沼液與化肥配施對(duì)水稻生長(zhǎng)及土壤質(zhì)量的影響

魏 飛，李永杰，孫琪瑋，徐曉燕，王小波*

（1.天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300392；2.天津農(nóng)墾渤海農(nóng)業(yè)集團(tuán)有限公司，天津 301800）

0 引 言1

【研究意義】隨著規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)、沼氣工程的發(fā)展，沼液產(chǎn)量日益遞增，目前年產(chǎn)量已超過(guò)16億t。大量沼液如不能合理應(yīng)用，一方面會(huì)造成環(huán)境污染，另一方面則引起資源浪費(fèi)，同時(shí)也制約禽畜養(yǎng)殖業(yè)和沼氣工程的發(fā)展[1]。沼液富含氮磷鉀等植物生長(zhǎng)需要的營(yíng)養(yǎng)元素，其中氮素以氨態(tài)氮為主，還含有有機(jī)質(zhì)、氨基酸、維生素等多種活性物質(zhì)和鋅、鐵、銅、錳、鈣等中微量元素，是一種良好的土壤改良劑和有機(jī)肥料[2]。因此研究沼液合理還田利用，可使養(yǎng)殖業(yè)糞污處理更加效率化和低廉化[3]，同時(shí)減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥施用，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)發(fā)展。

【研究進(jìn)展】歐盟多國(guó)采取沼液貯存后作為肥料利用，實(shí)現(xiàn)沼液的田間消納利用[4]，澳大利亞不但將沼液用于農(nóng)田施肥，而且還施用于草地[5]。我國(guó)也有將沼液還田用于種植大麥、水稻、油菜等作物，侯福銀等[6]研究發(fā)現(xiàn)，沼液施用量為612 t/hm2時(shí)，水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)最好，沼液施用量超過(guò)816 t/hm2時(shí)，水稻產(chǎn)量下降。黃翔等[7]研究發(fā)現(xiàn)，沼液施用可提高水稻產(chǎn)量，施用量300 m3/hm2時(shí)水稻產(chǎn)量最高。李金澄等[8]研究表明，沼液用量為450 t/hm2時(shí)玉米產(chǎn)量最高，過(guò)量施用產(chǎn)量降低。不同作物-土壤系統(tǒng)對(duì)沼液的消納、承載能力不同[9]，即使同一種作物因地域氣候不同對(duì)沼液的最佳用量也不同，不合理施用會(huì)降低土壤質(zhì)量，影響作物生長(zhǎng)[10]。水稻作為我國(guó)最主要的糧食作物之一，2022 年全國(guó)早稻種植面積為475.51 萬(wàn)hm2[11]，將沼液安全合理還田用于水稻種植可消納大量的沼液[12]，促進(jìn)沼液資源化利用。【切入點(diǎn)】沼液還田種植水稻在南方研究較多，在北方結(jié)合當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)施肥模式明確最佳的沼液與化肥配施模式的研究還鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為此，2021—2022年進(jìn)行大田試驗(yàn)，研究不同沼液配合化肥施用對(duì)當(dāng)?shù)厮旧L(zhǎng)及土壤質(zhì)量的影響，以期為沼液在本地區(qū)水稻種植上的合理應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在天津市寶坻區(qū)天津農(nóng)墾小站稻產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司的水稻田（117.55°E，39.69°N）進(jìn)行。試驗(yàn)稻田在2010—2020 年每年種植1 茬水稻，但并未施用過(guò)沼液。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)均有單獨(dú)進(jìn)水口以及排水口，為防止串肥各區(qū)用聚苯乙烯塑料薄膜包裹田埂隔離。試驗(yàn)田土壤為潮土，土質(zhì)為輕質(zhì)黏土。試驗(yàn)田土壤有機(jī)質(zhì)量為24.1 g/kg，堿解氮量、有效磷量、速效鉀量分別為97.08、18.03、231.78 mg/kg，pH 值為7.91，EC值為465.2 μS/cm。

試驗(yàn)品種為津原89，常規(guī)粳稻品種，由天津市原種場(chǎng)選育，該品種產(chǎn)量高、抗病性強(qiáng)，為天津主栽品種。試驗(yàn)沼液采集自天津市寶坻區(qū)某奶牛場(chǎng)。2021 年試驗(yàn)沼液理化性質(zhì)：總氮量、總磷量、總鉀量分別為1 445.05、244.17、939.26 mg/L，pH 值為7.20、EC值為11.89 mS/cm，總固體懸浮物（TS）為15.95 g/L，COD 為12 780.60 mg/L。2022 年試驗(yàn)沼液理化性質(zhì)：總氮量、總磷量、總鉀量分別為1 547.58、295.73、1 028.63 mg/L，pH 值為7.21，EC 值為11.32 mS/cm，總固體懸浮物（TS）為15.90 g/L，COD 為14 593.4 mg/L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021 年5 月—2022 年10 月進(jìn)行，小區(qū)面積為33 m×40 m，以當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)全化肥處理為對(duì)照（CK），設(shè)置了2 種沼液用量（150、300 m3/hm2）、3 種化肥用量（全化肥處理用量的25%、50%、75%）、2種追肥次數(shù)（2次、3次），具體為：T1（150 m3/hm2+25%化肥+3 次追肥）、T2（150 m3/hm2+25%化肥+2 次追肥）、T3（150 m3/hm2+50%化肥+3 次追肥）、T4（150 m3/hm2+50%化肥+2 次追肥）、T5（150 m3/hm2+75%化肥+3 次追肥）、T6（150 m3/hm2+75%化肥+2 次追肥）、T7（300 m3/hm2+25%化肥+3 次追肥）、T8（300 m3/hm2+25%化肥+2 次追肥）、T9（300 m3/hm2+50%化肥+3 次追肥）、T10（300 m3/hm2+50%化肥+2 次追肥）、T11（300 m3/hm2+75%化肥+3 次追肥）、T12（300 m3/hm2+75%化肥+2 次追肥），共計(jì)13 個(gè)處理。具體施肥方案見(jiàn)表1。試驗(yàn)沼液做基肥，在水稻幼苗移栽之前30 d 采用運(yùn)輸車和噴頭均勻噴灑施入，施入沼液后翻耕，翻耕深度為20 cm，基肥復(fù)合肥26-10-12（復(fù)合肥含N 量26%，含P2O5 量10%，含K2O 量12%）在水稻植株移栽之前5 d 施加。試驗(yàn)2次追肥分別作為分蘗肥、穗肥施用，試驗(yàn)3 次追肥分別作為分蘗肥、穗肥、粒肥施用。3 次追肥處理中第1 次、第2 次追施尿素，第3 次追施復(fù)合肥18-18-18（復(fù)合肥含N 量18%，含P2O5量18%，含K2O 量18%），2 次追肥處理每次都追施尿素+復(fù)合肥18-18-18。根據(jù)水稻植株的生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期以及植株生長(zhǎng)狀況施肥。2021年機(jī)器插秧種植時(shí)間為5月17日，收獲時(shí)間為10 月27 日；2022 年機(jī)器插秧種植時(shí)間為5 月15 日，收獲時(shí)間為10 月28 日。

表1 沼液還田試驗(yàn)各處理施肥方案Table 1 Fertilization scheme for experimental treatment of biogas slurry returning to field

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

水稻收獲當(dāng)天，采取網(wǎng)格取樣法在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)取0～20 cm 耕層內(nèi)土壤樣本9 個(gè)點(diǎn)，取樣混合均勻，土壤風(fēng)干后研磨過(guò)篩。水稻全部收獲后，測(cè)產(chǎn)，每個(gè)處理隨機(jī)取樣5 kg，用于稻米品質(zhì)分析。

土壤pH值使用水土比2.5∶1 浸提，pH計(jì)（賽多利斯 PB-30）測(cè)定；電導(dǎo)率使用5∶1 水土比浸提，電導(dǎo)率儀（雷磁DDSJ-308A）測(cè)定；使用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)量；使用堿解擴(kuò)散滴定法測(cè)定土壤堿解氮量；使用碳酸氫鈉提取鉬藍(lán)比色法測(cè)定土壤有效磷量；使用乙酸銨提取火焰光度計(jì)法測(cè)定土壤速效鉀量；使用苯酚鈉比色法測(cè)定脲酶活性；使用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定磷酸酶活性[13]。使用食味分析儀（型號(hào)：RL TA10B2-K，廠家：SATAKE）進(jìn)行食味值測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016 處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制相關(guān)圖表。使用SPSS Statistics 23 進(jìn)行方差分析及多重比較分析。方差分析顯著性水平均為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液配合化肥施用對(duì)稻米產(chǎn)量的影響

不同沼液配合化肥施用對(duì)水稻產(chǎn)量的影響如圖1所示，2021 年T7 處理產(chǎn)量最高，為9.88 t/hm2，T2處理產(chǎn)量最低，為8.0 t/hm2，各處理中T5、T6、T7、T8 處理產(chǎn)量較CK 分別提高了3.0%、4.3%、4.4%、1.7%；與CK 相比，T1、T2、T3、T4、T9、T10、T11、T12 處理產(chǎn)量降低了1.5%～15.8%。在150 m3/hm2沼液處理中，隨著化肥用量增加，水稻產(chǎn)量增加；而在300 m3/hm2沼液處理中，隨著化肥用量增加，水稻產(chǎn)量降低。3 次追肥處理產(chǎn)量都高于2 次追肥處理，增幅為0.2%～7.5%。

圖1 2021—2022 年不同處理水稻產(chǎn)量Fig.1 Rice yield under different treatments from 2021 to 2022

2022 年T3 處理產(chǎn)量最高，為10.4 t/hm2，T2 處理產(chǎn)量最低，為8.5 t/hm2。與CK 相比，T3、T4、T5、T7 處理產(chǎn)量提高了4.9%、2.8%、0.8%、2.8%，而T1、T2、T6、T8、T9、T10、T11、T12 處理產(chǎn)量降低了0.4%～13.8%。3 次追肥處理產(chǎn)量都高于2 次追肥處理，增幅為1.3%～9.5%。

2.2 沼液配合化肥施用對(duì)稻米食味值的影響

不同沼液配合化肥施用對(duì)稻米食味值的影響如圖2 所示，圖中不同小寫(xiě)字母表示同年份各處理間差異顯著（P<0.05），下同。2 a 中都是T2 處理的食味值最高，顯著高于T9、T10、T11、T12 處理，但T2處理與CK 無(wú)顯著差異。2021 年各沼液施肥處理稻米食味值與CK 均無(wú)顯著差異，2022 年各沼液施肥處理中T6、T9、T10、T11、T12 處理都顯著低于CK，較CK 降低了3.0%～4.8%，其余處理與CK 無(wú)顯著差異。整體2 a 試驗(yàn)中隨著沼液和化肥用量增加稻米食味值有降低趨勢(shì)。

圖2 2021—2022 年不同處理稻米食味值Fig.2 Taste value of rice under different treatments from 2021 to 2022

2.3 沼液配合化肥施用對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由表2 可知，2021 年各處理間土壤pH 值無(wú)顯著差異，2022 年僅T11 處理土壤pH 值顯著低于CK，其余處理間無(wú)顯著差異。施用沼液提高了土壤有機(jī)質(zhì)量，150 m3/hm2沼液處理土壤的有機(jī)質(zhì)量較CK 提高了7.1%～23.8%，300 m3/hm2沼液處理土壤有機(jī)質(zhì)量較CK 提高了21.2%～52.4%，化肥用量和追肥次數(shù)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)量無(wú)顯著影響。施用沼液和化肥提高了土壤EC值和堿解氮量、有效磷量、速效鉀量，相同沼液用量下隨著化肥用量的增加，土壤EC值和堿解氮量、有效磷量、速效鉀量提高；相同化肥用量下隨著沼液用量增加，土壤EC值和堿解氮量、有效磷量、速效鉀量提高。各沼液施肥處理中T9、T10、T11、T12 處理土壤EC值、堿解氮量、有效磷量、速效鉀量都顯著高于CK；T1、T2、T3、T4 處理土壤EC值顯著低于CK；T1、T2 處理的堿解氮量、有效磷量、速效鉀量都顯著低于CK；T3、T4 處理的堿解氮量與CK 無(wú)顯著差異，而2021 年T3、T4 處理的有效磷量、速效鉀量與CK 相比無(wú)顯著差異，但在2022 年均顯著高于CK。

表2 不同處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響Table 2 Soil physical and chemical properties under different treatments

2.4 沼液配合化肥施用對(duì)土壤酶活性的影響

由圖3 可知，2021 年在150 m3/hm2沼液處理中土壤脲酶活性隨化肥用量的增加而提高，其中T5、T6 處理顯著高于T3、T4 處理，T4 處理顯著高于T2處理，而在300 m3/hm2沼液處理中，T7、T8、T9、T10、T11、T12 處理間無(wú)顯著差異。150 m3/hm2沼液處理中土壤脲酶活性除T2 處理外都顯著高于CK，而300 m3/hm2沼液各處理與CK 無(wú)顯著差異。相同化肥用量處理中，150 m3/hm2沼液施用量中T4、T5、T6 處理土壤脲酶活性均顯著高于300 m3/hm2沼液施用量中相同化肥用量的T10、T11、T12 處理。2022年T9、T10、T11、T12 處理的脲酶活性都顯著高于其他處理，T1、T2 處理的脲酶活性顯著低于CK，其他處理間無(wú)顯著差異。相同沼液用量下，隨著化肥用量增加土壤磷酸酶活性提高；相同化肥用量下，隨著沼液用量的增加土壤磷酸酶活性也提高。2 a 試驗(yàn)中T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12 處理土壤磷酸酶活性較CK 顯著提高了10.6%～42.4%。

圖3 2021—2022 年不同處理對(duì)土壤酶活性的影響Fig.3 Effect of different treatments on soil enzyme activity from 2021 to 2022

3 討 論

沼液為養(yǎng)殖業(yè)糞污厭氧發(fā)酵而得，其中有機(jī)物、氮、磷、鉀、鋅、鐵、銅、鈣等植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素含量豐富[14]，可作為肥料還田利用。黃旭[15]研究表明，沼液灌溉可以提高稻麥輪作生產(chǎn)中土壤肥力，豐富土壤微生物多樣性，有利于提高作物產(chǎn)量。楊繼昌等[16]研究表明，施用沼液提高了作物對(duì)土壤養(yǎng)分的利用效率，增強(qiáng)了作物抗逆性，改善了作物品質(zhì)。但沼液本身所含養(yǎng)分有限，尤其是氮磷鉀大量元素不能完全滿足作物生長(zhǎng)需求，需要與化肥配合施用[17]。本研究中沼液與化肥配合施用，隨著沼液用量的增加，土壤有機(jī)質(zhì)量提升，隨著沼液和化肥用量比例的增加，土壤堿解氮量、有效磷量、速效鉀量上升，這與楊詩(shī)貴等[18]研究結(jié)論一致。且沼液用量為300 m3/hm2時(shí)，化肥用量達(dá)到傳統(tǒng)施肥量的50%時(shí)，2 a 中土壤堿解氮量、有效磷量、速效鉀量都超過(guò)了CK。

施用沼液可改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，為微生物的繁殖營(yíng)造良好的生存條件，從而提高土壤酶活性[19]。萬(wàn)海文等[20]研究發(fā)現(xiàn)，沼液做追肥施用使土壤的過(guò)氧化氫酶活性、堿性磷酸酶活性和脲酶活性提高。黃繼川等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在稻田連續(xù)施用2 次沼液后土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性比CK 提高了13.0%～31.35%，比常規(guī)施肥處理提高了28.74%～42.11%。本研究中隨著沼液用量和化肥用量增加土壤磷酸酶活性提高，而且當(dāng)沼液用量為150 m3/hm2配合75%化肥和300 m3/hm2的沼液用量處理土壤磷酸酶活性都顯著高于CK。2022 年沼液用量的增加提高了土壤脲酶活性，而2021 年隨沼液用量的增加，土壤脲酶活性降低，可能是因?yàn)?021 年過(guò)量沼液施用影響了部分土壤微生物的性能，而2021—2022 年連續(xù)施用沼液改善了土壤環(huán)境，故2022 年沒(méi)有對(duì)脲酶產(chǎn)生負(fù)面影響。

沼液養(yǎng)分豐富，可增強(qiáng)植物光合速率，促進(jìn)植物器官發(fā)育[22]。適當(dāng)施用沼液對(duì)水稻的生長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)作用，提高水稻的產(chǎn)品和品質(zhì)，但過(guò)量施用沼液會(huì)導(dǎo)致作物出現(xiàn)徒長(zhǎng)的現(xiàn)象，而且在使用不當(dāng)?shù)那闆r下還會(huì)影響根系的發(fā)育，從而使作物的葉片出現(xiàn)發(fā)黃和凋萎等情況，造成作物減產(chǎn)[23]。王康等[24]研究表明，水稻施用沼液總量為210 m3/hm2時(shí)，水稻產(chǎn)量提高22.2%。侯福銀等[6]研究表明，沼液施用量為612 t/hm2時(shí)，對(duì)秈稻產(chǎn)量和品質(zhì)有較大的提升作用，但沼液施用量超過(guò)816 t/hm2時(shí)，秈稻的產(chǎn)量下降。不同研究沼液最大用量不同，這可能與沼液的理化性質(zhì)不一樣有關(guān)，還可能與水稻品種、田間氣候差異等有關(guān)。沼液還田種植水稻時(shí)，必須減少化肥的施用量，防止養(yǎng)分過(guò)量供給[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，沼液和化肥施用不足（150 m3/hm2沼液+25%的化肥）降低了水稻產(chǎn)量，而過(guò)量施用（300 m3/hm2沼液+50%化肥、300 m3/hm2沼液+75%化肥）同樣降低了水稻的產(chǎn)量和食味值，適量的沼液和化肥配合施用：2021 年300 m3/hm2沼液+25%化肥+3 次追肥、150 m3/hm2沼液+75%化肥+2次追肥，2022 年150 m3/hm2沼液+50%化肥+3 次追肥與純化肥處理相比都提高了水稻的產(chǎn)量，而食味值沒(méi)有顯著差異。同時(shí)3 次追肥處理對(duì)水稻增產(chǎn)的效果總體好于2 次追肥處理，說(shuō)明在水稻籽粒成熟期施肥對(duì)于提高水稻的產(chǎn)量具有重要作用。但沼液與化肥配施的最佳用量，與當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件如降水、氣溫等密切相關(guān)，所以在沼液還田利用過(guò)程中應(yīng)根據(jù)種植作物、當(dāng)?shù)貧夂?、沼液特性等條件而確定最佳用量。

在現(xiàn)代的畜牧業(yè)發(fā)展中大量飼料添加劑使用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)中，使得畜禽糞污中殘留有大量的鹽基離子，過(guò)量的沼肥施用會(huì)導(dǎo)致土壤鹽分的累積[26]，對(duì)農(nóng)田土壤造成潛在的污染。本研究中沼液的施用并未產(chǎn)生明顯的鹽分累積效應(yīng)，可能與試驗(yàn)沼液中鹽基離子量較低有關(guān)，需要進(jìn)行進(jìn)一步、更長(zhǎng)時(shí)間的施用驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

1）水稻栽培中沼液施用提高了土壤有機(jī)質(zhì)量，沼液用量越多土壤有機(jī)質(zhì)量越高。隨著沼液用量和化肥用量增加，土壤堿解氮量、有效磷量、速效鉀量、磷酸酶活性、EC值提高，而對(duì)土壤pH 值沒(méi)有顯著影響。

2）適量的沼液和化肥配施可提高水稻產(chǎn)量，而少量或過(guò)量施用沼液和化肥則降低了水稻產(chǎn)量，本試驗(yàn)中300 m3/hm2沼液配合傳統(tǒng)化肥用量50%、75%施用降低了水稻的產(chǎn)量和食味值，150 m3/hm2沼液配合25%化肥用量也降低了水稻的產(chǎn)量。相同沼液化肥用量中3 次追肥處理的增產(chǎn)效果好于2 次追肥處理。

3）推薦150 m3/hm2沼液+50%～75%化肥+3 次追肥為最佳沼液化肥配合施用模式。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突）