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  农业资源与环境学报  2015, Vol. 32 Issue (1): 31-39

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严正娟, 陈硕, 王敏锋, 宋梓玮, 贾伟, 陈清
YAN Zheng-juan, CHEN Shuo, WANG Min-feng, SONG Zi-wei, JIA Wei, CHEN Qing
不同动物粪肥的磷素形态特征及有效性分析
Characteristics and Availability of Different Forms of Phosphorus in Animal Manures
农业资源与环境学报, 2015, 32(1): 31-39
Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014, 31(6): 513-520
http://dx.doi.org/10.13254/j.jare.2014.0283

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收稿日期:2014-10-18
不同动物粪肥的磷素形态特征及有效性分析
严正娟, 陈硕, 王敏锋, 宋梓玮, 贾伟, 陈清     
中国农业大学资源与环境学院, 北京100193
摘要:我国规模化养殖业的快速发展导致动物粪肥数量急剧增加,合理利用畜禽粪肥中的大量磷素,不仅可节约磷矿资源,而且避免由于粪肥直接排放和农田过量施用所带来的水体面源污染问题。本研究结合调研工作,采集了52个典型养殖场的76个动物粪肥样品,采用Hedley 磷分组方法,系统分析了不同粪肥中磷素含量及其组分特征,评价不同形态磷素在土壤中的移动性及其环境风险,为合理磷素管理提供参考。结果表明:不同动物粪肥的全磷含量差异很大,猪粪、鸡粪、鸭粪、牛粪和羊粪的平均含量分别为22.5、13.7、12.9、9.6 g P·kg-1和7.5 g P·kg-1,其中粪肥中的有机磷占总磷的比例分别为33.1%、41.5%、66.4%、28.1%和36.8%。非反刍动物粪肥(猪粪、鸡粪、鸭粪)中全磷含量和有机磷含量分别为反刍动物粪肥(牛粪和羊粪)中全磷和有机磷含量的1.7~3.0 倍和2.1~3.0 倍,以鸡鸭粪肥中有机磷占全磷的比例最高;非反刍动物粪肥C/P 比(19~29)明显低于反刍动物粪肥C/P 比(38~45),其中的磷素更易矿化;依次采用H2O、NaHCO3、NaOH 和HCl作为提取剂提取动物粪肥的磷素组分,反刍动物粪肥中H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P 和残余态磷分别为总磷的27.8%、32.8%、18.1%、15.2%和6.1%;而非反刍动物粪肥中的各磷素组分的比例分别为24.6%、19.4%、12.7%、34.4%和8.9%;两者主要在NaHCO3-P和HCl-P组分存在差异。综上所述,反刍动物粪肥中活性磷(H2O-P 和NaHCO3-P)的比例更高,超过总磷的60%,而非反刍动物粪肥更易矿化分解的特征导致其可以很快释放活性磷,两者均具有很高的磷素有效性。因此,长期而言,在等粪肥磷投入情况下,两者的环境风险差异不大;而在等粪肥用量情况下,非反刍动物粪肥中更高的磷素含量会导致更高的环境风险。
关键词动物粪肥     磷组分     反刍动物     非反刍动物     磷素移动性    
Characteristics and Availability of Different Forms of Phosphorus in Animal Manures
YAN Zheng-juan, CHEN Shuo, WANG Min-feng, SONG Zi-wei, JIA Wei, CHEN Qing     
College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China
Abstract:The rapid development of intensive livestock industry has greatly increased the discharge of animal manure. Reasonable utilization of large amounts of phosphorus(P)in animal manure can not only save the fertilizer resource, but also avoid water pollution from manure due to direct discharge or excess application in farmland. In this study, P contents and fractionation in 76 animal manures were analyzed using Hedley P fractionation method based on the survey for 52 livestock farms, and P mobility and environmental risks in different manures were evaluated as the reference for manure P management. The results showed that there were significant differences in total P content of animal manures. The mean P contents were 22.5, 13.7, 12.9, 9.6 g P·kg-1 and 7.5 g P·kg-1, in which the proportion of organic P in total P were 33.1%, 41.5%, 66.4%, 28.1%and 36.8%in pig, chicken, duck, cattle and sheep manures, respectively. The contents of total and organic P in non-ruminant animal manure(pig, chicken and duck manures)were 1.7~3.0 times and 2.1~3.0 times greater than that in ruminant manure (cattle and sheep manures)and the proportion of organic P in total P in poultry manure was higher than that in other manures. P mineraliza-tion was easier in non-ruminant animal manure with lower C/P ratio(19~29), compared with that in ruminant manure with C/P ratio of 38~45. Manure P was sequentially extracted by deionized water(H2O-P), NaHCO3(NaHCO3-P), NaOH(NaOH-P)and HCl(HCl-P). The pro-portion of H2O-P, NaHCO3-P, NaOH-P, HCl-P and residual-P in total P in ruminant animal manure were 27.8%, 32.8%, 18.1%, 15.2%and 6.1%, respectively, while that were 24.6%, 19.4%, 12.7%, 34.4% and 8.9% in non-ruminant animal manure. The significant differences were in NaHCO3-P and HCl-P between ruminant and non-ruminant animal manures. Ruminant manure had greater proportion of liable P (H2O-P and NaHCO3-P)in total P(>60%), but the characteristics of higher mineralization rate might result in fast release of liable P in nonruminant animal manure. Both ruminant and non-ruminant animals have high availability of P in manures. Therefore, the contribution of long-term application non-ruminant animal manure to environmental risk is similar to application of ruminant animal manure with applica-tion of the same amount of P. However, due to the higher P content, the former may contribute to higher environmental risk, compared with latter based on application of the same amount of manure.
Key words: animal manure     P fractions     ruminant animal     non-ruminant animal     P mobility    

在过去20多年时间里,我国畜牧业得到了迅猛 发展,规模化程度显著提高。2010年我国生猪、肉牛、 奶牛、羊、蛋鸡、肉鸡的规模化比率分别为51%、23%、 46%、22%、78%和85%[1],已经从传统的副业发展为 农业主导产业;与此同时,规模化养殖业的发展导致 了大量粪肥的产生,其总量超过768百万t(干重),含 磷(P)量为3.1 百万t [2]。畜牧业的快速发展和粪肥在 农田中的施用改变了全球磷素循环,增加了对水体环 境污染的风险。据全国第1次污染源普查公报数据显 示农业源是总氮、总磷排放的主要来源,其排放量分 别占排放总量的57%和67%,其中畜禽养殖业的总 氮和总磷排放分别占农业源的38%和56%。粪肥施 用于农田是磷素主要循环途径,长期连续大量施用粪 肥所导致的磷素在土壤的累积及其对水体的污染问 题已经成为全球关注的焦点。相对于化肥而言,在相同 磷投入下,施用粪肥对活性态磷的累积贡献更大[3, 4, 5], 而当前农田土壤中,尤其是菜田土壤中磷素过量累积 导致了极高的磷素损失风险。

粪肥中的磷素包括无机磷和有机磷,其中一部分 可溶于水,另外部分可与矿物结合或与有机体和重金 属形成复合体[6]。不同的磷素形态对作物的有效性和 环境影响不同。一般认为,无机磷能够直接被作物和 水生生物利用,具有更高的作物有效性和环境风险 性;然而近年来,有机磷在土壤有效磷供应和增加水 体污染方面受到了更多的关注[7, 8]。有研究表明,水溶 性有机磷是可以直接为作物所吸收利用的形态,即使 是难溶于水的有机磷经矿化后可持续释放出无机磷, 对作物生长也极为有利[9]。在水生环境中,短期内无机 磷是水生生物最容易利用的形态,是有效磷的主要组 成,而有机磷则是长期的有效磷源[10],对环境的影响 不容忽视。许多研究指出了粪肥中有机磷的生物有效 性[11, 12, 13]

影响粪肥中磷素形态的因素很多,主要包括粪肥 种类、固液分离状况、清粪方式和处理方式等[6]。其中 粪肥种类是影响粪肥中磷素形态的一个关键因素,不 同粪肥由于动物消化系统以及饲料构成的差异[6, 14],可 能导致磷的含量及其形态特征存在很大的差异,进而 导致进入土壤和水体环境中后对磷素累积、转化和移 动性的影响不同,影响生物利用和环境污染。采用土 壤磷素分级方法研究有机物料中的磷素形态,有助于 研究有机物料施入土壤后对土壤磷库和作物吸磷,以 及环境风险的影响。Hedley 于1982 年通过连续添加 浸提剂,提出了一种新的土壤磷素分级方法,弥补了 传统磷素分级方法不能及时反映土壤中磷素形态动 态变化,以及不能兼顾无机磷和有机磷分组的不足,是 目前公认的较为合理的磷素分级方法[15],该方法及其 改进的方法在土壤研究中得到了广泛的研究。国外研 究者将该方法引入到了粪肥磷素的研究中,并得到了 很好的应用[16, 17]。该方法将粪肥磷分为5 组,依次采用 H2O、0.5 mol·L-1 NaHCO3、0.1 mol·L-1 NaOH、1.0 mol· L-1 HCl 提取,每个组分中又分为无机态和有机态2 个部分,最后用H2SO4-H2O2消煮提取残余态磷。

探明粪肥中的磷素形态对于正确评价粪肥对作 物的有效性及其环境效应,提出合理的粪肥管理策 略,具有非常重要的意义。因此本研究基于对典型养 殖场的调研,采用Hedley 磷分组方法,系统收集不同 粪肥样品进行分析,研究不同粪肥中磷素形态特征及 其有效性,为粪肥的合理管理、降低环境污染,提供理 论依据。 1 材料与方法 1.1 典型养殖场粪肥采集与调研

2012 年8 月,通过随机抽样选择对北京市52 个 规模化养殖场进行了粪肥样品采集。所调查的养殖场 养殖规模分别为:猪500~30 000 头,奶牛200~3 700 头,肉牛200~5 000 头,肉鸡5 000~300 000 只,蛋鸡 3 000~3 000 000 只,羊200~24 000 头。确定52 个规 模化养殖场数量,是按照中国畜牧年鉴2011 年不同 饲养规模水平,把北京市的畜禽养殖场进行分类,并 计算出每种畜禽不同饲养规模下的畜禽粪肥量及相 应的猪粪当量。在此基础上,依据占总粪肥量比重最 小的畜禽粪肥量确定北京市畜禽养殖场调研总数,并根据每种畜禽不同规模水平下粪肥的猪粪当量比例 来确定其调研的养殖场数量。再按照随机抽样方法, 确定每种畜禽不同规模水平下进行样品采集的具体 养殖场。通过对北京市典型的23 个猪场、7 个奶牛 场、4 个肉牛场、3 个肉鸡场、8 个蛋鸡场、2 个羊场和 5 个鸭场进行采样,共获取76 个固体粪肥样品,包括 48 个猪粪、7 个奶牛粪、4 个肉牛粪、3 个肉鸡粪、7 个 蛋鸡粪、2 个羊粪和5 个鸭粪。部分猪场分别获取了 育肥猪、仔猪以及母猪的3 种粪肥,而其他畜禽养殖 场取了1 个有代表性的粪肥混合样品。固体粪便的采 集采用多点取样法,直接从畜舍不同位置采集新鲜样 品,混合成1 个有代表性1 kg的样品。 1.2 样品处理与测定方法

将采集的样品带回实验室进行风干处理后,分别 过2 mm 和1 mm 筛,置于封口袋中保存,备用。有机 碳测定按照有机肥行业标准(NY 525—2002)进行,采 用重铬酸钾容量法[18]。粪肥磷分组采用修正的Hedley 磷分级方法。称取0.3 g过2 mm 筛的风干样品置于 50 mL离心管中,依次采用30 mL去离子水(H2O-P)、 0.5 mol·L-1 NaHCO3(NaHCO3-P)、0.1 mol·L-1 NaOH (NaOH-P)和1 mol·L-1 HCl(HCl-P)浸提。每一步加 入浸提液后,震荡16 h后(25 ℃,200 r·min-1),离心 (18 000 g,10 min,4 ℃),之后收集上层清液并过0.45 滋m滤膜[13, 16, 19]。各部分提取中无机磷(Pi)含量的测定 采用钼锑抗比色法测定,全磷(Pt)含量采用过硫酸铵 氧化-钼锑抗比色法测定。有机磷(Po)的含量为全磷和 无机磷的差值。HCl浸提后的土壤,采用浓H2SO4-H2O2 消化-钼锑抗比色法测定获取残余态磷(Residual-P)。 总无机磷含量为各部分无机磷的总和,总有机磷含量 为各部分有机磷之和加上残余态磷。 1.3 数据处理

采用Excel 2011 和Sigmaplot 10.0 进行数据处 理和图表制作。 2 结果与分析 2.1 全磷含量与C/P比

不同粪肥全磷含量存在较大差异,猪粪、鸡粪、鸭 粪、牛粪和羊粪中全磷的平均含量分别为22.5、13.7、 12.9、9.6 g P·kg-1和7.5 g P·kg-1图 1)。总体而言,非 反刍动物(猪、鸡和鸭)粪肥中磷的含量高于反刍动物 (牛和羊),其中以猪粪中磷的含量最高,分别为鸡粪、 鸭粪、牛粪和羊粪的1.6、1.8、2.4 倍和3.0 倍。这种趋 势与饲料中磷的含量密切相关,一般非反刍动物饲料中磷的含量在4.0~8.0 g P·kg-1之间,而反刍动物饲 料中磷的含量在2.0~4.0 g P·kg-1之间[20, 21, 22, 23, 24]。同一动物 粪肥中磷素含量存在很大的变异性,反映出了不同养 殖场之间饲料配方的差异性,同时动物生长阶段、粪 肥处理方式等也直接影响粪肥中磷素含量[6]。同样不 同粪肥中有机碳的含量也存在很大的差异,猪粪、鸡 粪、鸭粪、牛粪和羊粪中有机碳的平均含量分别为 306、253、248、349 g C·kg-1和370 g C·kg-1。与全磷不 同,有机碳的含量以反刍动物粪肥中较高,为非反刍 动物粪肥中有机碳的含量的1.2~1.5倍。这可能与反 刍动物饲料以秸秆等粗饲料为主,而非反刍动物饲料 则以谷物为主有关。粪肥中较低的有机碳含量和高磷 含量导致低C/P比,猪粪中C/P 比平均仅为18.9,分 别为牛粪和羊粪C/P比的50%和42%。

图 1 不同动物粪肥中全磷含量及其碳/磷比值 Figure 1 Total P contents and C/P ratio in different animal manures
2.2 粪肥中磷素组分特征 2.2.1 有机磷和无机磷

猪粪、鸡粪、鸭粪、牛粪和羊粪中无机磷的平均含量分别为15.2、8.2、4.7、6.9 g P·kg-1和4.8 g P·kg-1图 2)。猪粪中无机磷含量最高,为其他粪肥的1.9~3.2 倍。猪粪、鸡粪、鸭粪、牛粪和羊粪中有机磷的平均含 量分别为7.3、5.6、8.0、2.7 g P·kg-1和2.8 g P·kg-1。非 反刍动物粪肥中有机磷的含量较高,为反刍动物粪肥 中有机磷含量的2.1~3.0 倍。总体而言,粪肥中有机磷 的比例较低,其中鸭粪和鸡粪中有机磷占全磷的比例 最高,平均值超过了40%,猪粪和牛粪中有机磷占全 磷的比例最低,平均值分别为33.1%和28.1%。粪肥 中有机磷的含量及其在总磷中所占的比例与动物饲 料结构以及消化系统密切相关。

图 2 不同动物粪肥中有机磷和无机磷总量及其有机磷占全磷的比例 Figure 2 Contents of total organic and total inorganic P,and the proportion of total organic P in total P in different animal manures
2.2.2 磷素形态

水浸提磷(H2O-P),主要包括溶于水的无机磷, 也包括部分的有机磷,是活性最强的磷素形态[13, 19, 25]。 不同粪肥中H2O-P的平均含量为1.8~4.9 g P·kg-1,占到总磷含量的22.8%~34.0%(图 3图 4)。其中猪粪 和鸡粪中H2O-P 的含量最高,平均值分别为4.8 g P· kg-1 和4.6 g P·kg-1,羊粪中H2O-P 的含量最低,平均 值为1.8 g P·kg-1;H2O-P 占总磷的比例则以鸡粪和牛 粪较高,猪粪最低。采用0.5 mol·L-1 NaHCO3提取的 磷(NaHCO3-P)是被吸附在矿物表面的这部分磷,无 机磷部分对于作物吸收是有效的,有机磷部分易于矿 化,短期内也能被植物利用,是活性较强的磷素形 态[13, 19, 25]。猪粪中NaHCO3-P 的含量最高,平均值达到4.6 g P·kg-1,为其他动物粪肥NaHCO3-P 的含量 的1.5~3.0 倍。除去猪粪,其他粪肥中NaHCO3-P 的 含量,表现为反刍动物粪肥(平均值2.5~3.1 g P·kg-1) 高于非反刍动物粪肥(平均值1.5~2.2 g P·kg-1)。 NaHCO3-P 占总磷的比例也表现为反刍动物粪肥(平 均值32.8%)高于非反刍动物粪肥(平均值19.4%)。 H2O-P 和NaHCO3-P 是植物和水生生物可利用,为不 稳定态磷,其施入土壤后具有更高的因淋洗或径流引 起富营养化的风险[16]。猪粪中不稳定态磷的含量最 高,平均值达到9.5 g P·kg-1,其次为鸡粪和牛粪,鸭粪 和羊粪中最低。不稳定态磷占全磷的比例则表现为 反刍动物粪肥(平均值60.6%)高于非反刍动物粪肥 (平均值44.0%)。

图 3 采用Hedley 磷分组方法测定的不同动物粪肥各组分中磷的含量 Figure 3 Contents of P at different fractions in different animal manures measured by Hedley sequential P extraction method

图 4 不同动物粪肥中不同磷素组分占总磷的比例 Figure 4 Proportion of different P fractions in total P in different animal manures

采用0.1 mol·L-1 NaOH提取的磷(NaOH-P),主要 是以化学吸附作用吸附于铁铝氧化合物,为中稳定态 磷,且以有机磷的比例更高[13, 19, 25]。NaOH-P 的含量及 其在总磷中所占的比例较低。猪粪、鸡粪、鸭粪、牛粪 和羊粪中NaOH-P的平均含量分别为2.7、1.3、2.1、1.7 g P·kg-1和1.4 g P·kg-1,为粪肥中总磷含量的12.8%、 10.0%、18.0%、18.0%和18.7%。

采用1.0 mol·L-1 HCl 提取的磷(HCl-P),是与钙 结合形成的稳定矿物,为高稳定态磷,此部分磷含量 及其比例以非反刍动物粪肥明显高于反刍动物。猪 粪、鸡粪和鸭粪中HCl-P的平均含量分别为8.1、5.0 g P·kg-1 和5.4 g P·kg-1,分别为总磷含量的33.6%、 35.7%和40.8%;牛粪和羊粪中HCl-P 的平均含量分 别为1.6 g P·kg-1和0.8 g P·kg-1,分别为总磷含量的 16.1%和10.5%。采用H4SO2-H2O2消煮提取的残余态 磷(Residual-P),为最稳定的有机磷部分[13, 19, 25]。相对 与其他组分,动物粪肥中Residual-P 的含量及其占总 磷的比例最低。猪粪、鸡粪、鸭粪、牛粪和羊粪中 Residual-P 的平均含量分别为2.3、0.6、0.9、0.5 g P· kg-1和1.0 g P·kg-1,为粪肥中总磷含量的10.2%、3.9%、 6.0%、4.8%和13.4%。

从磷组分分布的数据来看,非反刍动物中HCl-P 占到了总磷的40%左右,而反刍动物中HCl-P 的含 量低于总磷的16%;但是反刍动物粪肥中不稳定态磷 (H2O-P 和NaHCO3-P)的含量约为总磷含量的60%, 高于非反刍动物(图 4)。从无机磷组分来看,非反刍动 物粪肥中不稳定态磷无机磷的含量超过了无机磷总 量的50%,而反刍动物粪肥中超过70%的无机磷为 不稳定态磷;粪肥中NaOH-Pi 占总无机磷比例较低, 反刍动物为12%,非反刍动物为5%~10%;不同粪肥 中HCl-Pi 占总无机磷比例差异很大,以猪粪中最高, 占到总无机磷的33.7%,其次为鸡鸭粪,而牛羊粪中 HCl-Pi 的含量仅为总无机磷的8.8%~11.7%。从有机 磷的组分来看,粪肥中不稳定态有机磷占总有机磷的 比例差异不明显,在18.5%~23.0%之间;NaOH-Po 占 总有机磷的比例,反刍动物粪肥为30.1%~32.7%,非 反刍动物为16.7%~21.2%;HCl-Po 占总有机磷的比 例,反刍动物粪肥为13.2%~27.8%,非反刍动物为 33.4%~50.4%;Residual-P 占总有机磷的比例则以猪 粪和羊粪中最高超过了30%,其他粪肥为9.4%~16.7%。 3 讨论 3.1 粪肥中磷素含量及其影响因素

本研究中猪粪、鸡粪、牛粪、羊粪中全磷含量范围 分别为13.2~34.3、9.3~16.7、7.2~14.0 g P·kg-1 和7.5~ 7.6 g P·kg-1。Pagliari[6]汇总不同研究中的结果表明,猪 粪、鸡粪、牛粪、羊粪中全磷含量范围分别为3.9~ 48.7、8.6~30.4、2.5~18.3 g P·kg-1和7.2~10.7 g P·kg-1。 由此可以看出,不同的研究中对粪肥中磷素含量的报 道差异很大。但是总体规律是非反刍动物粪肥中磷素 含量高于反刍动物[13, 16]。Pagliari 等[13]的研究表明,非 反刍动物粪肥全磷含量平均为21.3 g P·kg-1,是反刍动 物(平均7.1 g P·kg-1)的3 倍,非反刍动物粪肥无机磷 含量比反刍动物粪肥高3~5 倍,有机磷含量是反刍动 物粪肥的3.5 倍。本研究的结果也表明,非反刍动物 粪肥中全磷的含量和有机磷含量分别为反刍动物粪 肥中全磷和有机磷含量的1.7~3.0倍和2.1~3.0倍;然 而除猪粪中无机磷的含量显著高于反刍动物粪肥中 无机磷的含量外,鸡鸭粪中无机磷的含量与反刍动物 相比,并没有较大的差异。就不同磷组分而言,本研究 中的结果显示,反刍动物粪肥中H2O-P、NaHCO3-P、 NaOH-P、HCl-P 和Residual-P 分别占总磷的28%、 33%、18%、15%和6%;非反刍动物粪肥中H2O-P、 NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P 和Residual-P 分别为总 磷的25%、19%、13%、34%和9%。这一结果与Pagliari 等[13]的研究结果相似,其研究表明,反刍动物粪肥中 H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P 和Residual-P 分 别占总磷的36%、36%、13%、8%和7%;非反刍动物粪肥 中H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P 和Residual-P 分别为总磷的34%、17%、5%、41%和3%。而Dou 等[16] 的研究结果表明,牛粪中H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P、 HCl-P 和Residual-P 分别占总磷的70%、14%、6%、5%和5%;鸡粪中H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P 和Residual-P 分别为总磷的49%、19%、5%、25%和 2%。

动物粪肥中磷的含量及其组分受多因素影响,包 括动物种类、生长阶段、饲料构成、清粪方式和粪肥 储藏方式等[6, 26]。动物种类不同,其饲料组成和消化能 力存在很大的差异。饲料配方,一般包括粗饲料、能量 饲料、蛋白质饲料、矿物质饲料、常规饲料添加剂5 大 类。一般对于牛羊等反刍动物,基本都采用上述5 大类饲料[27, 28],对于鸡鸭饲料配方,基本不包括粗饲 料[29, 30, 31],以谷物为主,其中富含植酸,而与此同时鸡鸭 等非反刍动物消化系统缺乏植酸酶导致对饲料中 磷的消化和吸收效率偏低,排出的粪肥中磷含量较 高[14, 32, 33],且有机磷含量及其占全磷的比例相对高,而 不稳定态磷在总磷中所占的比例低于反刍动物。尽管 猪也是非反刍动物,但是其后肠能够消化植酸[34],进 而导致了相对低的有机磷/全磷比。一些研究也报道 了通过改变饲料组成改变粪肥中磷素含量和组成。低 植酸含量玉米粒饲喂的猪产生的粪肥比饲喂传统玉 米粒的猪粪肥含磷量低,含磷量分别为20 g P·kg-1和 34 g P·kg-1 [35];饲料中添加铁铝比钙更易降低奶牛粪 肥中磷的溶解性[36]。不同的动物生长阶段影响粪肥中 磷的含量,以猪为例,本研究的结果显示不同生长期 猪所排出的粪肥中磷的含量为:母猪>肥猪>仔猪(数 据未给出)。同一种动物粪肥中,非常大的变异性反应 出了不同养殖场中饲料配方的差异。粪肥的固体和液 体部分中磷含量也存在很大的差别。Pagliari 等[13]的研 究表明,猪粪中液体部分磷的含量是固体部分的2 倍。不同清粪方式下产生的废水含磷量也不同,水泡 粪的废水含磷量是干清粪下的废水含磷量的3倍。此 外,不同的采样方式也影响粪肥中磷含量及其组分, 本研究中的粪肥样品均为直接从畜舍采集的新鲜样 品,而已有的报道中的一些分析样品为储藏一段时间 后的样品,不同的储藏方式和时间均可能影响粪肥中 磷的含量和组分。 3.2 粪肥中磷素形态及其农学和环境效应

粪肥中含有丰富的磷素养分,且以无机磷为主, 进入土壤溶液后,能够被作物直接吸收利用。Steven原 son[37]的研究结果表明,施入土壤的有机物料的C/P 比,影响有机磷的矿化,净固定和矿化发生的C/P 比 分别为大于300 和小于200。而粪肥中C/P比一般都 低于50,因此施入土壤后粪肥的有机磷部分也极易 矿化释放。并且,粪肥中磷不稳定态磷(H2O-P+ NaHCO3-P)的组分超过了总磷的40%,反刍动物更超 过60%的磷组分为不稳定态磷,具有很高的活性。而 即便是高稳定性的HCl-P,在有充分水分的情况,也 能溶于水[13]。Studnicka 等[38]的研究表明,粪肥和水的 比例由1:100 增加到1:1 000,显著提高了水溶性的比 例。就目前我国而言,大约1/3 的粪肥磷进入了设施 菜地中[39],而大水漫灌是目前使用的主要灌溉方式, 每次灌溉量为60~70mm[40],每季灌水总量大约为1 000 mm[41],这种灌溉方式无疑会进一步促进粪肥中磷的 溶解。最近的一些研究已经表明,相比与化肥而言,粪 肥磷具有同等甚至更高的作物有效性[42, 43, 44]。因此,粪肥 可以被作为主要的磷源,部分或者完全取代化肥磷。 而对于不同粪肥而言,由于其磷含量和组分的差异, 因此在粪肥施用策略方面应有所不同。非反刍动物粪 肥中磷的含量为反刍动物粪肥中磷含量的1.7~3.0 倍,因此在施用量上应该有所不同。在等量粪肥磷投 入情况下,反刍动物粪肥中不稳定态磷的比例更高, 在施用初期可能具有更高的有效性,但是非反刍动物 粪肥更易矿化分解的特征导致其可以很快释放活性 磷。尽管就作物生长的整个生育期而言,粪肥磷和化 肥磷的有效性差不多,但是有研究指出粪肥施用后的 前一个月其有效性低于化肥磷[45],而这种效应在非反 刍动物粪肥施用后的一个月,可能表现更明显。因此, 在等量粪肥磷投入情况下,相对于反刍动物粪肥,非 反刍动物粪肥的施用,更需要注意作物生长前期的根 层调控,以提高磷的有效性。

动物粪肥含有巨大的磷素资源,如能合理循环利 用,将节约大量的化肥资源;然而粪肥直接排放和 不合理的农田施用所引起的磷素环境问题已成为 目前亟待解决的问题。许多研究已经表明了粪肥施 用在土壤磷素累积的作用[46, 47, 48]。相同磷投入下,相对于 化肥而言,粪肥对于磷的累积,尤其是活性态磷的累 积贡献更大[3, 4, 5]。Li 等[49]的研究表明,粪肥投入导致的 土壤Olsen-P增量为相等磷投入量化肥的3倍。大量磷 的累积导致了极大的磷素损失风险。农田生态系统 中,磷的损失包括淋洗和地表损失(土壤侵蚀和地表 径流)两大类,据报道一般淋洗的损失仅占总损失的 10%,但是通过淋洗损失的磷素形态主要为可溶性 磷,水生生物更容易利用[50],因此,这部分磷一旦进入 水体其环境风险更大。在高磷固定土壤上,与无机磷 相比,有机磷被土壤无机矿物的固定程度低,在土壤 中具有更大的移动性,是土壤剖面磷素运移的主要形 态[51, 52, 53],这种差别在低磷固定(高饱和度)土壤中减小[54]。NaHCO3-P 和H2O-P 为不稳定态磷,容易通 过淋洗等途径损失[17, 55]。反刍动物粪肥中含有更高 的不稳定态磷,因此施入土壤后具有非常高的通过径 流和淋洗损失风险。而非反刍动物粪肥中更高的有机 磷含量,可能促进有机磷在土壤剖面的移动;同时极 易矿化分解的特征导致其可以很快释放活性磷。因 此,长期而言,在等粪肥磷投入情况下,两者的环境风 险差异不大;而在等粪肥用量情况下,非反刍动物粪 肥中更高的磷素含量会导致更高的环境风险。 4 结论

(1)不同粪肥全磷含量存在较大差异,猪粪、鸡粪、 鸭粪、牛粪和羊粪的平均含量分别为22.5、13.7、12.9、 9.6 g P·kg-1和7.5 g P·kg-1,其中有机磷占总磷的比例 分别为33.1%、41.5%、66.4%、28.1%和36.8%。非反刍 动物粪肥中全磷的含量和有机磷含量分别为反刍动 物粪肥中全磷和有机磷含量的1.7~3.0 倍和2.1~3.0 倍,鸡鸭粪中有机磷占全磷的比例较高。

(2)非反刍动物粪肥C/P 比(19~29)明显低于反 刍动物粪肥C/P比(38~45),磷素更易矿化。 (3)反刍动物粪便中H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P、 HCl-P和残余态磷分别为总磷的27.8%、32.8%、18.1%、 15.2%和6.1%;而非反刍动物粪肥中的各磷素组分的 比例分别为24.6%、19.4%、12.7%、34.4%和8.9%;两 者主要在NaHCO3-P 和HCl-P组分存在差异。

(4)综上所述,反刍动物粪肥中活性磷(H2O-P 和 NaHCO3-P)的比例更高,超过总磷的60%,而非反刍 动物粪肥更易矿化分解的特征导致其可以很快释放 活性磷,两者均具有很高的的磷素有效性。因此,长期 而言,在等粪肥磷投入情况下,两者的环境风险差异 不大;而在等粪肥用量情况下,非反刍动物粪肥中更 高的磷素含量会导致更高的环境风险。

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