沼液還田消納的效應及其對策

毛正榮，王宏航，童文彬，單勝道，程輝彩，張建云，張進*

(1.衢州市土肥與農村能源技術推廣站，浙江 衢州 324000； 2.衢州市衢江區土壤肥料技術推廣站，浙江 衢州 324022；3.浙江科技學院 環境與資源學院，浙江 杭州 310023； 4.河北省科學院 生物研究所，河北 石家莊 050081)

黨的十八大把生態文明建設列入中國特色社會主義“五位一體”總體布局，“十九大”提出實施鄉村振興戰略。堅持綠色發展和“綠水青山就是金山銀山”理念，推動農村人居環境綜合治理，以沼氣為代表的生物質能源是解決農村農業經濟-社會-資源-環境沖突的重要選項之一[1]。據不完全統計，截至2014年底，我國大中型沼氣工程已達10.3萬處，年產沼液沼渣約10億t[2]。沼液的消納成為制約沼氣工程正常運行可持續發展的因素。目前，國內外對沼液的處理方式大致可分為工業化處理達標排放和還田消納生態利用2種[3]。由于第一種方式處理成本高且受污水處理廠地限制，因此，沼液還田消納生態利用成為我國處理沼液的主流方式。

沼液是畜禽糞便、農林廢棄物、餐廚垃圾等有機物質經過厭氧發酵而成的一種偏堿性液體。沼液中不僅含有大量的速效營養成分(如氮、磷、鉀、鐵、錳、銅、鋅等)，還含有一些有機質和活性物質(如氨基酸、植物激素、維生素、腐殖酸等)，可作為一種優質的有機速效肥料[4]。研究表明，沼液對提高種子萌發率、促進作物生長、提高作物抗逆性、提高作物品質有著顯著的效果[5-6]，同時還能顯著提高土壤肥力，改善土壤結構，改良酸性和鹽漬化土壤等[7-8]。但由于沼液成分復雜，且可能含有微量有毒有害物質(如重金屬、抗生素等)[9]，加上運輸成本較高，環境承載能力有限，將沼液用于農業生產仍存在一定的健康風險。

本文闡述了沼液還田消納對土壤環境及作物生長的影響，分析了沼液還田消納過程中存在的問題并給出相應的對策，最后對我國沼液資源化利用體系的建設作了展望，旨在拓寬沼液的利用途徑，為沼液資源化利用提供參考。

1 沼液還田施用的效應

由于農田管理與利用不當、農田保護與保育不力，農田土壤肥力下降、土壤板結、酸化、污染嚴重等問題日益突出。沼液中含有豐富的營養成分(有機質、纖維素、腐殖酸等)，可以改善土壤理化性狀，提高土壤肥力，促進作物生長。

1.1 改善土壤理化性狀

1.1.1 對土壤肥力的影響

沼液是一種厭氧發酵產物，含有大量的營養物質及礦質元素。沼液施入土壤后可以提高土壤速效養分和有機碳的含量。楊樂等[10]研究發現，沼液灌溉能夠顯著增加綠洲農田耕層土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、銨態氮、硝態氮、速效磷、速效鉀的含量。宋哲岳等[11]研究了施加沼液年限對濱海鹽土有機碳累積的效應，結果表明，隨著沼液施加年限的增加，土壤總有機碳質量分數逐漸增加，且連施沼液可以促進土壤有機碳的積累，增加土壤碳存儲量。同時，長期灌溉沼液可以提高土壤持水性能，使飽和含水率和田間持水量增加，為植物生長提供更多的有效水，同時也為土壤養分提供了溶劑和載體[12]。此外，沼液可以活化土壤中的有機物質，提高土壤微生物量碳氮含量，降低有機碳比率，為微生物提供碳、氮源，促進微生物的生長，為酶促反應提供更多的反應底物[13]。馮丹妮等[14]研究表明，與清水灌溉和常規施肥相比，施用沼液會降低土壤細菌/真菌值，增加微生物數量并提高土壤酶活性。隨著沼液施用量增加，細菌數量不斷增加，放線菌、真菌數量和土壤過氧化氫酶活性均先升高后降低。

1.1.2 對土壤結構的影響

沼液中不僅含有植物生長所需的營養元素，還含有有機質、腐殖酸等成分，長期施用可在提高土壤有效養分的同時，改善土壤團聚體結構，調節土壤孔隙狀況和土壤通透性，從而增強其與外界環境水、肥、熱、氣的交換，為植物根系生長提供良好的水熱條件[15]。沼液可以改善土壤團聚體穩定性，原因是沼液增加了土壤有機質和微生物的活性，而有機質和微生物分泌物可以促進土壤團聚體的形成。杜臻杰等[16]通過田間定位試驗發現，沼液改善了土壤團聚體及其密度狀況，總孔隙度比對照提高了6.14%，并且增加了各土層中全氮、全磷、有機質的含量。鄭學博等[17]通過田間試驗研究了沼液對旱地紅壤團聚體的效應，發現沼液還田有利于提高土壤機械穩定性和水穩定性團聚體的含量及團聚體機械穩定性，當沼液氮與化肥氮配施比例在30%～45%時，沼液化肥配施可顯著增加土壤有機質的含量，且對土壤的改良效果最佳。蔡茂[18]研究發現，與對照相比，長期施用沼液可以使0～20 cm土層孔隙度較對照增加21.74%，20～40 cm土層孔隙度較對照增加22.22%。

1.1.3 對土壤pH值及鹽堿度的影響

1.2 促進作物生長

沼液中不僅含有氮、磷、鉀等大量營養元素，還含有鐵、鋅、鈣、銅、硼、鉬等植物生長所需的微量元素，且大部分以有效態的形式存在，可以為植物的生長提供速效養分，促進作物的生長，提高作物產量，改善作物品質，同時對植物病蟲害也有一定的抑制作用。

沼液施入土壤可為作物提供良好的水熱條件，促進植物根系的生長，提高作物品質。李小宇[21]通過連續3 a定位施用沼液研究了其對水稻生產的影響，結果表明，施用沼液可以提高水稻的株高、穗長、有效穗數、實粒數。沼液中還含有豐富的蛋白質、氨基酸、生長激素、糖類、維生素及各類水解酶等，可以促進種子萌發。李偉[22]在研究沼液施用對玉米種子萌發與幼苗重建的影響時發現，當有機負荷為1.5 g·L-1·d-1(以揮發性固體計)時，玉米秸稈發酵沼液能夠促進玉米種子的萌發，可使幼苗的主根伸長增加6.3%，根鮮重累計增加10.3%。賈亮亮等[23]采用裂區設計，研究了沼液不同施用量和不同噴施體積對番茄生長的影響，結果發現，追施75 t·hm-2沼肥可促進番茄植株的生長，提高番茄的硬度、單果質量、產量、維生素C質量分數、可溶性糖質量分數和糖酸比，且效果優于常規施肥，從而有效改善番茄品質，提高經濟效益。趙莉等[24]通過沼液與化肥對水芹品質的對比研究發現，與單施化肥處理相比，沼液替代化肥各處理的水芹莖部硝酸鹽含量分別降低了6.3%、31.9%和18.6%。劉敏[25]通過2 a的田間試驗發現，當沼液施用量為7.25～11.11 t·hm-2時，能顯著提高油菜籽粒產量，降低油菜籽粒硫甙、芥酸含量，提高蛋白質、油酸、亞油酸含量，降低油菜籽中重金屬的含量，提高籽粒中氮磷鉀的含量，并且能減低土壤中重金屬的生物有效性。原因是沼液施入土壤可以調節土壤水、肥、氣、熱等，降低土壤中重金屬的有效態含量，為植物的生長提供良好的環境。

1.3 減少農藥使用

沼液不僅可以提高作物品質，對作物病蟲害的發生防治也有良好效果。沼液中含有丁酸、吲哚乙酸、植物激素，及維生素B12等活性物質，因此，沼液可以用作生物農藥防治病蟲害，提高植物的抗逆性，尤其是當沼液與殺蟲劑配合使用時，還可增強藥劑的使用效果。而且，當沼液作為葉面肥施用時，還具有無污染、無殘留、無抗藥性等特點。尹芳等[26]在實驗室內研究了沼液對14種作物常見病原菌的抑制作用，發現沼液對煙草赤星病菌、稻瘟病菌等5種病原菌具有強烈的抑制效果，對甘薯黑斑病菌、西芹細菌等5種病原菌具有中等的抑制作用，且沼液濃度越高，抑制效果越好。毛曉月等[27]研究了沼液農用對芥菜產量、品質，以及病蟲害防治的影響，結果發現，芥菜蟲口密度、蟲害率和病情指數均隨沼液施用量的增加呈逐漸減少的趨勢。因此，施用沼液可以在一定程度上減少農藥在農作物上的使用。

1.4 促進化肥減量施用

據統計，2013年我國種植業化肥施用量為5 498萬t，其中，氮肥3 382萬t，磷肥1 175萬t，鉀肥941萬t[28]。但通過分析化肥在糧食生產中的邊際產出與化肥價格的比率可知，目前中國化肥施用量已經超過了經濟意義上的最優施用量，其中，在小麥、玉米和水稻生產上的過量使用已經超過了30%以上[29]。長期使用化肥，不僅會造成土壤酸化，同時還會降低土壤肥力、微生物活性，增加重金屬的含量，造成土壤硝酸鹽污染和土壤次生鹽漬化[30]，而且還會因利用率不高，造成一定量的經濟損失。

沼液替代化肥或與化肥混施不僅可以減少化肥的施用量，降低經濟成本，同時還可以降低土壤容重，規避因單施化肥造成的土壤環境惡化問題。沼液主要以基肥、追肥、葉面肥等形式施用于作物上。武海英[31]通過在不同蔬菜上施用沼液肥與化肥的比較試驗發現，施用沼液肥比化肥顯著增收，西紅柿、空心菜、黃瓜使用化肥的成本為228.80元·hm-2，施用沼液肥的成本為40～60元·hm-2。以施入等量的氮為依據，徐銘澤等[32]以化肥和沼液為基肥和追肥，探討其對西紅柿生長和土壤組分的影響，結果發現，在定植160 d后，沼肥與化肥配施的處理中土壤有機質含量和微生物總量要高于對照與化肥處理，其中，沼肥處理的葉片過氧化物酶活性在整個生長期間均最高，沼肥與化肥配施比例為4∶1的處理西紅柿產量最高，沼肥處理的西紅柿品質最佳。孫國峰等[33]研究結果表明，與化肥處理相比，100%沼液、50%沼液替代化肥處理減少了麥季的全球增溫潛勢(GWP)及單位產量的GWP，分別降低了25.39%、10.88%和24.16%、10.97%，主要原因是沼液處理降低了麥季N2O排放總量，同時降低了單位GDP碳排放量。沼液作為葉面肥，不僅促進植物的光合作用，增加干物質積累，提高作物品質，同時對有害病菌和害蟲也有明顯的抑制和滅殺作用，可以減少化肥和農藥的使用量，說明沼液替代化肥不僅能產生可觀的經濟效益，還會產生顯著的環境效益。

2 沼液還田消納存在的問題

雖然沼液資源化利用途徑較廣，并取得了較好的經濟和環境效益，但由于沼液在農業應用中受諸多因素的影響，因此，在應用過程中也暴露出了一些問題。

2.1 不同利用方式影響沼液消納量

孫雨欣[34]研究不同土壤容重及入滲界面壓力勢對土壤消納沼液的效應發現，隨著土壤容重增加，土壤對沼液中硝態氮及銨態氮的飽和吸附量逐漸減少，其對沼液的消納能力也逐漸減少，土壤吸附沼液中營養元素達到飽和所需的時間隨入滲界面壓力勢的增加而減少。黃媛[35]探討了不同類型土壤對沼液的承載力，發現養分營養土對沼液的承載力較大(100 g營養土吸收10 kg沼液)，且灌施10次后，土壤銅、鋅、鉻、砷的含量均仍屬安全范圍；水稻土灌施5次沼液后，土壤銅含量開始出現超標現象；坡地土對沼液的安全承載負荷量為5 kg。由上可知，雖然沼液還田工藝簡單、適用性強，用作土壤改良劑、有機肥等是資源化利用的首選方案，但其消納量受周邊土壤性質、土地面積、季節性等因素的影響較大。同時，由于植物不同生長期所需的肥力各有差異，如果施肥過量不僅會造成面源污染，還會對植物造成迫害，從而限制沼液的還田量，造成沼液過剩。此外，沼液還田消納還需要解決運輸和存儲的問題，尤其是在異地利用過程中需要通過槽罐車或管網設施轉運，此過程費時耗力。因此，組建運輸管道、加強對機械化運作技術的研發非常重要。另外，還可通過沉降、膜濃縮等技術將沼液中的營養物質進行回收利用，使其商品化，以實現沼液的資源化利用途徑多元化。

2.2 存在環境污染風險

雖然沼液農用可達到排放標準，但由于其使用過于集中，一旦灌溉量超過了環境承載力，也會造成原生態土壤、水體、大氣環境的惡化，同時可能對動植物產生脅迫作用。有研究表明，當沼液使用過量時，一些大分子難分解有機物進入土壤，一旦超過土壤的自凈能力，這些物質會因分解不完全而產生惡臭物質和亞硝酸鹽等有害物質，使土壤的性質發生變化，破壞土壤原本的理化性能[36]。如沼液施入土壤后，大量的氨氮在硝化作用下會形成帶負電荷硝態氮，硝態氮會隨土壤滲濾液流入下部水層，對土壤和地下水造成污染[37]。喬小珊等[37-38]通過水稻盆栽試驗研究了沼液灌溉對稻田水環境的影響，結果表明，下滲水中重金屬銅、鋅、鉛、鎘、砷的含量隨著沼液施加量的增加有上升的趨勢，且隨著時間推移，銅的累積量逐漸增加，而這些重金屬會對土壤原生生物產生迫害作用。重金屬主要來源于畜禽飼料，因此，為降低沼液中重金屬對環境造成的風險，應當控制畜禽飼料中重金屬的添加量。此外，沼液中還含有抗生素、多環芳烴類、酚類等有害物質，也會通過遷移和積累對土壤和水體造成污染，進而對水產品，以及農產品安全產生影響。陳永根等[39]研究發現，大量施沼液(夏季為18.92 kg·hm-2，冬季為1.29 kg·hm-2)時，初期土壤N2O、CH4的含量顯著高于常規沼液處理，大量施沼液、正常施沼液和不施沼液時土壤N2O排放通量分別為224～349、70～137、33～57 μg·m-2·hm-2。此外，土壤對沼液的消納能力還受土壤質地、植物類型、氣候等多種因素的影響。因此，在沼液利用過程中應做到因地施肥、因地排放，并研究單位土體所能消納沼液的負荷量及周期，健全法律管理機制，加強管理，以確保其使用安全性。

3 小結

沼液還田利用是我國沼液生態消納的重要方式，是沼氣工程可持續發展的重要保證。但在沼液施用過程中仍存在安全隱患，剩余現象嚴重。為解決這些問題，應當完善沼液資源化利用體系，提高沼液的綜合利用機理研究。

3.1 完善沼液資源化利用體系

構建沼液農用標準。目前，我國只規定了沼液排放標準，尚未規定沼液農用標準。沼液農用大都按照沼液排放標準進行灌溉，致使農田生態系統可能產生面源污染。

制定沼液安全施用技術規范。明確沼液各成分范圍，評估農田沼液消納量，根據農作物的生理習性使沼液在不同處理級別上進行合理使用，并深入研究沼液長期使用的環境行為和環境效應。

加強農技推廣人員的專業培訓，指導農民進行沼液的科學施用。

3.2 加強沼液綜合利用機理研究

深入研究沼液對改善作物品質及抑制作物病蟲害的機理。

系統研究不同發酵工藝、發酵原料對沼液特征及性能的影響，并深入探討沼液對土壤的改良/培肥效應與土壤性質、地理氣候之間的關系，為沼液科學施用奠定理論基礎。

開展長期定位試驗，研究沼液中抗生素等有機污染物在農田環境中的變化，以明確沼液農用的安全性。

3.3 采取“截源開流”的方式處理沼液安全與過剩等問題

“截源”是指從源頭上減少沼液的產生量和污染源，并嚴格控制發酵原料污染物的濃度。采用干法厭氧發酵技術，優化沼氣發酵過程，以減少沼液產量，并通過微生物降解、化學沉淀、膜濃縮等技術降低沼液中污染物的毒性和濃度。“開流”是指拓寬沼液的利用途徑，并開發沼液養分回收高值化利用的新技術，深入研究和推廣耦聯技術，利用沼氣發酵的副產物與其他生產工藝聯合使用，以保障沼氣工藝的順利進行，并進而提高沼液資源化利用的經濟效益。