长期施用沼肥对设施菜田土壤养分和盐分累积量的影响

郭全忠，龚晓松，刘化隆

(安康学院 旅游与资源环境学院，陕西安康 725000)

随着养殖业的快速发展，畜禽粪尿、污水等废弃物得不到较好处理导致环境污染问题突出[1-2]，养殖场废弃物如猪粪本身具有能源和肥料价值，向环境中排放猪粪是对资源的巨大浪费，通过一定的资源化处理可使其产生生物能源和高营养肥料[3]。国家投入大量资金在各养殖场建立一系列沼气工程，通过沼气发酵处理养猪场废弃物，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[4]，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[5-6]。

安康市地处汉江中上游地区，是南水北调水源涵养区,也是国家主体功能示范城市，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蔬菜用肥料，以此减少养猪场废弃物对环境的影响，取得了一定的效果。但近年来，部分养猪场菜田土壤开始出现板结、产量下降、病害加剧等现象，“猪-沼-菜”模式开始受到人们的质疑。王腾飞等[7]研究认为，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。本研究选择安康市某大型养猪场“猪-沼-菜”循环利用中的菜田土壤作为研究对象，进行长期跟踪调查，研究沼液沼渣不同施用年限对土壤养分等的影响，分析其存在的环境风险，为合理施用沼液和沼渣提供技术支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

该养猪场位于安康市李家嘴村，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设塑料大棚种植设施蔬菜，目前共流转土地1 013 hm2，建成了以“猪-沼-菜”模式为主的农业园区。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，年平均施用沼液沼渣混合液600 m3/hm2。化肥施用量按当地设施蔬菜施肥量的50%施用，以三元复合肥为主，分别施用纯N 200 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2。试验地土壤类型为黄棕壤，首季种植前土壤碱解氮、有效磷、速效钾质量分数分别为 28.5 mg/kg、60.2 mg/kg和22.3 mg/kg，有机质质量分数为9.37g/kg，pH 6.37，电导率0.064 mS/cm，全铜、全锌质量分数分别为30.3 mg/kg和140.2 mg/kg。

1.2 试验设计与土壤样品采集

1.2.1 试验设计 从2011年开始，采用定点采集研究区土壤样品监测的方法对该试验地土壤环境变化情况进行长期跟踪监测分析。选择3个面积约400 m2、土壤肥力接近的大棚，每年控制沼液施用量600 m3/hm2。3个棚种植蔬菜类型以番茄、黄瓜和茄子进行轮作。共设计5个年限段进行跟踪监测，分别是0 a、1 a、3 a、5 a和 7 a。首季种植前采集土壤样品作为0年，第1年蔬菜收获后采集的土壤样品作为1 a，然后每隔1 a在当年蔬菜收获后采集土壤样品分别作为3 a、 5 a和7 a土壤样品,设为沼肥处理(ZF)。选择相邻一大棚，按照当地常规施肥方式进行施肥管理，分别施用纯N 400 kg/hm2、P2O5300 kg/hm2、K2O 300 kg/hm2，不施用沼肥，设为对照处理(CK)。在采集园区土壤样品的同时，用相同方法采集对照区土壤样品进行分析。

1.2.2 土壤样品采集 在沼肥处理区和对照区的每个棚采用棋盘法设8个土壤样品采集点，采集耕层(0～20 cm)土壤样品，每棚土壤样品混匀后分别测定土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质、全铜、全锌质量分数及电导率和pH。然后分别取3个沼肥处理大棚和1个对照处理大棚土壤样品各测定项目的平均值作为最终测定结果。

1.3 测定项目及方法

碱解氮质量分数采用碱解扩散法测定[8]。有效磷质量分数采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定[9]。速效钾质量分数采用乙酸铵溶液浸提,用UV-6300(PC)型紫外分光光度计测定[8]。全铜和全锌采用高氯酸-硝酸-氢氟酸消化,火焰原子吸收分光光度法测定[10]。土壤pH采用电位法测定，称取风干土10 g加水25 mL(水土比为2.5∶1)振荡30 min用PHS-3C型pH计测定；电导率采用电位法测定，称取风干土4 g加水20 mL(水土比为5∶1)振荡30 min用DDS-307型电导率仪测定[11]。

2 结果与分析

2.1 施用年限对土壤碱解氮、有效磷和速效钾质量分数的影响

氮磷钾是作物生长最重要的3种营养元素，土壤中氮磷钾含量状况直接影响农作物的产量和品质。畜禽粪便中含有作物生长所需的N、P、K等营养元素，以其为原料发酵的沼液沼渣作为肥料在农田中施用会对土壤中的N、P、K等营养元素累积量产生一定的影响。

2.1.1 对土壤碱解氮质量分数的影响 由图1可以看出， ZF和CK中土壤碱解氮质量分数均随施用年限的增加而相应增加，但处理ZF的增加幅度略高于处理CK。在处理ZF中，施用沼肥0 a的土壤中碱解氮的质量分数为28.5 mg/kg，施用1 a以后为33.8 mg/kg，是未施用沼液土壤的 1.19倍；3 a后为44.3 mg/kg，较施用1 a沼液土壤碱解氮质量分数增加31.1%，是未施用沼液的1.55倍； 5 a后为72.8 mg/kg，是未施用沼液土壤的2.5倍；7 a后为96.1 mg/kg，是未施用沼液的 3.4倍，说明在化肥用量减半的情况下，施用600 m3/hm2沼肥代替化肥对提高土壤氮素营养有显著效果。

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[12-15]。根据我国第二次土壤普查全国土壤养分分级标准，本研究用地施用沼液 3 a内土壤碱解氮质量分数<60 mg/kg，属5级肥力，土壤缺氮。施用5 a后土壤碱解氮质量分数为72.8 mg/kg，处于61～90 mg/kg的中下水平(4级肥力)，施用7 a土壤碱解氮达96.1 mg/kg，处于91～120 mg/kg间的3级肥力，土壤碱解氮质量分数属中上水平。由于研究区土壤碱解氮背景值较低，连续施用沼液7 a后土壤碱解氮质量分数虽未明显超标，但从土壤碱解氮增长趋势看，随着施用年限的增加是否会出现氮素营养过度累积的现象需进一步研究。

2.1.2 对土壤有效磷质量分数的影响 由图2可知，处理ZF和CK中土壤有效磷质量分数也均随施用年限的增加而相应增加，处理ZF的增幅高于CK。在处理ZF中，施用沼肥0 a的土壤有效磷质量分数为60.2 mg/kg，施用1 a和3 a后分别为73.4 mg/kg和75.6 mg/kg，增长率为3%。施用5 a后，质量分数达80.2 mg/kg，是未施用沼液土壤质量分数的1.33倍，施用7 a后，质量分数达91.5 mg/kg,是未施用沼液土壤质量分数的1.5倍，研究区土壤速效磷质量分数已达偏高水平[16]。由于沼渣沼液磷质量分数较高，若长期大量施用，可能会造成土壤磷富集，进而污染地下水。

图1 不同施用年限对土壤碱解氮质量分数的影响Fig.1 Effects of different years of application on Alkali-hydrolyzale N mass fraction

图2 不同施用年限对土壤有效磷质量分数的影响Fig.2 Effects of different years of application on mass fraction of soil available P

2.1.3 对土壤速效钾质量分数的影响 由图3可知，各处理土壤速效钾质量分数亦均随施用年限的增加而增加，处理ZF的增幅亦高于CK。在处理ZF中，未施用沼液土壤中速效钾的质量分数比较低为22.3 mg/kg。施用1 a以后达30.5 mg/kg，是未施用沼液的1.4倍。施用3 a至5 a，质量分数分别达38.6 mg/kg和58.7 mg/kg，分别是未施用沼液的1.7倍和2.6倍。施用7 a以后达73.7 mg/kg，是未施用沼液土壤的3.3倍，累积效果显著。随着施用年限的增加，土壤中速效钾的质量分数也越来越高。从增长速度看，施用沼液沼渣3 a后开始土壤速效钾质量分数呈较快增长趋势，说明沼液沼渣的施用对提高土壤钾素质量分数有较显著效果。本研究结果与李文涛等[17]和康凌云[18]的基本一致。

图3 不同施用年限对土壤速效钾质量分数的影响Fig.3 Effects of different years of application on mass fraction of soil available K

2.2 施用年限对土壤有机质质量分数的影响

土壤有机质质量分数是衡量土壤肥力的重要标志，有机质质量分数的积累和活化可提高土壤的生产力。由图4看出，在0～3 a间，处理ZF和处理CK中土壤有机质质量分数变化不明显，均低于10 g/kg，这可能与研究区土壤有机质质量分数偏低及作物吸收利用率有关。5～7 a间，处理ZF土壤质量分数明显高于CK。由于研究区域土壤有机质质量分数背景值较低，小于10 g/kg，处理ZF施用沼肥前3 a，土壤有机质质量分数从9.37 g/kg增加到9.85 g/kg，仅增加 5.1%，第5年和第7年分别达11.07 g/kg和 11.95 g/kg，较0年分别增加18.3%和27.5%，培肥地力效应逐渐显现，但增加速度和幅度明显低于碱解氮、速效磷和有效钾，这可能与沼液沼渣中有机质质量分数较低有关。

隋好林等[5]采用沼液滴灌番茄试验结果发现，沼液用量在12 000～14 000 kg时，土壤有机质质量分数可增加30.7%，且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的趋势；本研究与鄂利锋等[19]的研究结果较为相似。但冯丹妮等[20]认为，长期施用沼液有利于土壤微生物生长和酶活性提高，但对土壤微生态平衡及土壤质量存在潜在威胁。说明施用沼肥在增加土壤有机质质量分数的同时，其对土壤生态系统的影响不容忽视。

2.3 施用年限对土壤全铜和全锌质量分数的 影响

铜、锌是作物必需的微量营养元素，土壤中低浓度铜、锌能促进作物生长，超过一定限度会对作物产生毒害。为了提高产量和效益，养猪场饲料中铜、锌超标导致粪便中残留较高[21]。由于猪对饲料中的铜、锌等吸收不完全，用猪粪生产沼气产生的沼液沼渣中必然残留一定量的铜和锌，这些沼液沼渣施用在农田中必然会影响土壤中铜和锌的质量分数。

2.3.1 对土壤全铜质量分数的影响 由图5可以看出，CK处理中全铜质量分数7 a间的变幅很小，处于30.4～30.8 mg/kg。而处理ZF土壤中全铜质量分数随着施用年限的增加逐年增加，未施用沼液土壤中全铜的质量分数为30.3 mg/kg，施用1 a后从30.3 mg/kg增加到62.8 mg/kg，增长率为107%。施用沼液7 a后，土壤中全铜质量分数达到118.5 mg/kg，是未施用沼液土壤的3.9倍，土质属于三级标准，已经达到轻微污染。

图4 不同施用年限对土壤有机质质量分数的影响Fig.4 Effects of different years of application on mass fraction of soil organic matter

图5 不同施用年限对土壤全铜质量分数的影响Fig.5 Effects of different years of application on mass fraction of soil total Cu

2.3.2 对土壤全锌质量分数的影响 由图6可以看出，施用年限对土壤全锌质量分数的影响与对全铜质量分数的影响表现相似的规律。CK处理中全锌质量分数7 a间的变幅也很小，在 138.5～139.4 mg/kg。处理ZF中未施用沼液土壤中全锌的质量分数为140.2 mg/kg，已经超过当地土壤自然背景值，施用沼液沼渣1～3 a，土壤全锌质量分数增加缓慢，这可能与作物对锌的吸收利用有关[22]。但施用5～7 a以后，土壤中全锌质量分数分别快速增加到233.5 mg/kg和263.4 mg/kg，是未施用沼液的1.88倍。

图6 不同施用年限对土壤全锌质量分数的影响Fig.6 Effects of different years of application on mass fraction of soil total Zn

2.4 施用年限对土壤酸碱度和盐分质量分数的影响

2.4.1 对土壤酸碱度的影响 pH是土壤最基本的化学性质之一，对作物及土壤微生物生长有重要作用[23]，由图7可以看出，CK处理土壤pH随着化肥施用年限的增加并未发生明显变化。处理ZF中，施用沼肥1 a后土壤pH无明显变化，第3 年土壤pH较0 a增加2.19%，第5年至第7 年出现较大幅度变化，分别增加4.87%和 6.72%，说明长期施用沼液沼渣会导致酸性土壤pH的增加，对调节酸性土壤pH有一定作用。

孙国锋等[24]研究认为，沼液替代化肥处理较常规施肥处理间土壤pH无明显差异。刘世亮等[25]认为，随着畜禽粪便有机肥施用量的增加土壤pH相应降低。本研究从施用1 a结果看，与孙国锋等[24]的研究结果相同，但从长期施用结果来看，土壤pH变化与刘世亮等[25]的研究结果相反，这可能与研究区土壤性质、作物品种、猪粪粪源及养猪场猪粪处理方式差异有关，具体产生原因尚需进一步研究。

图7 不同施用年限对土壤pH的影响Fig.7 Effects of different years of application on soil pH

2.4.2 对土壤盐分质量分数的影响 土壤电导率代表土壤盐分质量分数的高低，从测定结果看(图8)，CK处理各年份电导率值维持在0.066～0.086 mS/cm，无明显变化。处理ZF随着施用沼肥年限的增加，出现了较明显的变化，在施用沼肥0～3 a间，从0.064 mS/cm增加到0.091 mS/cm，增幅较小，说明前3 a年盐分累积不明显。但第5～7年时，土壤电导率迅速增加到 0.247～0.366 mS/cm，分别是未施用沼液、沼渣土壤电导率的2.87倍和4.74倍，说明当沼液沼渣施用5 a后，土壤盐分呈快速累积现象，土壤盐分快速增加会严重影响土壤环境质量。目前关于沼液沼渣施用对土壤盐分质量分数影响方面的报道尚少，但长期特别是过量施用沼液沼渣引起的土壤盐分的累积及其对土壤环境质量的影响应引起高度重视。

图8 不同施用年限对土壤电导率的影响Fig.8 Effects of different years of application on soil conductivity

3 讨论与结论

随着养殖场规模的不断扩大，沼气工程成为解决这些养殖场粪便的重要方法之一，且得到快速发展，相应的产生的沼液沼渣等废弃物越来越多，为减轻这些废弃物给环境造成的压力，研究发现，将这些废弃物作为肥料(沼肥)应用于农业生产中，对改善土壤养分含量和结构、提高农作物产量等具有良好的效果[19]。研究发现，沼肥能显著改善土壤质量、提高作物产量、改善农产品品质等,沼肥可作为一种优质的有机肥料应用在农业生产中，可有效减少农业生产中的农药和化肥使用量，有效减轻环境污染[26-29]。但由于缺少合理的技术指导，沼肥盲目施用现象较为明显，由此导致的养分累积及有害金属离子污染问题不容忽视[30]。

近几年，随着养殖场沼气工程的快速发展，产生的沼渣沼液废弃物越来越多，已经给养殖场周边环境带来巨大的压力。以安康市石泉县明星村为例，该村2010年共有千头规模以上养猪场17家，其中万头规模4家，各养猪场均采用沼气工程处理各养猪场废弃物，产生的沼液和沼渣全部用于周边农田中，但经过几年运行后，由于所产生的沼液沼渣量远远超过当地农田的消纳能力，导致当地土壤和空气污染严重，环境压力制约了养猪业的发展，各养猪场纷纷关闭，目前该村仅剩千头以上规模养猪场7家。虽然从短期看，一定量的沼肥对农田土壤肥力和作物生长具有促进作用，等氮量沼肥替代化肥不会产生土壤氮素盈余，可有效实现废弃物中的养分资源循环利用，但过量施用沼肥会增加菜田土壤磷素累积和淋失风险[31]，长期过量施用沼肥产生的环境污染问题不容忽视，在沼肥作为肥料施用过程中，研究控制合理的施用量和施用时间对于推进沼肥的有效利用，保护农田土壤环境具有重要意义。

在当地常规施用氮、磷、钾肥量减半的基础上，研究用 600 m3/hm2沼肥替代化肥对土壤养分的影响发现，与不施用沼肥处理相比，经过对连续7 a施用沼肥的设施菜田土壤中碱解氮、速效磷、有效钾、有机质质量分数均随着施用年限的增加而增加，其增幅均高于对照处理，说明施用沼液沼渣对增加设施菜地土壤氮、磷、钾和有机质质量分数有明显效果。但连续施用沼肥5～7 a后各养分呈更快速增加的趋势，由此引起的土壤氮、磷过度累积对土壤生态环境及周围水体环境污染的风险也相应增大。

由于猪饲料添加剂中铜、锌等金属质量分数超标导致的猪粪便中铜、锌质量分数较高，长期施用以这些猪粪便为原料生产的沼肥，土壤全铜、全锌质量分数也随着施用年限的增加相应增加，5 a后呈快速增加趋势，7 a后开始表现出土壤铜轻污染现象，而全部施用化肥的对照处理土壤中全铜、全锌质量分数并未发生明显变化，故以猪粪便为原料加工的肥料长期施用引起的土壤铜、锌累积问题应引起高度重视。

土壤酸碱度的变化对土壤质量有较大的影响，由于研究区土壤为弱酸性，与不施用沼肥相比，连续施用沼肥会使当地土壤pH升高，对酸性土壤酸碱度有一定调节作用，但本研究结果与前人的一些研究结论有较大差异，需结合不同区域、不同沼肥品种及其他相关要素进一步研究。

关于与本研究区域相近条件下沼肥施用对土壤盐分的影响的相关报道较少，与不施用沼肥相比，通过测定土壤电导率反映土壤盐分含量变化发现，施用沼肥前3 a土壤盐分含量增加相对较为缓慢，但5 a后快速增长，7 a后土壤电导率是未施用沼液沼渣的4.74倍，说明农田长期大量施用沼液沼渣会导致土壤盐分累，破坏土壤生态 环境。

综上所述，短期施用一定量沼肥较不施用沼肥对提高土壤氮磷钾养分质量分数有明显的作用，但长期施用会存在一定的养分过量累积风险。同时，沼肥的施用特别是长期施用会增加土壤中铜、锌、和盐分的累积，同时会对土壤酸碱度产生一定的影响。