沼液連續施用時間對茶園土壤性質的影響

董越勇，劉銀秀，葉波，金娟，聶新軍，范志斌

(浙江省農業農村生態與能源總站，浙江 杭州 310006)

近年來，隨著我國畜牧業規模化養殖水平的提高，大力實施畜禽養殖糞污等廢棄物無害化處理和資源化利用，已成為推進畜牧業綠色發展，增加畜產品有效供給，實現農業農村生態建設與環境保護，促進農村經濟社會發展的重要基礎建設。畜禽養殖糞污作為一種農業有機廢棄物，具有良好的可生物降解性。建設發展農村沼氣特別是養殖場規模化沼氣工程，既可利用厭氧發酵工藝合理、有效、集中無害化處理這些畜禽養殖糞污，解決以往散養方式畜禽養殖糞污直接排放帶來的環境問題，又可以生產沼氣，推進農村清潔可再生能源開發利用。同時，沼液作為農村沼氣厭氧發酵的副產物，含有一定量的有機質、氮、磷、鉀等農作物生長必需的營養成分和多種氨基酸、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，農田和園地施用沼液后，通過土壤吸附和植物吸收，可有效消納沼液中的有機物、氮、磷、鉀等，增加土壤有機質和其他速效養分含量，改善土壤理化性質[1-2]，減少化學肥料用量。經過多年的建設實踐，浙江省現有4 400余處農村規模化沼氣工程，總池容110多萬m3，年設計處理養殖糞污能力達到1 000多萬t，年產沼氣9 000多萬m3，折合標煤6萬多t，沼氣發電總裝機容量1.66萬kW，形成了以農村規?；託夤こ虨榧~帶，以畜牧養殖糞污無害化處理、生態消納為主要標志的“規?；竽琉B殖—規模化沼氣工程—綠色農產品基地”等多種現代生態循環農業模式，實現了畜禽養殖糞污無害化處理、資源化利用的格局，對促進現代生態循環農業綠色發展，保障農產品質量、品質和產量，提高農民經營效益，改善農村人居環境等都具有積極作用。沼液作為畜禽養殖糞污經沼氣工程發酵后產生的一種副產物，其養分多為速效養分，當沼液所提供的養分超過當季農作物生長所需或遭遇強降雨等突變氣候時，養分容易流失，導致河湖水體的富營養化[3]。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[4-5]。因而長期連續施用沼液的過程中，農田或園地的養分流失和重金屬積累日漸成為關注的一個熱點[5]。國內有關專家學者已開展了多年施用沼液對土壤質量[5-8]、土壤微生物及酶活性[6,9]及重金屬污染[2,5]等方面的研究，所涉及研究的作物包括水稻、油菜、蔬菜和果樹等。然而，這些研究中沼液施用的年限大多為2～3 a，且所涉及的作物種類也不夠全面。由于茶園大多位于丘陵山坡園地上，茶園通過施用沼液，既為茶樹提供了其生長必需的養分及活性物質，又為茶葉生產補充并節省了大量的灌溉用水，茶園施用沼液已成為生態消納沼液的最佳途徑與方式之一。綜上，本文擬研究不同年限連續施用沼液對茶園土壤化學與生物化學性質的影響，探討不同年限連續施用沼液后茶園土壤理化性狀和肥力主要指標的變化趨勢，評估茶園不同年限連續施用沼液后土壤N和P的流失風險，以期為建立茶樹科學施用沼液體系、培肥茶園土壤提供數據支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地設在浙江省湖州市吳興區埭溪鎮茅塢村(30°69′85″N，119°99′58″E)，海拔60 m。試驗地屬典型的亞熱帶季風氣候，四季分明，年均氣溫16.3 ℃，年降水量1 304 mm，年無霜期280 d。試驗區屬低山丘陵區，母巖為粉砂巖，土壤為紅壤土類，黃紅壤亞類。茶園種植歷史在8 a以上。近年來茶園推廣有機肥替代化肥技術，施用沼液替代復合肥。沼液每年施用量60 t·hm-2，分4次施用，以滴灌形式施入，最長連續施用時間為4 a。供試沼液養分含量在施用前經檢測指標分別為pH 6.80、總磷0.4 g·L-1、總氮0.3 g·L-1、總鉀0.8 g·L-1。

1.2 試驗處理與采樣

2020年4月在土壤條件較為一致的茶園選擇4個采樣區，每個采樣區均包含沼液施用時間分別為0、2、4 a的地段，共12個采樣地段。每個地段用蛇型法多點釆集0～30 cm的土樣，共采集12個混合土壤樣品，即3個處理4次重復。土樣釆好后去除大石塊和草本、根系后帶回室內分成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晾干，并研磨分別過2和0.15 mm篩孔篩子備用，供土壤化學性質的測定。

1.3 土樣分析

土壤分析方法如下：土壤pH的測定在土水比=1∶2.5情況下使用電極法測定；土壤有機質的測定使用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮的測定使用克氏法；土壤水解氮的測定使用擴散法；土壤銨態氮的測定使用靛酚藍比色法；土壤有效磷的測定使用鹽酸氟化銨浸提，鉬銻抗比色法；土壤速效鉀的測定使用醋酸銨浸提，火焰光度法；土壤全磷的測定使用酸溶鉬銻抗比色法；土壤全鉀的測定使用三酸消解火焰光度法；土壤陽離子交換量(CEC)的測定使用乙酸銨浸提，蒸餾法；電導率的測定使用電導法；土壤微生物量碳、氮的測定使用氯仿熏蒸浸提法[10]。

1.4 數據統計

試驗數據采用Excel 2003和SPSS 18.0系統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 施用沼液年限對土壤化學性質的影響

茶園施用沼液2 a導致茶園土壤pH值顯著降低，但施用沼液4 a處理的土壤pH與不施沼液處理(0 a)的土壤pH值基本接近。施用沼液2 a處理土壤的有機質含量、CEC和電導率均顯著高于不施沼液處理；施用沼液4 a處理的土壤有機質含量、CEC、電導率分別提高到45.56 g·kg-1、54.1 cmol·kg-1和93.2 μS·cm-1，有機質含量和CEC在施用沼液4和2 a處理間差異不顯著，而電導率在施用沼液4 和2 a處理間差異顯著(表1)。

表1 施用沼液年限對土壤化學性質的影響

2.2 施用沼液年限對土壤養分的影響

從表2的結果可見，沼液不同施用年限的茶園土壤全氮和全磷均按如下次序遞減：4 a>2 a>0 a(不施沼液)。沼液施用4 a土壤全氮和全磷均比不施沼液處理顯著提高，而土壤全鉀含量反而比不施沼液處理略有下降，但兩者之間無顯著性差異。

表2 施用沼液年限對土壤養分的影響

茶園土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量隨沼液施用年限的變化與土壤全氮和全磷的變化十分相似，茶園施用沼液4 a土壤的堿解氮(127.6 mg·kg-1)、有效磷(59.5 mg·kg-1)、速效鉀(211.5 mg·kg-1)含量均比不施沼液處理顯著提高。茶園施用沼液處理的土壤NH4-N含量比不施沼液處理略有下降，但兩者之間無顯著性差異。

2.3 施用沼液年限對土壤化學計量比的影響

由表3可見，茶園施用沼液4 a的土壤的C∶N∶P比(18.45∶1.04∶1)低于茶園施用沼液2 a的土壤的C∶N∶P(24.48∶1.23∶1)。茶園施用沼液0 a、2 a、4 a的土壤C∶N分別為19.79、21.17、17.71，其變化的趨勢是先增后降；茶園沼液施用0 a、2 a、4 a的土壤C∶P分別為24.81、20.78、18.45，其變化趨勢為隨施用年限增加而降低；沼液施用0 a、2 a、4 a稻田土壤N∶P比分別為1.24、0.98、1.04，其變化趨勢是先降后增。茶園不同施用年限之間的土壤C∶N、C∶P和N∶P均無顯著性差異。

表3 沼液施用年限對土壤化學計量比的影響

2.4 施用沼液年限對土壤微生物量碳和微生物量氮含量的影響

從圖1的結果可見，沼液不同施用年限的茶園土壤MBC和MBN含量均按如下次序遞減：4 a>2 a>0 a。沼液施用4 a土壤MBC和MBN含量均比不施沼液處理顯著提高，但沼液施用4 a處理與0 a處理之間的差異未達顯著水平。

2.5 土壤MBC和MBN含量與土壤化學性質之間的關系

茶園土壤MBC和MBN含量與土壤化學性質之間的相關研究顯示(表4)，土壤MBC含量與土壤pH之間呈極顯著的正相關，但土壤MBN與土壤pH之間無顯著的相關性；土壤MBC和MBN含量與土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷含量及CEC之間呈顯著的正相關；其中土壤MBN含量與堿解氮含量呈極顯著的正相關；土壤MBC和MBN與土壤速效鉀含量和電導率之間無顯著的相關性。

柱間無相同英文字母者表示組間差異達顯著(P<0.05)。圖1 沼液不同施用年限對茶園0～30 cm土層 土壤化學計量比的影響

表4 MBC和MBN含量與土壤化學性狀的相關性分析

3 討論

3.1 長期施用沼液的土壤肥力演變規律

施用沼液的土壤肥力隨沼液施用年限的增加而逐漸提高[11]。施用沼液對土壤肥力包括土壤酸堿度、土壤有機質、全氮、全磷、全鉀及速效養分的含量[2,6,11]、土壤團粒結構、孔隙度及土壤容重[5]等均有影響。在安康市某養豬場農業園區設施菜田土壤施用沼液的試驗顯示[11]，土壤養分隨沼液沼渣施用年限的增加而提高，7 a后施用沼肥后的土壤中有機質(11.9 g·kg-1)、堿解氮(96.1 mg·kg-1)、有效磷(91.5 mg·kg-1)、速效鉀(73.7 mg·kg-1)含量分別比不施沼液處理提高1.3倍、3.4倍、1.5倍、3.3倍。劉向林等[2]在山東省煙臺蓬萊市劉家溝鎮蘋果種植基地的試驗顯示，連續8 a施用雞糞沼液的0～20 cm土層有機質(20.4 g·kg-1)、堿解氮(94 mg·kg-1)和速效鉀(314 mg·kg-1)含量低于不施沼液處理，而土壤有效磷含量(50 mg·kg-1)比不施沼液處理提高11.1%。本研究結果表明，施用沼液4 a處理的土壤有機質(45.56 g·kg-1)、堿解氮(127.6 mg·kg-1)、有效磷(59.5 mg·kg-1)和速效鉀(211.5 mg·kg-1)含量高于不施沼液處理，與上述結果基本一致。綜上所述，土壤的肥力指標不僅與沼液施用年限直接有關，同時受制于試驗地的土壤肥力狀況、供試的作物種類、所施用沼液的用量和養分含量等多種因素。

3.2 不同沼液施用年限的土壤肥力演變與分級

為了更精準評定土壤肥力演變趨勢及確定肥力等級，必須對所研究的作物及研究地較近的土壤肥力分級指標進行評定。因為即使同為茶園，湖南省茶園所制定的土壤速效養分指標比杭州市郊的要高得多。根據文獻[12-13]茶園土壤養分分級標準，本研究未施沼液處理土壤pH、有機質和速效鉀達到高等水平外，其余指標均較低，連續施沼液2 a和4 a處理使全磷和有效磷的等級由極低提升到高等水平，全氮也由極低提高到中等水平。雖然茶園連續施用沼液4 a與2 a處理的肥力等級同屬高等水平，但各項指標數值前者比后者更高。

當各項土壤肥力指標超過極限值時，就會產生土壤N、P元素的流失，從而導致周圍水體的富營養化。在紅土丘陵地區，茶園的N和P流失比稻田更嚴重[12]。目前茶園土壤還缺乏有關N和P流失臨界值的相關研究。因此，可以將不同作物土壤速效氮和磷含量的等級指標中屬于高的速效氮和磷含量的下限值作為可能導致土壤N和P流失激增的參考值。茶園的速效氮和速效磷含量超過臨界值越高，其流失的風險就越大。本研究茶園連續施沼液2 a和4 a處理的速效磷含量比臨界值高24.3和39.5 mg·kg-1(表2)，說明土壤P存在較大的流失風險。

3.3 連續施用沼液的土壤N和P流失風險評價

應用生態化學計量學原理研究生態系統養分限制已有大量的成果。C、N、P是生態化學計量學領域研究的主要對象，而N∶P比值是植物生長養分限制的敏感指數，常被用于確定養分限制的閾值[14]。當土壤C∶N比值<30時，硝酸鹽淋溶風險高。中國濕潤溫帶土壤中C∶N為10∶1～12∶1[15]，而本研究茶園連續施用2 a和4 a沼液的土壤C∶N分別為21.17和17.71(表3)，說明濕潤溫帶土壤和本研究茶園土壤均存在較高的N流失的風險。本研究茶園連續施用2 a和4 a沼液的土壤C∶P和N∶P分別為18.45～20.78和0.98～1.04，兩者均遠低于全球(186和13.1)[16]和中國土壤(136和9.3)[17]C∶P和N∶P的平均水平。極低的C∶P和N∶P值表明土壤P的大量累積，從而可能導致較大的土壤P流失風險。2002—2017年，太湖地區茶園N投入量增加4.89×106kg·a-1，增幅為71%，P投入量增加53×106kg·a-1，增幅為194%[18-19]，進而佐證了本研究茶園土壤N、P可能存在較大流失風險的推論。

4 小結

由于茶園土壤肥力變化、質量狀況等是直接受茶園立地條件、成土母質、農業氣候、農藝措施等因素綜合影響的一個長期演進過程。沼液的長年連續施用，其養分在茶園土壤中的運轉與積累或削減也是緩慢作用的過程。應組織開展10 a以上的茶園土壤長期定位試驗與動態監測，方可探求長期連續施用沼液對茶園土壤理化性狀、土壤肥力、地力等級等方面的綜合影響，從而得出比較符合生產實際的科學結論，進而建立起茶樹科學施用沼液技術體系。從本文現有茶園連續施用沼液4 a后其土壤化學與生物化學性質影響相關指標差異性的初步評判，土壤肥力等級極低的茶園土壤連續施用2 a沼液后可達到高等的肥力等級，連續施用沼液4 a處理的土壤各項指標比不施沼液處理均有顯著性提高，并且從土壤速效養分含量以及化學計量比的角度顯示，土壤N和P存在較大的流失風險。由此，為控制茶園長年連續施用沼液所造成的養分流失風險，提高沼液資源化綜合利用水平，應加強生態攔截溝渠系統等農田基礎設施建設，采取測土配方、肥水管理等綜合農藝技術措施，大力發展茶園現代生態循環系統。在中等、低等土壤肥力水平的茶園施用沼液時，可采取與有機肥配施、種植綠肥等集成措施，土壤肥力較高茶園施用沼液時應適當減施、少施。