沼液用量對設施土壤養分和鹽分累積與遷移的影響

郭全忠，葛一洪, 龔曉松，王秋利

(1.安康學院 旅游與資源環境學院，陜西 安康 725000；2.農業農村部沼氣科學研究所，四川 成都 610041)

隨著規模化養豬業的快速發展，養豬場糞尿、污水等廢棄物得不到最佳處理導致環境污染問題突出[1,2]，近年來，沼氣工程在規模養殖場的推廣應用，為規模養豬場糞污的無害化和資源化處理提供了新途徑，產生的沼液和沼渣因含有大量的有機物質和氮、磷、鉀等營養成分，作為優質肥料普遍應用于農業生產中[3]，施用于農田對改善土壤質地，提高農產品產量和質量效果明顯[4,5]，所以常把沼液和沼渣作為沼肥施用于農田。由于缺少合理的技術指導，沼肥盲目施用的現象普遍存在[6]，長期盲目施用以畜禽糞便為發酵原料所產生的沼液，存在使農田重金屬累積超標的風險，從而導致農田系統生態功能下降，引發環境安全問題[7]。合理循環利用這些有機廢物中的養分資源不僅可節約大量化肥，而且可以有效提高養分利用，避免產生農田面源污染[8,9]。

安康市地處漢江中上游地區，是南水北調水源涵養區,保護一江清水供京津已成為當地政府的一項政治任務。近年來隨著點源污染控制技術水平提升，以規模養豬場為主廢棄物排放為主的農業面源污染成為漢江水體最為重要的污染源之一[10]。為有效控制此類污染，安康市政府從2008年后開始在規模養豬場中大力推廣“豬-沼-菜”循環農業模式，即按養豬場規模配套建設沼氣工程，沼氣發酵產生的沼液和沼渣作為肥料，以減少養豬場廢棄物對環境的影響，取得了一定的效果。但由于施用量控制不當，部分養豬場菜田土壤開始出現板結、蔬菜產量下降、病害加劇等問題。筆者研究選擇了安康市某大型養豬場“豬-沼-菜”循環農業園區設施菜田作為研究對象，連續進行3 a定位試驗，研究化肥用量較常規施肥量減半的條件下，不同用量沼肥與化肥配合施用對設施菜田土壤養分和鹽分含量的累積與遷移的影響，分析其存在的環境風險，為合理施用沼肥提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于安康市某“豬-沼-菜”農業示范園區，園區的養豬場平均年出欄生豬48萬頭，日產糞量8 200 kg，建有大型沼氣池3個，可處理糞便90 t/d，所產沼氣主要用于發電。為解決沼液沼渣排放問題，該養豬場于2010年開始將周邊農戶土地進行流轉，首批流轉233 hm2坡地進行土地整理后建塑料大棚種植設施蔬菜，種植蔬菜主要為番茄、黃瓜、青椒、茄子及部分特色蔬菜品種。于2011年開始將養豬場沼液沼渣采用漫灌和溝灌結合的方式部分替代化肥施用，年施用沼液沼渣混合液400～1 500 m3/hm2，平均約600 m3/hm2。試驗地土壤類型為黃棕壤，種植前耕層(0～20 cm)土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量背景值分別為28.5 mg/kg、60.2 mg/kg和22.3 mg/kg，有機質含量9.37 g/kg，pH6.37，電導率0.063 8 ms/cm。

1.2 試驗設計

試驗共設4個處理，其中處理A：全部施用化肥+常規灌水量5 000 m3/hm2，化肥用量按當地常規施肥量,常規施肥量每年根據種植蔬菜作物由園區確定，施肥量控制在N∶P2O5∶K2O為500～600∶450～550∶400～500 kg/hm2范圍；處理B：每年施400 m3/hm2沼肥(園區沼肥最小施用量)+50%常規化肥施用量+常規灌水量4 600 m3/hm2；處理C：每年施800 m3/hm2沼肥(園區沼肥最大施用量的1/2)+50%常規化肥施用量+灌水量4 200 m3/hm2；處理D：每年施1 600 m3/hm2沼肥(園區沼肥最大施用量)+50%常規化肥施用量+灌水量3 400 m3/hm2；考慮灌水量對養分在土壤剖面的影響，每個處理以沼肥用量抵扣相同體積灌水量，保證各處理總灌水量基本相同。

考慮到土壤中養分與鹽分累積與遷移是一個長期過程，故以連續三年作為一個研究時段，同時考慮到當地沼肥采用了溝灌方式施用，為減小因沼肥橫滲對相鄰小區土壤的影響，于2018年3月始，在試驗區選擇4個面積在400 m2左右、土壤肥力一致的大棚為供試地，分別作為處理A、B、C和D試驗地，每棚用灌溉溝分成3個小區，分別作為3個重復。各處理大棚3年中以番茄、黃瓜和青椒輪作，但同一種植季4個大棚中種植相同的蔬菜。施肥時期各處理也均保持一致，不同用量按比例分配。

2020年12月，大棚蔬菜采收結束后，用取土鉆采集不同處理的土壤剖面土樣 ,四個處理中每小區選擇3個取樣點分層采集土壤樣品，采樣深度0～100 cm(按每層 20 cm深度取樣)。分層測定土壤中堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質、電導率、全銅、全鋅含量，每個處理各采樣點不同土層測定數據取算術平均值作為最終測定結果。

1.3 測定項目及方法

不同土層土壤樣品中堿解氮含量采用堿解擴散法測定，有機質含量用重鉻酸鉀-硫酸法消煮，外加熱法測定；速效鉀的含量采用乙酸銨溶液浸提,用AA1700型原子吸收分光光度計測定[11]；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定[12]；全銅和全鋅采用高氯酸—硝酸—氫氟酸消化, 用AA1700型原子吸收分光光度法測定[13]；電導率用DDS-307型電導率儀測定，m(土)∶V(蒸餾水)=1∶5[14]

1.4 數據分析

利用 Microsoft Excel 2003軟件進行統計分析、計算和繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤剖面堿解氮累積與遷移的影響

由圖1可以看出，0～20 cm土層中，處理A、B、C和D堿解氮含量分別為82.33 mg/kg、58.87 mg/kg、75.65 mg/kg和125.8 mg/kg,三個沼肥處理B、C和D的堿解氮含量隨著沼肥施用量的增加而增加，處理A的堿解氮含量介于處理C和處理D之間。說明在化肥用量減半的條件下，當沼肥施用量達到800 m3/hm2以上時，0～20 cm土層堿解氮含量與化肥接近，當沼肥施用量達到1 600 m3/hm2以時，土壤剖面堿解氮含量是當地常規施用化肥0～20 cm土層堿解氮含量的1.53倍。

圖1 不同處理對土壤剖面堿解氮累積與遷移的影響

各處理土壤堿解氮含量均隨著土壤剖面深度的增加而降低，20～100 cm土壤剖面各土層中，處理A、B、C土壤堿解氮含量較為接近，處理D各土層堿解氮含量均高于其它3個處理。20～100 cm土層中，處理D的堿解氮含量是處理A的1.69倍，處理D的土壤堿解氮向土壤剖面深層遷移明顯。

漢江安康段是南水北調重要的水源涵養地，氮是導致水體富營養化的最主要因素之一，水體中氮含量增加，使得水體營養物質增加，不利于水循環系統發揮自凈作用。漢江是丹江口水庫總氮負荷的首要來源，主要原因是居民區畜禽糞便等污染物，易隨地表徑流沖至河道和農田當中[15～16]，大量研究認為沼液、沼渣部分替代化肥對提高農作物產量和品質，提高土壤氮素養分，改良土壤性質有顯著的效果[17～18]。但對過量施用沼肥引起的土壤氮素累積及其在土壤剖面中遷移進而對地下水環境的影響研究報道相對較少。從研究發現，當沼肥年施用量超過800 m3/hm2時，氮素在土壤剖面的累積及向深層遷移進而進入水體的風險顯著加大。

2.2 不同處理對土壤剖面有效磷累積與遷移的影響

從圖2可知，0～20 cm土層中，處理A、B、C和D有效磷含量分別82.33 mg/kg、58.87 mg/kg、65.65 mg/kg和125.76 mg/kg，隨著沼肥施用量的增加，土壤有效磷含量相應增加，說明沼肥施用對增加土壤有效磷養分含量有明顯效果。與處理A相比，0～20 cm土層中，處理D的速效磷含量最大，是處理A的1.53倍，處理B和C較低。20～100 cm土層中，隨著深度的加深有效磷含量呈快速下降趨勢，A、B和C三個處理各土層有效磷含量較為接近，處理D各土層均高于另行個處理，處理D的有效磷向深層遷移的趨勢更加明顯。

圖2 不同處理對土壤剖面有效磷累積與遷移的影響

2.3 不同處理對土壤剖面速效鉀累積與遷移量的影響

從圖3可以看出，0～20 cm土層中，處理A、B、C和D的速效鉀含量分別為225.8 mg/kg、147.6 mg/kg、199.6 mg/kg和236.3 mg/kg，隨著沼肥用量的增加，各處理0～20 cm土層中速效鉀含量也相應增加。與處理A相比，處理B和C低于處理A，但處理D較處理A高4.7%。20～100 cm土層中，各處理速效鉀含量呈快速下降趨勢，各處理速效含量均表現為處理D>處理A>處理C>處理B。鉀在土壤中向深層遷移也隨著沼肥施用量的增加而增加。

圖3 不同處理對土壤剖面速效鉀累積與遷移的影響

關于土壤鉀含量累積與遷移對土壤及地下水環境影響方面的報道尚少，但不合理施用鉀肥會對土壤鉀營養平衡產生不利影響[21], 土壤鉀素含量過高、表觀盈余過多、導致鉀素資源浪費[22]，筆者研究中，當每年施用沼肥1 600 m3/hm2量替代50%常規化肥用量三年后，耕層土壤速效鉀含量超過常規施用化肥，說明沼肥的施用對提高土壤鉀素含量有較顯著效果，此結果與李文濤、王輝等[23,24]的研究結果基本一致。

2.4 不同處理對土壤有機質含量的影響

土壤有機質是衡量土壤肥力的重要標志，有機質含量的積累和活化可提高土壤的生產力。從圖4看出，施用沼肥的話個處理B、C和D在0～20 cm土層和20～40 cm土層有機質含量均高于處理A，且隨著沼肥施用量的增加有機質含量相應增加。由于研究區域土壤有機質含量背景值較低，小于10 g/kg，而處理D在0～20 cm土層中的有機質含量是處理A的1.66倍，說明大量施用沼肥對增加土壤有機質含量，培肥地力有明顯效果，但土壤有機質增加速度和幅度明顯低于堿解氮、速效磷和有效鉀，可能與沼液沼渣中有機質質量分數較低有關。

圖4 不同處理對土壤有機質含量的影響

沼液中溶解性有機質可與土壤中重金屬離子形成絡合物，降低植物對重金屬的吸收率[25]，土壤有機質含量增加有利于促進土壤團聚體的形成[26]，隋好林等[4]采用沼液滴灌番茄試驗結果發現，隨著沼液施用量的增加，土壤營養得到改善，土壤微生物總量不斷提高，番茄產量和營養品質也呈現不斷提高；筆者研究與鄂利鋒等[27]的研究結果較為相似。但長期施用沼液對土壤微生態平衡及土壤質量存在潛在威脅[28]。說明施用沼肥在增加土壤有機質含量的同時，其對土壤生態系統的影響不容忽視。

2.5 不同處理對微量營養元素銅和鋅累積量的影響

銅、鋅是作物必需的微量營養元素，過量會對作物產生毒害作用。養豬場為了提生產效益，在飼料中添加了銅、鋅等微量元素，這些元素會超標導致糞便中殘留提高[29]。由于豬對飼料中的銅、鋅等元素不能完全吸收，用豬糞生產沼氣產生的沼液沼渣中會殘留一定量的銅和鋅元素，這些沼液沼渣施用在農田中會對土壤中銅和鋅的含量產生影響。

2.5.1 不同處理對土壤中全銅含量的影響 從圖5可知，與處理A相比，B、C和D三個處理0～20 cm土層中全銅含量均高于處理A，且隨著沼肥施用量的增加而增加，其中處理D全銅含量達94.10 mg/kg，是處理A的1.61倍。20～40 cm土層中全銅含量也隨沼肥施用量的增加而增加，但不同處理間的增幅較小。說明增加沼肥用量對土壤全銅含量的影響主要集中在0～20 cm土層中，20 cm以下土層影響較小。

圖5 不同處理對土壤全銅含量的影響

2.5.2 不同處理對土壤中全鋅含量的影響 由圖6可以看出，3個沼肥處理0～20 cm和20～40 cm土層中全鋅含量均高于不施用沼肥處理A，且隨著沼肥用量的增加全鋅含量相應增加，B、C和D三個處理0～20 cm土層全鋅含量分別是處理A的1.08、1.22、1.54倍。20～40 cm土層中全鋅含量隨沼肥用量的增加也有較明顯增加，處理D全鋅含量是處理A的1.98倍。沃惜慧等[30]研究認為，隨著有機肥施用年限的增加，土壤鋅污染風險隨之增強。過量施用沼肥對土壤鋅污染風險也應引起重視。

圖6 不同處理對土壤全鋅含量的影響

2.6 不同處理對土壤剖面可溶性鹽累積與遷移量的影響

土體電導率直接反映了土體中污染物的濃度,通過監測土體電導率可以監測土體的污染程度[31]。鹽分的過度累積會導致土壤鹽漬化，造成土壤發生次生鹽漬化的主要原因是不合理施肥、種植及管理模式等人為外在因素[32]。從圖7可知，0～20 cm土層和0～20 cm土層土壤電導率均隨著沼肥施用量的增加而增大，各處理電導率大小表現為處理D>處理C>處理A>處理B，處理D0～20 cm土層和0～20 cm土層土壤電導率分別是處理A的1.48倍和1.61倍，說明沼肥施用對增加土壤鹽分含量較化肥更明顯。40 cm以下土層中，三個沼肥處理電層率均高于處理A，從處理B超過處理A可以初步認為沼肥施用會增加土壤中鹽分向土壤深層遷移量。

圖7 不同處理對土壤剖面電導率的影響

3 結論

規模養豬場廢棄物沼氣化處理是研究區最主要的技術措施，產生的沼液和沼渣作為肥料大量應用于農田或林地，對實現養殖場廢棄物無害化與資源化利用具有很好的作用。由于土地資源的限制，大部分規模養豬場配套土地資源非常有限，導致各養豬場產生的大量沼液沼渣過量排放于土地中，產生的生態環境污染風險不容忽視。沼肥的合理施用無疑會對改善土壤理化性質，提高土壤肥力具有積極的作用，筆者研究發現，隨著沼肥施用量的增加，土壤剖面中堿解氮、有效磷、速效鉀、有機能質及微量營養元素全銅、全鋅均相應增加，這些結果與前人研究結果基本一致。

研究還發現，隨著沼肥施用量的增加，土壤中氮、磷、鉀等養分向土壤剖面深層遷移量也相應增加，當每年沼肥用量超過800 m3/hm2以上時，各養分的累積與遷移量均超過當地常規化肥用量，特別是氮、磷元素在耕層累積及向深層遷移均會對當地水體產生富營養化風險。過量施用沼肥還會引起土壤剖面中鹽分含量的累積，會引起土壤鹽漬化問題。從本研究結果看，建議規模養豬場以沼氣技術應用于處理養豬場廢棄物時，進一步加大配套土地面積，將每年沼肥施用量控制在800 m3/hm2以下。