量分别为215.2、635.1 和232.9 mg·kg-1。试验于2016 年6-9 月在四川农业大学教学科研院区有防雨设施的网室中进行。

1.3 样品采集与制备

不同用量畜禽粪便试验于移栽后10 周采样，植株样品经自来水冲洗、蒸馏水润洗后擦干，分为地上部和地下部，于105 °C 杀青30 min，75 °C 烘干至恒重，测定干重（dry weight，DW）后粉碎过筛，用于磷含量测定。

适宜用量畜禽粪便试验分别于移栽后6、8、10、12 周采样，3 次重复，植株样品清洗处理同上。

1.4 测定项目及方法

采用常规分析方法［18］测定土壤和畜禽粪便理化性质；采用微波消解仪（CEM MARS5，美国）消解-全自动间断化学分析仪（AQ2，英国）［19］分析测定植物磷含量。并按照下列公式计算阶段性磷积累速率、磷提取率［20］和植株有效数［21］。

1.5 数据处理

采用SPSS 22.0 进行统计分析，LSD 法进行多重比较；采用Origin 2018 和Excel 2016 进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 不同用量畜禽粪便对矿山生态型水蓼生物量的影响

除25 g·kg-1牛粪处理的地上部及75 和100 g·kg-1鸡粪处理的地下部外，不同用量的鸡粪、猪粪和牛粪处理均促进了矿山生态型水蓼生长，其地上部和地下部生物量显著高于对照（图1）。随着畜禽粪便用量的增加，除100 g·kg-1鸡粪处理外，地上部生物量显著增加，在75 g·kg-1鸡粪（PM75）、100 g·kg-1猪粪（SM100）和100 g·kg-1牛粪（DM100）处理下达到最大值，分别为45.53、50.54 和40.64 g·株-1。地下部生物量随鸡粪和猪粪用量的增大先增加后降低，均在50 g·kg-1时达到最大值，而随牛粪用量的增加而增大。

图1 不同用量畜禽粪便下矿山生态型水蓼地上部和地下部生物量Fig.1 Shoot and root biomass in the mining ecotype of P. hydropiper under different manure doses

2.2 不同用量畜禽粪便对矿山生态型水蓼磷积累量的影响

不同用量的鸡粪、猪粪和牛粪处理下，矿山生态型水蓼地上部和地下部磷积累量均显著高于对照（图2）。随着畜禽粪便用量的增加，地上部磷积累量显著增加，在PM75、SM100和DM100处理下达到最大值，分别为158.64、204.05 和128.92 mg·株-1。随着畜禽粪便用量的增加，地下部磷积累量在鸡粪处理下的变化不显著，在猪粪和牛粪用量≥50 g·kg-1时无显著变化。

图2 不同用量畜禽粪便下矿山生态型水蓼地上部和地下部磷积累量Fig.2 Shoot and root P accumulation in the mining ecotype of P. hydropiper under different manure doses

2.3 适宜用量畜禽粪便下矿山生态型水蓼生物量变化特征

随着生长时期延长，适宜用量畜禽粪便（PM75、SM100、DM100）下矿山生态型水蓼地上部和地下部生物量均显著增加（图3）。6 周时，DM100处理下地上部生物量显著高于其他处理，分别为PM75和SM100处理下的4.57 和5.48倍。而除10 周时的SM100处理外，6 周后PM75和SM100处理下地上部生物量高于牛粪处理，12 周时分别是DM100的1.30 和1.36 倍。随着生长期延长，地下部生物量在PM75和DM100处理下先显著增加，10 周后无显著变化；而在SM100处理下逐渐增加，12 周时达到最大。

图3 适宜用量畜禽粪便下矿山生态型水蓼地上部和地下部生物量变化Fig.3 Changes of shoot and root biomass in the mining ecotype of P. hydropiper under the optimum manure doses

2.4 适宜用量畜禽粪便下矿山生态型水蓼磷积累特征

2.4.1 磷积累量 随着生长时期延长，除SM100处理的地下部外，适宜用量畜禽粪便处理下矿山生态型水蓼地上部和地下部磷积累量均先增加后趋于稳定，显著高于对照（图4）。6 周时，DM100处理下地上部磷积累量显著高于其他处理，分别为PM75和SM100处理的3.73 和8.65 倍。6 周后，PM75和SM100处理下地上部磷积累量均迅速增加，在8 周时分别是DM100处理的1.19 和1.27 倍。地下部磷积累量则表现为6 周时，DM100处理下显著高于PM75和SM100处理，而6 周后，PM75和SM100处理下地下部磷积累量显著增加，且SM100处理下增加幅度最大。

图4 适宜用量畜禽粪便下矿山生态型水蓼地上部和地下部磷积累量变化Fig.4 Changes of shoot and root P accumulation in the mining ecotype of P. hydropiper under the optimum manure dose

2.4.2 阶段性磷积累速率 0～6 周时，DM100处理下地上部阶段性磷积累速率最大，是其他处理的3.78 倍以上。6～8 周时，适宜用量畜禽粪便处理下地上部阶段性磷积累速率均最大，表现为猪粪＞鸡粪＞牛粪，是其他阶段的1.78～147.33 倍，因此6～8 周是矿山生态型水蓼磷积累能力最强的时期。而8 周后，适宜用量畜禽粪便处理下地上部阶段性磷积累速率均明显降低，对照阶段性磷积累速率仅在8～10 周时有所降低，在10～12 周时达最大（表2）。

表2 适宜用量畜禽粪便下矿山生态型水蓼地上部阶段性磷积累速率变化Table 2 Changes of periodic P accumulation rate in shoot of the mining ecotype of P. hydropiper under the optimum manure dose（mg·plant-1·d-1）

2.5 适宜用量畜禽粪便下矿山生态型水蓼磷去除能力分析

磷提取率是评价植物从土壤中提取过量磷能力的重要参数。随着生长时期延长，矿山生态型水蓼磷提取率在适宜用量畜禽粪便处理下先迅速增加，8 周后无显著变化，而CK 下磷提取率逐渐增加，至12 周最大（表3）。6 周时，DM100处理下磷提取率最高，为其他处理的3.04～17.73 倍，而6 周后磷提取率则表现为PM75处理下最高，为其他处理的1.14～3.97 倍。

植株有效数为提取1000 mg 土壤磷所需要的植物数量。随着生长时期延长，适宜用量畜禽粪便处理下矿山生态型水蓼植株有效数先迅速降低，8 周后无显著变化，且远低于对照（表3）。6 周时，DM100处理下植株有效数仅为9 株，远低于PM75和SM100处理。6 周后则表现为适宜用量畜禽粪便处理下植株有效数为4～6，处理间无显著差异。

表3 适宜用量畜禽粪便下矿山生态型水蓼磷提取率和植株有效数变化Table 3 Changes of P extraction ratio and plant effective number of the mining ecotype of P. hydropiper under the optimum manure dose

3 讨论

3.1 畜禽粪便对矿山生态型水蓼生长和磷积累的影响

畜禽粪便中养分元素含量丰富，已逐渐成为维持土壤肥力的替代肥料，而过量施用会导致磷流失增加，造成潜在的环境污染风险［22］。磷富集植物被视为提取过量磷的绿色材料，已用于畜禽粪便过量施用土壤的治理，其生长和磷积累特性受畜禽粪便种类和用量的影响较大［12，23］。在鸡粪用量分别为10 和25 g·kg-1时，两种基因型多花黑麦草Gulf 和Marshall 生物量达到最大值［12］。当猪粪用量高于25 g·kg-1时，矿山生态型粗齿冷水花生物量无显著变化［13］。本研究中，矿山生态型水蓼地上部生物量随着畜禽粪便用量的增加逐渐增大，在75 g·kg-1鸡粪（PM75），100 g·kg-1猪粪（SM100）和100 g·kg-1牛粪（DM100）处理下最大，分别为45.53、50.54 和40.64 g·株-1，远高于畜禽粪便和高磷处理下的牧草［12，24-25］，表明矿山生态型水蓼对高浓度畜禽粪便具有较强的耐受能力，且其对猪粪和牛粪的耐受能力强于鸡粪。过量施用鸡粪导致大量病原微生物、抗生素和盐分离子进入土壤［26-27］，当施磷量一定时，施用氮过量会抑制植物生长［28］。鸡粪的氮磷比远高于猪粪和牛粪，可能直接导致本研究矿山生态型水蓼对鸡粪的耐性低于猪粪和牛粪，生物量在鸡粪为75 g·kg-1时便达到最大值。

植物地上部磷积累能力高于地下部，有利于收获地上部以去除土壤中的磷。在PM75、SM100和DM100处理下，矿山生态型水蓼地上部磷积累量最大，分别为158.64、204.05 和128.92 mg·株-1，远高于在高磷处理下的磷富集植物矿山生态型粗齿冷水花、澳洲狐尾草（Ptilotus polystachyus）、多花黑麦草Marshall 和Gulf 的地上部磷积累量［13，29-31］。因此，本研究中矿山生态型水蓼具有较强的磷积累能力，可用于提取畜禽粪便污染土壤中过剩的磷。不同种类畜禽粪便处理下，矿山生态型水蓼对磷的吸收积累能力也存在较大差异，其在猪粪、鸡粪处理下的磷积累量高于牛粪处理。猪粪和鸡粪中的全磷及有效磷含量均高于牛粪，能为植物提供更多可吸收利用的磷源［32-33］。猪粪、鸡粪等非反刍动物粪便含大量未被消化利用的植酸态磷［34］，难以被植物直接吸收利用。在高浓度无机磷、植酸磷环境下，矿山生态型水蓼根系具有较高的植酸酶分泌能力［17，19］，能促进植酸态有机磷矿化以释放无机磷，提高植物对畜禽粪便施用土壤中磷的富集能力。

3.2 畜禽粪便处理下矿山生态型水蓼阶段性磷积累及去除能力特征

植物的磷吸收积累在不同生长时期差异较大，以营养生长旺盛时期的阶段性磷积累速率最高，对植株磷积累的贡献最大［14-15］。黄花鸢尾（Iris pseudacorus）、梭鱼草（Scirpus validus）等植物在各生长时期对磷的吸收速率不同，其阶段性磷积累量随生长时期延长先增加后降低［35］。磷富集植物矿山生态型粗齿冷水花地上部阶段性磷积累速率随生长期延长先升高后降低，在9～11 周达最高［23］。本研究中，3 种畜禽粪便适宜用量下，矿山生态型水蓼的磷积累速率均在6～8 周时最大，远高于其他生长时期，因此6～8 周是适宜用量畜禽粪便处理下矿山生态型水蓼磷积累最强的生长时期。与高浓度无机磷处理下矿山生态型水蓼磷积累能力最强时期8～12 周并不一致［36］。可见，同一植株在不同磷源处理下其阶段性磷积累速率也可能差异较大。另外，0～6 周时，DM100处理下矿山生态型水蓼的阶段性磷积累速率高于SM100和PM75处理，6 周SM100和PM75处理下阶段性磷积累速率迅速增加，这可能与不同畜禽粪便中养分含量高低有关。本研究中畜禽粪便用量较高，植株苗期更适宜在养分尤其是有机质和全磷含量相对较低的牛粪中生长，而随着矿山生态型水蓼的生长其对高浓度养分的耐受能力也逐渐增强。

适宜收获期的选择直接影响磷富集植物的修复效率。在生长旺期收割白洋淀穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum）对水体磷的去除效果优于成熟期［37］。大狼把草（Bidens frondosa）在营养生长期对猪场废水中全磷的去除率贡献可达11%，而在生长后期对磷的去除率有所下降［38］。植物在营养生长阶段吸收积累磷，在生殖生长阶段侧重于体内磷素的再利用［39-40］。因此，在生殖生长阶段前收获植物有助于提高其修复效率。在3 种畜禽粪便处理下，8～12 周的矿山生态型水蓼生物量虽继续增加，但8 周后其磷积累量变化不显著，表明适宜用量畜禽粪便处理下矿山生态型水蓼生长中后期主要是对其体内磷素的再分配和利用。因此，就单位时间的植物修复效率而言，8 周时收获适宜用量畜禽粪便处理下的矿山生态型水蓼，可最大限度地提高其修复效率。与高浓度无机磷处理下的最佳收获期12 周相比［36］，矿山生态型水蓼能快速、高效地去除畜禽粪便土壤中过量的磷。

地上部磷提取率和植株有效数是评价植物去除能力的重要指标［21］。本研究中，在适宜用量畜禽粪便处理8周后，矿山生态型水蓼的地上部磷提取率可达5.84%～19.36%，相较于高磷土壤中紫花苜蓿（Medicago sativa）的3%磷提取率而言［41］，有较强的磷富集去除优势。SM100处理下的磷提取率较PM75和DM100处理低1.82%～12.31%，其原因可能在于本研究猪粪中全磷和有效磷含量明显高于鸡粪和牛粪，施入土壤后土壤有效磷含量最高。此外，适宜用量畜禽粪便处理8 周后矿山生态型水蓼植株有效数为4～6 株，相比修复植物如水浮莲（Pistia stratiotes）、粉绿狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）及柳枝稷（Panicum virgatum）的植株有效数均大于25 株而言［42-43］，矿山生态型水蓼表现出更强的磷去除能力。

4 结论

随着畜禽粪便用量的增加，矿山生态型水蓼地上部生物量和磷积累量均在75 g·kg-1鸡粪、100 g·kg-1猪粪、100 g·kg-1牛粪用量下达到最大，地上部磷积累量分别达158.64、204.05 和128.92 mg·株-1。猪粪、鸡粪施用土壤中磷的富集能力强于牛粪施用土壤，可用于提取畜禽粪便施用土壤中的磷以降低过量磷对环境的威胁。