沼液还田对稻田土壤养分与氮循环微生物的影响

时间：2024-05-24

左狄,吕卫光,李双喜,郑宪清,张娟琴,黄仁影,张翰林*

（1安顺学院农学院，贵州 561000；2上海市农业科学院生态环境保护研究所/农业部上海农业环境与耕地保育科学观测实验站/上海市设施园艺技术重点实验室/上海市农业环境保护监测站，上海 201403）

随着我国沼气工程的建设与发展，产生大量沼液，因其含有大量养分物质及微量矿物质元素，已被多层次、多种类地应用于灌溉、浸种、无土栽培、病虫害防治及饲料添加剂等方面［1-3］。目前我国已在粮食作物、蔬菜、水果等种植中施入沼液肥，许多学者展开了相关的研究和应用，认为沼液灌溉能有效提高油菜还原糖和维生素C含量，促进番茄提前开花结果、减轻病虫害，提高番茄品质和产量［4-6］。唐华等［7］研究证明：沼液灌溉对一年生黑麦草全氮、全磷、全钾含量及电导率均有提升作用，其中全氮增加极显著。也有研究验证施用沼液能降低土壤容重、有效改善土壤孔隙度和pH，增加土壤有机质、全氮磷钾等养分含量［8-10］。

土壤微生物量是衡量土壤质量、维持土壤肥力和作物生产力的重要指标，而氮循环功能微生物数量也是经常用于衡量土壤中养分代谢状况，反映微生物对氮元素的转化和凋落物分解的能力。沼液施用改变了土壤理化性质、水气热等条件，从而改变了土壤微生物环境，使土壤微生物结构区系及数量发生变化。Odlare等［11］研究结果表明，沼液施用为微生物提供了良好的生存环境和营养条件，提高了微生物活性而促进微生物生长繁殖。冯伟等［12］研究表明，等氮条件下沼液与化肥不同配比对小麦根际微生物数量有重要影响。

目前，对沼液农用的研究多集中在短期小区试验及对作物地上部分生理特征的影响效应方面，对于水稻大田长期施用沼液条件下土壤微生物环境的研究，尤其是氮循环功能微生物的研究较少［13-14］。本研究采用大田试验，在等氮量控制条件下，探索沼液代替化肥、纯沼液与化肥混施对不同深度（0—20 cm、20—40 cm）稻田土壤理化性质和微生物数量（真菌、细菌、放线菌、氨化细菌、硝化细菌）的影响，研究沼液对土壤养分氮循环功能微生物的影响，以期为沼液还田代替化肥的可行性及稻田沼液资源化利用和经济施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

上海市崇明岛三星镇上海市农业科学院试验基地（31°41′15″N，121°54′00″E）属北亚热带季风气候，年均降水量1 003.7 mm，年均气温15.3℃。试验基地采用稻-麦轮作制度，土壤类型为潮土。试验田0—20 cm深度土壤部分理化背景值如下：pH 8.43，全氮0.9 g/kg，全磷0.4 g/kg，有机质13.6 g/kg。

1.2 试验设置

沼液原料：沼液取自上海牛奶集团瀛博奶牛养殖有限公司。沼液取好后于4℃条件下贮藏在PE桶内，使用前恢复至室温，经多次测定的沼液平均主要水质指标：CODcr 15 758 mg/L，全氮1 209 mg/L，全磷95.8 mg/L，全钾 134.4 mg/L，NH4+-N 1 098 mg/L，pH 8.83。

2014年稻季开始进行为期2年的沼液还田试验，以等量氮磷钾施肥为依据，设置4个处理：空白处理（CK）、全化肥处理（NT）、全沼液处理（BT）和半沼液半化肥处理（MT），化肥为尿素。2016年麦季结束后对不同深度（0—20 cm、20—40 cm）土壤进行取样分析。将一整块田地进行切割，用塑料布进行田埂覆盖，分为12个小区，每个处理3个重复，小区面积为200 m2（20 m×10 m），采取随机区组。沼液随灌水直接进入稻田，于播种前10 d沼液肥结合浇水灌入，用作基肥的尿素则在灌水前翻入0—20 cm土壤。施用的磷肥为过磷酸钙、钾肥为氯化钾，各施肥小区总施肥量均为氮肥300 kg/hm2、磷肥（P2O5）150 kg/hm2和钾肥（K2O）120 kg/hm2。在拔节期，结合灌水追施沼液氮肥或尿素，按小区面积和各处理设计计算小区所施用沼液量，沼液用水稀释后均匀泼洒行间，小区灌水量扣除沼液所带入水分，保持所有小区灌水量一致。

1.3 样品采集与分析

土壤样品采集：2016年5月10日进行土壤样品采集，利用土钻对0—20 cm和20—40 cm土壤进行“S”形采集，去除可见植物残体及土壤动物，混合后装入聚乙烯封口袋中带回实验室，一部分样品自然风干后过2 mm孔径筛进行土壤养分指标测定，一部分4℃储存用于土壤微生物数量指标测定。

土壤理化性质测定：全氮用凯氏定氮法测定，全磷用酸溶-钼锑抗比色法测定，全钾用氢氧化钠熔融法-火焰光度计法测定，速效氮用凯氏定氮法，速效磷用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定，速效钾用乙酸铵提取-火焰光度计法测定，有机质用重铬酸钾容量法测定，pH用电位法测定（水土比2.5∶1）。

土壤微生物计数：采用平板计数法测定细菌、真菌、放线菌总数，其中细菌培养基为酪蛋白胨培养基，真菌培养基为孟加拉红培养基，放线菌培养基为改良高氏一号培养基。采用稀释法测定氨化细菌和硝化细菌总数，其中氨化细菌采用红色石蕊试纸进行定性测试，硝化细菌采用改良史蒂芬逊培养基测定亚硝化细菌总数来反映硝化细菌总数。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2007和SPSS 16.0软件进行统计和分析。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性状

沼液还田2年后，土壤各项化学指标均出现了不同程度的变化（表1）。土壤氮磷方面施用沼液的2个处理在2个深度均显著得到提升，相比NT，施用沼液处理0—20 cm全氮平均增加12.5%，20—40 cm增幅为15.76%；全磷则是0—20 cm提升较大，相比NT增加21.59%，20—40 cm则平均提高13.64%。速效养分方面，不同处理之间均差异显著，0—20 cm速效氮含量MT＞BT＞NT，MT和BT分别比NT提高27.19%和17.05%。20—40 cm速效氮含量BT＞MT＞NT，BT和MT分别比NT提高36.35%和16.08%；速效磷含量2个深度同样是BT和MT显著高于NT，但对速效磷的提升幅度显著低于速效氮。土壤有机质方面，0—20 cm有机质在NT、MT和BT之间无显著差异，20—40 cm则BT显著高于其他处理；沼液还田处理均显著提升了盐分含量，其中0—20 cm MT处理盐分含量最高，达到0.19%，处于正常盐分范围；pH受沼液还田影响，不同深度下均有上升的趋势。

表1 沼液还田对土壤养分的影响Table 1 Effects of biogas slurry fertilizer on soil nutrients

土壤理化性质能有效地判断土壤性状及肥力，沼液的施用对土壤理化性质有显著的调节作用。本研究结果显示，沼液还田后有效地提升了土壤总量和速效氮磷含量，同时也显著提高了20—40 cm土壤有机质含量。这与前人研究得出结论相似，李友强等［15］认为：施用沼液能增加小麦土壤全氮和速效磷含量，胡福初等［16］对荔枝果园土壤分析后也得出同样结论，且同时提升了土壤有机质含量。本研究将研究土壤深度扩展到0—40 cm深度，发现施用沼液对于20—40 cm深度依然有较强的影响，甚至在全氮、速效氮和有机质方面的提升幅度高于0—20 cm。沼液还田也有一定的负面影响，杨乐等［17］在新疆绿洲农田土壤研究认为：大量沼液施用会引起土壤盐分增加，提高土壤盐渍化的风险；孙国峰等［18］指出：施用沼液能提高耕层土壤的pH。本研究结论与前人相似，沼液还田后会增加土壤盐分和pH，其中盐分含量依然处于正常范围，pH则是为在碱性土壤情况下继续升高，有可能对作物生长产生不利影响。同时本研究中，2015年水稻产量CK为7 003.8 kg/hm2，施肥处理中NT为8 552.9 kg/hm2最低，BT为8 705.0 kg/hm2，比NT略高，MT为9 706.7 kg/hm2，产量最高。其大小顺序与土壤养分含量大体一致，这也佐证了对土壤养分含量的研究结果。

2.2 土壤三大菌群数量

细菌数量方面（表2），不同深度MT和BT处理均显著高于NT，二者之间差异不显著，0—20 cm和20—40 cm土壤中沼液还田处理较NT平均提高14.11%和93.81%；放线菌数量方面2个深度各处理之间均差异显著，均为MT＞BT＞NT，相比NT，MT和BT在0—20 cm和20—40 cm中分别高出79.19%、167.59%和18.67%、25.74%；真菌数量MT和BT处理均显著高于NT，0—20 cm BT显著高于MT，20—40 cm深度二者之间差异不显著，相比NT，2个处理真菌数量增长幅度高于细菌数量，0—20 cm和20—40 cm土壤中沼液还田处理较NT平均提高101.46%和130.00%。从三大菌总量上来看，不同深度各处理之间差异显著，大小均为MT＞BT＞NT。

土壤微生物数量是反映土壤生命力的标志性特征，是衡量土壤质量和肥力的重要指标。前人研究表明，适宜的沼液追施量能显著增加小麦土壤真菌、细菌和放线菌数量［10］；也有研究表明，施用沼液增加了蔬菜土壤细菌数量，但减少了真菌数量［19］；李丙智等［20］研究表明，沼液及配合适当的沼液配施钾肥均有利于果园土壤微生物的生存。本研究结果显示，施加沼液和配施化肥在0—20 cm和20—40 cm深度都可以有效提高水稻土壤细菌、放线菌和真菌数量，MT相比BT更加有效地提升了放线菌数量，而BT仅在0—20 cm深度真菌数量最高，说明施加沼液可以显著提升稻田土壤微生物数量，配施化肥相比全施沼液更有益于土壤微生物生存。这一点在前文也得到了印证，BT将土壤pH提高至9左右，显著高于MT，较高的pH可能对部分微生物的存活产生负面影响［21］。

表2 沼液还田对土壤微生物菌群数量的影响Table 2 Effects of biogas slurry fertilizer on soilm icrobe quantities

2.3 氮循环功能菌

0—20 cm深度铵态氮含量各处理差异均显著（表3），大小顺序为MT＞BT＞NT，其中MT和BT分别高出NT 29.88%和20.04%；20—40 cm深度沼液还田处理依然显著高于NT，大小顺序为BT＞MT＞NT，BT和MT分别高出NT 43.49%和8.67%。不同深度中硝态氮含量均是MT显著高于其他处理，BT与NT之间无显著差异，MT在0—20 cm和20—40 cm中比NT分别高出44.44%和400.00%。这与前人研究结果相似，余薇薇等［22］和郑健等［23］对菜田和玉米田土壤研究表明灌溉沼液可使土壤中铵态氮和硝态氮含量显著提高。本研究中研究对象为稻田，在水旱轮作条件下依然可以有效提高土壤中铵态氮和硝态氮含量，增加作物易吸收养分，沼液配施肥料处理提升效果更佳。

氮循环功能菌方面，氨化细菌数量MT显著高于其他处理，BT与NT之间无显著差异，MT在0—20 cm和20—40 cm中比NT分别高出14.56%和5.96%；硝化细菌数量在0—20 cm深度中MT显著高于其他处理，比NT高出45.22%，BT与NT之间无显著差异。20—40 cm深度各处理之间均差异显著，大小顺序为MT＞BT＞NT。说明沼液的施用有益于土壤氨化细菌与硝化细菌的生长繁殖，可以有效促进土壤系统氮循环，且沼液配施肥料的效果显著高于纯沼液的施用，与前人研究相似［19］。原因主要是由于沼液中含有大量有机物质，增加了微生物的营养源，调节了土壤环境中的碳氮比，更有益于氮循环功能微生物的繁殖［24］。

表3 沼液还田对氮素含量及氮循环功能菌数量的影响Table 3 Effects of biogas slurry fertilizer on nitrogen contents and nitrogen cycling bacteria

由表4可见，全氮和放线菌呈极显著正相关、与氨化细菌和硝化细菌呈显著正相关，速效氮与硝化细菌和放线菌呈极显著正相关、和细菌呈显著正相关，铵态氮和除氨化细菌以外的菌群数量均呈显著正相关，有机质和细菌呈极显著正相关、和真菌呈显著正相关，硝态氮含量则与各菌群数量之间无显著相关性。这与前人研究成果相似［25-26］，说明沼液还田条件下，土壤微生物群落数量与养分含量之间关系密切，可以作为土壤肥力的指示性指标。

表4 土壤养分含量与土壤微生物数量的相关系数Table 4 Correlation coefficients of soil nutrients and soilm icrobe quantities

3 结论与讨论

通过2年的大田小区试验，研究了沼液还田对稻田土壤养分和微生物环境的影响。发现沼液还田后显著提高了0—40 cm深度土壤中养分含量，其中沼液配施化肥处理在0—20 cm深度土壤养分提升显著，而全沼液处理则是20—40 cm深度的养分显著提高。沼液还田还显著提升了0—40 cm深度土壤中三大菌和氮循环细菌的数量，沼液配施化肥处理提升效果更明显，提升了稻田系统氮循环效率。综上所述，沼液配施化肥还田对于稻田土壤生态环境最有益，未来具有较好的应用前景。当然，大规模应用沼液还田技术依然有一些问题尚待解决，如不同批次产生的沼液浓度一致性较差，作为原料的畜禽养殖粪便中存在重金属和抗生素的污染风险等，还需对沼液还田应用技术和安全性分析进行深入研究。

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