沼液替代化肥對土壤肥力與胡柚品質的影響

黃海麗，莊海峰，張春榮，黨洪陽，平立鳳，張昌愛，樊宙，單勝道

(1.衢州市常山縣農業農村局，浙江 常山 324000；2.浙江科技學院 環境與資源學院，浙江 杭州 310023；3.浙江省農業科學院 農產品質量標準研究所，浙江 杭州 310021)

厭氧產沼是畜禽養殖廢棄物資源化利用的重要方式。伴隨現代養殖業的快速發展，沼氣工程項目在國內得到快速普及與推廣，這為養殖業綠色發展奠定了基礎。但與此同時，厭氧產沼的“終端產物”——沼液的有效利用問題也變得越來越突出。沼液既富含有機質和營養性元素，又具有微量重金屬等有害物質，易成為二次污染源繼而帶來潛在的環境風險[1-3]。對沼液進行工業化處理達標排放，成本較高且易受廠地限制；沼液還田可實現畜牧業與種植業的資源化結合，近年來受到了廣泛關注。已有研究證明，多種類型的農作物可利用沼液來促進生長，并實現增產，且土壤肥力亦可得到增強[4-6]。從理論角度看，沼液還田的有效性主要取決于沼液中有害物質的控制和適應土壤類型的選擇；然而，此方面尚缺乏系統性的研究與應用論證。

浙江省常山縣是我國最大的胡柚種植基地，其地理標志產品“常山胡柚”享譽國內。同時，生豬養殖業亦是常山縣重要的支柱產業。如能將當地生豬養殖業產生的沼液與胡柚種植進行“種養結合”，建立起循環經濟模式，這既符合常山縣社會經濟發展方向，又能實現資源的循環、高效利用，但這也對沼液在胡柚種植上的精準化科學施用提出了要求。在此背景下，本研究采取大田施肥試驗，研究沼液施用對胡柚果實品質和林地土壤肥力的影響，初步探析林地土壤與果實的重金屬安全性，探究適宜的沼液施用條件，以期為沼液的資源化利用、胡柚品質提高，以及林地土壤肥力改善提供科學依據與應用指導。

1 材料與方法

1.1 樣地與樣品

1.1.1 試驗樣地

胡柚試驗區設于常山縣十里山村(118°48′50″E，28°50′20″N)。該地處亞熱帶地區，四季分明，雨量充沛，年平均氣溫17.7 ℃，年平均降水量1 760.1 mm，年平均相對濕度76%，年平均日照時數1 731.2 h。試驗場地系丘陵紅壤崗地，土層深厚，肥力較差，pH值約為5.23。每個處理設置3個重復樣地，每個樣地設置為10 m×10 m，樣地內栽種6～8棵胡柚，試驗開始時樹齡為3 a，果實較小。

1.1.2 土壤與胡柚樣品

土壤采集點位于樣地中心點和4個角點，自土壤表層至垂向20 cm處采集土壤樣品，按四分法取(500±10)g的混合樣品。將樣品去除石礫和植物殘體后于室溫下風干、研磨，再過2 mm篩后用于測定土壤理化指標。

于胡柚成熟期按對角線法選取樣地內的植株采集胡柚果實，密封袋包裝后即時送實驗室檢測。

1.1.3 供試沼液與肥料

供試沼液取自常山縣十里山莊養殖場厭氧發酵池，主要理化性狀如下：pH值8.51±0.55，有機質含量(0.58±0.04)%，全氮含量(0.15±0.01)%，全磷含量(0.028±0.003)%，全鉀含量(0.17±0.02)%，銅含量(0.04±0.01)mg·kg-1，鋅含量(0.25±0.04)mg·kg-1，砷含量(0.010±0.002)mg·kg-1，鎘未檢出。

有機肥為發酵后的豬糞肥(N 2.16%，P2O50.55%，K2O 0.43%)；尿素(N 46%)，靈谷化工集團有限公司；過磷酸鈣(P2O512%)，湖北豐樂生態肥業有限公司；氯化鉀(K2O 60%)，黑龍江倍豐農業生產資料集團有限公司。

1.2 試驗方法

依據浙江省柑橘化肥定額制施用標準和胡柚不同生長期所需營養的經驗值進行沼液施用量折算。試驗共設6個處理：S1，未施加肥料；S2，全量化肥；S3，有機肥+化肥(100%氮)；S4，有機肥+化肥(50%氮)+沼液(50%氮)；S5，有機肥+沼液(100%氮)；S6，有機肥+沼液(150%氮)。上述處理中，S3～S6處理中除由有機肥提供的氮素外，化肥和沼液提供的氮素折合總量同S2處理。以S2處理中化肥提供的氮素數量為1，S3～S6處理按相應比例折算化肥和沼液用量。S3～S6處理統一施用22.5 t·hm-2的有機肥。由于沼液和有機肥中均含有磷和鉀，因此,在S3～S6處理中需適當調節磷、鉀肥用量，以保證其磷、鉀供應總量與S2處理相等。

各處理的有機肥一次性基施，其他肥料(含沼液)分別于胡柚發芽期(約3月份)、保果期(約6月份)、壯果期(約8月份)和采果期(約10月份)，按照30%、20%、30%、20%的比例施用，并結合當年的環境變化與胡柚生長需求適當調整。

1.3 指標測定

土壤理化性質檢測參照《土壤農化分析》進行，簡述如下：pH值采用電位法測定，有機質含量采用K2Cr2O4外加熱法測定，全氮采用凱氏定氮法測定，全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定，有效磷采用氟化銨-鹽酸溶液浸提、鉬銻抗比色法測定全鉀、銅、鋅和鎘含量均采用火焰原子吸收法測定，砷含量采用原子熒光儀測定。土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定。

胡柚總糖含量采用蒽酮比色法測定，總酸含量采用電位滴定法測定，β-胡蘿卜素含量采用氧化鋁柱層析-比色法測定，VC含量采用鄰苯二胺熒光法測定。

2 結果與分析

2.1 對土壤酶活性的影響

土壤酶參與土壤發育和土壤肥力演化的全過程，直接影響土壤營養元素和有機質的傳輸與轉化，是土壤微生物活性的重要體現。土壤蔗糖酶的作用在于促使大分子水解和斷裂，是土壤有機成分進入生物體內的重要活性介質；而磷酸酶則可將化合態磷礦化分解為無機性的植物有效磷。由圖1可知，與S1處理相比，S2處理的土壤蔗糖酶活性有所降低，其他處理的土壤蔗糖酶活性均相對提高，其中，S5(沼液100%替代化肥)處理的土壤蔗糖酶活性最高，其值約為空白樣地的1.56倍。

圖1 不同肥料處理對土壤酶活性的影響

土壤磷酸酶活性的變化與蔗糖酶活性有所不同。S1處理的土壤磷酸酶活性最高，S3～S6處理的土壤磷酸酶活性與S1較為接近，S2處理的土壤磷酸酶活性最小。但總體來看，不同處理的土壤磷酸酶活性差異不大，反映出土壤磷酸酶活性具有一定的穩定性，對外來擾動的緩沖能力較強。

2.2 對土壤肥力和pH值的影響

土壤肥力是耕地的重要屬性和本質特征，是土壤理化性質和生物特征的綜合反映。

從圖2可以看出，沼液施用提高了土壤肥力，且以土壤速效鉀的含量變化最為突出。以S6處理與S1作對比，前者的土壤全氮、全磷、有效磷和速效鉀含量分別為942.1、70.4、10.1、28.1 mg·kg-1，有機質含量為20.2 g·kg-1，分別為后者的1.36、1.44、1.43、4.69、1.26倍。作為厭氧發酵的末端產物，沼液富含氮、鉀等營養元素和有機質，且其中的有效態氮、鉀，及小分子有機質等速效成分占比高，因此，施于土壤后提高了土壤中生物有效性物質的含量。

圖2 不同肥料處理對土壤肥力和pH值的影響

S1處理的土壤pH值為5.23，S2處理的土壤pH值降低至5.02，而其他處理的土壤pH值均較S1有所提高，即施加沼液后，土壤酸堿度普遍提高，其中，以S5處理的土壤pH值最高，達到5.93。根據相關資料，胡柚適宜的土壤pH值在5.5～6.5，而常山胡柚林地的pH值多在此范圍的下限或之下[7-8]。鑒于沼液多呈堿性，推測適度施加沼液應可調節土壤pH值至接近于胡柚最適生長的條件，本試驗結果與預期一致。但是，S6處理的土壤pH值較S5處理降低，這可能是因為過量的沼液施入土壤后進行了二次厭氧發酵產酸，進而降低了土壤pH值。

2.3 對土壤重金屬含量的影響

鎘、鋅、銅、鉻、砷等重金屬污染物對土壤的危害性較大，可通過食物鏈的形式逐級富集和傳遞，歷來是沼液還田的關注重點。鑒于本研究所用的沼液中主要檢出的重金屬為銅、鋅、砷，以及鎘的富集毒性較大，故僅對這4種重金屬進行對比分析(圖3)。由圖3可知，不同處理的土壤重金屬含量存在差異，但總體變化幅度不大。各處理中：S3處理的土壤中銅含量最高，而S4處理的土壤中銅含量最低；S2和S3處理的土壤中鋅含量最高，而S1處理的土壤中鋅含量最低；S6處理的土壤中鎘含量最高，而S3處理的土壤中鎘含量最低；S6處理的土壤中銅含量最高，而S3處理的土壤中銅含量最低。對照農用地土壤污染風險管控標準(GB 15618—2018)，各處理土壤中4種重金屬的含量均遠低于標準限值，說明在本試驗條件下，沼液施加未導致土壤重金屬安全風險等級提升。

圖3 不同肥料處理對土壤重金屬含量的影響

2.4 對胡柚品質的影響

表1和圖4分別給出了胡柚成熟期各處理樣地的果實收獲量及其品質指標。

表1 各肥料處理樣地的果實收獲量和單果重

表1和圖4可以看出，與S1處理相比，其他處理的果實數量、果實質量和單果重均有所提高，且施加沼液各處理的果實數量、果實質量和單果重均大于等于全化肥處理，其中，S5和S6處理的果實數量、果實質量和單果重最大，說明施用沼液較全化肥更利于胡柚的生長。

圖4 不同肥料處理對胡柚品質的影響

總糖、總酸、VC含量和β-胡蘿卜素含量等指標多用來衡量胡柚的品質。其中，總糖和總酸指標反映胡柚口感，是其市場化品質的主要依據。S6處理的胡柚果實總糖含量與S1基本持平，其余處理的胡柚果實總糖含量均較S1有所提高，且以S5處理最高。胡柚總酸含量以S1處理最高，其余處理的胡柚果實總酸含量均相對降低。胡柚果實的VC含量以S1處理最低，其余處理胡柚果實的VC含量均相對增加。除S2處理的胡柚果實β-胡蘿卜素含量較S1減少外，其他處理的胡柚果實β-胡蘿卜素含量均顯著提高，其中以S6處理最高(4.8 mg·kg-1)，約為S1處理的1.78倍。

由表2可知，除S2處理胡柚果實中的銅、鋅含量略低于S1處理外，其余處理胡柚果實中的銅、鋅、砷、鎘含量均相對升高。這說明施用沼液有增加胡柚果實中重金屬含量的風險，但果實中上述4種重金屬的含量水平遠低于GB 18406.2—2001《農產品安全質量 無公害水果安全要求》的規定，尚不存在食用風險。

表2 不同肥料處理胡柚果實中的重金屬含量

3 小結與討論

本試驗表明，沼液的施用可增加胡柚林地土壤中的氮、磷、鉀等營養元素和有機質含量，提升土壤蔗糖酶活性。用沼液100%替代化肥后，酸性土壤的pH值得到改善，達到了化肥減量與胡柚林地土壤改良、培肥的目的。本試驗條件下沼液施加未導致胡柚林地土壤中鎘、銅、鋅、砷明顯積累，胡柚果實中相應重金屬的含量水平亦遠低于農產品安全質量無公害水果安全要求，不存在食用風險。適宜用量的沼液施加可維持胡柚生理代謝過程的平衡，增強植株機體的功能，使胡柚果實中的糖類、VC、類胡蘿卜素等代謝物保持在較高水平，有效提高胡柚品質。

作為一種優質有機肥料，沼液能提高土壤營養元素和有機質的含量。已有研究證明，適量施加沼液不僅可提高土壤中全氮、全磷、全鉀的含量，同時可改善土壤孔隙度、陽離子交換量和保水性等。沼液所含的多種生物有效成分可提高土壤微生物的活性，進而激發各種功能酶的產生；而土壤酶與土壤養分、微生物種群豐度間已被證明存在極顯著的正相關性[9]。這意味著，沼液的適量投加可有效地改善土壤生態環境，進而促進農作物的生長。

沼液施加的主要風險在于其所含的重金屬，風險程度則取決于沼液中重金屬的含量水平與施用量、土壤中的富集狀況，及其在農作物體內的遷移程度。從本試驗結果看，所用沼液中含有的重金屬含量較低，施加于土壤中后，雖然土壤中的重金屬含量略有增加，但遠未達到富集程度，而胡柚果實中的含量水平亦遠低于農產品安全質量無公害水果安全要求。鑒于研究所限，更長時期內的重金屬積累效應尚需跟蹤調查。但就已有文獻而言，沼液施用的長期風險水平目前仍被認為在安全范圍內[10-11]。

土壤環境是影響農作物品質的主要因素，主要涉及土壤肥力、pH值、有害物等方面。沼液富含生物有效性氮、磷、鉀，及有機質等多種養分，適量投加可增強土壤肥力，并促進胡柚根系微生物種群繁育，使得胡柚生長過程中的生理代謝過程更為協調平衡，胡柚機體的功能性也因此得以增強，糖類、氨基酸、維生素和類胡蘿卜素等代謝物得以保持在較高水平，從而帶動胡柚品質的提高。但過量的施用沼液并不會進一步顯著地提高土壤肥力與胡柚品質，反而會增加潛在的面源污染與資源浪費；因此，在本試驗條件下，沼液施用100%替代化肥是較為適宜的施用量。