沼液滴灌技术研究进展

孙越超， 王书吉， 仇学峰， 王建东

(1.河北工程大学 水利水电学院， 河北 邯郸 056000； 2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所， 北京 100081; 3.河北工程大学 河北省智慧水利重点实验室， 河北 邯郸 056000)

沼液原液直接用于滴灌，会由于原液中大量的悬浮物、胶体等杂质造成滴灌灌水器堵塞，因此，在沼液进入滴灌系统之前，采用合适的技术对沼液进行预处理，是沼液滴灌水肥一体化系统稳定高效运行的重要保障。

1 沼液滴灌对土壤理化及作物产量与品质的影响

沼液中除了含有丰富的氮磷钾等营养元素外，还有大量钙、铜 、铁、锌、锰等微量营养元素，且主要营养成分为速效性养分，速效营养能力强，养分可利用效率高，可被作物高效吸收利用。具有提高作物产量和提升品质的功能，同时有一定的防病抗逆作用，是一种优秀的液体肥料[4]。

1.1 沼液滴灌对土壤理化性质的影响

长期施用化肥会导致土壤酸度增大，有机质下降，土壤酶活性降低，同时伴有土壤硝酸盐污染及土壤次生盐渍化的风险[5]。由于沼液大多数为弱碱性，以肥料的形式通过滴灌系统进入土壤，可抑制土壤酸化，改善土壤质量[6]。不同的土壤酸度随沼液用量增加，产生变化的趋势不同[7]。赖星[8]等连续3年对土壤进行沼液处理，发现沼液施用量增加会使土壤颗粒变细，同时土壤速效、磷速效和碱解氮含量显著增加。相比较喷灌施用沼液，滴灌施用沼液处理使基质速效养分更高，另外伴随作物生长，速效养分降低的幅度较小[9]。

土壤微生物数量和酶活性反映了土壤质量的变化及土壤物质代谢的旺盛程度[10-11],长期施用化肥对土壤过氧化氢酶和土壤蔗糖酶活性有显著的抑制作用。而沼液处理土壤可以提升土壤过氧化氢酶、土壤蔗糖酶和土壤脲酶的活性，同时还可以改善土壤碳氮转化状况，降低过氧化氢对土壤的毒害作用。评价土壤微生物区系结构通常用细菌与真菌数量的比值(B/F)来表示。B/F值高表明土壤为高肥低害“细菌型”，B/F值低则说明土壤为低肥高害“真菌型”。沼液配施化肥处理对B/F值有不同程度的降低，B/F随沼液施用量增加呈现先降低后升高的趋势，纯沼液提升了B/F值[12-13]。由此可知，采用适量的沼液可使土壤B/F值维持稳定甚至升高，土壤逐渐趋于高肥低害。

1.2 沼液滴灌对作物产量的影响

沼液对不同农作物产量的影响如表1所示，通过对比沼液滴灌处理、沼液浇灌处理、清水处理、滴灌尿素和常规施肥处理的效果，沼液滴灌处理较清水处理、常规施肥处理单果果重提高15.7%～18.1%,作物产量提高18.1%～59.4%；沼液滴灌处理比沼液浇灌处理单果果重提高8.8%，产量提高10.6%，可见沼液滴灌对作物产量提高有普遍意义且效果显著。由于不同发酵原料、发酵时间对沼液质量影响较大，其对不同种类作物产量的影响有待深入研究，故各研究中沼液浓度升高对不同作物产量的影响不同。

表1 沼液滴灌对作物产量的影响

1.3 沼液滴灌对作物品质的影响

维生素、糖分、蛋白质、硝酸盐等都是评价作物品质的因素，由于人体不能自行合成VC，全部都需要从外界摄入，因此VC的含量是评价作物品质的重要指标。糖分和可溶性糖是影响口感及后续营养变化的主要因素，这对果蔬非常重要。另外，从作物中摄入硝酸盐后，人体内微生物可将硝酸盐还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐对人类的健康构成了极大的潜在威胁，因此硝酸盐也是评价作物品质的重要指标之一。

表2 沼液滴灌对作物品质的影响

表2是不同作物经过沼液滴灌处理后的品质变化，可以看出沼液滴灌处理后，大多数果蔬品质都有所提升； VC含量、可溶性糖、还原糖的含量增加提升了果蔬的营养价值，同时固形物含量提升、硬度提高改善了口感，硝酸盐含量降低使食品安全性有所提高。通过地面浇灌和滴灌的对比，在提升作物品质方面体现了沼液滴灌的优越性。作物对沼液有一定耐受值，合适的沼液浓度可以提升作物的品质，浓度过高可能影响根系内外的水势，不利于根系对营养的吸收进而影响作物的产量和品质[26]。

2 沼液滴灌沼液预处理技术

由于滴灌灌水器孔口较小[27],沼液中含有较多杂质极易造成灌水器堵塞，进而引起整个滴灌系统瘫痪，滴灌系统一旦发生堵塞极难修复。因此在实际应用中应对沼液进行适当的处理来控制悬浮物、胶体的含量，防止滴灌系统发生堵塞，同时应最大限度保留调节沼液中的营养成分。

2) 对于双风管系统，可根据每个房间设定的温度实时调节2种不同温度的空调送风混合比例，达到控制温度的目的，房间的个性化控制精度是这4种方案中最高的。缺点是每个房间都会存在冷热风的混合，造成能量损失，在送风量基本不变、部分负荷下，风机能耗依然很大，总的能耗要高于另外几种方案。

2.1 沼液曝气处理

爆气处理是通过使用一定的方法和设备向沼液等污水中强制通入空气，使沼液等污水中的有机物、微生物与空气中的氧气充分接触，进而增强对沼液等污水中有机物的分解。在沼液滴灌系统中，爆气处理发挥着防堵塞和提高施用效果的作用。沼液中氮主要以氨态氮的形式存在，氨态氮占总氮的69%～90%[28]。氨态氮作为速效营养，其含量是沼液农用的重要指标，氨氮浓度需要控制在合理的范围内，过高会使作物烧苗，过低则又会使作物因缺氮生长受到抑制[29-30]。经曝气处理后，沼液中氨氮通过硝化作用转变为硝态氮，造成氨氮浓度下降，同时会使大分子有机物、多肽、氨基酸等分解脱氨，氨氮浓度呈现先下降后上升的趋势[31]。爆气处理可使沼液中氮的成分和含量发生变化，不同的曝气方案最终会使沼液中氨氮含量变化的不同。曝气过度则会造成氮素损失严重[32]。对于沼液滴灌来说针对氮素控制探究合理的曝气方案十分重要。

广泛存在沼液中的氨基酸是沼液重要的营养物质，可以被作物直接吸收利用[33]。氨基酸可以降低作物中硝酸盐的浓度[34]，提高种子萌发速度和作物吸收营养速度、促进生长、提高作物产量和品质[35-36]。通过实施不同的曝气方案可以使沼液中的氨基酸含量提升9.92%～10.45%[37-38]。

磷作为三大营养元素之一，其含量同样是沼液营养的重要指标。沼液中的磷主要存在沼液固相中，张邦喜[37]测得沼液上清夜中磷含量仅为总磷的47.04%，李建勇[39]测得的水溶性磷仅占总磷的17%。曝气会促进聚磷菌吸磷造成上清液中磷损失，总磷含量下降[40]，水溶性磷含量则会随着曝气处理上涨[38]，使沼液中的磷变得更适合作物吸收。

经过长期厌氧发酵，沼液中溶解的等有毒气体、金属离子会对蔬菜的根部造成损害，影响根系的正常吸收水分和养分的生理功能，严重则导致蔬菜死亡。一般采用发芽指数(GI)作为评价肥料对作物毒害作用的指标。伍金伟[41]发现给沼液曝气可以减少等有毒气体对作物根系的毒害作用。同时曝气处理氧化了沼液中的还原性物质，进一步降低生物毒性，提高了GI值。

曝气处理还可以改善沼液成分进而使作物增产改良品质。初长江和马东辉[17,18,20]等人通过曝气地下滴灌系统分别种植大棚韭菜、番茄和大棚芹菜，发现在同一沼液浓度下随着曝气系数的增加，大棚韭菜VC、可溶性糖、可溶性蛋白质含量增加，大棚芹菜产量、还原糖含量、VC含量增加且硝酸盐含量下降，番茄也有产量及品质方面的提升。

2.2 沼液加酸调节

沼液大部分为弱碱性，而植物一般喜欢中性或偏酸性环境，pH值过高会对作物根系造成损伤，影响根部对矿物元素的吸收，同时也容易使沼液中的钙、镁离子产生氢氧化合物，加剧滴灌系统堵塞程度。pH值是影响沼液中养分最主要的因素，GI值随pH值的增加而降低，所以沼液在微酸环境下更适合设施农业[38]。将弱碱性的沼液进行酸化处理后再进行滴灌施肥更有利于作物成长。酸化处理能明显降低沼液的氨气挥发通量，且沼液氨气挥发通量和pH值呈现显著正相关，减少沼液储存中氨气排放，有助于沼液长期储藏，方便使用[42]。薛文涛[43]等人通过对鸡粪沼液添加磷酸，发现不仅降低了沼液氨气挥发通量，而且提高了沼液总氮、氨态氮总磷质量浓度，进一步提升了农田施用肥效。徐晓萌[44]发现施入调整pH值(加酸处理)的沼液，土壤总氮、速效磷含量均显著高于施入未调整pH值的处理沼液的土壤，且经pH值调整后的沼液对维持土壤细菌群落多样性有明显作用。酸化处理改善了沼液的pH值，使其跟适合于作物种植。酸化处理减少了氨气排放，有利于沼液长期储藏，为长期使用沼液滴灌提供了储藏条件。酸化处理沼液对于作物增产及作物品质改善研究较少且缺乏成熟的加酸模式，仍需深入研究。

2.3 沼液絮凝

通过添加絮凝剂絮凝处理后沼液中大部分悬浮物、固体和胶体杂质可以被去除掉，有利于滴灌系统正常运行。虽然絮凝处理会使沼液损失部分营养物质，但在合适浓度下仍可促使作物生长[45]。按絮凝方法不同可分为化学絮凝、电絮凝和生物絮凝。

化学絮凝，是通过添加化学絮凝剂，对水中悬浮物或胶体进行电中和或架桥来产生粗颗粒，使絮凝体沉降，去除悬浮颗粒和胶体。不同的絮凝剂的絮凝效果不同，沼液成分发生的变化也不同。无机絮凝剂硫酸铁和聚合氯化铝对沼液悬浮物的去除基本没有效果，而有机絮凝剂对沼液悬浮物的去除效果极好，非离子聚丙烯酰胺(PAM)、阴离子聚丙烯酰胺(APAM)对沼液悬浮物的去除率达到了40%，阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)的效果最佳，达到了98.9%[46]。朱洪光[47]等研究发现，氯化铁添加量在 6～11 g·L-1时，浊度去除率可达90%以上，主要去除悬浮固体和胶体物质，而对氨氮的去除率在21%左右，氮元素大部分可以得到保留。因此，选择合适的絮凝剂对沼液进行絮凝处理极为重要。

电絮凝反应，是通过阳极产生铝离子或铁离子水解生成絮凝剂来吸附污染物，同时阴极产生微小气泡氢气吸附在絮体表面，使絮体上升实现污染物与水的分离，最终达到去除污染物的目的[48]。但电絮凝产生的铝离子会和磷结合形成沉淀，造成沼液磷含量的减少。电絮凝处理沼液后需进行后期调整使沼液营养成分特别是磷含量达到肥料标准。

生物絮凝法，是利用微生物或微生物产生的代谢物进行絮凝沉淀的一种除污方法[49]。生物絮凝相较与化学絮凝，更加安全、方便、无毒，不产生二次污染，絮凝效果更好。关正军[50]等发现紫球藻所产出的絮凝活性物质能够最高效地絮凝沼液，且在最佳工艺参数下絮凝率为76.09%;总氮去除率达51.30%，总磷去除率达57.00%，氨氮去除率达54.67%，化学需氧量去除率达43.16%，总固体去除率达54.11%，挥发性固体去除率达57.80%，固体悬浮物去除率达53.71%。

综上，对沼液进行絮凝处理可以极大的减少沼液悬浮物和各种胶体、固体杂质，进而有利于滴灌系统的正常运行，但沼液营养成分有所损失，需要后期调整。同时需要选择合适的絮凝剂及絮凝工艺参数防止养分大量流失。

2.4 沼液沉降与过滤

过滤之前对沼液进行自然沉降可以去除部分悬浮物和胶体等杂质，且成本极低，可为后续沼液过滤处理环节减轻负荷。相较于混凝和袋滤，自然沉降去除悬浮物的效果更好[51]。综合悬浮物去除效果和节省成本两方面的因素，自然沉降最佳时间为一天，此时沼液悬浮物去除率达到38.3%,且对氨氮和总氮有较强的保留,仅分别去除8.7%和20.0%[52]。

悬浮物含量过高是沼液进行滴灌过程中最主要的技术障碍之一，去除沼液中的悬浮物是保持沼液滴灌正常运行的关键。因此对过滤去除悬浮物展开了相关实验研究，研究发现玉米秸秆在合适的堆放方式下，悬浮物去除率可达到60%以上,COD去除率在50%左右，总氮损失较小，仅为10%～15%，而且玉米秸秆作为过滤材料,在过滤过程中沼液可将其中的钾离子浸提溶出,提高滤出液的养分含量，玉米秸秆作为滴灌系统预处理过滤沼液有一定的可行性[53]；微滤过滤效果较好,对悬浮物去除率达到40.01%，且对粪大肠菌群去除效果也较好[54]。相较于海砂(SSD)、沸石(ZLT)、氧化铝废渣(GRM)3种滤料, 使用0.5～1 mm石英砂(QSD)滤料的填充柱对悬浮物去除率超过80%，且未显著吸附截留沼液氨氮，有利于沼液滴灌运行[55]。滤料不同填装方式、填装高度、过滤时间都对过滤效果有相当的影响，实际工程应选定合适的过滤方案。单一的过滤模式可能无法处理成分复杂的沼液，多种模式多级处理沼液能使沼液顺利通过滴灌系统进入农田。隋好林[14]和孙钦平[56]通过曝气/筛网加叠片式三级过滤对沼液处理，使沼液达到了120目滴灌要求。

3 结论

沼液含有丰富的速效养分，可被作物高效吸收利用，而且可以调节土壤酸碱度，增强土壤酶活性，改善土壤理化性质，促使作物增产，提升作物品质。不同种类、不同浓度、不同发酵时间的沼液对不同作物增产和品质提升的效果不同。利用滴灌系统施用沼液是消纳沼液合理的途径，有广阔的应用前景。

目前研究主要集中在沼液滴灌的施用效果，在实施沼液滴灌水肥一体化技术中，选择合适的沼液预处理技术将有助于减少沼液滴灌系统堵塞的发生，保障沼液滴灌系统安全高效运行。当处理好的沼液进入滴灌系统后，沼液中依然会含有很多微小物理颗粒和复杂的有机物成分，长期运行下滴灌系统依然存在高堵塞风险，从提高沼液滴灌系统运行效率和使用寿命角度考虑，建议沼液滴灌后续研究要重点关注2个方面： 1)具有高抗堵性能的沼液滴灌专用产品的筛选和研发； 2)沼液滴灌系统定期冲洗技术参数及管护模式研究。