沼液替代化肥對(duì)土壤肥力與胡柚品質(zhì)的影響

黃海麗，莊海峰，張春榮，黨洪陽(yáng)，平立鳳，張昌愛(ài)，樊宙，單勝道

(1.衢州市常山縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 常山 324000；2.浙江科技學(xué)院 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310023；3.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江 杭州 310021)

厭氧產(chǎn)沼是畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的重要方式。伴隨現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，沼氣工程項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)得到快速普及與推廣，這為養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但與此同時(shí)，厭氧產(chǎn)沼的“終端產(chǎn)物”——沼液的有效利用問(wèn)題也變得越來(lái)越突出。沼液既富含有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)性元素，又具有微量重金屬等有害物質(zhì)，易成為二次污染源繼而帶來(lái)潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。對(duì)沼液進(jìn)行工業(yè)化處理達(dá)標(biāo)排放，成本較高且易受廠地限制；沼液還田可實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)與種植業(yè)的資源化結(jié)合，近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注。已有研究證明，多種類(lèi)型的農(nóng)作物可利用沼液來(lái)促進(jìn)生長(zhǎng)，并實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，且土壤肥力亦可得到增強(qiáng)[4-6]。從理論角度看，沼液還田的有效性主要取決于沼液中有害物質(zhì)的控制和適應(yīng)土壤類(lèi)型的選擇；然而，此方面尚缺乏系統(tǒng)性的研究與應(yīng)用論證。

浙江省常山縣是我國(guó)最大的胡柚種植基地，其地理標(biāo)志產(chǎn)品“常山胡柚”享譽(yù)國(guó)內(nèi)。同時(shí)，生豬養(yǎng)殖業(yè)亦是常山縣重要的支柱產(chǎn)業(yè)。如能將當(dāng)?shù)厣i養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的沼液與胡柚種植進(jìn)行“種養(yǎng)結(jié)合”，建立起循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，這既符合常山縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向，又能實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)、高效利用，但這也對(duì)沼液在胡柚種植上的精準(zhǔn)化科學(xué)施用提出了要求。在此背景下，本研究采取大田施肥試驗(yàn)，研究沼液施用對(duì)胡柚果實(shí)品質(zhì)和林地土壤肥力的影響，初步探析林地土壤與果實(shí)的重金屬安全性，探究適宜的沼液施用條件，以期為沼液的資源化利用、胡柚品質(zhì)提高，以及林地土壤肥力改善提供科學(xué)依據(jù)與應(yīng)用指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 樣地與樣品

1.1.1 試驗(yàn)樣地

胡柚試驗(yàn)區(qū)設(shè)于常山縣十里山村(118°48′50″E，28°50′20″N)。該地處亞熱帶地區(qū)，四季分明，雨量充沛，年平均氣溫17.7 ℃，年平均降水量1 760.1 mm，年平均相對(duì)濕度76%，年平均日照時(shí)數(shù)1 731.2 h。試驗(yàn)場(chǎng)地系丘陵紅壤崗地，土層深厚，肥力較差，pH值約為5.23。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣地，每個(gè)樣地設(shè)置為10 m×10 m，樣地內(nèi)栽種6～8棵胡柚，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)樹(shù)齡為3 a，果實(shí)較小。

1.1.2 土壤與胡柚樣品

土壤采集點(diǎn)位于樣地中心點(diǎn)和4個(gè)角點(diǎn)，自土壤表層至垂向20 cm處采集土壤樣品，按四分法取(500±10)g的混合樣品。將樣品去除石礫和植物殘?bào)w后于室溫下風(fēng)干、研磨，再過(guò)2 mm篩后用于測(cè)定土壤理化指標(biāo)。

于胡柚成熟期按對(duì)角線法選取樣地內(nèi)的植株采集胡柚果實(shí)，密封袋包裝后即時(shí)送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。

1.1.3 供試沼液與肥料

供試沼液取自常山縣十里山莊養(yǎng)殖場(chǎng)厭氧發(fā)酵池，主要理化性狀如下：pH值8.51±0.55，有機(jī)質(zhì)含量(0.58±0.04)%，全氮含量(0.15±0.01)%，全磷含量(0.028±0.003)%，全鉀含量(0.17±0.02)%，銅含量(0.04±0.01)mg·kg-1，鋅含量(0.25±0.04)mg·kg-1，砷含量(0.010±0.002)mg·kg-1，鎘未檢出。

有機(jī)肥為發(fā)酵后的豬糞肥(N 2.16%，P2O50.55%，K2O 0.43%)；尿素(N 46%)，靈谷化工集團(tuán)有限公司；過(guò)磷酸鈣(P2O512%)，湖北豐樂(lè)生態(tài)肥業(yè)有限公司；氯化鉀(K2O 60%)，黑龍江倍豐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料集團(tuán)有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)浙江省柑橘化肥定額制施用標(biāo)準(zhǔn)和胡柚不同生長(zhǎng)期所需營(yíng)養(yǎng)的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行沼液施用量折算。試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理：S1，未施加肥料；S2，全量化肥；S3，有機(jī)肥+化肥(100%氮)；S4，有機(jī)肥+化肥(50%氮)+沼液(50%氮)；S5，有機(jī)肥+沼液(100%氮)；S6，有機(jī)肥+沼液(150%氮)。上述處理中，S3～S6處理中除由有機(jī)肥提供的氮素外，化肥和沼液提供的氮素折合總量同S2處理。以S2處理中化肥提供的氮素?cái)?shù)量為1，S3～S6處理按相應(yīng)比例折算化肥和沼液用量。S3～S6處理統(tǒng)一施用22.5 t·hm-2的有機(jī)肥。由于沼液和有機(jī)肥中均含有磷和鉀，因此,在S3～S6處理中需適當(dāng)調(diào)節(jié)磷、鉀肥用量，以保證其磷、鉀供應(yīng)總量與S2處理相等。

各處理的有機(jī)肥一次性基施，其他肥料(含沼液)分別于胡柚發(fā)芽期(約3月份)、保果期(約6月份)、壯果期(約8月份)和采果期(約10月份)，按照30%、20%、30%、20%的比例施用，并結(jié)合當(dāng)年的環(huán)境變化與胡柚生長(zhǎng)需求適當(dāng)調(diào)整。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

土壤理化性質(zhì)檢測(cè)參照《土壤農(nóng)化分析》進(jìn)行，簡(jiǎn)述如下：pH值采用電位法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量采用K2Cr2O4外加熱法測(cè)定，全氮采用凱氏定氮法測(cè)定，全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定，有效磷采用氟化銨-鹽酸溶液浸提、鉬銻抗比色法測(cè)定全鉀、銅、鋅和鎘含量均采用火焰原子吸收法測(cè)定，砷含量采用原子熒光儀測(cè)定。土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定，磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定。

胡柚總糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定，總酸含量采用電位滴定法測(cè)定，β-胡蘿卜素含量采用氧化鋁柱層析-比色法測(cè)定，VC含量采用鄰苯二胺熒光法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶參與土壤發(fā)育和土壤肥力演化的全過(guò)程，直接影響土壤營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)的傳輸與轉(zhuǎn)化，是土壤微生物活性的重要體現(xiàn)。土壤蔗糖酶的作用在于促使大分子水解和斷裂，是土壤有機(jī)成分進(jìn)入生物體內(nèi)的重要活性介質(zhì)；而磷酸酶則可將化合態(tài)磷礦化分解為無(wú)機(jī)性的植物有效磷。由圖1可知，與S1處理相比，S2處理的土壤蔗糖酶活性有所降低，其他處理的土壤蔗糖酶活性均相對(duì)提高，其中，S5(沼液100%替代化肥)處理的土壤蔗糖酶活性最高，其值約為空白樣地的1.56倍。

圖1 不同肥料處理對(duì)土壤酶活性的影響

土壤磷酸酶活性的變化與蔗糖酶活性有所不同。S1處理的土壤磷酸酶活性最高，S3～S6處理的土壤磷酸酶活性與S1較為接近，S2處理的土壤磷酸酶活性最小。但總體來(lái)看，不同處理的土壤磷酸酶活性差異不大，反映出土壤磷酸酶活性具有一定的穩(wěn)定性，對(duì)外來(lái)擾動(dòng)的緩沖能力較強(qiáng)。

2.2 對(duì)土壤肥力和pH值的影響

土壤肥力是耕地的重要屬性和本質(zhì)特征，是土壤理化性質(zhì)和生物特征的綜合反映。

從圖2可以看出，沼液施用提高了土壤肥力，且以土壤速效鉀的含量變化最為突出。以S6處理與S1作對(duì)比，前者的土壤全氮、全磷、有效磷和速效鉀含量分別為942.1、70.4、10.1、28.1 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量為20.2 g·kg-1，分別為后者的1.36、1.44、1.43、4.69、1.26倍。作為厭氧發(fā)酵的末端產(chǎn)物，沼液富含氮、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)，且其中的有效態(tài)氮、鉀，及小分子有機(jī)質(zhì)等速效成分占比高，因此，施于土壤后提高了土壤中生物有效性物質(zhì)的含量。

圖2 不同肥料處理對(duì)土壤肥力和pH值的影響

S1處理的土壤pH值為5.23，S2處理的土壤pH值降低至5.02，而其他處理的土壤pH值均較S1有所提高，即施加沼液后，土壤酸堿度普遍提高，其中，以S5處理的土壤pH值最高，達(dá)到5.93。根據(jù)相關(guān)資料，胡柚適宜的土壤pH值在5.5～6.5，而常山胡柚林地的pH值多在此范圍的下限或之下[7-8]。鑒于沼液多呈堿性，推測(cè)適度施加沼液應(yīng)可調(diào)節(jié)土壤pH值至接近于胡柚最適生長(zhǎng)的條件，本試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期一致。但是，S6處理的土壤pH值較S5處理降低，這可能是因?yàn)檫^(guò)量的沼液施入土壤后進(jìn)行了二次厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸，進(jìn)而降低了土壤pH值。

2.3 對(duì)土壤重金屬含量的影響

鎘、鋅、銅、鉻、砷等重金屬污染物對(duì)土壤的危害性較大，可通過(guò)食物鏈的形式逐級(jí)富集和傳遞，歷來(lái)是沼液還田的關(guān)注重點(diǎn)。鑒于本研究所用的沼液中主要檢出的重金屬為銅、鋅、砷，以及鎘的富集毒性較大，故僅對(duì)這4種重金屬進(jìn)行對(duì)比分析(圖3)。由圖3可知，不同處理的土壤重金屬含量存在差異，但總體變化幅度不大。各處理中：S3處理的土壤中銅含量最高，而S4處理的土壤中銅含量最低；S2和S3處理的土壤中鋅含量最高，而S1處理的土壤中鋅含量最低；S6處理的土壤中鎘含量最高，而S3處理的土壤中鎘含量最低；S6處理的土壤中銅含量最高，而S3處理的土壤中銅含量最低。對(duì)照農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—2018)，各處理土壤中4種重金屬的含量均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值，說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下，沼液施加未導(dǎo)致土壤重金屬安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提升。

圖3 不同肥料處理對(duì)土壤重金屬含量的影響

2.4 對(duì)胡柚品質(zhì)的影響

表1和圖4分別給出了胡柚成熟期各處理樣地的果實(shí)收獲量及其品質(zhì)指標(biāo)。

表1 各肥料處理樣地的果實(shí)收獲量和單果重

表1和圖4可以看出，與S1處理相比，其他處理的果實(shí)數(shù)量、果實(shí)質(zhì)量和單果重均有所提高，且施加沼液各處理的果實(shí)數(shù)量、果實(shí)質(zhì)量和單果重均大于等于全化肥處理，其中，S5和S6處理的果實(shí)數(shù)量、果實(shí)質(zhì)量和單果重最大，說(shuō)明施用沼液較全化肥更利于胡柚的生長(zhǎng)。

圖4 不同肥料處理對(duì)胡柚品質(zhì)的影響

總糖、總酸、VC含量和β-胡蘿卜素含量等指標(biāo)多用來(lái)衡量胡柚的品質(zhì)。其中，總糖和總酸指標(biāo)反映胡柚口感，是其市場(chǎng)化品質(zhì)的主要依據(jù)。S6處理的胡柚果實(shí)總糖含量與S1基本持平，其余處理的胡柚果實(shí)總糖含量均較S1有所提高，且以S5處理最高。胡柚總酸含量以S1處理最高，其余處理的胡柚果實(shí)總酸含量均相對(duì)降低。胡柚果實(shí)的VC含量以S1處理最低，其余處理胡柚果實(shí)的VC含量均相對(duì)增加。除S2處理的胡柚果實(shí)β-胡蘿卜素含量較S1減少外，其他處理的胡柚果實(shí)β-胡蘿卜素含量均顯著提高，其中以S6處理最高(4.8 mg·kg-1)，約為S1處理的1.78倍。

由表2可知，除S2處理胡柚果實(shí)中的銅、鋅含量略低于S1處理外，其余處理胡柚果實(shí)中的銅、鋅、砷、鎘含量均相對(duì)升高。這說(shuō)明施用沼液有增加胡柚果實(shí)中重金屬含量的風(fēng)險(xiǎn)，但果實(shí)中上述4種重金屬的含量水平遠(yuǎn)低于GB 18406.2—2001《農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量 無(wú)公害水果安全要求》的規(guī)定，尚不存在食用風(fēng)險(xiǎn)。

表2 不同肥料處理胡柚果實(shí)中的重金屬含量

3 小結(jié)與討論

本試驗(yàn)表明，沼液的施用可增加胡柚林地土壤中的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)含量，提升土壤蔗糖酶活性。用沼液100%替代化肥后，酸性土壤的pH值得到改善，達(dá)到了化肥減量與胡柚林地土壤改良、培肥的目的。本試驗(yàn)條件下沼液施加未導(dǎo)致胡柚林地土壤中鎘、銅、鋅、砷明顯積累，胡柚果實(shí)中相應(yīng)重金屬的含量水平亦遠(yuǎn)低于農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量無(wú)公害水果安全要求，不存在食用風(fēng)險(xiǎn)。適宜用量的沼液施加可維持胡柚生理代謝過(guò)程的平衡，增強(qiáng)植株機(jī)體的功能，使胡柚果實(shí)中的糖類(lèi)、VC、類(lèi)胡蘿卜素等代謝物保持在較高水平，有效提高胡柚品質(zhì)。

作為一種優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料，沼液能提高土壤營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)的含量。已有研究證明，適量施加沼液不僅可提高土壤中全氮、全磷、全鉀的含量，同時(shí)可改善土壤孔隙度、陽(yáng)離子交換量和保水性等。沼液所含的多種生物有效成分可提高土壤微生物的活性，進(jìn)而激發(fā)各種功能酶的產(chǎn)生；而土壤酶與土壤養(yǎng)分、微生物種群豐度間已被證明存在極顯著的正相關(guān)性[9]。這意味著，沼液的適量投加可有效地改善土壤生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

沼液施加的主要風(fēng)險(xiǎn)在于其所含的重金屬，風(fēng)險(xiǎn)程度則取決于沼液中重金屬的含量水平與施用量、土壤中的富集狀況，及其在農(nóng)作物體內(nèi)的遷移程度。從本試驗(yàn)結(jié)果看，所用沼液中含有的重金屬含量較低，施加于土壤中后，雖然土壤中的重金屬含量略有增加，但遠(yuǎn)未達(dá)到富集程度，而胡柚果實(shí)中的含量水平亦遠(yuǎn)低于農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量無(wú)公害水果安全要求。鑒于研究所限，更長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)的重金屬積累效應(yīng)尚需跟蹤調(diào)查。但就已有文獻(xiàn)而言，沼液施用的長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)水平目前仍被認(rèn)為在安全范圍內(nèi)[10-11]。

土壤環(huán)境是影響農(nóng)作物品質(zhì)的主要因素，主要涉及土壤肥力、pH值、有害物等方面。沼液富含生物有效性氮、磷、鉀，及有機(jī)質(zhì)等多種養(yǎng)分，適量投加可增強(qiáng)土壤肥力，并促進(jìn)胡柚根系微生物種群繁育，使得胡柚生長(zhǎng)過(guò)程中的生理代謝過(guò)程更為協(xié)調(diào)平衡，胡柚機(jī)體的功能性也因此得以增強(qiáng)，糖類(lèi)、氨基酸、維生素和類(lèi)胡蘿卜素等代謝物得以保持在較高水平，從而帶動(dòng)胡柚品質(zhì)的提高。但過(guò)量的施用沼液并不會(huì)進(jìn)一步顯著地提高土壤肥力與胡柚品質(zhì)，反而會(huì)增加潛在的面源污染與資源浪費(fèi)；因此，在本試驗(yàn)條件下，沼液施用100%替代化肥是較為適宜的施用量。