随着我国畜禽规模化养殖程度的快速发展，畜禽粪便产生量已高达每年3.2×10⁹ t^[1]，成为农业面源污染的重要来源之一。据报道，2013年江苏省规模养殖占畜禽生产的比例，生猪、肉禽、蛋禽和奶牛分别达85%、96%、93%和93%。江苏省畜禽粪便排泄量达5.3×10⁷ t，而利用率不到60%，N、P、K养分浪费量分别达到了1.43×10⁵、9.1×10⁴ t和1.2×10⁵ t，如将这些资源利用，可为3.33×10⁵ hm²农田提供肥料^[2]，又可减少或避免规模养殖废弃物直接排放的环境污染风险，对促进农牧结合、高效循环农业技术的推广应用具有十分重要的理论和实践意义。然而，饲料添加剂的普遍使用，已造成规模化养殖场畜禽粪便重金属Cu、Zn等元素含量超标严重^[3]。柳开楼等^[4]以不同猪粪施用年限（0、5、16、22、30年）土壤Cu、Zn、Cr累积速率为依据，按照猪粪施用量（22.5 t·hm^-2· a^-1）折算红壤稻田猪粪安全施用时间分别为21.6、66.5、43.8年，故重金属Cu是影响猪粪安全利用的主要限制因素之一。张树清等^[5]对全国7个省市32个规模猪场调查分析指出，猪粪Cu含量范围在10.7~1591 mg·kg^-1之间，平均约为491.2 mg· kg^-1。猪粪中Cu含量超标率在69.0%~81.6%之间^{[3, 6]}。已有研究表明，连续大量施用畜禽粪便，土壤重金属Cu等元素会有明显累积趋势^[7-10]，并对土壤中重金属Cu等元素的有效性^[11-12]及其形态转化^[13-15]有显著影响；作物可食部位Cu等元素含量也会有所提高，其影响大小与有机肥种类、用量、土壤类型、pH值和作物种类等因素有关^[16]。另外，土壤中有害重金属积累到一定程度，不仅会导致土壤退化、农作物产量和品质下降，还会通过径流、淋失作用污染地表水和地下水，恶化水文环境，并可能直接毒害植物或通过食物链途径危害人体健康^[17]。目前国内外关于农田土壤重金属Cu的累积特征研究较多，但在猪粪定量施用条件下重金属Cu年累积速率及其用量控制方面的研究不够。本试验以稻麦两熟制农田为对象，研究不同量猪粪施用后土壤总Cu和有效态Cu含量的变化规律及其年累积速率，并依此探讨稻麦农田猪粪适宜的施用量，为规模养猪场有机肥的安全利用技术推广提供科学依据。

试验始于2010年11月，在江苏省农业科学院六合实验基地（32°29’N，118°36’E）进行。该区属北亚热带季风湿润气候区，气候温和、四季分明，年平均温度15.3 ℃，年平均降雨量970 mm，年日照时数2200 h，年平均无霜期215 d，该区主要为冬小麦-水稻两熟制。

试验田土壤类型为黄褐土，耕层为重壤土。试验前耕层（0~20 cm）土壤容重1.38 g·cm^-3，有机质12.1 g· kg^-1，全氮0.91 g· kg^-1，全磷0.55 g· kg^-1，有效磷5.39 mg·kg^-1，速效钾105.6 mg·kg^-1，总Cu 34.0 mg· kg^-1，有效态Cu 3.8 mg·kg^-1。

猪粪来源于江苏省明天农牧科技有限公司，位于江苏省南京市六合区竹镇金磁村。麦季猪粪平均含N 2.01%、P₂O₅ 2.61%和K₂O 0.81%，稻季猪粪平均含N 1.66%、P₂O₅ 2.66%和K₂O 1.35%；猪粪平均含总Cu 172.4 mg·kg^-1，有效态Cu 25.9 mg· kg^-1。

采用随机区组设计，根据猪粪用量，设置8个处理：淤不施肥（CK），于化肥（CF），盂25%猪粪+75%化肥（25%PM+75%CF，其中25%猪粪氮+35%化肥氮作基（蘖）肥施用、40%化肥氮作穗肥施用），榆50%猪粪+50%化肥（50%PM+50%CF，其中50%猪粪氮+10%化肥氮作基（蘖）肥施用、40%化肥氮作穗肥施用），虞75%猪粪+25%化肥（75%PM+25%CF，其中60%猪粪氮作基肥、15%猪粪氮+25%化肥氮作穗肥施用），愚100%猪粪（100%PM，按基肥:穗肥为6:4分两次施用），舆125%猪粪（125%PM，按基肥:穗肥为6:4分两次施用），余200%猪粪（200%PM，按基肥:穗肥为6:4分两次施用）。每个处理3次重复，各小区面积90 m²。选用当地主推品种宁麦16、南粳44为供试材料。耕作方式为旋耕，耕作深度8~12 cm。施肥量以化肥处理为参照，麦季施纯氮225 kg· hm^-2，磷（P₂O₅）、钾（K₂O）均为112.5 kg· hm^-2，稻季施纯氮300 kg· hm^-2，磷（P₂O₅）、钾（K₂O）均为150 kg· hm^-2，处理于至处理愚均施用等量氮，处理舆施氮量为化肥处理的1.25倍，处理余施氮量为化肥处理的2倍。根据测定的猪粪养分含量，按氮含量计算各猪粪处理麦季、稻季猪粪施用量，磷钾肥不足时分别用过磷酸钙（12%）和氯化钾（60%）补齐。麦季氮肥按基肥:穗肥为6:4施用，磷钾肥于耕作前作基肥一次撒施；稻季氮肥按基肥:分蘖肥:穗肥为4:2:4施用，磷肥于耕作前作基肥一次撒施，钾肥作基肥和穗肥两次施用，每次50%。猪粪和化肥均采用人工撒施方式。其他田间管理措施按当地一般高产农田管理方式进行。

在2013年和2014年水稻收获时，采集5点混合样品，各处理中3次重复单独采样。分0~10 cm和10~20 cm两个层次采集土样，带回实验室自然风干后，剔除石砾及植物残茬等杂物，过筛后待测。

采用HF-HNO₃-HClO₄消煮和DTPA浸提（NY/T 890-2004）-原子吸收分光光度法分别测定土壤总Cu和有效态Cu含量。

水稻收获期土壤Cu含量的年均累积速率和猪粪可安全施用年限的计算公式如下：

(1)

(2)

式中：HMI_PM为不同用量猪粪处理土壤重金属Cu年均累积速率，mg· kg^-1· a^-1；HM_PM为不同用量猪粪施用后第n年土壤重金属Cu含量，mg· kg^-1；HM_CF为化肥处理第n年土壤重金属Cu含量，mg·kg^-1；n为猪粪施用年限，a；HMT_PM为不同用量猪粪可安全施用年限，a；100为农业安全生产二级标准土壤pH值为6.5~7.5的Cu含量，mg·kg^-1。

采用Office 2013和SPSS 10.0软件进行数据处理及作图，处理间多重比较用LSD法。

水稻收获期，土壤总Cu含量随着猪粪施用比例提高呈线性增加趋势。2013年和2014年水稻收获期，耕层0~10 cm土壤总Cu含量与猪粪施用比例的关系可分别用线性方程Y ₍₂₀₁₃₎=0.145 3X+35.784和Y ₍₂₀₁₄₎=0.244 1X+34.431来拟合（图 1），决定系数（R²）分别为0.946^**和0.994^**（n=7）；下层10~20 cm土壤总Cu含量与猪粪施用比例的关系可分别用线性方程Y ₍₂₀₁₃₎=0.065 6X+34.41和Y ₍₂₀₁₄₎=0.092 9X+34.047来拟合（图 2），决定系数（R²）分别为0.969^**和0.886^**（n=7），均达到极显著水平。具体来看，2013年和2014年水稻收获期，各猪粪处理耕层0~10 cm土壤总Cu含量变化范围分别为38.2~62.9、40.1~83.2 mg·kg^-1，即不同量猪粪施用3至4年耕层0~10 cm土壤总Cu含量增加幅度为1.4~20.3 mg·kg^-1；下层10~20 cm土壤总Cu含量变化范围分别为36.5~47.3、35.7~53.3 mg·kg^-1，即不同量猪粪施用3至4年下层10~20 cm土壤总Cu含量增加幅度为-0.9~5.9 mg· kg^-1。可见，连续施用猪粪，耕层土壤总Cu存在累积现象，尤其是高量猪粪施用后总Cu含量增加幅度较大。

图 1 耕层0~10 cm土壤总Cu与猪粪施用比例的关系 Figure 1 Relationship between total copper and pig manure application ratio in the 0~10 cm soil layer *表示显著性水平P < 0.05，**表示显著性水平P < 0.01。下同

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图 2 下层10~20 cm土壤总Cu与猪粪施用比例的关系 Figure 2 Relationship between total copper and pig manure application ratio in the 10~20 cm soil layer

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水稻收获期，土壤有效态Cu与总Cu含量变化规律一致，均随着猪粪施用比例提高呈线性增加趋势。2013年和2014年水稻收获期，耕层0~10 cm土壤有效态Cu含量与猪粪施用比例的关系可分别用线性方程Y ₍₂₀₁₃₎=0.064 4X+6.023 4和Y ₍₂₀₁₄₎=0.098 9X+ 6.048 6来拟合（图 3），决定系数（R²）分别为0.844^**和0.962^**（n=7）；下层10~20 cm土壤有效态Cu含量与猪粪施用比例的关系可分别用线性方程Y ₍₂₀₁₃₎=0.041 3X+ 3. 314 9和Y ₍₂₀₁₄₎=0.044X+3.494 3来拟合（图 4），决定系数（R²）分别为0.983^**和0.946^**（n=7），均达到极显著水平。具体来看，2013年和2014年水稻收获期，不同猪粪处理耕层0~10 cm土壤有效态Cu含量变化范围分别为6.5~16.7、8.2~24.6 mg·kg^-1，即不同量猪粪施用3至4年耕层0~10 cm土壤有效态Cu含量增加幅度为1.2~7.9 mg· kg^-1；下层10~20 cm土壤有效态Cu含量变化范围分别为4.2~12.0、3.7~11.8 mg· kg^-1，即不同量猪粪施用后3至4年下层10~20 cm土壤有效态Cu含量增加幅度为-0.5~1.9 mg·kg^-1。可见，连续施用猪粪，耕层土壤有效态Cu存在累积现象，尤其是高量猪粪施用后有效态Cu累积速度较快。

图 3 耕层0~10 cm土壤有效态Cu与猪粪施用比例的关系 Figure 3 Relationship between available copper and pig manure application ratio in the 0~10 cm soil layer

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图 4 下层10~20 cm土壤有效态Cu与猪粪施用比例的关系 Figure 4 Relationship between available copper and pig manure application ratio in the 10~20 cm soil layer

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水稻收获期，耕层0~10 cm土壤总Cu和有效态Cu年累积速率均随着猪粪施用比例提高呈线性增加趋势。猪粪施用后的3至4年，以化肥处理总Cu含量（34.7、33.7 mg· kg^-1）为基准，耕层0~10 cm土壤总Cu年均累积速率与猪粪施用比例的关系可分别用线性方程Y ₍₃₎=0.046 6X+0.622 7和Y ₍₄₎=0.060 1X+0.305来拟合（图 5），决定系数（R²）分别为0.925^**和0.992^**（n=6）；以化肥处理有效态Cu含量（4.2、4.0 mg·kg^-1）为基准，耕层0~10 cm土壤有效态Cu年均累积速率与猪粪施用比例的关系可分别用线性方程Y ₍₃₎=0.018 4X+1.014 4和Y ₍₄₎=0.022 2X+0.831 7来拟合（图 6），决定系数（R²）分别为0.794^*和0.976^**（n=6），均达到显著水平。具体来看，猪粪施用后的3至4年，各猪粪处理耕层0~10 cm土壤总Cu年均累积速率变化范围分别为1.2~9.4、1.6~12.4 mg·kg^-1· a^-1，即年季间变异范围在0.4~3.0 mg· kg^-1·a^-1之间；土壤有效态Cu年均累积速率变化范围分别为0.8~4.2、1.1~5.1 mg· kg^-1· a^-1，即年季间变异范围在0.3~0.9 mg·kg^-1· a^-1之间。可见，就耕层土壤Cu年累积速率而言，不同量猪粪施用后前4年耕层土壤总Cu和有效态Cu年均累积速率普遍高于前3年，尤其是高量猪粪施用后差异较大。

图 5 耕层0~10 cm土壤总Cu年均累积速率与猪粪施用比例的关系 Figure 5 Relationship between average annual accumulation rate of total copper and pig manure application ratio in the 0~10 cm soil layer

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图 6 耕层0~10 cm土壤有效态Cu年均累积速率与猪粪施用比例的关系 Figure 6 Relationship between average annual accumulation rate of available copper and pig manure application ratio in the 0~10 cm soil layer

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根据农业安全生产标准（二级标准），pH值在6.5~7.5之间，耕层土壤Cu含量不超过100 mg·kg^-1，结合不同猪粪施用比例的耕层土壤总Cu年均累积速率可知，猪粪可安全施用年限随着猪粪施用比例提高呈现降低的趋势。猪粪施用后的3至4年的可安全施用年限与其施用比例的关系可分别用乘幂方程Y₍₃₎=1 511.8X ^-1.045和Y₍₄₎=816.9X^-0.947来拟合（图 7），决定系数（R²）分别为0.944^**和0.985^**（n=6），均达到极显著水平。根据上述猪粪可安全施用年限与其施用比例的拟合方程，在农业安全生产二级标准内20年尺度上，猪粪氮替代化学氮肥比例为50.3%~62.7%，50年尺度上猪粪氮替代化学氮肥比例为19.1%~26.1%。为此，基于本试验耕层土壤Cu累积效应，建议20年尺度上猪粪氮替代比例不超过50%，50年尺度上猪粪氮替代比例不超过20%。

图 7 猪粪可安全施用年限与其施用比例的关系 Figure 7 Relationship between safety use ages and application ratio of pig manure

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畜牧养殖业配方饲料添加铜等微量元素较为普遍，由于畜禽对添加剂中微量元素的利用率通常较低，这些微量元素大部分随粪便排出，故畜禽粪便有机肥料还田已成为农田重金属主要污染源之一^{[3, 9]}。王婷等^[18]通过文献查阅和采样分析指出，整个水稻种植体系范围内各输入项（包括大气沉降、磷肥、畜禽粪便和灌溉水）中92.4%~95.2%的Cu来自畜禽粪便。国内外研究表明，经常施用猪粪能够增加土壤表层Cu含量^{[10, 13, 19-20]}。本研究表明，连续施用不同量猪粪后第3、4年水稻收获期，土壤总Cu和有效态Cu含量均随着猪粪施用比例提高呈线性增加趋势。这与前人研究结果一致。Lipoth等^[12]研究发现，长期施用有机肥会造成土壤中有效态Cu含量的增加。姚丽贤等^[11]研究结果表明，施用粪肥明显提高了土壤中有效态Cu的含量及其所占的比例。本研究也发现，水稻收获期各猪粪处理土壤有效态Cu占总Cu的比例为16.9%~30.1%，显著（P < 0.05）高于不施肥（有效态Cu占9.4%）和化肥（有效态Cu占11.9%~12.0%）处理，主要是由于猪粪本身带入了有效态Cu的缘故。

从源头上控制农田土壤重金属污染是农业可持续发展和保障农产品质量安全的首要措施。国内外关于有机肥使用量及其重金属含量控制方面已有些报道，如：李祖章等^[10]通过定位试验研究指出，每年稻田以15 t·hm^-2猪粪+50%化肥配合施用，一般不会造成农田土壤有害重金属元素的积累；王婷等^[18]通过物质流分析法和情景分析法指出，畜禽粪便中铜含量应控制在35~95 mg· kg^-1范围内；Yang等^[21]对试验点进行环境容量年限分析，若按照45 t· hm^-2的量投入有机肥，Cu将在15年内达到土壤容量标准。本研究根据猪粪可安全施用年限与其施用比例的乘幂拟合方程，基于耕层土壤总Cu年均累积速率，在农业安全生产二级标准内50年和20年尺度上猪粪氮替代比例变化范围分别为19.1%~26.1%和50.3%~62.7%，折算猪粪年施用量分别为5.6~7.6、14.7~18.3 t· hm^-2。尽管20年尺度上猪粪施用量与李祖章等^[10]研究结果相近，但若按45 t· hm^-2猪粪施用量，则拟合结果显示耕层土壤总Cu含量将在6.9~7.8年达到土壤容量标准，远小于Yang等^[21]提出的15年。另外，上述水稻收获期各猪粪施用比例的耕层0~10 cm土壤总Cu年均累积速率变化范围为1.2~9.4 mg· kg^-1· a^-1，与双季稻土壤重金属Cu的年增加量变动范围0.2~9.1 mg· kg^-1· a^-1相近，大于单季稻土壤重金属Cu的年增加量变动范围0.1~4.6 mg· kg^-1·a^{-1 [18]}。这可能与气候条件、种植模式、土壤类型、有机肥Cu含量等因素有关。为此，基于本试验的耕层土壤总Cu累积效应，建议稻麦农田20年尺度上猪粪氮替代比例不超过50%，即猪粪年施用量不超过14.6 t· hm^-2· a^-1；50年尺度上猪粪氮替代比例不超过20%，即猪粪年施用量不超过5.9 t· hm^-2· a^-1。若猪粪总Cu含量由本文172.4 mg·kg^-1提升至平均含量491.2 mg· kg^-1（年施用猪粪中Cu总量保持一致），则稻麦农田20年尺度理论上猪粪年施用量不超过5.1 t· hm^-2· a^-1。

水稻收获期，耕层土壤总Cu和有效态Cu含量，以及总Cu和有效态Cu年均累积速率，均随着猪粪施用比例提高呈线性增加趋势。猪粪可安全施用年限，随着猪粪施用比例提高呈现乘幂方程的降低趋势，其中耕层土壤总Cu年累积速率为猪粪安全利用的重要限制因子之一。基于猪粪施用3至4年耕层土壤总Cu年均累积速率在农业安全生产二级标准内，20年尺度上猪粪氮替代化学氮肥比例为50.3%~62.7%，50年尺度上猪粪氮替代化学氮肥比例为19.1%~26.1%。据此，基于本试验的耕层土壤Cu累积效应，建议20年尺度上猪粪氮替代比例不超过50%，50年尺度上猪粪氮替代比例不超过20%。