沼肥施用對油菜生長及土壤環境影響研究

宋麗芬， 孫麗英， 邵 蕾， 吳樹彪， 董仁杰,， 王德冰， 楊鵬飛

(1.中國農業大學煙臺研究院， 山東 煙臺 264670； 2.小麥玉米國家工程實驗室， 濟南 250000； 3.農業部農業生態與資源保護總站， 北京 100125； 4.中國農業大學工學院， 北京 100083； 5.煙臺市牟平區畜牧獸醫局， 山東 煙臺 264100)

沼肥施用對油菜生長及土壤環境影響研究

宋麗芬1,2， 孫麗英3， 邵 蕾1， 吳樹彪4， 董仁杰1,4， 王德冰5， 楊鵬飛1

(1.中國農業大學煙臺研究院， 山東 煙臺 264670； 2.小麥玉米國家工程實驗室， 濟南 250000； 3.農業部農業生態與資源保護總站， 北京 100125； 4.中國農業大學工學院， 北京 100083； 5.煙臺市牟平區畜牧獸醫局， 山東 煙臺 264100)

試驗通過研究雞糞沼液在大田油菜上的應用，探討沼肥施用對油菜生長及土壤環境的影響，為沼液的合理、安全應用提供技術指導。結果表明，純沼肥處理(ZF)的產量低于常規施肥處理(HF+YJ)，沼肥與化肥配施處理(ZF+HF)的產量與常規施肥處理差異不顯著；相對于常規施肥，施用沼肥與有機肥提高了油菜的Vc含量，降低了硝酸鹽含量；施用沼肥和有機肥后，在整個試驗周期內土壤速效養分含量穩定或逐漸上升，而化肥表現為施肥后最高，然后迅速下降；施用沼肥和有機肥提高了土壤的pH值和有機質；施用沼肥的處理(ZF和ZF+HF)土壤鉛、鉻、砷、鎘含量顯著高于對照CK處理，且油菜中檢測含鉻，但重金屬含量都未超過國標。相對于常規施肥，沼肥與化肥配施減少了肥料投入，增加了經濟效益。

沼肥； 油菜； 重金屬

隨著種植業和養殖業的集約化和規模化發展，沼氣工程成為有機廢棄物循環利用的重要環節[1-2]。沼肥的及時消納是制約沼氣工程發展的限制性因素。因沼氣工程的原料、投料量、含固率等不同，沼肥的養分、重金屬含量、pH值等性質也不同[3-4]；不同作物的需肥規律和需肥量各不相同。已有的研究表明，不同原料的沼肥應用于不同的作物，其效果不同：丁仁杰[5]等的研究表明，施入雞糞沼肥與單施化肥番茄產量無顯著差異；吳華山[6]等研究表明，施用豬糞沼液玉米的產量低于施用化肥；趙鳳蓮[7]等研究表明施用雞糞沼肥比施用牛糞沼肥處理的油菜產量平均高出約25%。因此，要根據作物的品種和沼肥的性質確定沼肥的施用量與施用模式。

上海青油菜(簡稱油菜)屬于十字花科蕓薹屬蕓薹種白菜亞種，從播種到收獲50～60 d。油菜屬于易于富集硝酸鹽的葉菜類，其生長期短，養分需求量大而且集中。常規施肥以化肥為主，施肥后氮素大量累積在土壤中，造成油菜硝酸鹽超標[8]。有機肥中的養分為緩效養分，需要經過礦化才能釋放；沼肥的養分屬于速緩兼有。肥料養分的釋放速率決定了土壤養分供應量。本試驗通過油菜的田間試驗，衡量沼肥、有機肥和化肥養分釋放的速率及對作物產量與品質的影響，為沼肥的施用方法提供參考依據。

沼肥中重金屬的含量、沼肥施用對土壤和植物重金屬的累積已有相關研究[9]。然而，不同來源的沼肥重金屬含量不同，因此有必要對不同來源沼肥的施用進行土壤和植物的重金屬安全性評價。山東民和生物科技股份有限公司以雞糞為原料年產沼液約20萬m3，自2009年以來無償供給周圍的農田施用，但沼液對土壤和植物的影響目前還沒有系統評價。本項目以民和雞糞沼液為研究對象，探究沼液部分替代化肥和有機肥的可行性，為生長期短的油菜提供養分、為土壤提供有機質；通過評價土壤中速效養分的變化，對比化肥、有機肥、沼肥的養分釋放速度；通過測定土壤和植物重金屬的累積進行安全評價，為沼肥的合理、安全施用提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在中國農業大學煙臺研究院試驗基地進行。供試土壤為棕壤，其理化性質如下：有機質0.54%，堿解氮42.21 mg·kg-1，速效磷34.02 mg·kg-1，速效鉀30.78 mg·kg-1，pH值6.56。

沼肥：山東民和生物科技股份有限公司養雞場不經過固液分離的沼液(0.57-0.078-0.25)。

供試作物：上海青油菜(煙臺市種子公司購買)

有機肥：市售(2.63-1.04-1.55)，有機質45%，含水量30%，pH值7.07。

化肥：尿素(46-0-0)，磷酸一銨(11-44-0)，硫酸鉀(0-0-50)，磷酸二氫鉀(0-52-34)

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗方案

根據農業部發布的《2016年春季主要農作物科學施肥技術指導意見》，參照當地菜農的施肥習慣，本試驗確定油菜種植常規施肥量為：氮肥(N)16.5 kg·667 m-2，磷肥(P2O5)8 kg·667 m-2，鉀肥(K2O)13 kg·667 m-2，基施商品化有機肥200 kg·667 m-2。試驗方案見表1。

表1 試驗設計 (kg·667 m-2)

注：1)HF表示化肥，YJ表示有機肥，ZF表示沼肥；2)有機肥含水量30%，在計算有機肥施用量時要扣除水分。

具體施肥方法如下：

化肥+有機肥(HF+YJ)處理：所有的磷鉀肥、有機肥與60%氮肥基施，40%氮肥播種后30 d施用。

化肥(HF)處理：所有的磷鉀肥與60%氮肥基施，40%氮肥播種后30 d施用。

有機肥(YJ)處理：全部基施。

沼肥(ZF)處理：播種前將沼液全部施在小區內，然后翻地，播種。

有機肥+化肥(YJ+HF)：全部基施。

50%沼液+50%化肥(ZF+HF)：全部基施。

參考當地菜農春季種植上海青油菜的時期，試驗于4月22日施肥、播種，5月22日追肥，6月23日試驗結束，試驗時間62 d。

試驗采用隨機區組設計，每處理3次重復。小區規格5.0 m×1.5 m(7.5 m2)，油菜的行距20 cm，株距20 cm，每個小區3行，每行25株。穴播，每穴3粒種子，深度2～3 cm。播種后15 d間苗，每穴一株。

1.2.2 樣品的采集與測定

試驗定期采集土壤樣品分析沼肥施用對土壤的影響；試驗結束后采集植物樣品測定品質指標。

表2 施肥方案 (kg·667 m-2)

土壤樣品采用3點法在小區采集0～20 cm土樣，分別于播種后7 d(4月29日)，20 d(5月12日)，36 d(5月28日)，62 d(6月23日)采集。采樣后放置于陰涼處風干。然后分別測定速效氮、速效磷、速效鉀、全氮、有機質和pH值。其中速效氮采用堿解擴散法測定、速效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗顯色法測定、速效鉀采用醋酸銨提取-火焰分光光度計法測定。全氮采用凱氏定氮法測定，有機質采用重鉻酸鉀-硫酸外氧化法測定，pH值采用水溶-酸度計法測定。

試驗結束后，將油菜地上部分洗凈后置于烘箱中105℃殺青15 min，60℃恒溫烘干，粉碎過0.25 mm篩后，測定植物樣品中的全氮、全磷、全鉀。具體方法為采用濃硫酸-雙氧水聯合消煮，全氮測定采用半微量蒸餾法，全磷測定采用鉬銻抗比色法，全鉀測定采用火焰光度法。收獲時采樣測定油菜的品質指標(Vc、亞硝酸鹽)、葉綠素含量(丙酮浸提法)。

試驗結束后，采集土壤和植株樣品測定As，Hg，Cr，Cd，Pb含量。

1.2.3 數據分析

樣品測定數據采用Excel和SAS程序軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 沼肥施用對油菜產量與品質的影響

產量與品質是評價沼肥施用可行性的最重要指標。由表3可以看出以化肥為主的施肥處理(HF和HF+YJ)產量高于以沼肥為主的處理(ZF和ZF+HF)，以有機肥為主的處理(YJ和YJ+HF)產量最低。氮磷鉀施用量相同的HF+YJ，HF，ZF+HF，YJ+HF4個處理，相對于CK處理的增產率為75.67%，80.72%，56.46%，70.30%。

植物體內的Vc含量是評價其營養價值的重要指標。ZF+HF、YJ+HF處理的Vc含量最高，其次為ZF，YJ和HF+YJ，純施用化肥的HF處理最低。李勝利等的試驗也證明了沼液可提高生菜和小白菜的Vc含量[10]。

葉菜類易于富集硝酸鹽，而硝酸鹽在人體內可被還原成強致癌的亞硝酸鹽[11]。試驗中純施用化肥的HF處理硝酸鹽含量最高，以化肥為主的HF+YJ處理硝酸鹽含量高于以有機肥和沼肥為主的ZF+HF，YJ+HF處理，而不施用化肥的ZF和YJ處理最低。

植物葉片葉綠素含量可間接反應植物光合作用的能力，與作物的產量密切相關。葉片葉綠素含量與氮素供應水平密切相關[12]。本試驗中以化肥為主的HF+YJ，HF處理的葉綠素含量最高，其次為ZF+HF，YJ+HF和ZF處理，施用純有機肥的YJ處理葉綠素含量最低。

表3 不同處理產量和品質的比較

注：在同一列中的數據用鄧肯多重比較分析，凡尾部標有不同字母的數值表示其間差異顯著(p<0.05)。

2.2 沼肥施用對土壤速效氮含量的影響

由圖1可以看出，施用氮肥7 d后(4月29日)和追肥7 d后(5月28日)HF處理的土壤速效氮含量顯著上升。隨著時間的延長，YJ和ZF處理的土壤速效氮含量逐漸增加；而4次測定的ZF處理的土壤速效氮含量都高于YJ處理。

YJ與YJ+HF處理的氮肥完全由有機肥提供，ZF與ZF+HF處理的氮肥完全由沼肥提供。因此YJ+HF與YJ處理間土壤速效氮含量變化規律相似，ZF與ZF+HF處理間土壤速效氮含量變化規律也相似，都表現出逐漸升高的規律。

HY和HF處理基施和追施了氮肥，因此土壤中速效氮含量在施用氮肥后顯著增加。隨著時間的延長，施用YJ處理和ZF處理的土壤速效氮含量逐漸增加；而4次測定的沼液處理(ZF)的土壤速效氮含量都高于YJ處理。

土壤中的有機養分在土壤微生物作用下，將有機態化合物轉化為無機態化合物，從而釋放出無機養分離子[13]。通過施用化肥、有機肥、沼肥后土壤養分含量變化比較化肥、有機肥和沼肥養分釋放的速率。

HF，YJ，ZF，YJ+HF，ZF+HF處理間氮素的施用量一致，施用氮肥7 d后(4月29日)和追肥7 d后(5月28日)HF處理的土壤速效氮含量顯著高于其它處理。化肥為速效肥料，施入土壤后迅速溶解成離子狀態，造成短期內養分累積。沼肥和有機肥需要經過礦化才能將有機養分變為無機養分，因此在整個試驗周期內YJ和ZF處理的土壤速效氮為上升趨勢。

YJ和ZF處理間比較：在整個試驗周期內ZF處理的土壤速效氮含量顯著高于YJ處理，說明試驗所用的雞糞沼液的礦化速率高于有機肥。

沼液與有機肥養分釋放速率的比較：施肥后7 d ZF處理的土壤速效氮含量高于YJ處理，說明沼液中不僅含有有機氮，也含有無機氮；在整個試驗周期內ZF處理的土壤速效氮含量都高于YJ處理，說明試驗所用的雞糞沼液礦化速率高于以雞糞和秸稈為原料的有機肥。

圖1 不同處理土壤堿解氮含量的變化

2.3 沼肥施用對土壤速效磷含量的影響

由圖2可以看出，由于HF處理的磷肥全部作為基施，因此隨著時間的延長，土壤中速效磷含量逐漸地降低。

YJ處理的磷素全部來自于有機肥，ZF處理的磷素全部來自于沼液，HF處理磷素施用量為9.46 kg·667 m-2，而YJ和ZF處理的磷肥施用量為7.98 kg·667 m-2和2.76 kg·667 m-2。YJ處理的土壤速效磷隨著時間的延長，表現為逐漸上升的趨勢；而ZF處理的磷素施用量低，在整個試驗周期內土壤速效磷含量變化小。

相對于YJ和ZF處理，YJ+HF和ZF+HF處理補充磷素施用量到9.46 kg·667 m-2，分別補充磷素1.48 kg·667 m-2和6.7 kg·667 m-2。相對于ZF處理，ZF+HF處理補充磷素多，因此ZF+HF處理的土壤速效磷含量顯著高于ZF處理；YJ和YJ+HF處理的土壤速效磷含量差異小。

圖2 不同處理土壤速效磷含量的變化

2.4 沼肥施用對土壤速效鉀含量的影響

由圖3可以看出，由于HF處理的鉀肥全部作為基施，因此隨著時間的延長，土壤中速效鉀含量逐漸地降低。

YJ處理的鉀素全部來自于有機肥，ZF處理的鉀素全部來自于沼液，HF處理磷素施用量為15.17 kg·667 m-2，而YJ和ZF處理的磷肥施用量為11.89 kg·667 m-2和8.80 kg·667 m-2。YJ處理的土壤速效鉀隨著時間的延長，表現為逐漸上升的趨勢；而ZF處理的鉀素施用量低，在整個試驗周期內土壤速效鉀含量變化小。

相對于YJ和ZF處理，YJ+HF和ZF+HF處理補充鉀素施用量到15.17 kg·667 m-2，分別補充鉀素3.28 kg·667 m-2和6.37 kg·667 m-2。相對于ZF處理，ZF+HF處理補充鉀素多，因此ZF+HF處理的土壤速效鉀含量顯著高于ZF處理。

HF，YJ，ZF處理間施磷鉀量不一致，土壤中速效磷鉀含量沒有可比性。HF，YJ+HF，ZF+HF處理間磷鉀的施用量一致，但是YJ+HF，ZF+HF處理中有機肥和沼液提供部分磷鉀元素，剩下的由化肥提供。HF處理的土壤速效磷鉀含量在試驗周期內為逐漸下降的趨勢；YJ處理的土壤速效磷鉀和ZF處理的土壤速效鉀含量在試驗周期內為逐漸上升的趨勢；在試驗周期內，ZF處理的土壤速效磷鉀含量穩定。

2.5 沼肥施用對土壤pH值與有機質的影響

試驗所用有機肥的pH值為7.07，沼液的pH值為8.24。由圖4可以看出，試驗結束后，施用沼液的ZF和ZF+HF處理的土壤pH值最高，其次為施用有機肥的YJ和YJ+HF處理。施用化肥的HF和HY處理土壤pH值最低，低于對照處理(CK)。黃繼川[14]等在水稻上應用沼液的試驗表明第一茬試驗土壤pH值下降，連續施用2茬土壤pH值升高。

試驗所用有機肥的有機質為45%，沼液的有機質為1.40%。試驗結束后，施用有機肥的YJ和YJ+HF處理土壤有機質最高，其次為施用沼液的ZF和ZF+HF處理；CK和HY處理的土壤有機質差異不顯著，兩者顯著高于HF處理(見圖5)。相對于化肥處理，施用沼肥提高了土壤有機質含量，這與前人的研究一致[14]。

圖4 不同處理土壤pH值

圖5 不同處理土壤有機質

2.6 沼肥施用對土壤和植物重金屬含量的影響

沼液中的重金屬是限制其應用的主要因素之一。劉思辰[15]等研究表明河南、安徽的工程沼液中重金屬含量的風險較高，不能直接灌溉；湖南、浙江的沼液存在低風險，內蒙古、遼寧、福建、四川和重慶5個地區的戶用沼液中重金屬元素含量均無污染風險，可直接進行灌溉。因此，沼液灌溉前必須要評價其重金屬污染風險。

施用化肥的HF處理鉛、鉻、汞、砷、鎘含量與對照CK處理差異不顯著。施用沼液的ZF和ZF+HF處理土壤鉛、鉻、砷、鎘含量顯著高于對照CK處理(見表4)，分別提高了6.9，10.5，3.9，0.021 mg·kg-1，提高的幅度為《GB 15618-1995 土壤環境質量標準》二級土壤中的限定值的2.76%，4.2%，13.0%，7.0%。

由表5可以看出，只有施用沼液的ZF和ZF+HF處理檢測出含鉻0.09 mg·kg-1，0.07 mg·kg-1，但低于《GB 2762-2012 食品安全國家標準 食品中污染物限量》中的鉻限定值0.5 mg·kg-1。

吳華山[16]等研究了豬糞沼液對土壤和玉米重金屬累積，結果表明土壤中Cd，Cr，Hg含量與清水對照相比略有增加，玉米籽粒中Cd，Cr，Pb的含量略有增加。試驗中，施用沼液后顯著提高了土壤Pb，Cr，As，Cd和油菜中Cr含量，雖然沒有超過國家標準，但是仍然存在土壤污染和農產品安全的問題。

表4 不同處理的土壤重金屬含量 (mg·kg-1)

注：在同一列中的數據用鄧肯多重比較分析，凡尾部標有不同字母的數值表示其間差異顯著(p<0.05)。

表5 不同處理的植物重金屬含量 (mg·kg-1)

2.7 經濟效益評價

依據于中國農業科學研究院經濟作物研究所提出的《農業科研成果經濟效益計算辦法》，對沼肥與化肥的配施處理(ZF+HF)與常規施肥處理(HF+YJ)的經濟效益狀況進行對比(見表6)。

試驗所用沼肥為民和公司的沼液，民和公司無償將沼液提供給農戶施用，用戶自己用車拉走，因此不計入肥料投入。常規施肥每667 m2需要施用化肥70.57 kg和有機肥200 kg，化肥投入512元·667m-2；沼肥與化肥配施后每667 m2僅需要化肥7.47 kg，化肥投入28.11元·667m-2。

相對于常規施肥處理(HF+YJ)，沼肥與化肥的配施(ZF+HF)的產量降低了72.9 kg·667m-2，但是肥料投入減少了483.89元·667m-2，因此經濟效益提高了327.49元·667m-2。

表6 施用沼肥的投入產出效益分析表

注：1)用工費用根據當地蔬菜種植戶的實際用工數進行估算；2)硫酸鉀按照3元·kg-1計算、尿素1.6元·kg-1，磷酸一銨3.5元·kg-1，磷酸二氫鉀5元·kg-1，有機肥1.6元·kg-1； 3)其他費用包括種子、翻地、水、電等； 4)油菜價格按照3元·kg-1計算

3 結論

(1)試驗沼肥養分礦化速度慢，純沼肥不能滿足油菜的生長需要，其產量低于常規施肥。沼液和化肥配合施用產量與常規施肥差異不顯著。

(2)相對于常規施肥，施用沼肥與有機肥提高了油菜的Vc含量，降低了硝酸鹽含量。

(3)施用沼肥后顯著提高了土壤鉛、鉻、砷、鎘和油菜中鉻含量，但沒有超過國家相關標準。

(4)相對于常規施肥，沼肥與化肥配施減少了肥料投入，增加了經濟效益。

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EffectsofBiogasManureApplicationonRapeGrowthandSoilEnvironment

SONGLi-fen1,2,SUNLi-ying3，SHAOLei1，WUShu-biao4，DONGRen-jie1,4，WANGDe-bing5,YANGPeng-fei1

(1.ChinaAgriculturalUniversity(Yantai),Yantai264670,China; 2.NationalengineeringlaboratoryofWheatandCorn,Jinan250000,China; 3.Agriculturalecologyandresourceprotectionstation,MinistryofAgriculture,Beijing100125,China; 4.KeyLaboratoryofCleanUtilizationofRenewableEnergy，MinistryofAgriculture，ChinaAgriculturalUniversity，Beijing100083，China; 5.AnimalHusbandryandVeterinaryofMupingDistrict,Yantai264100,China)

The field experiment was conducted in this paper to study the effects of biogas manure (anaerobically digested poultry waste) on rape growth and soil environment.The results showed that the rape yield of the sole biogas manure treating group (ZF) was less than that of conventional fertilization group (that was chemical fertilizer plus organic fertilizer, HF+YJ).The rape yield of treatment group of biogas fertilizer combined with chemical fertilizer(ZF+HF)was not significantly different from the conventional fertilizer group.Compared with conventional group, the biogas manure group and organic fertilizer group increased the Vc content of rape, and decreased the nitrate content; the available nutrient contents in soil were stable or increasing gradually; and soil quality improved.The chemical fertilizer group had the highest available nutrient contents in soil after the fertilizer was applied and then decreased rapidly.The application of biogas manure (both ZF and ZF+HF groups) increased the contents of Pb, Cr, As, Cd in soil comparing with CK, and the Cr was detected in rape but no heavy metal content was above the national standard.Comparing with the conventional group, ZF+HF group decreased the input for fertilizer, and increased the economic efficiency.

biogas manure; rape growth; heavy mental

2017-01-13

項目來源： 公益性行業(農業)科研專項(201403019)

宋麗芬(1971-)，女，山東煙臺人，副教授，研究方向為土壤肥料學，E-mail:15805351189@126.com

吳樹彪，E-mail：wsb4660017@126.com

S216.4; X713

B

1000-1166(2017)06-0083-06