近年来, 随着对微生物耐药性认识的日益增进, 抗生素环境残留及其生态风险受到越来越多的关注^[1-3]。兽药抗生素广泛用于畜禽养殖业^[4], 成为环境中抗生素残留的重要来源。兽用抗生素的用量因养殖畜禽种类及抗生素类型而异, 每吨饲料中为3~220 g^[5], 总使用量已超过每年6 000 t。过量的抗生素在动物粪便中富集, 进而释放于环境中^[3-4]。我国畜禽养殖业粪便每年排放量达21亿t以上^[6], 其处理不当导致湖水、河流、地表水和土壤等环境介质中抗生素残留积累^[7-9]。高温堆肥是畜禽粪便的常规处理方式, 作为有机肥施入农田被认为是最环保的方法, 但堆肥过程并不能有效降解所有抗生素^[10]。有研究表明, 猪粪堆肥中金霉素的降解率只有27%, 鸡粪堆肥中磺胺甲嘧啶几乎没有降解^[11-12]。另有研究表明, 猪粪堆肥反而产生抗生素富集, 例如堆肥60多天, 土霉素残留从0.55 mg·L^-1增加到0.84 mg·L^{-1 [13]}。因此, 畜禽粪便堆肥的农田施用仍可能产生抗生素环境污染, 进而影响生态安全^[14]。

近几年来, 生物质废弃物炭化及生物质炭农业应用发展快速, 生物质炭作为废弃物的循环利用方式备受推崇。在厌氧条件下, 生物质经低温裂解 ( < 700 ℃) 产出富含有机质的生物质炭。后者具有改善土壤质量, 促进作物生长, 并减少温室气体排放以及钝化有机、无机污染物的良好作用^[15]。这些作用可能与生物质炭有机质的稳定性^[16]及其良好的吸附性^[17], 和对土壤化学性质 (pH值^[18-19]、CEC^[20-21]和有机碳^[22]含量) 的改善以及土壤养分 (例如速效磷和速效钾^[23]) 的补充有关。张登晓等^[24]研究表明, 与不施生物质炭处理相比, 施用不同量 (20、40、60和80 g·kg^-1) 的生物质炭均能显著提高小白菜产量, 降低蔬菜硝酸盐含量。乔志刚等^[25]发现将生物质炭与化肥混合制成炭基肥, 与普通复合肥相比, 能够提高青椒的产量和品质。

我们假设, 养殖废弃物通过低温炭化裂解去除了抗生素等药残, 稳定了有机质结构, 同时含有一定养分, 对蔬菜生长及品质具有良好效应。本研究采用盆栽试验, 比较分析猪粪生物质炭与猪粪有机肥处理对小白菜生长及其品质的影响, 为养殖业废弃物炭化安全处理及资源化利用提供依据。

供试小白菜品种为‘上海青’, 种子购于南京绿领种业有限公司。盆栽土壤为采自江苏省南京市六合区的黄棕壤, 土壤质地为黏壤土。将所采土壤在阴凉处风干, 去除较大的石砾和作物残茬, 过5 mm筛备用。供试土壤基本性质:有机碳含量1.64 g·kg^-1, 全氮含量0.18 g·kg^-1, 速效磷含量5.82 mg·kg^-1, 速效钾含量131.33 mg·kg^-1, C/N 9.1, pH7.18。

试验所用猪粪 (PM) 与猪粪有机肥 (MOF) 购自南阳牧野有机肥有限公司。猪粪有机肥是用猪粪、肉骨粉、腐殖酸等原料高温发酵而成, 猪粪生物质炭 (PBC) 由所购猪粪用SP5000A便携式炭化机 (华电环保机械有限公司) 炭化, 炭化温度为450 ℃, 炭化时间为1 h, 冷却后备用。所有材料均破碎过20目筛, 混匀备用。供试物料基本性质见表 1。

采用盆栽试验, 试验为底肥加有机物料, 共设4个处理:1) 对照 (CK, 只施底肥); 2) 猪粪处理 (PM, 底肥+1%猪粪); 3) 猪粪有机肥处理 (MOF, 底肥+1%猪粪有机肥); 4) 猪粪生物质炭处理 (PBC, 底肥+1%猪粪生物质炭)。盆栽试验所用塑料盆规格为180 mm×250 mm, 每盆装土2 kg, 将尿素、磷酸二氢铵、氯化钾按m(N):m(P₂O₅):m(K₂O)=0.2:0.15:0.2的比例混合为底肥。加入20 g猪粪处理物料, 将底肥、猪粪物料与土壤充分混合, 加水至田间持水量的70%, 混匀。每盆点播20颗小白菜种子, 出苗1周后间苗至每盆5株。小白菜生长期为45 d, 期间每天观察植株长势, 并采用质量平衡法补充水分, 使盆内水分含量保持在田间持水量的60%~70%。其他管理措施各处理间一致。

每个处理重复4次, 采用完全随机区组排列。试验在南京农业大学温室大棚进行, 2015年11月23日播种, 2016年1月8日采收。

植物样品采集处理:小白菜收获前1 d用便携式叶绿素仪测定叶片叶绿素 (SPAD值), 用刻度尺测量株高 (地面到最高叶片尖端的距离) 与叶面积 (0.75×长×宽)。收获时将小白菜紧贴土壤表面剪下, 将地上部分清洗干净后称质量, 测定小白菜产量 (鲜质量)。称量后的小白菜分为两部分, 一部分置于烘箱中105 ℃杀青0.5 h, 然后60 ℃烘干至恒质量, 测定小白菜地上部生物量; 另一部分于4 ℃冰箱内保存, 用于测定小白菜的品质指标。在不破坏根系的情况下将根取出, 清洗干净后测定每株小白菜的单根质量, 然后用根系扫描仪扫描根系形态, 将根系置于烘箱中烘干至恒质量, 测定小白菜地下部生物量。

小白菜品质指标测定参照王学奎^[26]的方法:采用水杨酸比色法测硝酸盐含量定, 采用2, 6-二氯酚靛酚滴定法测定维生素C含量, 采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量, 采用考马斯亮蓝G250比色法测定可溶性蛋白质含量。

肥料及植物组织中抗生素的测定参照文献[27]。称取适量样品, 置于具塞锥形瓶中, 准确加入0.05 mol·L^-1盐酸溶液, 于振荡器上振荡提取10 min, 溶液用滤纸过滤, 滤液过0.45 μm滤膜, 用高效液相色谱测定。

采用Excel 2016对试验数据进行分析, 采用SPSS 20.0进行单因素方差分析, 以确定处理间差异, 显著性概率定位在0.05水平。

从表 2可见:对照 (CK) 单根质量仅0.08 g, 不同猪粪处理下单根质量均大于0.21 g。其中, PM和MOF处理单根质量是CK的3倍左右, 而PBC处理为CK的近4倍。对于根的其他生长指标, 不同处理比CK均有显著提高, 除了根长外, PBC处理的单根质量、根表面积和根体积都显著高于PM和MOF处理, 但后两者没有明显差异。可见, 炭化猪粪的根系生长效应优于未炭化猪粪和猪粪有机肥。

由表 3可知:不同处理小白菜地上部生物量和鲜质量产量差异达2倍, 地下部生物量差异达3倍。无论是生物量还是产量, PBC处理显著高于PM和MOF处理, 后两者间无显著差异。不过, 单株高的变化较小, 只是PBC处理显著高于其他处理。叶面积从大到小的处理依次为PBC、MOF、PM、CK, PBC处理较CK提高近50%。与对照相比, 施用猪粪均显著提高植株叶片的SPAD值, 但处理间无显著差异。

从图 1可见:猪粪施用处理均提高了小白菜维生素C、可溶性糖和可溶性蛋白含量, 而降低了硝酸盐含量。不同处理小白菜维生素C含量为292~388 mg·kg^-1, 仅PBC处理比CK显著提高了33%。可溶性蛋白含量的变化与此相似, PBC处理提高了19%。同样, PM和MOF处理小白菜硝酸盐含量没有变化, 但PBC处理显著降低了47%。可溶性糖含量变化较为复杂, PM处理显著降低, 而MOF处理无明显变化, 但PBC处理比CK提高了43%。尽管生物量的变化幅度大, 但不同猪粪施用的蔬菜品质变化较为复杂, 猪粪和猪粪有机肥对大多数蔬菜品质指标影响不显著。另外, 猪粪和猪粪有机肥中均测得土霉素的存在 (表 1), 但收获后不同处理的蔬菜茎叶中均没有检测到土霉素。

	图 1 不同处理小白菜硝酸盐、维生素C、可溶性糖和可溶性蛋白含量的变化 Figure 1 Changes in nitrate, vitamin C, soluble sugar and soluble protein contents of cabbage under different treatments 柱上不同字母表示处理间在0.05水平显著差异。Different letters above the block in a single domain indicate a significant difference between the treatments at 0.05 level.
图选项

生物质炭对植物生长的影响可能在地上部和地下部生物量变化幅度上存在差别。有机物料主要通过改善土壤物理性质来促进根系生长, 而生物质炭能明显改善土壤结构和保持水分^[28-29]。对农作物来说, 生物质炭可以显著提高水稻^[30]和小麦^[31]主根长、根鲜质量和根总表面积, 进而提高养分吸收和水分利用效率。本研究表明, 不同处理猪粪施用下单根质量和地下部总生物量提高幅度为175%~260%, 而PBC处理又比PM和MOF处理提高75%左右。然而, 猪粪施用下地上部生物量的提高幅度为77%~109%, PBC处理比PM和MOF处理仅提高25%~32%。可见, 不同处理猪粪施用对根系生长和地下部生物量的促进作用明显大于对地上部的生长促进作用, PBC处理效果也是如此。因此, 猪粪施用或生物质炭化处理显著促进了根系的生长和地下部生物量的积累。Liu等^[32]研究结果表明, 生物质炭对植物增产的平均效应仅10%左右。生物质炭对作物产量的促进效果在8%~25%, 但块茎类作物的增产幅度明显高于禾谷类作物^[33]。这些结果支持了有机物料特别是生物质炭对土壤物理性质的改善作用, 从而促进植物根系生长。

蔬菜的产量即是地上部茎叶生物量鲜质量。但蔬菜生产的收益不仅与产量有关, 更与蔬菜品质有关。对于消费者健康来说, 蔬菜质量显得特别重要。本文的研究表明:不同处理猪粪施用下产量 (鲜质量) 的提高幅度为60%~103%, 质量指标的变化幅度为3%~47%, 且PM和MOF处理大多指标差异不显著, 但可溶性糖含量的变化较为复杂。值得注意的是, PBC处理维生素C含量、可溶性营养物含量和硝酸盐含量均显著优于PM和MOF处理。本研究还表明:猪粪生物质炭处理显著降低了小白菜的硝酸盐含量 (小于60 mg·kg^-1), 远远低于国家安全标准 (3 000 mg·kg^-1)。除可溶性蛋白质含量外, PBC处理比PM和MOF处理质量指标的提高幅度为20%~70%, 展现了生物质炭对于提高蔬菜品质的显著效果。这些提升或改善幅度高于文献报道的生物质炭对农作物产量及品质的效果^{[30, 32]}以及秸秆生物质炭对蔬菜产量和品质的效应^[24-25]。其原因可能是:一方面与生物质炭处理下土壤养分供应改善有关, 例如黑炭可以提高土壤中有效磷的含量^[34], 增加植物对N、P、K的吸收^[35]。另一方面, 生物质炭对氮素转化的缓冲作用, 可能使氮素供应平稳, 改善氮素代谢等, 并可能提高植株健康水平^[36], 因而改善植物的代谢效率。

Boxall等^[37]指出, 抗生素代谢产物的毒性甚至比母体更大, 有的还可能在环境中转化成母体形式。本研究中, 土霉素残留在猪粪和猪粪堆肥中分别达到95和22 μg·kg^-1, 但在炭化猪粪中仅为痕迹量 (0.7 μg·kg^-1)。炭化猪粪既能基本去除抗生素, 又能促进小白菜根系生长和提高产量, 更能大幅度改善小白菜品质。因此, 炭化可以作为畜禽粪便无害化处理的优势途径。

综上所述, 猪粪、猪粪有机肥和猪粪生物质炭对蔬菜生长均具有显著影响, 且对地下部影响强于地上部。与不处理的猪粪和猪粪堆肥对小白菜的营养品质微弱影响相比, 猪粪炭化处理后蔬菜产量的提高特别是品质的改善作用十分显著。因此, 猪粪炭化处理在无害化处理养殖业废弃物的同时, 作为有机肥施用, 其蔬菜增产特别是优质作用优于猪粪和猪粪有机肥。因此, 养殖业废弃物炭化及其生物质炭农业应用具有极大的潜力。