沼液用量對設(shè)施土壤養(yǎng)分和鹽分累積與遷移的影響

郭全忠，葛一洪, 龔曉松，王秋利

(1.安康學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院，陜西 安康 725000；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所，四川 成都 610041)

隨著規(guī)?；B(yǎng)豬業(yè)的快速發(fā)展，養(yǎng)豬場糞尿、污水等廢棄物得不到最佳處理導(dǎo)致環(huán)境污染問題突出[1,2]，近年來，沼氣工程在規(guī)模養(yǎng)殖場的推廣應(yīng)用，為規(guī)模養(yǎng)豬場糞污的無害化和資源化處理提供了新途徑，產(chǎn)生的沼液和沼渣因含有大量的有機(jī)物質(zhì)和氮、磷、鉀等營養(yǎng)成分，作為優(yōu)質(zhì)肥料普遍應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[3]，施用于農(nóng)田對改善土壤質(zhì)地，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量效果明顯[4,5]，所以常把沼液和沼渣作為沼肥施用于農(nóng)田。由于缺少合理的技術(shù)指導(dǎo)，沼肥盲目施用的現(xiàn)象普遍存在[6]，長期盲目施用以畜禽糞便為發(fā)酵原料所產(chǎn)生的沼液，存在使農(nóng)田重金屬累積超標(biāo)的風(fēng)險，從而導(dǎo)致農(nóng)田系統(tǒng)生態(tài)功能下降，引發(fā)環(huán)境安全問題[7]。合理循環(huán)利用這些有機(jī)廢物中的養(yǎng)分資源不僅可節(jié)約大量化肥，而且可以有效提高養(yǎng)分利用，避免產(chǎn)生農(nóng)田面源污染[8,9]。

安康市地處漢江中上游地區(qū)，是南水北調(diào)水源涵養(yǎng)區(qū),保護(hù)一江清水供京津已成為當(dāng)?shù)卣囊豁椪稳蝿?wù)。近年來隨著點(diǎn)源污染控制技術(shù)水平提升，以規(guī)模養(yǎng)豬場為主廢棄物排放為主的農(nóng)業(yè)面源污染成為漢江水體最為重要的污染源之一[10]。為有效控制此類污染，安康市政府從2008年后開始在規(guī)模養(yǎng)豬場中大力推廣“豬-沼-菜”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，即按養(yǎng)豬場規(guī)模配套建設(shè)沼氣工程，沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的沼液和沼渣作為肥料，以減少養(yǎng)豬場廢棄物對環(huán)境的影響，取得了一定的效果。但由于施用量控制不當(dāng)，部分養(yǎng)豬場菜田土壤開始出現(xiàn)板結(jié)、蔬菜產(chǎn)量下降、病害加劇等問題。筆者研究選擇了安康市某大型養(yǎng)豬場“豬-沼-菜”循環(huán)農(nóng)業(yè)園區(qū)設(shè)施菜田作為研究對象，連續(xù)進(jìn)行3 a定位試驗，研究化肥用量較常規(guī)施肥量減半的條件下，不同用量沼肥與化肥配合施用對設(shè)施菜田土壤養(yǎng)分和鹽分含量的累積與遷移的影響，分析其存在的環(huán)境風(fēng)險，為合理施用沼肥提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于安康市某“豬-沼-菜”農(nóng)業(yè)示范園區(qū)，園區(qū)的養(yǎng)豬場平均年出欄生豬48萬頭，日產(chǎn)糞量8 200 kg，建有大型沼氣池3個，可處理糞便90 t/d，所產(chǎn)沼氣主要用于發(fā)電。為解決沼液沼渣排放問題，該養(yǎng)豬場于2010年開始將周邊農(nóng)戶土地進(jìn)行流轉(zhuǎn)，首批流轉(zhuǎn)233 hm2坡地進(jìn)行土地整理后建塑料大棚種植設(shè)施蔬菜，種植蔬菜主要為番茄、黃瓜、青椒、茄子及部分特色蔬菜品種。于2011年開始將養(yǎng)豬場沼液沼渣采用漫灌和溝灌結(jié)合的方式部分替代化肥施用，年施用沼液沼渣混合液400～1 500 m3/hm2，平均約600 m3/hm2。試驗地土壤類型為黃棕壤，種植前耕層(0～20 cm)土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量背景值分別為28.5 mg/kg、60.2 mg/kg和22.3 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量9.37 g/kg，pH6.37，電導(dǎo)率0.063 8 ms/cm。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)4個處理，其中處理A：全部施用化肥+常規(guī)灌水量5 000 m3/hm2，化肥用量按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量,常規(guī)施肥量每年根據(jù)種植蔬菜作物由園區(qū)確定，施肥量控制在N∶P2O5∶K2O為500～600∶450～550∶400～500 kg/hm2范圍；處理B：每年施400 m3/hm2沼肥(園區(qū)沼肥最小施用量)+50%常規(guī)化肥施用量+常規(guī)灌水量4 600 m3/hm2；處理C：每年施800 m3/hm2沼肥(園區(qū)沼肥最大施用量的1/2)+50%常規(guī)化肥施用量+灌水量4 200 m3/hm2；處理D：每年施1 600 m3/hm2沼肥(園區(qū)沼肥最大施用量)+50%常規(guī)化肥施用量+灌水量3 400 m3/hm2；考慮灌水量對養(yǎng)分在土壤剖面的影響，每個處理以沼肥用量抵扣相同體積灌水量，保證各處理總灌水量基本相同。

考慮到土壤中養(yǎng)分與鹽分累積與遷移是一個長期過程，故以連續(xù)三年作為一個研究時段，同時考慮到當(dāng)?shù)卣臃什捎昧藴瞎喾绞绞┯?，為減小因沼肥橫滲對相鄰小區(qū)土壤的影響，于2018年3月始，在試驗區(qū)選擇4個面積在400 m2左右、土壤肥力一致的大棚為供試地，分別作為處理A、B、C和D試驗地，每棚用灌溉溝分成3個小區(qū)，分別作為3個重復(fù)。各處理大棚3年中以番茄、黃瓜和青椒輪作，但同一種植季4個大棚中種植相同的蔬菜。施肥時期各處理也均保持一致，不同用量按比例分配。

2020年12月，大棚蔬菜采收結(jié)束后，用取土鉆采集不同處理的土壤剖面土樣 ,四個處理中每小區(qū)選擇3個取樣點(diǎn)分層采集土壤樣品，采樣深度0～100 cm(按每層 20 cm深度取樣)。分層測定土壤中堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率、全銅、全鋅含量，每個處理各采樣點(diǎn)不同土層測定數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值作為最終測定結(jié)果。

1.3 測定項目及方法

不同土層土壤樣品中堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定，有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀-硫酸法消煮，外加熱法測定；速效鉀的含量采用乙酸銨溶液浸提,用AA1700型原子吸收分光光度計測定[11]；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定[12]；全銅和全鋅采用高氯酸—硝酸—?dú)浞嵯? 用AA1700型原子吸收分光光度法測定[13]；電導(dǎo)率用DDS-307型電導(dǎo)率儀測定，m(土)∶V(蒸餾水)=1∶5[14]

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用 Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析、計算和繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤剖面堿解氮累積與遷移的影響

由圖1可以看出，0～20 cm土層中，處理A、B、C和D堿解氮含量分別為82.33 mg/kg、58.87 mg/kg、75.65 mg/kg和125.8 mg/kg,三個沼肥處理B、C和D的堿解氮含量隨著沼肥施用量的增加而增加，處理A的堿解氮含量介于處理C和處理D之間。說明在化肥用量減半的條件下，當(dāng)沼肥施用量達(dá)到800 m3/hm2以上時，0～20 cm土層堿解氮含量與化肥接近，當(dāng)沼肥施用量達(dá)到1 600 m3/hm2以時，土壤剖面堿解氮含量是當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施用化肥0～20 cm土層堿解氮含量的1.53倍。

圖1 不同處理對土壤剖面堿解氮累積與遷移的影響

各處理土壤堿解氮含量均隨著土壤剖面深度的增加而降低，20～100 cm土壤剖面各土層中，處理A、B、C土壤堿解氮含量較為接近，處理D各土層堿解氮含量均高于其它3個處理。20～100 cm土層中，處理D的堿解氮含量是處理A的1.69倍，處理D的土壤堿解氮向土壤剖面深層遷移明顯。

漢江安康段是南水北調(diào)重要的水源涵養(yǎng)地，氮是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的最主要因素之一，水體中氮含量增加，使得水體營養(yǎng)物質(zhì)增加，不利于水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)揮自凈作用。漢江是丹江口水庫總氮負(fù)荷的首要來源，主要原因是居民區(qū)畜禽糞便等污染物，易隨地表徑流沖至河道和農(nóng)田當(dāng)中[15～16]，大量研究認(rèn)為沼液、沼渣部分替代化肥對提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，提高土壤氮素養(yǎng)分，改良土壤性質(zhì)有顯著的效果[17～18]。但對過量施用沼肥引起的土壤氮素累積及其在土壤剖面中遷移進(jìn)而對地下水環(huán)境的影響研究報道相對較少。從研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沼肥年施用量超過800 m3/hm2時，氮素在土壤剖面的累積及向深層遷移進(jìn)而進(jìn)入水體的風(fēng)險顯著加大。

2.2 不同處理對土壤剖面有效磷累積與遷移的影響

從圖2可知，0～20 cm土層中，處理A、B、C和D有效磷含量分別82.33 mg/kg、58.87 mg/kg、65.65 mg/kg和125.76 mg/kg，隨著沼肥施用量的增加，土壤有效磷含量相應(yīng)增加，說明沼肥施用對增加土壤有效磷養(yǎng)分含量有明顯效果。與處理A相比，0～20 cm土層中，處理D的速效磷含量最大，是處理A的1.53倍，處理B和C較低。20～100 cm土層中，隨著深度的加深有效磷含量呈快速下降趨勢，A、B和C三個處理各土層有效磷含量較為接近，處理D各土層均高于另行個處理，處理D的有效磷向深層遷移的趨勢更加明顯。

圖2 不同處理對土壤剖面有效磷累積與遷移的影響

2.3 不同處理對土壤剖面速效鉀累積與遷移量的影響

從圖3可以看出，0～20 cm土層中，處理A、B、C和D的速效鉀含量分別為225.8 mg/kg、147.6 mg/kg、199.6 mg/kg和236.3 mg/kg，隨著沼肥用量的增加，各處理0～20 cm土層中速效鉀含量也相應(yīng)增加。與處理A相比，處理B和C低于處理A，但處理D較處理A高4.7%。20～100 cm土層中，各處理速效鉀含量呈快速下降趨勢，各處理速效含量均表現(xiàn)為處理D>處理A>處理C>處理B。鉀在土壤中向深層遷移也隨著沼肥施用量的增加而增加。

圖3 不同處理對土壤剖面速效鉀累積與遷移的影響

關(guān)于土壤鉀含量累積與遷移對土壤及地下水環(huán)境影響方面的報道尚少，但不合理施用鉀肥會對土壤鉀營養(yǎng)平衡產(chǎn)生不利影響[21], 土壤鉀素含量過高、表觀盈余過多、導(dǎo)致鉀素資源浪費(fèi)[22]，筆者研究中，當(dāng)每年施用沼肥1 600 m3/hm2量替代50%常規(guī)化肥用量三年后，耕層土壤速效鉀含量超過常規(guī)施用化肥，說明沼肥的施用對提高土壤鉀素含量有較顯著效果，此結(jié)果與李文濤、王輝等[23,24]的研究結(jié)果基本一致。

2.4 不同處理對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是衡量土壤肥力的重要標(biāo)志，有機(jī)質(zhì)含量的積累和活化可提高土壤的生產(chǎn)力。從圖4看出，施用沼肥的話個處理B、C和D在0～20 cm土層和20～40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量均高于處理A，且隨著沼肥施用量的增加有機(jī)質(zhì)含量相應(yīng)增加。由于研究區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量背景值較低，小于10 g/kg，而處理D在0～20 cm土層中的有機(jī)質(zhì)含量是處理A的1.66倍，說明大量施用沼肥對增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，培肥地力有明顯效果，但土壤有機(jī)質(zhì)增加速度和幅度明顯低于堿解氮、速效磷和有效鉀，可能與沼液沼渣中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低有關(guān)。

圖4 不同處理對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

沼液中溶解性有機(jī)質(zhì)可與土壤中重金屬離子形成絡(luò)合物，降低植物對重金屬的吸收率[25]，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加有利于促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成[26]，隋好林等[4]采用沼液滴灌番茄試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著沼液施用量的增加，土壤營養(yǎng)得到改善，土壤微生物總量不斷提高，番茄產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)也呈現(xiàn)不斷提高；筆者研究與鄂利鋒等[27]的研究結(jié)果較為相似。但長期施用沼液對土壤微生態(tài)平衡及土壤質(zhì)量存在潛在威脅[28]。說明施用沼肥在增加土壤有機(jī)質(zhì)含量的同時，其對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響不容忽視。

2.5 不同處理對微量營養(yǎng)元素銅和鋅累積量的影響

銅、鋅是作物必需的微量營養(yǎng)元素，過量會對作物產(chǎn)生毒害作用。養(yǎng)豬場為了提生產(chǎn)效益，在飼料中添加了銅、鋅等微量元素，這些元素會超標(biāo)導(dǎo)致糞便中殘留提高[29]。由于豬對飼料中的銅、鋅等元素不能完全吸收，用豬糞生產(chǎn)沼氣產(chǎn)生的沼液沼渣中會殘留一定量的銅和鋅元素，這些沼液沼渣施用在農(nóng)田中會對土壤中銅和鋅的含量產(chǎn)生影響。

2.5.1 不同處理對土壤中全銅含量的影響 從圖5可知，與處理A相比，B、C和D三個處理0～20 cm土層中全銅含量均高于處理A，且隨著沼肥施用量的增加而增加，其中處理D全銅含量達(dá)94.10 mg/kg，是處理A的1.61倍。20～40 cm土層中全銅含量也隨沼肥施用量的增加而增加，但不同處理間的增幅較小。說明增加沼肥用量對土壤全銅含量的影響主要集中在0～20 cm土層中，20 cm以下土層影響較小。

圖5 不同處理對土壤全銅含量的影響

2.5.2 不同處理對土壤中全鋅含量的影響 由圖6可以看出，3個沼肥處理0～20 cm和20～40 cm土層中全鋅含量均高于不施用沼肥處理A，且隨著沼肥用量的增加全鋅含量相應(yīng)增加，B、C和D三個處理0～20 cm土層全鋅含量分別是處理A的1.08、1.22、1.54倍。20～40 cm土層中全鋅含量隨沼肥用量的增加也有較明顯增加，處理D全鋅含量是處理A的1.98倍。沃惜慧等[30]研究認(rèn)為，隨著有機(jī)肥施用年限的增加，土壤鋅污染風(fēng)險隨之增強(qiáng)。過量施用沼肥對土壤鋅污染風(fēng)險也應(yīng)引起重視。

圖6 不同處理對土壤全鋅含量的影響

2.6 不同處理對土壤剖面可溶性鹽累積與遷移量的影響

土體電導(dǎo)率直接反映了土體中污染物的濃度,通過監(jiān)測土體電導(dǎo)率可以監(jiān)測土體的污染程度[31]。鹽分的過度累積會導(dǎo)致土壤鹽漬化，造成土壤發(fā)生次生鹽漬化的主要原因是不合理施肥、種植及管理模式等人為外在因素[32]。從圖7可知，0～20 cm土層和0～20 cm土層土壤電導(dǎo)率均隨著沼肥施用量的增加而增大，各處理電導(dǎo)率大小表現(xiàn)為處理D>處理C>處理A>處理B，處理D0～20 cm土層和0～20 cm土層土壤電導(dǎo)率分別是處理A的1.48倍和1.61倍，說明沼肥施用對增加土壤鹽分含量較化肥更明顯。40 cm以下土層中，三個沼肥處理電層率均高于處理A，從處理B超過處理A可以初步認(rèn)為沼肥施用會增加土壤中鹽分向土壤深層遷移量。

圖7 不同處理對土壤剖面電導(dǎo)率的影響

3 結(jié)論

規(guī)模養(yǎng)豬場廢棄物沼氣化處理是研究區(qū)最主要的技術(shù)措施，產(chǎn)生的沼液和沼渣作為肥料大量應(yīng)用于農(nóng)田或林地，對實現(xiàn)養(yǎng)殖場廢棄物無害化與資源化利用具有很好的作用。由于土地資源的限制，大部分規(guī)模養(yǎng)豬場配套土地資源非常有限，導(dǎo)致各養(yǎng)豬場產(chǎn)生的大量沼液沼渣過量排放于土地中，產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境污染風(fēng)險不容忽視。沼肥的合理施用無疑會對改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤肥力具有積極的作用，筆者研究發(fā)現(xiàn)，隨著沼肥施用量的增加，土壤剖面中堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)能質(zhì)及微量營養(yǎng)元素全銅、全鋅均相應(yīng)增加，這些結(jié)果與前人研究結(jié)果基本一致。

研究還發(fā)現(xiàn)，隨著沼肥施用量的增加，土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分向土壤剖面深層遷移量也相應(yīng)增加，當(dāng)每年沼肥用量超過800 m3/hm2以上時，各養(yǎng)分的累積與遷移量均超過當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)化肥用量，特別是氮、磷元素在耕層累積及向深層遷移均會對當(dāng)?shù)厮w產(chǎn)生富營養(yǎng)化風(fēng)險。過量施用沼肥還會引起土壤剖面中鹽分含量的累積，會引起土壤鹽漬化問題。從本研究結(jié)果看，建議規(guī)模養(yǎng)豬場以沼氣技術(shù)應(yīng)用于處理養(yǎng)豬場廢棄物時，進(jìn)一步加大配套土地面積，將每年沼肥施用量控制在800 m3/hm2以下。