豬場廢水施用對設施白菜地土壤氮盈余的影響

付莉，王貴云，杜連柱，楊柳，張克強，杜會英*

（1. 農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191；2. 十堰市農業科學院，湖北 十堰 442000）

近年來，我國規模化生豬養殖發展迅速，但是豬場糞污隨意排放，由此帶來的地下水硝酸鹽累積等環境污染問題日益突出，嚴重制約了規模化生豬養殖的可持續發展[1]。豬場糞污含有作物生長所需的氮、磷、鉀等多種營養元素[2]，經過處理后作為肥料進行農田利用，是一種經濟簡便的利用方式，也是實現糞污養分循環利用的最有效手段。然而，豬場廢水量大且養分變化較大，是還田利用方面亟需解決的問題。

國內外許多研究表明，養殖廢水農田施用可增加土壤氮養分、減少氮素損失[3]，有效改善土壤肥力質量，增加作物產量品質[4]，而過量施用會導致作物不能有效吸收利用氮養分[5]。Ai等[6]研究表明廢水施用對作物氮表觀利用率提高2.8倍，產量提高24.5%。趙莉等[7]研究證實，通過不同比例的廢水施用可以提升作物產量，降低土壤硝酸鹽含量。Chen等[8]研究表明，長期施用沼液等有機肥可以確保土壤結構和肥力隨著時間的推移而改變，從而促進土壤結構的優化。李碩等[9]研究認為，豬場廢水施用農田可顯著提升作物產量和氮素利用率。因此，廢水農田施用需注意作物養分需求與土壤養分累積對環境影響的平衡。

目前，我國蔬菜單位面積施氮量遠高于需求量，全國平均每季施氮量為388 kg/hm2[10]。蔬菜過量施肥造成大量硝態氮累積在土壤中，進而淋溶出根區以下，威脅水環境安全[11]。丹江口庫區是南水北調中線工程核心水源區，也是庫區周邊各種污染物的最終宿體，農業面源污染造成丹江口庫區承載著較大的氮負荷[12]，畜禽養殖是農業面源污染的重要來源之一[13]。開展畜禽糞污資源化利用，促進畜牧業綠色可持續發展，保證畜禽產品有效供給和農村居民生產生活環境改善[14]。然而，當前的研究多圍繞單一種植[15]和單一養殖[16]展開，庫區典型種養結合對作物和土壤氮養分的研究鮮見報道。因此，本文以田間定位試驗為依托，設置不施肥處理、優化施肥處理和豬場廢水氮替代化肥氮（廢水氮量分別為281、374和561 kg/hm2）5個處理，開展豬場廢水氮替代化肥氮對設施白菜產量、白菜氮吸收利用和土壤氮盈余的影響研究，以期為丹江口水源涵養區提高廢水還田利用、降低養殖面源污染提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017年10月至2019年12月在湖北省十堰市鄖陽區進行。該區地處亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫15.4 ℃，多年年平均降水769.6 mm。試驗地位于譚家灣鎮大棚內，土壤為黃棕壤，種植前耕層（0～20 cm）土壤有機質6.58 g/kg、pH值7.72、全氮含量0.51 g/kg、硝態氮含量40.60 mg/kg、銨態氮含量1.99 mg/kg、速效磷含量36.91 mg/kg。廢水為經過厭氧處理的豬糞水，取自試驗地附近養殖場，廢水pH 值7.51，總氮含量773.00 mg/L，銨態氮含量702.00 mg/L，總磷含量19.10 mg/L，總鉀含量746.00 mg/L。

1.2 試驗設計

試驗設置5個處理，分別為：對照處理（CK），不施用任何肥料；優化施肥處理（NOPT），化肥施用量較常規施肥減量20%；3個豬場廢水氮替代化肥氮處理（BSN100、BSN75和BSN50），廢水氮量分別為281、374和561 kg/hm2，磷鉀養分量與NOPT處理保持一致，廢水中不足的磷鉀養分用化學肥料補齊。試驗用化肥分別為蔬菜專用肥（N-P2O5-K2O為18-8-18）、過磷酸鈣（P2O5含量12%）和硫酸鉀（K2O含量51%）。各處理養分投入量見表1。

每個處理重復3次，試驗小區面積6.72 m2（3.2 m×2.1 m），隨機區組排列，小區間用40 cm PVC板隔開。試驗小區灌溉采用畦灌。分別于2017年10月13日、2018年9月20日、2019年4月4日 和2019年9月21日定植白菜，于2018年1月10日、2018年11月29日、2019年6月10日 和2019年12月18日收獲；定植株距35 cm，行距40 cm。

1.3 樣品采集與測定

將每個小區白菜植株全部收獲后測鮮重，每個小區選取具有代表性的5株置于檔案袋中放入烘箱中105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，研磨過80目篩保存，經濃硫酸—雙氧水消煮后用流動注射分析儀（北京吉天FIA-6000+）測定植株全氮。

表1 不同處理施肥量(kg/hm2)Table 1 Amount of fertilizer application under different treatments (kg/hm2)

土壤樣品為白菜收獲后用土鉆在每個小區按照“S”型分0～20 cm、20～40 cm兩層采集，同層次5點混合，裝入密封袋帶回實驗室，樣品過2 mm篩，測定土壤中硝態氮和銨態氮含量，剩余土壤樣品風干后過100目篩，測定土壤有機質和全氮含量。土壤硝態氮含量和銨態氮含量采用2 mol/L KCl溶液（液土比5∶1）浸提后用流動注射分析儀測定，土壤全氮含量經濃硫酸消煮后用流動注射分析儀測定，土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法測定。

1.4 數據計算與統計分析

白菜—土壤（0～40 cm）系統氮盈余計算方法參考巨曉棠和谷保靜[17]的研究方法。輸入氮量為化肥氮、廢水氮和灌溉輸入氮，灌溉水中氮含量數據參考龔世飛等[18]的研究結果，氮攜出量為白菜地上部收獲氮帶出量。計算公式為：

式中：NUE為氮表觀利用率（%），NUN為施氮區白菜吸氮量（kg/hm2），NU0為對照區白菜吸氮量（kg/hm2），F為廢水或化肥氮投入量（kg/hm2）；TNI為灌溉輸入氮（kg/hm2），TI為總灌水量（m3），TBS為廢水施用量（m3），NI為灌溉水總氮含量（mg/L）；NIN為總氮輸入（kg/hm2），FN為化肥氮（kg/hm2），BN為廢水氮（kg/hm2）；NSU為氮盈余（kg/hm2），NU為白菜氮攜出（kg/hm2）。

試驗數據采用SAS（Version 9.4）軟件進行單因素方差分析（one-way ANOVA），多重比較采用LSD法（P=0.05），利用Excel 2010作圖。

2 結果與分析

2.1 廢水施用對設施白菜產量的影響

相對于不施氮（CK）處理，豬場廢水施用處理（BSN100～BSN50）4茬白菜平均產量增加均達到5%顯著水平；相比NOPT處理，廢水施用處理4茬白菜平均增產率達13.73%～39.45%，前3茬廢水施用處理白菜產量顯著高于NOPT處理（表2）。廢水帶入氮具有顯著的增產效果。除第三茬外，同一處理白菜產量不同茬次間差異不顯著。

表2 豬場廢水對設施白菜產量的影響Table 2 Effects of swine wastewater manure application on yield of facility cabbage

2.2 廢水施用對設施白菜氮吸收利用影響

廢水施用處理（BSN100～BSN50）白菜吸氮量在61.09～155.22 kg/hm2之 間（表3）。與NOPT處理相比，BSN100處理4茬白菜氮吸收量是NOPT處理的1.24～1.63倍，BSN75處理是NOPT處理的1.34～1.71倍，BSN50處理是NOPT處理的1.56～1.94倍；除第一茬外，后3茬廢水施用處理白菜吸氮量均顯著高于NOPT處理；同一處理，除第三茬春季白菜外，其他秋季白菜氮吸收量差異不顯著。通過對氮表觀利用率分析看出，4茬白菜的氮表觀利用率隨廢水氮帶入量的增加而降低，BSN100處理氮表觀利用率4茬平均為27.68%，顯著高于BSN75和BSN50處理，且顯著高于NOPT處理。對比NOPT處理，等量氮帶入的廢水施用處理可顯著提高白菜氮表觀利用率。同一施氮處理，春季種植的1茬白菜氮表觀利用率顯著低于秋季種植的3茬，秋季種植的3茬白菜氮表觀利用率之間差異不顯著。

2.3 廢水施用對土壤無機氮累積量的影響

每茬白菜收獲后，相較于不施肥處理，各施肥處理0～40 cm土壤無機氮累積量顯著增加。CK處理土壤無機氮累積量在11.90～17.41 kg/hm2之間，NOPT處理土壤無機氮累積量在27.43～36.72 kg/hm2之間，廢水施用處理土壤無機氮累積量在16.85～81.36 kg/hm2之間，廢水施用處理4茬無機氮平均累積量是NOPT處理的1.13～1.58倍。

通過對0～40 cm土壤硝態氮累積量分析可知，第一茬廢水施用處理土壤硝態氮積累量在8.12～27.73 kg/hm2之間，BSN100處理顯著低于NOPT處理，其他施氮處理之間差異不顯著；第二茬廢水施用處理土壤硝態氮積累量在19.87～26.32 kg/hm2之間，廢水施用處理與NOPT處理之間差異均不顯著；第三茬廢水施用處理土壤硝態氮累積量在43.43～69.00 kg/hm2之間，BSN75和BSN50處理顯著高于NOPT處理；第四茬廢水施用處理土壤硝態氮積累量在23.37～48.61 kg/hm2之間，廢水施用處理均顯著低于NOPT處理。第三茬白菜收獲后，廢水施用處理土壤硝態氮累積量顯著高于其他茬次，其他茬之間差異不顯著；第四茬白菜收獲后，NOPT處理土壤硝態氮累積量顯著高于前3茬（圖1）。

表3 豬場廢水施用對設施白菜氮素吸收利用的影響Table 3 Effects of swine wastewater manure application on nitrogen uptake and utilization of facility cabbage

4茬白菜收獲后，土壤銨態氮累積量均不超過13 kg/hm2，顯著低于土壤硝態氮累積量。第一茬廢水施用處理土壤銨態氮累積量顯著低于NOPT處理，后3茬廢水施用處理與NOPT處理之間差異不顯著，廢水施用處理之間土壤銨態氮累積量差異不顯著。

2.4 廢水施用對土壤全氮和碳氮比的影響

白菜收獲后，土壤全氮含量隨廢水氮施入量的增加而增加。0～40 cm土壤全氮含量隨著土層深度的增加呈降低的趨勢。0～20 cm土層，第一茬白菜收獲后，廢水施用處理（BSN100～BSN50）土壤全氮含量均與NOPT處理差異不顯著；第二茬白菜收獲后，僅BSN50處理土壤全氮含量顯著高于NOPT處理，其他處理差異不顯著；第三和第四茬收獲后，廢水施用處理土壤全氮含量顯著高于NOPT處理，廢水施用處理之間差異不顯著。20～40 cm土層，4茬白菜收獲后，BSN50處理土壤全氮含量均顯著高于NOPT處理和BSN100處理，與BSN75處理差異不顯著（圖2）。0～20 cm土層，廢水施用處理土壤C/N顯著低于NOPT處理，廢水施用處理之間差異不顯著；20～40 cm土層，除第三茬外，土壤C/N值變化趨勢同0～20 cm土層，第三茬土壤C/N值均高于其他茬，且BSN50處理土壤C/N值顯著低于BSN100和BSN75處理。

2.5 廢水施用對白菜-土壤氮盈余的影響

氮素輸入包括肥料和灌溉帶入，肥料氮為化肥和廢水帶入氮，NOPT處理化肥氮為281 kg/hm2，廢水施用處理帶入氮為281～562 kg/hm2。白菜吸氮量為氮輸出，4茬白菜平均氮吸收量為23.71～120.00 kg/hm2，廢水施用處理白菜氮吸收量顯著高于NOPT處理；廢水施用處理中，BSN50處理白菜氮吸收量顯著高于BSN100處理，與BSN75處理差異不顯著（表4）。就氮盈余而言，CK處理氮素盈余為負值；隨廢水帶入氮量的增加，土壤氮盈余量顯著增加，廢水施用BSN75和BSN50處理土壤氮盈余量顯著高于NOPT處理；BSN100處理土壤氮盈余顯著低于化肥施用的NOPT處理，同等氮輸入情況下，廢水施用可以顯著降低土壤氮盈余。

表4 不同處理設施白菜—土壤(0～40 cm)氮素表觀平衡(kg/hm2)Table 4 Apparent nitrogen balance in facility cabbage-soil (0-40 cm) system under different treatments

3 討論

3.1 廢水施用對設施白菜產量和氮素利用的影響

本研究中隨廢水氮施入量增加，白菜產量增加，相同施氮量的條件下，豬場廢水施用處理白菜產量顯著高于NOPT處理。養殖廢水中含有較高的養分和水溶性有機質[19]，可作為能源為土壤微生物利用，提高作物根際土壤微生物數量和酶活性[20]，進而促進了養分的釋放，促進了白菜對氮的吸收，增加白菜產量。廢水中氮施入土壤后在微生物的作用下變成作物吸收的無機態氮，同時，未吸收利用的氮素部分轉化為有機態氮，當作物需氮量增加時，微生物群體釋放出所固定的氮素供作物生長所需，提高作物產量[21]。適量施用廢水有助于提高設施蔬菜的產量，本研究與Duan等[22]的研究結果一致。

Zhang等[23]研究表明氮肥利用率隨施氮量的增加呈下降趨勢，減少氮肥投入量會提高氮肥利用率，但可能達不到目標產量。本研究表明，廢水施用處理中，白菜氮表觀利用率隨廢水氮帶入量的增加而降低，4茬白菜氮表觀利用率BSN100處理顯著高于BSN75和BSN50處理；在相同氮量條件下，廢水施用處理BSN100氮表觀利用率顯著高于NOPT處理，廢水施用可以顯著提高白菜的氮表觀利用率。向璐等[24]研究表明廢水施用不僅能夠減少化肥氮的施用量，還可維持作物產量和氮素利用率。

3.2 廢水施用對土壤氮素盈余的影響

氮素盈余是衡量氮素投入生產力、環境影響和土壤肥力變化的有效指標，氮素盈余為正值時，代表了潛在的向環境損失的氮素量，為負值時，代表了土壤氮素虧缺，土壤氮素大量盈余同時會增加氮向環境損失風險[25]。氮素盈余也是污染最直接的指標，表征氮在環境中的損失潛力[26]。從保證作物高產角度，作物收獲后，高量土壤硝態氮殘留可以保證下一季作物的生長[27]，從環境保護角度，土壤剖面中高硝態氮殘留會引起氮的淋溶，造成水體富營養化[28]。寧建鳳等[29]研究表明，廢水替代可降低土壤氮盈余量18%～48%。本研究結果表明，相同氮施入量的條件下，廢水施用處理土壤氮盈余量顯著低于化肥施用處理，較施用化肥處理平均降低了13.13%，這與寧建鳳等[29]的研究結果一致。本研究結果也顯示，過量施用廢水氮帶來大量的土壤氮養分盈余。Bai等[30]研究表明，氮投入增加，氮盈余顯著增加，超出作物吸收部分的氮素會以氮素表觀損失和無機氮殘留形式損失，且與施氮量呈顯著正相關。Luo等[31]研究證實，長期施用氮肥會增加土壤中的硝態氮含量，且各土層的硝態氮積累量隨施肥年限的增加而增加。本研究結果與以上學者研究結果一致，隨著白菜種植茬數增加，施用豬場廢水增加土壤硝態氮氮累積量，且0～20 cm和20～40 cm土層中的硝態氮累積量隨豬場廢水氮施入量的增加而增加，高量廢水氮施入可增加土壤硝態氮淋失的風險[32]。

尹嘉德等[33]研究表明增施有機肥能夠顯著提高土壤碳氮含量，降低土壤C/N比，減少土壤與作物對無機氮的競爭，提高土壤氮素供應能力和延長肥效。李威等[34]研究表明C/N越低，土壤無機氮含量越高，本研究結果與此一致，豬場廢水施用可降低C/N，有利于土壤氮素的供應[35]。有針對性的施用氮可以降低硝態氮對環境的污染，降低氮盈余產生的危害[36]。郭智等[37]認為，化肥的施用量遠超作物需求量，不僅對作物產量增加無益，還會大幅增加土壤中氮的盈余，造成氮資源浪費。Bouchet等[38]研究表明設施蔬菜的低氮素利用率會造成大量氮盈余。本研究也表明，豬場廢水施用BSN100處理較優化施肥處理提高了設施白菜的氮素利用率，降低土壤氮盈余量，豬場廢水替代化肥施用更有利于降低氮盈余造成的面源污染風險。

4 結論

1）在連續4茬白菜種植中，豬場廢水施用顯著提高白菜產量。相比優化施肥處理，豬場廢水施用處理平均增產率達13.73%～39.45%。

2）廢水施用顯著增加了0～40 cm土壤無機氮累積量和氮盈余，在土壤無機氮累積中，硝態氮累積量顯著高于銨態氮累積量，BSN100處理土壤氮盈余顯著低于同等施氮量的優化施肥處理。

3）綜合考慮白菜產量、氮表觀利用率和土壤氮盈余，廢水氮等量替代化肥氮（每茬白菜廢水氮施用量281 kg/hm2）是較優的廢水氮施用量，既滿足當季白菜生長的需要，又不增加土壤氮養分淋失風險。