沼液還田對土壤及水稻產(chǎn)量影響的研究進(jìn)展

摘要：沼液是一種具有很大應(yīng)用潛力的農(nóng)業(yè)廢棄物資源，可用于調(diào)節(jié)土壤微生物群落，增強(qiáng)作物的養(yǎng)分吸收能力，促進(jìn)植物與土壤的相互作用，從而提高作物產(chǎn)量。使用沼液作為有機(jī)肥施入農(nóng)田符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)和生態(tài)友好型發(fā)展的要求，但目前尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用。本文分析了國內(nèi)外沼液還田的應(yīng)用情況，并討論了沼液的營養(yǎng)成分、對土壤理化性質(zhì)的影響及對水稻產(chǎn)量品質(zhì)的影響，為實(shí)現(xiàn)沼液資源化利用、農(nóng)業(yè)化肥減量和稻田固碳減排的多重互利共贏提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：沼液還田；土壤質(zhì)量；水稻產(chǎn)量

隨著人們生活質(zhì)量的提升，對肉類食品的消費(fèi)需求也日益增長，這一趨勢顯著促進(jìn)了畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[1]，同時(shí)也導(dǎo)致了畜禽養(yǎng)殖糞便的大量增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年中國畜禽糞便排放總量約38億t[2]。目前，我國畜禽養(yǎng)殖糞便資源化利用的方式包括將畜禽糞便進(jìn)行存儲后集中利用、堆肥處理、厭氧消化處理等方法。2016年中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組會議提出要加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化。2018年農(nóng)業(yè)部曾向全國征集到370種生態(tài)農(nóng)業(yè)模式或技術(shù)體系，并選擇了10種生態(tài)農(nóng)業(yè)模式加以推廣，其中就有4種模式與沼氣、沼液、沼渣的“三沼”綜合利用有關(guān)[3]。在相關(guān)政策的推動下，我國的沼氣工程得到了大力發(fā)展，農(nóng)村家用沼氣池?cái)?shù)量也不斷擴(kuò)增。通過沼氣工程對規(guī)?；男笄菁S便進(jìn)行厭氧發(fā)酵集中處理，已成為養(yǎng)殖業(yè)閉環(huán)生產(chǎn)的重要一環(huán)。

1 沼液的養(yǎng)分組成

沼液是畜禽糞便在沼氣池中經(jīng)生物發(fā)酵產(chǎn)生沼氣后的副產(chǎn)物，含有豐富的氮、磷、鉀等大量營養(yǎng)元素和鈉、鈣、鐵、錳、鋅等微量元素[4]，同時(shí)還含有氨基酸、水解酶、維生素、生長素以及抑制病蟲害的物質(zhì)[5]。

但如果未經(jīng)處理直接排放到河流中，會造成水體富營養(yǎng)化?，F(xiàn)有大量研究表明，可以將沼液處理后投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如替代化肥施入農(nóng)田、沼液浸種、生物農(nóng)藥等，以避免沼液直接排放帶來的環(huán)境危害。

但沼液的具體養(yǎng)分含量不可一概而論，原材料類型、濃度、發(fā)酵時(shí)長、發(fā)酵罐類型及其操作狀態(tài)等多個(gè)因素均會顯著影響沼液最終的組成和養(yǎng)分含量。在大量營養(yǎng)元素方面，周健駒等[6]分析了紹興市共43個(gè)沼氣工程的豬糞沼液樣品得出樣品平均總氮、總磷、總鉀質(zhì)量濃度分別為690 mg·L-1、190 mg·L-1、390 mg· L-1；

而呂錦萍等[7]研究了新疆博州地區(qū)豬糞和牛羊糞為發(fā)酵原料的沼液，發(fā)現(xiàn)沼液中總氮、總磷、總鉀質(zhì)量濃度分別為687～705 mg·L-1、43～98 mg·L-1、

417～3 540 mg·L-1。

在有機(jī)物方面，孟慶國等[8]采用氣相色譜法測定了不同沼液中的氨基酸成分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雞糞發(fā)酵沼液中所含氨基酸的種類最多，并且各氨基酸的含量亦較高，而豬糞發(fā)酵沼液的氨基酸種類及含量則較低。沈其林等[9]采用氨基酸分析儀全面測定分析了豬糞發(fā)酵沼液，在其中發(fā)現(xiàn)了17種氨基酸，總含量為

15.7 mg·L-1?；舸溆⒌萚10]確定豬糞發(fā)酵沼液中存在吲哚乙酸、赤霉素、細(xì)胞分裂素3種植物激素，為解釋沼液促進(jìn)作物生長的原理提供了參考。

同時(shí)沼液中的營養(yǎng)成分會隨著儲存時(shí)間的增長而不斷下降。開放儲存50d后，沼液中氮、磷、鉀含量僅剩開始時(shí)的20%，有機(jī)質(zhì)含量則相對穩(wěn)定一些[11]。

2 沼液施用對土壤理化性質(zhì)的影響

施用沼液可以改善農(nóng)田土壤的理化性質(zhì)，這對增加土壤有機(jī)質(zhì)、改善土壤結(jié)構(gòu)和保持土壤肥力有著顯著的積極作用[12]。土壤有機(jī)質(zhì)含量的降低是造成土壤結(jié)構(gòu)惡化和土壤生產(chǎn)力下降的重要原因。富含有機(jī)質(zhì)的沼液使用后可以顯著增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，從而改善土壤結(jié)構(gòu)。例如，牛糞沼液施用后可以將玉米地土壤有機(jī)質(zhì)含量提高31.6%[13]。然而，一些研究將沼液還田后，與對照組相比，對土壤有機(jī)質(zhì)含量沒有顯著影響[14]。這可能是因?yàn)楦缓恼右捍龠M(jìn)了非自養(yǎng)微生物對土壤原有有機(jī)質(zhì)的消耗，從而抵消了沼液施用造成的有機(jī)物的積累。

農(nóng)田中施用沼液可以增強(qiáng)土壤滲透性、保水性和保肥能力，這是化肥所不具備的優(yōu)勢。例如，施用沼液后土壤密度降低了0.18 g·cm-3，而孔隙度提高了9.7%[15]。且隨著沼液施用年限的增加，土壤孔隙度呈上升趨勢[16]。同樣，連續(xù)施用豬場沼液3年后，黃淮海平原的潮土土壤各粒徑團(tuán)聚體總量提高了19.69%[17]。

沼液的施用也可以有效調(diào)節(jié)土壤中各種養(yǎng)分的比例，具有增強(qiáng)作物養(yǎng)分吸收能力、提高作物抗病能力、增加土壤有機(jī)質(zhì)、改善土壤結(jié)構(gòu)等潛力。例如，與對照組相比，施加沼液后土壤速效鉀和有效磷含量分別增加了35.8%和21.1%[13]。而在楊樹林中施用

1 125 m3·hm-2沼液后，土壤總氮增加35.5%，有效磷含量增加62.3%，速效鉀含量增加33.5%[18]。此外，與不添加沼液的對照相比，在相同施氮量條件下，雞糞、豬糞和牛糞發(fā)酵的沼液施加到土壤中均能提高無機(jī)氮、全氮、總磷、速效鉀、pH和電導(dǎo)率。其中豬糞沼液施用對土壤NO3--N含量提高的影響最大，其次是雞糞沼液[19]。

3 沼液施用對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究進(jìn)展

目前，沼液的主要利用方式是將其作為肥料施用到農(nóng)田中。作為一種高效的有機(jī)肥料，沼液富含多種水稻生長必需的營養(yǎng)元素?，F(xiàn)已有大量研究表明，使用沼液作為有機(jī)肥施用稻田不僅能提高水稻產(chǎn)量，還能提升水稻的品質(zhì)。與常規(guī)施肥對比，當(dāng)施用沼液量為11.25～18.75 t·hm-2時(shí)，水稻產(chǎn)量增加了6.78%～9.93%。稻米中蛋白質(zhì)含量和鐵、鎂、錳等礦物元素含量也有顯著增高[4]。但沼液施用量并不是越高越好。侯富銀等[20]設(shè)計(jì)了12個(gè)沼液施用量的處理，試驗(yàn)結(jié)果顯示在沼液施用量為612 t·hm-2時(shí)，水稻增產(chǎn)8.9%。當(dāng)沼液施用量過大時(shí)（超過816 t·hm-2），反而會造成水稻減產(chǎn)。

較高的小穗數(shù)和每穗粒數(shù)是沼液施用后作物產(chǎn)量增加的原因。眾所周知，NH4+-N可以促進(jìn)水稻植株的分蘗[21]。沼液中的NH4+-N由于其溶解狀態(tài)和灌溉施用方式可能更有利于水稻的吸收利用。因此，沼液施用后可以增加水稻小穗數(shù)，從而提高水稻產(chǎn)量。此外，沼液中含有豐富的鋅和鈣。鋅和鈣有利于水稻分蘗、光合作用以提高糧食產(chǎn)量。稻米直鏈淀粉含量是評價(jià)稻米品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。直鏈淀粉含量越低，表明稻米品質(zhì)越高。Ran等[22]施用沼液后，水稻直鏈淀粉含量顯著降低了15%～17%，這意味著施用沼液更有利于提高稻米品質(zhì)。這可能是因?yàn)檎右褐械奈⒘吭匾约拔⑸镝尫诺倪胚嵋宜岷图?xì)胞分裂素等多種生長素促進(jìn)了作物生長和糧食質(zhì)量。

同時(shí)也有學(xué)者[23]認(rèn)為，沼液的施用可以顯著提高稻田土壤中氮、磷、碳含量以及根際微生物的豐度和多樣性，促進(jìn)了水稻根際細(xì)菌和真菌參與氮、磷和碳循環(huán)。特別是在抽穗期和灌漿期，水稻根際溶解磷酸鹽和纖維素分解相關(guān)細(xì)菌（例如Bacillus）和真菌（例如Mortierra）以及氮循環(huán)相關(guān)細(xì)菌（例如Nitrosospeeraceae）的豐度會顯著更高。值得注意的是，在水稻生長過程中，DNRA細(xì)菌的相對豐度增加，反硝化細(xì)菌的相對富集度降低，這可以促進(jìn)沼液低肥力輸入階段NH4+-N的保留和含氮養(yǎng)分的有效性。這可能是沼液施用促進(jìn)水稻根際營養(yǎng)循環(huán)，從而提高水稻產(chǎn)量的原因。

4 結(jié)語

綜上所述，已有大量研究表明沼液對改善土壤肥力和提高農(nóng)作物產(chǎn)量有積極作用。若能將沼液大規(guī)模還田，實(shí)現(xiàn)種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)的有機(jī)結(jié)合，將為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展注入新的活力。但沼液施用尚存在著沼液質(zhì)量不穩(wěn)定、技術(shù)設(shè)備不成熟、異味大、運(yùn)輸存儲困難等問題，如何在解決這些問題的前提下，進(jìn)一步降低沼液施用成本，以提高農(nóng)戶施用積極性，有待學(xué)者們進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1] YANG T，LI F，DU M，et al.Measuring pollutant

emissions of cattle breeding and its spatial-temporal

variation in China[J].Journal of Environmental Management，

2021（299）：113615.

[2] 范建華，金波，顧華兵，等.我國部分地區(qū)畜禽糞污資源化利用現(xiàn)狀調(diào)查[J].中國家禽，2018，40（14）：69-72.

[3] 陳理，趙凱，周宇光，等.我國沼肥施用對作物產(chǎn)量效應(yīng)的Meta分析[J].中國沼氣，2021，39（6）：55-61.

[4] 唐微，伍鈞，孫百曄，等.沼液不同施用量對水稻產(chǎn)量及稻米品質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29（12）：2268-2273.

[5] 蔡愷，張奇，姚莉，等.沼液在水稻生產(chǎn)中的利用[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2023，39（12）：49-53.

[6] 周健駒，金暉，丁少華，等.紹興市豬糞沼液成分特征及其在農(nóng)田的安全利用分析[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022，63（9）：2138-2143.

[7] 呂錦萍，李俊杰，巴哈提古麗，等.博州地區(qū)沼氣池沼液沼渣有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量分析[J].中國沼氣，2008（5）：28-29.

[8] 孟慶國，趙鳳蘭，張聿高，等.氣相色譜法測定沼液中的游離蛋白氨基酸[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，2000（2）：104-105.

[9] 沈其林，單勝道，周健駒，等.豬糞發(fā)酵沼液成分測定與分析[J].中國沼氣，2014，32（3）：83-86.

[10] 霍翠英，吳樹彪，郭建斌，等.豬糞發(fā)酵沼液中植物激素及喹啉酮類成份分析[J].中國沼氣，2011，29（5）：7-10.

[11] 楊子森，程彩虹，張亞強(qiáng)，等.畜禽糞污沼液肥料化利用及優(yōu)化途徑[J].中國畜牧業(yè)，2022（18）：26-27.

[12] M?LLER K.Effects of anaerobic digestion on

soil carbon and nitrogen turnover，N emissions，and soil biological activity.A review[J].Agronomy for sustainable

development，2015（35）：1021-1041.

[13] LIU X，WANG L，WU D，et al.Effects of long-term

application of biogas slurry on soil and products[J].China Biogas，2018，36（2）：87-91.

[14] 李鈺飛，許俊香，劉本生，等.不同來源沼液對土壤微生物群落碳代謝的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)（中英文），2021，29（11）：1921-1930.

[15] 葉旭君，王兆騫，李全勝.以沼氣工程為紐帶的生態(tài)農(nóng)業(yè)工程模式及其效益分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000（2）：93-96.

[16] 郝燕.沼液對葡萄園土壤質(zhì)量和葡萄產(chǎn)量品質(zhì)的影響[D].蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020．

[17] 杜臻杰，樊向陽，吳海卿，等.施用生物質(zhì)炭和豬場沼液對潮土團(tuán)聚體及氮素形態(tài)影響研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2015，34（9）：20-23+27.

[18] 徐莉，周偉，俞元春，等.沼液施用對楊樹林地土壤性質(zhì)及林分生長的影響[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，32（2）：204-207.

[19] LI Y，CHEN Y，LI J，et al.Organic management practices

enhance soil food web biomass and complexity under

greenhouse conditions[J].Applied Soil Ecology，2021（167）：104010.

[20] 侯福銀，陳應(yīng)江，楊智青，等.豬糞沼液對秈稻農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和飼用品質(zhì)的影響[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版），2019，45（3）：325-331.

[21] LI B，LI G，KRONZUCKER H J，et al.Ammonium

stress in Arabidopsis：signaling，genetic loci，and

physiological targets[J].Trends in plant science，2014，19（2）：107-114.

[22] RAN Y，BAI X，LONG Y，et al.Yield and Quality of Rice under the Effects of Digestate Application[J].Agriculture，2022，12（4）：514.

[23] SHI Z，YANG Y，F(xiàn)AN Y，et al.Dynamic responses of

rhizosphere microorganisms to biogas slurry combined with chemical fertilizer application during the whole life cycle

of rice growth[J].Microorganisms，2023，11（7）：1755.