基于Meta分析的沼液施用對作物-土壤系統效應的研究

王志剛, 韓 雪, 徐少奇, 魏雨泉, 劉運平, 裘 浪, 宋 瀟, 李 偉, 王 婷, 郭立月

(1.北京大北農科技集團股份有限公司, 北京 100095; 2. 北京東方園林環境股份有限公司, 北京 100015; 3. 中國農業大學 資源與環境學院, 北京 100093; 4.宿州學院 環境與測繪工程學院, 安徽 宿州 234000; 5.中國科學院植物研究所, 北京 100094)

沼液是作物秸稈和畜禽糞便厭氧發酵形成的褐色液體,富含氮、磷、鉀、腐殖酸、氨基酸、蛋白質是一種水溶性速效液體肥料,有利于改善土壤質量、維持土壤結構和提高作物品質和產量[1-5]。隨著畜牧業迅猛發展養殖廢棄物逐漸成為農村環境污染的主要來源[6-7]。據統計,2015年我國規模養殖糞污量38.34億噸,其中氮磷含量分別為1229和204.6萬噸,糞尿和廢水的隨意堆放對地表水體造成了嚴重污染[2]。因此,全面推進廢棄物資源化利用是解決養殖污染問題的根本出路[8-9]。廢棄物經厭氧發酵形成沼液對發展種養結合循環農業,以資源環境承載力為基準是促進種養二元結構優化和有機肥替代種植的技術要求。2019年以來國家相繼出臺《關于促進畜禽糞污還田利用加強養殖污染治理的指導意見》和《關于進一步明確畜禽糞污還田利用要求強化養殖污染監管的通知》支持廢棄物綜合利用成為解決養殖污染問題政策保障[10]。20世紀90年代我國就開展了糧作、果樹和蔬菜沼液還田研究,例如劉勇[11]等對溫州蜜柑噴施5%沼液平均增產49.03%,果實可溶性固形物含量增加0.08%;嚴建輝[12]等發現柑橘施用沼液增產4.9%,果實總糖、可溶性固形物含量提高,總酸含量下降;潘紹坤[13]等認為萵筍施用沼肥增產3.6%且增加維生素C和粗蛋白含量。因此,施用沼液作物增產提質同時改善土壤肥力;例如李金懷[14]等在廣西果園連續3年施用沼液土壤全氮、全磷和全鉀含量比常規施肥分別增加6.80%、13.05%和25.04%;曹易繁[15]等在江蘇常熟施用600 m3·hm-2沼液土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別比常規施肥提高8.9%、4.3%、7.1%和6.5%;楊知書[16]等采用15N豐度法發現沼液替代化肥N2O總生成量減少27%。此外,沼液中鉻、砷、鎘、鉛、汞等重金屬含量超標限制沼液還田[17],2021年出臺《農用沼液》標準(GB/T40750—2021)為沼液安全利用提供技術和政策依據。前人通過單點試驗研究得出的結論受到區域條件、土壤類型、作物種類等影響不能全面客觀反映沼液施用效果;因此,通過大數據客觀評價分析作物-土壤系統對沼液施用的響應非常必要。目前,沼液施用對作物產量或土壤肥力影響的研究大多從單一試驗角度出發,并且基于某些特定試驗點,研究結果只能回答特定條件下施用沼液的效果[18-24];本研究擬采用整合分析方法(Meta-analysis)對國內外施用沼液獨立試驗結果進行綜合分析。本研究在檢索國內外發表的施用沼液研究基礎上定量分析不同類型作物產量、土壤物理、化學、生物學參數影響和重金屬累積效應,并探究施用沼液作物增產和土壤肥力之間的關系,以期明確沼液施用在不同作物、土壤肥力參數之間的差異,揭示沼液施用與作物-土壤系統的效應關系,為沼液安全高效科學使用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

為系統全面揭示沼液施用對作物-土壤系統的影響,本研究數據通過中國知網、萬方、維普、Web of Science和Elsevier等數據庫獲取,收集1990～2021年發表的關于沼液農田利用相關文獻,以“沼液、沼肥、液體糞肥、biogas slurry、fermented liquid organic fertilizer、digested effluent、biogas fluid”與“作物產量、作物生產力、crop yield、crop productivity、crop production”與“土壤肥力、土壤質量、soil fertility、soil health”等3套關鍵詞用于文獻檢索。根據研究目的設置等氮沼液為試驗組(Xt)、等氮化肥為對照組(Xc)分析兩種類型肥料對作物產量和土壤肥力的影響。檢索文獻使用以下標準篩選: 1)研究區域為全球范圍; 2)同一文獻中每一個獨立試驗均作為一個獨立研究; 3)同一文獻必須同時包含試驗組和對照組且純氮施用量一致; 4)有明確試驗處理重復數與作物產量和某些土壤肥力參數; 5)所有研究均為大田試驗; 6)使用0～20 cm表層土壤數據; 7)試驗地點、氣候特征、土壤性狀、沼液成分等信息明確表達; 8)以柱狀圖和折線圖表達的數據采用GetData Graph Digitizer軟件進行數字化轉換提取。經篩選符合條件文獻62篇,獲得有效數據591組。如果文獻提供數據是均值標準誤,標準差通過公式(1)轉換。公式如下:

(1)

式中:SD為標準差,SE為標準誤,n為樣本量。對于標準差和標準誤均缺失的數據組,按照Bracken方法估計缺失的標準差[25]。

1.2 數據提取

根據試驗歸納分組得到以下內容:作物類型、土壤肥力及重金屬種類具體詳見表1。通過Meta亞組分析考察等氮沼液和等氮化肥兩種類型肥料對作物-土壤系統的影響程度。

表1 研究數據分組情況

1.3 數據分析

本文采用meta分析方法研究相同施氮量下沼液和化肥兩種肥料對作物產量、土壤肥力及重金屬含量的影響。計算過程采用Hedges等計算方法,分析每一組數據效應值(RR)通過自然對數轉換比較響應變量的效應大小[26]。RR以試驗組(Xt)和對照組(Xc)指標平均值比值自然對數計算,計算公式如下:

lnRR=ln(Xt/Xc)=lnXt-lnXc

(2)

式中:RR為響應比,Xt和Xc分別為試驗組和對照組指標平均值。

Meta分析是對各效應值加權計算,得到總體平均效應值lnR++。計算時,應先確定每項獨立研究方差v和權重ω,公式如下:

(3)

(4)

(5)

式中:Nt和Nc分別為試驗組和對照組樣本量;SDt和SDc分別為試驗組和對照組標準差;Xt和Xc分別為試驗組和對照組平均值。

為反映效應值變異情況,通過公式(6)計算加權綜合效應值lnRR++95%置信區間(95%CI)。若未與零點線(x=0)交叉,則表示與對照組相比試驗組相關指標影響顯著,反之不顯著;若全部落在負半軸,表示相關指標有負效應,反之正效應。RR++標準差SlnRR++通過公式(7)計算。

95%CI=lnRR++±1.96SlnRR++

(6)

(7)

為表現對作物產量和土壤肥力影響效應,根據公式(7)將指標lnR++轉化為變化率。

E=(elnRR++-1)×100%

(8)

1.4 數據處理及統計分析

整合分析合并計數資料響應比得出加權平均響應,明確試驗處理間及各試驗結果是否存在異質性,采用Egger test和Nfs進行異質性檢驗。通過異質性檢驗結果確定分析模型,若分析結果不顯著(PQ-val>0.05)則試驗結果無顯著差異選用固定效應模型;若PQ-val<0.05表明試驗結果差異顯著選用隨機效應模型。本研究統計結果經卡方檢驗p<0.05,因此選用隨機效應模型計算綜合效應值(見表2);根據95%置信區間判斷研究結果顯著性。如果95%CI不與0值重疊且大于(小于)0值表明結果顯著說明沼液顯著提高(降低)作物產量或土壤肥力參數。如果95%CI包含0值表明分析結果不顯著,采用Microsoft Excel 2010記錄數據并采用R-studio和Metawin2.1軟件分析,Revman5.4軟件作圖。

表2 綜合效應樣本描述性統計分析

2 結果與分析

2.1 作物產量

總體上看,與等氮化肥對照組(Xc)相比,等氮沼液試驗組(Xt)對選擇的7種作物綜合增產效應7.62%(見圖1)。其中,等氮沼液試驗組(Xt)小麥增產最高為16%;同樣地,玉米和番茄均增產14%、油菜產量提高8%(p<0.05)。水稻和黑麥草分別增產1%和2%(p<0.05),茄子產量降低11%(p<0.05);沼液對作物增產貢獻順序為:小麥>玉米>番茄>油菜>黑麥草>水稻>茄子。在不同氣候類型、土壤類型、沼液施用量、作物種類條件下,沼液對作物生長促進作用的顯著性和強度存在差異。與等氮化肥對照組(Xc)相比,施用沼液提供速效氮、磷、鉀等營養被作物直接吸收利用,同時沼液含有90%以上水成分一定程度上滿足了作物關鍵生育期對水資源需求;因此,沼液提供大量速效養分和水資源是作物增產的主要原因。

圖1 沼液施用作物產量效應值注: 圖中淺色小方塊與誤差線分別代表響應比和95%置信區間,若誤差線不經過零線,則說明試驗組和對照組間差異顯著;括號中數字表示樣本量。p<0.05表示響應比之間具有顯著性差異,下同。

2.2 土壤物理性狀

總體上看,與等氮化肥對照組(Xc)相比,等氮沼液試驗組(Xt)對土壤容重、總孔隙度、大團聚體含量(>5 mm、5～2 mm、2～1mm和1～0.5mm)具有顯著改善效果(p=0.03)(見圖2);具體地,施用沼液土壤總孔隙度增加14%、容重降低6%,粒徑>5 mm、5～2 mm、2～1mm和1～0.5 mm團聚體含量分別增加了12%、10%、10%和20%;粒徑0.5～0.25 mm團聚體含量下降10%轉化為較大團聚體;粒徑<0.053 mm和0.25～0.053 mm團聚體含量分別降低2%和5%,同樣地粒徑<0.053 mm團聚體轉化為粒徑0.25～0.053 mm和0.5～0.25 mm團聚體。沼液為土壤提供更多的腐殖質和微生物菌絲及分泌物等膠結物質,將較小團聚體轉化為較大團聚體使土壤顆粒之間毛管孔隙增加;因此,沼液降低土壤容重和增加孔隙度同時促進大團聚體形成。

圖2 沼液施用土壤物理性狀效應值

2.3 土壤化學性狀

總體上看,與等氮化肥對照組(Xc)相比,等氮沼液試驗組(Xt)土壤全鹽量顯著增加9%可能對作物生長和土壤肥力產生不利影響;全氮和有機質含量分別顯著增加8%和20%,土壤速效磷、電導率和陽離子交換量增幅分別為15%、13%和6%(p>0.05);土壤pH值和速效鉀含量分別提高1%和3%(見圖3)。沼液中速效養分持續提高土壤肥力的同時沼液發酵過程中尚未被完全分解的纖維素、半纖維素等有機物質進入土壤被分解轉化,提高有機質含量;此外,沼液含有大量改善土壤結構的物質增加土壤保水性和保肥性,為微生物生長提供良好環境,分解、轉化和釋放土壤養分,提升速效養分含量,改善土壤結構根本上為作物創造高產條件。沼液中鹽分含量超標未來可以選擇強抗逆性高價值作物消納沼液,減輕長期沼液灌溉農田負荷緩解農田鹽漬化是重要技術手段。

圖3 沼液施用土壤化學性狀效應值

2.4 土壤生物學性狀

總體上看,與等氮化肥對照組(Xc)相比,等氮沼液試驗組(Xt)土壤微生物碳氮含量分別增加13%和7%、磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性分別提高12%、13%和6%(p<0.05)(見圖4)。土壤香農-維納指數和辛普森指數分別顯著增加14%和21%,但是對Ace和Chao兩個指數無顯著影響。土壤微生物量碳氮是土壤養分庫中最活躍的組分,也是植物可利用營養重要來源,沼液施用增加根系生物量和根系分泌物為微生物提供充足碳源。此外,沼液中的銨態氮短時間內可能抑制微生物生長,導致對氮營養利用能力具有差異的微生物生長受到影響可能抑制微生物群落多樣性。

圖4 沼液施用土壤生物性狀效應值

2.5 土壤重金屬含量

總體上看,與等氮化肥對照組(Xc)相比,等氮沼液試驗組(Xt)土壤銅、鋅和砷含量顯著分別顯著增加10%、18%和11%(p<0.05)(見圖5),長期連續沼液還田可能導致土壤銅、鋅和砷含量超過《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618—2018)規定限值要求;同時,土壤鎘、鉻、汞和鉛含量分別增加3%、2%、2%和1%(p>0.05)。長期沼液灌溉土壤銅、鋅、鉛、鎘等重金屬產生累積效應;重金屬從植物根系進入植物體并通過食物鏈威脅人體健康,為降低沼液還田利用重金屬污染風險和增加安全施用年限,一方面從源頭控制飼料重金屬添加劑投入降低沼液重金屬含量;另外積極向土壤配施生物炭等重金屬鈍化材料尤為必要。

圖5 沼液施用土壤重金屬含量效應值

3 討論

3.1 沼液還田對作物產量的影響

本文選擇茄子、玉米、油菜、水稻、黑麥草、番茄和小麥7種作物,主要是基于這7種作物的研究較多且有足夠試驗數據用于分析。Meta分析結果表明沼液施用對作物產量作用總體上表現為顯著提升達到7.62%(見圖1),本研究結果與前人得出施用沼液顯著提高作物產量和品質效果的結論基本一致。例如,王新燕[27]等發現沼液滴灌顯著提高番茄產量和果實硬度、維生素和總糖含量,降低爛果率和硝酸鹽含量;安金燕[28]等得出施用沼液降低臍橙果皮厚度,提高糖度同時增加產量;張璘瑋[29]等通過3年連續定位試驗也證實施用沼液油菜產量比常規施肥增加38%,同時油菜籽蛋白質、含油率等達到最佳水平。本研究表明合理施用沼液提高作物產量同時替代部分化肥,玉米、油菜、番茄和小麥增產幅度不同但均呈現顯著正效應。茄子減產原因可能是試驗結果多數為大棚種植,土壤累積較多硝酸鹽和棚內高溫高濕環境引起授粉率下降導致,未來應進行溫室栽培條件下還田效應研究。多數情況下,施用沼液改善土壤環境促進作物發育,其次沼液提高作物維生素、礦物質和蛋白質含量,降低硝酸鹽含量。本研究發現,旱地作物產量增產幅度高于水稻和大棚種植原因可能是旱地土壤較好的有氧環境加速沼液中氮礦化。

此外,沼液含水量達到90%以上,施用后一定程度上緩解干旱造成不利影響。沼液中未完全分解有機物繼續發酵持久供應養分;提高作物產量和品質同時根本上改善土壤保肥保水能力,促進農業循環可持續發展。

3.2 沼液還田對土壤肥力和重金屬含量的影響

本文選擇土壤團聚體、容重、總孔隙度、速效養分、pH值、全鹽量、酶活性、微生物碳氮含量、多樣性指數及銅、鋅等重金屬作為評價指標,主要是文獻中對上述指標進行系統研究且試驗數據滿足分析要求。Meta分析結果表明沼液施用后土壤全鹽量和重金屬含量具有增加趨勢呈現一定環境風險,其它土壤指標改善作用顯著性和強度呈現正效應但因土壤因子和還田條件等不同而產生變化(見圖2～5)。因此,合理使用沼液減少化肥對土壤不良影響對維持土壤肥力與生物活性具有積極效果。結果表明,施用沼液降低土壤容重、增加孔隙度和細菌、真菌、放線菌數量改善土壤養分狀況[4,30-31]。沼液增強磷酸酶活性加快有機磷轉化,例如施用沼液增加玉米種植土壤有效磷,增加量1.43～8.47 mg·kg-1[32];李友強[33]和胡福初[34]等發現沼液增加小麥和果園土壤速效鉀含量。但是,楊樂[35-36]等發現沼液增加土壤鹽漬化風險,本研究也得出相似結論。

沼液還田土壤容重降低6%與肖洋和孫國鋒[36-37]等發現沼液降低耕層土壤容重結論一致;張翠麗[38]等發現沼液可改善鹽堿土容重,特別是對中度鹽堿土改良效果更優。然而對土壤孔隙度的研究結論,葉旭君[39]等發現施用沼液土壤孔隙度增加9.7%;肖洋[37]等認為沼液對土壤孔隙度無明顯影響;同樣鄭莉[40]等發現連續4年施用沼液鹽化潮土孔隙度無變化;但是,本研究土壤孔隙度和容重顯著增加可能與粒徑>0.5 mm較大團聚體含量增加關系密切。例如王國海[41-42]等發現沼液還田土壤容重降低0.113 g·cm-3,孔隙度增加4.27%,原因是添加有機物料增加微團聚體的團聚性能,提高水穩性團聚體數量和增加土壤碳庫儲存并降低土壤緊實程度。

沼液還田土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性呈現顯著正效應與馮丹妮[3]等關于黃壤水稻土酶活性變化的研究結果一致;土壤微生物碳氮含量分別增加13%和7%與管濤[43]和周偉[44]等發現麥田和林場土壤微生物碳氮含量分8%和11%結果類似。沼液改變土壤真菌細菌比例和組成,微生物碳氮比3-6細菌活性最高,碳氮比7-12真菌活性較高[4],因此微生物分泌胞外聚合酶促進較大團聚體形成具有改善土壤結構促進抗旱保墑的作用。施用沼液改善土壤微生物香農指數和辛普森指數;周陽[45]等發現秸稈沼液配施還田年限越長多樣性指數越高,可能與沼液提高土壤有機質和速效氮含量促進土著微生物生長成為優勢種群有一定關系。

施用沼液土壤銅、鋅和砷含量分別增加10%、18%和11%這與趙奇志[46]等meta分析證實沼液還田土壤銅、鋅和砷含量提高18.7%、26.3%和20.5%結果一致,表明沼液是土壤重金屬增加主要來源需要加強風險管控,防止土壤污染降低微生物活性和破壞群落結構。有報道[47]表明飼料硫酸銅、鋅含量分別為100～250 mg·kg-1和2000～3000 mg·kg-1,動物吸收后大部分隨糞便排泄增加沼液還田風險。湯逸帆[48]對江蘇濱海稻麥輪作土壤施用沼液0年、3年和5年,結果表明3年和5年后土壤和作物籽粒銅、鋅、鎘和鉛含量雖未超標,但0～15 cm水稻季和小麥季土壤銅累積速度分別1.13 mg·kg-1和0.74 mg·kg-1,鋅累積速度分別為每年3.80 mg·kg-1和2.83 mg·kg-1,加速土壤銅和鋅累積速度;Bian[49]等對太湖地區居民潛在健康風險評價發現沼液還田是糧食及土壤重金屬積累主要原因;蔬菜和谷物易受到鉛污染超出衛生部門規定允許限量,重金屬通過土壤-根系界面被植物吸收在作物中積累產生嚴重危害[50]。

本研究應用Meta分析定量評價沼液對作物增產和土壤肥力改善效應,一定程度上量化沼液對作物-土壤系統貢獻程度和風險閾值。此外,沼液施用效應受區域氣候、土壤類型、降雨量、灌溉方式、施肥制度、還田量等因素交互作用影響本研究并未涉及。但是,本研究對掌握大區域尺度沼液還田效果具有一定參考價值。未來應針對主要氣候區和作物品種、土壤類型、還田條件及沼液類型開展精準化沼液還田效應分析,推動區域化種養結合技術發展。

4 結論

(1)本研究應用Meta分析方法定量評價沼液對作物-土壤系統影響效應,結果表明施用沼液作物產量提高7.62%同時對團聚體含量、容重、孔隙度、酶活性、微生物碳氮含量和多樣性指數等產生正效應,長期沼液還田增加鹽分和重金屬累積風險。

(2)本研究未統計沼液還田年限對作物-土壤系統影響效應,重要的是為降低沼液施用重金屬污染風險和增加安全施用年限,從源頭控制飼料重金屬添加劑降低沼液重金屬含量,積極向土壤中配施生物炭等鈍化材料降低重金屬物質的生物有效性。

(3)對沼液直接添加養分、微生物菌劑、生長調節劑或與其它產品配合復配成專用液態有機肥料用于農業生產,提升沼液產品價值和優化沼液施用技術,研發高值、功能化產品,實現沼液多元化利用并建立長期定位試驗科學評估沼液還田效果。