沼肥替代化肥对设施蔬菜产量和土壤养分及重金属累积的影响

高杰云，康凌云，严正娟，曲明山，刘自飞，张翠珍，陈 清



沼肥替代化肥对设施蔬菜产量和土壤养分及重金属累积的影响

高杰云1，康凌云1，严正娟1，曲明山2，刘自飞2，张翠珍3，陈 清1※

（1. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193； 2. 北京市土肥工作站，北京 100029；3. 河北省承德市土壤肥料工作站，承德 067000）

针对盲目施用沼肥可能带来的土壤环境问题，该研究采用5年8茬的设施番茄-甜椒田间轮作试验，研究不同沼肥和化肥配比对蔬菜产量、设施土壤氮磷养分及重金属累积的影响。结果表明：在等氮钾养分投入下，沼肥和化肥以不同比例配施的各处理没有影响蔬菜产量；氮素盈余和0～180 cm土层土壤全氮含量随沼肥施用比例增加没有显著差异；磷素盈余随沼肥施用比例增加显著增加，完全沼肥处理0～30 cm土层土壤Olsen-P及CaCl2-P含量分别达到151和8.0 mg/kg，高于其他2个处理，且明显超出环境阈值。与完全沼肥处理相比，减量沼肥施用（3/5沼肥处理）明显降低了土壤氮素淋洗风险和磷素累积。与不施肥处理相比，施用沼肥后30～60、60～90、150～180 cm土层土壤全Hg含量均低于不施肥处理；除30～60 cm土层使用沼肥处理土壤中全As含量显著高于不施肥处理，其他土层各处理间均没有显著差异，而完全沼肥处理全Cr、全Cd、全Pb含量有所下降，且全Pb含量下降最为显著，但均没有出现重金属污染风险。沼肥替代化肥施用可有效实现废弃物中的养分资源循环利用，但增加菜田土壤磷素累积和淋失风险，本研究为设施菜田合理施用沼肥提供技术支持，为实现沼肥资源的循环利用和化肥替代模式提供理论参考。

粪肥；氮；重金属；设施菜田；土壤养分

0 引 言

中国规模化畜牧业的快速发展产生大量的畜禽粪便，合理循环利用这些有机废物中的养分资源不仅可节约大量化肥，而且可以有效提高养分利用，避免产生农田面源污染[1-2]。目前大多数养殖场主要采用粪肥直接施用还田或经过堆肥化处理后变为商品有机肥还田[3-4]，而对于一些采用水冲粪等固液分离技术的养殖场则主要通过发展沼气工程处理养殖废弃物，较为经济的施用方法是通过种养循环的方式还田[5-6]。最近几年，随着养殖场沼气工程的大力发展，产生的沼渣沼液废弃物越来越多并且已经给养殖场周边环境带来巨大的压力。研究发现，沼肥不仅能显著提高土壤质量，补充土壤养分和有机质[7-11]，有效地调节土壤中的水、肥、气、热，改善土壤生态环境，而且可以提高作物产量，改善农产品品质[12-17]。施用一定量的沼肥或沼肥与化肥配施均比单施化肥提高土壤全氮、全磷和有机质含量效果好[18-22]，改善土壤生物学特性[23]，但是液体的沼肥不同于普通的固体粪肥或者商品有机肥[24]，由于缺少合理的技术指导，沼肥盲目施用的现象普遍存在[25]，由此可能导致土壤中养分大量积累、重金属含量超标等环境问题或者造成烧苗等农学栽培问题[26-29]。

本研究基于京郊连续进行的5 a蔬菜生产定位试验，研究在等氮钾量控制条件下沼肥替代肥对蔬菜生长和土壤养分及重金属积累的影响，分别从农学及环境角度进行分析，以期为设施菜田合理施用沼肥提供技术支持，为实现沼肥资源的循环利用和化肥替代模式提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点及作物选择

试验地点为北京市顺义区赵家峪蔬菜基地，所选用的温室为典型钢架结构，长60 m，宽8 m。2009年试验开始时测定0～30 cm土壤的理化性质为：有机质12.7 g/kg，全氮0.84 g/kg，碱解氮71.0 mg/kg，有效磷75.7 mg/kg，速效钾72.0 mg/kg，土壤质地为黏壤土。在2009年秋冬茬开始进行蔬菜生产，种植方式为一年两季，即2月－6月冬春茬种植甜椒，8月－来年1月秋冬茬种植番茄，7月份为休闲期。试验周期为5年8茬，包括2009年秋冬茬番茄、2010年冬春茬甜椒和秋冬茬番茄、2011年冬春茬甜椒和秋冬茬番茄，2012年冬春茬甜椒和秋冬茬番茄、2013年冬春茬甜椒。为了在一定程度上克服设施土壤连作障碍等问题，供试作物采用嫁接苗，番茄品种为秋展16号，砧木为果砧1号；甜椒品种为京甜3号，砧木为富根卫士。番茄每畦1行，株距25 cm，行距100 cm，密度为每平方米4株；甜椒每畦双行，株距40 cm，宽行距60 cm，窄行距40 cm，密度为每平方米5株。

1.2 试验设计

试验设置5个处理方式，其中沼肥与化肥配施的处理按照与完全沼肥处理等氮钾（NK）投入量的原则进行比例设置，分别为：1）完全沼肥处理；2）3/5沼肥+2/5化肥处理；3）2/5沼肥+3/5化肥处理；4）3/5沼肥处理；5）不施肥处理。其中完全沼肥处理每季沼肥施用量为150 t/hm2，不施用化肥；3/5沼肥+2/5化肥处理每季沼肥施用量为90 t/hm2，化学氮肥施用量（以N质量计）为180 kg/hm2，钾肥施用量（以K质量计）为140 kg/hm2，不施用化学磷肥；2/5沼肥+3/5化肥处理每季沼肥施用量为60 t/hm2，化学氮肥施用量（以N质量计）为270 kg/hm2，钾肥施用量（以K质量计）为210 kg/hm2，不施用化学磷肥；3/5沼肥处理每季沼肥施用量为90 t/hm2；不施肥处理即不施用任何肥料。

每个处理设置3次重复，每个小区包括3个种植畦，每个小区面积为27 m2。各处理2009－2013每季平均养分投入量及施用方式见表1。供试沼肥来自北京市顺义区大孙各庄沼气站，原料为猪粪，全年成分相对稳定，沼肥为沼渣沼液混合物，沼肥含N 0.03 g/kg，P 0.04 g/kg，K 0.03 g/kg，Hg 0.03mg/kg，As 0.22 mg/kg，Pb 0.41mg/kg，Cd 0.03 mg/kg，Cr 1.60 mg/kg，pH为7.33，EC为7.50 mS/cm。供试化学氮肥为尿素（含N 46%），钾肥为硫酸钾（含K2O 54%）。

表1　每茬养分投入量及施用方式

1.3 田间管理

采用常规田间管理，灌溉方式为沟灌，沼肥开浅沟施入。定植时，灌溉量控制在450～600 m3/hm2；定植后一周左右及时浇水，促进缓苗，一般为225 m3/hm2；番茄每季灌溉水总量控制在2 500～2 700 m3/hm2，甜椒每季灌溉水总量控制在2 190～2 805 m3/hm2；追肥期间灌溉次数平均控制在12～15次[30]。

1.4 样品采集与分析

2009年8月试验开始前，按“S”形采集0～30 cm土壤样品，2013年冬春茬试验结束时，各小区分别采集0～180 cm土壤样品，分为6层，0～30，30～60，60～90，90～120，120～150，150～180 cm。取样位置为中间小区的两株植株中间，每个小区按“S”形各取4钻，然后分层混为1个土样，分装在袋子中，最后放入冰盒中，带回实验室。经避光自然风干（风干样品含水量在1%左右），研磨过筛0.25 mm、2 mm后保存于封口袋中备用[31]。在每季收获期，各小区分次收获并全部测产，得出不同处理果实产量；在每季拉秧期，各小区根据植株大小多点取样，分别均匀取有代表性的植株6～8株，烘干粉碎后待测[31]。

测定项目及方法：植物全氮、全磷和全钾采用H2SO4-H2O2法消煮后，分别用凯氏定氮法、钼锑抗分光光度法和火焰光度法测定。土壤全氮采用凯氏定氮法测定；土壤Olsen-P采用0.5 mol/LNaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；土壤CaCl2-P采用0.01 mol/L CaCl2浸提-钼锑抗比色法测定；土壤重金属采用高氯酸消煮-电感耦合等离子光谱仪测定[31]。

surplus=input−removal

式中surplusinput和removal分别为土壤养分盈余量，养分投入量（沼肥+化肥）和作物养分带走量，作物带走量按地上部茎叶果干重和相应的养分含量计算。

1.5 数据分析

利用Microsoft Excel 2010软件进行一般计算及画图，利用SAS软件进行方差分析，5%显著水平。

2 结果与分析

2.1 蔬菜产量

沼肥和化肥的不同配施比例处理对5年8季的作物产量影响如表2所示。与不施肥处理相比，沼肥完全施用及部分替代化肥施用显著提高了作物产量。前5季作物产量在不同施肥处理之间存在明显差异，表现为沼肥和化肥配施处理的产量更高，且以2/5沼肥+3/5化肥处理最高，显著高于3/5沼肥处理；而各处理作物产量在后3季差异不明显。与沼肥和化肥配施处理相比，完全沼肥处理对作物产量没有显著影响（除2010年秋冬茬），说明沼肥可以作为主要肥源，替代化肥；同时3/5沼肥处理尽管在前5季降低了产量，但是在后3季对产量并没有显著影响，因此从中长期看，沼肥施用的产量效应可能优于化肥效果，且具有进一步优化的空间。

表2 不同沼肥和化肥配施对设施蔬菜产量的影响

注：表中同行数据后不同字母表示相同茬口不同处理间差异显著（P<0.05）。

Note: Different letters in the same line means significant differences among different treatments by LSD test (<0.05).

2.2 土壤养分盈余

不同处理条件下年均氮磷钾养分盈余量如表3所示。结果表明，除不施肥处理外，其他处理土壤氮磷养分均有不同程度的盈余，表现为氮磷养分投入越高，盈余量越大；除3/5沼肥处理外，其他施肥处理均能满足作物对钾素的需求。沼肥施用显著提高了磷素盈余量，完全沼肥处理下磷养分年平均盈余为1250 kg/hm2，分别为3/5沼肥+2/5化肥和2/5沼肥+3/5化肥处理下的1.7和2.8倍。

表3 不同沼肥和化肥配施下年平均氮磷钾养分投入、作物带走及表观盈余状况

2.3 土壤全氮含量

通过对2013年冬春季试验结束后0～180 cm土层土壤全氮含量进行分析，结果表明（图1），与不施肥处理相比，完全沼肥处理显著增加了0～180 cm土层土壤全氮含量（除60～90 cm土层），而其它施肥处理仅显著增加了0～30 cm土层土壤全氮含量（除3/5沼肥+2/5化肥处理）。各施肥处理间在0～120 cm土层土壤中，土壤全氮的差异不显著；与3/5沼肥处理相比，完全沼肥处理显著增加了120～180 cm土层土壤全氮含量；与2/5沼肥+3/5化肥处理相比，完全沼肥处理显著增加了120～150 cm土层土壤全氮含量。由此，可以看出大量沼肥处理促进了氮素向深层土壤的移动。

注：0~30、30~60、60~90、90~120、120~150、150~180 cm土层深度不同字母表示不同处理之间差异显著（P<0.05），下同

2.4 土壤Olsen-P和CaCl2-P含量

2013年冬春季试验结束后0~180 cm土层土壤Olsen-P及CaCl2-P含量如图2所示。与不施肥处理相比，完全沼肥处理显著提高了0～60 cm土层土壤Olsen-P含量，0～30 cm土层土壤Olsen-P含量高达151 mg/kg, 远远高于菜田土壤Olsen-P的农学阈值（46～58 mg/kg）和环境阈值（50～80 mg/kg）[32]；施肥处理显著提高了0～30 cm土层土壤CaCl2-P含量，完全沼肥处理、3/5沼肥+2/5化肥处理、2/5沼肥+3/5化肥处理和3/5沼肥处理分别为不施肥处理的5.4、2.6、2.8和3.1倍。各施肥处理间，Olsen-P含量差异不明显；完全沼肥处理中0～30 cm土层土壤CaCl2-P含量达到8.0 mg/kg，显著高于其他施肥处理。8季连续沼肥施用，由于沼肥带入大量磷素盈余，导致了磷素在0～60 cm土层土壤累积明显增加，极大的增加了磷素淋失风险。

图2 不同处理对0~180 cm土层土壤中Olsen-P和CaCl2-P含量的影响

2.5 土壤重金属含量

2013年冬春季试验结束后0～180 cm土层土壤重金属含量见图3。从全汞的含量看出，各处理在0～30 cm土层没有显著差异，施用沼肥处理下30～60、60～90、150～180 cm土层土壤全汞含量均低于不施肥处理，每土层平均降低32.1%、15.3%、26.7%，且30～60 cm土层完全沼肥处理及3/5沼肥处理土壤全汞含量要显著低于2/5沼肥+3/5化肥处理。

从全砷的含量看出，除30～60 cm土层施用沼肥处理土壤中全砷的含量显著高于不施肥处理外，其他土层各处理间均没有显著差异。从全铬的含量看出，0～30土层完全沼肥处理、3/5沼肥+2/5化肥处理土壤全铬含量要显著低于3/5沼肥处理；30～60 cm土层完全沼肥处理、3/5沼肥+2/5化肥处理土壤全铬含量要显著低于2/5沼肥+3/5化肥处理；90～120 cm土层3/5沼肥+2/5化肥处理土壤全铬含量要显著低于2/5沼肥+3/5化肥处理及3/5沼肥处理，其他土层各处理间没有显著差异。从全镉的含量看出，0～30 cm土层完全沼肥处理土壤全镉的含量要显著低于2/5沼肥+3/5化肥处理，60～90 cm土层完全沼肥处理土壤全镉的含量要显著低于3/5沼肥处理，90～120 cm土层完全沼肥处理土壤全镉的含量要显著低于3/5沼肥+2/5化肥处理及不施肥处理，其他土层各处理间没有显著差异。与不施肥处理相比，不同土层施用沼肥处理均有降低土壤全铅含量的趋势，在0～120 cm和150～180 cm土层完全沼肥处理和3/5沼肥+2/5化肥处理显著降低了全铅含量，降幅分别为51.3%、49.1%、63.7%、46.8%、32.4%、50.4%、62.7%、50.2%和62.7%、45.6%，在120～150 cm土层完全沼肥处理显著降低了全铅含量。不同处理在不同土层的土壤重金属含量均符合GB 15618－2009《国家土壤环境质量二级标准》，不会对土壤和植物造成污染风险。

图3 不同处理对0～180 cm土层土壤中全汞、砷、铅、铬、镉含量的影响

3 讨 论

本研究结果表明，过量施沼肥带来大量的氮磷养分盈余。在等氮钾养分投入条件下，4年连续施肥，随沼肥施用比例提高，在第1年增加了氮素盈余，从第2年开始增加量降低，第3年开始完全沼肥处理下氮养分盈余则表现为最低，4年平均值差异不大；从土壤全氮来看，与2/5沼肥+3/5化肥处理相比，完全沼肥处理显著增加了120～150 cm土层土壤全氮含量。由此可以看出，从中长期看，沼肥施用不会增加氮素盈余，甚至可能降低氮素盈余，但是在过量施肥情况下，沼肥施用可能促进氮素向深层土壤的移动。沼肥施用显著提高了磷素盈余量，且随沼肥施用比例增加而增加，完全沼肥处理下磷养分年平均盈余为1 250 kg/hm2，分别为3/5沼肥+2/5化肥和2/5沼肥+3/5化肥处理下的1.7和2.8倍。大量磷素盈余导致了磷养分在土壤中的累积，4年连续沼肥，导致磷素0～60 cm土层土壤累积明显增加，完全沼肥处理中0～30 cm土层土壤Olsen-P及CaCl2-P含量分别达到了151和8.0 mg/kg，土壤Olsen-P含量远远高于菜田土壤Olsen-P的农学阈值（46～58 mg/kg）和环境阈值（50～80 mg/kg）[32]，极大的增加了磷素淋失风险。

沼肥施入土壤中后，其反应过程较为复杂，目前对于沼肥施用对土壤重金属累积影响的研究结果不同，包括增加、降低或不变[33]。对沼肥中重金属状况研究发现，沼液中毒性重金属平均含量为全As>Cr> Pb>Cd>Hg，沼渣中毒性重金属含量为全Cr>As>Pb>Cd >Hg。沼液中全As平均含量为0.147 mg/L、全Cr为0.054 4 mg/L、全Cd为0.002 7 mg/L、全Pb为0.019 1 mg/L、全Hg为0.000 6 mg/L，As的超标现象较严重，是沼液中主要污染重金属，Cr、Cd、Hg其次，Pb不存在超标现象。沼渣中全Cr平均含量为7.446 mg/kg、全As为4.16 mg/kg、全Pb为1.962 mg/kg、全Cd为0.489 mg/kg、全Hg为0.024 3 mg/kg。而配合饲料饲养法沼渣中As、Cd的含量远远超出规定的含量，Hg的含量也已接近限值；而青饲料饲养法沼渣中主要重金属含量除Pb以外，其他重金属含量基本没有超过允许的范围。沼肥中重金属含量主要受发酵原料的影响，猪粪为原料发酵而成的沼肥，含Hg、Cd、Cr、Pb、As为主[26]。本文研究发现施用沼肥后土壤中全Cr、全Cd、全Pb含量有所下降，且全Pb含量下降最为显著。可能是因为施用沼肥后，在一定程度上促进了作物对该元素的吸收，同时也存在一定的淋洗作用。此外，沼肥作为一种有机肥，含有大量的腐殖质，而腐殖质是土壤重要的螯合或络合剂，其中羧基（-COOH）、羟基（-OH）、羰基（-C=O）和氨基（-NH4）等能与重金属发生络合或螯合，使重金属离子在土壤溶液中失去毒性。同时，施用沼肥可将土壤中的重金属向铁锰氧化物结合态转化，从而降低重金属的流动性[34]。将沼肥与化肥等其他肥料进行合理配比后施入土壤，能够对沼肥中的重金属起到稀释作用，从而降低进入土壤中重金属的浓度，减轻土壤污染及安全风险。因此控制沼肥的施用量和施肥方式，选择最佳的配比施肥，既能够保证产量，又能够降低重金属进入土壤的浓度[35]。

4 结 论

1）与不施肥处理相比，沼肥完全施用及部分替代化肥施用显著提高了作物产量。与沼肥和化肥配施处理相比，完全沼肥处理对作物产量没有显著影响（除2010年秋冬茬），说明沼肥可以作为主要肥源，替代化肥；因此从中长期看，沼肥施用的产量效应可能优于化肥效果，且具有进一步优化的空间，但需要注意钾养分的补充。

2）在等氮钾投入条件下，氮素盈余和0～180 cm土层土壤全氮含量随沼肥施用比例增加没有显著差异；磷素盈余随沼肥施用比例增加显著增加，完全沼肥处理0～30 cm土层土壤Olsen-P及CaCl2-P含量分别达到了151和8.0 mg/kg，高于其他3个处理，且明显超出环境阈值。

3）与不施肥处理相比，各处理在0～30 cm土层没有显著差异，施用沼肥后30～60、60～90、150～180 cm土层土壤全Hg含量均低于不施肥处理；除30～60 cm土层施用沼肥处理土壤中全As含量显著高于不施肥处理外，其他土层各处理间均没有显著差异；而完全沼肥处理全Cr、全Cd、全Pb含量有所下降，且全Pb含量下降最为显著，但均符合GB 15618-2009标准。

综上所述，一定年限内适量的沼肥施用能有效实现废弃物资源化利用，同时不会影响作物产量和带来氮钾、重金属累积问题，但是会极大的提高磷素累积和淋失风险。

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Effects of biogas manure replacing chemical fertilizer on accumulation of nutrient and heavy metal in greenhouse vegetable soil

Gao Jieyun1, Kang Lingyun1, Yan Zhengjuan1, Qu Mingshan2, Liu Zifei2, Zhang Cuizhen3, Chen Qing1※

(1.,,100193,;2,100029,; 3067000,)

Unreasonal application of biogas manure discharged from the biogas plants in livestock farms increased the environmental risk. In this study, a 5-year 8-season tomato-pepper rotating protected field experiment was conducted, and the effects of different applied proportions of biogas manures and chemical fertilizer (100% biogas manures, 3/5 biogas manures plus 2/5 chemical fertilizer, 2/5 biogas manures plus 3/5 chemical fertilizer, 3/5 biogas manures and unfertilized treatments) on vegetable yield and soil accumulation of nitrogen (N), phosphorus (P) and heavy metals were investigated, in order to support the possibility of biogas manure to replace chemical fertilizer. The results showed that there were no significant effects on vegetable yields under the treatments with 100% biogas manures, 3/5 biogas manures plus 2/5 chemical fertilizer, 2/5 biogas manures plus 3/5 chemical fertilizer treatments with the same N and potassium (K) input. No significant differences were observed in the N surplus and soil total N in 0-180 cm soil depth after 5-years experiment. However P surplus significantly increased with the applied proportion of biogas manures. The contents of Olsen-P and CaCl2-P in the surface soil layer (0-30 cm) reached 151 and 8.0 mg/kg in treatment with 100% biogas manures application, respectively, much higher than other treatments, which significantly exceeded environmental threshold. Compared with the treatment with 100% biogas manures application, reduced biogas wastes application (3/5 biogas wastes) significantly decreased the nitrate leaching risk and P surplus. Compared with unfertilized treatment, the contents of total Hg in surface soil layer (0-30 cm) and total As content in the soil layer (0-180 cm) slightly increased, whereas the contents of total Cr, Cd and Pb in soil decreased, especially Pb, in the treatments with biogas manures application. No heavy metal pollution risk was observed in all treatments. Biogas manure replacing chemical fertilizer can effectively achieve the waste recycling utilization, but increase the risk of soil P accumulation and leaching.

manures; nitrogen; heavy metals; greenhouse vegetable field; soil nutrient

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.17.027

S19

A

1002-6819(2017)-17-0200-08

2017-04-18

2017-08-29

国家重点研发计划“京津冀设施农业面源和重金属污染防控技术示范”（2016YFD0801006）；国家大宗蔬菜产业技术体系岗位科学家项目（CARS-23-B16）

高杰云，现从事科研管理工作。北京 中国农业大学资源与环境学院，100193。Email：jieyunluck@sina.com

陈清，博士，教授，现从事废弃物肥料化利用与面源污染控制方面研究。北京 中国农业大学资源与环境学院，100193。Email：qchen@cau.edu.cn