沼液用量对设施土壤养分和盐分累积与迁移的影响

郭全忠，葛一洪, 龚晓松，王秋利

(1.安康学院 旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000；2.农业农村部沼气科学研究所，四川 成都 610041)

随着规模化养猪业的快速发展，养猪场粪尿、污水等废弃物得不到最佳处理导致环境污染问题突出[1,2]，近年来，沼气工程在规模养殖场的推广应用，为规模养猪场粪污的无害化和资源化处理提供了新途径，产生的沼液和沼渣因含有大量的有机物质和氮、磷、钾等营养成分，作为优质肥料普遍应用于农业生产中[3]，施用于农田对改善土壤质地，提高农产品产量和质量效果明显[4,5]，所以常把沼液和沼渣作为沼肥施用于农田。由于缺少合理的技术指导，沼肥盲目施用的现象普遍存在[6]，长期盲目施用以畜禽粪便为发酵原料所产生的沼液，存在使农田重金属累积超标的风险，从而导致农田系统生态功能下降，引发环境安全问题[7]。合理循环利用这些有机废物中的养分资源不仅可节约大量化肥，而且可以有效提高养分利用，避免产生农田面源污染[8,9]。

安康市地处汉江中上游地区，是南水北调水源涵养区,保护一江清水供京津已成为当地政府的一项政治任务。近年来随着点源污染控制技术水平提升，以规模养猪场为主废弃物排放为主的农业面源污染成为汉江水体最为重要的污染源之一[10]。为有效控制此类污染，安康市政府从2008年后开始在规模养猪场中大力推广“猪-沼-菜”循环农业模式，即按养猪场规模配套建设沼气工程，沼气发酵产生的沼液和沼渣作为肥料，以减少养猪场废弃物对环境的影响，取得了一定的效果。但由于施用量控制不当，部分养猪场菜田土壤开始出现板结、蔬菜产量下降、病害加剧等问题。笔者研究选择了安康市某大型养猪场“猪-沼-菜”循环农业园区设施菜田作为研究对象，连续进行3 a定位试验，研究化肥用量较常规施肥量减半的条件下，不同用量沼肥与化肥配合施用对设施菜田土壤养分和盐分含量的累积与迁移的影响，分析其存在的环境风险，为合理施用沼肥提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于安康市某“猪-沼-菜”农业示范园区，园区的养猪场平均年出栏生猪48万头，日产粪量8 200 kg，建有大型沼气池3个，可处理粪便90 t/d，所产沼气主要用于发电。为解决沼液沼渣排放问题，该养猪场于2010年开始将周边农户土地进行流转，首批流转233 hm2坡地进行土地整理后建塑料大棚种植设施蔬菜，种植蔬菜主要为番茄、黄瓜、青椒、茄子及部分特色蔬菜品种。于2011年开始将养猪场沼液沼渣采用漫灌和沟灌结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，平均约600 m3/hm2。试验地土壤类型为黄棕壤，种植前耕层(0～20 cm)土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量背景值分别为28.5 mg/kg、60.2 mg/kg和22.3 mg/kg，有机质含量9.37 g/kg，pH6.37，电导率0.063 8 ms/cm。

1.2 试验设计

试验共设4个处理，其中处理A：全部施用化肥+常规灌水量5 000 m3/hm2，化肥用量按当地常规施肥量,常规施肥量每年根据种植蔬菜作物由园区确定，施肥量控制在N∶P2O5∶K2O为500～600∶450～550∶400～500 kg/hm2范围；处理B：每年施400 m3/hm2沼肥(园区沼肥最小施用量)+50%常规化肥施用量+常规灌水量4 600 m3/hm2；处理C：每年施800 m3/hm2沼肥(园区沼肥最大施用量的1/2)+50%常规化肥施用量+灌水量4 200 m3/hm2；处理D：每年施1 600 m3/hm2沼肥(园区沼肥最大施用量)+50%常规化肥施用量+灌水量3 400 m3/hm2；考虑灌水量对养分在土壤剖面的影响，每个处理以沼肥用量抵扣相同体积灌水量，保证各处理总灌水量基本相同。

考虑到土壤中养分与盐分累积与迁移是一个长期过程，故以连续三年作为一个研究时段，同时考虑到当地沼肥采用了沟灌方式施用，为减小因沼肥横渗对相邻小区土壤的影响，于2018年3月始，在试验区选择4个面积在400 m2左右、土壤肥力一致的大棚为供试地，分别作为处理A、B、C和D试验地，每棚用灌溉沟分成3个小区，分别作为3个重复。各处理大棚3年中以番茄、黄瓜和青椒轮作，但同一种植季4个大棚中种植相同的蔬菜。施肥时期各处理也均保持一致，不同用量按比例分配。

2020年12月，大棚蔬菜采收结束后，用取土钻采集不同处理的土壤剖面土样 ,四个处理中每小区选择3个取样点分层采集土壤样品，采样深度0～100 cm(按每层 20 cm深度取样)。分层测定土壤中碱解氮、有效磷、速效钾、有机质、电导率、全铜、全锌含量，每个处理各采样点不同土层测定数据取算术平均值作为最终测定结果。

1.3 测定项目及方法

不同土层土壤样品中碱解氮含量采用碱解扩散法测定，有机质含量用重铬酸钾-硫酸法消煮，外加热法测定；速效钾的含量采用乙酸铵溶液浸提,用AA1700型原子吸收分光光度计测定[11]；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定[12]；全铜和全锌采用高氯酸—硝酸—氢氟酸消化, 用AA1700型原子吸收分光光度法测定[13]；电导率用DDS-307型电导率仪测定，m(土)∶V(蒸馏水)=1∶5[14]

1.4 数据分析

利用 Microsoft Excel 2003软件进行统计分析、计算和绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤剖面碱解氮累积与迁移的影响

由图1可以看出，0～20 cm土层中，处理A、B、C和D碱解氮含量分别为82.33 mg/kg、58.87 mg/kg、75.65 mg/kg和125.8 mg/kg,三个沼肥处理B、C和D的碱解氮含量随着沼肥施用量的增加而增加，处理A的碱解氮含量介于处理C和处理D之间。说明在化肥用量减半的条件下，当沼肥施用量达到800 m3/hm2以上时，0～20 cm土层碱解氮含量与化肥接近，当沼肥施用量达到1 600 m3/hm2以时，土壤剖面碱解氮含量是当地常规施用化肥0～20 cm土层碱解氮含量的1.53倍。

图1 不同处理对土壤剖面碱解氮累积与迁移的影响

各处理土壤碱解氮含量均随着土壤剖面深度的增加而降低，20～100 cm土壤剖面各土层中，处理A、B、C土壤碱解氮含量较为接近，处理D各土层碱解氮含量均高于其它3个处理。20～100 cm土层中，处理D的碱解氮含量是处理A的1.69倍，处理D的土壤碱解氮向土壤剖面深层迁移明显。

汉江安康段是南水北调重要的水源涵养地，氮是导致水体富营养化的最主要因素之一，水体中氮含量增加，使得水体营养物质增加，不利于水循环系统发挥自净作用。汉江是丹江口水库总氮负荷的首要来源，主要原因是居民区畜禽粪便等污染物，易随地表径流冲至河道和农田当中[15～16]，大量研究认为沼液、沼渣部分替代化肥对提高农作物产量和品质，提高土壤氮素养分，改良土壤性质有显著的效果[17～18]。但对过量施用沼肥引起的土壤氮素累积及其在土壤剖面中迁移进而对地下水环境的影响研究报道相对较少。从研究发现，当沼肥年施用量超过800 m3/hm2时，氮素在土壤剖面的累积及向深层迁移进而进入水体的风险显著加大。

2.2 不同处理对土壤剖面有效磷累积与迁移的影响

从图2可知，0～20 cm土层中，处理A、B、C和D有效磷含量分别82.33 mg/kg、58.87 mg/kg、65.65 mg/kg和125.76 mg/kg，随着沼肥施用量的增加，土壤有效磷含量相应增加，说明沼肥施用对增加土壤有效磷养分含量有明显效果。与处理A相比，0～20 cm土层中，处理D的速效磷含量最大，是处理A的1.53倍，处理B和C较低。20～100 cm土层中，随着深度的加深有效磷含量呈快速下降趋势，A、B和C三个处理各土层有效磷含量较为接近，处理D各土层均高于另行个处理，处理D的有效磷向深层迁移的趋势更加明显。

图2 不同处理对土壤剖面有效磷累积与迁移的影响

2.3 不同处理对土壤剖面速效钾累积与迁移量的影响

从图3可以看出，0～20 cm土层中，处理A、B、C和D的速效钾含量分别为225.8 mg/kg、147.6 mg/kg、199.6 mg/kg和236.3 mg/kg，随着沼肥用量的增加，各处理0～20 cm土层中速效钾含量也相应增加。与处理A相比，处理B和C低于处理A，但处理D较处理A高4.7%。20～100 cm土层中，各处理速效钾含量呈快速下降趋势，各处理速效含量均表现为处理D>处理A>处理C>处理B。钾在土壤中向深层迁移也随着沼肥施用量的增加而增加。

图3 不同处理对土壤剖面速效钾累积与迁移的影响

关于土壤钾含量累积与迁移对土壤及地下水环境影响方面的报道尚少，但不合理施用钾肥会对土壤钾营养平衡产生不利影响[21], 土壤钾素含量过高、表观盈余过多、导致钾素资源浪费[22]，笔者研究中，当每年施用沼肥1 600 m3/hm2量替代50%常规化肥用量三年后，耕层土壤速效钾含量超过常规施用化肥，说明沼肥的施用对提高土壤钾素含量有较显著效果，此结果与李文涛、王辉等[23,24]的研究结果基本一致。

2.4 不同处理对土壤有机质含量的影响

土壤有机质是衡量土壤肥力的重要标志，有机质含量的积累和活化可提高土壤的生产力。从图4看出，施用沼肥的话个处理B、C和D在0～20 cm土层和20～40 cm土层有机质含量均高于处理A，且随着沼肥施用量的增加有机质含量相应增加。由于研究区域土壤有机质含量背景值较低，小于10 g/kg，而处理D在0～20 cm土层中的有机质含量是处理A的1.66倍，说明大量施用沼肥对增加土壤有机质含量，培肥地力有明显效果，但土壤有机质增加速度和幅度明显低于碱解氮、速效磷和有效钾，可能与沼液沼渣中有机质质量分数较低有关。

图4 不同处理对土壤有机质含量的影响

沼液中溶解性有机质可与土壤中重金属离子形成络合物，降低植物对重金属的吸收率[25]，土壤有机质含量增加有利于促进土壤团聚体的形成[26]，隋好林等[4]采用沼液滴灌番茄试验结果发现，随着沼液施用量的增加，土壤营养得到改善，土壤微生物总量不断提高，番茄产量和营养品质也呈现不断提高；笔者研究与鄂利锋等[27]的研究结果较为相似。但长期施用沼液对土壤微生态平衡及土壤质量存在潜在威胁[28]。说明施用沼肥在增加土壤有机质含量的同时，其对土壤生态系统的影响不容忽视。

2.5 不同处理对微量营养元素铜和锌累积量的影响

铜、锌是作物必需的微量营养元素，过量会对作物产生毒害作用。养猪场为了提生产效益，在饲料中添加了铜、锌等微量元素，这些元素会超标导致粪便中残留提高[29]。由于猪对饲料中的铜、锌等元素不能完全吸收，用猪粪生产沼气产生的沼液沼渣中会残留一定量的铜和锌元素，这些沼液沼渣施用在农田中会对土壤中铜和锌的含量产生影响。

2.5.1 不同处理对土壤中全铜含量的影响 从图5可知，与处理A相比，B、C和D三个处理0～20 cm土层中全铜含量均高于处理A，且随着沼肥施用量的增加而增加，其中处理D全铜含量达94.10 mg/kg，是处理A的1.61倍。20～40 cm土层中全铜含量也随沼肥施用量的增加而增加，但不同处理间的增幅较小。说明增加沼肥用量对土壤全铜含量的影响主要集中在0～20 cm土层中，20 cm以下土层影响较小。

图5 不同处理对土壤全铜含量的影响

2.5.2 不同处理对土壤中全锌含量的影响 由图6可以看出，3个沼肥处理0～20 cm和20～40 cm土层中全锌含量均高于不施用沼肥处理A，且随着沼肥用量的增加全锌含量相应增加，B、C和D三个处理0～20 cm土层全锌含量分别是处理A的1.08、1.22、1.54倍。20～40 cm土层中全锌含量随沼肥用量的增加也有较明显增加，处理D全锌含量是处理A的1.98倍。沃惜慧等[30]研究认为，随着有机肥施用年限的增加，土壤锌污染风险随之增强。过量施用沼肥对土壤锌污染风险也应引起重视。

图6 不同处理对土壤全锌含量的影响

2.6 不同处理对土壤剖面可溶性盐累积与迁移量的影响

土体电导率直接反映了土体中污染物的浓度,通过监测土体电导率可以监测土体的污染程度[31]。盐分的过度累积会导致土壤盐渍化，造成土壤发生次生盐渍化的主要原因是不合理施肥、种植及管理模式等人为外在因素[32]。从图7可知，0～20 cm土层和0～20 cm土层土壤电导率均随着沼肥施用量的增加而增大，各处理电导率大小表现为处理D>处理C>处理A>处理B，处理D0～20 cm土层和0～20 cm土层土壤电导率分别是处理A的1.48倍和1.61倍，说明沼肥施用对增加土壤盐分含量较化肥更明显。40 cm以下土层中，三个沼肥处理电层率均高于处理A，从处理B超过处理A可以初步认为沼肥施用会增加土壤中盐分向土壤深层迁移量。

图7 不同处理对土壤剖面电导率的影响

3 结论

规模养猪场废弃物沼气化处理是研究区最主要的技术措施，产生的沼液和沼渣作为肥料大量应用于农田或林地，对实现养殖场废弃物无害化与资源化利用具有很好的作用。由于土地资源的限制，大部分规模养猪场配套土地资源非常有限，导致各养猪场产生的大量沼液沼渣过量排放于土地中，产生的生态环境污染风险不容忽视。沼肥的合理施用无疑会对改善土壤理化性质，提高土壤肥力具有积极的作用，笔者研究发现，随着沼肥施用量的增加，土壤剖面中碱解氮、有效磷、速效钾、有机能质及微量营养元素全铜、全锌均相应增加，这些结果与前人研究结果基本一致。

研究还发现，随着沼肥施用量的增加，土壤中氮、磷、钾等养分向土壤剖面深层迁移量也相应增加，当每年沼肥用量超过800 m3/hm2以上时，各养分的累积与迁移量均超过当地常规化肥用量，特别是氮、磷元素在耕层累积及向深层迁移均会对当地水体产生富营养化风险。过量施用沼肥还会引起土壤剖面中盐分含量的累积，会引起土壤盐渍化问题。从本研究结果看，建议规模养猪场以沼气技术应用于处理养猪场废弃物时，进一步加大配套土地面积，将每年沼肥施用量控制在800 m3/hm2以下。