沼液不同施用年限土壤性質(zhì)差異分析

陳凌霞, 張燕燕, 趙 紅, 張昌愛

(1.浙江科技學(xué)院, 浙江 杭州 310023; 2.泰安市城市管理綜合服務(wù)中心, 山東 泰安 271000; 3.泰安市園林管理處, 山東 泰安 271000)

沼液作為養(yǎng)殖糞污厭氧消化處理后的重要產(chǎn)物,是具有顯著增產(chǎn)效果的有機(jī)肥資源[1-2],因此以沼氣為紐帶的種養(yǎng)循環(huán)生產(chǎn)體系中,沼液還田利用是重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)[3-4]。有關(guān)沼液還田利用方面的研究較多,沼液施用在蔬菜、糧食、水果等多種作物種植中都表現(xiàn)出顯著的增產(chǎn)效果[5-7],同時,沼液還田利用也有利于土壤肥力及土壤質(zhì)量的提升[7-9],并且利用沼液作為有機(jī)肥資源開展替代化肥技術(shù)研究[10-11]也逐步受到重視,因此,隨著沼氣在我國的發(fā)展,沼液還田利用方面的研究已逐步成為研究熱點之一[12-13]。

但由于沼液在具備一定營養(yǎng)成分的同時,也存在鹽分含量較高、成分較為復(fù)雜、還原電位值較低,粘性較高的特點[14-15],因此在沼液還田利用中也需要興利除弊、科學(xué)施用,尤其開展長期施用后對土壤性質(zhì)的影響分析很有必要。要研究沼液長期還田利用的效果,不僅需要長期的定位試驗,也要考慮諸如沼液性質(zhì)變遷、施肥因素、土地種植作物的相對穩(wěn)定等因素,目前由于缺乏較好的試驗條件,沼液長期還田利用,尤其同一地塊不同沼液施用年限方面的研究報道較少。

浙江某生態(tài)牧業(yè)有限公司是一家奶牛養(yǎng)殖企業(yè),自2011年就完善了園區(qū)內(nèi)以沼氣為紐帶的種養(yǎng)循環(huán)生產(chǎn)體系,隨著沼氣工程運行的穩(wěn)定,園區(qū)逐年擴(kuò)大沼液還田利用土地面積,因此在園區(qū)內(nèi)可找到沼液施用年限不同的地塊作為研究對象。文章在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上,試驗選擇1～6年沼液不同還田利用年限的地塊,并且這些地塊具有一致的土壤基底,且均采用“春玉米+夏玉米+包菜”的種植模式,每處理種植面積均不低于30畝,依次為基礎(chǔ)研究了不同沼液施用年限間土壤性質(zhì)的差異,從而為沼液的科學(xué)施用提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

浙江某生態(tài)牧業(yè)有限公司建有4000 m3的大型沼氣工程,以奶牛場牛糞為原料經(jīng)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)的沼液為試材,其具體性狀見表2;以本公司的種植區(qū)作為研究對象,在調(diào)查中勘定的基礎(chǔ)上確定了沼液不同利用年限的5種地塊作為研究分析標(biāo)本,從而分析沼液還田利用不同年限土壤性質(zhì)的差異。這5種地塊分別為: 1) CK處理:未施用沼液地塊; 2)Y1處理,沼液還田利用1年地塊; 3) Y2處理,沼液還田利用2年地塊; 4)Y3處理,沼液還田利用4年地塊; 5)Y4處理,沼液還田利用6年地塊。

試驗區(qū)采用“玉米-玉米-甘藍(lán)”的輪作方式,沼液采用管道和泵體輸送至田間溝灌施用。在每年四月中旬按照每畝20 kg復(fù)合肥(15-15-15)用量施用基肥,然后對土壤采用機(jī)械深耕,耙平后機(jī)械播種。第一茬玉米于7月中下旬全株機(jī)械打碎作青貯飼料,而后直接播種第二茬玉米,于10月上旬收獲作青貯飼料;此后每畝施入30 kg復(fù)合肥(15-15-15)種植甘藍(lán)至12月下旬收獲。土壤類型為壤質(zhì)潮土,試驗前未施用沼液處理土壤基本理化性狀如表1所示。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

沼液采用澆灌溝兌水溝灌,兌水比為1∶1,分別在春玉米苗期、春玉米大喇叭口期、夏玉米苗期、夏玉米收獲后4個時期各澆灌1次,每畝土地沼液周年總用量約合50～60 t。由于奶牛養(yǎng)殖中各季節(jié)沖洗水用量不同,故夏秋季與冬春季節(jié)沼液的營養(yǎng)成分含量有一定差異,其基本理化性狀如表2所示。

表2 沼液理化性質(zhì)

土壤pH值采用1∶5土水比,pHSJ-3F型酸度計電位法測定,植株全氮、磷、鉀采用H2SO4-H2O2消化法處理樣品,凱式定氮法測定氮, 比色法測定磷,火焰光度法測定鉀;土壤可溶性鹽采用1∶5土水比浸提,水浴蒸干稱重法測定,鉀、鈉用火焰光度法測定,鈣、鎂離子用原子吸收分光光度法測定,硫酸根用鉻酸鋇比色法測定[16],沼液的氧化還原電位和pH值采用FIA-4型ORP測定儀原位測定;銨態(tài)氮含量采用稀釋后溶液流動注射儀測定;其他項目均采用常規(guī)分析測定[17]。數(shù)據(jù)采用SAS軟件進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 沼液還田利用對土壤酸堿平衡體系的影響

2.1.1 沼液還田利用對土壤pH值的影響

試驗前未施用沼液處理土壤的pH值為5.53(見表1),而甘藍(lán)種植后變成了5.41(見圖1),因而正常種植狀態(tài)下土壤出現(xiàn)逐步酸化的趨勢,而沼液還田利用后對土壤的pH值有極顯著的影響,未使用沼液地塊的土壤pH值最低,而隨著沼液還田利用年限的增加,土壤pH值持續(xù)升高。與CK處理相比,除了沼液施用1年地塊外,其他處理地塊的土壤pH值提升幅度較大,與對照相比差異均達(dá)到顯著水平;沼液連續(xù)還田利用2年后土壤pH值有了顯著提高,但還田4年與還田2年的土壤pH值差異未達(dá)到顯著水平,同時還田4年與還田6年地塊相比,土壤pH值差異也未達(dá)到顯著水平,這表明隨著沼液還田利用年限的增加,沼液對土壤pH值的擾動作用在下降,因此沼液對土壤pH值的影響具有明顯的緩沖性。已有研究證實沼液還田利用會顯著增加酸性土壤的pH值[18],雖然沼液中的有機(jī)物也會在礦化的過程中產(chǎn)生一定的有機(jī)酸,但沼液本身具有較高pH值,且含有較高含量的陽離子,因此鹽基離子的增加會減緩?fù)寥赖乃峄?。沼液還田利用后對土壤pH值的影響作用不能簡單以升高或下降作為評判,實際上沼液對土壤酸堿平衡的擾動較為復(fù)雜,需要做進(jìn)一步或更深入的研究。

圖1 各處理土壤的pH值

2.1.2 沼液還田利用對土壤交換性酸的影響

交換性酸度說明土壤中交換性鹽基不能飽和,而代替其位置的是交換性氫離子和鋁離子。研究結(jié)果表明(見圖2),土壤添加沼液后,土壤的交換性鋁含量顯著降低,交換性鋁含量在各處理間的大小順序為:CK>Y1>Y2>Y3>Y4。從土壤酸化的角度分析,交換性鋁離子的存在,是土壤潛性酸的主要來源,因而交換性Al3+的存在和增加不是土壤酸化的原因,而是土壤酸化的結(jié)果[19]。因此可以看出,沼液加入土壤后,影響了土壤的酸堿平衡,造成了土壤酸化恢復(fù)。但值得注意的是,沼液還田2～6年間處理土壤的交換性鋁含量沒有顯著性差異,可見土壤的酸度的降低不會無限制延續(xù),一方面土壤酸化難以及時恢復(fù),另一方面可能在于沼液中的有機(jī)物增加了土壤的酸堿緩沖性能,有利于土壤酸堿緩沖體系的穩(wěn)定。

圖2 各處理間土壤交換性氫離子(Ex-H)和交換性鋁離子(Ex-Al)的變化

土壤交換性氫離子含量在不同處理間的大小順序為:CK>Y1>Y2>Y3>Y4,表明隨著沼液施用年限的增加,土壤交換性氫離子含量呈現(xiàn)降低的趨勢,但Y3、Y4和Y2這3個處理之間的差異不顯著。交換性氫離子和交換性鋁離子構(gòu)成了土壤的潛在酸度,反映了土壤進(jìn)一步酸化的趨勢。

土壤交換性氫離子所占交換性酸的比例反映了土壤交換性酸的組成,其值越小表明土壤中鋁的活化越明顯,土壤酸堿平衡的影響可能越劇烈。各處理間交換性氫離子所占交換性酸的比例大小順序為:Y4>Y2>Y3>Y1>CK。因此可以看出沼液的施用不僅提高了土壤pH值,且隨著沼液施用年限的增加土壤酸堿平衡體系越穩(wěn)定。因此沼液還田利用有利于土壤酸堿平衡體系的穩(wěn)定。

2.2 沼液還田利用對土壤中還原性物質(zhì)的影響

土壤的還原性物質(zhì)含量既反映了土壤的氧化還原狀態(tài),也反映各處理對土壤氧化還原體系的影響[20]。如圖3所示,沼液施用土壤的還原性物質(zhì)總量及活性還原物含量都有所增加,表明沼液施入土壤后會使土壤更容易處于嫌氣狀態(tài),土壤的氧化反應(yīng)會受到一定抑制,從而增加了土壤中的還原性物質(zhì)存在的可能。

圖3 各處理間土壤中還原性物質(zhì)(RM)和活性還原物質(zhì)(ARM)含量

活性還原物質(zhì)在各處理間的大小順序與還原性物質(zhì)總量一致,活性還原物所占的比例表現(xiàn)出的趨勢也幾乎與之相近。活性還原物所占比例較低,一般在11.17%～17.61%。

2.3 沼液還田利用對土壤可溶性鹽含量的影響

2.3.1 沼液還田利用對土壤水溶液中陰離子的影響

圖4 各處理土壤的陰離子含量(5∶1水溶液)

土壤中Cl-含量隨著沼液施用年限的的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢,與CK處理相比,其他處理的土壤Cl-含量都有顯著增加,其中Y4處理的土壤Cl-含量增加最大,達(dá)到了50.61%(見圖4)。沼液本身含有較高的鹽分,其中Cl-含量較高,沼液的施用給土壤帶來了大量Cl-,同時由于沼液含有較高成分的可溶性有機(jī)物[21],因而土壤粘滯性、吸附性均有所提高,所以會致使大量Cl-在表層土中滯留。盡管我們還不清楚土壤Cl-含量的提高會帶來哪些影響,但這種現(xiàn)象應(yīng)該引起重視。

2.3.2 沼液還田利用對土壤水溶液中陽離子含量的影響

甘藍(lán)收獲后,在未施用沼液處理中土壤水溶性K+、Na+、Ca2+、Mg2+的含量情況如圖5所示,其中鈣離子含量較高,約占四種陽離子總量的36.78%。

圖5 各處理土壤中水溶性陽離子含量(5∶1水溶液)

圖6 沼液施用對包菜產(chǎn)量及包心率的影響

各處理間土壤水溶性Na+含量變化情況與K+含量變化情況類似,亦呈現(xiàn)隨沼液施用年限延長而升高的現(xiàn)象,且差異除了Y1和 Y2間之外均達(dá)到了顯著水平,甚至Y4處理土壤水溶性Na+含量比CK處理提高了38.09%。沼液本身含有價高含量的Na+,且由于沼液的施用,土壤耕層的蓄水保肥能力得到顯著加強(qiáng)[23],因此K+和Na+在土壤耕層的增加可以理解。

各處理間土壤Ca2+和Mg2+含量高低順序基本一致,均為:CK>Y1>Y2>Y3>Y4?？梢婋S沼液施用年限的延長土壤Ca2+和Mg2+含量呈現(xiàn)逐步下降的趨勢。其原因在于沼液還田利用不僅沒有帶入較高量的離子,也可以通過增加土壤酸度而促進(jìn)這兩種離子的活化,且沼液施用促進(jìn)了植物生長和生物量的增加,必然會促進(jìn)植物對Ca2+和Mg2+的吸收,從而出現(xiàn)累年下降的趨勢。

2.4 沼液還田利用對包菜鮮重及包心重的影響

包菜鮮重和包心重是反映包菜生長的重要指標(biāo)。各處理間包菜鮮重和包心重的大小順序是一致的,均為: Y4>Y3>Y2>Y1>CK (見圖6)。包菜是喜肥作物,大肥大水有利于包菜產(chǎn)量的提高,因此在一致的管理水平下,沼液還田利用能帶來顯著的增產(chǎn)效果。與CK處理相比,Y1、Y2、Y3和Y4處理的鮮重分別增加了9.08%、16.32%、35.57%和49.41%,而包心重分別增加了6.48%、10.79%、20.15%和23.46%。因此在沼液連續(xù)還田利用6年內(nèi),隨沼液還田利用年限的增加,包菜種植中沼液施用表現(xiàn)出穩(wěn)定持續(xù)的增產(chǎn)效果。

包心率反映了包菜生產(chǎn)中成品菜的生產(chǎn)效率,也反映出植株的生長狀況和營養(yǎng)供應(yīng)狀況。試驗中發(fā)現(xiàn),隨著沼液施用年限的增加,包心率呈現(xiàn)下降趨勢,尤其在沼液連續(xù)施用4年之后,包心率下降更為明顯。沼液長期施用造成包菜包心率下降的現(xiàn)象,表明沼液的施用在營養(yǎng)元素協(xié)調(diào)、供肥需肥擬合等方面仍存在不合理的可能。因此沼液還田利用雖然有很好的前景,但也包涵科學(xué)施用的具體內(nèi)容,尤其其他元素配施、施用間歇期、施用后土壤水肥氣熱調(diào)節(jié)等,都必須要經(jīng)過系統(tǒng)研究。

3 結(jié)論

(1)在酸性土壤中沼液還田利用能夠提高了土壤pH值,減緩?fù)寥赖乃峄?且隨著沼液施用年限的增加土壤酸堿平衡體系更加穩(wěn)定。具體表現(xiàn)為隨沼液還田利用年限的增加,土壤pH值顯著提高,交換性氫離子和交換性氯離子含量都有所下降,且交換性氫離子占交換性酸的比例有所提高。

(2)沼液施入土壤后會增加土壤還原性物質(zhì)總量及土壤活性還原性物質(zhì)總量,活性還原物質(zhì)占還原性物質(zhì)總量的比例也有所提高,因此沼液長期還田利用對土壤的氧化還原平衡有明顯的擾動作用。

(4)與CK處理相比,Y1、Y2、Y3和Y4處理的鮮重分別增加了9.08%、16.32%、35.57%和49.41%,而包心重分別增加了6.48%、10.79%、20.15%和23.46%。但包菜的包心率缺隨沼液施用年限的增加而降低。在沼液連續(xù)還田利用6年內(nèi),隨沼液還田利用年限的增加,包菜種植中沼液施用表現(xiàn)出穩(wěn)定持續(xù)的增產(chǎn)效果。