不同沼液施用量對水稻生長、產量及重金屬含量的影響

邵文奇，紀 力，孫春梅，姜曉劍，文廷剛，唐金陵，章安康，*

(1.江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所，江蘇 淮安 223001； 2.淮陰師范學院 生命科學學院，江蘇 淮安 223300)

不同沼液施用量對水稻生長、產量及重金屬含量的影響

邵文奇1，紀 力1，孫春梅1，姜曉劍2，文廷剛1，唐金陵1，章安康1，*

(1.江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所，江蘇 淮安 223001； 2.淮陰師范學院 生命科學學院，江蘇 淮安 223300)

為探討沼液在水稻上的適宜用量用法，以規模化養殖場豬糞尿發酵的沼液作為肥源，以當地常規化學施肥為對照，研究不同沼液用量對水稻生長、產量、重金屬含量等的影響。結果表明：當沼液總施用量低于750 t·hm-2時，水稻株高有增加趨勢，同時分蘗能力提高；當沼液總施用量大于750 t·hm-2時，株高不再增加且分蘗能力顯著(P<0.05)下降。施用沼液對葉片熒光強度影響較小，但不合適的沼液適用量下會對凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)等光合特性產生抑制作用。與傳統化肥處理相比較，施用沼液顯著(P<0.05)降低了水稻結實率、穗實粒數、千粒重等，但能提高總穗數，沼液施用量600 t·hm-2時，水稻產量及其構成表現最好。沼液施用使水稻秸稈中汞、鉻、銅、砷等重金屬含量均有不同程度增加，存在一定的重金屬風險，但籽粒中重金屬含量未見增加，且符合中國食品中重金屬限量標準(GB 2762—2012)，不存在重金屬超標風險。綜合來看，沼液總施用量600 t·hm-2(基肥∶追肥=1∶1)較為適宜。

沼液；肥效；水稻；重金屬；食品安全

在水稻種植中，傳統施用化肥的方式下肥料利用率低，一般為30%～35%，需肥量多，生產成本高，且連年使用易導致土壤質量下降[1-3]。隨著現代養殖業以及沼氣工程的快速發展，我國每年都會產生大量的沼液，沼液中含有多種植物生長所需養分、豐富的氨基酸及各種生長激素、維生素等[1，4-7]，具有肥效高、易被植物吸收等優點。隨著生態農業、循環農業的持續發展，沼液的農業化利用也得到了越來越多研究，其中用沼液代替傳統化學肥料成為一種行之有效的利用途徑[5，8]。沼液在農業上既可用做基肥、追肥，也可用于浸種或葉面噴施[4-5，9]，在農業生產上被視為一種良好的肥源，對提高農產品產量、降低生產成本、改良土壤都有積極的作用[2-4，6-10]。

由于農作物的需肥特性及沼液自身的特點，要使用沼液完全替代傳統化學肥料需要探索合理的施用方法，若用法用量不當，極易造成沼液利用率下降、作物生長受抑、作物產量品質下降等不良影響[2，11-13]。同時，沼液中的有害物質，如酚、亞硝酸鹽、重金屬及有害病原菌等[3，6，14-15]，也可能對作物、環境、產品品質等造成不良影響。本試驗使用沼液完全替代化學肥料，通過研究其對水稻生長、稻谷產量及稻米中重金屬含量的影響，初步探明沼液在水稻種植中的安全用量、適宜用量等，為生產實踐提供理論依據，提高沼液施用在水稻生產上的安全性。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

試驗于2016年在江蘇省淮安市淮陰區楊廟村進行，供試水稻品種為粳稻淮稻5號，沼液取自試驗田附近某豬場。5月27日秧盤育苗，6月25日移栽，10月20日收獲。沼液、試驗田土壤基本性狀見表1。試驗所用復合肥為K2SO4型，N-P2O5-K2O為15%-15%-15%，總養分含量≥45%。試驗所用尿素總氮(TN)含量≥46.4%，粒度介于0.85～2.80 mm。

1.2 試驗設置

試驗設5個處理：A1，沼液總施用量450 t·hm-2(基肥150 t·hm-2，分蘗肥300 t·hm-2)；A2，沼液總施用量600 t·hm-2(基肥300 t·hm-2，分蘗肥300 t·hm-2)；A3，沼液總施用量750 t·hm-2(基肥450 t·hm-2，分蘗肥300 t·hm-2)；A4：沼液總施用量900 t·hm-2(基肥600 t·hm-2，分蘗肥300 t·hm-2)；CK，當地習慣施肥，復合肥作基肥(300 kg·hm-2)，尿素作分蘗肥(150 kg·hm-2)和作穗肥(225 kg·hm-2)。基肥在水稻插秧前施入，分蘗肥在6月底施入，穗肥在8月下旬施入。每一試驗小區面積24 m2，重復3次，完全隨機區組排列。每試驗小區所種水稻秧苗數量一致，種植間距為25 cm×12 cm，每穴4株。小區其余田間管理按常規進行。

表1供試土壤、沼液的基本性狀

Table1Physio-chemical properties of tested soils and biogas slurry

樣品SamplepH有機質OM/(g·kg-1)總氮TN/(g·kg-1)P2O5/(g·kg-1)K2O/(g·kg-1)Cu/(mg·kg-1)Hg/(mg·kg-1)Cr/(mg·kg-1)As/(mg·kg-1)Cd/(mg·kg-1)Pb/(mg·kg-1)土壤Soil7724401500405818002334348021482沼液Biogasslurry8137306513320290005164225056346

OM， Organic Matter. TN， Total nitrogen.

1.3 測定項目

每一試驗小區在同一行隨機連續標記20穴水稻作為田間調查取樣點。水稻移栽入試驗田小區后，分別在7月30日、8月14日、9月4日、9月24日、10月14日調查記錄分蘗數、株高，并選取植株完全展開功能葉使用LI-6400型便攜式光合測定儀測定葉片中間部位的光合強度、熒光度，包括葉片凈光合速率(Pn)、細胞間隙CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)，并計算PSII最大光能轉換效率(Fv/Fm)、非光化學猝滅系數(NPQ)等。水稻成熟后，在每一試驗小區隨機采集20穴，考查水稻經濟產量性狀，取樣送檢水稻秸稈和谷粒中重金屬含量(由江蘇中宜金大分析檢測有限公司檢測，農產品中鉻、鎘、鉛、砷、銅含量用ICP-MS法測定，汞含量依GB 5009.17—2014測定)。

2 結果與分析

2.1 沼液施用對水稻生長的影響

2.1.1 對水稻株高的影響

如圖1所示，由于沼液施用量較低，養分不足，A1、A2處理的水稻株高在各檢測時期均顯著(P<0.05)低于其他處理。即當沼液總施用量≤750 t·hm-2時，沼液施用量的增加能夠有效增加養分供應，促進植株營養生長。A3、A4處理之間無顯著差異，說明A3處理的沼液用量(750 t·hm-2)已能滿足水稻生長所需，無須再增加沼液用量，但較高的沼液施用量(900 t·hm-2)亦未見對水稻大田生長產生負面影響，可見依然處于安全使用范圍。

同一時期各柱上無相同小寫字母的表示在該時期各處理間差異顯著(P<0.05)。下同Bars marked by no same letters within the same date indicated significant difference at P<0.05. The same as below圖1 沼液施用對水稻株高的影響Fig.1 Effects of biogas slurry application on rice heights

2.1.2 對水稻分蘗動態的影響

各處理的田間分蘗動態如圖2所示，均在8月中旬達到分蘗高峰，之后隨著無效分蘗退化，分蘗數逐漸降低。A1處理的分蘗能力在各檢測時期均最低，說明沼液用量水平不足，限制了水稻的營養生長及分蘗發生。加大沼液用量(處理A2、A3)，植株分蘗能力得到提高，且高于CK處理，說明施用沼液可以增強水稻的分蘗能力，并且增加有效穗數。但繼續加大沼液處理用量(處理A4)水稻分蘗能力下降，說明過量的沼液施用反而會抑制水稻的分蘗能力。從植株分蘗能力來看，600～750 t·hm-2的沼施用量較為適合，可以增加最終成穗數。

2.1.3 對水稻葉片光合強度的影響

各處理在不同時期光合強度特性的變化如圖3所示。從凈光合速率(Pn)來看，從分蘗期到成熟期各處理均呈下降趨勢。在分蘗期(7月30日、8月14日)CK與A2無顯著差異，但均顯著高于其他3個處理；至10月14日(成熟期)，各處理間Pn差異不顯著。從胞間CO2濃度(Ci)來看，各處理在抽穗期(9月4日)達到高峰后隨之下降，7月30日(分蘗期)各處理間均呈現顯著(P<0.05)差異，CK最低，然后隨著沼液施用量的增加而不斷增加，在抽穗期(9月4日)A4處理顯著(P<0.05)高于其他處理，但A1、A2、A3、CK之間差異不顯著。從蒸騰速率(Tr)來看，各處理在生育期內呈平穩下降趨勢，在9月4—24日(抽穗—揚花期)，CK、A2、A3處理間無顯著差異，但均顯著高于A1、A4處理。從氣孔導度(Gs)來看，各處理整體呈先下降后增加趨勢，總體上以CK處理高于施用沼液的處理。

圖2 沼液施用對水稻分蘗的影響Fig.2 Effects of biogas slurry application on rice tillers number

圖3 沼液施用對水稻劍葉光合特性的影響Fig.3 Effects of biogas slurry application on photosynthetic characteristics of rice flag leaves

2.1.4 對水稻熒光強度的影響

各處理在不同時期熒光參數的變化如圖4所示。初始熒光(F0)在整個生育期內無規律性變化，且波動幅度較小，CK處理在分蘗盛期(8月14日)F0較低，但在成熟期時顯著(P<0.05)高于其他處理，沼液施用量較高的處理(A3、A4)在抽穗期及揚花期F0顯著(P<0.05)高于A1、A2，但在灌漿成熟期下降明顯。各處理最大熒光(Fm)在生育期較為平穩，無明顯波動，在不同生育期內均無顯著差異。PSII最大光化學效率(Fv/Fm)隨生育進程先逐漸增加后減小，在分蘗盛期和抽穗期CK、A2、A3顯著(P<0.05)高于A1、A4，說明沼液施用不足及沼液施用過多會降低Fv/Fm，但在揚花期及灌漿成熟期各處理間Fv/Fm已無顯著差異。非光化學猝滅系數(NPQ)隨生育進程有逐漸降低趨勢，各處理在不同生育期均無顯著差異。

2.2 沼液施用對水稻產量的影響

沼液施用對水稻最終產量及產量構成均產生了顯著影響(表2)。從穗數來看，適量的沼液施用(A2、A3)相較CK可以顯著(P<0.05)提高最終成穗數，但沼液施用不足(A1)及施用過量(A4)對成穗數有抑制作用。整體來看，施用沼液對穗總粒數影響不大，僅A4處理顯著(P<0.05)低于CK，其他處理間無顯著差異，但卻顯著(P<0.05)降低了水稻結實率、千粒重和穗實粒數。施用沼液代替化肥雖然能夠增加最終成穗數，但對結實率及千粒重產生了顯著的負面影響，在最終的產量上與CK相比并無優勢，A2、A3產量雖然高于CK，但差異不顯著，當沼液施用量不足(A1處理)或施用量過大時(A4處理)，水稻產量顯著(P<0.05)低于CK。

2.3 沼液施用對水稻重金屬含量的影響

2.3.1 水稻秸稈中重金屬含量

施用沼液后，水稻秸稈中Hg、Cr、Cu、As含量均不同程度增加，而Cd含量則不同程度下降(表3)。當沼液施用量不超過750 t·hm-2時，水稻秸稈中Pb含量與CK無顯著差別，但施用900 t·hm-2的沼液(A4)時，Pb含量顯著(P<0.05)上升。這些結果表明，施用沼液條件下水稻植株存在一定的重金屬超標風險。由于本試驗僅研究了1 a的沼液施用對植株體內重金屬含量的影響，對于連年沼液施用條件下水稻秸稈的重金屬超標風險還需進一步研究與評估。

圖4 沼液施用對水稻劍葉熒光特性的影響Fig.4 Effects of biogas slurry application on fluorescence characteristics of rice flag leaves

表2沼液施用對水稻產量及其構成的影響

Table2Effects of biogas slurry application on yield and yield components of rice

處理Treatment穗數SN/(104·hm-2)穗總粒數GN穗實粒數FGN結實率SSR/%千粒重TGW/g產量Yield/(kg·hm-2)CK2721cd1247a1136a911a284a8787aA12863c1230ab1037b843c269c7997bA23343a1222ab1034b846bc270c9356aA33130b1218ab1052b863c275b9070aA42596d1212b1034b853bc273b7349c

表中同列數據后無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Values followed by no same letters indicated significant difference atP<0.05. The same as below. SN， Spike number; GN， Grain number per panicle; FGN， Filled grain number per panicle; SSR， Seed setting rate; TGW，1 000-grain weigh. The same as below.

表3沼液施用對水稻秸稈中重金屬含量的影響

Table3Effects of biogas slurry application on heavy metals contents in rice straw

處理TreatmentHg/(μg·kg-1)Cr/(mg·kg-1)Cu/(mg·kg-1)As/(mg·kg-1)Cd/(mg·kg-1)Pb/(mg·kg-1)CK7163c84c747c0746d0152a0397bA18224b189a851b0892c0129b0381bA210351a163b856b0997b0098c0377bA39976a196a898b1004b0100c0377bA410167a170b1110a1357a0124b0532a

2.3.2 水稻籽粒中重金屬含量

如表4所示，沼液施用條件下，水稻籽粒中重金屬Cu含量有增加趨勢，且隨著沼液用量增大，水稻籽粒中Cu含量相應升高。當沼液施用量為600～750 t·hm-2，籽粒中Pb含量顯著(P<0.05)高于CK；當沼液施用量為900 t·hm-2時，籽粒中Pb含量顯著(P<0.05)低于CK。籽粒中其他重金屬(Hg、Cr、As、Cd)的含量并未隨沼液施用增加而顯著高于CK，不少處理條件下甚至有顯著降低籽粒中重金屬含量的作用。對照中國食品重金屬限量標準(GB 2762—2012)中對大米的規定，各處理的水稻籽粒中重金屬含量均符合相應要求，不存在重金屬超標風險。

表4沼液施用對水稻籽粒中重金屬含量的影響

Table4Effects of biogas slurry application on heavy metals contents in rice grain

處理TreatmentHg/(μg·kg-1)Cr/(mg·kg-1)Cu/(mg·kg-1)As/(mg·kg-1)Cd/(mg·kg-1)Pb/(mg·kg-1)CK339a289a416b0130a0024a0083bA1227c287a420b0117b0020b0081bA2346a216b468a0116b0020b0091aA3252b235b468a0116b0019b0092aA4277b216b499a0119b0019b0069c

3 討論

沼液中含有豐富的有機質，能為水稻提供生長所需的各種養分，且肥效高、易吸收。研究表明[2，11]，施用沼液能夠明顯促進水稻分蘗和生長，有效提高水稻籽粒產量和秸稈生物量，這與本研究結果一致。但本研究顯示，在實際應用中應注意沼液施用量的合理選擇。當沼液總施用量低于750 t·hm-2時，施用沼液能夠增加水稻株高，增強分蘗能力，葉片寬大濃綠；當施用量大于750 t·hm-2時，株高不再增加，且分蘗能力顯著下降。另外，施用沼液雖對植株葉片的熒光強度影響較小，但對凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)等光合特性可能產生負面效應，這將直接影響水稻產量性狀及稻米品質。如在本試驗中，相較于施用化學肥料的對照，施用沼液的水稻結實率、每穗實粒數、千粒重均下降。張進等[2]、王慧霞等[6]也指出，沼液的用法用量不當易造成作物生長受抑制、產量品質下降等不良影響。本研究結果與此一致，但結果也表明，合理施用沼液可以降低沼液對產量性狀的負面影響，并大幅提高總穗數，從而使最終產量得到保障，甚至可能增加。

在重金屬含量方面，本研究顯示，沼液施用使水稻秸稈中汞、鉻、銅、砷等重金屬含量均有不同程度增加，與黃繼川等[11]、史一鳴[16]的研究結論不同。這可能與沼液施用量水平或與水稻品種有關，同時也說明，在沼液作農業肥料化利用時應密切關注重金屬含量的變化情況。本研究條件下，重金屬含量在籽粒中的情況與上述二者研究結果相似，沼液施用并未顯著增大水稻籽粒中重金屬(汞、鉻、砷、鎘)的含量，且水稻籽粒中重金屬(汞、鉻、銅、砷、鎘、鉛)含量符合食品中重金屬限量標準(GB 2762—2012)，未發現沼液施用條件下稻米重金屬超標風險。

本試驗只就沼液施用對水稻生長、產量、重金屬等的影響作了探索。綜合來看，在本試驗條件下，沼液總施用量以600 t·hm-2(基肥∶追肥=1∶1)較為適宜。研究表明，長期施用沼液對土壤氮素殘留、氨揮發等也有不同程度影響[17-19]，而本研究并未涉及沼液施用對土壤質量等的影響。在今后的研究中，除應關注沼液施用所帶來的經濟效益外，還需考慮其對環境的影響。

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Effectsofapplicationrateofbiogasslurryongrowth，grainyieldandheavymetalscontentsofrice

SHAO Wenqi1， JI Li1， SUN Chunmei1， JIANG Xiaojian2， WEN Tinggang1， TANG Jinling1， ZHANG Ankang1,*

(1.HuaiyinInstituteofAgriculturalSciencesofXuhuaiRegioninJiangsu，Huai’an223001，China; 2.SchoolofLifeSciences，HuaiyinNormalUniversity，Huai’an223300，China)

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-2was 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-2biogas slurry (basic fertilizer∶topdressing=1∶1) was appropriate for rice production.

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

浙江農業學報ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(12): 1963-1969

http://www.zjnyxb.cn

邵文奇，紀力，孫春梅，等. 不同沼液施用量對水稻生長、產量及重金屬含量的影響[J]. 浙江農業學報，2017，29(12)： 1963-1969.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.12.02

2017-05-27

江蘇省農業科技自主創新資金[CX(16)1003-10]

邵文奇(1985—)，男，江蘇淮安人，碩士，副研究員，主要從事土壤肥料、作物栽培等方面的研究。E-mail：wqshao1103@sina.com

*通信作者，章安康，E-mail: 2530326440@qq.com

S145.2

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1004-1524(2017)12-1963-07

(責任編輯高 峻)