畜牧兽医学报  2020, Vol. 51 Issue (5): 1049-1059. DOI: 10.11843/j.issn.0366-6964.2020.05.016    PDF    
基于玉米种植的生长育肥猪粪污农田承载力
杜坤, 焦洪超, 王晓鹃, 赵景鹏, 林海     
山东农业大学动物科技学院, 山东省动物生物工程与疾病防治重点实验室, 泰安 271000
摘要:本研究旨在以生长育肥猪和玉米种植农田为模型,准确评定生长育肥猪粪肥养分的产生量和不同施肥量下玉米的生物产量及养分需求量,以此为基础建立基于粪肥还田利用的玉米种植农田粪肥承载系数。试验选取8头13周龄胎次和体重((33.2±3.5)kg)相近的"杜×长×大"生长育肥猪进行饲养试验,分别于16和25周龄各进行一次消化试验,测定其粪、尿产量及粪肥氮、磷产生量。玉米种植试验设6个处理组,对照组施用化肥,负对照组不施肥,4个试验组分别按玉米种植全期氮标准需要量的100%、130%、160%和磷标准需要量的100%施用猪粪有机肥,分别在乳熟后期和完熟期测定玉米种植的氮、磷需求量,与猪粪肥氮、磷产生量拟合,测算粪肥农田承载系数。结果表明,按130%氮需求量施用猪粪有机肥,一季玉米种植乳熟后期和完熟期收获,对氮、磷的需求量分别为122.1、53.0 kg·hm-2和190.2、62.8 kg·hm-2,按130%氮施肥量下乳熟后期和完熟期收获的玉米农田承载系数,以N为基础为61.1头·hm-2和95.2头·hm-2,以P为基础为90.5头·hm-2和107.3头·hm-2,而且施用猪粪有机肥还可增加玉米生物产量,一定程度上增加玉米中氮、磷含量。因此,分别基于玉米对氮和磷的需求,单季玉米种植每公顷土地生长育肥猪的承载参数分别为95.2头和107.3头。
关键词生长育肥猪    粪污    还田    玉米种植    承载参数    
The Stock Capacity in the Manure of Growing-finishing Pigs Based on Corn Planting
DU Kun, JIAO Hongchao, WANG Xiaojuan, ZHAO Jingpeng, LIN Hai     
Shandong Provincial Key Laboratory of Animal Biotechnology and Disease Control and Prevention, College of Animal Science and Technology, Shandong Agricultural University, Tai'an 271000, China
Abstract: The purpose of this study was to accurately evaluate the nutrient production of manure and the biological yield of corn under different fertilizer application rates based on the model of growing-finishing pigs and corn planting farmland, and to establish the manure carrying coefficient of corn planting farmland based on the use of manure. Eight 13-week-old Duroc×Landrace×Yorkshire growing-finishing pigs with similar parity and body weight ((33.2±3.5) kg) were used in the experiment. Digestion trials were conducted at 16 and 25 weeks old, respectively. The excretion of feces and urine and the production of nitrogen and phosphorus were measured. In the corn planting experiment, 6 treatment groups were set up in the experimental field with normal production level. The control group was treated with chemical fertilizer, the negative control group treated with no fertilizer, the 4 experimental groups were treated with pig manure according to 100%, 130%, 160% of standard nitrogen requirement and 100% of standard phosphorus requirement of corn planting, respectively. The biomass production and nitrogen and phosphorus contents of corn plants were measured at the late milk-ripe stage and the full-ripe stage, respectively. The demand for nitrogen and phosphorus in corn planting were calculated and fitted with the production of nitrogen and phosphorus in manure of growing-finishing pigs, and the manure carrying parameter of growing-finishing pigs based on corn planting was calculated. According to the application rate of pig manure organic fertilizer in 130% nitrogen demand, if the corn was harvested at the late milk-ripe stage, the requirements of nitrogen and phosphorus for corn planting in one season were 122.1 and 53.0 kg·hm-2, respectively. If the corn was harvested at the full-ripe stage, the requirements of nitrogen and phosphorus for corn planting in one season were 190.2 and 62.8 kg·hm-2, respectively. The field stock capacity was calculated based on the application rate of pig manure in 130% nitrogen demand. And the manure carrying parameter of growing-finishing pigs was 61.1 and 95.2 pigs·hm-2 based on nitrogen and 90.5 and 107.3 pigs·hm-2 on the basis of phosphorus, which the corn were harvested at the late milk-ripe stage and full-ripe stage, respectively. The application of pig manure could also increase the biomass yield of corn, thus enhancing the amount of nitrogen and phosphorus. The results showed that the manure carrying parameters of growing-finishing pigs were 95.2 pigs·hm-2 and 107.3 pigs·hm-2 based on the nitrogen and phosphorus requirement of corn respectively.
Key words: growing-finishing pigs    manure    returning manure to the field    corn planting    stock capacity    

规模化畜牧业的快速发展,为保障肉蛋奶供给做出了重大贡献。然而,畜禽规模化养殖过程产生了大量畜禽粪便、污水,对周边环境构成了巨大的环保压力。畜禽粪污已成为农业面源污染的主要原因和国内外社会关注的焦点。全球范围内,畜牧业每年产生的畜禽粪污超过550亿吨,但是无论是发达国家还是发展中国家,在畜禽粪污的储存、处理、运输及利用等环节都普遍存在不完善的问题[1]。我国第一次全国农业污染源普查结果显示,畜禽养殖业粪便年产生量达2.43亿吨,尿液年产生量达1.63亿吨,养殖业化学耗氧量(COD)的排放量达1 268万吨,占农业源总排放量的96%,是同期工业源排放量的3.23倍、生活源排放量的1.18倍[2]。畜禽粪污已成为农业面源污染的主要来源。

为了控制畜禽养殖污染,粪污还田利用和其他工业处理方法在生产中被广泛地应用[3],但是受限于设备、处理、维持成本等因素,还田利用通常是首选的方式,在发展中国家更是如此[4]。美国、丹麦、荷兰等畜牧业发达国家在畜禽粪污的处理和利用上采取的主要方式是农牧结合,对畜禽养殖的密度做出规定,并由此确定了单位土地面积上可容纳的畜禽粪便量或粪便养分量[5-6]。种养结合是我国农业综合经营的主要方式之一,土地适度和适当的粪肥施用能够有效改善土壤质量和作物生长性能,同时也有利于降低化肥施用的不利影响[7]。合理利用有机肥资源,有机肥替代化肥或部分化肥,是实现中国到2020年化肥零增长目标的重要途径[8]。测算畜禽养殖粪肥的产生量和单位土地面积粪肥养分的承载量在种养结合的过程中尤为重要[3]。畜禽土地承载力是指一定的耕地区域范围内,从农业生态环境系统中养分保持平衡的角度出发,区域所能持续支撑畜禽养殖的最大数量,或者畜禽产生的粪肥或粪肥养分量。土地粪肥承载量过高会导致土壤中养分和元素的蓄积,影响土壤质量,并通过淋洗造成水污染等问题[9-10]。本研究的目的在于以生长育肥猪和玉米种植农田为模型,准确评定生长育肥猪生产过程中粪肥的产生量和不同施肥量下玉米种植的养分需求量,建立基于粪肥还田利用的玉米种植农田生长育肥猪粪肥承载参数,为种养结合和畜牧业可持续发展提供科学依据和数据支撑。

1 材料与方法 1.1 试验材料

试验用猪为13周龄“杜×长×大”三元猪,体况良好,胎次相近,体重(33.2±3.5) kg。玉米种植用有机肥为猪粪经好氧堆肥后的自制有机肥(表 1),化肥为尿素(氮含量46%,江苏恒盛化肥有限公司)、磷酸二胺(磷含量以P2O5计46%,氮含量18%,安徽六国化工股份有限公司)、氯化钾(钾含量以K2O计60%,中化化肥有限公司),所用玉米为先锋登海605。

表 1 试验用有机肥主要基础参数 Table 1 Main basic parameters of organic fertilizer for experiment
1.2 试验设计

试验1:13周龄“杜×长×大”三元猪8头,单栏饲喂,每头为1个重复,按NRC(2012)标准分别配制生长前期(13~19周龄)和生长后期(20~27周龄)全价日粮,日粮组成和营养水平见表 2。试验期间,按正常生产程序进行饲喂,分别于试验猪第16和25周龄进行一次消化试验,预试期4 d,正试期3 d,正试期内每天准确记录24 h内每头试验猪采食量和排粪、尿量,分别取粪便、尿液样品,粪样每100 g取样10 g、尿样每100 mL取样10 mL加入10%盐酸,-20 ℃保存,待测。

表 2 试验日粮组成及营养水平 Table 2 Composition and nutrient level of the experimental diet 

试验2:玉米种植试验在山东省菏泽市定陶区进行,试验田为潮土类中壤土,多年采用“小麦-玉米”轮作模式种植,试验前实测耕作层氮、磷含量分别为0.18%和0.35%。试验设6个处理组,每个处理400 m2,负对照组(CK)不施肥,对照组(CF)施入化肥,4个试验组分别按玉米种植全期氮需要量的100%(100N)、130%(130N)、160%(160N)和磷需要量的100%(100P)施入猪粪有机肥,CF与4个试验组氮、磷(P2O5)、钾(K2O)施用量分别为300、120和240 kg·hm-2。各试验组均以对照组为标准补充钾肥到同一水平。玉米种植密度为67 500株·hm-2,种肥同播,正常田间管理。每个处理组分为2个小区,每个小区3个重复,分别在玉米乳熟后期和完熟期采集玉米全株,分籽粒、茎秆、穗轴,分别测定玉米生物产量,取样,烘干,测定干物质产量,留样保存,待测;试验开始前及试验第50和100天取耕作层土壤样品、混匀、风干,留样保存,待测。

1.3 测定指标与方法

粪便、尿液和玉米氮含量以凯氏定氮法、磷含量以钼黄比色法进行测定[11],猪粪有机肥及土壤中全氮以凯氏定氮法、全磷以NaOH熔融钼锑抗比色法、钾以NaOH熔融火焰光度法、碱解氮以碱解扩散法、速效磷以Olsen法进行测定[12]。生长育肥猪氮(N)、磷(P)产生量按生长前期和后期猪粪、尿的排泄量(g·d-1;kg·d-1)和粪、尿中N、P的含量(%;mg·kg-1)分别计算其日排泄系数(g·d-1),根据各阶段的饲养天数(d)计算整个生长阶段N、P的排泄量(kg);玉米种植N、P需求量分别按乳熟后期和完熟期收获玉米籽粒、穗轴、秸秆的干物质产量(×103 kg·hm-2)及其N、P的含量(%)计算,其中秸秆N、P含量按上、中、下部的平均值计算;玉米种植土地生长育肥猪承载量分别以N、P为基础,按“单位面积玉米种植N、P需求量(kg·hm-2)/生长育肥猪N、P产生量(kg·unit-1)”计算。

1.4 数据分析

试验结果用“平均值±标准误(x±SE)”表示,SAS(Version 8e, SAS Institute, 1998)软件进行统计,采用单因素方差分析(One-way ANOVA),以Duncan’s法进行多重比较,以P < 0.05为差异显著。

2 结果 2.1 生长育肥猪氮、磷排泄量测算

测算结果表明(表 3),以粪便和尿液中N和P的含量为基础,生长育肥猪两个阶段的N、P的排泄系数分别为17.30、22.80 g·d-1和4.28、6.81 g·d-1

表 3 不同阶段生长育肥猪N、P排泄系数 Table 3 The excretion coefficients of N and P in different stages of growing-finishing pigs

根据测算得到的生长育肥猪N、P排泄系数,计算得到生长育肥猪N、P的排泄总量,即本试验中猪生长育肥阶段(13~27周龄)生产全期总的N、P排泄量分别为2.12和0.59 kg(表 4)。

表 4 生长育肥猪N、P排泄量 Table 4 The excretion of N and P in growing-finishing pigs
2.2 玉米种植N、P需求量测算 2.2.1 不同施肥量玉米生物产量

乳熟后期收获玉米的生物产量测算结果表明(表 5),与未施肥的CK组及施用化肥的CF组相比,施用不同量的猪粪有机肥对乳熟后期玉米的生物产量鲜重没有显著影响(P>0.05),但其干物质含量随有机肥施用量的增加,秸秆、穗轴、籽粒及玉米全株生物产量均增加,100N、130N、160N组玉米全株干物质生物产量较CF组分别增加12.6%、11.7%和14.1%,100P组玉米全株干物质生物产量较CF组增加15.9%。

表 5 乳熟后期玉米生物产量 Table 5 Biomass production of the corn at late milk-ripe stage 

完熟期收获玉米的生物产量测算结果表明(表 6),与CK及CF相比,施用不同量的猪粪有机肥对乳熟后期玉米的生物产量鲜重及干物质重均没有显著影响(P>0.05),但总体上,无论是新鲜产量还是干物质产量,施用猪粪有机肥的试验组玉米各组分的产量均高于CF和CK组,100N、130N、160N玉米全株的干物质产量较CF分别增加15.2%、13.2%和23.5%。

表 6 完熟期玉米生物产量 Table 6 Biomass production of the corn at full-ripe stage 
2.2.2 不同施肥量玉米N、P含量

分别测定了乳熟后期和完熟期收获玉米不同部位的氮含量(表 7)。结果表明,施用猪粪有机肥有增加乳熟后期收获玉米籽粒氮含量的趋势(P=0.059 4),对秸秆中氮含量没有显著影响(P>0.05)。施用猪粪有机肥对完熟期收获玉米籽粒氮含量没有明显影响(P>0.05),但显著增加了玉米秸秆和穗轴中氮的含量(P < 0.05)。总体上,无论乳熟后期还是完熟期收获,玉米秸秆中的氮含量均呈现由上部到下部逐渐降低的趋势。

表 7 玉米不同部位N含量 Table 7 The nitrogen content in different parts of corn 

玉米不同部位磷含量的测定结果表明(表 8),与CF组相比,施用猪粪有机肥并没有增加乳熟后期收获玉米籽粒、穗轴及秸秆上、中部的磷含量,但显著增加了完熟期收获玉米穗轴及秸秆的磷含量(P < 0.05),籽粒磷含量有增加的趋势(P=0.077 3),100N、130N和160N组玉米籽粒磷含量较CF组分别提高11.3%、9.7%、12.9%。与氮的测定结果相似,玉米秸秆中磷的沉积量也是上部高于下部。

表 8 玉米不同部位P含量 Table 8 The phosphorus content in different parts of corn 
2.2.3 玉米全株N、P需求量

单位面积土地下玉米种植所需提供的氮、磷量的测算结果表明(表 9),如果乳熟后期收获,按100N、130N、160N、100P施用猪粪有机肥,一季玉米种植对氮、磷的需求量分别为121.5、122.1、121.1、120.6 kg·hm-2和50.6、53.0、49.5、49.4 kg·hm-2;如果完熟期收获,则按100N、130N、160N、100P施用猪粪有机肥,一季玉米种植对氮、磷的需求量分别为196.4、190.2、213.0、173.5 kg·hm-2和63.5、62.8、68.1、55.6 kg·hm-2

表 9 玉米种植N、P需求量 Table 9 The requirement of nitrogen and phosphorus demand in corn planting 
2.3 不同施肥量对土壤N、P的影响

分别采集了试验第0、50和100天的土壤样品,测定了N和P的含量(表 10)。结果表明,与CF组相比,施用猪粪有机肥明显增加了不同时期土壤中N含量,50 d时,130N和160N组土壤N含量显著高于CF组(P < 0.05),100 d时,160N组和100P组显著高于CF组(P < 0.05);土壤中P含量的差异与N相比不明显,50 d时,各施用有机肥组均显著高于CF组(P < 0.05),而100 d时,各处理间无明显差异(P>0.05);总体上,随试验进行,土壤中N、P含量均降低,130N组降低最多,与试验开始(0 d)相比,100 d时的N、P分别减少44.0%和29.7%,而CF组N、P分别减少38.9%和11.4%,提示一定施用水平下有机肥中营养素的利用率可能更高。

表 10 不同时期土壤N、P含量 Table 10 The nitrogen and phosphorus content of soil in different periods 
2.4 单位玉米种植土地生长育肥猪承载量测算

根据上述结果,以玉米的生物产量、N和P的沉积量及肥料中N、P利用率为参考,综合考虑有机肥施用后对土壤有机质及持续肥力提升等因素,本试验以130N施用有机肥作为基础分析了单季玉米种植下生长育肥猪的承载系数(表 11)。结果表明,基于生长育肥猪粪肥氮的产生量,玉米乳熟后期和完熟期收获每公顷土地的承载量分别为61.1和95.2头,基于生长育肥猪粪肥磷的产生量,每公顷土地的承载量分别为90.5和107.3头。

表 11 基于玉米种植的生长育肥猪农田承载系数 Table 11 Stock capacity of growing-finishing pigs based on corn planting
3 讨论 3.1 猪场粪污及N、P养分排泄量

氮和磷是猪粪尿中造成养殖生产环境污染的主要物质。集约化生产模式下,猪饲料中氮和磷的含量较高,但只有一小部分氮和磷沉积在动物体内。1头猪从断奶到体重达100 kg屠宰时止,消耗8~9 kg氮,其中被吸收沉积的氮不超过3 kg,而5~6 kg氮则被排泄掉,在被排泄的氮中,33%在粪便中,67%在尿中,在规模化猪场中,排入环境中的氮和磷都在70%以上[13]。Jongbloed的Lenis[14]研究表明,猪对于食入氮的利用率很低,大概有20%的氮随粪便排出体外,随尿液排出体外的氮约有50%。Kornegay等[15]也报道,猪利用饲料中氮的比例只有30%~50%,而排出的氮达到45%~70%。对于磷而言,植酸磷是磷在大多数植物性饲料原料中存在的主要方式,但是猪等单胃动物对于植酸磷的利用率很低,Cromwell[16]研究发现,玉米中只有12%的磷可以被猪消化吸收,而豆粕中所含有的磷也只有25%~35%能够被猪吸收。郭德杰等[17]研究了育肥猪在不同季节粪尿产生量、粪尿养分含量及养分产生总量等的变化,结果表明,每头育肥猪干粪及尿液平均日产生量分别为0.46和4.20 kg,氮和磷的日生成量分别为23.49和8.89 g。本研究以生长育肥猪为对象,测算得到其生长前期(13~19周)和后期(20~27周)氮和磷的日产生量分别为17.30、22.80 g和4.28、6.81 g,其中,粪中氮的排泄量在生长前期和后期分别占30.6%和37.2%,与前人报道一致;而磷的排泄主要通过粪便,生长前期和后期粪中磷的排泄量分别占91.0%和95.0%。

3.2 粪肥施用与作物生产

农作物的产量受到多种因素的影响,其中土壤肥力和质量的高低对作物产量的影响尤为重要。大量的研究表明,有机肥施用不仅增加土壤中养分的含量,且养分(氮素等)更容易被吸收,促进作物生长,提高作物产量[18-20]。李北齐等[21]研究证实,施入有机肥后可以显著改善盐碱土的理化性质,促进根系的生长,增加株高、地上部干物质积累,增加穗长、穗粒数,增加了作物的产量。王立刚等[22]通过7年的生物有机肥试验表明,施用生物有机肥可以促进植物保持良好的生长态势,促进干物质的增加,施用生物有机肥15 t·hm-2,夏玉米的产量较施用化肥和不施肥处理分别提高2 668和5 062 kg·hm-2。与前人研究相同,本研究结果证明,玉米在乳熟后期收获,随着猪粪有机肥施用量的增加,秸秆、穗轴、籽粒及全株玉米干物质产量均随之增加;在完熟期收获,无论是以鲜重计还是以干物质计,施用猪粪有机肥都能够显著增加玉米全株及各部分的生物产量,按氮肥施用的100%和130%施入猪粪有机肥,玉米全株干物质产量较施用化肥组分别增加15.2%和13.2%,籽粒干物质产量分别提高7.3%和4.0%。有机肥的施用除了提高作物产量外,也会对其品质产生明显影响。已有的研究表明,通过优化土壤矿物质养分,特别是氮素养分,玉米籽粒粗蛋白含量能增加1%~2%[23]。张翔等[24]研究证实,有机肥能提供一定数量的氮、钾养分,增施有机肥可提高玉米籽粒粗蛋白质含量,并相应提高了籽粒氨基酸总量和7种必需氨基酸含量。刘源等[25]研究表明,施用养殖废水,土壤和植株中养分均增加,植株中氮、磷和钾的含量分别比对照组增加了49.83%、23.90%和15.44%。本研究也取得了类似的结果,施用猪粪有机肥增加了乳熟后期玉米籽粒和完熟期秸秆的氮含量,提高了完熟期收获玉米籽粒和秸秆、穗轴磷含量。综合分析,100N和130N施用有机肥条件下,无论是乳熟后期收获还是完熟期收获,玉米的生物产量均没有明显的差异,表明按本试验条件下的施肥量能满足玉米的生长需要,但增加有机肥的施用量,对玉米全株尤其是籽粒中营养素的沉积有一定的作用。

3.3 畜禽粪肥土地承载力

畜禽粪便还田能够改善土壤结构和理化性状,降低土壤容重,提高土壤通透性和土壤保水保肥能力,优化农田生态环境,增加作物产量[26-27]。但粪肥的施用量必须在一定限度内,与土地对粪肥养分的需求相符,否则将造成土壤质量的下降,甚至污染。Yan等[28]报道,土壤中过量施用猪粪有机肥不仅仅是一种资源的浪费,还会引发周围水体的富营养化现象。因此,开展畜禽粪肥养分产生量及土地种植作物肥料养分需求量的准确测算,确定单位土地所能承载畜禽或畜禽粪肥的量对于“种养结合”模式下实现粪污的无害化、资源化利用尤为重要。但是,由于数据来源、所处区域及畜禽品种等存在差异,不同学者测算的结果不尽相同。Wong等[29]的研究认为,农用地畜禽粪便的适宜施用量为20~50 t·hm-2。刘晨峰等[30]以2012年各省生猪、奶牛、肉牛、蛋鸡、肉鸡5类主要畜禽养殖量为依据估算了全国畜禽养殖粪肥氮、磷养分总量分别为841.45万吨和119.19万吨,同期全国氮肥、磷肥施用量为3 063.43万吨和1 492.23万吨,测算的结果表明,我国畜禽养殖粪污养分可利用量均在各省耕地有机肥安全消纳容量之内。杨飞等[31]研究了近30年中国畜禽养殖的耕地氮污染负荷,结果表明,全国平均耕地面积的畜禽氮负荷达138.13 kg·hm-2,其中四川等6省已达202.98 kg·hm-2以上。潘瑜春等[32]对北京市平谷区畜禽环境承载力的研究结果表明,农用地平均粪便负荷为16.7 t·hm-2,低于30 t·hm-2的国家标准,全区尚有一定的畜禽承载潜力,以氮、磷计分别为6.25万头和9.48万头猪当量,但各乡镇承载潜力差异显著,其中8个乡镇属于过量承载,具有很高的污染风险。武兰芳和欧阳竹[33]以山东禹城为例,分析了基于农田氮磷收支的区域养殖畜禽容量,结果表明,基于氮收支的耕地畜禽承载容量小于基于磷收支的耕地畜禽承载容量,而且各乡镇之间耕地的畜禽负载指数差异较大。本研究以生长育肥猪氮、磷产生量和一季玉米种植需求量为基础,测算得到单位玉米种植的土地承载力。本试验条件下,基于有机肥氮的提供量,玉米乳熟后期和完熟期收获每公顷土地的生长育肥猪承载量分别为61.1和95.2头,基于磷的提供量,每公顷土地的承载量分别为90.5和107.3头。这与杨军香等[34]以能繁母猪为基础折算为猪单位测算的山东省不同种植模式下土地的适宜载畜量数据基本吻合。但是,土地施用有机肥肥效的发挥较化肥要慢,对土壤改良、肥力持久等有良好的作用[26],本研究以玉米生物产量和土壤N、P利用率等分析结果为基础,按玉米种植氮需求量的130%施用有机肥测算得到了承载量数据,并未对猪粪有机肥在土地中的利用效率和使用过程中的损失等进行详细的测算,还需后续更深入研究,以更准确的反映玉米种植模式下生长育肥猪粪肥的土地承载参数。

4 结论

生长育肥猪生产全程粪肥还田用于玉米种植可增加玉米生物产量,一定程度上改善玉米品质。按130%氮需求量施用猪粪有机肥,每公顷玉米种植农田在乳熟后期收获和完熟期收获对生长育肥猪的承载量基于粪肥可提供氮分别为61.1和95.2头,基于粪肥可提供磷则分别为90.5和107.3头。

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基于玉米种植的生长育肥猪粪污农田承载力
杜坤, 焦洪超, 王晓鹃, 赵景鹏, 林海