生態敏感區HDPE沼液長期還田對水稻產量及土壤理化的影響

沈云祥馬云浩楊丹宮發瑩施林林

(1.瑞凱企業管理服務(張家港)有限公司，江蘇 張家港 215600；2.蘇州市農業科學院，江蘇 蘇州 215000)

前言

伴隨中國養殖業的快速發展，綠色友好解決養殖廢棄物成為循環農業發展過程中的重要環節，其中養殖廢棄物沼氣化成為我國農牧結合高值利用的重要途徑[1]。各地大量推廣了“畜禽糞污產沼氣發電，沼渣沼液還田”的綠色綜合種養模式，如“豬-沼-肥-田”模式。據不完全統計，我國規模化養殖場每萬頭生豬存欄需要處理的沼液量就高達120～180m3，全國每年排放的沼液達到了2億t，并且仍呈高速增長趨勢[2]，但如何消納上述天量沼液成為畜牧養殖業亟待解決的問題。

目前研究認為，稻田生態系統能大量消納沼液，且對水稻的生長具有正向促進作用。姜麗娜等研究指出，稻田可每年安全承載沼液3000t·hm-2，后季稻可在不施氮鉀肥的條件下獲得與全量化肥等價產量[3]。王子臣等研究表明，稻田大量消納沼液時，施用量在900t·hm-2條件下能保證水稻增產[4]。同時，王桂良等的研究表明，沼液替代70%的化學氮肥能提高水稻產量并改善稻米品質[5]。總體而言，利用稻田消納沼液正成為沼液農田承載的主要技術模式[5，6]。同時，沼液作為液態有機肥，被認為能有效提高土壤肥力。近年的研究認為，長期施用沼液能有效提高土壤有機質、總氮、堿解氮、全鉀、有效鉀、總磷和有效磷含量[6-8]。

但稻田大量消納沼液也存在巨大的生態環境風險，其中最引人注目的是沼液中殘留重金屬[9]。Tang通過連續5年的定位試驗研究，在每年450t·hm-2沼液施用量條件下，農田(稻麥)土壤Cu與Zn含量顯著增加，水稻秸稈和籽粒吸收的Cu和Zn含量隨著沼液施用量增加而顯著提高，同時5年處理水稻籽粒Cu、Zn、Pb和Cd含量分別為4.24mg·kg-1、33.78mg·kg-1、0.12mg·kg-1和0.035mg·kg-1，仍滿足我國糧食作物安全標準(NY 861-2004)[10]，但不可否認的是農田土壤長期大量承載沼液持續提高了土壤重金屬含量，盡管短期內仍然不超標(GB 15618-2018)，但探討沼液環境安全施用的年限閾值刻不容緩。

同時，沼氣工藝技術持續發展，目前正從傳統沼氣工藝向HDPE工藝(黑膜沼氣池工藝)發展，HDPE工藝具有建造和運營成本低、施工簡單、建設周期短、運行安全性高、工藝流程短和維護方便等特點[11]，但針對HDPE工藝沼液的稻田承載利用的研究目前尚不多見。尤其重要的是，蘇州市作為工業強市，農業耕地有限，且處于長江大保護和太湖保護的生態極度敏感區，若沼液大量無序還田勢必導致作物產量降低和土壤養分失衡。為此本研究在蘇州沿江地區(張家港)開展HDPE沼液長期施用的定位試驗，重點研究生態敏感區HDPE沼液對稻田生產力和土壤肥力的影響，為解決本區域沼液稻田消納提供科學數據。

1 材料與方法

田間試驗開展于2018—2022年，地點位于蘇州張家港市常陰沙農場，位于N31.81°，E120.83°。試驗采用完全隨機區組設計，處理分別為不施肥空白(CK)、傳統施肥(NPK)、沼液替代100%氮肥(BS)，每個處理重復3次。小區面積60m2，四周做田埂后用黑膜覆蓋，為防止串肥田埂高度為20cm。小區具有獨立進排水口和流量計，沼液通過管道進入田塊，并利用流量計計量沼液施用量。

試驗參考常陰沙地區水稻季常規施肥量，施氮20kg·667m-2，施磷3.5kg·667m-2，施鉀8kg·667m-2。氮肥采用尿素(46%N)，磷肥為過磷酸鈣(12%P2O5)，鉀肥為氯化鉀(60%K2O)。其中，NPK處理中35%氮肥作為基肥(移栽前)，35%氮肥分2次作為分蘗肥(移栽后7d和14d)和30%氮肥作為穗肥(拔節期)；100%磷肥作為基肥；50%鉀肥作為基肥，50%鉀肥作為穗肥。

BS處理中施氮量與NPK處理一致，其中，25%沼液作為基肥，25%沼液分2次作為分蘗肥，25%沼液作為穗肥，25%沼液作為保花肥。BS處理中磷鉀肥施用方式同NPK處理。其中，沼液的N含量為0.08%，P2O5含量0.049%，K2O含量為0.06%，pH為7.55，砷含量為0.3mg·L-1，銅含量為12.5mg·L-1，鋅含量為10.2mg·L-1，鎘含量為0.2mg·L-1，鉻含量為2.3mg·L-1。

水稻品種為當地常規品種“南粳46”。采用人工移栽方式，株行距為30cm×20cm。除施肥外，其余田間作業與水稻日常管理參考本地常規方式。

2022年水稻成熟后測定水稻實產。同時取0～20cm土壤樣品風干，磨細后過10目和100目篩，測定土壤pH、有機質、總氮、總磷、總鉀、速效磷、速效鉀、堿解氮等[12]。同時采用ICP-OES法測定土壤中Cu、Zn、Cr和Cd含量[13]，采用原子熒光法測定土壤中As含量[14]。

2 統計與分析

數據收集采用Excel 2010，統計分析采用Minitab 19。原始數據先進行方差齊性和正態性檢驗，滿足條件后進行方差分析，并在0.05水平上采用LSD法進行多重比較。

3 結果與分析

3.1 水稻產量

結果表明，施用沼液水稻產量顯著高于傳統施肥和無肥處理，見表1，BS處理水稻產量較NPK處理水稻實產高11.7%，較CK處理水稻實產高19.0%。分析水稻產量構成可知，施用沼液替代化學氮肥未顯著影響水稻穗數，但BS處理穗數必CK處理穗數高4.9%。施用沼液顯著提升了每穗粒數，其中BS處理每穗粒數較NPK和CK處理高7.1%和15.1%。施用沼液有利于提升水稻結實率，BS處理結實率比NPK處理高4.6%，但與CK處理間無顯著差異。千粒重指標在不同處理間較為穩定，無顯著差異。

表1 2022年水稻實產與產量構成

3.2 土壤養分指標

研究表明，盡管統計上仍無顯著差異，但長期施用沼液(2018—2022)可有效提升土壤有機質含量，見圖1a。BS處理土壤有機質含量達到25.2g·kg-1，比NPK和CK處理高8.2%和21.2%。長期施用沼液可顯著提升土壤全氮含量，見圖1b，本研究中BS處理土壤全氮較NPK和CK處理分別提升5%和23.5%。長期施用沼液對土壤全磷有提升趨勢，見圖1c，盡管在0.05水平上仍未達到顯著差異，但BS處理土壤全磷較NPK和CK處理提高2.2%和10.0%。長期施用沼液對土壤全鉀有提升趨勢，見圖1d，在0.05水平上仍未達到顯著差異，但BS處理土壤全鉀較NPK和CK處理提高6.9%和20.3%。

注：圖中誤差線為標準差，不同小寫字母表示在0.05水平上有顯著差異；下同。圖1 不同處理間土壤有機質、總氮、總磷和總鉀含量

長期施用沼液顯著提升了土壤銨態氮含量，見圖2a，BS處理土壤銨態氮含量較NPK和CK處理提高27.2%和110%。長期施用沼液提升了土壤速效磷含量，見圖2b，但未達到顯著差異，BS處理土壤速效磷含量較NPK和CK處理提高13.2%和35.3%。長期施用沼液有利于提升土壤速效鉀含量，見圖2c，BS處理土壤速效鉀含量顯著高于CK處理，但與NPK處理間仍無顯著差異，BS處理土壤速效鉀含量較NPK處理提高9.8%。長期施用沼液肥土壤pH值有降低趨勢，見圖2d，BS處理與NPK處理pH值無變化，但較CK降低0.2個單位。

圖2 不同處理間土壤銨態氮、有效磷含量、速效鉀含量和土壤pH值

3.3 土壤重金屬含量

長期施用沼液顯著提高了土壤中砷元素含量，見圖3a，其中BS處理較NPK和CK處理砷含量分別提高85.7%和64.1%，但參考農用地土壤污染風險管控標準(GB 15618-2018)，所有處理均在安全范圍以內(20mg·kg-1)。長期施用沼液顯著提高了土壤中銅元素含量，見圖3b，其中BS處理較NPK和CK處理銅含量分別提高75.7%和78.7%，參考農用地土壤污染風險管控標準，所有處理均在安全范圍以內(100mg·kg-1)。長期施用沼液顯著提高了土壤中鋅元素含量，見圖3c，其中BS處理較NPK和CK處理鋅含量分別提高142.8%和88.3%，參考農用地土壤污染風險管控標準，所有處理均在安全范圍以內(300mg·kg-1)。長期施用沼液未顯著提高了土壤中鎘元素含量，見圖3d，平均Cd含量為0.3mg·kg-1。參考農用地土壤污染風險管控標準，所有處理均在安全范圍以內(0.6mg·kg-1)。長期施用沼液未顯著提高土壤中鉻元素含量，見圖3e，平均Cr含量為57.6mg·kg-1。參考農用地土壤污染風險管控標準，所有處理均在安全范圍以內(250mg·kg-1)。

圖3 不同處理間土壤砷、銅含量、鋅含量、鎘含量和鉻含量

4 討論

沼液作為養殖業主要廢棄物，含有大量氮磷鉀等養分元素，是優質的肥料來源，提高了作物產量和土壤質量[15]。但為促進生豬生長，在生豬養殖過程中常常添加As、Cu和Zn等微量元素[16]。因此，沼液中也含有部分重金屬元素，上述微量元素的添加極大增加了土壤質量安全風險[17]。為科學合理施用沼液，土壤長期定位觀測實驗是主要的研究方法。湯逸帆等的研究表明，連續施用沼液5年仍然安全可控[18]。但由于土壤組成、農業耕作方式和環境容忍度等差異，上述結論并不能推廣，特別是在一些生態敏感區。張家港作為長江下游典型的生態敏感區，土壤主要為灰潮砂土，土種為黃夾沙土，保肥保水性能差，沼液的大量施用極易引起環境風險。因此，定位觀測沼液的施用具有重要意義。

本研究結果揭示了在稻季用沼液替代化學氮肥能顯著提高早熟晚粳產量，與常規化肥處理相比，主要通過提高每穗粒數和結實率進行調控。上述結果與侯福銀等研究一致[19]。這與沼液中氮元素主要為銨態氮為主有關，水稻在關鍵生育期主要依靠銨態氮提供氮營養[20]。沼液中磷鉀元素也為水稻促花保花提供了營養基礎。同時，沼液中含有大量氨基酸和次生代謝產物，為提高水稻的抗逆性提供了基礎[21]。因此，采用沼液替代化學氮肥可顯著提升長江下游沿江地區水稻產量。

土壤理化性質表明，長期施用沼液可有效提升土壤有機質、全氮、全鉀、銨態氮、速效磷、速效鉀和陽離子交換量。其中，BS處理的土壤全氮和銨態氮含量均顯著高于NPK處理，上述結果與宋德剛等的研究一致[22]。這也與沼液中存在大量的銨態氮有關。同時，由于沼液中含有大量銨態氮，如何避免由于滲漏、揮發和徑流導致的農業面源污染值得進一步研究[1]。總體而言，通過沼液的持續施用，土壤基礎地力得到有效提升，特別是土壤氮素供給能力。

經過5年的連續施用沼液，土壤中As、Cu和Zn含量顯著增長，但未超過國家標準(GB 15618-2018)，Cr和Cd的含量未有顯著變化。上述結果表明，在沿江灰潮砂土地區，連續5年的沼液施用暫不會對土壤環境造成嚴重風險。但考慮到沼液中As、Cu和Zn等元素的含量較高，持續累計必定會導致環境風險，特別是沼液大量長期施用后[9]。因此，從源頭減少或控制As、Cu和Zn一類重金屬的添加是解決沼液農田施用的主要途徑。

5 結論

通過連續5年的沼液還田試驗，沼液100%替代化學氮肥能顯著提高水稻產量，主要途徑是提供每穗粒數和結實率。沼液替代化學氮肥能顯著提升土壤供氮水平，提高土壤全氮和銨態氮含量。同時，沼液替代化學氮肥能提升土壤有機質、全鉀、速效磷、速效鉀和CEC等。沼液替代化學氮肥對土壤中As、Cu和Zn的增加具有顯著貢獻，但對Cd和Cr無顯著貢獻。總體而言，沼液還田可提升水稻產量和土壤質量，但也增加了土壤安全風險。未來需要針對沼液的安全施用進一步進行研究。