沼液安全利用的總量匹配研究
——以光澤縣山頭村沼液澆灌稻田為例

李小女，葉菁，于麗娜，閆晶，朱惠瓊，羅旭輝

（1.南平市光澤生態(tài)環(huán)境局，福建 光澤 354100；2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/福建紅壤山地農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350000；3.生態(tài)環(huán)境部固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心，北京 100029；4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 生物質(zhì)工程中心，北京 100193）

近年來，我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)已走向中大規(guī)模發(fā)展，畜禽糞便排放也成為影響環(huán)境的突出問題[1]，畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的廢棄物年生產(chǎn)量約為38 億t，利用率不足50%[2]，尤其是大量沼液直排給下游流域帶來嚴(yán)峻的二次污染問題[3]。沼液替代化肥成為重要探索方向，研究表明沼液可用于浸種、防蟲和水稻種植等[4]。但中大規(guī)模應(yīng)用仍存在應(yīng)用量與面積匹配、應(yīng)用時(shí)期與茬口匹配、單一利用與多元利用匹配等問題[5]，這需要根據(jù)縣域?qū)嶋H情況深化研究。

光澤縣土地面積2 240 km2，位于武夷山國家公園西區(qū)，全國無廢城市建設(shè)試點(diǎn)縣，森林覆蓋率81.77%，全縣117 條河流斷面水質(zhì)在Ⅱ類以上，同時(shí)也是養(yǎng)殖大縣，年出欄白羽肉雞2.89 億羽，生豬存欄3.56 萬頭，養(yǎng)殖尾水排放給斷面水質(zhì)帶來巨大壓力。稻田作為人工濕地生態(tài)系統(tǒng),具備綜合凈化能力和自我調(diào)控功能[6]，光澤縣稻田面積195 萬hm2，前人研究表明[7-10]，沼液與化肥合理搭配，能夠提升水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)，籽粒的重金屬含量符合食品中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)，但是其承載容量和方式值得進(jìn)一步深入研究。試驗(yàn)通過不同處理評價(jià)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和氮素利用率，為實(shí)施全縣沼液澆灌稻田提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試水稻品種為野香優(yōu)676，龔建軍[11]等研究表明，野香優(yōu)676 在光澤縣具有較好的適應(yīng)性和較高的產(chǎn)量，是光澤縣種稻主推品種之一。供試驗(yàn)的沼液為來自某農(nóng)戶正常運(yùn)行的豬場沼液，試驗(yàn)前對沼液進(jìn)行基本性質(zhì)測定，結(jié)果見表1。供試驗(yàn)用化肥：基肥為江南豐收復(fù)合肥（13∶5∶7），分蘗肥為金土地復(fù)合肥（15∶15∶15）。試驗(yàn)地位于光澤縣寨里鎮(zhèn)山頭村，海拔450 m 左右，試驗(yàn)土壤為砂質(zhì)土，試驗(yàn)地前茬為育秧田。

表1 豬場沼液基本性質(zhì) mg/kg

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)有10 組處理，其中包括1 組常規(guī)施肥，1 組不施肥、8 組化肥和沼液共同施用，施肥方式與氮投入水平見表2。2021 年6 月12 日對優(yōu)質(zhì)稻進(jìn)行移栽，在移栽前20 天對稻田實(shí)施不同沼液處理（其中化肥在6 月11 日施用），在分蘗期2021 年7 月14—15 日實(shí)施不同沼液處理，2021 年9 月29 日測產(chǎn)。所有處理除沼液灌溉量不同外，其他管理措施均按當(dāng)?shù)匾话戕r(nóng)田管理方式進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為2020—2021 年。

表2 沼液替代化肥的水稻栽培試驗(yàn)設(shè)計(jì) kg/hm2

1.3 觀測項(xiàng)目與方法

水稻成熟期農(nóng)藝性狀采用常規(guī)方法，沼液總氮濃度測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[12]；稻稈、稻谷氮含量測定采用凱氏定氮法[13]；稻米品質(zhì)參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 17891—1999 優(yōu)質(zhì)稻谷》測定精米率、整精米率、堊白度、食味評分等品質(zhì)性狀[14]；郝社鋒等[14]的研究表明水稻對土壤中的等重金屬具有吸收特性，試驗(yàn)重點(diǎn)分析稻米中Cr、As、Cd、Hg和Pb 等重金屬[16，17]，Cd、Pb 采用原子吸收光譜法檢測[18]，As、Hg 采用原子熒光光譜法[19]，Cr 采用紫外分光光度法。

氮素利用率=（施肥處理水稻氮素吸收量-無氮投入水稻氮素吸收量）/氮素投入量×100%[20]

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理的水稻產(chǎn)量與稻稈產(chǎn)量

試驗(yàn)10 組處理的干谷產(chǎn)量達(dá)6 594～9 409 kg/hm2，平均產(chǎn)量為8 141 kg/hm2，對照處理1 條件下干谷產(chǎn)量達(dá)7 991 kg/hm2，試驗(yàn)結(jié)果總體達(dá)到地方生產(chǎn)一線的實(shí)際水平，合理組合化肥、沼液用量能較好提高水稻產(chǎn)量[21]。其中以處理8 的稻谷產(chǎn)量最高，達(dá)9 409 kg/hm2，高于處理1 稻谷產(chǎn)量高17.8%。處理3 的稻稈產(chǎn)量最高9 251 kg/hm2，稻谷產(chǎn)量達(dá)9 091 kg/hm2。試驗(yàn)結(jié)果表明稻桿產(chǎn)量與稻谷產(chǎn)量趨勢基本一致，詳見表3。

表3 不同處理水稻稻谷產(chǎn)量 kg/hm2

2.2 不同處理的氮素利用率

我國早期稻田施用化肥基本為氮肥，隨著氮肥施用比率的上升，水稻產(chǎn)量并未隨著大幅度提升，主要原因在于水稻氮素利用率并未隨著氮肥的增加而提升[22-26]，同時(shí)過高氮素投入還會(huì)增加氮素流失引起的面源污染風(fēng)險(xiǎn)[27]。為了進(jìn)一步研究試驗(yàn)不同處理的水稻氮素利用率，對水稻氮素投入、氮素吸收、稻谷氮素和稻桿氮素等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，以氮素為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，對不同處理的氮素利用率進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明（表4）：處理9 的氮素利用率最高，達(dá)到32.57%，處理2 的氮素利用率最低，為-5.32%，各處理氮素利用率無明顯規(guī)律。

表4 不同處理水稻栽培的氮素利用率 kg/hm2

2.3 不同處理對稻米品質(zhì)的影響

試驗(yàn)中不同處理下稻谷的品質(zhì)分析[28，29]如表5 所示：其中處理2、處理3、處理4 的整精米率分別為61.27%、61.05%、61.01%，略高于處理1。試驗(yàn)中施用沼液的試驗(yàn)組稻米蛋白質(zhì)含量稍優(yōu)于處理1，表明使用沼液能增加稻米中的營養(yǎng)價(jià)值。各處理稻米的堊白度一致，直鏈淀粉含量、脂肪酸值、食味評分與處理1 相比無顯著差異，處理2 的食味評分最高分。

表5 不同處理對稻米品質(zhì)的影響

2.4 不同處理的稻米重金屬含量

沼液中除了含有大量營養(yǎng)物質(zhì)和活性物質(zhì)外，由于礦物質(zhì)和飼料添加劑的普遍使用同時(shí)也含有諸多重金屬[30-32]，沼液中重金屬對環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的潛在危害需要重點(diǎn)關(guān)注。試驗(yàn)對不同處理的水稻中重金屬含量進(jìn)行分析[33-35]。結(jié)果表明與處理1 相比施用不同沼液處理方式下稻米的Cr、Pb 含量差異較小，As、Hg 含量有所提高。試驗(yàn)結(jié)果表明（表6），盡管各處理稻米的重金屬含量有所差異，但無顯著差異且總體含量較小，符合《中國食品中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 2762—2017）[36]，均在安全水平。

表6 不同處理的稻米重金屬含量 mg/kg

3 討論與結(jié)論

試驗(yàn)表明，施用沼液處理對稻米營養(yǎng)成分稍有提高，但稻米品質(zhì)總體而言差異不大；各種處理后稻米的重金屬含量雖有所差異，但與處理1 常規(guī)施肥相比無顯著差異，且均在安全水平；不同試驗(yàn)水稻產(chǎn)量總體達(dá)到地方生產(chǎn)一線的實(shí)際水平；不同處理氮素利用率無明顯規(guī)律，但過高氮素投入并沒提高水稻產(chǎn)量，這與前人研究結(jié)果一致。針對目前的研究結(jié)果，在單季作物種植期內(nèi)，稻米品質(zhì)、土壤重金屬等約束條件對沼液施灌量的響應(yīng)規(guī)律并不明顯,只能根據(jù)現(xiàn)有條件對沼液施灌量做出判斷，設(shè)置產(chǎn)量安全為約束條件的最大施灌量，以及不至于產(chǎn)生鹽害的約束條件下所能承載的最大沼液施灌量[37]。試驗(yàn)施用沼液處理中，綜合考慮沼液施灌到稻田的效果，提出最優(yōu)方案，在沼液免費(fèi)灌溉的前提下光澤縣實(shí)際推廣沼液澆灌水稻安全利用總量匹配宜選用處理3（基肥50%化肥+100%沼液，分蘗肥100%沼液）組合，不僅能有效提高水稻產(chǎn)量，還能起到消納沼液和節(jié)本增效雙重效果。

借鑒前人研究[38-39]并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際對沼液還田負(fù)荷分析，結(jié)果表明：此組合可消納沼液（純氮）153 kg/hm2，光澤縣稻田面積8 667 hm2，扣除煙后稻田面積1 667 hm2（不宜施用沼液），其余水稻面積7 000 hm2，可消納沼液（純氮）107.1 t。根據(jù)《畜禽糞污土地承載力測算指南》[40]，單位豬當(dāng)量氮養(yǎng)分供給量為11.0 kg，光澤縣水稻田可以承載9.74 萬個(gè)豬當(dāng)量，承載力為光澤縣生豬達(dá)產(chǎn)養(yǎng)殖負(fù)荷的136.8%。