引用本文
邵文奇, 纪力, 孙春梅, 姜晓剑, 文廷刚, 唐金陵, 章安康. 不同沼液施用量对水稻生长、产量及重金属含量的影响[J]. 浙江农业学报, 2018,29(12): 1963-1969.
SHAO Wenqi, JI Li, SUN Chunmei, JIANG Xiaojian, WEN Tinggang, TANG Jinling, ZHANG Ankang. Effects of application rate of biogas slurry on growth, grain yield and heavy metals contents of rice[J]. ACTA AGRICULTURAE ZHEJIANGENSIS, 2018,29(12): 1963-1969.  
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不同沼液施用量对水稻生长、产量及重金属含量的影响
邵文奇1, 纪力1, 孙春梅1, 姜晓剑2, 文廷刚1, 唐金陵1, 章安康1,*
1.江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所,江苏 淮安 223001
2.淮阴师范学院 生命科学学院,江苏 淮安 223300
*通信作者,章安康,E-mail:2530326440@qq.com

作者简介:邵文奇(1985—),男,江苏淮安人,硕士,副研究员,主要从事土壤肥料、作物栽培等方面的研究。E-mail:wqshao1103@sina.com

收稿日期: 2017-05-27
基金资助: 江苏省农业科技自主创新资金[CX(16)1003-10]
摘要

为探讨沼液在水稻上的适宜用量用法,以规模化养殖场猪粪尿发酵的沼液作为肥源,以当地常规化学施肥为对照,研究不同沼液用量对水稻生长、产量、重金属含量等的影响。结果表明:当沼液总施用量低于750 t·hm-2时,水稻株高有增加趋势,同时分蘖能力提高;当沼液总施用量大于750 t·hm-2时,株高不再增加且分蘖能力显著( P<0.05)下降。施用沼液对叶片荧光强度影响较小,但不合适的沼液适用量下会对净光合速率( Pn)、气孔导度( Gs)、蒸腾速率( Tr)等光合特性产生抑制作用。与传统化肥处理相比较,施用沼液显著( P<0.05)降低了水稻结实率、穗实粒数、千粒重等,但能提高总穗数,沼液施用量600 t·hm-2时,水稻产量及其构成表现最好。沼液施用使水稻秸秆中汞、铬、铜、砷等重金属含量均有不同程度增加,存在一定的重金属风险,但籽粒中重金属含量未见增加,且符合中国食品中重金属限量标准(GB 2762—2012),不存在重金属超标风险。综合来看,沼液总施用量600 t·hm-2(基肥:追肥=1:1)较为适宜。

关键词: 沼液; 肥效; 水稻; 重金属; 食品安全
中图分类号:S145.2 文献标志码:A 文章编号:1004-1524(2017)12-1963-07 doi: 10.3969/j.issn.1004-1524.2017.12.02
Effects of application rate of biogas slurry on growth, grain yield and heavy metals contents of rice
SHAO Wenqi1, JI Li1, SUN Chunmei1, JIANG Xiaojian2, WEN Tinggang1, TANG Jinling1, ZHANG Ankang1,*
1. Huaiyin Institute of Agricultural Sciences of Xuhuai Region in Jiangsu, Huai'an 223001, China;
2. School of Life Sciences, Huaiyin Normal University, Huai'an 223300, China;
Abstract

To investigate the appropriate application rate and method of biogas slurry on rice, the pig manure from large-scale farms was fermented as fertilizer in the experiment to study the effects of different application rate of biogas slurry on rice growth, yield and heavy metals concentrations. It was shown that when the total amount of biogas slurry was below 750 t·hm-2, the height and tillering ability of rice were improved, while the height no longer increased and tillering ability significantly ( P<0.05) decreased when the application amount was above 750 t·hm-2. The application of biogas slurry had little effect on the fluorescence intensity of rice leaf, but inhibited the photosynthetic intensity, such as net photosynthesis rate, stomatal conductance, transpiration rate. Compared with conventional fertilizer treatment, the biogas slurry treatments significantly ( P<0.05) decreased rice seed setting rate, filled grain number per panicle and 1 000-grain weight, yet increased the total spike number. The application rate of 600 t·hm-2 was appropriate to improve rice yield and its components. However, the biogas slurry treatments had potential risks for heavy metals accumulation in rice straw, as the contents of heavy metals such as Hg, Cr, Cu, As were increased in rice straw compared with conventional fertilizer. But, this risk was not found in grains. Furthermore, the contents of heavy metals in grain had no significant changes and were all met with the national standard of GB 2762-2012. In general, the application of 600 t·hm-2 biogas slurry (basic fertilizer:topdressing=1:1) was appropriate for rice production.

Keyword: biogas slurry; fertilizer effect; rice; heavy metal; food security

在水稻种植中, 传统施用化肥的方式下肥料利用率低, 一般为30%~35%, 需肥量多, 生产成本高, 且连年使用易导致土壤质量下降[1, 2, 3]。随着现代养殖业以及沼气工程的快速发展, 我国每年都会产生大量的沼液, 沼液中含有多种植物生长所需养分、丰富的氨基酸及各种生长激素、维生素等[1, 4, 5, 6, 7], 具有肥效高、易被植物吸收等优点。随着生态农业、循环农业的持续发展, 沼液的农业化利用也得到了越来越多研究, 其中用沼液代替传统化学肥料成为一种行之有效的利用途径[5, 8]。沼液在农业上既可用做基肥、追肥, 也可用于浸种或叶面喷施[4, 5, 9], 在农业生产上被视为一种良好的肥源, 对提高农产品产量、降低生产成本、改良土壤都有积极的作用[2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10]。

由于农作物的需肥特性及沼液自身的特点, 要使用沼液完全替代传统化学肥料需要探索合理的施用方法, 若用法用量不当, 极易造成沼液利用率下降、作物生长受抑、作物产量品质下降等不良影响[2, 11, 12, 13]。同时, 沼液中的有害物质, 如酚、亚硝酸盐、重金属及有害病原菌等[3, 6, 14, 15], 也可能对作物、环境、产品品质等造成不良影响。本试验使用沼液完全替代化学肥料, 通过研究其对水稻生长、稻谷产量及稻米中重金属含量的影响, 初步探明沼液在水稻种植中的安全用量、适宜用量等, 为生产实践提供理论依据, 提高沼液施用在水稻生产上的安全性。

1 材料与方法
1.1 试验条件

试验于2016年在江苏省淮安市淮阴区杨庙村进行, 供试水稻品种为粳稻淮稻5号, 沼液取自试验田附近某猪场。5月27日秧盘育苗, 6月25日移栽, 10月20日收获。沼液、试验田土壤基本性状见表1。试验所用复合肥为K2SO4型, N-P2O5-K2O为15%-15%-15%, 总养分含量≥ 45%。试验所用尿素总氮(TN)含量≥ 46.4%, 粒度介于0.85~2.80 mm。

1.2 试验设置

试验设5个处理:A1, 沼液总施用量450 t· hm-2(基肥150 t· hm-2, 分蘖肥300 t· hm-2); A2, 沼液总施用量600 t· hm-2(基肥300 t· hm-2, 分蘖肥300 t· hm-2); A3, 沼液总施用量750 t· hm-2(基肥450 t· hm-2, 分蘖肥300 t· hm-2); A4:沼液总施用量900 t· hm-2(基肥600 t· hm-2, 分蘖肥300 t· hm-2); CK, 当地习惯施肥, 复合肥作基肥(300 kg· hm-2), 尿素作分蘖肥(150 kg· hm-2)和作穗肥(225 kg· hm-2)。基肥在水稻插秧前施入, 分蘖肥在6月底施入, 穗肥在8月下旬施入。每一试验小区面积24 m2, 重复3次, 完全随机区组排列。每试验小区所种水稻秧苗数量一致, 种植间距为25 cm× 12 cm, 每穴4株。小区其余田间管理按常规进行。

表1 供试土壤、沼液的基本性状 Table 1 Physio-chemical properties of tested soils and biogas slurry
1.3 测定项目

每一试验小区在同一行随机连续标记20穴水稻作为田间调查取样点。水稻移栽入试验田小区后, 分别在7月30日、8月14日、9月4日、9月24日、10月14日调查记录分蘖数、株高, 并选取植株完全展开功能叶使用LI-6400型便携式光合测定仪测定叶片中间部位的光合强度、荧光度, 包括叶片净光合速率(Pn)、细胞间隙CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm), 并计算PSII最大光能转换效率(Fv/Fm)、非光化学猝灭系数(NPQ)等。水稻成熟后, 在每一试验小区随机采集20穴, 考查水稻经济产量性状, 取样送检水稻秸秆和谷粒中重金属含量(由江苏中宜金大分析检测有限公司检测, 农产品中铬、镉、铅、砷、铜含量用ICP-MS法测定, 汞含量依GB 5009.17— 2014测定)。

2 结果与分析
2.1 沼液施用对水稻生长的影响

2.1.1 对水稻株高的影响

如图1所示, 由于沼液施用量较低, 养分不足, A1、A2处理的水稻株高在各检测时期均显著(P< 0.05)低于其他处理。即当沼液总施用量≤ 750 t· hm-2时, 沼液施用量的增加能够有效增加养分供应, 促进植株营养生长。A3、A4处理之间无显著差异, 说明A3处理的沼液用量(750 t· hm-2)已能满足水稻生长所需, 无须再增加沼液用量, 但较高的沼液施用量(900 t· hm-2)亦未见对水稻大田生长产生负面影响, 可见依然处于安全使用范围。

图1 沼液施用对水稻株高的影响
同一时期各柱上无相同小写字母的表示在该时期各处理间差异显著(P< 0.05)。下同Fig.1 Effects of biogas slurry application on rice heights
Bars marked by no same letters within the same date indicated significant difference at P< 0.05. The same as below

2.1.2 对水稻分蘖动态的影响

各处理的田间分蘖动态如图2所示, 均在8月中旬达到分蘖高峰, 之后随着无效分蘖退化, 分蘖数逐渐降低。A1处理的分蘖能力在各检测时期均最低, 说明沼液用量水平不足, 限制了水稻的营养生长及分蘖发生。加大沼液用量(处理A2、A3), 植株分蘖能力得到提高, 且高于CK处理, 说明施用沼液可以增强水稻的分蘖能力, 并且增加有效穗数。但继续加大沼液处理用量(处理A4)水稻分蘖能力下降, 说明过量的沼液施用反而会抑制水稻的分蘖能力。从植株分蘖能力来看, 600~750 t· hm-2的沼施用量较为适合, 可以增加最终成穗数。

图2 沼液施用对水稻分蘖的影响Fig.2 Effects of biogas slurry application on rice tillers number

2.1.3 对水稻叶片光合强度的影响

各处理在不同时期光合强度特性的变化如图3所示。从净光合速率(Pn)来看, 从分蘖期到成熟期各处理均呈下降趋势。在分蘖期(7月30日、8月14日)CK与A2无显著差异, 但均显著高于其他3个处理; 至10月14日(成熟期), 各处理间Pn差异不显著。从胞间CO2浓度(Ci)来看, 各处理在抽穗期(9月4日)达到高峰后随之下降, 7月30日(分蘖期)各处理间均呈现显著(P< 0.05)差异, CK最低, 然后随着沼液施用量的增加而不断增加, 在抽穗期(9月4日)A4处理显著(P< 0.05)高于其他处理, 但A1、A2、A3、CK之间差异不显著。从蒸腾速率(Tr)来看, 各处理

图3 沼液施用对水稻剑叶光合特性的影响Fig.3 Effects of biogas slurry application on photosynthetic characteristics of rice flag leaves

在生育期内呈平稳下降趋势, 在9月4— 24日(抽穗— 扬花期), CK、A2、A3处理间无显著差异, 但均显著高于A1、A4处理。从气孔导度(Gs)来看, 各处理整体呈先下降后增加趋势, 总体上以CK处理高于施用沼液的处理。

2.1.4 对水稻荧光强度的影响

各处理在不同时期荧光参数的变化如图4所示。初始荧光(F0)在整个生育期内无规律性变化, 且波动幅度较小, CK处理在分蘖盛期(8月14日)F0较低, 但在成熟期时显著(P< 0.05)高于其他处理, 沼液施用量较高的处理(A3、A4)在抽穗期及扬花期F0显著(P< 0.05)高于A1、A2, 但在灌浆成熟期下降明显。各处理最大荧光(Fm)在生育期较为平稳, 无明显波动, 在不同生育期内均无显著差异。PSII最大光化学效率(Fv/Fm)随生育进程先逐渐增加后减小, 在分蘖盛期和抽穗期CK、A2、A3显著(P< 0.05)高于A1、A4, 说明沼液施用不足及沼液施用过多会降低Fv/Fm, 但在扬花期及灌浆成熟期各处理间Fv/Fm已无显著差异。非光化学猝灭系数(NPQ)随生育进程有逐渐降低趋势, 各处理在不同生育期均无显著差异。

图4 沼液施用对水稻剑叶荧光特性的影响Fig.4 Effects of biogas slurry application on fluorescence characteristics of rice flag leaves

2.2 沼液施用对水稻产量的影响

沼液施用对水稻最终产量及产量构成均产生了显著影响(表2)。从穗数来看, 适量的沼液施用(A2、A3)相较CK可以显著(P< 0.05)提高最终成穗数, 但沼液施用不足(A1)及施用过量(A4)对成穗数有抑制作用。整体来看, 施用沼液对穗总粒数影响不大, 仅A4处理显著(P< 0.05)低于CK, 其他处理间无显著差异, 但却显著(P< 0.05)降低了水稻结实率、千粒重和穗实粒数。施用沼液代替化肥虽然能够增加最终成穗数, 但对结实率及千粒重产生了显著的负面影响, 在最终的产量上与CK相比并无优势, A2、A3产量虽然高于CK, 但差异不显著, 当沼液施用量不足(A1处理)或施用量过大时(A4处理), 水稻产量显著(P< 0.05)低于CK。

表2 沼液施用对水稻产量及其构成的影响 Table 2 Effects of biogas slurry application on yield and yield components of rice
2.3 沼液施用对水稻重金属含量的影响

2.3.1 水稻秸秆中重金属含量

施用沼液后, 水稻秸秆中Hg、Cr、Cu、As含量均不同程度增加, 而Cd含量则不同程度下降(表3)。当沼液施用量不超过750 t· hm-2时, 水稻秸秆中Pb含量与CK无显著差别, 但施用900 t· hm-2的沼液(A4)时, Pb含量显著(P< 0.05)上升。这些结果表明, 施用沼液条件下水稻植株存在一定的重金属超标风险。由于本试验仅研究了1 a的沼液施用对植株体内重金属含量的影响, 对于连年沼液施用条件下水稻秸秆的重金属超标风险还需进一步研究与评估。

表3 沼液施用对水稻秸秆中重金属含量的影响 Table 3 Effects of biogas slurry application on heavy metals contents in rice straw

2.3.2 水稻籽粒中重金属含量

如表4所示, 沼液施用条件下, 水稻籽粒中重金属Cu含量有增加趋势, 且随着沼液用量增大, 水稻籽粒中Cu含量相应升高。当沼液施用量为600~750 t· hm-2, 籽粒中Pb含量显著(P< 0.05)高于CK; 当沼液施用量为900 t· hm-2时, 籽粒中Pb含量显著(P< 0.05)低于CK。籽粒中其他重金属(Hg、Cr、As、Cd)的含量并未随沼液施用增加而显著高于CK, 不少处理条件下甚至有显著降低籽粒中重金属含量的作用。对照中国食品重金属限量标准(GB 2762— 2012)中对大米的规定, 各处理的水稻籽粒中重金属含量均符合相应要求, 不存在重金属超标风险。

表4 沼液施用对水稻籽粒中重金属含量的影响 Table 4 Effects of biogas slurry application on heavy metals contents in rice grain
3 讨论

沼液中含有丰富的有机质, 能为水稻提供生长所需的各种养分, 且肥效高、易吸收。研究表明[2, 11], 施用沼液能够明显促进水稻分蘖和生长, 有效提高水稻籽粒产量和秸秆生物量, 这与本研究结果一致。但本研究显示, 在实际应用中应注意沼液施用量的合理选择。当沼液总施用量低于750 t· hm-2时, 施用沼液能够增加水稻株高, 增强分蘖能力, 叶片宽大浓绿; 当施用量大于750 t· hm-2时, 株高不再增加, 且分蘖能力显著下降。另外, 施用沼液虽对植株叶片的荧光强度影响较小, 但对净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)等光合特性可能产生负面效应, 这将直接影响水稻产量性状及稻米品质。如在本试验中, 相较于施用化学肥料的对照, 施用沼液的水稻结实率、每穗实粒数、千粒重均下降。张进等[2]、王慧霞等[6]也指出, 沼液的用法用量不当易造成作物生长受抑制、产量品质下降等不良影响。本研究结果与此一致, 但结果也表明, 合理施用沼液可以降低沼液对产量性状的负面影响, 并大幅提高总穗数, 从而使最终产量得到保障, 甚至可能增加。

在重金属含量方面, 本研究显示, 沼液施用使水稻秸秆中汞、铬、铜、砷等重金属含量均有不同程度增加, 与黄继川等[11]、史一鸣[16]的研究结论不同。这可能与沼液施用量水平或与水稻品种有关, 同时也说明, 在沼液作农业肥料化利用时应密切关注重金属含量的变化情况。本研究条件下, 重金属含量在籽粒中的情况与上述二者研究结果相似, 沼液施用并未显著增大水稻籽粒中重金属(汞、铬、砷、镉)的含量, 且水稻籽粒中重金属(汞、铬、铜、砷、镉、铅)含量符合食品中重金属限量标准(GB 2762— 2012), 未发现沼液施用条件下稻米重金属超标风险。

本试验只就沼液施用对水稻生长、产量、重金属等的影响作了探索。综合来看, 在本试验条件下, 沼液总施用量以600 t· hm-2(基肥:追肥=1:1)较为适宜。研究表明, 长期施用沼液对土壤氮素残留、氨挥发等也有不同程度影响[17, 18, 19], 而本研究并未涉及沼液施用对土壤质量等的影响。在今后的研究中, 除应关注沼液施用所带来的经济效益外, 还需考虑其对环境的影响。

(责任编辑 高 峻)

The authors have declared that no competing interests exist.

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