沼液灌溉對農田土壤及產地環境影響研究進展

李華，羅娜,2，馬潔，李凝玉，陳喜靖，沈阿林，郭彬，傅慶林*

(1.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.安徽農業大學 資源與環境學院，安徽 合肥 230036)

隨著我國養殖業的穩步發展和沼氣工程的快速推進，大量的沼液如何處置已成為備受關注的環境問題。沼液中含有大量的氮、磷、鉀等營養元素，以及豐富的鐵、鋅、錳等微量元素和氨基酸等營養物質[1]。目前，農田灌溉已成為其資源化利用的一個重要方式：一來可替代部分化肥，二來也可降低沼液的處理成本。諸多研究表明，沼液在提升土壤肥力、提高農作物(水稻、蔬菜、水果、茶等)產量方面具有積極作用[2-5]。但長期大量施用沼液也存在著誘發土壤與農作物重金屬、抗生素污染的風險，同時，沼液長期施用是否會對地表水及地下水產生污染也逐漸引起了學者們的重視。本文擬從沼液長期施用對土壤、水環境的影響著手，綜述沼液農田灌溉的環境污染風險，提出今后沼液長期合理施用研究應聚焦的熱點，以期為實現沼液的資源化利用與可持續發展提供參考。

1 沼液農田灌溉對土壤肥力及作物生長的影響

沼液中總氮與銨態氮濃度可分別達到1 000～1 800 mg·L-1和600～1 200 mg·L-1[6]，總磷濃度也可達30～60 mg·L-1[7]，具有非常高的資源化利用價值。現有研究一致認為，沼液農田灌溉可通過提高土壤氮磷鉀含量、有機質含量、微生物總量等提升土壤肥力。沼液農田灌溉后可使土壤全氮、全磷與全鉀含量分別提高6.80%、13.16%與25.04%[3]，銨態氮、速效磷與速效鉀含量分別提高19.9%、21.1%與35.8%，同時使有機質含量提高31.6%[2]。Xu等[8]連續3 a施加沼液處理，發現沼液能夠改良土壤肥力。國外學者在德國巴登-符騰堡州東北部的5個沼液灌溉田取樣，分析顯示，土壤有機質含量均有所增加[9]。沼液施加在提升土壤有機質含量的同時，也提升了土壤中微生物的活躍度。張紅等[10]在菜地土壤上研究發現，沼液可以改善土壤中的碳、氮含量，從而促進土壤微生物數量增加；左狄等[11]進行了2 a的大田小區試驗，結果表明，沼液還田顯著提高了土壤微生物總量，促進了稻田的養分循環；徐莉等[12]在對楊樹林地的研究中發現，施加沼液能夠增加土壤中微生物的多樣性，增強土壤微生物活性。Wentzel等[9]研究結果也表明，沼液投入量的增加可提升土壤微生物生物量的有效性，進而提升土壤肥力。

沼液中的氮素以銨態氮為主，約占總氮的62.5%～99.0%[13]，更利于作物的吸收利用。沼液與化肥配合使用，除可提高土壤肥力外，還可以提高土壤透氣性，疏松土壤[14]，減少板結，在豐富土壤有機質含量及活躍微生物群落的同時，長期施用還能改善作物生長環境，進而促進作物生長；因此，沼液灌溉通常可提高作物產量，這一結論已在水稻[4]、小麥[15]、茶樹[16]、葡萄[17]、紫甘藍[18]等農作物上得到了驗證。另外，隨著沼液施用量的增加，作物與蔬菜(小白菜)等的產量也有增加的趨勢[4, 19]，但超過一定用量，增產效果會減弱。為確定沼液灌溉對小麥增產效果的最佳方案，邵文奇等[15]研究并最終確定了“前重后輕法”，即重施基肥、適量追肥，二者比例以2∶1為最佳。Jothi等[20]按一定比例配備沼液，并用其替代肥料施加于西紅柿田地中，結果表明，沼液可增加西紅柿產量，并使得西紅柿果實結果期提前。這也說明沼液中豐富的微量元素對于改善作物品質具有積極作用[21-22]。

2 沼液農田灌溉對土壤環境的影響

養殖飼料中含有重金屬和抗生素成分。養殖廢水經過厭氧發酵后，其中的重金屬和抗生素成分仍會殘留在沼液中；因此，沼液長期施用有增加土壤重金屬和抗生素含量的風險[23-24]。

2.1 土壤重金屬污染風險

豬場沼液是目前農田中常見的灌溉用沼液，學者圍繞豬場沼液的土壤重金屬污染風險開展了一系列研究。賴星等[25]明確了連續多年施用豬場沼液會增加土壤中重金屬Pb、Cd、Cr、As、Hg的累積量，這與高杰云等[26]和陳瑤等[27]的研究結果一致。董志新等[28]研究了不同沼肥的重金屬含量，結果表明，供試的3種沼液中重金屬含量均未超出國家標準GB 5084—2005中的農田灌溉水質要求。黃繼川等[29]在稻田生態系統中進行試驗，證明在連續施用2茬沼液的條件下，稻田土壤中Cd、Cr、As、Pb和Hg含量都符合國家標準GB 15618—1995中規定的土壤質量二級標準，無重金屬污染風險，但As和Cr含量與沼液用量呈現明顯正相關性，長期施用沼液可能會致使土壤中As、Cr含量超標。王桂良等[30]在沼液替代化肥氮的試驗研究中發現，稻米Cu、Zn、Pb、As含量稍有增加，Cd、Cr含量有所降低，認為對于稻田長期施用沼液的重金屬含量應進行長期監測，以科學制訂農田沼液的適宜用量。

土壤中重金屬的積累可能引發農產品安全問題。有研究對太湖地區施用沼肥后的農產品進行了風險評估，結果表明，谷物和蔬菜中的Pb、As、Cd含量均超出聯合國糧食及農業組織(FAO)/世界衛生組織(WHO)的限制[31]。沼液施用量與土壤中砷含量具有明顯正相關性，但各處理下作物重金屬含量均未超過國家蔬菜食用標準[32]。沼液作為作物和蔬菜種植的肥料，通過植物根系進入植物內部，并通過食物鏈危害人類健康。Guo等[33]在稻-麥輪作模式下發現，沼液施加處理下，土壤中的Pb、Cr、Cu、Zn含量均在允許范圍內。Duan等[1]鑒定出一些低積累重金屬的水稻基因型。這些研究為降低沼液灌溉條件下的農產品安全風險進行了有益嘗試。

2.2 土壤抗生素污染風險

隨著集約化畜禽養殖發展，在畜禽飼料中添加抗生素的現象并不少見，其中相當部分的抗生素殘留在豬場糞污水中。目前，有關畜禽糞便中抗生素的研究較多，但關于沼液中抗生素的關注較少[34-36]。沼液中常見的抗生素以四環素類、磺胺類為主[37]。為探索沼液在防治植物病害上的機理，聶瑩等[38]利用高效液相色譜檢測了豬糞沼液中3種常見抗生素(土霉素、四環素、金霉素)的含量，結果表明，沼液中抗生素含量偏高。衛丹等[39]對嘉興市10家大型養豬場沼液水質調查發現，四環素類抗生素含量最高，最高值可達1 090 μg·L-1，遠超歐盟水環境抗生素限制值(10 ng·L-1)。賀南南等[40]研究發現，沼液所含抗生素中，含量較高的為四環素類和磺胺類抗生素，其中磺胺嘧啶和磺胺甲惡唑的檢出濃度最高。

目前，對沼液中抗生素的處理方法主要有污水處理、微波強化氧化處理、微生物法、液相色譜法、酶聯免疫吸附法等。王霜等[37]利用現有技術對減控豬場糞污中的重金屬和抗生素提出如下建議：加大飼料生產的監管力度；跟進重金屬、抗生素去除試驗結果，開展重金屬、抗生素的去除創新技術研究。遲翔等[41]利用超聲-Fenton法對沼液中4種四環素類和4種磺胺類抗生素進行氧化去除，去除率達88%～91%，為沼液農用中抗生素的處理提供了一條可能的途徑。

3 沼液農田灌溉對水環境的影響

3.1 對地表水環境的影響

國內外研究已明確，施用沼液對田面水、地表水中的氮、磷濃度有一定影響。姜麗娜等[42]發現，沼液灌溉后稻田田面水中銨態氮的濃度達 120 mg·L-1以上，且隨沼液用量增加，田面水銨態氮濃度明顯升高，隨徑流流失的風險增大，但沼液對田面水中硝態氮濃度無顯著影響。另有研究表明，沼液灌溉明顯增加了水稻穗肥期田面水總氮與銨態氮濃度，且前述指標均隨沼液施灌量的增加而增大[43]。一些模擬試驗與田間試驗也證實，沼液灌溉可能污染水環境[33, 44]，但沼液灌溉后12 d，稻田田面水氮、磷濃度與化肥對照處理無顯著差異；因此，需重點防范灌溉后2周之內徑流的發生[45-46]。同時，也有研究發現，與施用化肥的對照農田相比，農田采用沼液灌溉可有效減少地表徑流中總氮、銨態氮和總磷的濃度[47]，這可能與氣候、土壤類型、種植模式、沼液用量和施用方式等多種因素相關。沼液灌溉后田面水中較高的氮素，特別是銨態氮濃度，已成為沼液處理中氨揮發損失較高的一個重要原因[43]。適量施用沼液代替復合肥后，氨揮發速率增加，增大沼液用量增加了稻田氨揮發損失總量[47]。姜麗娜等[42]通過3 a的定位田間小區試驗發現，沼液灌溉與化肥相比，氨揮發量增加10倍以上。

為確定沼液灌溉的最佳施用量，研究人員也進行了許多嘗試。喬小珊等[48]采用水稻盆栽試驗發現，在單季灌溉量為2 250 mL·kg-1的條件下，沼液對稻田水環境的污染潛力較低。大田試驗研究表明，基蘗期稻田每次沼液消解量應控制在211.76 t·hm-2以內；穗肥期稻田消解沼液能力較強，單次消解量控制在423.53 t·hm-2以內較為安全[43]。綜上，采用沼液進行農田灌溉時，需根據作物、生育期及土壤類型等因素，綜合確定適宜用量。

3.2 對地下水環境的影響

磷素向下移動性較差，沼液灌溉條件下的磷幾乎全部被吸附在0～35 cm土壤中[49]；因此，沼液農田灌溉對地下水環境的影響研究主要側重于氮素。盆栽試驗發現，隨著沼液灌溉強度的提高，草地淋溶液中總氮、銨態氮與硝態氮含量升高[50]。淹水稻田土壤溶液中銨態氮向下運移的幅度不大，主要分布在表層(0～30 cm)，且上層明顯高于下層，這主要是由于表層土壤對沼液中銨態氮的吸附作用更強，降低了其深層淋失風險[45]。與施用化肥相比，沼液不會增加地下水銨態氮的污染風險，這與姜麗娜等[42]的研究結果大致相同。小型片區沼氣工程試驗還發現，沼液還田后地下徑流(即淋溶)的銨態氮濃度有一定程度的降低[46]。

沼液可增強土壤硝化作用[51]，用量過高會導致大量硝態氮產生；因此，在沼液農田灌溉相關研究中，氮素往往以硝態氮的形式淋失[52-53]。Matsunaka等[54]進行了3 a多的牛場沼液試驗，發現硝態氮流失占了沼液總氮損失的6%～12%。Park等[55]研究發現，土壤30 cm處淋溶液中硝酸鹽濃度為6～20 mg·L-1。盆栽試驗中，高用量沼液處理中硝態氮濃度顯著增加，同時，沼液灌溉顯著增加了冬小麥硝酸鹽淋失濃度[52]。但也有研究表明，不同用量沼液灌溉對稻田60 cm淋溶液中硝態氮的影響不顯著[42]，不會導致當季地下水硝態氮濃度超標[56]，這與王子臣等[57]的發現一致，即等氮量沼液灌溉與常規施肥相比，前者的地下水硝態氮污染風險較小。朱志玲等[46]也發現，沼液還田與施用化肥相比，未對地下徑流硝態氮造成顯著影響。

為避免沼液長期灌溉對水環境帶來的潛在風險，喬小珊等[48]量化了沼液灌溉量，發現總氮投入量應控制在1 198.95 kg·hm-2之內，總磷應控制在62.5 kg·hm-2之內，這樣不致影響地下水環境。按其所用沼液中的氮、磷含量折算，沼液灌溉的安全施用量為單季大田3 960 m3·hm-2。王子臣等[43]通過小區試驗發現，從地下水水質安全角度考慮，水稻穗肥期沼液一次消解安全量應控制在100%沼液替代化肥處理的范圍內。

4 沼液農田灌溉研究前景

沼液在增強土壤肥力、提升作物品質、提高作物產量的同時，因缺乏長期的環境污染監測與施用標準規范，盲目施用也可能會直接危害農田用地和作物生長，甚至伴生食品安全問題。為更好地指導沼液用于農業生產，獲得沼液資源化利用的最大經濟效益及環境效益，以下問題仍有待深入研究。

4.1 沼液長期農田灌溉對區域土壤與水環境污染風險的長期定位監測

目前，關于沼液導致的環境問題研究多集中于模擬試驗，即便是大田小區試驗，也多集中在當季作物或3 a以內的結果，5 a以上沼液灌溉的研究非常缺少。評估沼液長期農田灌溉對環境的影響，需要建立大田長期定位試驗，10 a以上的數據最佳。除關注研究時間外，研究區域也應從試驗田塊向周邊土壤及水體擴展，因為氮磷養分及其他元素具有一定的橫向遷移性，可能會對灌溉田塊外的區域環境產生一定的影響。除了對氮、磷的研究之外，還應關注水體化學需氧量等的變化，以全面評價沼液的污染風險。

4.2 沼液農田回用風險評估

綜合調研或實地監測沼液養分含量、農田灌溉用量、氮磷水相與氣相損失特征與通量、污染物橫向與縱向遷移分布特征、水體化學需氧量、環境重金屬與抗生素污染程度等因素，結合土壤類型、種植模式、農作物產量與品質，從沼液灌溉對大氣、水、土壤3方面的污染貢獻入手，確定沼液灌溉風險評價的主要指標，明確核算方法與評價等級，構建沼液長期農田回用的環境風險評估體系，為沼液資源化利用、有機物料替代化肥等提供堅實的理論基礎。