生态敏感区HDPE沼液长期还田对水稻产量及土壤理化的影响

沈云祥马云浩杨丹宫发莹施林林

(1.瑞凯企业管理服务(张家港)有限公司，江苏 张家港 215600；2.苏州市农业科学院，江苏 苏州 215000)

前言

伴随中国养殖业的快速发展，绿色友好解决养殖废弃物成为循环农业发展过程中的重要环节，其中养殖废弃物沼气化成为我国农牧结合高值利用的重要途径[1]。各地大量推广了“畜禽粪污产沼气发电，沼渣沼液还田”的绿色综合种养模式，如“猪-沼-肥-田”模式。据不完全统计，我国规模化养殖场每万头生猪存栏需要处理的沼液量就高达120～180m3，全国每年排放的沼液达到了2亿t，并且仍呈高速增长趋势[2]，但如何消纳上述天量沼液成为畜牧养殖业亟待解决的问题。

目前研究认为，稻田生态系统能大量消纳沼液，且对水稻的生长具有正向促进作用。姜丽娜等研究指出，稻田可每年安全承载沼液3000t·hm-2，后季稻可在不施氮钾肥的条件下获得与全量化肥等价产量[3]。王子臣等研究表明，稻田大量消纳沼液时，施用量在900t·hm-2条件下能保证水稻增产[4]。同时，王桂良等的研究表明，沼液替代70%的化学氮肥能提高水稻产量并改善稻米品质[5]。总体而言，利用稻田消纳沼液正成为沼液农田承载的主要技术模式[5，6]。同时，沼液作为液态有机肥，被认为能有效提高土壤肥力。近年的研究认为，长期施用沼液能有效提高土壤有机质、总氮、碱解氮、全钾、有效钾、总磷和有效磷含量[6-8]。

但稻田大量消纳沼液也存在巨大的生态环境风险，其中最引人注目的是沼液中残留重金属[9]。Tang通过连续5年的定位试验研究，在每年450t·hm-2沼液施用量条件下，农田(稻麦)土壤Cu与Zn含量显著增加，水稻秸秆和籽粒吸收的Cu和Zn含量随着沼液施用量增加而显著提高，同时5年处理水稻籽粒Cu、Zn、Pb和Cd含量分别为4.24mg·kg-1、33.78mg·kg-1、0.12mg·kg-1和0.035mg·kg-1，仍满足我国粮食作物安全标准(NY 861-2004)[10]，但不可否认的是农田土壤长期大量承载沼液持续提高了土壤重金属含量，尽管短期内仍然不超标(GB 15618-2018)，但探讨沼液环境安全施用的年限阈值刻不容缓。

同时，沼气工艺技术持续发展，目前正从传统沼气工艺向HDPE工艺(黑膜沼气池工艺)发展，HDPE工艺具有建造和运营成本低、施工简单、建设周期短、运行安全性高、工艺流程短和维护方便等特点[11]，但针对HDPE工艺沼液的稻田承载利用的研究目前尚不多见。尤其重要的是，苏州市作为工业强市，农业耕地有限，且处于长江大保护和太湖保护的生态极度敏感区，若沼液大量无序还田势必导致作物产量降低和土壤养分失衡。为此本研究在苏州沿江地区(张家港)开展HDPE沼液长期施用的定位试验，重点研究生态敏感区HDPE沼液对稻田生产力和土壤肥力的影响，为解决本区域沼液稻田消纳提供科学数据。

1 材料与方法

田间试验开展于2018—2022年，地点位于苏州张家港市常阴沙农场，位于N31.81°，E120.83°。试验采用完全随机区组设计，处理分别为不施肥空白(CK)、传统施肥(NPK)、沼液替代100%氮肥(BS)，每个处理重复3次。小区面积60m2，四周做田埂后用黑膜覆盖，为防止串肥田埂高度为20cm。小区具有独立进排水口和流量计，沼液通过管道进入田块，并利用流量计计量沼液施用量。

试验参考常阴沙地区水稻季常规施肥量，施氮20kg·667m-2，施磷3.5kg·667m-2，施钾8kg·667m-2。氮肥采用尿素(46%N)，磷肥为过磷酸钙(12%P2O5)，钾肥为氯化钾(60%K2O)。其中，NPK处理中35%氮肥作为基肥(移栽前)，35%氮肥分2次作为分蘖肥(移栽后7d和14d)和30%氮肥作为穗肥(拔节期)；100%磷肥作为基肥；50%钾肥作为基肥，50%钾肥作为穗肥。

BS处理中施氮量与NPK处理一致，其中，25%沼液作为基肥，25%沼液分2次作为分蘖肥，25%沼液作为穗肥，25%沼液作为保花肥。BS处理中磷钾肥施用方式同NPK处理。其中，沼液的N含量为0.08%，P2O5含量0.049%，K2O含量为0.06%，pH为7.55，砷含量为0.3mg·L-1，铜含量为12.5mg·L-1，锌含量为10.2mg·L-1，镉含量为0.2mg·L-1，铬含量为2.3mg·L-1。

水稻品种为当地常规品种“南粳46”。采用人工移栽方式，株行距为30cm×20cm。除施肥外，其余田间作业与水稻日常管理参考本地常规方式。

2022年水稻成熟后测定水稻实产。同时取0～20cm土壤样品风干，磨细后过10目和100目筛，测定土壤pH、有机质、总氮、总磷、总钾、速效磷、速效钾、碱解氮等[12]。同时采用ICP-OES法测定土壤中Cu、Zn、Cr和Cd含量[13]，采用原子荧光法测定土壤中As含量[14]。

2 统计与分析

数据收集采用Excel 2010，统计分析采用Minitab 19。原始数据先进行方差齐性和正态性检验，满足条件后进行方差分析，并在0.05水平上采用LSD法进行多重比较。

3 结果与分析

3.1 水稻产量

结果表明，施用沼液水稻产量显著高于传统施肥和无肥处理，见表1，BS处理水稻产量较NPK处理水稻实产高11.7%，较CK处理水稻实产高19.0%。分析水稻产量构成可知，施用沼液替代化学氮肥未显著影响水稻穗数，但BS处理穗数必CK处理穗数高4.9%。施用沼液显著提升了每穗粒数，其中BS处理每穗粒数较NPK和CK处理高7.1%和15.1%。施用沼液有利于提升水稻结实率，BS处理结实率比NPK处理高4.6%，但与CK处理间无显著差异。千粒重指标在不同处理间较为稳定，无显著差异。

表1 2022年水稻实产与产量构成

3.2 土壤养分指标

研究表明，尽管统计上仍无显著差异，但长期施用沼液(2018—2022)可有效提升土壤有机质含量，见图1a。BS处理土壤有机质含量达到25.2g·kg-1，比NPK和CK处理高8.2%和21.2%。长期施用沼液可显著提升土壤全氮含量，见图1b，本研究中BS处理土壤全氮较NPK和CK处理分别提升5%和23.5%。长期施用沼液对土壤全磷有提升趋势，见图1c，尽管在0.05水平上仍未达到显著差异，但BS处理土壤全磷较NPK和CK处理提高2.2%和10.0%。长期施用沼液对土壤全钾有提升趋势，见图1d，在0.05水平上仍未达到显著差异，但BS处理土壤全钾较NPK和CK处理提高6.9%和20.3%。

注：图中误差线为标准差，不同小写字母表示在0.05水平上有显著差异；下同。图1 不同处理间土壤有机质、总氮、总磷和总钾含量

长期施用沼液显著提升了土壤铵态氮含量，见图2a，BS处理土壤铵态氮含量较NPK和CK处理提高27.2%和110%。长期施用沼液提升了土壤速效磷含量，见图2b，但未达到显著差异，BS处理土壤速效磷含量较NPK和CK处理提高13.2%和35.3%。长期施用沼液有利于提升土壤速效钾含量，见图2c，BS处理土壤速效钾含量显著高于CK处理，但与NPK处理间仍无显著差异，BS处理土壤速效钾含量较NPK处理提高9.8%。长期施用沼液肥土壤pH值有降低趋势，见图2d，BS处理与NPK处理pH值无变化，但较CK降低0.2个单位。

图2 不同处理间土壤铵态氮、有效磷含量、速效钾含量和土壤pH值

3.3 土壤重金属含量

长期施用沼液显著提高了土壤中砷元素含量，见图3a，其中BS处理较NPK和CK处理砷含量分别提高85.7%和64.1%，但参考农用地土壤污染风险管控标准(GB 15618-2018)，所有处理均在安全范围以内(20mg·kg-1)。长期施用沼液显著提高了土壤中铜元素含量，见图3b，其中BS处理较NPK和CK处理铜含量分别提高75.7%和78.7%，参考农用地土壤污染风险管控标准，所有处理均在安全范围以内(100mg·kg-1)。长期施用沼液显著提高了土壤中锌元素含量，见图3c，其中BS处理较NPK和CK处理锌含量分别提高142.8%和88.3%，参考农用地土壤污染风险管控标准，所有处理均在安全范围以内(300mg·kg-1)。长期施用沼液未显著提高了土壤中镉元素含量，见图3d，平均Cd含量为0.3mg·kg-1。参考农用地土壤污染风险管控标准，所有处理均在安全范围以内(0.6mg·kg-1)。长期施用沼液未显著提高土壤中铬元素含量，见图3e，平均Cr含量为57.6mg·kg-1。参考农用地土壤污染风险管控标准，所有处理均在安全范围以内(250mg·kg-1)。

图3 不同处理间土壤砷、铜含量、锌含量、镉含量和铬含量

4 讨论

沼液作为养殖业主要废弃物，含有大量氮磷钾等养分元素，是优质的肥料来源，提高了作物产量和土壤质量[15]。但为促进生猪生长，在生猪养殖过程中常常添加As、Cu和Zn等微量元素[16]。因此，沼液中也含有部分重金属元素，上述微量元素的添加极大增加了土壤质量安全风险[17]。为科学合理施用沼液，土壤长期定位观测实验是主要的研究方法。汤逸帆等的研究表明，连续施用沼液5年仍然安全可控[18]。但由于土壤组成、农业耕作方式和环境容忍度等差异，上述结论并不能推广，特别是在一些生态敏感区。张家港作为长江下游典型的生态敏感区，土壤主要为灰潮砂土，土种为黄夹沙土，保肥保水性能差，沼液的大量施用极易引起环境风险。因此，定位观测沼液的施用具有重要意义。

本研究结果揭示了在稻季用沼液替代化学氮肥能显著提高早熟晚粳产量，与常规化肥处理相比，主要通过提高每穗粒数和结实率进行调控。上述结果与侯福银等研究一致[19]。这与沼液中氮元素主要为铵态氮为主有关，水稻在关键生育期主要依靠铵态氮提供氮营养[20]。沼液中磷钾元素也为水稻促花保花提供了营养基础。同时，沼液中含有大量氨基酸和次生代谢产物，为提高水稻的抗逆性提供了基础[21]。因此，采用沼液替代化学氮肥可显著提升长江下游沿江地区水稻产量。

土壤理化性质表明，长期施用沼液可有效提升土壤有机质、全氮、全钾、铵态氮、速效磷、速效钾和阳离子交换量。其中，BS处理的土壤全氮和铵态氮含量均显著高于NPK处理，上述结果与宋德刚等的研究一致[22]。这也与沼液中存在大量的铵态氮有关。同时，由于沼液中含有大量铵态氮，如何避免由于渗漏、挥发和径流导致的农业面源污染值得进一步研究[1]。总体而言，通过沼液的持续施用，土壤基础地力得到有效提升，特别是土壤氮素供给能力。

经过5年的连续施用沼液，土壤中As、Cu和Zn含量显著增长，但未超过国家标准(GB 15618-2018)，Cr和Cd的含量未有显著变化。上述结果表明，在沿江灰潮砂土地区，连续5年的沼液施用暂不会对土壤环境造成严重风险。但考虑到沼液中As、Cu和Zn等元素的含量较高，持续累计必定会导致环境风险，特别是沼液大量长期施用后[9]。因此，从源头减少或控制As、Cu和Zn一类重金属的添加是解决沼液农田施用的主要途径。

5 结论

通过连续5年的沼液还田试验，沼液100%替代化学氮肥能显著提高水稻产量，主要途径是提供每穗粒数和结实率。沼液替代化学氮肥能显著提升土壤供氮水平，提高土壤全氮和铵态氮含量。同时，沼液替代化学氮肥能提升土壤有机质、全钾、速效磷、速效钾和CEC等。沼液替代化学氮肥对土壤中As、Cu和Zn的增加具有显著贡献，但对Cd和Cr无显著贡献。总体而言，沼液还田可提升水稻产量和土壤质量，但也增加了土壤安全风险。未来需要针对沼液的安全施用进一步进行研究。