沼液連續(xù)施用時間對茶園土壤性質(zhì)的影響

董越勇，劉銀秀，葉波，金娟，聶新軍，范志斌

(浙江省農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)與能源總站，浙江 杭州 310006)

近年來，隨著我國畜牧業(yè)規(guī)?；B(yǎng)殖水平的提高，大力實施畜禽養(yǎng)殖糞污等廢棄物無害化處理和資源化利用，已成為推進(jìn)畜牧業(yè)綠色發(fā)展，增加畜產(chǎn)品有效供給，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)建設(shè)。畜禽養(yǎng)殖糞污作為一種農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物，具有良好的可生物降解性。建設(shè)發(fā)展農(nóng)村沼氣特別是養(yǎng)殖場規(guī)?；託夤こ蹋瓤衫脜捬醢l(fā)酵工藝合理、有效、集中無害化處理這些畜禽養(yǎng)殖糞污，解決以往散養(yǎng)方式畜禽養(yǎng)殖糞污直接排放帶來的環(huán)境問題，又可以生產(chǎn)沼氣，推進(jìn)農(nóng)村清潔可再生能源開發(fā)利用。同時，沼液作為農(nóng)村沼氣厭氧發(fā)酵的副產(chǎn)物，含有一定量的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等農(nóng)作物生長必需的營養(yǎng)成分和多種氨基酸、腐殖酸、赤霉素、吲哚乙酸、玉米素等生物活性物質(zhì)，可以說是一種速效、清潔、安全的高品質(zhì)肥料，農(nóng)田和園地施用沼液后，通過土壤吸附和植物吸收，可有效消納沼液中的有機(jī)物、氮、磷、鉀等，增加土壤有機(jī)質(zhì)和其他速效養(yǎng)分含量，改善土壤理化性質(zhì)[1-2]，減少化學(xué)肥料用量。經(jīng)過多年的建設(shè)實踐，浙江省現(xiàn)有4 400余處農(nóng)村規(guī)模化沼氣工程，總池容110多萬m3，年設(shè)計處理養(yǎng)殖糞污能力達(dá)到1 000多萬t，年產(chǎn)沼氣9 000多萬m3，折合標(biāo)煤6萬多t，沼氣發(fā)電總裝機(jī)容量1.66萬kW，形成了以農(nóng)村規(guī)?；託夤こ虨榧~帶，以畜牧養(yǎng)殖糞污無害化處理、生態(tài)消納為主要標(biāo)志的“規(guī)?；竽琉B(yǎng)殖—規(guī)模化沼氣工程—綠色農(nóng)產(chǎn)品基地”等多種現(xiàn)代生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，實現(xiàn)了畜禽養(yǎng)殖糞污無害化處理、資源化利用的格局，對促進(jìn)現(xiàn)代生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、品質(zhì)和產(chǎn)量，提高農(nóng)民經(jīng)營效益，改善農(nóng)村人居環(huán)境等都具有積極作用。沼液作為畜禽養(yǎng)殖糞污經(jīng)沼氣工程發(fā)酵后產(chǎn)生的一種副產(chǎn)物，其養(yǎng)分多為速效養(yǎng)分，當(dāng)沼液所提供的養(yǎng)分超過當(dāng)季農(nóng)作物生長所需或遭遇強(qiáng)降雨等突變氣候時，養(yǎng)分容易流失，導(dǎo)致河湖水體的富營養(yǎng)化[3]。畜禽養(yǎng)殖中使用的飼料添加劑含有Zn、Cu等，也可導(dǎo)致土壤中重金屬累積[4-5]。因而長期連續(xù)施用沼液的過程中，農(nóng)田或園地的養(yǎng)分流失和重金屬積累日漸成為關(guān)注的一個熱點[5]。國內(nèi)有關(guān)專家學(xué)者已開展了多年施用沼液對土壤質(zhì)量[5-8]、土壤微生物及酶活性[6,9]及重金屬污染[2,5]等方面的研究，所涉及研究的作物包括水稻、油菜、蔬菜和果樹等。然而，這些研究中沼液施用的年限大多為2～3 a，且所涉及的作物種類也不夠全面。由于茶園大多位于丘陵山坡園地上，茶園通過施用沼液，既為茶樹提供了其生長必需的養(yǎng)分及活性物質(zhì)，又為茶葉生產(chǎn)補(bǔ)充并節(jié)省了大量的灌溉用水，茶園施用沼液已成為生態(tài)消納沼液的最佳途徑與方式之一。綜上，本文擬研究不同年限連續(xù)施用沼液對茶園土壤化學(xué)與生物化學(xué)性質(zhì)的影響，探討不同年限連續(xù)施用沼液后茶園土壤理化性狀和肥力主要指標(biāo)的變化趨勢，評估茶園不同年限連續(xù)施用沼液后土壤N和P的流失風(fēng)險，以期為建立茶樹科學(xué)施用沼液體系、培肥茶園土壤提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地設(shè)在浙江省湖州市吳興區(qū)埭溪鎮(zhèn)茅塢村(30°69′85″N，119°99′58″E)，海拔60 m。試驗地屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，年均氣溫16.3 ℃，年降水量1 304 mm，年無霜期280 d。試驗區(qū)屬低山丘陵區(qū)，母巖為粉砂巖，土壤為紅壤土類，黃紅壤亞類。茶園種植歷史在8 a以上。近年來茶園推廣有機(jī)肥替代化肥技術(shù)，施用沼液替代復(fù)合肥。沼液每年施用量60 t·hm-2，分4次施用，以滴灌形式施入，最長連續(xù)施用時間為4 a。供試沼液養(yǎng)分含量在施用前經(jīng)檢測指標(biāo)分別為pH 6.80、總磷0.4 g·L-1、總氮0.3 g·L-1、總鉀0.8 g·L-1。

1.2 試驗處理與采樣

2020年4月在土壤條件較為一致的茶園選擇4個采樣區(qū)，每個采樣區(qū)均包含沼液施用時間分別為0、2、4 a的地段，共12個采樣地段。每個地段用蛇型法多點釆集0～30 cm的土樣，共采集12個混合土壤樣品，即3個處理4次重復(fù)。土樣釆好后去除大石塊和草本、根系后帶回室內(nèi)分成2份，一份鮮樣冷凍保存，供土壤酶和微生物量碳、氮測定，另一份在通風(fēng)干燥處晾干，并研磨分別過2和0.15 mm篩孔篩子備用，供土壤化學(xué)性質(zhì)的測定。

1.3 土樣分析

土壤分析方法如下：土壤pH的測定在土水比=1∶2.5情況下使用電極法測定；土壤有機(jī)質(zhì)的測定使用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮的測定使用克氏法；土壤水解氮的測定使用擴(kuò)散法；土壤銨態(tài)氮的測定使用靛酚藍(lán)比色法；土壤有效磷的測定使用鹽酸氟化銨浸提，鉬銻抗比色法；土壤速效鉀的測定使用醋酸銨浸提，火焰光度法；土壤全磷的測定使用酸溶鉬銻抗比色法；土壤全鉀的測定使用三酸消解火焰光度法；土壤陽離子交換量(CEC)的測定使用乙酸銨浸提，蒸餾法；電導(dǎo)率的測定使用電導(dǎo)法；土壤微生物量碳、氮的測定使用氯仿熏蒸浸提法[10]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 18.0系統(tǒng)進(jìn)行作圖和方差分析，并采用Duncan′s新復(fù)極差法(LSR)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用沼液年限對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

茶園施用沼液2 a導(dǎo)致茶園土壤pH值顯著降低，但施用沼液4 a處理的土壤pH與不施沼液處理(0 a)的土壤pH值基本接近。施用沼液2 a處理土壤的有機(jī)質(zhì)含量、CEC和電導(dǎo)率均顯著高于不施沼液處理；施用沼液4 a處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量、CEC、電導(dǎo)率分別提高到45.56 g·kg-1、54.1 cmol·kg-1和93.2 μS·cm-1，有機(jī)質(zhì)含量和CEC在施用沼液4和2 a處理間差異不顯著，而電導(dǎo)率在施用沼液4 和2 a處理間差異顯著(表1)。

表1 施用沼液年限對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2 施用沼液年限對土壤養(yǎng)分的影響

從表2的結(jié)果可見，沼液不同施用年限的茶園土壤全氮和全磷均按如下次序遞減：4 a>2 a>0 a(不施沼液)。沼液施用4 a土壤全氮和全磷均比不施沼液處理顯著提高，而土壤全鉀含量反而比不施沼液處理略有下降，但兩者之間無顯著性差異。

表2 施用沼液年限對土壤養(yǎng)分的影響

茶園土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量隨沼液施用年限的變化與土壤全氮和全磷的變化十分相似，茶園施用沼液4 a土壤的堿解氮(127.6 mg·kg-1)、有效磷(59.5 mg·kg-1)、速效鉀(211.5 mg·kg-1)含量均比不施沼液處理顯著提高。茶園施用沼液處理的土壤NH4-N含量比不施沼液處理略有下降，但兩者之間無顯著性差異。

2.3 施用沼液年限對土壤化學(xué)計量比的影響

由表3可見，茶園施用沼液4 a的土壤的C∶N∶P比(18.45∶1.04∶1)低于茶園施用沼液2 a的土壤的C∶N∶P(24.48∶1.23∶1)。茶園施用沼液0 a、2 a、4 a的土壤C∶N分別為19.79、21.17、17.71，其變化的趨勢是先增后降；茶園沼液施用0 a、2 a、4 a的土壤C∶P分別為24.81、20.78、18.45，其變化趨勢為隨施用年限增加而降低；沼液施用0 a、2 a、4 a稻田土壤N∶P比分別為1.24、0.98、1.04，其變化趨勢是先降后增。茶園不同施用年限之間的土壤C∶N、C∶P和N∶P均無顯著性差異。

表3 沼液施用年限對土壤化學(xué)計量比的影響

2.4 施用沼液年限對土壤微生物量碳和微生物量氮含量的影響

從圖1的結(jié)果可見，沼液不同施用年限的茶園土壤MBC和MBN含量均按如下次序遞減：4 a>2 a>0 a。沼液施用4 a土壤MBC和MBN含量均比不施沼液處理顯著提高，但沼液施用4 a處理與0 a處理之間的差異未達(dá)顯著水平。

2.5 土壤MBC和MBN含量與土壤化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系

茶園土壤MBC和MBN含量與土壤化學(xué)性質(zhì)之間的相關(guān)研究顯示(表4)，土壤MBC含量與土壤pH之間呈極顯著的正相關(guān)，但土壤MBN與土壤pH之間無顯著的相關(guān)性；土壤MBC和MBN含量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷含量及CEC之間呈顯著的正相關(guān)；其中土壤MBN含量與堿解氮含量呈極顯著的正相關(guān)；土壤MBC和MBN與土壤速效鉀含量和電導(dǎo)率之間無顯著的相關(guān)性。

柱間無相同英文字母者表示組間差異達(dá)顯著(P<0.05)。圖1 沼液不同施用年限對茶園0～30 cm土層 土壤化學(xué)計量比的影響

表4 MBC和MBN含量與土壤化學(xué)性狀的相關(guān)性分析

3 討論

3.1 長期施用沼液的土壤肥力演變規(guī)律

施用沼液的土壤肥力隨沼液施用年限的增加而逐漸提高[11]。施用沼液對土壤肥力包括土壤酸堿度、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀及速效養(yǎng)分的含量[2,6,11]、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、孔隙度及土壤容重[5]等均有影響。在安康市某養(yǎng)豬場農(nóng)業(yè)園區(qū)設(shè)施菜田土壤施用沼液的試驗顯示[11]，土壤養(yǎng)分隨沼液沼渣施用年限的增加而提高，7 a后施用沼肥后的土壤中有機(jī)質(zhì)(11.9 g·kg-1)、堿解氮(96.1 mg·kg-1)、有效磷(91.5 mg·kg-1)、速效鉀(73.7 mg·kg-1)含量分別比不施沼液處理提高1.3倍、3.4倍、1.5倍、3.3倍。劉向林等[2]在山東省煙臺蓬萊市劉家溝鎮(zhèn)蘋果種植基地的試驗顯示，連續(xù)8 a施用雞糞沼液的0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)(20.4 g·kg-1)、堿解氮(94 mg·kg-1)和速效鉀(314 mg·kg-1)含量低于不施沼液處理，而土壤有效磷含量(50 mg·kg-1)比不施沼液處理提高11.1%。本研究結(jié)果表明，施用沼液4 a處理的土壤有機(jī)質(zhì)(45.56 g·kg-1)、堿解氮(127.6 mg·kg-1)、有效磷(59.5 mg·kg-1)和速效鉀(211.5 mg·kg-1)含量高于不施沼液處理，與上述結(jié)果基本一致。綜上所述，土壤的肥力指標(biāo)不僅與沼液施用年限直接有關(guān)，同時受制于試驗地的土壤肥力狀況、供試的作物種類、所施用沼液的用量和養(yǎng)分含量等多種因素。

3.2 不同沼液施用年限的土壤肥力演變與分級

為了更精準(zhǔn)評定土壤肥力演變趨勢及確定肥力等級，必須對所研究的作物及研究地較近的土壤肥力分級指標(biāo)進(jìn)行評定。因為即使同為茶園，湖南省茶園所制定的土壤速效養(yǎng)分指標(biāo)比杭州市郊的要高得多。根據(jù)文獻(xiàn)[12-13]茶園土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，本研究未施沼液處理土壤pH、有機(jī)質(zhì)和速效鉀達(dá)到高等水平外，其余指標(biāo)均較低，連續(xù)施沼液2 a和4 a處理使全磷和有效磷的等級由極低提升到高等水平，全氮也由極低提高到中等水平。雖然茶園連續(xù)施用沼液4 a與2 a處理的肥力等級同屬高等水平，但各項指標(biāo)數(shù)值前者比后者更高。

當(dāng)各項土壤肥力指標(biāo)超過極限值時，就會產(chǎn)生土壤N、P元素的流失，從而導(dǎo)致周圍水體的富營養(yǎng)化。在紅土丘陵地區(qū)，茶園的N和P流失比稻田更嚴(yán)重[12]。目前茶園土壤還缺乏有關(guān)N和P流失臨界值的相關(guān)研究。因此，可以將不同作物土壤速效氮和磷含量的等級指標(biāo)中屬于高的速效氮和磷含量的下限值作為可能導(dǎo)致土壤N和P流失激增的參考值。茶園的速效氮和速效磷含量超過臨界值越高，其流失的風(fēng)險就越大。本研究茶園連續(xù)施沼液2 a和4 a處理的速效磷含量比臨界值高24.3和39.5 mg·kg-1(表2)，說明土壤P存在較大的流失風(fēng)險。

3.3 連續(xù)施用沼液的土壤N和P流失風(fēng)險評價

應(yīng)用生態(tài)化學(xué)計量學(xué)原理研究生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分限制已有大量的成果。C、N、P是生態(tài)化學(xué)計量學(xué)領(lǐng)域研究的主要對象，而N∶P比值是植物生長養(yǎng)分限制的敏感指數(shù)，常被用于確定養(yǎng)分限制的閾值[14]。當(dāng)土壤C∶N比值<30時，硝酸鹽淋溶風(fēng)險高。中國濕潤溫帶土壤中C∶N為10∶1～12∶1[15]，而本研究茶園連續(xù)施用2 a和4 a沼液的土壤C∶N分別為21.17和17.71(表3)，說明濕潤溫帶土壤和本研究茶園土壤均存在較高的N流失的風(fēng)險。本研究茶園連續(xù)施用2 a和4 a沼液的土壤C∶P和N∶P分別為18.45～20.78和0.98～1.04，兩者均遠(yuǎn)低于全球(186和13.1)[16]和中國土壤(136和9.3)[17]C∶P和N∶P的平均水平。極低的C∶P和N∶P值表明土壤P的大量累積，從而可能導(dǎo)致較大的土壤P流失風(fēng)險。2002—2017年，太湖地區(qū)茶園N投入量增加4.89×106kg·a-1，增幅為71%，P投入量增加53×106kg·a-1，增幅為194%[18-19]，進(jìn)而佐證了本研究茶園土壤N、P可能存在較大流失風(fēng)險的推論。

4 小結(jié)

由于茶園土壤肥力變化、質(zhì)量狀況等是直接受茶園立地條件、成土母質(zhì)、農(nóng)業(yè)氣候、農(nóng)藝措施等因素綜合影響的一個長期演進(jìn)過程。沼液的長年連續(xù)施用，其養(yǎng)分在茶園土壤中的運轉(zhuǎn)與積累或削減也是緩慢作用的過程。應(yīng)組織開展10 a以上的茶園土壤長期定位試驗與動態(tài)監(jiān)測，方可探求長期連續(xù)施用沼液對茶園土壤理化性狀、土壤肥力、地力等級等方面的綜合影響，從而得出比較符合生產(chǎn)實際的科學(xué)結(jié)論，進(jìn)而建立起茶樹科學(xué)施用沼液技術(shù)體系。從本文現(xiàn)有茶園連續(xù)施用沼液4 a后其土壤化學(xué)與生物化學(xué)性質(zhì)影響相關(guān)指標(biāo)差異性的初步評判，土壤肥力等級極低的茶園土壤連續(xù)施用2 a沼液后可達(dá)到高等的肥力等級，連續(xù)施用沼液4 a處理的土壤各項指標(biāo)比不施沼液處理均有顯著性提高，并且從土壤速效養(yǎng)分含量以及化學(xué)計量比的角度顯示，土壤N和P存在較大的流失風(fēng)險。由此，為控制茶園長年連續(xù)施用沼液所造成的養(yǎng)分流失風(fēng)險，提高沼液資源化綜合利用水平，應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)攔截溝渠系統(tǒng)等農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，采取測土配方、肥水管理等綜合農(nóng)藝技術(shù)措施，大力發(fā)展茶園現(xiàn)代生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。在中等、低等土壤肥力水平的茶園施用沼液時，可采取與有機(jī)肥配施、種植綠肥等集成措施，土壤肥力較高茶園施用沼液時應(yīng)適當(dāng)減施、少施。