稻田長期施用沼液對土壤化學性質及碳氮磷生態化學計量比的影響

董越勇，周雪娥，葉波，劉銀秀

(1.浙江省農業農村生態與能源總站，浙江 杭州 310012；2.桐鄉市農業生態建設指導中心，浙江 桐鄉 314500)

我國畜禽養殖糞便的年排放量超過40億t，且有相當部分未經處理直接排放，對農業環境帶來極大威脅[1-2]。建設發展養殖場沼氣工程，可合理、有效、集中無害化處理這些畜禽養殖糞便廢棄物，同時產生的沼液可作為肥料，為農田土壤和農業生產提供有機物質和氮、磷、鉀等營養元素。沼液除含有豐富的氮、磷、鉀外，還含有17種氨基酸、腐殖酸、赤霉素、吲哚乙酸、玉米素等生物活性物質，可以說是一種速效、清潔、安全的高品質肥料。因而，農田中施用沼液可顯著地提高土壤質量[3-4]，提高農作物產量和品質[4-6]。由于沼液中的養分多為速效養分，因而當沼液中所提供的養分超過農作物生長所需或遭遇強降雨等突變氣候時，容易造成養分的流失，導致河湖水體的富營養化[7]。此外，畜禽養殖中使用的飼料添加劑含有Zn、Cu等，也可導致土壤中重金屬累積[8-9]。與有機肥相比，沼液在儲存、運輸、使用等環節的難度更大。稻田施用沼肥是消納沼液的最佳方式之一，稻田通過施用沼液，既為水稻提供了其生長必需的養分及活性物質，又為水稻生產補充大量的灌溉水，并節省了稻田灌溉用水[10-11]。稻田施用沼液的研究主要集中于沼液與化肥配施[12]、沼液與有機肥配施[13]、施用沼液對土壤養分的影響[14]、沼液在稻田施用的環境效應[15]、沼液施用條件下添加浮萍對稻田氮素流失和重金屬污染的影響[6,16]等方面。長期連續施用沼液對稻田土壤化學及其碳氮磷生態化學計量學特征的影響等方面的研究并未深入涉及。本文擬主要研究并敘述以下3個方面，以期為稻田科學施用沼液提供基礎數據和理論依據：研究施用沼液不同年限的稻田土壤肥力特征；探討施用沼液稻田的土壤C、N和P化學計量特征；長期施用沼液稻田土壤肥力演變趨勢和養分流失的風險。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區設在浙江省桐鄉市崇福鎮蘆母村(30°47′N, 120°39′E)，海拔50 m，屬典型的亞熱帶季風氣候，四季分明，年均氣溫16.5 ℃，降水量1 193 mm，無霜期280 d。試驗區屬海積平原，土壤為青紫泥水稻土(表1)。試驗區水稻種植歷史在20 a以上，種植制度基本為油菜—水稻2季輪作。該地水稻每年6月上旬種植，大多為直播稻，10月種植油菜。近年來試驗區稻田開始施用沼液以替代化肥，每年4月份春耕時1次性施用沼液，每667 m2施用量25 t，直接澆灌施入，連續施用沼液最長的稻田已有4 a。供試用的沼液取好后在4 ℃貯藏在PE桶內，在使用前恢復至常溫，供試沼液養分含量在施用前經檢測指標分別為：pH 7.31、全磷0.141 g·L-1、全氮14.0 g·L-1、全鉀1.38 g·L-1。

表1 施用沼液對土壤理化性質的影響

1.2 樣地設置與取樣

本研究于2020年7月17日在土壤條件較為一致稻田選擇4個采樣區，每個采樣區均包含沼液施用時間分別為2和4 a的田塊和不施沼液的田塊，在每個采樣區每個處理田塊建立采樣小區，共建立了12個采樣小區，每個采樣小區蛇型法多點釆集0～30 cm的土壤混合樣品。

1.3 土樣分析方法

釆好的土壤混合樣品帶回室內分成2份，一份鮮樣冷凍保存，供土壤酶和微生物量碳、氮測定，另一份在通風干燥處涼干，并研磨分別過2 mm和0.15 mm篩孔篩子備用，供土壤化學性質的測定。土壤分析方法如下：土壤pH，土水比=1∶2.5，使用電極法測定；土壤有機質含量使用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全氮含量使用克氏法測定；土壤水解氮含量使用擴散法測定；土壤銨態氮含量使用靛酚藍比色法測定；土壤有效磷含量使用鹽酸氟化銨浸提，鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀含量使用醋酸銨浸提，火熖光度法測定；土壤全磷含量使用酸溶鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀含量使用三酸消解火焰光度法測定；電導率使用電導法測定[16-17]。

1.4 數據統計

試驗數據采用Excel 2003和SPSS 18.0進行作圖和方差分析，并采用Duncan’s新復極差法(LSR)進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 對0～30 cm土層土壤理化性質的影響

稻田0～30 cm土層土壤養分隨沼液施用年限的變化狀況詳見表1。施用沼液導致土壤pH值顯著降低，施用沼液4 和2 a處理的土壤pH分別比不施沼液處理土壤(pH 7.22)降低0.67和0.71。不施沼液的土壤有機質含量、陽離子交換量(CEC)和電導率分別為19.71 g·kg-1、14.23 cmol·kg-1和78.5 μS·cm-1，施用沼液4 a和2 a處理的土壤有機質含量、CEC、電導率均有所提高，但只有施用沼液4 a處理與不施沼液的差異達顯著水平。

沼液不同施用年限的稻田土壤全氮、全磷和全鉀含量均依次遞減：4 a>2 a>0 a(不施沼液)，不施沼液處理的土壤全氮、全磷和全鉀含量分別為1.05、1.15和21.5 g·kg-1。施用沼液4 a土壤全氮、全磷和全鉀含量均比不施沼液顯著提高。施用沼液2 a稻田土壤全氮含量顯著高于不施沼液。沼液不同施用年限的稻田土壤速效養分含量隨沼液施用年限的變化與全量養分含量相似，不施沼液處理的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和NH4-N含量分別為64.9、75.6、99.3和42.45 mg·kg-1，施用沼液4 a的土壤上述4個速效養分含量均比不施沼液土壤顯著提高。施用沼液2 a土壤的速效養分中有效磷和NH4-N含量顯著高于不施沼液處理。

2.2 對0～30 cm土層土壤化學計量比的影響

稻田施用沼液4 a、2 a和不施用沼液的土壤的C∶N∶P比分別為8.71∶1.00∶4.84、9.61∶0.94∶1.00、10.90∶1.00∶0.96。稻田施用沼液4 a、2 a和不施用沼液的土壤C∶N比分別為10.86、9.44、11.21，其變化的趨勢是先降后增，不同施用年限的土壤C∶N比無顯著差異；稻田施用沼液4 a、2 a和不施用沼液的土壤C∶P比分別為9.96、9.72、6.25，其土壤C∶P比變化趨勢為隨施用年限增加而降低，且土壤C∶P比施用沼液4 a處理顯著低于施用沼液2 a和不施沼液；施用沼液4 a、2 a和不施用沼液的稻田土壤N∶P比分別為0.92、1.18、0.56，其變化趨勢是先增后降，且土壤N∶P比，施用沼液4 a處理顯著低于施用沼液2 a和不施沼液。本研究的稻田施用沼液4 a和不施用沼液的土壤的C∶N、C∶P、N∶P分別為10.86、9.96、0.92和11.21、6.25、0.56。

同指標柱上沒有相同英文字母表示組間差異顯著(P<0.05)。

3 小結與討論

3.1 施用沼液稻田的土壤肥力特征

沼液中含有豐富的有機物質和氮、磷、鉀等營養元素及各種氨基酸、有機酸等生物活性物質，因而沼液施用可顯著地提高土壤質量[3-4]。徐穎菲等[18]對杭嘉湖平原6 160個土壤樣本的調查分析結果顯示，土壤pH 6.35，有機質29.51 g·kg-1，全氮1.72 g·kg-1，有效磷17.7 mg·kg-1，速效鉀103 mg·kg-1。通過比較本文試驗區不施沼液處理土壤肥力狀況與同地區的杭嘉湖平原水稻土土壤，有機質和全氮含量明顯低于杭嘉湖平原的平均水平，而有效磷含量則遠高于杭嘉湖平原的平均水平。根據浙江省水稻土壤肥力分級指標的標準[19]，本研究不施沼液處理的各項土壤肥力指標均處于中、高水平。沼液不同施用年限對稻田土壤肥力的影響存在顯著差異：施用沼液2 a的土壤全量養分中只有全氮含量顯著高于不施沼液處理，速效養分中有效磷和NH4-N含量顯著高于不施沼液處理，而施用沼液4 a的土壤全量養分中全量和速效養分及其他土壤肥力指標均顯著高于不施沼液處理。本研究發現，施用沼液4 a土壤速效養分顯著提高的原因是沼液中有效態氮、磷、鉀約占全氮、全磷和全鉀含量的75%、85%和81%[20]。

3.2 施用沼液稻田的土壤C、N和P化學計量特征

水稻生產過程中需肥量較大，稻田外源性養分投入的營養元素多、途徑廣、數量大，頻次高，還具有氧化-還原過程誘發的特殊生物化學過程，導致水稻土的元素組成和化學計量特征更具易變性和復雜性。本研究的稻田施用沼液4 a和不施沼液土壤的C∶N、C∶P、N∶P分別為10.86、9.96、0.92和11.21、6.25、0.56，而湖南省110個亞熱帶區稻田土壤C∶N、C∶P、N∶P比分別為12.6、49、3.9[21]。施用沼液不同年限的水稻土C∶N差異相對較小，但C∶P和N∶P的變異很大，兩者均值也遠低于全球土壤(186和13.1)和中國土壤(136和9.3)的C∶P和N∶P的平均水平，其主要原因是稻田表土中C和N存在著緊密的耦合作用，稻田土壤的C∶P和N∶P很不穩定。通過沼液外源性投入后N和P含量的顯著升高是導致本研究土壤C∶P和N∶P降低的主要原因。

3.3 稻田施用沼液的養分流失風險及其評價

稻田消納沼液過程中的養分流失是當前沼液農用及資源化利用過程中的重要問題。當沼液中所提供的養分超過作物需要或遇強降雨時均易造成養分流失，進而導致水體的污染。稻田施用沼液所產生的氨揮發也是目前稻田生態消解沼液的環境風險之一[22]，稻田施用沼液的氨揮發損失可占總氮損失的42.2%～72.0%[23]。隨著施用沼液稻田土壤氮、磷的不斷積累，土壤氮、磷流失風險也在增加，成為農業生態循環系統中不可忽視的一個環節。稻田的肥力水平越高，養分流失的風險就越大。本研究未施沼液的土壤總體屬于中上肥力水平，但土壤有效磷含量高達75.6 mg·kg-1，顯著高于水土壤有效磷的極大值(30 mg·kg-1)。王慎強等[24]在太湖流域典型地區的宜興、常熟兩地的7個水稻土類的試驗顯示，第一個輪作周期稻季施磷沒有提高水稻產量。李艾芬等[25]對嘉興市南湖區稻田土壤養分分析表明，從1983年至2005年，全區稻田土壤有機質、全氮、有效磷和有效鉀含量分別平均增加了7.0%、4.1%、394%和11.3%。徐錫虎等[26]對嘉善縣303個耕地土壤養分的研究表明，自第2次土壤普查后20 a來，土壤pH下降了0.9個單位，有機質升高了0.39 g·kg-1，全氮平均增加了0.4 g·kg-1，有效磷平均增加了22.0 mg·kg-1，速效鉀平均增加38.7 mg·kg-1。宜興、常熟兩地水稻土磷含量也呈現隨時間推移而增加的趨勢，2009年土壤速效養分含量分別達11.6～37.3 mg·kg-1和8.03～19.8 mg·kg-1，而土壤全磷含量分別為0.39～0.72 g·kg-1和0.55～0.76 g·kg-1[24]。袁平[27]研究也證明，1982年和2000年太湖地區全氮含量分別為1.58 g·kg-1和1.79 g·kg-1，上升速率為0.012 g·kg-1·a-1，有效磷含量分別為9.80 mg·kg-1和12.91 mg·kg-1，上升速率為0.173 mg·kg-1·a-1。通過本研究施用沼液稻田的養分狀況與同一地區的養分狀況進行比較發現，無論是養分含量還是養分的累積速率，后者均比前者要高，稻田養分的含量和累積速率均與沼液施用年限相關，沼液施用4 a處理的土壤全量和速效養分含量均顯著高于沼液施用2 a的土壤(表1)。周煒等[13]在土壤基礎肥力為中等條件的盆栽試驗中發現，常規化肥處理農田氨揮發總量和徑流氮損失量分別為77.0 kg·hm-2和39.1 kg·hm-2，而100%施用沼液處理和75%沼液+25%豬糞有機肥配施處理的氨揮發量比較高，分別為120.7 kg·hm-2、88.0 kg·hm-2。謝學儉等[28]和本研究的結果均證明，稻田施用沼液面臨的養分流失風險隨施用年限的增加而提高。稻田施用沼液養分流失風險，不僅表現在土壤肥力指標和養分累積速率上，還反映在較低的土壤C∶P和N∶P。較低的C∶P、N∶P說明稻田施用沼液后存在磷素的累積，進而導致稻田磷素流失的風險。

由于土壤肥力變化、沼液養分在農田土壤中的積累等均為長期作用演變過程，為掌握長期連續施用沼液對土壤理化性狀、土壤肥力等方面的綜合影響及建立沼液科學施用體系，應組織開展10 a以上的大田長期定位試驗和動態監測，進而得出比較確切的結論。從本文現有研究對連續施用沼液4 a土壤全量和速效養分含量及化學計量比的各項指標綜合評判，在土壤肥力較高稻田上施用沼液將使土壤pH取向中性、土壤全量和速效養分的積累及C∶P、N∶P降低，上述這些變化連續施用沼液4 a的處理顯著大于連續施用沼液2 a的處理。連續施用沼液4 a的稻田土壤可能存在養分流失風險,為降低連續施用沼液稻田養分流失的風險，應加強農田生態攔截溝渠系統等農田基礎設施建設，采取肥水管理等系列農藝、生物等配套措施。在中等、低等土壤肥力水平的稻田上施用沼液時，可通過放養水生植物、與有機肥配施等系列措施，在土壤肥力較高稻田上施用沼液時應適當減量。