長(zhǎng)期施用沼液對(duì)土壤及產(chǎn)品的影響

劉向林， 王麗霞， 吳冬悅， 羅 星， 董仁杰，2， 邵 蕾

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院， 山東 煙臺(tái) 264670； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)， 北京 100083)

隨著種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的集約化和規(guī)模化發(fā)展，沼氣工程成為畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞便及其養(yǎng)殖污水處理和循環(huán)利用的重要環(huán)節(jié)之一[1-2]。連續(xù)、大量的沼液如不能及時(shí)消納，會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染[3-4]。沼液的及時(shí)消納已成為制約沼氣工程發(fā)展的限制性因素。沼液中含有氮磷鉀和中微量元素，已有大量研究探討了沼液替代化肥后對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)和對(duì)植物生長(zhǎng)的影響[5-7]。沼液中不僅含有植物所需要的養(yǎng)分元素，還包含多種生理活性物質(zhì)(吲哚乙酸、赤霉素、細(xì)胞分裂素)和抗生素(喹啉酮類)[8]，具有促進(jìn)生長(zhǎng)、抑菌、刺激、提高抗逆性等功效。

養(yǎng)殖過程中作為飼料添加劑的重金屬元素通過飼料—畜禽—糞便—沼液—土壤—植物的途徑，導(dǎo)致沼液施用存在使土壤和農(nóng)產(chǎn)品重金屬積累的潛在風(fēng)險(xiǎn)：劉思辰[9]分析了全國約100個(gè)沼液樣品中重金屬的含量，認(rèn)為豬糞沼液重金屬含量高于牛場(chǎng)沼液，沼液中Hg和Cd 超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)較大；李堯琴[10]對(duì)重慶市5個(gè)養(yǎng)豬場(chǎng)的沼液檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，沼液中As嚴(yán)重超標(biāo)， Hg和Cd輕微超標(biāo)；趙麒淋[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。

沼氣工程的原料、工藝等不同會(huì)導(dǎo)致沼液的養(yǎng)分、重金屬含量也不同；而不同作物的需肥規(guī)律和需肥量也各不相同。因此不同原料的沼液應(yīng)用于不同的作物，其效果不同。本文通過對(duì)長(zhǎng)期施用沼液的土壤進(jìn)行采樣分析，研究施用沼液對(duì)土壤養(yǎng)分和重金屬含量、農(nóng)產(chǎn)品的重金屬含量的影響，以期為沼液的安全利用、降低土壤被重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

2016年9月19日采集山東省煙臺(tái)蓬萊市劉家溝鎮(zhèn)從未施用沼液的蘋果種植基地(A)、山東省煙臺(tái)蓬萊市劉家溝鎮(zhèn)園藝場(chǎng)蘋果種植基地(B)、山東煙臺(tái)蓬萊市北溝鎮(zhèn)徐家集村葡萄種植基地(C)以及冬天沼氣工程中直接澆灌沼液的自留土地(D)的土壤樣品。

所施沼液為山東煙臺(tái)某沼氣工程雞糞沼液。其理化性質(zhì)見表1。

表1 沼液理化性質(zhì) (%)

各采樣點(diǎn)沼液施用情況：

B：面積50畝，土地平整，連續(xù)施用沼液8年，沼液施用量為開花前5 m3·677m-2，謝花后7 m3·677m-2，果實(shí)膨大期前5 m3·677m-2，采果后5 m3·677m-2，共22 m3·677m-2。全年不施用有機(jī)肥，只在果實(shí)膨大期時(shí)施用高鉀水溶肥料15 kg·677m-2。

C：面積46666.67 m2，土地平整，連續(xù)施用沼液8年， 3月初～11月底結(jié)合澆水，每隔半個(gè)月施用沼液一次，同時(shí)施用水溶肥料。全年施用沼液量約10 m3·677m-2，葡萄采摘后施用有機(jī)肥1 t·677m-2。

D：面積66666.67 m2，土地平整，玉米生長(zhǎng)期間根據(jù)墑情大水漫灌；玉米收獲至第2年種植前，連續(xù)多次采用大水漫灌至土壤飽和含水量。連續(xù)施用沼液8年，全年沼液的施用量約50 m3·677m-2。

1.2 樣品的采集與測(cè)定

采樣點(diǎn)的確定：以連續(xù)平整的約677 m2土地為采樣單元，采用對(duì)角線布點(diǎn)，采集5個(gè)土樣，混勻。A，B，C，D共4個(gè)采樣單元，分別采集0～20 cm，20～40 cm和40～60 cm深的土樣，共12個(gè)樣品。

采樣后放置于陰涼處風(fēng)干。然后分別測(cè)定其速效氮、速效磷、速效鉀、全氮、有機(jī)質(zhì)和pH值。其中速效氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗顯色法測(cè)定，速效鉀采用醋酸銨提取-火焰分光光度計(jì)法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸外氧化法測(cè)定，pH值采用水溶-酸度計(jì)法測(cè)定。蘋果和葡萄收獲后采集果實(shí)樣品。

采集的土壤和果實(shí)樣品送至煙臺(tái)出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心測(cè)定其As，Hg，Cr，Cd，Pb含量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理

數(shù)據(jù)均采用Excel和SAS程序軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施用沼液對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 施用沼液對(duì)土壤pH值的影響

王存龍[12]等人的研究發(fā)現(xiàn)，過量施用化肥、工礦污染以及污染形成的酸雨使煙臺(tái)市區(qū)內(nèi)土壤明顯酸化。煙臺(tái)市酸化土壤面積占全市土壤面積的21.18%[13]。地塊A，B，C，D的0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土壤pH值都小于7(見表2)。地塊A的pH值低于B，C和D，原因可能為：B，C和D施用的沼液pH值為8.24，可以中和土壤酸度，從而提高土壤pH值。

表2 施用沼液對(duì)土壤pH值的影響

注：在同一行中的數(shù)據(jù)用鄧肯多重比較分析，凡尾部標(biāo)有不同字母的數(shù)值表示其間差異顯著(p<0.05)。下同。

2.1.2 施用沼液對(duì)土壤中速效氮含量的影響

全國第二次土壤普查將土壤肥力從高到低分為1～6級(jí)，地塊A的土壤速效氮含量達(dá)到2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(120～150 mg·kg-1)，地塊B，C和D地塊達(dá)到3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(90～120 mg·kg-1)(見表3)。張東[14]等通過分析黃土高原成齡富士蘋果園土壤養(yǎng)分含量對(duì)土壤進(jìn)行分級(jí)，將土壤中養(yǎng)分含量分為缺乏、低值、正常值、高值、過高5個(gè)等級(jí)。4個(gè)地塊的土壤速效氮含量都位于高值范圍(85～150 mg·kg-1)。因此，施用沼液不會(huì)造成土壤中速效氮含量的不足。

2.1.3 長(zhǎng)期施用沼液對(duì)土壤中的速效磷的影響

C地塊的0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土層土壤速效磷含量最高，原因可能為：地塊C園每隔半個(gè)月沖施一次沼液和速效養(yǎng)分水溶肥，頻繁的澆水和施肥造成磷的下移和累積(見表4)。地塊D的0～20 cm土層土壤速效磷含量顯著高于A，B兩個(gè)地塊，原因可能為：地塊D沼液施用量遠(yuǎn)高于其它地塊，造成了土壤速效磷的累積。

表3 施用沼液對(duì)土壤速效氮含量的影響 (mg·kg-1)

全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將土壤速效磷含量>40 mg·kg-1作為一級(jí)土壤的指標(biāo)值。4個(gè)地塊的0～20 cm土層土壤速效磷含量都大于40 mg·kg-1。張東[14]等人認(rèn)為土壤速效磷含量35～45 mg·kg-1為果園土壤的高值范圍，大于45 mg·kg-1為過高。A地塊的土壤速效磷含量接近高值范圍的上限，其余3個(gè)地塊均處于過高范圍，尤其是C地塊，其土壤速效磷含量為45 mg·kg-1的3.47倍。

表4 施用沼液對(duì)土壤速效磷含量的影響 (mg·kg-1)

2.1.4 長(zhǎng)期施用沼液對(duì)土壤中的速效鉀的影響

全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將土壤速效鉀含量>200 mg·kg-1作為一級(jí)土壤的指標(biāo)值。4個(gè)地塊中3層土壤中速效鉀含量都超過200 mg·kg-1，地塊D的20～40 cm速效鉀含量達(dá)到1758.96 mg·kg-1(見表5)。張東[14]研究認(rèn)為土壤速效鉀含量>350 mg·kg-1為過高范圍，300～350 mg·kg-1為高值范圍。地塊A，C，D的0～20 cm土層速效鉀含量處于過高范圍，B為高值范圍。

表5 施用沼液對(duì)土壤速效鉀含量的影響 (mg·kg-1)

D地塊0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土層土壤速效鉀含量顯著高于B和C地塊，原因可能為：D地塊沼液的施用量顯著高于其它兩個(gè)地塊，造成土壤中鉀元素的過多累積。

2.1.5 長(zhǎng)期施用沼液對(duì)土壤中的有機(jī)質(zhì)含量的影響

全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將一、二、三級(jí)土壤有機(jī)質(zhì)含量的指標(biāo)值分別為>4%，3%～4%，2%～3%。C地塊0～20 cm土壤為一級(jí)土壤，A和D為二級(jí)土壤，B為三級(jí)土壤。張東[14]研究認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)含量>3%為過高范圍，1.8%～3%為高值范圍。地塊A，C，D的0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)的含量位于高值范圍，C位于過高范圍(見表6)。

C地塊每年施用有機(jī)肥1噸·677m-2，所以其3層土壤中有機(jī)質(zhì)含量都高于不施用有機(jī)肥的B和D地塊。因?yàn)檎右褐泻?.01%的固形物，即使B和D不施用有機(jī)肥，其土壤中有機(jī)質(zhì)含量也可達(dá)到張東[14]等人認(rèn)定的高值范圍和過高范圍：假設(shè)沼液中2.01%的固形物全為有機(jī)質(zhì)，則B和D地塊每年分別施用22 m3·677m-2，50 m3·677m-2沼液，相當(dāng)于每年施用有機(jī)肥(含水量30%)0.68 t·677m-2和1.45 t·677m-2。

表6 施用沼液對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 (%)

2.2 長(zhǎng)期施用沼液對(duì)土壤和果實(shí)重金屬含量的影響

2.2.1 長(zhǎng)期施用沼液對(duì)土壤中的重金屬含量的影響

楊樂[15]等人的試驗(yàn)表明連續(xù)5年施用沼液后，施用沼液處理土壤中的Cr，Cd，As，Pb，Ni含量顯著高于對(duì)照和施用化肥處理；但也有試驗(yàn)表明施用沼液不會(huì)增加重金屬風(fēng)險(xiǎn)：王衛(wèi)平[16]等人的試驗(yàn)表明柑桔施用沼液后，與常規(guī)管理的處理相比較，土壤中砷、汞、鎘、鉻含量2個(gè)處理間變化較小，但鉛含量有上升趨勢(shì)；李勝利[17]等人將沼液∶水=1∶2通過滴灌施入基質(zhì)栽培的生菜和小白菜中，試驗(yàn)結(jié)束后施用沼液的基質(zhì)中銅、鋅、鉻、鎘、鉛含量與對(duì)照無差異。

施用沼液的B，C地塊的土壤Cr，Hg，Cd含量與未施用沼液的A地塊差異不顯著；B，C，D地塊的土壤Pb含量；B地塊的土壤As含量顯著高于A地塊(見表7)。而大量施用沼液的D地塊土壤Pb，As，Cr，Hg，Cd含量都顯著高于A地塊。

施用沼液的B和C地塊As，Cr，Hg，Cd含量低于《GB 15618-1995 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)(自然背景)土壤中的限定值，而B和C地塊的Pb含量高于一級(jí)土壤中的限定值。D地塊的土壤Pb，As，Cd含量高于一級(jí)土壤中的限定值，Cd含量(0.39 mg·kg-1)超過二級(jí)土壤中的限定值(為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康的土壤限制值)。

表7 施用沼液與未使用沼液對(duì)0～20cm土層中重金屬含量的影響 (mg·kg-1)

2.2.2 長(zhǎng)期施用沼液對(duì)果實(shí)重金屬含量的影響

李勝利[17]等人的試驗(yàn)表明施用沼液相對(duì)于常規(guī)管理未增加生菜和小白菜中Pb，Cr，Cd含量。王衛(wèi)平[16]等人的試驗(yàn)表明無論是常規(guī)管理還是施用沼液，柑桔果實(shí)中未檢出Pb，As，Cr，Hg，Cd。武立葉[18]等人的試驗(yàn)表明施用豬糞沼液未增加豇豆Pb，As，Cr，Hg，Cd的含量。楊軍芳[19]等人的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)追施沼液增加了白菜Cd含量。除了B和C地塊中果實(shí)中檢測(cè)出Cr外，A，B，C地塊的果實(shí)中都未檢測(cè)出其它重金屬(見表8)。B和C地塊中果實(shí)中Cr含量分別為0.16 mg·kg-1，0.11 mg·kg-1，低于《GB 2762-2012 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》中的限定值0.5 mg·kg-1。

表8 果實(shí)中重金屬含量 (mg·kg-1)

3 討論

沼液含有豐富養(yǎng)分元素和生理活性物質(zhì)，沼液的農(nóng)田利用不僅能消納沼液，同時(shí)也可促進(jìn)植物生長(zhǎng)、提高果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)。B和C地塊在主要施用沼液的基礎(chǔ)上補(bǔ)充施用水溶肥料，土壤速效氮和有機(jī)質(zhì)含量位于全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的三級(jí)，速效磷和鉀為一級(jí)；土壤速效氮位于張東等人劃分的高值范圍，速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)位于過高范圍；綜合4個(gè)指標(biāo)評(píng)判，B和C果園屬于張東[14]等人劃分的“高產(chǎn)園”。且通過與B和C地塊的主人訪談，他們認(rèn)為自己果園產(chǎn)量與常規(guī)管理果園無差異，并且品質(zhì)和銷售價(jià)格高于常規(guī)管理果園，所以才能連續(xù)8年施用沼液，這也從側(cè)面證明了沼液代替部分化肥和有機(jī)肥的可行性。

有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沼液灌溉會(huì)增加土壤中重金屬的含量，也有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沼液灌溉不會(huì)增加土壤中重金屬的含量。不同試驗(yàn)的不同試驗(yàn)結(jié)果，可能與沼液中重金屬含量、施用量、稀釋倍數(shù)、作物、降雨量等因素相關(guān)。相對(duì)于常規(guī)管理的A地塊，施用沼液B和C地塊中Pb和As含量顯著上升，大量施用沼液的D地塊土壤Cd含量甚至超過了二級(jí)土壤中的限定值(為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康的土壤限制值)。因此，長(zhǎng)期大量施用沼液存在土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。并且B和C地塊的果實(shí)中檢測(cè)出Cr，因此長(zhǎng)期大量施用沼液也存在食品重金屬安全問題。

4 結(jié)論

(1)施用雞糞沼液配合水溶肥料，可以滿足作物對(duì)氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)的需求，并且可以提高土壤pH值，改善土壤酸化的問題。

(2)B、C地塊連續(xù)8年施用雞糞沼液增加了土壤中部分重金屬含量和果實(shí)中Cr含量，但是未超過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)D地塊施用雞糞沼液50 m3·677m-2，土壤中As，Cr，Hg，Cd，Pb的含量都顯著高于未施用沼液的A地塊，并且土壤中Cd含量超過了《GB 15618-1995 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)土壤中的限定值(為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康的土壤限制值)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂 品，王立民，張繼舟，等. 沼液抗旱劑重金屬安全性分析及對(duì)大豆葉片Tr和RWC的影響[J]. 徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(34) ：1221-1222.

[2] 蒲俊華，陳大偉，劉茵茵，等.江蘇華東某省部分禽場(chǎng)重金屬污染檢測(cè)與分析[J].家畜生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，35(11)：69-72.

[3] 吳愛兵，曹 杰，朱德文，等.麥秸與牛糞混合堆漚預(yù)處理厭氧干發(fā)酵產(chǎn)沼氣中試試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(22)：987-991.

[4] 肖艷春，黃 婧，林香信，等. 去除豬場(chǎng)沼液重金屬Pb的離子印跡膜制備及其應(yīng)用[J].福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào).2016，31(1)：57-62.

[5] 肖 洋，田 里，路運(yùn)才，等.沼液和沼渣及化肥配施對(duì)土壤肥力的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2016，32(11)：78-81.

[6] 吳華山，郭德杰，等.豬糞沼液施用對(duì)土壤氨揮發(fā)及玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)導(dǎo) 報(bào)，2012，20(2)：163-168.

[7] 趙鳳蓮，孫欽平，等.不同沼肥對(duì)油菜產(chǎn)量、品質(zhì)及氮素利用效率的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2010(6)：127-130.

[8] 霍翠英，吳樹彪，郭建斌，等. 豬糞發(fā)酵沼液中植物激素及喹啉酮類成份分析[J]. 中國沼氣，2011，29(5)：7-10.

[9] 劉思辰，王莉瑋，李希希，等.沼液灌溉中的重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2014，20( 6): 1517-1524.

[10] 李堯琴，楊麗軍，張乃華. 養(yǎng)豬場(chǎng)沼液重金屬含量及安全性分析[J]. 監(jiān)測(cè)分析，2012，(3)：106-108.

[11] 趙麒淋，伍鈞，陳璧瑕，等. 施用沼液對(duì)土壤和玉米重金屬累積的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2012，26(2)：251-255.

[12] 王存龍，曾憲東，劉華峰，等．煙臺(tái)市土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及重金屬元素分布遷移規(guī)律[J]．中國地質(zhì)，2015，42(1)：317-330．

[13] 楊歆歆，趙庚星，李 濤，等.山東省土壤酸化特征及其影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(10)：155-160

[14] 張 東，鄭立偉，韓明玉，等. 黃土高原成齡富士蘋果園土壤養(yǎng)分含量標(biāo)準(zhǔn)值研究[J]. 園藝學(xué)報(bào)，2016，43 (1)：121-131.

[15] 楊樂，王開勇，龐瑋，等. 新疆綠洲區(qū)連續(xù)五年施用沼液對(duì)農(nóng)田土壤質(zhì)量的影響[J].中國土壤與肥料，2012(5)：17-21.

[16] 李勝利，劉 金，夏亞真，等. 沼液施用方式對(duì)兩種葉菜品質(zhì)及栽培環(huán)境的影響[J]. 中國土壤與肥料，2014(2)：61-66.

[17] 王衛(wèi)平，朱鳳香，陳曉旸，等. 沼液澆灌對(duì)土壤質(zhì)量和蘿卜產(chǎn)量品質(zhì)的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009(24)：484-487.

[18] 武立葉，石鵬飛，王貴彥，等. 豬糞發(fā)酵沼液沼渣在豇豆種植中的應(yīng)用及重金屬積累研究[J]. 作物雜志，2015(6)：141-145.

[19] 楊軍芳，馮 偉 ，賈良良，等. 追施沼液對(duì)白菜及土壤重金屬含量的影響[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，19(5)：68-73.