长期施用沼液对土壤及产品的影响

刘向林， 王丽霞， 吴冬悦， 罗 星， 董仁杰，2， 邵 蕾

(1.中国农业大学烟台研究院， 山东 烟台 264670； 2.中国农业大学， 北京 100083)

随着种植业和养殖业的集约化和规模化发展，沼气工程成为畜禽养殖场粪便及其养殖污水处理和循环利用的重要环节之一[1-2]。连续、大量的沼液如不能及时消纳，会对环境造成二次污染[3-4]。沼液的及时消纳已成为制约沼气工程发展的限制性因素。沼液中含有氮磷钾和中微量元素，已有大量研究探讨了沼液替代化肥后对土壤养分供应和对植物生长的影响[5-7]。沼液中不仅含有植物所需要的养分元素，还包含多种生理活性物质(吲哚乙酸、赤霉素、细胞分裂素)和抗生素(喹啉酮类)[8]，具有促进生长、抑菌、刺激、提高抗逆性等功效。

养殖过程中作为饲料添加剂的重金属元素通过饲料—畜禽—粪便—沼液—土壤—植物的途径，导致沼液施用存在使土壤和农产品重金属积累的潜在风险：刘思辰[9]分析了全国约100个沼液样品中重金属的含量，认为猪粪沼液重金属含量高于牛场沼液，沼液中Hg和Cd 超标的风险较大；李尧琴[10]对重庆市5个养猪场的沼液检测发现，沼液中As严重超标， Hg和Cd轻微超标；赵麒淋[11]的研究表明施用沼液增加土壤中 Cd，Cr，Hg含量和玉米籽粒中Cd，Cr，Pb含量。

沼气工程的原料、工艺等不同会导致沼液的养分、重金属含量也不同；而不同作物的需肥规律和需肥量也各不相同。因此不同原料的沼液应用于不同的作物，其效果不同。本文通过对长期施用沼液的土壤进行采样分析，研究施用沼液对土壤养分和重金属含量、农产品的重金属含量的影响，以期为沼液的安全利用、降低土壤被重金属污染的风险提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点

2016年9月19日采集山东省烟台蓬莱市刘家沟镇从未施用沼液的苹果种植基地(A)、山东省烟台蓬莱市刘家沟镇园艺场苹果种植基地(B)、山东烟台蓬莱市北沟镇徐家集村葡萄种植基地(C)以及冬天沼气工程中直接浇灌沼液的自留土地(D)的土壤样品。

所施沼液为山东烟台某沼气工程鸡粪沼液。其理化性质见表1。

表1 沼液理化性质 (%)

各采样点沼液施用情况：

B：面积50亩，土地平整，连续施用沼液8年，沼液施用量为开花前5 m3·677m-2，谢花后7 m3·677m-2，果实膨大期前5 m3·677m-2，采果后5 m3·677m-2，共22 m3·677m-2。全年不施用有机肥，只在果实膨大期时施用高钾水溶肥料15 kg·677m-2。

C：面积46666.67 m2，土地平整，连续施用沼液8年， 3月初～11月底结合浇水，每隔半个月施用沼液一次，同时施用水溶肥料。全年施用沼液量约10 m3·677m-2，葡萄采摘后施用有机肥1 t·677m-2。

D：面积66666.67 m2，土地平整，玉米生长期间根据墒情大水漫灌；玉米收获至第2年种植前，连续多次采用大水漫灌至土壤饱和含水量。连续施用沼液8年，全年沼液的施用量约50 m3·677m-2。

1.2 样品的采集与测定

采样点的确定：以连续平整的约677 m2土地为采样单元，采用对角线布点，采集5个土样，混匀。A，B，C，D共4个采样单元，分别采集0～20 cm，20～40 cm和40～60 cm深的土样，共12个样品。

采样后放置于阴凉处风干。然后分别测定其速效氮、速效磷、速效钾、全氮、有机质和pH值。其中速效氮采用碱解扩散法测定，速效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗显色法测定，速效钾采用醋酸铵提取-火焰分光光度计法测定，有机质采用重铬酸钾-硫酸外氧化法测定，pH值采用水溶-酸度计法测定。苹果和葡萄收获后采集果实样品。

采集的土壤和果实样品送至烟台出入境检验检疫局检验检疫技术中心测定其As，Hg，Cr，Cd，Pb含量。

1.3 数据统计与处理

数据均采用Excel和SAS程序软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 长期施用沼液对土壤理化性质的影响

2.1.1 施用沼液对土壤pH值的影响

王存龙[12]等人的研究发现，过量施用化肥、工矿污染以及污染形成的酸雨使烟台市区内土壤明显酸化。烟台市酸化土壤面积占全市土壤面积的21.18%[13]。地块A，B，C，D的0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土壤pH值都小于7(见表2)。地块A的pH值低于B，C和D，原因可能为：B，C和D施用的沼液pH值为8.24，可以中和土壤酸度，从而提高土壤pH值。

表2 施用沼液对土壤pH值的影响

注：在同一行中的数据用邓肯多重比较分析，凡尾部标有不同字母的数值表示其间差异显著(p<0.05)。下同。

2.1.2 施用沼液对土壤中速效氮含量的影响

全国第二次土壤普查将土壤肥力从高到低分为1～6级，地块A的土壤速效氮含量达到2级标准(120～150 mg·kg-1)，地块B，C和D地块达到3级标准(90～120 mg·kg-1)(见表3)。张东[14]等通过分析黄土高原成龄富士苹果园土壤养分含量对土壤进行分级，将土壤中养分含量分为缺乏、低值、正常值、高值、过高5个等级。4个地块的土壤速效氮含量都位于高值范围(85～150 mg·kg-1)。因此，施用沼液不会造成土壤中速效氮含量的不足。

2.1.3 长期施用沼液对土壤中的速效磷的影响

C地块的0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土层土壤速效磷含量最高，原因可能为：地块C园每隔半个月冲施一次沼液和速效养分水溶肥，频繁的浇水和施肥造成磷的下移和累积(见表4)。地块D的0～20 cm土层土壤速效磷含量显著高于A，B两个地块，原因可能为：地块D沼液施用量远高于其它地块，造成了土壤速效磷的累积。

表3 施用沼液对土壤速效氮含量的影响 (mg·kg-1)

全国第二次土壤普查养分分级标准将土壤速效磷含量>40 mg·kg-1作为一级土壤的指标值。4个地块的0～20 cm土层土壤速效磷含量都大于40 mg·kg-1。张东[14]等人认为土壤速效磷含量35～45 mg·kg-1为果园土壤的高值范围，大于45 mg·kg-1为过高。A地块的土壤速效磷含量接近高值范围的上限，其余3个地块均处于过高范围，尤其是C地块，其土壤速效磷含量为45 mg·kg-1的3.47倍。

表4 施用沼液对土壤速效磷含量的影响 (mg·kg-1)

2.1.4 长期施用沼液对土壤中的速效钾的影响

全国第2次土壤普查养分分级标准将土壤速效钾含量>200 mg·kg-1作为一级土壤的指标值。4个地块中3层土壤中速效钾含量都超过200 mg·kg-1，地块D的20～40 cm速效钾含量达到1758.96 mg·kg-1(见表5)。张东[14]研究认为土壤速效钾含量>350 mg·kg-1为过高范围，300～350 mg·kg-1为高值范围。地块A，C，D的0～20 cm土层速效钾含量处于过高范围，B为高值范围。

表5 施用沼液对土壤速效钾含量的影响 (mg·kg-1)

D地块0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土层土壤速效钾含量显著高于B和C地块，原因可能为：D地块沼液的施用量显著高于其它两个地块，造成土壤中钾元素的过多累积。

2.1.5 长期施用沼液对土壤中的有机质含量的影响

全国第二次土壤普查养分分级标准将一、二、三级土壤有机质含量的指标值分别为>4%，3%～4%，2%～3%。C地块0～20 cm土壤为一级土壤，A和D为二级土壤，B为三级土壤。张东[14]研究认为土壤有机质含量>3%为过高范围，1.8%～3%为高值范围。地块A，C，D的0～20 cm土壤有机质的含量位于高值范围，C位于过高范围(见表6)。

C地块每年施用有机肥1吨·677m-2，所以其3层土壤中有机质含量都高于不施用有机肥的B和D地块。因为沼液中含有2.01%的固形物，即使B和D不施用有机肥，其土壤中有机质含量也可达到张东[14]等人认定的高值范围和过高范围：假设沼液中2.01%的固形物全为有机质，则B和D地块每年分别施用22 m3·677m-2，50 m3·677m-2沼液，相当于每年施用有机肥(含水量30%)0.68 t·677m-2和1.45 t·677m-2。

表6 施用沼液对土壤有机质含量的影响 (%)

2.2 长期施用沼液对土壤和果实重金属含量的影响

2.2.1 长期施用沼液对土壤中的重金属含量的影响

杨乐[15]等人的试验表明连续5年施用沼液后，施用沼液处理土壤中的Cr，Cd，As，Pb，Ni含量显著高于对照和施用化肥处理；但也有试验表明施用沼液不会增加重金属风险：王卫平[16]等人的试验表明柑桔施用沼液后，与常规管理的处理相比较，土壤中砷、汞、镉、铬含量2个处理间变化较小，但铅含量有上升趋势；李胜利[17]等人将沼液∶水=1∶2通过滴灌施入基质栽培的生菜和小白菜中，试验结束后施用沼液的基质中铜、锌、铬、镉、铅含量与对照无差异。

施用沼液的B，C地块的土壤Cr，Hg，Cd含量与未施用沼液的A地块差异不显著；B，C，D地块的土壤Pb含量；B地块的土壤As含量显著高于A地块(见表7)。而大量施用沼液的D地块土壤Pb，As，Cr，Hg，Cd含量都显著高于A地块。

施用沼液的B和C地块As，Cr，Hg，Cd含量低于《GB 15618-1995 土壤环境质量标准》中一级(自然背景)土壤中的限定值，而B和C地块的Pb含量高于一级土壤中的限定值。D地块的土壤Pb，As，Cd含量高于一级土壤中的限定值，Cd含量(0.39 mg·kg-1)超过二级土壤中的限定值(为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值)。

表7 施用沼液与未使用沼液对0～20cm土层中重金属含量的影响 (mg·kg-1)

2.2.2 长期施用沼液对果实重金属含量的影响

李胜利[17]等人的试验表明施用沼液相对于常规管理未增加生菜和小白菜中Pb，Cr，Cd含量。王卫平[16]等人的试验表明无论是常规管理还是施用沼液，柑桔果实中未检出Pb，As，Cr，Hg，Cd。武立叶[18]等人的试验表明施用猪粪沼液未增加豇豆Pb，As，Cr，Hg，Cd的含量。杨军芳[19]等人的试验发现追施沼液增加了白菜Cd含量。除了B和C地块中果实中检测出Cr外，A，B，C地块的果实中都未检测出其它重金属(见表8)。B和C地块中果实中Cr含量分别为0.16 mg·kg-1，0.11 mg·kg-1，低于《GB 2762-2012 食品安全国家标准 食品中污染物限量》中的限定值0.5 mg·kg-1。

表8 果实中重金属含量 (mg·kg-1)

3 讨论

沼液含有丰富养分元素和生理活性物质，沼液的农田利用不仅能消纳沼液，同时也可促进植物生长、提高果实产量和品质。B和C地块在主要施用沼液的基础上补充施用水溶肥料，土壤速效氮和有机质含量位于全国第二次土壤普查养分分级标准中的三级，速效磷和钾为一级；土壤速效氮位于张东等人划分的高值范围，速效磷、速效钾和有机质位于过高范围；综合4个指标评判，B和C果园属于张东[14]等人划分的“高产园”。且通过与B和C地块的主人访谈，他们认为自己果园产量与常规管理果园无差异，并且品质和销售价格高于常规管理果园，所以才能连续8年施用沼液，这也从侧面证明了沼液代替部分化肥和有机肥的可行性。

有试验发现沼液灌溉会增加土壤中重金属的含量，也有试验发现沼液灌溉不会增加土壤中重金属的含量。不同试验的不同试验结果，可能与沼液中重金属含量、施用量、稀释倍数、作物、降雨量等因素相关。相对于常规管理的A地块，施用沼液B和C地块中Pb和As含量显著上升，大量施用沼液的D地块土壤Cd含量甚至超过了二级土壤中的限定值(为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值)。因此，长期大量施用沼液存在土壤重金属污染风险。并且B和C地块的果实中检测出Cr，因此长期大量施用沼液也存在食品重金属安全问题。

4 结论

(1)施用鸡粪沼液配合水溶肥料，可以满足作物对氮、磷、钾、有机质的需求，并且可以提高土壤pH值，改善土壤酸化的问题。

(2)B、C地块连续8年施用鸡粪沼液增加了土壤中部分重金属含量和果实中Cr含量，但是未超过国家相关标准。

(3)D地块施用鸡粪沼液50 m3·677m-2，土壤中As，Cr，Hg，Cd，Pb的含量都显著高于未施用沼液的A地块，并且土壤中Cd含量超过了《GB 15618-1995 土壤环境质量标准》二级土壤中的限定值(为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值)。

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