沼液與化肥配施對水稻生長及土壤質量的影響

魏 飛，李永杰，孫琪瑋，徐曉燕，王小波*

（1.天津農學院 農學與資源環境學院，天津 300392；2.天津農墾渤海農業集團有限公司，天津 301800）

0 引 言1

【研究意義】隨著規模化畜禽養殖場、沼氣工程的發展，沼液產量日益遞增，目前年產量已超過16億t。大量沼液如不能合理應用，一方面會造成環境污染，另一方面則引起資源浪費，同時也制約禽畜養殖業和沼氣工程的發展[1]。沼液富含氮磷鉀等植物生長需要的營養元素，其中氮素以氨態氮為主，還含有有機質、氨基酸、維生素等多種活性物質和鋅、鐵、銅、錳、鈣等中微量元素，是一種良好的土壤改良劑和有機肥料[2]。因此研究沼液合理還田利用，可使養殖業糞污處理更加效率化和低廉化[3]，同時減少農業生產中化肥施用，促進我國農業種養結合循環發展。

【研究進展】歐盟多國采取沼液貯存后作為肥料利用，實現沼液的田間消納利用[4]，澳大利亞不但將沼液用于農田施肥，而且還施用于草地[5]。我國也有將沼液還田用于種植大麥、水稻、油菜等作物，侯福銀等[6]研究發現，沼液施用量為612 t/hm2時，水稻的產量和品質最好，沼液施用量超過816 t/hm2時，水稻產量下降。黃翔等[7]研究發現，沼液施用可提高水稻產量，施用量300 m3/hm2時水稻產量最高。李金澄等[8]研究表明，沼液用量為450 t/hm2時玉米產量最高，過量施用產量降低。不同作物-土壤系統對沼液的消納、承載能力不同[9]，即使同一種作物因地域氣候不同對沼液的最佳用量也不同，不合理施用會降低土壤質量，影響作物生長[10]。水稻作為我國最主要的糧食作物之一，2022 年全國早稻種植面積為475.51 萬hm2[11]，將沼液安全合理還田用于水稻種植可消納大量的沼液[12]，促進沼液資源化利用。【切入點】沼液還田種植水稻在南方研究較多，在北方結合當地的傳統施肥模式明確最佳的沼液與化肥配施模式的研究還鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】為此，2021—2022年進行大田試驗，研究不同沼液配合化肥施用對當地水稻生長及土壤質量的影響，以期為沼液在本地區水稻種植上的合理應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在天津市寶坻區天津農墾小站稻產業發展有限公司的水稻田（117.55°E，39.69°N）進行。試驗稻田在2010—2020 年每年種植1 茬水稻，但并未施用過沼液。每個試驗區均有單獨進水口以及排水口，為防止串肥各區用聚苯乙烯塑料薄膜包裹田埂隔離。試驗田土壤為潮土，土質為輕質黏土。試驗田土壤有機質量為24.1 g/kg，堿解氮量、有效磷量、速效鉀量分別為97.08、18.03、231.78 mg/kg，pH 值為7.91，EC值為465.2 μS/cm。

試驗品種為津原89，常規粳稻品種，由天津市原種場選育，該品種產量高、抗病性強，為天津主栽品種。試驗沼液采集自天津市寶坻區某奶牛場。2021 年試驗沼液理化性質：總氮量、總磷量、總鉀量分別為1 445.05、244.17、939.26 mg/L，pH 值為7.20、EC值為11.89 mS/cm，總固體懸浮物（TS）為15.95 g/L，COD 為12 780.60 mg/L。2022 年試驗沼液理化性質：總氮量、總磷量、總鉀量分別為1 547.58、295.73、1 028.63 mg/L，pH 值為7.21，EC 值為11.32 mS/cm，總固體懸浮物（TS）為15.90 g/L，COD 為14 593.4 mg/L。

1.2 試驗設計

試驗于2021 年5 月—2022 年10 月進行，小區面積為33 m×40 m，以當地傳統全化肥處理為對照（CK），設置了2 種沼液用量（150、300 m3/hm2）、3 種化肥用量（全化肥處理用量的25%、50%、75%）、2種追肥次數（2次、3次），具體為：T1（150 m3/hm2+25%化肥+3 次追肥）、T2（150 m3/hm2+25%化肥+2 次追肥）、T3（150 m3/hm2+50%化肥+3 次追肥）、T4（150 m3/hm2+50%化肥+2 次追肥）、T5（150 m3/hm2+75%化肥+3 次追肥）、T6（150 m3/hm2+75%化肥+2 次追肥）、T7（300 m3/hm2+25%化肥+3 次追肥）、T8（300 m3/hm2+25%化肥+2 次追肥）、T9（300 m3/hm2+50%化肥+3 次追肥）、T10（300 m3/hm2+50%化肥+2 次追肥）、T11（300 m3/hm2+75%化肥+3 次追肥）、T12（300 m3/hm2+75%化肥+2 次追肥），共計13 個處理。具體施肥方案見表1。試驗沼液做基肥，在水稻幼苗移栽之前30 d 采用運輸車和噴頭均勻噴灑施入，施入沼液后翻耕，翻耕深度為20 cm，基肥復合肥26-10-12（復合肥含N 量26%，含P2O5 量10%，含K2O 量12%）在水稻植株移栽之前5 d 施加。試驗2次追肥分別作為分蘗肥、穗肥施用，試驗3 次追肥分別作為分蘗肥、穗肥、粒肥施用。3 次追肥處理中第1 次、第2 次追施尿素，第3 次追施復合肥18-18-18（復合肥含N 量18%，含P2O5量18%，含K2O 量18%），2 次追肥處理每次都追施尿素+復合肥18-18-18。根據水稻植株的生長發育時期以及植株生長狀況施肥。2021年機器插秧種植時間為5月17日，收獲時間為10 月27 日；2022 年機器插秧種植時間為5 月15 日，收獲時間為10 月28 日。

表1 沼液還田試驗各處理施肥方案Table 1 Fertilization scheme for experimental treatment of biogas slurry returning to field

1.3 測定項目與方法

水稻收獲當天，采取網格取樣法在試驗小區內取0～20 cm 耕層內土壤樣本9 個點，取樣混合均勻，土壤風干后研磨過篩。水稻全部收獲后，測產，每個處理隨機取樣5 kg，用于稻米品質分析。

土壤pH值使用水土比2.5∶1 浸提，pH計（賽多利斯 PB-30）測定；電導率使用5∶1 水土比浸提，電導率儀（雷磁DDSJ-308A）測定；使用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質量；使用堿解擴散滴定法測定土壤堿解氮量；使用碳酸氫鈉提取鉬藍比色法測定土壤有效磷量；使用乙酸銨提取火焰光度計法測定土壤速效鉀量；使用苯酚鈉比色法測定脲酶活性；使用磷酸苯二鈉比色法測定磷酸酶活性[13]。使用食味分析儀（型號：RL TA10B2-K，廠家：SATAKE）進行食味值測定。

1.4 數據處理

使用Excel 2016 處理試驗數據并繪制相關圖表。使用SPSS Statistics 23 進行方差分析及多重比較分析。方差分析顯著性水平均為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 沼液配合化肥施用對稻米產量的影響

不同沼液配合化肥施用對水稻產量的影響如圖1所示，2021 年T7 處理產量最高，為9.88 t/hm2，T2處理產量最低，為8.0 t/hm2，各處理中T5、T6、T7、T8 處理產量較CK 分別提高了3.0%、4.3%、4.4%、1.7%；與CK 相比，T1、T2、T3、T4、T9、T10、T11、T12 處理產量降低了1.5%～15.8%。在150 m3/hm2沼液處理中，隨著化肥用量增加，水稻產量增加；而在300 m3/hm2沼液處理中，隨著化肥用量增加，水稻產量降低。3 次追肥處理產量都高于2 次追肥處理，增幅為0.2%～7.5%。

圖1 2021—2022 年不同處理水稻產量Fig.1 Rice yield under different treatments from 2021 to 2022

2022 年T3 處理產量最高，為10.4 t/hm2，T2 處理產量最低，為8.5 t/hm2。與CK 相比，T3、T4、T5、T7 處理產量提高了4.9%、2.8%、0.8%、2.8%，而T1、T2、T6、T8、T9、T10、T11、T12 處理產量降低了0.4%～13.8%。3 次追肥處理產量都高于2 次追肥處理，增幅為1.3%～9.5%。

2.2 沼液配合化肥施用對稻米食味值的影響

不同沼液配合化肥施用對稻米食味值的影響如圖2 所示，圖中不同小寫字母表示同年份各處理間差異顯著（P<0.05），下同。2 a 中都是T2 處理的食味值最高，顯著高于T9、T10、T11、T12 處理，但T2處理與CK 無顯著差異。2021 年各沼液施肥處理稻米食味值與CK 均無顯著差異，2022 年各沼液施肥處理中T6、T9、T10、T11、T12 處理都顯著低于CK，較CK 降低了3.0%～4.8%，其余處理與CK 無顯著差異。整體2 a 試驗中隨著沼液和化肥用量增加稻米食味值有降低趨勢。

圖2 2021—2022 年不同處理稻米食味值Fig.2 Taste value of rice under different treatments from 2021 to 2022

2.3 沼液配合化肥施用對土壤理化性質的影響

由表2 可知，2021 年各處理間土壤pH 值無顯著差異，2022 年僅T11 處理土壤pH 值顯著低于CK，其余處理間無顯著差異。施用沼液提高了土壤有機質量，150 m3/hm2沼液處理土壤的有機質量較CK 提高了7.1%～23.8%，300 m3/hm2沼液處理土壤有機質量較CK 提高了21.2%～52.4%，化肥用量和追肥次數對土壤有機質量無顯著影響。施用沼液和化肥提高了土壤EC值和堿解氮量、有效磷量、速效鉀量，相同沼液用量下隨著化肥用量的增加，土壤EC值和堿解氮量、有效磷量、速效鉀量提高；相同化肥用量下隨著沼液用量增加，土壤EC值和堿解氮量、有效磷量、速效鉀量提高。各沼液施肥處理中T9、T10、T11、T12 處理土壤EC值、堿解氮量、有效磷量、速效鉀量都顯著高于CK；T1、T2、T3、T4 處理土壤EC值顯著低于CK；T1、T2 處理的堿解氮量、有效磷量、速效鉀量都顯著低于CK；T3、T4 處理的堿解氮量與CK 無顯著差異，而2021 年T3、T4 處理的有效磷量、速效鉀量與CK 相比無顯著差異，但在2022 年均顯著高于CK。

表2 不同處理對土壤理化性質的影響Table 2 Soil physical and chemical properties under different treatments

2.4 沼液配合化肥施用對土壤酶活性的影響

由圖3 可知，2021 年在150 m3/hm2沼液處理中土壤脲酶活性隨化肥用量的增加而提高，其中T5、T6 處理顯著高于T3、T4 處理，T4 處理顯著高于T2處理，而在300 m3/hm2沼液處理中，T7、T8、T9、T10、T11、T12 處理間無顯著差異。150 m3/hm2沼液處理中土壤脲酶活性除T2 處理外都顯著高于CK，而300 m3/hm2沼液各處理與CK 無顯著差異。相同化肥用量處理中，150 m3/hm2沼液施用量中T4、T5、T6 處理土壤脲酶活性均顯著高于300 m3/hm2沼液施用量中相同化肥用量的T10、T11、T12 處理。2022年T9、T10、T11、T12 處理的脲酶活性都顯著高于其他處理，T1、T2 處理的脲酶活性顯著低于CK，其他處理間無顯著差異。相同沼液用量下，隨著化肥用量增加土壤磷酸酶活性提高；相同化肥用量下，隨著沼液用量的增加土壤磷酸酶活性也提高。2 a 試驗中T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12 處理土壤磷酸酶活性較CK 顯著提高了10.6%～42.4%。

圖3 2021—2022 年不同處理對土壤酶活性的影響Fig.3 Effect of different treatments on soil enzyme activity from 2021 to 2022

3 討 論

沼液為養殖業糞污厭氧發酵而得，其中有機物、氮、磷、鉀、鋅、鐵、銅、鈣等植物生長所需的營養元素含量豐富[14]，可作為肥料還田利用。黃旭[15]研究表明，沼液灌溉可以提高稻麥輪作生產中土壤肥力，豐富土壤微生物多樣性，有利于提高作物產量。楊繼昌等[16]研究表明，施用沼液提高了作物對土壤養分的利用效率，增強了作物抗逆性，改善了作物品質。但沼液本身所含養分有限，尤其是氮磷鉀大量元素不能完全滿足作物生長需求，需要與化肥配合施用[17]。本研究中沼液與化肥配合施用，隨著沼液用量的增加，土壤有機質量提升，隨著沼液和化肥用量比例的增加，土壤堿解氮量、有效磷量、速效鉀量上升，這與楊詩貴等[18]研究結論一致。且沼液用量為300 m3/hm2時，化肥用量達到傳統施肥量的50%時，2 a 中土壤堿解氮量、有效磷量、速效鉀量都超過了CK。

施用沼液可改變土壤微生物群落結構，為微生物的繁殖營造良好的生存條件，從而提高土壤酶活性[19]。萬海文等[20]研究發現，沼液做追肥施用使土壤的過氧化氫酶活性、堿性磷酸酶活性和脲酶活性提高。黃繼川等[21]研究發現，在稻田連續施用2 次沼液后土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性比CK 提高了13.0%～31.35%，比常規施肥處理提高了28.74%～42.11%。本研究中隨著沼液用量和化肥用量增加土壤磷酸酶活性提高，而且當沼液用量為150 m3/hm2配合75%化肥和300 m3/hm2的沼液用量處理土壤磷酸酶活性都顯著高于CK。2022 年沼液用量的增加提高了土壤脲酶活性，而2021 年隨沼液用量的增加，土壤脲酶活性降低，可能是因為2021 年過量沼液施用影響了部分土壤微生物的性能，而2021—2022 年連續施用沼液改善了土壤環境，故2022 年沒有對脲酶產生負面影響。

沼液養分豐富，可增強植物光合速率，促進植物器官發育[22]。適當施用沼液對水稻的生長具有明顯的促進作用，提高水稻的產品和品質，但過量施用沼液會導致作物出現徒長的現象，而且在使用不當的情況下還會影響根系的發育，從而使作物的葉片出現發黃和凋萎等情況，造成作物減產[23]。王康等[24]研究表明，水稻施用沼液總量為210 m3/hm2時，水稻產量提高22.2%。侯福銀等[6]研究表明，沼液施用量為612 t/hm2時，對秈稻產量和品質有較大的提升作用，但沼液施用量超過816 t/hm2時，秈稻的產量下降。不同研究沼液最大用量不同，這可能與沼液的理化性質不一樣有關，還可能與水稻品種、田間氣候差異等有關。沼液還田種植水稻時，必須減少化肥的施用量，防止養分過量供給[25]。本研究發現，沼液和化肥施用不足（150 m3/hm2沼液+25%的化肥）降低了水稻產量，而過量施用（300 m3/hm2沼液+50%化肥、300 m3/hm2沼液+75%化肥）同樣降低了水稻的產量和食味值，適量的沼液和化肥配合施用：2021 年300 m3/hm2沼液+25%化肥+3 次追肥、150 m3/hm2沼液+75%化肥+2次追肥，2022 年150 m3/hm2沼液+50%化肥+3 次追肥與純化肥處理相比都提高了水稻的產量，而食味值沒有顯著差異。同時3 次追肥處理對水稻增產的效果總體好于2 次追肥處理，說明在水稻籽粒成熟期施肥對于提高水稻的產量具有重要作用。但沼液與化肥配施的最佳用量，與當地的自然條件如降水、氣溫等密切相關，所以在沼液還田利用過程中應根據種植作物、當地氣候、沼液特性等條件而確定最佳用量。

在現代的畜牧業發展中大量飼料添加劑使用于畜禽養殖業中，使得畜禽糞污中殘留有大量的鹽基離子，過量的沼肥施用會導致土壤鹽分的累積[26]，對農田土壤造成潛在的污染。本研究中沼液的施用并未產生明顯的鹽分累積效應，可能與試驗沼液中鹽基離子量較低有關，需要進行進一步、更長時間的施用驗證。

4 結 論

1）水稻栽培中沼液施用提高了土壤有機質量，沼液用量越多土壤有機質量越高。隨著沼液用量和化肥用量增加，土壤堿解氮量、有效磷量、速效鉀量、磷酸酶活性、EC值提高，而對土壤pH 值沒有顯著影響。

2）適量的沼液和化肥配施可提高水稻產量，而少量或過量施用沼液和化肥則降低了水稻產量，本試驗中300 m3/hm2沼液配合傳統化肥用量50%、75%施用降低了水稻的產量和食味值，150 m3/hm2沼液配合25%化肥用量也降低了水稻的產量。相同沼液化肥用量中3 次追肥處理的增產效果好于2 次追肥處理。

3）推薦150 m3/hm2沼液+50%～75%化肥+3 次追肥為最佳沼液化肥配合施用模式。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）