基于Meta分析的沼液施用對作物-土壤系統(tǒng)效應(yīng)的研究

王志剛, 韓 雪, 徐少奇, 魏雨泉, 劉運(yùn)平, 裘 浪, 宋 瀟, 李 偉, 王 婷, 郭立月

(1.北京大北農(nóng)科技集團(tuán)股份有限公司, 北京 100095; 2. 北京東方園林環(huán)境股份有限公司, 北京 100015; 3. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100093; 4.宿州學(xué)院 環(huán)境與測繪工程學(xué)院, 安徽 宿州 234000; 5.中國科學(xué)院植物研究所, 北京 100094)

沼液是作物秸稈和畜禽糞便厭氧發(fā)酵形成的褐色液體,富含氮、磷、鉀、腐殖酸、氨基酸、蛋白質(zhì)是一種水溶性速效液體肥料,有利于改善土壤質(zhì)量、維持土壤結(jié)構(gòu)和提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量[1-5]。隨著畜牧業(yè)迅猛發(fā)展養(yǎng)殖廢棄物逐漸成為農(nóng)村環(huán)境污染的主要來源[6-7]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2015年我國規(guī)模養(yǎng)殖糞污量38.34億噸,其中氮磷含量分別為1229和204.6萬噸,糞尿和廢水的隨意堆放對地表水體造成了嚴(yán)重污染[2]。因此,全面推進(jìn)廢棄物資源化利用是解決養(yǎng)殖污染問題的根本出路[8-9]。廢棄物經(jīng)厭氧發(fā)酵形成沼液對發(fā)展種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)農(nóng)業(yè),以資源環(huán)境承載力為基準(zhǔn)是促進(jìn)種養(yǎng)二元結(jié)構(gòu)優(yōu)化和有機(jī)肥替代種植的技術(shù)要求。2019年以來國家相繼出臺《關(guān)于促進(jìn)畜禽糞污還田利用加強(qiáng)養(yǎng)殖污染治理的指導(dǎo)意見》和《關(guān)于進(jìn)一步明確畜禽糞污還田利用要求強(qiáng)化養(yǎng)殖污染監(jiān)管的通知》支持廢棄物綜合利用成為解決養(yǎng)殖污染問題政策保障[10]。20世紀(jì)90年代我國就開展了糧作、果樹和蔬菜沼液還田研究,例如劉勇[11]等對溫州蜜柑噴施5%沼液平均增產(chǎn)49.03%,果實(shí)可溶性固形物含量增加0.08%;嚴(yán)建輝[12]等發(fā)現(xiàn)柑橘施用沼液增產(chǎn)4.9%,果實(shí)總糖、可溶性固形物含量提高,總酸含量下降;潘紹坤[13]等認(rèn)為萵筍施用沼肥增產(chǎn)3.6%且增加維生素C和粗蛋白含量。因此,施用沼液作物增產(chǎn)提質(zhì)同時改善土壤肥力;例如李金懷[14]等在廣西果園連續(xù)3年施用沼液土壤全氮、全磷和全鉀含量比常規(guī)施肥分別增加6.80%、13.05%和25.04%;曹易繁[15]等在江蘇常熟施用600 m3·hm-2沼液土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別比常規(guī)施肥提高8.9%、4.3%、7.1%和6.5%;楊知書[16]等采用15N豐度法發(fā)現(xiàn)沼液替代化肥N2O總生成量減少27%。此外,沼液中鉻、砷、鎘、鉛、汞等重金屬含量超標(biāo)限制沼液還田[17],2021年出臺《農(nóng)用沼液》標(biāo)準(zhǔn)(GB/T40750—2021)為沼液安全利用提供技術(shù)和政策依據(jù)。前人通過單點(diǎn)試驗(yàn)研究得出的結(jié)論受到區(qū)域條件、土壤類型、作物種類等影響不能全面客觀反映沼液施用效果;因此,通過大數(shù)據(jù)客觀評價(jià)分析作物-土壤系統(tǒng)對沼液施用的響應(yīng)非常必要。目前,沼液施用對作物產(chǎn)量或土壤肥力影響的研究大多從單一試驗(yàn)角度出發(fā),并且基于某些特定試驗(yàn)點(diǎn),研究結(jié)果只能回答特定條件下施用沼液的效果[18-24];本研究擬采用整合分析方法(Meta-analysis)對國內(nèi)外施用沼液獨(dú)立試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。本研究在檢索國內(nèi)外發(fā)表的施用沼液研究基礎(chǔ)上定量分析不同類型作物產(chǎn)量、土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)參數(shù)影響和重金屬累積效應(yīng),并探究施用沼液作物增產(chǎn)和土壤肥力之間的關(guān)系,以期明確沼液施用在不同作物、土壤肥力參數(shù)之間的差異,揭示沼液施用與作物-土壤系統(tǒng)的效應(yīng)關(guān)系,為沼液安全高效科學(xué)使用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

為系統(tǒng)全面揭示沼液施用對作物-土壤系統(tǒng)的影響,本研究數(shù)據(jù)通過中國知網(wǎng)、萬方、維普、Web of Science和Elsevier等數(shù)據(jù)庫獲取,收集1990～2021年發(fā)表的關(guān)于沼液農(nóng)田利用相關(guān)文獻(xiàn),以“沼液、沼肥、液體糞肥、biogas slurry、fermented liquid organic fertilizer、digested effluent、biogas fluid”與“作物產(chǎn)量、作物生產(chǎn)力、crop yield、crop productivity、crop production”與“土壤肥力、土壤質(zhì)量、soil fertility、soil health”等3套關(guān)鍵詞用于文獻(xiàn)檢索。根據(jù)研究目的設(shè)置等氮沼液為試驗(yàn)組(Xt)、等氮化肥為對照組(Xc)分析兩種類型肥料對作物產(chǎn)量和土壤肥力的影響。檢索文獻(xiàn)使用以下標(biāo)準(zhǔn)篩選: 1)研究區(qū)域?yàn)槿蚍秶? 2)同一文獻(xiàn)中每一個獨(dú)立試驗(yàn)均作為一個獨(dú)立研究; 3)同一文獻(xiàn)必須同時包含試驗(yàn)組和對照組且純氮施用量一致; 4)有明確試驗(yàn)處理重復(fù)數(shù)與作物產(chǎn)量和某些土壤肥力參數(shù); 5)所有研究均為大田試驗(yàn); 6)使用0～20 cm表層土壤數(shù)據(jù); 7)試驗(yàn)地點(diǎn)、氣候特征、土壤性狀、沼液成分等信息明確表達(dá); 8)以柱狀圖和折線圖表達(dá)的數(shù)據(jù)采用GetData Graph Digitizer軟件進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換提取。經(jīng)篩選符合條件文獻(xiàn)62篇,獲得有效數(shù)據(jù)591組。如果文獻(xiàn)提供數(shù)據(jù)是均值標(biāo)準(zhǔn)誤,標(biāo)準(zhǔn)差通過公式(1)轉(zhuǎn)換。公式如下:

(1)

式中:SD為標(biāo)準(zhǔn)差,SE為標(biāo)準(zhǔn)誤,n為樣本量。對于標(biāo)準(zhǔn)差和標(biāo)準(zhǔn)誤均缺失的數(shù)據(jù)組,按照Bracken方法估計(jì)缺失的標(biāo)準(zhǔn)差[25]。

1.2 數(shù)據(jù)提取

根據(jù)試驗(yàn)歸納分組得到以下內(nèi)容:作物類型、土壤肥力及重金屬種類具體詳見表1。通過Meta亞組分析考察等氮沼液和等氮化肥兩種類型肥料對作物-土壤系統(tǒng)的影響程度。

表1 研究數(shù)據(jù)分組情況

1.3 數(shù)據(jù)分析

本文采用meta分析方法研究相同施氮量下沼液和化肥兩種肥料對作物產(chǎn)量、土壤肥力及重金屬含量的影響。計(jì)算過程采用Hedges等計(jì)算方法,分析每一組數(shù)據(jù)效應(yīng)值(RR)通過自然對數(shù)轉(zhuǎn)換比較響應(yīng)變量的效應(yīng)大小[26]。RR以試驗(yàn)組(Xt)和對照組(Xc)指標(biāo)平均值比值自然對數(shù)計(jì)算,計(jì)算公式如下:

lnRR=ln(Xt/Xc)=lnXt-lnXc

(2)

式中:RR為響應(yīng)比,Xt和Xc分別為試驗(yàn)組和對照組指標(biāo)平均值。

Meta分析是對各效應(yīng)值加權(quán)計(jì)算,得到總體平均效應(yīng)值lnR++。計(jì)算時,應(yīng)先確定每項(xiàng)獨(dú)立研究方差v和權(quán)重ω,公式如下:

(3)

(4)

(5)

式中:Nt和Nc分別為試驗(yàn)組和對照組樣本量;SDt和SDc分別為試驗(yàn)組和對照組標(biāo)準(zhǔn)差;Xt和Xc分別為試驗(yàn)組和對照組平均值。

為反映效應(yīng)值變異情況,通過公式(6)計(jì)算加權(quán)綜合效應(yīng)值lnRR++95%置信區(qū)間(95%CI)。若未與零點(diǎn)線(x=0)交叉,則表示與對照組相比試驗(yàn)組相關(guān)指標(biāo)影響顯著,反之不顯著;若全部落在負(fù)半軸,表示相關(guān)指標(biāo)有負(fù)效應(yīng),反之正效應(yīng)。RR++標(biāo)準(zhǔn)差SlnRR++通過公式(7)計(jì)算。

95%CI=lnRR++±1.96SlnRR++

(6)

(7)

為表現(xiàn)對作物產(chǎn)量和土壤肥力影響效應(yīng),根據(jù)公式(7)將指標(biāo)lnR++轉(zhuǎn)化為變化率。

E=(elnRR++-1)×100%

(8)

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

整合分析合并計(jì)數(shù)資料響應(yīng)比得出加權(quán)平均響應(yīng),明確試驗(yàn)處理間及各試驗(yàn)結(jié)果是否存在異質(zhì)性,采用Egger test和Nfs進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)。通過異質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果確定分析模型,若分析結(jié)果不顯著(PQ-val>0.05)則試驗(yàn)結(jié)果無顯著差異選用固定效應(yīng)模型;若PQ-val<0.05表明試驗(yàn)結(jié)果差異顯著選用隨機(jī)效應(yīng)模型。本研究統(tǒng)計(jì)結(jié)果經(jīng)卡方檢驗(yàn)p<0.05,因此選用隨機(jī)效應(yīng)模型計(jì)算綜合效應(yīng)值(見表2);根據(jù)95%置信區(qū)間判斷研究結(jié)果顯著性。如果95%CI不與0值重疊且大于(小于)0值表明結(jié)果顯著說明沼液顯著提高(降低)作物產(chǎn)量或土壤肥力參數(shù)。如果95%CI包含0值表明分析結(jié)果不顯著,采用Microsoft Excel 2010記錄數(shù)據(jù)并采用R-studio和Metawin2.1軟件分析,Revman5.4軟件作圖。

表2 綜合效應(yīng)樣本描述性統(tǒng)計(jì)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 作物產(chǎn)量

總體上看,與等氮化肥對照組(Xc)相比,等氮沼液試驗(yàn)組(Xt)對選擇的7種作物綜合增產(chǎn)效應(yīng)7.62%(見圖1)。其中,等氮沼液試驗(yàn)組(Xt)小麥增產(chǎn)最高為16%;同樣地,玉米和番茄均增產(chǎn)14%、油菜產(chǎn)量提高8%(p<0.05)。水稻和黑麥草分別增產(chǎn)1%和2%(p<0.05),茄子產(chǎn)量降低11%(p<0.05);沼液對作物增產(chǎn)貢獻(xiàn)順序?yàn)?小麥>玉米>番茄>油菜>黑麥草>水稻>茄子。在不同氣候類型、土壤類型、沼液施用量、作物種類條件下,沼液對作物生長促進(jìn)作用的顯著性和強(qiáng)度存在差異。與等氮化肥對照組(Xc)相比,施用沼液提供速效氮、磷、鉀等營養(yǎng)被作物直接吸收利用,同時沼液含有90%以上水成分一定程度上滿足了作物關(guān)鍵生育期對水資源需求;因此,沼液提供大量速效養(yǎng)分和水資源是作物增產(chǎn)的主要原因。

圖1 沼液施用作物產(chǎn)量效應(yīng)值注: 圖中淺色小方塊與誤差線分別代表響應(yīng)比和95%置信區(qū)間,若誤差線不經(jīng)過零線,則說明試驗(yàn)組和對照組間差異顯著;括號中數(shù)字表示樣本量。p<0.05表示響應(yīng)比之間具有顯著性差異,下同。

2.2 土壤物理性狀

總體上看,與等氮化肥對照組(Xc)相比,等氮沼液試驗(yàn)組(Xt)對土壤容重、總孔隙度、大團(tuán)聚體含量(>5 mm、5～2 mm、2～1mm和1～0.5mm)具有顯著改善效果(p=0.03)(見圖2);具體地,施用沼液土壤總孔隙度增加14%、容重降低6%,粒徑>5 mm、5～2 mm、2～1mm和1～0.5 mm團(tuán)聚體含量分別增加了12%、10%、10%和20%;粒徑0.5～0.25 mm團(tuán)聚體含量下降10%轉(zhuǎn)化為較大團(tuán)聚體;粒徑<0.053 mm和0.25～0.053 mm團(tuán)聚體含量分別降低2%和5%,同樣地粒徑<0.053 mm團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化為粒徑0.25～0.053 mm和0.5～0.25 mm團(tuán)聚體。沼液為土壤提供更多的腐殖質(zhì)和微生物菌絲及分泌物等膠結(jié)物質(zhì),將較小團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化為較大團(tuán)聚體使土壤顆粒之間毛管孔隙增加;因此,沼液降低土壤容重和增加孔隙度同時促進(jìn)大團(tuán)聚體形成。

圖2 沼液施用土壤物理性狀效應(yīng)值

2.3 土壤化學(xué)性狀

總體上看,與等氮化肥對照組(Xc)相比,等氮沼液試驗(yàn)組(Xt)土壤全鹽量顯著增加9%可能對作物生長和土壤肥力產(chǎn)生不利影響;全氮和有機(jī)質(zhì)含量分別顯著增加8%和20%,土壤速效磷、電導(dǎo)率和陽離子交換量增幅分別為15%、13%和6%(p>0.05);土壤pH值和速效鉀含量分別提高1%和3%(見圖3)。沼液中速效養(yǎng)分持續(xù)提高土壤肥力的同時沼液發(fā)酵過程中尚未被完全分解的纖維素、半纖維素等有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入土壤被分解轉(zhuǎn)化,提高有機(jī)質(zhì)含量;此外,沼液含有大量改善土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)增加土壤保水性和保肥性,為微生物生長提供良好環(huán)境,分解、轉(zhuǎn)化和釋放土壤養(yǎng)分,提升速效養(yǎng)分含量,改善土壤結(jié)構(gòu)根本上為作物創(chuàng)造高產(chǎn)條件。沼液中鹽分含量超標(biāo)未來可以選擇強(qiáng)抗逆性高價(jià)值作物消納沼液,減輕長期沼液灌溉農(nóng)田負(fù)荷緩解農(nóng)田鹽漬化是重要技術(shù)手段。

圖3 沼液施用土壤化學(xué)性狀效應(yīng)值

2.4 土壤生物學(xué)性狀

總體上看,與等氮化肥對照組(Xc)相比,等氮沼液試驗(yàn)組(Xt)土壤微生物碳氮含量分別增加13%和7%、磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性分別提高12%、13%和6%(p<0.05)(見圖4)。土壤香農(nóng)-維納指數(shù)和辛普森指數(shù)分別顯著增加14%和21%,但是對Ace和Chao兩個指數(shù)無顯著影響。土壤微生物量碳氮是土壤養(yǎng)分庫中最活躍的組分,也是植物可利用營養(yǎng)重要來源,沼液施用增加根系生物量和根系分泌物為微生物提供充足碳源。此外,沼液中的銨態(tài)氮短時間內(nèi)可能抑制微生物生長,導(dǎo)致對氮營養(yǎng)利用能力具有差異的微生物生長受到影響可能抑制微生物群落多樣性。

圖4 沼液施用土壤生物性狀效應(yīng)值

2.5 土壤重金屬含量

總體上看,與等氮化肥對照組(Xc)相比,等氮沼液試驗(yàn)組(Xt)土壤銅、鋅和砷含量顯著分別顯著增加10%、18%和11%(p<0.05)(見圖5),長期連續(xù)沼液還田可能導(dǎo)致土壤銅、鋅和砷含量超過《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618—2018)規(guī)定限值要求;同時,土壤鎘、鉻、汞和鉛含量分別增加3%、2%、2%和1%(p>0.05)。長期沼液灌溉土壤銅、鋅、鉛、鎘等重金屬產(chǎn)生累積效應(yīng);重金屬從植物根系進(jìn)入植物體并通過食物鏈威脅人體健康,為降低沼液還田利用重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)和增加安全施用年限,一方面從源頭控制飼料重金屬添加劑投入降低沼液重金屬含量;另外積極向土壤配施生物炭等重金屬鈍化材料尤為必要。

圖5 沼液施用土壤重金屬含量效應(yīng)值

3 討論

3.1 沼液還田對作物產(chǎn)量的影響

本文選擇茄子、玉米、油菜、水稻、黑麥草、番茄和小麥7種作物,主要是基于這7種作物的研究較多且有足夠試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于分析。Meta分析結(jié)果表明沼液施用對作物產(chǎn)量作用總體上表現(xiàn)為顯著提升達(dá)到7.62%(見圖1),本研究結(jié)果與前人得出施用沼液顯著提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)效果的結(jié)論基本一致。例如,王新燕[27]等發(fā)現(xiàn)沼液滴灌顯著提高番茄產(chǎn)量和果實(shí)硬度、維生素和總糖含量,降低爛果率和硝酸鹽含量;安金燕[28]等得出施用沼液降低臍橙果皮厚度,提高糖度同時增加產(chǎn)量;張璘瑋[29]等通過3年連續(xù)定位試驗(yàn)也證實(shí)施用沼液油菜產(chǎn)量比常規(guī)施肥增加38%,同時油菜籽蛋白質(zhì)、含油率等達(dá)到最佳水平。本研究表明合理施用沼液提高作物產(chǎn)量同時替代部分化肥,玉米、油菜、番茄和小麥增產(chǎn)幅度不同但均呈現(xiàn)顯著正效應(yīng)。茄子減產(chǎn)原因可能是試驗(yàn)結(jié)果多數(shù)為大棚種植,土壤累積較多硝酸鹽和棚內(nèi)高溫高濕環(huán)境引起授粉率下降導(dǎo)致,未來應(yīng)進(jìn)行溫室栽培條件下還田效應(yīng)研究。多數(shù)情況下,施用沼液改善土壤環(huán)境促進(jìn)作物發(fā)育,其次沼液提高作物維生素、礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)含量,降低硝酸鹽含量。本研究發(fā)現(xiàn),旱地作物產(chǎn)量增產(chǎn)幅度高于水稻和大棚種植原因可能是旱地土壤較好的有氧環(huán)境加速沼液中氮礦化。

此外,沼液含水量達(dá)到90%以上,施用后一定程度上緩解干旱造成不利影響。沼液中未完全分解有機(jī)物繼續(xù)發(fā)酵持久供應(yīng)養(yǎng)分;提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)同時根本上改善土壤保肥保水能力,促進(jìn)農(nóng)業(yè)循環(huán)可持續(xù)發(fā)展。

3.2 沼液還田對土壤肥力和重金屬含量的影響

本文選擇土壤團(tuán)聚體、容重、總孔隙度、速效養(yǎng)分、pH值、全鹽量、酶活性、微生物碳氮含量、多樣性指數(shù)及銅、鋅等重金屬作為評價(jià)指標(biāo),主要是文獻(xiàn)中對上述指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)研究且試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足分析要求。Meta分析結(jié)果表明沼液施用后土壤全鹽量和重金屬含量具有增加趨勢呈現(xiàn)一定環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),其它土壤指標(biāo)改善作用顯著性和強(qiáng)度呈現(xiàn)正效應(yīng)但因土壤因子和還田條件等不同而產(chǎn)生變化(見圖2～5)。因此,合理使用沼液減少化肥對土壤不良影響對維持土壤肥力與生物活性具有積極效果。結(jié)果表明,施用沼液降低土壤容重、增加孔隙度和細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量改善土壤養(yǎng)分狀況[4,30-31]。沼液增強(qiáng)磷酸酶活性加快有機(jī)磷轉(zhuǎn)化,例如施用沼液增加玉米種植土壤有效磷,增加量1.43～8.47 mg·kg-1[32];李友強(qiáng)[33]和胡福初[34]等發(fā)現(xiàn)沼液增加小麥和果園土壤速效鉀含量。但是,楊樂[35-36]等發(fā)現(xiàn)沼液增加土壤鹽漬化風(fēng)險(xiǎn),本研究也得出相似結(jié)論。

沼液還田土壤容重降低6%與肖洋和孫國鋒[36-37]等發(fā)現(xiàn)沼液降低耕層土壤容重結(jié)論一致;張翠麗[38]等發(fā)現(xiàn)沼液可改善鹽堿土容重,特別是對中度鹽堿土改良效果更優(yōu)。然而對土壤孔隙度的研究結(jié)論,葉旭君[39]等發(fā)現(xiàn)施用沼液土壤孔隙度增加9.7%;肖洋[37]等認(rèn)為沼液對土壤孔隙度無明顯影響;同樣鄭莉[40]等發(fā)現(xiàn)連續(xù)4年施用沼液鹽化潮土孔隙度無變化;但是,本研究土壤孔隙度和容重顯著增加可能與粒徑>0.5 mm較大團(tuán)聚體含量增加關(guān)系密切。例如王國海[41-42]等發(fā)現(xiàn)沼液還田土壤容重降低0.113 g·cm-3,孔隙度增加4.27%,原因是添加有機(jī)物料增加微團(tuán)聚體的團(tuán)聚性能,提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量和增加土壤碳庫儲存并降低土壤緊實(shí)程度。

沼液還田土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性呈現(xiàn)顯著正效應(yīng)與馮丹妮[3]等關(guān)于黃壤水稻土酶活性變化的研究結(jié)果一致;土壤微生物碳氮含量分別增加13%和7%與管濤[43]和周偉[44]等發(fā)現(xiàn)麥田和林場土壤微生物碳氮含量分8%和11%結(jié)果類似。沼液改變土壤真菌細(xì)菌比例和組成,微生物碳氮比3-6細(xì)菌活性最高,碳氮比7-12真菌活性較高[4],因此微生物分泌胞外聚合酶促進(jìn)較大團(tuán)聚體形成具有改善土壤結(jié)構(gòu)促進(jìn)抗旱保墑的作用。施用沼液改善土壤微生物香農(nóng)指數(shù)和辛普森指數(shù);周陽[45]等發(fā)現(xiàn)秸稈沼液配施還田年限越長多樣性指數(shù)越高,可能與沼液提高土壤有機(jī)質(zhì)和速效氮含量促進(jìn)土著微生物生長成為優(yōu)勢種群有一定關(guān)系。

施用沼液土壤銅、鋅和砷含量分別增加10%、18%和11%這與趙奇志[46]等meta分析證實(shí)沼液還田土壤銅、鋅和砷含量提高18.7%、26.3%和20.5%結(jié)果一致,表明沼液是土壤重金屬增加主要來源需要加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管控,防止土壤污染降低微生物活性和破壞群落結(jié)構(gòu)。有報(bào)道[47]表明飼料硫酸銅、鋅含量分別為100～250 mg·kg-1和2000～3000 mg·kg-1,動物吸收后大部分隨糞便排泄增加沼液還田風(fēng)險(xiǎn)。湯逸帆[48]對江蘇濱海稻麥輪作土壤施用沼液0年、3年和5年,結(jié)果表明3年和5年后土壤和作物籽粒銅、鋅、鎘和鉛含量雖未超標(biāo),但0～15 cm水稻季和小麥季土壤銅累積速度分別1.13 mg·kg-1和0.74 mg·kg-1,鋅累積速度分別為每年3.80 mg·kg-1和2.83 mg·kg-1,加速土壤銅和鋅累積速度;Bian[49]等對太湖地區(qū)居民潛在健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)發(fā)現(xiàn)沼液還田是糧食及土壤重金屬積累主要原因;蔬菜和谷物易受到鉛污染超出衛(wèi)生部門規(guī)定允許限量,重金屬通過土壤-根系界面被植物吸收在作物中積累產(chǎn)生嚴(yán)重危害[50]。

本研究應(yīng)用Meta分析定量評價(jià)沼液對作物增產(chǎn)和土壤肥力改善效應(yīng),一定程度上量化沼液對作物-土壤系統(tǒng)貢獻(xiàn)程度和風(fēng)險(xiǎn)閾值。此外,沼液施用效應(yīng)受區(qū)域氣候、土壤類型、降雨量、灌溉方式、施肥制度、還田量等因素交互作用影響本研究并未涉及。但是,本研究對掌握大區(qū)域尺度沼液還田效果具有一定參考價(jià)值。未來應(yīng)針對主要?dú)夂騾^(qū)和作物品種、土壤類型、還田條件及沼液類型開展精準(zhǔn)化沼液還田效應(yīng)分析,推動區(qū)域化種養(yǎng)結(jié)合技術(shù)發(fā)展。

4 結(jié)論

(1)本研究應(yīng)用Meta分析方法定量評價(jià)沼液對作物-土壤系統(tǒng)影響效應(yīng),結(jié)果表明施用沼液作物產(chǎn)量提高7.62%同時對團(tuán)聚體含量、容重、孔隙度、酶活性、微生物碳氮含量和多樣性指數(shù)等產(chǎn)生正效應(yīng),長期沼液還田增加鹽分和重金屬累積風(fēng)險(xiǎn)。

(2)本研究未統(tǒng)計(jì)沼液還田年限對作物-土壤系統(tǒng)影響效應(yīng),重要的是為降低沼液施用重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)和增加安全施用年限,從源頭控制飼料重金屬添加劑降低沼液重金屬含量,積極向土壤中配施生物炭等鈍化材料降低重金屬物質(zhì)的生物有效性。

(3)對沼液直接添加養(yǎng)分、微生物菌劑、生長調(diào)節(jié)劑或與其它產(chǎn)品配合復(fù)配成專用液態(tài)有機(jī)肥料用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),提升沼液產(chǎn)品價(jià)值和優(yōu)化沼液施用技術(shù),研發(fā)高值、功能化產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)沼液多元化利用并建立長期定位試驗(yàn)科學(xué)評估沼液還田效果。