沼液灌溉對農(nóng)田土壤及產(chǎn)地環(huán)境影響研究進(jìn)展

李華，羅娜,2，馬潔，李凝玉，陳喜靖，沈阿林，郭彬，傅慶林*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036)

隨著我國養(yǎng)殖業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展和沼氣工程的快速推進(jìn)，大量的沼液如何處置已成為備受關(guān)注的環(huán)境問題。沼液中含有大量的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，以及豐富的鐵、鋅、錳等微量元素和氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)[1]。目前，農(nóng)田灌溉已成為其資源化利用的一個重要方式：一來可替代部分化肥，二來也可降低沼液的處理成本。諸多研究表明，沼液在提升土壤肥力、提高農(nóng)作物(水稻、蔬菜、水果、茶等)產(chǎn)量方面具有積極作用[2-5]。但長期大量施用沼液也存在著誘發(fā)土壤與農(nóng)作物重金屬、抗生素污染的風(fēng)險，同時，沼液長期施用是否會對地表水及地下水產(chǎn)生污染也逐漸引起了學(xué)者們的重視。本文擬從沼液長期施用對土壤、水環(huán)境的影響著手，綜述沼液農(nóng)田灌溉的環(huán)境污染風(fēng)險，提出今后沼液長期合理施用研究應(yīng)聚焦的熱點，以期為實現(xiàn)沼液的資源化利用與可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 沼液農(nóng)田灌溉對土壤肥力及作物生長的影響

沼液中總氮與銨態(tài)氮濃度可分別達(dá)到1 000～1 800 mg·L-1和600～1 200 mg·L-1[6]，總磷濃度也可達(dá)30～60 mg·L-1[7]，具有非常高的資源化利用價值。現(xiàn)有研究一致認(rèn)為，沼液農(nóng)田灌溉可通過提高土壤氮磷鉀含量、有機質(zhì)含量、微生物總量等提升土壤肥力。沼液農(nóng)田灌溉后可使土壤全氮、全磷與全鉀含量分別提高6.80%、13.16%與25.04%[3]，銨態(tài)氮、速效磷與速效鉀含量分別提高19.9%、21.1%與35.8%，同時使有機質(zhì)含量提高31.6%[2]。Xu等[8]連續(xù)3 a施加沼液處理，發(fā)現(xiàn)沼液能夠改良土壤肥力。國外學(xué)者在德國巴登-符騰堡州東北部的5個沼液灌溉田取樣，分析顯示，土壤有機質(zhì)含量均有所增加[9]。沼液施加在提升土壤有機質(zhì)含量的同時，也提升了土壤中微生物的活躍度。張紅等[10]在菜地土壤上研究發(fā)現(xiàn)，沼液可以改善土壤中的碳、氮含量，從而促進(jìn)土壤微生物數(shù)量增加；左狄等[11]進(jìn)行了2 a的大田小區(qū)試驗，結(jié)果表明，沼液還田顯著提高了土壤微生物總量，促進(jìn)了稻田的養(yǎng)分循環(huán)；徐莉等[12]在對楊樹林地的研究中發(fā)現(xiàn)，施加沼液能夠增加土壤中微生物的多樣性，增強土壤微生物活性。Wentzel等[9]研究結(jié)果也表明，沼液投入量的增加可提升土壤微生物生物量的有效性，進(jìn)而提升土壤肥力。

沼液中的氮素以銨態(tài)氮為主，約占總氮的62.5%～99.0%[13]，更利于作物的吸收利用。沼液與化肥配合使用，除可提高土壤肥力外，還可以提高土壤透氣性，疏松土壤[14]，減少板結(jié)，在豐富土壤有機質(zhì)含量及活躍微生物群落的同時，長期施用還能改善作物生長環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)作物生長；因此，沼液灌溉通?？商岣咦魑锂a(chǎn)量，這一結(jié)論已在水稻[4]、小麥[15]、茶樹[16]、葡萄[17]、紫甘藍(lán)[18]等農(nóng)作物上得到了驗證。另外，隨著沼液施用量的增加，作物與蔬菜(小白菜)等的產(chǎn)量也有增加的趨勢[4, 19]，但超過一定用量，增產(chǎn)效果會減弱。為確定沼液灌溉對小麥增產(chǎn)效果的最佳方案，邵文奇等[15]研究并最終確定了“前重后輕法”，即重施基肥、適量追肥，二者比例以2∶1為最佳。Jothi等[20]按一定比例配備沼液，并用其替代肥料施加于西紅柿田地中，結(jié)果表明，沼液可增加西紅柿產(chǎn)量，并使得西紅柿果實結(jié)果期提前。這也說明沼液中豐富的微量元素對于改善作物品質(zhì)具有積極作用[21-22]。

2 沼液農(nóng)田灌溉對土壤環(huán)境的影響

養(yǎng)殖飼料中含有重金屬和抗生素成分。養(yǎng)殖廢水經(jīng)過厭氧發(fā)酵后，其中的重金屬和抗生素成分仍會殘留在沼液中；因此，沼液長期施用有增加土壤重金屬和抗生素含量的風(fēng)險[23-24]。

2.1 土壤重金屬污染風(fēng)險

豬場沼液是目前農(nóng)田中常見的灌溉用沼液，學(xué)者圍繞豬場沼液的土壤重金屬污染風(fēng)險開展了一系列研究。賴星等[25]明確了連續(xù)多年施用豬場沼液會增加土壤中重金屬Pb、Cd、Cr、As、Hg的累積量，這與高杰云等[26]和陳瑤等[27]的研究結(jié)果一致。董志新等[28]研究了不同沼肥的重金屬含量，結(jié)果表明，供試的3種沼液中重金屬含量均未超出國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5084—2005中的農(nóng)田灌溉水質(zhì)要求。黃繼川等[29]在稻田生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行試驗，證明在連續(xù)施用2茬沼液的條件下，稻田土壤中Cd、Cr、As、Pb和Hg含量都符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 15618—1995中規(guī)定的土壤質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，無重金屬污染風(fēng)險，但As和Cr含量與沼液用量呈現(xiàn)明顯正相關(guān)性，長期施用沼液可能會致使土壤中As、Cr含量超標(biāo)。王桂良等[30]在沼液替代化肥氮的試驗研究中發(fā)現(xiàn)，稻米Cu、Zn、Pb、As含量稍有增加，Cd、Cr含量有所降低，認(rèn)為對于稻田長期施用沼液的重金屬含量應(yīng)進(jìn)行長期監(jiān)測，以科學(xué)制訂農(nóng)田沼液的適宜用量。

土壤中重金屬的積累可能引發(fā)農(nóng)產(chǎn)品安全問題。有研究對太湖地區(qū)施用沼肥后的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行了風(fēng)險評估，結(jié)果表明，谷物和蔬菜中的Pb、As、Cd含量均超出聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)/世界衛(wèi)生組織(WHO)的限制[31]。沼液施用量與土壤中砷含量具有明顯正相關(guān)性，但各處理下作物重金屬含量均未超過國家蔬菜食用標(biāo)準(zhǔn)[32]。沼液作為作物和蔬菜種植的肥料，通過植物根系進(jìn)入植物內(nèi)部，并通過食物鏈危害人類健康。Guo等[33]在稻-麥輪作模式下發(fā)現(xiàn)，沼液施加處理下，土壤中的Pb、Cr、Cu、Zn含量均在允許范圍內(nèi)。Duan等[1]鑒定出一些低積累重金屬的水稻基因型。這些研究為降低沼液灌溉條件下的農(nóng)產(chǎn)品安全風(fēng)險進(jìn)行了有益嘗試。

2.2 土壤抗生素污染風(fēng)險

隨著集約化畜禽養(yǎng)殖發(fā)展，在畜禽飼料中添加抗生素的現(xiàn)象并不少見，其中相當(dāng)部分的抗生素殘留在豬場糞污水中。目前，有關(guān)畜禽糞便中抗生素的研究較多，但關(guān)于沼液中抗生素的關(guān)注較少[34-36]。沼液中常見的抗生素以四環(huán)素類、磺胺類為主[37]。為探索沼液在防治植物病害上的機理，聶瑩等[38]利用高效液相色譜檢測了豬糞沼液中3種常見抗生素(土霉素、四環(huán)素、金霉素)的含量，結(jié)果表明，沼液中抗生素含量偏高。衛(wèi)丹等[39]對嘉興市10家大型養(yǎng)豬場沼液水質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，四環(huán)素類抗生素含量最高，最高值可達(dá)1 090 μg·L-1，遠(yuǎn)超歐盟水環(huán)境抗生素限制值(10 ng·L-1)。賀南南等[40]研究發(fā)現(xiàn)，沼液所含抗生素中，含量較高的為四環(huán)素類和磺胺類抗生素，其中磺胺嘧啶和磺胺甲惡唑的檢出濃度最高。

目前，對沼液中抗生素的處理方法主要有污水處理、微波強化氧化處理、微生物法、液相色譜法、酶聯(lián)免疫吸附法等。王霜等[37]利用現(xiàn)有技術(shù)對減控豬場糞污中的重金屬和抗生素提出如下建議：加大飼料生產(chǎn)的監(jiān)管力度；跟進(jìn)重金屬、抗生素去除試驗結(jié)果，開展重金屬、抗生素的去除創(chuàng)新技術(shù)研究。遲翔等[41]利用超聲-Fenton法對沼液中4種四環(huán)素類和4種磺胺類抗生素進(jìn)行氧化去除，去除率達(dá)88%～91%，為沼液農(nóng)用中抗生素的處理提供了一條可能的途徑。

3 沼液農(nóng)田灌溉對水環(huán)境的影響

3.1 對地表水環(huán)境的影響

國內(nèi)外研究已明確，施用沼液對田面水、地表水中的氮、磷濃度有一定影響。姜麗娜等[42]發(fā)現(xiàn)，沼液灌溉后稻田田面水中銨態(tài)氮的濃度達(dá) 120 mg·L-1以上，且隨沼液用量增加，田面水銨態(tài)氮濃度明顯升高，隨徑流流失的風(fēng)險增大，但沼液對田面水中硝態(tài)氮濃度無顯著影響。另有研究表明，沼液灌溉明顯增加了水稻穗肥期田面水總氮與銨態(tài)氮濃度，且前述指標(biāo)均隨沼液施灌量的增加而增大[43]。一些模擬試驗與田間試驗也證實，沼液灌溉可能污染水環(huán)境[33, 44]，但沼液灌溉后12 d，稻田田面水氮、磷濃度與化肥對照處理無顯著差異；因此，需重點防范灌溉后2周之內(nèi)徑流的發(fā)生[45-46]。同時，也有研究發(fā)現(xiàn)，與施用化肥的對照農(nóng)田相比，農(nóng)田采用沼液灌溉可有效減少地表徑流中總氮、銨態(tài)氮和總磷的濃度[47]，這可能與氣候、土壤類型、種植模式、沼液用量和施用方式等多種因素相關(guān)。沼液灌溉后田面水中較高的氮素，特別是銨態(tài)氮濃度，已成為沼液處理中氨揮發(fā)損失較高的一個重要原因[43]。適量施用沼液代替復(fù)合肥后，氨揮發(fā)速率增加，增大沼液用量增加了稻田氨揮發(fā)損失總量[47]。姜麗娜等[42]通過3 a的定位田間小區(qū)試驗發(fā)現(xiàn)，沼液灌溉與化肥相比，氨揮發(fā)量增加10倍以上。

為確定沼液灌溉的最佳施用量，研究人員也進(jìn)行了許多嘗試。喬小珊等[48]采用水稻盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，在單季灌溉量為2 250 mL·kg-1的條件下，沼液對稻田水環(huán)境的污染潛力較低。大田試驗研究表明，基蘗期稻田每次沼液消解量應(yīng)控制在211.76 t·hm-2以內(nèi)；穗肥期稻田消解沼液能力較強，單次消解量控制在423.53 t·hm-2以內(nèi)較為安全[43]。綜上，采用沼液進(jìn)行農(nóng)田灌溉時，需根據(jù)作物、生育期及土壤類型等因素，綜合確定適宜用量。

3.2 對地下水環(huán)境的影響

磷素向下移動性較差，沼液灌溉條件下的磷幾乎全部被吸附在0～35 cm土壤中[49]；因此，沼液農(nóng)田灌溉對地下水環(huán)境的影響研究主要側(cè)重于氮素。盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，隨著沼液灌溉強度的提高，草地淋溶液中總氮、銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量升高[50]。淹水稻田土壤溶液中銨態(tài)氮向下運移的幅度不大，主要分布在表層(0～30 cm)，且上層明顯高于下層，這主要是由于表層土壤對沼液中銨態(tài)氮的吸附作用更強，降低了其深層淋失風(fēng)險[45]。與施用化肥相比，沼液不會增加地下水銨態(tài)氮的污染風(fēng)險，這與姜麗娜等[42]的研究結(jié)果大致相同。小型片區(qū)沼氣工程試驗還發(fā)現(xiàn)，沼液還田后地下徑流(即淋溶)的銨態(tài)氮濃度有一定程度的降低[46]。

沼液可增強土壤硝化作用[51]，用量過高會導(dǎo)致大量硝態(tài)氮產(chǎn)生；因此，在沼液農(nóng)田灌溉相關(guān)研究中，氮素往往以硝態(tài)氮的形式淋失[52-53]。Matsunaka等[54]進(jìn)行了3 a多的牛場沼液試驗，發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮流失占了沼液總氮損失的6%～12%。Park等[55]研究發(fā)現(xiàn)，土壤30 cm處淋溶液中硝酸鹽濃度為6～20 mg·L-1。盆栽試驗中，高用量沼液處理中硝態(tài)氮濃度顯著增加，同時，沼液灌溉顯著增加了冬小麥硝酸鹽淋失濃度[52]。但也有研究表明，不同用量沼液灌溉對稻田60 cm淋溶液中硝態(tài)氮的影響不顯著[42]，不會導(dǎo)致當(dāng)季地下水硝態(tài)氮濃度超標(biāo)[56]，這與王子臣等[57]的發(fā)現(xiàn)一致，即等氮量沼液灌溉與常規(guī)施肥相比，前者的地下水硝態(tài)氮污染風(fēng)險較小。朱志玲等[46]也發(fā)現(xiàn)，沼液還田與施用化肥相比，未對地下徑流硝態(tài)氮造成顯著影響。

為避免沼液長期灌溉對水環(huán)境帶來的潛在風(fēng)險，喬小珊等[48]量化了沼液灌溉量，發(fā)現(xiàn)總氮投入量應(yīng)控制在1 198.95 kg·hm-2之內(nèi)，總磷應(yīng)控制在62.5 kg·hm-2之內(nèi)，這樣不致影響地下水環(huán)境。按其所用沼液中的氮、磷含量折算，沼液灌溉的安全施用量為單季大田3 960 m3·hm-2。王子臣等[43]通過小區(qū)試驗發(fā)現(xiàn)，從地下水水質(zhì)安全角度考慮，水稻穗肥期沼液一次消解安全量應(yīng)控制在100%沼液替代化肥處理的范圍內(nèi)。

4 沼液農(nóng)田灌溉研究前景

沼液在增強土壤肥力、提升作物品質(zhì)、提高作物產(chǎn)量的同時，因缺乏長期的環(huán)境污染監(jiān)測與施用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，盲目施用也可能會直接危害農(nóng)田用地和作物生長，甚至伴生食品安全問題。為更好地指導(dǎo)沼液用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，獲得沼液資源化利用的最大經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益，以下問題仍有待深入研究。

4.1 沼液長期農(nóng)田灌溉對區(qū)域土壤與水環(huán)境污染風(fēng)險的長期定位監(jiān)測

目前，關(guān)于沼液導(dǎo)致的環(huán)境問題研究多集中于模擬試驗，即便是大田小區(qū)試驗，也多集中在當(dāng)季作物或3 a以內(nèi)的結(jié)果，5 a以上沼液灌溉的研究非常缺少。評估沼液長期農(nóng)田灌溉對環(huán)境的影響，需要建立大田長期定位試驗，10 a以上的數(shù)據(jù)最佳。除關(guān)注研究時間外，研究區(qū)域也應(yīng)從試驗田塊向周邊土壤及水體擴(kuò)展，因為氮磷養(yǎng)分及其他元素具有一定的橫向遷移性，可能會對灌溉田塊外的區(qū)域環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。除了對氮、磷的研究之外，還應(yīng)關(guān)注水體化學(xué)需氧量等的變化，以全面評價沼液的污染風(fēng)險。

4.2 沼液農(nóng)田回用風(fēng)險評估

綜合調(diào)研或?qū)嵉乇O(jiān)測沼液養(yǎng)分含量、農(nóng)田灌溉用量、氮磷水相與氣相損失特征與通量、污染物橫向與縱向遷移分布特征、水體化學(xué)需氧量、環(huán)境重金屬與抗生素污染程度等因素，結(jié)合土壤類型、種植模式、農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì)，從沼液灌溉對大氣、水、土壤3方面的污染貢獻(xiàn)入手，確定沼液灌溉風(fēng)險評價的主要指標(biāo)，明確核算方法與評價等級，構(gòu)建沼液長期農(nóng)田回用的環(huán)境風(fēng)險評估體系，為沼液資源化利用、有機物料替代化肥等提供堅實的理論基礎(chǔ)。