稻田长期施用沼液对土壤化学性质及碳氮磷生态化学计量比的影响

董越勇，周雪娥，叶波，刘银秀

(1.浙江省农业农村生态与能源总站，浙江 杭州 310012；2.桐乡市农业生态建设指导中心，浙江 桐乡 314500)

我国畜禽养殖粪便的年排放量超过40亿t，且有相当部分未经处理直接排放，对农业环境带来极大威胁[1-2]。建设发展养殖场沼气工程，可合理、有效、集中无害化处理这些畜禽养殖粪便废弃物，同时产生的沼液可作为肥料，为农田土壤和农业生产提供有机物质和氮、磷、钾等营养元素。沼液除含有丰富的氮、磷、钾外，还含有17种氨基酸、腐殖酸、赤霉素、吲哚乙酸、玉米素等生物活性物质，可以说是一种速效、清洁、安全的高品质肥料。因而，农田中施用沼液可显著地提高土壤质量[3-4]，提高农作物产量和品质[4-6]。由于沼液中的养分多为速效养分，因而当沼液中所提供的养分超过农作物生长所需或遭遇强降雨等突变气候时，容易造成养分的流失，导致河湖水体的富营养化[7]。此外，畜禽养殖中使用的饲料添加剂含有Zn、Cu等，也可导致土壤中重金属累积[8-9]。与有机肥相比，沼液在储存、运输、使用等环节的难度更大。稻田施用沼肥是消纳沼液的最佳方式之一，稻田通过施用沼液，既为水稻提供了其生长必需的养分及活性物质，又为水稻生产补充大量的灌溉水，并节省了稻田灌溉用水[10-11]。稻田施用沼液的研究主要集中于沼液与化肥配施[12]、沼液与有机肥配施[13]、施用沼液对土壤养分的影响[14]、沼液在稻田施用的环境效应[15]、沼液施用条件下添加浮萍对稻田氮素流失和重金属污染的影响[6,16]等方面。长期连续施用沼液对稻田土壤化学及其碳氮磷生态化学计量学特征的影响等方面的研究并未深入涉及。本文拟主要研究并叙述以下3个方面，以期为稻田科学施用沼液提供基础数据和理论依据：研究施用沼液不同年限的稻田土壤肥力特征；探讨施用沼液稻田的土壤C、N和P化学计量特征；长期施用沼液稻田土壤肥力演变趋势和养分流失的风险。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区设在浙江省桐乡市崇福镇芦母村(30°47′N, 120°39′E)，海拔50 m，属典型的亚热带季风气候，四季分明，年均气温16.5 ℃，降水量1 193 mm，无霜期280 d。试验区属海积平原，土壤为青紫泥水稻土(表1)。试验区水稻种植历史在20 a以上，种植制度基本为油菜—水稻2季轮作。该地水稻每年6月上旬种植，大多为直播稻，10月种植油菜。近年来试验区稻田开始施用沼液以替代化肥，每年4月份春耕时1次性施用沼液，每667 m2施用量25 t，直接浇灌施入，连续施用沼液最长的稻田已有4 a。供试用的沼液取好后在4 ℃贮藏在PE桶内，在使用前恢复至常温，供试沼液养分含量在施用前经检测指标分别为：pH 7.31、全磷0.141 g·L-1、全氮14.0 g·L-1、全钾1.38 g·L-1。

表1 施用沼液对土壤理化性质的影响

1.2 样地设置与取样

本研究于2020年7月17日在土壤条件较为一致稻田选择4个采样区，每个采样区均包含沼液施用时间分别为2和4 a的田块和不施沼液的田块，在每个采样区每个处理田块建立采样小区，共建立了12个采样小区，每个采样小区蛇型法多点釆集0～30 cm的土壤混合样品。

1.3 土样分析方法

釆好的土壤混合样品带回室内分成2份，一份鲜样冷冻保存，供土壤酶和微生物量碳、氮测定，另一份在通风干燥处凉干，并研磨分别过2 mm和0.15 mm筛孔筛子备用，供土壤化学性质的测定。土壤分析方法如下：土壤pH，土水比=1∶2.5，使用电极法测定；土壤有机质含量使用重铬酸钾外加热法测定；土壤全氮含量使用克氏法测定；土壤水解氮含量使用扩散法测定；土壤铵态氮含量使用靛酚蓝比色法测定；土壤有效磷含量使用盐酸氟化铵浸提，钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量使用醋酸铵浸提，火熖光度法测定；土壤全磷含量使用酸溶钼锑抗比色法测定；土壤全钾含量使用三酸消解火焰光度法测定；电导率使用电导法测定[16-17]。

1.4 数据统计

试验数据采用Excel 2003和SPSS 18.0进行作图和方差分析，并采用Duncan’s新复极差法(LSR)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 对0～30 cm土层土壤理化性质的影响

稻田0～30 cm土层土壤养分随沼液施用年限的变化状况详见表1。施用沼液导致土壤pH值显著降低，施用沼液4 和2 a处理的土壤pH分别比不施沼液处理土壤(pH 7.22)降低0.67和0.71。不施沼液的土壤有机质含量、阳离子交换量(CEC)和电导率分别为19.71 g·kg-1、14.23 cmol·kg-1和78.5 μS·cm-1，施用沼液4 a和2 a处理的土壤有机质含量、CEC、电导率均有所提高，但只有施用沼液4 a处理与不施沼液的差异达显著水平。

沼液不同施用年限的稻田土壤全氮、全磷和全钾含量均依次递减：4 a>2 a>0 a(不施沼液)，不施沼液处理的土壤全氮、全磷和全钾含量分别为1.05、1.15和21.5 g·kg-1。施用沼液4 a土壤全氮、全磷和全钾含量均比不施沼液显著提高。施用沼液2 a稻田土壤全氮含量显著高于不施沼液。沼液不同施用年限的稻田土壤速效养分含量随沼液施用年限的变化与全量养分含量相似，不施沼液处理的土壤碱解氮、有效磷、速效钾和NH4-N含量分别为64.9、75.6、99.3和42.45 mg·kg-1，施用沼液4 a的土壤上述4个速效养分含量均比不施沼液土壤显著提高。施用沼液2 a土壤的速效养分中有效磷和NH4-N含量显著高于不施沼液处理。

2.2 对0～30 cm土层土壤化学计量比的影响

稻田施用沼液4 a、2 a和不施用沼液的土壤的C∶N∶P比分别为8.71∶1.00∶4.84、9.61∶0.94∶1.00、10.90∶1.00∶0.96。稻田施用沼液4 a、2 a和不施用沼液的土壤C∶N比分别为10.86、9.44、11.21，其变化的趋势是先降后增，不同施用年限的土壤C∶N比无显著差异；稻田施用沼液4 a、2 a和不施用沼液的土壤C∶P比分别为9.96、9.72、6.25，其土壤C∶P比变化趋势为随施用年限增加而降低，且土壤C∶P比施用沼液4 a处理显著低于施用沼液2 a和不施沼液；施用沼液4 a、2 a和不施用沼液的稻田土壤N∶P比分别为0.92、1.18、0.56，其变化趋势是先增后降，且土壤N∶P比，施用沼液4 a处理显著低于施用沼液2 a和不施沼液。本研究的稻田施用沼液4 a和不施用沼液的土壤的C∶N、C∶P、N∶P分别为10.86、9.96、0.92和11.21、6.25、0.56。

同指标柱上没有相同英文字母表示组间差异显著(P<0.05)。

3 小结与讨论

3.1 施用沼液稻田的土壤肥力特征

沼液中含有丰富的有机物质和氮、磷、钾等营养元素及各种氨基酸、有机酸等生物活性物质，因而沼液施用可显著地提高土壤质量[3-4]。徐颖菲等[18]对杭嘉湖平原6 160个土壤样本的调查分析结果显示，土壤pH 6.35，有机质29.51 g·kg-1，全氮1.72 g·kg-1，有效磷17.7 mg·kg-1，速效钾103 mg·kg-1。通过比较本文试验区不施沼液处理土壤肥力状况与同地区的杭嘉湖平原水稻土土壤，有机质和全氮含量明显低于杭嘉湖平原的平均水平，而有效磷含量则远高于杭嘉湖平原的平均水平。根据浙江省水稻土壤肥力分级指标的标准[19]，本研究不施沼液处理的各项土壤肥力指标均处于中、高水平。沼液不同施用年限对稻田土壤肥力的影响存在显著差异：施用沼液2 a的土壤全量养分中只有全氮含量显著高于不施沼液处理，速效养分中有效磷和NH4-N含量显著高于不施沼液处理，而施用沼液4 a的土壤全量养分中全量和速效养分及其他土壤肥力指标均显著高于不施沼液处理。本研究发现，施用沼液4 a土壤速效养分显著提高的原因是沼液中有效态氮、磷、钾约占全氮、全磷和全钾含量的75%、85%和81%[20]。

3.2 施用沼液稻田的土壤C、N和P化学计量特征

水稻生产过程中需肥量较大，稻田外源性养分投入的营养元素多、途径广、数量大，频次高，还具有氧化-还原过程诱发的特殊生物化学过程，导致水稻土的元素组成和化学计量特征更具易变性和复杂性。本研究的稻田施用沼液4 a和不施沼液土壤的C∶N、C∶P、N∶P分别为10.86、9.96、0.92和11.21、6.25、0.56，而湖南省110个亚热带区稻田土壤C∶N、C∶P、N∶P比分别为12.6、49、3.9[21]。施用沼液不同年限的水稻土C∶N差异相对较小，但C∶P和N∶P的变异很大，两者均值也远低于全球土壤(186和13.1)和中国土壤(136和9.3)的C∶P和N∶P的平均水平，其主要原因是稻田表土中C和N存在着紧密的耦合作用，稻田土壤的C∶P和N∶P很不稳定。通过沼液外源性投入后N和P含量的显著升高是导致本研究土壤C∶P和N∶P降低的主要原因。

3.3 稻田施用沼液的养分流失风险及其评价

稻田消纳沼液过程中的养分流失是当前沼液农用及资源化利用过程中的重要问题。当沼液中所提供的养分超过作物需要或遇强降雨时均易造成养分流失，进而导致水体的污染。稻田施用沼液所产生的氨挥发也是目前稻田生态消解沼液的环境风险之一[22]，稻田施用沼液的氨挥发损失可占总氮损失的42.2%～72.0%[23]。随着施用沼液稻田土壤氮、磷的不断积累，土壤氮、磷流失风险也在增加，成为农业生态循环系统中不可忽视的一个环节。稻田的肥力水平越高，养分流失的风险就越大。本研究未施沼液的土壤总体属于中上肥力水平，但土壤有效磷含量高达75.6 mg·kg-1，显著高于水土壤有效磷的极大值(30 mg·kg-1)。王慎强等[24]在太湖流域典型地区的宜兴、常熟两地的7个水稻土类的试验显示，第一个轮作周期稻季施磷没有提高水稻产量。李艾芬等[25]对嘉兴市南湖区稻田土壤养分分析表明，从1983年至2005年，全区稻田土壤有机质、全氮、有效磷和有效钾含量分别平均增加了7.0%、4.1%、394%和11.3%。徐锡虎等[26]对嘉善县303个耕地土壤养分的研究表明，自第2次土壤普查后20 a来，土壤pH下降了0.9个单位，有机质升高了0.39 g·kg-1，全氮平均增加了0.4 g·kg-1，有效磷平均增加了22.0 mg·kg-1，速效钾平均增加38.7 mg·kg-1。宜兴、常熟两地水稻土磷含量也呈现随时间推移而增加的趋势，2009年土壤速效养分含量分别达11.6～37.3 mg·kg-1和8.03～19.8 mg·kg-1，而土壤全磷含量分别为0.39～0.72 g·kg-1和0.55～0.76 g·kg-1[24]。袁平[27]研究也证明，1982年和2000年太湖地区全氮含量分别为1.58 g·kg-1和1.79 g·kg-1，上升速率为0.012 g·kg-1·a-1，有效磷含量分别为9.80 mg·kg-1和12.91 mg·kg-1，上升速率为0.173 mg·kg-1·a-1。通过本研究施用沼液稻田的养分状况与同一地区的养分状况进行比较发现，无论是养分含量还是养分的累积速率，后者均比前者要高，稻田养分的含量和累积速率均与沼液施用年限相关，沼液施用4 a处理的土壤全量和速效养分含量均显著高于沼液施用2 a的土壤(表1)。周炜等[13]在土壤基础肥力为中等条件的盆栽试验中发现，常规化肥处理农田氨挥发总量和径流氮损失量分别为77.0 kg·hm-2和39.1 kg·hm-2，而100%施用沼液处理和75%沼液+25%猪粪有机肥配施处理的氨挥发量比较高，分别为120.7 kg·hm-2、88.0 kg·hm-2。谢学俭等[28]和本研究的结果均证明，稻田施用沼液面临的养分流失风险随施用年限的增加而提高。稻田施用沼液养分流失风险，不仅表现在土壤肥力指标和养分累积速率上，还反映在较低的土壤C∶P和N∶P。较低的C∶P、N∶P说明稻田施用沼液后存在磷素的累积，进而导致稻田磷素流失的风险。

由于土壤肥力变化、沼液养分在农田土壤中的积累等均为长期作用演变过程，为掌握长期连续施用沼液对土壤理化性状、土壤肥力等方面的综合影响及建立沼液科学施用体系，应组织开展10 a以上的大田长期定位试验和动态监测，进而得出比较确切的结论。从本文现有研究对连续施用沼液4 a土壤全量和速效养分含量及化学计量比的各项指标综合评判，在土壤肥力较高稻田上施用沼液将使土壤pH取向中性、土壤全量和速效养分的积累及C∶P、N∶P降低，上述这些变化连续施用沼液4 a的处理显著大于连续施用沼液2 a的处理。连续施用沼液4 a的稻田土壤可能存在养分流失风险,为降低连续施用沼液稻田养分流失的风险，应加强农田生态拦截沟渠系统等农田基础设施建设，采取肥水管理等系列农艺、生物等配套措施。在中等、低等土壤肥力水平的稻田上施用沼液时，可通过放养水生植物、与有机肥配施等系列措施，在土壤肥力较高稻田上施用沼液时应适当减量。