沼液施用年限对土壤团聚体、养分及重金属的影响

冯 露，李富程，蔡 敏，梅 波

（1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；

2.四川雪宝乳业集团有限公司，四川 绵阳 621010）

【研究意义】近年来，我国农业产业结构不断调整和升级，禽畜养殖规模和产值以每年10%的速度递增［1］。据《第二次全国污染源普查公报》显示，2017 年末我国有畜禽规模养殖场37.88 万个，畜禽养殖业粪污染物排放量主要包括化学需氧量（COD）1000.53 万t、总氮（TN）59.63 万t、总磷（TP）11.97 万t，分别占全国主要污染物排放总量的46.7%、19.6%和38.0%［2］。大部分集约化畜禽养殖场粪污量大且集中，受季节限制、劳动力缺乏、运输不便、补贴缺失等因素制约，集约化畜禽养殖粪污污染已成为我国农村面源污染的重要来源之一，有害污染物在土壤中的大量沉积可能影响农作物生长［3］。畜禽粪污的过量或不合理施用，会产生新的农业污染问题，成为制约种养结合循环农业健康发展的重要因素。以规模化畜禽养殖场沼气工程为纽带的循环农业模式，实现了种植业、养殖业和沼气产业的循环发展。沼液中含有氮、磷、钾等多种营养元素，具有较高的还田利用价值［6-7］。【前人研究进展】大量研究表明，施用沼液能明显改善土壤的理化性质，增加土壤有机质、速效养分含量，提高土壤肥力［8-9］。但沼液不合理施用会导致土壤盐分、重金属、氮和磷养分的累积，对周边水环境构成污染［11-12］。值得注意的是沼液中含有的Zn、Cu 等重金属浓度较高，长期大量施用沼液可能引起土壤重金属的积累，进而被农作物吸收富集，威胁人类健康［9］。Bian 等［13］研究表明，长期施用沼液会导致农作物金属Cd、Pb 超标，超出食品安全国家限量标准的限量值。也有研究表明当猪粪沼液施用量控制在一定范围内，沼液还田引起土壤环境重金属污染的风险比常规施用化肥小［15］。【本研究切入点】施用沼液伴随产生的潜在环境污染问题目前已成为当前研究关注的焦点，安全高效处理与利用沼液，既是畜禽养殖业亟待解决的环境污染问题，也是构建种养结合循环农业产业体系，实现农业废弃物“零排放”和“全消纳”的关键［14］。目前，关于沼液还田的研究主要集中在短期田间或盆栽试验对土壤环境质量的影响，而针对沼液在实际生产中连续施用对土壤养分质量、重金属影响的研究还少有报道［16-17］。实际生产中，沼液还田常常会面临养殖场产生沼液成分季节性变化、不同施用者带来的施用总量不固定等问题，这会对土壤质量产生不同影响。【拟解决的关键问题】本研究选取施用不同猪场沼液的地块，通过采集连续施用沼液4、5、8、10 年的土壤，以无沼液施用但同等种植类型土壤为对照，研究不同猪场沼液连续施用对土壤团聚体和有机质、氮磷速效养分的影响，分析土壤重金属的环境风险，以期为养猪场沼液还田的安全性提供理论依据，为沼液农业推广应用提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点

2018 年3 月底，选取沼液施用年限分别为4、5、8、10 年的样地，分别位于绵阳市游仙区、涪城区、江油市、涪城区，分别编号为A1、B1、C1、D1，各样地种植类型依次为蔬菜、旱地、藕田、蔬菜，以各施沼液样地附近未施沼液但种植类型相同地块作对照，依次编号为A0、B0、C0、D0。样地A1施用的沼液是由中型养猪场沼气工程产生，沼液产出量较小，沼液直接供给蔬菜地，由农户自主使用，每季种植前灌溉，一年两次，分别为3 月和9 月；B1施用的沼液通过管道直接输送到附近旱地，主要作物为小麦，由农户自主使用，种植前灌溉，每年11 月；C1施用的沼液是将产生的沼液经过二级沉淀池、稳定塘的初步净化，管道输送至农田，主要用于种植藕，根据产生量直接输送；D1施用的沼液是由规模化养猪场沼气工程产生，具体利用方式是土壤翻耕后沼液淹灌再进行蔬菜种植，种植后期施用少量沼液，施用次数与A1相同。各采样点位基本信息见表1。

表1 采样点位基本信息Table 1 Basic information of sample plots

1.2 样品采集

在施沼液样地和对照样地采用对角线布点法，每块样地设置3 个采样点，采集耕层（0～20 cm）原状土样，组成混合样品，装入硬质塑料盒密封后带回实验室，自然风干，供团聚体筛分用。同时，利用直径为8 cm 的土壤采样器（荷兰Eijkelkamp），采集表层（0～20 cm）土壤样品，除去动植物残体、小石块后平铺在室内自然风干过2 mm 筛后用于其他指标分析。

1.3 测定项目及方法

土壤有机质、碱解氮、有效磷分别采用土壤农业化学分析方法［18］中重铬酸钾-浓硫酸外加热法、碱解扩散法、钼锑抗比色法测定；土壤重金属采用HF-HClO4-HNO3消解体系消解［19］，等离子发射光谱仪Optima 8300（美国PerkinElmer公司）测定。

采用干筛法测定土壤机械稳定性团聚体，称取100 g风干土于套筛中，用振筛机振荡15 min后，分离出粒径为＞2 mm、0.5～2 mm、0.25～0.5 mm、＜0.25 mm 的土壤机械稳定性团聚体，分别称重、计算各粒径团聚体占比。采用湿筛法测定土壤水稳定性团聚体，依据干筛法所得的样品机械稳定性团聚体组成比例配制出50 g 风干土样，放入团聚体分析仪（TTF-100 型）中，浸泡5 min 后振荡30 min，分离出粒径为＞2 mm、0.5～2 mm、0.25～0.5 mm、＜0.25 mm 的土壤水稳定性团聚体，50 ℃烘干称重，计算各级团聚体占比，同时测定土壤团聚体有机质含量。通过平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）以及大于0.25 mm 团聚体含量（R0.25）分析土壤团聚体的稳定性［16］。

试验数据通过单因素方差分析，研究不同年限、不同粒级土壤团聚体有机质，不同年限土壤土壤碱解氮、有效磷和有机质的差异，显著性检验采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体组成与有机质变化特征

2.1.1 土壤团聚体组成变化特征 不同沼液施用年限土壤团聚体组成见图1。对于土壤机械稳定性团聚体，沼液施用4～10 年的＞2 mm 土壤机械稳定性团聚体含量均比对照（未施沼液）高，并随沼液施用年限增加呈现逐渐增加的趋势，增幅为10.55%～111.67%，0.5～2 mm、0.25～0.5 mm 和＜0.25 mm 土壤机械稳定性团聚体含量均减少；沼液施用4～8 年的土壤机械稳定性大团聚体（＞0.25 mm）含量与对照相比无显著差异，但施用10 年处理（D1）比对照明显增加。对于土壤水稳定性团聚体，沼液施用4 年（A1）、10 年（D1）处理＞2 mm 土壤水稳定性团聚体含量比对照明显增大，施用5 年（B1）比对照无明显变化，而施用8 年（C1）比对照明显减小；沼液施用4 年（A1）和10 年（D1）土壤水稳定性大团聚体含量比对照分别增加8.96%和19.50%，施用5 年（B1）与对照无显著差异，而施用8 年处理（C1）呈减小趋势。

2.1.2 土壤团聚体稳定性 土壤团聚体稳定性用平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）以及＞0.25 mm 团聚体含量（R0.25）表示。与对照相比，沼液施用4 年（A1）和10 年（D1）土壤团聚体稳定性指标MWD、GMD、R0.25均明显增加，而施用5 年（B1）土壤团聚体稳定性各指标无明显变化，施用8 年处理（C1）土壤团聚体稳定性各指标均减少（表2）。这种变化特征与土壤水稳性大团聚体含量变化一致，表明随着土壤水稳定性大团聚体含量增加，土壤团聚体MWD和GMD 也呈增加趋势，土壤团聚体稳定性增强。

图1 不同沼液施用年限土壤团聚体组成Fig.1 Composition of soil aggregates treated by biogas slurry with different application years

表2 不同沼液施用年限土壤团聚体MWD、GWD 及R0.25Table 2 MWD,GWD and R0.25of soil aggregates treated by biogas slurry with different application years

2.1.3 土壤团聚体有机质变化特征 不同沼液施用年限土壤团聚体有机质含量见图2。与对照相比，不同沼液施用年限土壤团聚体有机质含量均呈增加趋势，其中沼液施用4 年（A1）和8 年（C1）＞2 mm、0.5～2 mm、0.25～0.5 mm 和＜0.25 mm土壤团聚体有机质含量均显著增加，沼液施用10年（D1）＞2 mm、0.5～2 mm 和0.25～0.5 mm 土壤团聚体有机质含量均显著增加，沼液施用5 年（B1）＞2 mm 和0.5～2 mm 土壤团聚体有机质含量亦均显著增加。沼液施用4 年处理（A1）以0.5～2 mm土壤团聚体有机质含量增幅最大，增幅为522.42%；沼液施用4 年（A1）、5 年（B1）和10年（D1）土壤大团聚体（＞0.25 mm）有机质含量增幅均大于土壤小团聚体（＜0.25 mm），而施用8 年（C1）土壤大团聚体有机质含量增幅小于小团聚体。

图2 不同沼液施用年限土壤团聚体有机质含量Fig.2 Organic matter content in soil aggregates treated by biogas slurry with different application years

2.2 土壤养分变化特征

从表3 可以看出，不同沼液施用年限均能有效增加土壤碱解氮、有效磷和有机质含量。随着施用年限的增加，土壤碱解氮含量增幅呈先增加后减少趋势，有效磷含量增幅呈增加趋势，有机质含量增幅呈先减少后增加趋势。与对照相比，沼液施用8 年（C1）土壤碱解氮含量增幅最大、为93.86%，沼液施用10 年（D1）有效磷含量增幅最大、达121.96%，沼液施用4 年（A1）有机质含量增幅最大、为138.46%。

表3 不同沼液施用年限土壤碱解氮、有效磷和有机质含量Table 3 Contents of alkaline hydrolysis nitrogen,available phosphorus and organic matter in soils treated by biogas slurry with different application years

2.3 土壤重金属变化特征

不同沼液施用年限土壤重金属含量见表4。与对照相比，Zn、Cu 含量在沼液施用10 年（D1）显著增加，其余施用年限无显著增加；Cr、Pb 含量在沼液施用4 年（A1）无明显变化，随着沼液施用年限增加，Cr、Pb 含量比对照减少，在沼液施用10 年（D1）显著减少。土壤重金属含量与现行标准《土壤环境质量-农用土壤污染风险管控标准》（GB15618-2018）相比较，以土壤pH 值选取对应土壤重金属风险筛选值，各处理均未超出农用地土壤污染风险筛选值，土壤污染风险低。值得注意的是，沼液施用10 年土壤Zn、Cu 含量已接近农用地土壤污染风险筛选值上限，说明长期连续施用沼液土壤Zn、Cu 有明显累积，可能出现土壤污染风险。

表4 不同沼液施用年限土壤重金属含量Table 4 Heavy metal content in soil treated by biogas slurry with different application years（mg/kg）

3 讨论

本研究中沼液施用可显著优化土壤团聚体分布，提高＞0.25 mm 的机械稳定性团聚体含量，这主要是因为沼液中富含有机质、腐殖酸，有利于土壤团粒形成，长期施用沼肥可使颗粒较小的团聚体凝结在一起形成较大的团聚体［20］。沼液施用通过提高土壤微生物量和活性，增加水稳定性团聚体［21］。本试验结果显示，沼液施用4、10年处理＞2 mm 土壤水稳定性团聚体含量比对照增加，而沼液施用8 年处理土壤水稳定性大团聚体含量减少，这可能是由于沼液施用8 年的土地种植类型为藕田，长期处于淹灌状态，除了导致根系微生物活性受限外，还可能与作物根系所形成微生物的数量和种类有关，其他旱地采用轮作措施形成的微生物数量和种类较为丰富，而藕田长期连作形成的微生物数量和种类较单一，这与张鹏等［22］的研究结果一致。

沼液施用4、5、10年土壤大团聚体（＞0.25 mm）的有机质含量增幅大于小团聚体（＜0.25 mm），而沼液施用8 年则相反，这种变化特征与土壤水稳定性大团聚体含量变化一致，主要原因是土壤有机质与团聚体密切相关，颗粒有机质被黏土矿物和微生物分泌的粘液包裹，形成团聚体的核心，在土壤有机质胶结作用的影响下，微团聚体、矿物质和颗粒有机质结合形成大团聚体，促进有机质从小团聚体转向大团聚体［23］，这也说明土壤团聚体的稳定性和各个粒级团聚体的有机碳含量关系密切，团聚体有机碳含量越高，土壤团聚体稳定性越强［24］。沼液含有大量有机质，同时，沼液施用后微生物活跃，分解有机质进入土壤，显著增加不同粒级团聚体的有机质含量，这与郑学博等［8］的研究结果一致。

土壤碱解氮、有效磷、有机质含量在不同沼液施用年限均高于对照，说明连续施用沼液农用地土壤速效养分和有机质含量明显增加，再次证明了施用沼液对改善土壤养分含量和结构具有良好的效果［25］。随沼液施用年限增加，土壤中碱解氮含量增幅出现先增后减的情况，这可能是由于土壤对沼液所含养分的累积效应，使土壤中还原剂过量累积，促进了土壤中有效氮的转化迁移，减少了碱解氮的累积，与赖星等［15］的研究结果一致。

土壤Zn、Cu 的含量增幅随着施用沼液年限增加而增加，这一方面可能是由于饲料添加剂中Zn、Cu 等金属含量较高导致产生的沼液中Zn、Cu 质量分数较高［25］，另一方面可能是土壤中富含—OH 和—COOH 官能团以及难分解的有机物质和不易氧化的硫化物，与Zn、Cu 形成不易溶解和移动的稳定络合体，造成Zn、Cu 在土壤中的富集［26-27］。Zn、Cu 含量在施用沼液10 年处理开始表现出明显增加趋势，而其余施用沼液年限Zn、Cu 含量未产生明显差异，因此沼液长期施用引起的土壤Zn、Cu累积问题应引起高度重视。

4 结论

常规土地利用方式下沼液施用有利于土壤小团聚体向大团聚体转化重组，增加＞2 mm 土壤机械稳定性团聚体含量，促进土壤微团聚体胶结形成大团聚体，同时有利于小团聚体有机质转向大团聚体有机质。长期沼液施用可增加土壤团聚体稳定性指标MWD、GMD、R0.25 的值和土壤水稳定性大团聚体含量，同时对土壤结构改良有积极的意义。沼液施用能有效增加土壤碱解氮、有效磷和有机质含量，长期施用养分累积效应明显，可有效提高土壤供肥、保肥能力。

施用沼液增加了土壤Zn、Cu 含量，随着施用沼液年限增加土壤Zn、Cu 含量有明显累积，目前施用4、5、8 年处理均未超出农用地土壤污染风险筛选值，但施用10 年处理土壤Zn 含量已接近农用地土壤污染风险筛选值上限，继续长期施用存在土壤重金属污染风险，有必要在沼液施用过程中注意防控，以保证农田的安全生产。