生態(tài)敏感區(qū)HDPE沼液長期還田對(duì)水稻產(chǎn)量及土壤理化的影響

沈云祥馬云浩楊丹宮發(fā)瑩施林林

(1.瑞凱企業(yè)管理服務(wù)(張家港)有限公司，江蘇 張家港 215600；2.蘇州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

前言

伴隨中國養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，綠色友好解決養(yǎng)殖廢棄物成為循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中的重要環(huán)節(jié)，其中養(yǎng)殖廢棄物沼氣化成為我國農(nóng)牧結(jié)合高值利用的重要途徑[1]。各地大量推廣了“畜禽糞污產(chǎn)沼氣發(fā)電，沼渣沼液還田”的綠色綜合種養(yǎng)模式，如“豬-沼-肥-田”模式。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國規(guī)?；B(yǎng)殖場每萬頭生豬存欄需要處理的沼液量就高達(dá)120～180m3，全國每年排放的沼液達(dá)到了2億t，并且仍呈高速增長趨勢(shì)[2]，但如何消納上述天量沼液成為畜牧養(yǎng)殖業(yè)亟待解決的問題。

目前研究認(rèn)為，稻田生態(tài)系統(tǒng)能大量消納沼液，且對(duì)水稻的生長具有正向促進(jìn)作用。姜麗娜等研究指出，稻田可每年安全承載沼液3000t·hm-2，后季稻可在不施氮鉀肥的條件下獲得與全量化肥等價(jià)產(chǎn)量[3]。王子臣等研究表明，稻田大量消納沼液時(shí)，施用量在900t·hm-2條件下能保證水稻增產(chǎn)[4]。同時(shí)，王桂良等的研究表明，沼液替代70%的化學(xué)氮肥能提高水稻產(chǎn)量并改善稻米品質(zhì)[5]?？傮w而言，利用稻田消納沼液正成為沼液農(nóng)田承載的主要技術(shù)模式[5，6]。同時(shí)，沼液作為液態(tài)有機(jī)肥，被認(rèn)為能有效提高土壤肥力。近年的研究認(rèn)為，長期施用沼液能有效提高土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、堿解氮、全鉀、有效鉀、總磷和有效磷含量[6-8]。

但稻田大量消納沼液也存在巨大的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，其中最引人注目的是沼液中殘留重金屬[9]。Tang通過連續(xù)5年的定位試驗(yàn)研究，在每年450t·hm-2沼液施用量條件下，農(nóng)田(稻麥)土壤Cu與Zn含量顯著增加，水稻秸稈和籽粒吸收的Cu和Zn含量隨著沼液施用量增加而顯著提高，同時(shí)5年處理水稻籽粒Cu、Zn、Pb和Cd含量分別為4.24mg·kg-1、33.78mg·kg-1、0.12mg·kg-1和0.035mg·kg-1，仍滿足我國糧食作物安全標(biāo)準(zhǔn)(NY 861-2004)[10]，但不可否認(rèn)的是農(nóng)田土壤長期大量承載沼液持續(xù)提高了土壤重金屬含量，盡管短期內(nèi)仍然不超標(biāo)(GB 15618-2018)，但探討沼液環(huán)境安全施用的年限閾值刻不容緩。

同時(shí)，沼氣工藝技術(shù)持續(xù)發(fā)展，目前正從傳統(tǒng)沼氣工藝向HDPE工藝(黑膜沼氣池工藝)發(fā)展，HDPE工藝具有建造和運(yùn)營成本低、施工簡單、建設(shè)周期短、運(yùn)行安全性高、工藝流程短和維護(hù)方便等特點(diǎn)[11]，但針對(duì)HDPE工藝沼液的稻田承載利用的研究目前尚不多見。尤其重要的是，蘇州市作為工業(yè)強(qiáng)市，農(nóng)業(yè)耕地有限，且處于長江大保護(hù)和太湖保護(hù)的生態(tài)極度敏感區(qū)，若沼液大量無序還田勢(shì)必導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低和土壤養(yǎng)分失衡。為此本研究在蘇州沿江地區(qū)(張家港)開展HDPE沼液長期施用的定位試驗(yàn)，重點(diǎn)研究生態(tài)敏感區(qū)HDPE沼液對(duì)稻田生產(chǎn)力和土壤肥力的影響，為解決本區(qū)域沼液稻田消納提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

田間試驗(yàn)開展于2018—2022年，地點(diǎn)位于蘇州張家港市常陰沙農(nóng)場，位于N31.81°，E120.83°。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，處理分別為不施肥空白(CK)、傳統(tǒng)施肥(NPK)、沼液替代100%氮肥(BS)，每個(gè)處理重復(fù)3次。小區(qū)面積60m2，四周做田埂后用黑膜覆蓋，為防止串肥田埂高度為20cm。小區(qū)具有獨(dú)立進(jìn)排水口和流量計(jì)，沼液通過管道進(jìn)入田塊，并利用流量計(jì)計(jì)量沼液施用量。

試驗(yàn)參考常陰沙地區(qū)水稻季常規(guī)施肥量，施氮20kg·667m-2，施磷3.5kg·667m-2，施鉀8kg·667m-2。氮肥采用尿素(46%N)，磷肥為過磷酸鈣(12%P2O5)，鉀肥為氯化鉀(60%K2O)。其中，NPK處理中35%氮肥作為基肥(移栽前)，35%氮肥分2次作為分蘗肥(移栽后7d和14d)和30%氮肥作為穗肥(拔節(jié)期)；100%磷肥作為基肥；50%鉀肥作為基肥，50%鉀肥作為穗肥。

BS處理中施氮量與NPK處理一致，其中，25%沼液作為基肥，25%沼液分2次作為分蘗肥，25%沼液作為穗肥，25%沼液作為保花肥。BS處理中磷鉀肥施用方式同NPK處理。其中，沼液的N含量為0.08%，P2O5含量0.049%，K2O含量為0.06%，pH為7.55，砷含量為0.3mg·L-1，銅含量為12.5mg·L-1，鋅含量為10.2mg·L-1，鎘含量為0.2mg·L-1，鉻含量為2.3mg·L-1。

水稻品種為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)品種“南粳46”。采用人工移栽方式，株行距為30cm×20cm。除施肥外，其余田間作業(yè)與水稻日常管理參考本地常規(guī)方式。

2022年水稻成熟后測(cè)定水稻實(shí)產(chǎn)。同時(shí)取0～20cm土壤樣品風(fēng)干，磨細(xì)后過10目和100目篩，測(cè)定土壤pH、有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、總鉀、速效磷、速效鉀、堿解氮等[12]。同時(shí)采用ICP-OES法測(cè)定土壤中Cu、Zn、Cr和Cd含量[13]，采用原子熒光法測(cè)定土壤中As含量[14]。

2 統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)收集采用Excel 2010，統(tǒng)計(jì)分析采用Minitab 19。原始數(shù)據(jù)先進(jìn)行方差齊性和正態(tài)性檢驗(yàn)，滿足條件后進(jìn)行方差分析，并在0.05水平上采用LSD法進(jìn)行多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 水稻產(chǎn)量

結(jié)果表明，施用沼液水稻產(chǎn)量顯著高于傳統(tǒng)施肥和無肥處理，見表1，BS處理水稻產(chǎn)量較NPK處理水稻實(shí)產(chǎn)高11.7%，較CK處理水稻實(shí)產(chǎn)高19.0%。分析水稻產(chǎn)量構(gòu)成可知，施用沼液替代化學(xué)氮肥未顯著影響水稻穗數(shù)，但BS處理穗數(shù)必CK處理穗數(shù)高4.9%。施用沼液顯著提升了每穗粒數(shù)，其中BS處理每穗粒數(shù)較NPK和CK處理高7.1%和15.1%。施用沼液有利于提升水稻結(jié)實(shí)率，BS處理結(jié)實(shí)率比NPK處理高4.6%，但與CK處理間無顯著差異。千粒重指標(biāo)在不同處理間較為穩(wěn)定，無顯著差異。

表1 2022年水稻實(shí)產(chǎn)與產(chǎn)量構(gòu)成

3.2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)

研究表明，盡管統(tǒng)計(jì)上仍無顯著差異，但長期施用沼液(2018—2022)可有效提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，見圖1a。BS處理土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到25.2g·kg-1，比NPK和CK處理高8.2%和21.2%。長期施用沼液可顯著提升土壤全氮含量，見圖1b，本研究中BS處理土壤全氮較NPK和CK處理分別提升5%和23.5%。長期施用沼液對(duì)土壤全磷有提升趨勢(shì)，見圖1c，盡管在0.05水平上仍未達(dá)到顯著差異，但BS處理土壤全磷較NPK和CK處理提高2.2%和10.0%。長期施用沼液對(duì)土壤全鉀有提升趨勢(shì)，見圖1d，在0.05水平上仍未達(dá)到顯著差異，但BS處理土壤全鉀較NPK和CK處理提高6.9%和20.3%。

注：圖中誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差，不同小寫字母表示在0.05水平上有顯著差異；下同。圖1 不同處理間土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷和總鉀含量

長期施用沼液顯著提升了土壤銨態(tài)氮含量，見圖2a，BS處理土壤銨態(tài)氮含量較NPK和CK處理提高27.2%和110%。長期施用沼液提升了土壤速效磷含量，見圖2b，但未達(dá)到顯著差異，BS處理土壤速效磷含量較NPK和CK處理提高13.2%和35.3%。長期施用沼液有利于提升土壤速效鉀含量，見圖2c，BS處理土壤速效鉀含量顯著高于CK處理，但與NPK處理間仍無顯著差異，BS處理土壤速效鉀含量較NPK處理提高9.8%。長期施用沼液肥土壤pH值有降低趨勢(shì)，見圖2d，BS處理與NPK處理pH值無變化，但較CK降低0.2個(gè)單位。

圖2 不同處理間土壤銨態(tài)氮、有效磷含量、速效鉀含量和土壤pH值

3.3 土壤重金屬含量

長期施用沼液顯著提高了土壤中砷元素含量，見圖3a，其中BS處理較NPK和CK處理砷含量分別提高85.7%和64.1%，但參考農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618-2018)，所有處理均在安全范圍以內(nèi)(20mg·kg-1)。長期施用沼液顯著提高了土壤中銅元素含量，見圖3b，其中BS處理較NPK和CK處理銅含量分別提高75.7%和78.7%，參考農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)，所有處理均在安全范圍以內(nèi)(100mg·kg-1)。長期施用沼液顯著提高了土壤中鋅元素含量，見圖3c，其中BS處理較NPK和CK處理鋅含量分別提高142.8%和88.3%，參考農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)，所有處理均在安全范圍以內(nèi)(300mg·kg-1)。長期施用沼液未顯著提高了土壤中鎘元素含量，見圖3d，平均Cd含量為0.3mg·kg-1。參考農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)，所有處理均在安全范圍以內(nèi)(0.6mg·kg-1)。長期施用沼液未顯著提高土壤中鉻元素含量，見圖3e，平均Cr含量為57.6mg·kg-1。參考農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)，所有處理均在安全范圍以內(nèi)(250mg·kg-1)。

圖3 不同處理間土壤砷、銅含量、鋅含量、鎘含量和鉻含量

4 討論

沼液作為養(yǎng)殖業(yè)主要廢棄物，含有大量氮磷鉀等養(yǎng)分元素，是優(yōu)質(zhì)的肥料來源，提高了作物產(chǎn)量和土壤質(zhì)量[15]。但為促進(jìn)生豬生長，在生豬養(yǎng)殖過程中常常添加As、Cu和Zn等微量元素[16]。因此，沼液中也含有部分重金屬元素，上述微量元素的添加極大增加了土壤質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)[17]。為科學(xué)合理施用沼液，土壤長期定位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)是主要的研究方法。湯逸帆等的研究表明，連續(xù)施用沼液5年仍然安全可控[18]。但由于土壤組成、農(nóng)業(yè)耕作方式和環(huán)境容忍度等差異，上述結(jié)論并不能推廣，特別是在一些生態(tài)敏感區(qū)。張家港作為長江下游典型的生態(tài)敏感區(qū)，土壤主要為灰潮砂土，土種為黃夾沙土，保肥保水性能差，沼液的大量施用極易引起環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此，定位觀測(cè)沼液的施用具有重要意義。

本研究結(jié)果揭示了在稻季用沼液替代化學(xué)氮肥能顯著提高早熟晚粳產(chǎn)量，與常規(guī)化肥處理相比，主要通過提高每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率進(jìn)行調(diào)控。上述結(jié)果與侯福銀等研究一致[19]。這與沼液中氮元素主要為銨態(tài)氮為主有關(guān)，水稻在關(guān)鍵生育期主要依靠銨態(tài)氮提供氮營養(yǎng)[20]。沼液中磷鉀元素也為水稻促花保花提供了營養(yǎng)基礎(chǔ)。同時(shí)，沼液中含有大量氨基酸和次生代謝產(chǎn)物，為提高水稻的抗逆性提供了基礎(chǔ)[21]。因此，采用沼液替代化學(xué)氮肥可顯著提升長江下游沿江地區(qū)水稻產(chǎn)量。

土壤理化性質(zhì)表明，長期施用沼液可有效提升土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀和陽離子交換量。其中，BS處理的土壤全氮和銨態(tài)氮含量均顯著高于NPK處理，上述結(jié)果與宋德剛等的研究一致[22]。這也與沼液中存在大量的銨態(tài)氮有關(guān)。同時(shí)，由于沼液中含有大量銨態(tài)氮，如何避免由于滲漏、揮發(fā)和徑流導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染值得進(jìn)一步研究[1]?？傮w而言，通過沼液的持續(xù)施用，土壤基礎(chǔ)地力得到有效提升，特別是土壤氮素供給能力。

經(jīng)過5年的連續(xù)施用沼液，土壤中As、Cu和Zn含量顯著增長，但未超過國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618-2018)，Cr和Cd的含量未有顯著變化。上述結(jié)果表明，在沿江灰潮砂土地區(qū)，連續(xù)5年的沼液施用暫不會(huì)對(duì)土壤環(huán)境造成嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。但考慮到沼液中As、Cu和Zn等元素的含量較高，持續(xù)累計(jì)必定會(huì)導(dǎo)致環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，特別是沼液大量長期施用后[9]。因此，從源頭減少或控制As、Cu和Zn一類重金屬的添加是解決沼液農(nóng)田施用的主要途徑。

5 結(jié)論

通過連續(xù)5年的沼液還田試驗(yàn)，沼液100%替代化學(xué)氮肥能顯著提高水稻產(chǎn)量，主要途徑是提供每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率。沼液替代化學(xué)氮肥能顯著提升土壤供氮水平，提高土壤全氮和銨態(tài)氮含量。同時(shí)，沼液替代化學(xué)氮肥能提升土壤有機(jī)質(zhì)、全鉀、速效磷、速效鉀和CEC等。沼液替代化學(xué)氮肥對(duì)土壤中As、Cu和Zn的增加具有顯著貢獻(xiàn)，但對(duì)Cd和Cr無顯著貢獻(xiàn)?？傮w而言，沼液還田可提升水稻產(chǎn)量和土壤質(zhì)量，但也增加了土壤安全風(fēng)險(xiǎn)。未來需要針對(duì)沼液的安全施用進(jìn)一步進(jìn)行研究。