沼液還田對稻田土壤養分與氮循環微生物的影響

左 狄,呂衛光,李雙喜,鄭憲清,張娟琴,黃仁影,張翰林*

（1安順學院農學院，貴州 561000；2上海市農業科學院生態環境保護研究所/農業部上海農業環境與耕地保育科學觀測實驗站/上海市設施園藝技術重點實驗室/上海市農業環境保護監測站，上海 201403）

隨著我國沼氣工程的建設與發展，產生大量沼液，因其含有大量養分物質及微量礦物質元素，已被多層次、多種類地應用于灌溉、浸種、無土栽培、病蟲害防治及飼料添加劑等方面［1-3］。目前我國已在糧食作物、蔬菜、水果等種植中施入沼液肥，許多學者展開了相關的研究和應用，認為沼液灌溉能有效提高油菜還原糖和維生素C含量，促進番茄提前開花結果、減輕病蟲害，提高番茄品質和產量［4-6］。唐華等［7］研究證明：沼液灌溉對一年生黑麥草全氮、全磷、全鉀含量及電導率均有提升作用，其中全氮增加極顯著。也有研究驗證施用沼液能降低土壤容重、有效改善土壤孔隙度和pH，增加土壤有機質、全氮磷鉀等養分含量［8-10］。

土壤微生物量是衡量土壤質量、維持土壤肥力和作物生產力的重要指標，而氮循環功能微生物數量也是經常用于衡量土壤中養分代謝狀況，反映微生物對氮元素的轉化和凋落物分解的能力。沼液施用改變了土壤理化性質、水氣熱等條件，從而改變了土壤微生物環境，使土壤微生物結構區系及數量發生變化。Odlare等［11］研究結果表明，沼液施用為微生物提供了良好的生存環境和營養條件，提高了微生物活性而促進微生物生長繁殖。馮偉等［12］研究表明，等氮條件下沼液與化肥不同配比對小麥根際微生物數量有重要影響。

目前，對沼液農用的研究多集中在短期小區試驗及對作物地上部分生理特征的影響效應方面，對于水稻大田長期施用沼液條件下土壤微生物環境的研究，尤其是氮循環功能微生物的研究較少［13-14］。本研究采用大田試驗，在等氮量控制條件下，探索沼液代替化肥、純沼液與化肥混施對不同深度（0—20 cm、20—40 cm）稻田土壤理化性質和微生物數量（真菌、細菌、放線菌、氨化細菌、硝化細菌）的影響，研究沼液對土壤養分氮循環功能微生物的影響，以期為沼液還田代替化肥的可行性及稻田沼液資源化利用和經濟施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

上海市崇明島三星鎮上海市農業科學院試驗基地（31°41′15″N，121°54′00″E）屬北亞熱帶季風氣候，年均降水量1 003.7 mm，年均氣溫15.3℃。試驗基地采用稻-麥輪作制度，土壤類型為潮土。試驗田0—20 cm深度土壤部分理化背景值如下：pH 8.43，全氮0.9 g/kg，全磷0.4 g/kg，有機質13.6 g/kg。

1.2 試驗設置

沼液原料：沼液取自上海牛奶集團瀛博奶牛養殖有限公司。沼液取好后于4℃條件下貯藏在PE桶內，使用前恢復至室溫，經多次測定的沼液平均主要水質指標：CODcr 15 758 mg/L，全氮1 209 mg/L，全磷95.8 mg/L，全鉀 134.4 mg/L，NH4+-N 1 098 mg/L，pH 8.83。

2014年稻季開始進行為期2年的沼液還田試驗，以等量氮磷鉀施肥為依據，設置4個處理：空白處理（CK）、全化肥處理（NT）、全沼液處理（BT）和半沼液半化肥處理（MT），化肥為尿素。2016年麥季結束后對不同深度（0—20 cm、20—40 cm）土壤進行取樣分析。將一整塊田地進行切割，用塑料布進行田埂覆蓋，分為12個小區，每個處理3個重復，小區面積為200 m2（20 m×10 m），采取隨機區組。沼液隨灌水直接進入稻田，于播種前10 d沼液肥結合澆水灌入，用作基肥的尿素則在灌水前翻入0—20 cm土壤。施用的磷肥為過磷酸鈣、鉀肥為氯化鉀，各施肥小區總施肥量均為氮肥300 kg/hm2、磷肥（P2O5）150 kg/hm2和鉀肥（K2O）120 kg/hm2。在拔節期，結合灌水追施沼液氮肥或尿素，按小區面積和各處理設計計算小區所施用沼液量，沼液用水稀釋后均勻潑灑行間，小區灌水量扣除沼液所帶入水分，保持所有小區灌水量一致。

1.3 樣品采集與分析

土壤樣品采集：2016年5月10日進行土壤樣品采集，利用土鉆對0—20 cm和20—40 cm土壤進行“S”形采集，去除可見植物殘體及土壤動物，混合后裝入聚乙烯封口袋中帶回實驗室，一部分樣品自然風干后過2 mm孔徑篩進行土壤養分指標測定，一部分4℃儲存用于土壤微生物數量指標測定。

土壤理化性質測定：全氮用凱氏定氮法測定，全磷用酸溶-鉬銻抗比色法測定，全鉀用氫氧化鈉熔融法-火焰光度計法測定，速效氮用凱氏定氮法，速效磷用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定，速效鉀用乙酸銨提取-火焰光度計法測定，有機質用重鉻酸鉀容量法測定，pH用電位法測定（水土比2.5∶1）。

土壤微生物計數：采用平板計數法測定細菌、真菌、放線菌總數，其中細菌培養基為酪蛋白胨培養基，真菌培養基為孟加拉紅培養基，放線菌培養基為改良高氏一號培養基。采用稀釋法測定氨化細菌和硝化細菌總數，其中氨化細菌采用紅色石蕊試紙進行定性測試，硝化細菌采用改良史蒂芬遜培養基測定亞硝化細菌總數來反映硝化細菌總數。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2007和SPSS 16.0軟件進行統計和分析。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性狀

沼液還田2年后，土壤各項化學指標均出現了不同程度的變化（表1）。土壤氮磷方面施用沼液的2個處理在2個深度均顯著得到提升，相比NT，施用沼液處理0—20 cm全氮平均增加12.5%，20—40 cm增幅為15.76%；全磷則是0—20 cm提升較大，相比NT增加21.59%，20—40 cm則平均提高13.64%。速效養分方面，不同處理之間均差異顯著，0—20 cm速效氮含量MT＞BT＞NT，MT和BT分別比NT提高27.19%和17.05%。20—40 cm速效氮含量BT＞MT＞NT，BT和MT分別比NT提高36.35%和16.08%；速效磷含量2個深度同樣是BT和MT顯著高于NT，但對速效磷的提升幅度顯著低于速效氮。土壤有機質方面，0—20 cm有機質在NT、MT和BT之間無顯著差異，20—40 cm則BT顯著高于其他處理；沼液還田處理均顯著提升了鹽分含量，其中0—20 cm MT處理鹽分含量最高，達到0.19%，處于正常鹽分范圍；pH受沼液還田影響，不同深度下均有上升的趨勢。

表1 沼液還田對土壤養分的影響Table 1 Effects of biogas slurry fertilizer on soil nutrients

土壤理化性質能有效地判斷土壤性狀及肥力，沼液的施用對土壤理化性質有顯著的調節作用。本研究結果顯示，沼液還田后有效地提升了土壤總量和速效氮磷含量，同時也顯著提高了20—40 cm土壤有機質含量。這與前人研究得出結論相似，李友強等［15］認為：施用沼液能增加小麥土壤全氮和速效磷含量，胡福初等［16］對荔枝果園土壤分析后也得出同樣結論，且同時提升了土壤有機質含量。本研究將研究土壤深度擴展到0—40 cm深度，發現施用沼液對于20—40 cm深度依然有較強的影響，甚至在全氮、速效氮和有機質方面的提升幅度高于0—20 cm。沼液還田也有一定的負面影響，楊樂等［17］在新疆綠洲農田土壤研究認為：大量沼液施用會引起土壤鹽分增加，提高土壤鹽漬化的風險；孫國峰等［18］指出：施用沼液能提高耕層土壤的pH。本研究結論與前人相似，沼液還田后會增加土壤鹽分和pH，其中鹽分含量依然處于正常范圍，pH則是為在堿性土壤情況下繼續升高，有可能對作物生長產生不利影響。同時本研究中，2015年水稻產量CK為7 003.8 kg/hm2，施肥處理中NT為8 552.9 kg/hm2最低，BT為8 705.0 kg/hm2，比NT略高，MT為9 706.7 kg/hm2，產量最高。其大小順序與土壤養分含量大體一致，這也佐證了對土壤養分含量的研究結果。

2.2 土壤三大菌群數量

細菌數量方面（表2），不同深度MT和BT處理均顯著高于NT，二者之間差異不顯著，0—20 cm和20—40 cm土壤中沼液還田處理較NT平均提高14.11%和93.81%；放線菌數量方面2個深度各處理之間均差異顯著，均為MT＞BT＞NT，相比NT，MT和BT在0—20 cm和20—40 cm中分別高出79.19%、167.59%和18.67%、25.74%；真菌數量MT和BT處理均顯著高于NT，0—20 cm BT顯著高于MT，20—40 cm深度二者之間差異不顯著，相比NT，2個處理真菌數量增長幅度高于細菌數量，0—20 cm和20—40 cm土壤中沼液還田處理較NT平均提高101.46%和130.00%。從三大菌總量上來看，不同深度各處理之間差異顯著，大小均為MT＞BT＞NT。

土壤微生物數量是反映土壤生命力的標志性特征，是衡量土壤質量和肥力的重要指標。前人研究表明，適宜的沼液追施量能顯著增加小麥土壤真菌、細菌和放線菌數量［10］；也有研究表明，施用沼液增加了蔬菜土壤細菌數量，但減少了真菌數量［19］；李丙智等［20］研究表明，沼液及配合適當的沼液配施鉀肥均有利于果園土壤微生物的生存。本研究結果顯示，施加沼液和配施化肥在0—20 cm和20—40 cm深度都可以有效提高水稻土壤細菌、放線菌和真菌數量，MT相比BT更加有效地提升了放線菌數量，而BT僅在0—20 cm深度真菌數量最高，說明施加沼液可以顯著提升稻田土壤微生物數量，配施化肥相比全施沼液更有益于土壤微生物生存。這一點在前文也得到了印證，BT將土壤pH提高至9左右，顯著高于MT，較高的pH可能對部分微生物的存活產生負面影響［21］。

表2 沼液還田對土壤微生物菌群數量的影響Table 2 Effects of biogas slurry fertilizer on soilm icrobe quantities

2.3 氮循環功能菌

0—20 cm深度銨態氮含量各處理差異均顯著（表3），大小順序為MT＞BT＞NT，其中MT和BT分別高出NT 29.88%和20.04%；20—40 cm深度沼液還田處理依然顯著高于NT，大小順序為BT＞MT＞NT，BT和MT分別高出NT 43.49%和8.67%。不同深度中硝態氮含量均是MT顯著高于其他處理，BT與NT之間無顯著差異，MT在0—20 cm和20—40 cm中比NT分別高出44.44%和400.00%。這與前人研究結果相似，余薇薇等［22］和鄭健等［23］對菜田和玉米田土壤研究表明灌溉沼液可使土壤中銨態氮和硝態氮含量顯著提高。本研究中研究對象為稻田，在水旱輪作條件下依然可以有效提高土壤中銨態氮和硝態氮含量，增加作物易吸收養分，沼液配施肥料處理提升效果更佳。

氮循環功能菌方面，氨化細菌數量MT顯著高于其他處理，BT與NT之間無顯著差異，MT在0—20 cm和20—40 cm中比NT分別高出14.56%和5.96%；硝化細菌數量在0—20 cm深度中MT顯著高于其他處理，比NT高出45.22%，BT與NT之間無顯著差異。20—40 cm深度各處理之間均差異顯著，大小順序為MT＞BT＞NT。說明沼液的施用有益于土壤氨化細菌與硝化細菌的生長繁殖，可以有效促進土壤系統氮循環，且沼液配施肥料的效果顯著高于純沼液的施用，與前人研究相似［19］。原因主要是由于沼液中含有大量有機物質，增加了微生物的營養源，調節了土壤環境中的碳氮比，更有益于氮循環功能微生物的繁殖［24］。

表3 沼液還田對氮素含量及氮循環功能菌數量的影響Table 3 Effects of biogas slurry fertilizer on nitrogen contents and nitrogen cycling bacteria

由表4可見，全氮和放線菌呈極顯著正相關、與氨化細菌和硝化細菌呈顯著正相關，速效氮與硝化細菌和放線菌呈極顯著正相關、和細菌呈顯著正相關，銨態氮和除氨化細菌以外的菌群數量均呈顯著正相關，有機質和細菌呈極顯著正相關、和真菌呈顯著正相關，硝態氮含量則與各菌群數量之間無顯著相關性。這與前人研究成果相似［25-26］，說明沼液還田條件下，土壤微生物群落數量與養分含量之間關系密切，可以作為土壤肥力的指示性指標。

表4 土壤養分含量與土壤微生物數量的相關系數Table 4 Correlation coefficients of soil nutrients and soilm icrobe quantities

3 結論與討論

通過2年的大田小區試驗，研究了沼液還田對稻田土壤養分和微生物環境的影響。發現沼液還田后顯著提高了0—40 cm深度土壤中養分含量，其中沼液配施化肥處理在0—20 cm深度土壤養分提升顯著，而全沼液處理則是20—40 cm深度的養分顯著提高。沼液還田還顯著提升了0—40 cm深度土壤中三大菌和氮循環細菌的數量，沼液配施化肥處理提升效果更明顯，提升了稻田系統氮循環效率。綜上所述，沼液配施化肥還田對于稻田土壤生態環境最有益，未來具有較好的應用前景。當然，大規模應用沼液還田技術依然有一些問題尚待解決，如不同批次產生的沼液濃度一致性較差，作為原料的畜禽養殖糞便中存在重金屬和抗生素的污染風險等，還需對沼液還田應用技術和安全性分析進行深入研究。

［1］劉小剛，李丙智，張林森，等.追施沼液對紅富士蘋果品質及葉片生理效應的影響［J］.西北農業學報，2007，16（3）：105-108.

［2］張無敵，尹芳，李建昌，等.沼液對土壤有機質含量和肥效的影響［J］.可再生能源，2008，26（6）：45-47.

［3］王衛平，陸新苗，魏章煥，等.施用沼液對柑橘產量和品質以及土壤環境的影響［J］.農業環境科學學報，2012，30（11）：2300-2305.

［4］韓曉莉，李博文，劉薇，等.沼液配方肥對油菜生長、品質及氮素利用的影響［J］.水土保持學報，2012，35（3）：20-24.

［5］GAO T G，CHEN N，LIW Q，et al.Effect of highly efficient nutrient solution of biogas slurry on yield and quality of vegetable［J］.Agricultural Science&Technology-Hunan，2011，12（4）：567-570.

［6］康凌云，趙永志，曲明山，等.施用沼渣沼液對設施果類蔬菜生長及土壤養分積累的影響［J］.中國蔬菜，2011（z1）：57-62.

［7］唐華，郭彥軍，李智燕，等.沼液灌溉對黑麥草生長及土壤性質的影響［J］.草地學報，2011，19（6）：939-942.

［8］祝延立，那偉，郗登寶，等.施用豬場糞污沼液對土壤理化性質的影響［J］.安徽農業科學，2012，40（31）：15202-15203.

［9］倪亮，孫廣輝，羅光恩，等.沼液灌溉對土壤質量的影響［J］.土壤，2008，40（4）：608-611.

［10］管濤，馮偉，王華岑，等.追施沼液對冬小麥根際土壤微生物活性的影響［J］.麥類作物學報，2010，30（4）：721-726.

［11］ODLARE M，PELLM，SVENSSON K.Changes in soil chemical and microbiological properties during four years of application of various organic residues［J］.Waste Management，2008，28（7）：1246-1253.

［12］馮偉，管濤，王曉宇，等.沼液與化肥配施對冬小麥更急土壤微生物數量和酶活性的影響［J］.應用生態學報，2011，22（4）：1007-1012.

［13］鄭學博，樊劍波，崔鍵，等.沼液還田對旱地紅壤微生物群落代謝與多樣性的影響［J］.生態學報，2016，36（18）：53-55.

［14］馮丹妮，伍鈞，楊剛，等.連續定位施用沼液對水旱輪作耕層土壤微生物區系及酶活性的影響［J］.農業環境科學學報，2014，33（8）：1644-1651.

［15］李友強，盛康，彭思姣，等.沼液施用量對小麥產量及土壤理化性質的影響［J］.中國農學通報，2014，30（12）：181-186.

［16］胡福初，何凡，范鴻雁，等.沼液對荔枝果園土壤肥效及果實產量與品質的影響［J］.廣東農業科學，2014（1）：42-45.

［17］楊樂，王開勇，龐瑋，等.新疆綠洲區連續五年施用沼液對農田土壤質量的影響［J］.中國土壤與肥料，2012（5）：17-21.

［18］孫國峰，鄭建初，陳留根，等.豬糞沼液施用后土壤理化性狀及水稻產量初步研究［J］.中國稻米，2013，19（4）：74-76，79.

［19］郝鮮俊，洪堅平，喬志偉.沼液對甘藍連作土壤微生物學性質的影響［J］.應用環境微生物學報，2011，17（3）：384-387.

［20］李丙智，王桂芳，秦曉飛，等.沼液配施鉀肥對果園土壤理化特性和微生物及果實品質影響［J］.中國農業科學，2010，43（22）：4671-4677.

［21］李春越，王益，黨廷輝，等.pH對土壤微生物 C/P比的影響［J］.中國農業科學，2013，46（13）：2709-2716.

［22］余薇薇，張智，羅蘇蓉，等.沼液灌溉對紫色土菜地土壤特性的影響［J］.農業工程學報，2012，28（16）：178-184.

［23］鄭健，王燕，蔡煥杰，等.不同沼液灌溉方式對玉米生理指標及土壤硝態氮含量的影響［J］.中國沼氣，2014，32（5）：62-66.

［24］張乃明，董艷.施肥與設施栽培措施對土壤微生物區系的影響［J］.生態環境，2004，13（1）：61-62.

［25］肖燁，黃志剛，武海濤，等.三江平原典型濕地類型土壤微生物特征與土壤養分的研究［J］.環境科學，2015，36（5）：1842-1848.

［26］付美云，楊寧，楊滿元，等.衡陽紫色土丘陵坡地不同恢復階段土壤微生物與養分的耦合關系［J］.生態環境學報，2015，24（1）：41-48.