沼液還田消納的效應(yīng)及其對策

毛正榮，王宏航，童文彬，單勝道，程輝彩，張建云，張進(jìn)*

(1.衢州市土肥與農(nóng)村能源技術(shù)推廣站，浙江 衢州 324000； 2.衢州市衢江區(qū)土壤肥料技術(shù)推廣站，浙江 衢州 324022；3.浙江科技學(xué)院 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310023； 4.河北省科學(xué)院 生物研究所，河北 石家莊 050081)

黨的十八大把生態(tài)文明建設(shè)列入中國特色社會主義“五位一體”總體布局，“十九大”提出實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略。堅持綠色發(fā)展和“綠水青山就是金山銀山”理念，推動農(nóng)村人居環(huán)境綜合治理，以沼氣為代表的生物質(zhì)能源是解決農(nóng)村農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)-社會-資源-環(huán)境沖突的重要選項之一[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2014年底，我國大中型沼氣工程已達(dá)10.3萬處，年產(chǎn)沼液沼渣約10億t[2]。沼液的消納成為制約沼氣工程正常運行可持續(xù)發(fā)展的因素。目前，國內(nèi)外對沼液的處理方式大致可分為工業(yè)化處理達(dá)標(biāo)排放和還田消納生態(tài)利用2種[3]。由于第一種方式處理成本高且受污水處理廠地限制，因此，沼液還田消納生態(tài)利用成為我國處理沼液的主流方式。

沼液是畜禽糞便、農(nóng)林廢棄物、餐廚垃圾等有機(jī)物質(zhì)經(jīng)過厭氧發(fā)酵而成的一種偏堿性液體。沼液中不僅含有大量的速效營養(yǎng)成分(如氮、磷、鉀、鐵、錳、銅、鋅等)，還含有一些有機(jī)質(zhì)和活性物質(zhì)(如氨基酸、植物激素、維生素、腐殖酸等)，可作為一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)速效肥料[4]。研究表明，沼液對提高種子萌發(fā)率、促進(jìn)作物生長、提高作物抗逆性、提高作物品質(zhì)有著顯著的效果[5-6]，同時還能顯著提高土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)，改良酸性和鹽漬化土壤等[7-8]。但由于沼液成分復(fù)雜，且可能含有微量有毒有害物質(zhì)(如重金屬、抗生素等)[9]，加上運輸成本較高，環(huán)境承載能力有限，將沼液用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍存在一定的健康風(fēng)險。

本文闡述了沼液還田消納對土壤環(huán)境及作物生長的影響，分析了沼液還田消納過程中存在的問題并給出相應(yīng)的對策，最后對我國沼液資源化利用體系的建設(shè)作了展望，旨在拓寬沼液的利用途徑，為沼液資源化利用提供參考。

1 沼液還田施用的效應(yīng)

由于農(nóng)田管理與利用不當(dāng)、農(nóng)田保護(hù)與保育不力，農(nóng)田土壤肥力下降、土壤板結(jié)、酸化、污染嚴(yán)重等問題日益突出。沼液中含有豐富的營養(yǎng)成分(有機(jī)質(zhì)、纖維素、腐殖酸等)，可以改善土壤理化性狀，提高土壤肥力，促進(jìn)作物生長。

1.1 改善土壤理化性狀

1.1.1 對土壤肥力的影響

沼液是一種厭氧發(fā)酵產(chǎn)物，含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)及礦質(zhì)元素。沼液施入土壤后可以提高土壤速效養(yǎng)分和有機(jī)碳的含量。楊樂等[10]研究發(fā)現(xiàn)，沼液灌溉能夠顯著增加綠洲農(nóng)田耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀的含量。宋哲岳等[11]研究了施加沼液年限對濱海鹽土有機(jī)碳累積的效應(yīng)，結(jié)果表明，隨著沼液施加年限的增加，土壤總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，且連施沼液可以促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累，增加土壤碳存儲量。同時，長期灌溉沼液可以提高土壤持水性能，使飽和含水率和田間持水量增加，為植物生長提供更多的有效水，同時也為土壤養(yǎng)分提供了溶劑和載體[12]。此外，沼液可以活化土壤中的有機(jī)物質(zhì)，提高土壤微生物量碳氮含量，降低有機(jī)碳比率，為微生物提供碳、氮源，促進(jìn)微生物的生長，為酶促反應(yīng)提供更多的反應(yīng)底物[13]。馮丹妮等[14]研究表明，與清水灌溉和常規(guī)施肥相比，施用沼液會降低土壤細(xì)菌/真菌值，增加微生物數(shù)量并提高土壤酶活性。隨著沼液施用量增加，細(xì)菌數(shù)量不斷增加，放線菌、真菌數(shù)量和土壤過氧化氫酶活性均先升高后降低。

1.1.2 對土壤結(jié)構(gòu)的影響

沼液中不僅含有植物生長所需的營養(yǎng)元素，還含有有機(jī)質(zhì)、腐殖酸等成分，長期施用可在提高土壤有效養(yǎng)分的同時，改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤孔隙狀況和土壤通透性，從而增強(qiáng)其與外界環(huán)境水、肥、熱、氣的交換，為植物根系生長提供良好的水熱條件[15]。沼液可以改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，原因是沼液增加了土壤有機(jī)質(zhì)和微生物的活性，而有機(jī)質(zhì)和微生物分泌物可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成。杜臻杰等[16]通過田間定位試驗發(fā)現(xiàn)，沼液改善了土壤團(tuán)聚體及其密度狀況，總孔隙度比對照提高了6.14%，并且增加了各土層中全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)的含量。鄭學(xué)博等[17]通過田間試驗研究了沼液對旱地紅壤團(tuán)聚體的效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)沼液還田有利于提高土壤機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的含量及團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性，當(dāng)沼液氮與化肥氮配施比例在30%～45%時，沼液化肥配施可顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量，且對土壤的改良效果最佳。蔡茂[18]研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，長期施用沼液可以使0～20 cm土層孔隙度較對照增加21.74%，20～40 cm土層孔隙度較對照增加22.22%。

1.1.3 對土壤pH值及鹽堿度的影響

1.2 促進(jìn)作物生長

沼液中不僅含有氮、磷、鉀等大量營養(yǎng)元素，還含有鐵、鋅、鈣、銅、硼、鉬等植物生長所需的微量元素，且大部分以有效態(tài)的形式存在，可以為植物的生長提供速效養(yǎng)分，促進(jìn)作物的生長，提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)，同時對植物病蟲害也有一定的抑制作用。

沼液施入土壤可為作物提供良好的水熱條件，促進(jìn)植物根系的生長，提高作物品質(zhì)。李小宇[21]通過連續(xù)3 a定位施用沼液研究了其對水稻生產(chǎn)的影響，結(jié)果表明，施用沼液可以提高水稻的株高、穗長、有效穗數(shù)、實粒數(shù)。沼液中還含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、生長激素、糖類、維生素及各類水解酶等，可以促進(jìn)種子萌發(fā)。李偉[22]在研究沼液施用對玉米種子萌發(fā)與幼苗重建的影響時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為1.5 g·L-1·d-1(以揮發(fā)性固體計)時，玉米秸稈發(fā)酵沼液能夠促進(jìn)玉米種子的萌發(fā)，可使幼苗的主根伸長增加6.3%，根鮮重累計增加10.3%。賈亮亮等[23]采用裂區(qū)設(shè)計，研究了沼液不同施用量和不同噴施體積對番茄生長的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，追施75 t·hm-2沼肥可促進(jìn)番茄植株的生長，提高番茄的硬度、單果質(zhì)量、產(chǎn)量、維生素C質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)和糖酸比，且效果優(yōu)于常規(guī)施肥，從而有效改善番茄品質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效益。趙莉等[24]通過沼液與化肥對水芹品質(zhì)的對比研究發(fā)現(xiàn)，與單施化肥處理相比，沼液替代化肥各處理的水芹莖部硝酸鹽含量分別降低了6.3%、31.9%和18.6%。劉敏[25]通過2 a的田間試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沼液施用量為7.25～11.11 t·hm-2時，能顯著提高油菜籽粒產(chǎn)量，降低油菜籽粒硫甙、芥酸含量，提高蛋白質(zhì)、油酸、亞油酸含量，降低油菜籽中重金屬的含量，提高籽粒中氮磷鉀的含量，并且能減低土壤中重金屬的生物有效性。原因是沼液施入土壤可以調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱等，降低土壤中重金屬的有效態(tài)含量，為植物的生長提供良好的環(huán)境。

1.3 減少農(nóng)藥使用

沼液不僅可以提高作物品質(zhì)，對作物病蟲害的發(fā)生防治也有良好效果。沼液中含有丁酸、吲哚乙酸、植物激素，及維生素B12等活性物質(zhì)，因此，沼液可以用作生物農(nóng)藥防治病蟲害，提高植物的抗逆性，尤其是當(dāng)沼液與殺蟲劑配合使用時，還可增強(qiáng)藥劑的使用效果。而且，當(dāng)沼液作為葉面肥施用時，還具有無污染、無殘留、無抗藥性等特點。尹芳等[26]在實驗室內(nèi)研究了沼液對14種作物常見病原菌的抑制作用，發(fā)現(xiàn)沼液對煙草赤星病菌、稻瘟病菌等5種病原菌具有強(qiáng)烈的抑制效果，對甘薯黑斑病菌、西芹細(xì)菌等5種病原菌具有中等的抑制作用，且沼液濃度越高，抑制效果越好。毛曉月等[27]研究了沼液農(nóng)用對芥菜產(chǎn)量、品質(zhì)，以及病蟲害防治的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，芥菜蟲口密度、蟲害率和病情指數(shù)均隨沼液施用量的增加呈逐漸減少的趨勢。因此，施用沼液可以在一定程度上減少農(nóng)藥在農(nóng)作物上的使用。

1.4 促進(jìn)化肥減量施用

據(jù)統(tǒng)計，2013年我國種植業(yè)化肥施用量為5 498萬t，其中，氮肥3 382萬t，磷肥1 175萬t，鉀肥941萬t[28]。但通過分析化肥在糧食生產(chǎn)中的邊際產(chǎn)出與化肥價格的比率可知，目前中國化肥施用量已經(jīng)超過了經(jīng)濟(jì)意義上的最優(yōu)施用量，其中，在小麥、玉米和水稻生產(chǎn)上的過量使用已經(jīng)超過了30%以上[29]。長期使用化肥，不僅會造成土壤酸化，同時還會降低土壤肥力、微生物活性，增加重金屬的含量，造成土壤硝酸鹽污染和土壤次生鹽漬化[30]，而且還會因利用率不高，造成一定量的經(jīng)濟(jì)損失。

沼液替代化肥或與化肥混施不僅可以減少化肥的施用量，降低經(jīng)濟(jì)成本，同時還可以降低土壤容重，規(guī)避因單施化肥造成的土壤環(huán)境惡化問題。沼液主要以基肥、追肥、葉面肥等形式施用于作物上。武海英[31]通過在不同蔬菜上施用沼液肥與化肥的比較試驗發(fā)現(xiàn)，施用沼液肥比化肥顯著增收，西紅柿、空心菜、黃瓜使用化肥的成本為228.80元·hm-2，施用沼液肥的成本為40～60元·hm-2。以施入等量的氮為依據(jù)，徐銘澤等[32]以化肥和沼液為基肥和追肥，探討其對西紅柿生長和土壤組分的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在定植160 d后，沼肥與化肥配施的處理中土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物總量要高于對照與化肥處理，其中，沼肥處理的葉片過氧化物酶活性在整個生長期間均最高，沼肥與化肥配施比例為4∶1的處理西紅柿產(chǎn)量最高，沼肥處理的西紅柿品質(zhì)最佳。孫國峰等[33]研究結(jié)果表明，與化肥處理相比，100%沼液、50%沼液替代化肥處理減少了麥季的全球增溫潛勢(GWP)及單位產(chǎn)量的GWP，分別降低了25.39%、10.88%和24.16%、10.97%，主要原因是沼液處理降低了麥季N2O排放總量，同時降低了單位GDP碳排放量。沼液作為葉面肥，不僅促進(jìn)植物的光合作用，增加干物質(zhì)積累，提高作物品質(zhì)，同時對有害病菌和害蟲也有明顯的抑制和滅殺作用，可以減少化肥和農(nóng)藥的使用量，說明沼液替代化肥不僅能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還會產(chǎn)生顯著的環(huán)境效益。

2 沼液還田消納存在的問題

雖然沼液資源化利用途徑較廣，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，但由于沼液在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中受諸多因素的影響，因此，在應(yīng)用過程中也暴露出了一些問題。

2.1 不同利用方式影響沼液消納量

孫雨欣[34]研究不同土壤容重及入滲界面壓力勢對土壤消納沼液的效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，隨著土壤容重增加，土壤對沼液中硝態(tài)氮及銨態(tài)氮的飽和吸附量逐漸減少，其對沼液的消納能力也逐漸減少，土壤吸附沼液中營養(yǎng)元素達(dá)到飽和所需的時間隨入滲界面壓力勢的增加而減少。黃媛[35]探討了不同類型土壤對沼液的承載力，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)分營養(yǎng)土對沼液的承載力較大(100 g營養(yǎng)土吸收10 kg沼液)，且灌施10次后，土壤銅、鋅、鉻、砷的含量均仍屬安全范圍；水稻土灌施5次沼液后，土壤銅含量開始出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象；坡地土對沼液的安全承載負(fù)荷量為5 kg。由上可知，雖然沼液還田工藝簡單、適用性強(qiáng)，用作土壤改良劑、有機(jī)肥等是資源化利用的首選方案，但其消納量受周邊土壤性質(zhì)、土地面積、季節(jié)性等因素的影響較大。同時，由于植物不同生長期所需的肥力各有差異，如果施肥過量不僅會造成面源污染，還會對植物造成迫害，從而限制沼液的還田量，造成沼液過剩。此外，沼液還田消納還需要解決運輸和存儲的問題，尤其是在異地利用過程中需要通過槽罐車或管網(wǎng)設(shè)施轉(zhuǎn)運，此過程費時耗力。因此，組建運輸管道、加強(qiáng)對機(jī)械化運作技術(shù)的研發(fā)非常重要。另外，還可通過沉降、膜濃縮等技術(shù)將沼液中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行回收利用，使其商品化，以實現(xiàn)沼液的資源化利用途徑多元化。

2.2 存在環(huán)境污染風(fēng)險

雖然沼液農(nóng)用可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，但由于其使用過于集中，一旦灌溉量超過了環(huán)境承載力，也會造成原生態(tài)土壤、水體、大氣環(huán)境的惡化，同時可能對動植物產(chǎn)生脅迫作用。有研究表明，當(dāng)沼液使用過量時，一些大分子難分解有機(jī)物進(jìn)入土壤，一旦超過土壤的自凈能力，這些物質(zhì)會因分解不完全而產(chǎn)生惡臭物質(zhì)和亞硝酸鹽等有害物質(zhì)，使土壤的性質(zhì)發(fā)生變化，破壞土壤原本的理化性能[36]。如沼液施入土壤后，大量的氨氮在硝化作用下會形成帶負(fù)電荷硝態(tài)氮，硝態(tài)氮會隨土壤滲濾液流入下部水層，對土壤和地下水造成污染[37]。喬小珊等[37-38]通過水稻盆栽試驗研究了沼液灌溉對稻田水環(huán)境的影響，結(jié)果表明，下滲水中重金屬銅、鋅、鉛、鎘、砷的含量隨著沼液施加量的增加有上升的趨勢，且隨著時間推移，銅的累積量逐漸增加，而這些重金屬會對土壤原生生物產(chǎn)生迫害作用。重金屬主要來源于畜禽飼料，因此，為降低沼液中重金屬對環(huán)境造成的風(fēng)險，應(yīng)當(dāng)控制畜禽飼料中重金屬的添加量。此外，沼液中還含有抗生素、多環(huán)芳烴類、酚類等有害物質(zhì)，也會通過遷移和積累對土壤和水體造成污染，進(jìn)而對水產(chǎn)品，以及農(nóng)產(chǎn)品安全產(chǎn)生影響。陳永根等[39]研究發(fā)現(xiàn)，大量施沼液(夏季為18.92 kg·hm-2，冬季為1.29 kg·hm-2)時，初期土壤N2O、CH4的含量顯著高于常規(guī)沼液處理，大量施沼液、正常施沼液和不施沼液時土壤N2O排放通量分別為224～349、70～137、33～57 μg·m-2·hm-2。此外，土壤對沼液的消納能力還受土壤質(zhì)地、植物類型、氣候等多種因素的影響。因此，在沼液利用過程中應(yīng)做到因地施肥、因地排放，并研究單位土體所能消納沼液的負(fù)荷量及周期，健全法律管理機(jī)制，加強(qiáng)管理，以確保其使用安全性。

3 小結(jié)

沼液還田利用是我國沼液生態(tài)消納的重要方式，是沼氣工程可持續(xù)發(fā)展的重要保證。但在沼液施用過程中仍存在安全隱患，剩余現(xiàn)象嚴(yán)重。為解決這些問題，應(yīng)當(dāng)完善沼液資源化利用體系，提高沼液的綜合利用機(jī)理研究。

3.1 完善沼液資源化利用體系

構(gòu)建沼液農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國只規(guī)定了沼液排放標(biāo)準(zhǔn)，尚未規(guī)定沼液農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。沼液農(nóng)用大都按照沼液排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行灌溉，致使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可能產(chǎn)生面源污染。

制定沼液安全施用技術(shù)規(guī)范。明確沼液各成分范圍，評估農(nóng)田沼液消納量，根據(jù)農(nóng)作物的生理習(xí)性使沼液在不同處理級別上進(jìn)行合理使用，并深入研究沼液長期使用的環(huán)境行為和環(huán)境效應(yīng)。

加強(qiáng)農(nóng)技推廣人員的專業(yè)培訓(xùn)，指導(dǎo)農(nóng)民進(jìn)行沼液的科學(xué)施用。

3.2 加強(qiáng)沼液綜合利用機(jī)理研究

深入研究沼液對改善作物品質(zhì)及抑制作物病蟲害的機(jī)理。

系統(tǒng)研究不同發(fā)酵工藝、發(fā)酵原料對沼液特征及性能的影響，并深入探討沼液對土壤的改良/培肥效應(yīng)與土壤性質(zhì)、地理氣候之間的關(guān)系，為沼液科學(xué)施用奠定理論基礎(chǔ)。

開展長期定位試驗，研究沼液中抗生素等有機(jī)污染物在農(nóng)田環(huán)境中的變化，以明確沼液農(nóng)用的安全性。

3.3 采取“截源開流”的方式處理沼液安全與過剩等問題

“截源”是指從源頭上減少沼液的產(chǎn)生量和污染源，并嚴(yán)格控制發(fā)酵原料污染物的濃度。采用干法厭氧發(fā)酵技術(shù)，優(yōu)化沼氣發(fā)酵過程，以減少沼液產(chǎn)量，并通過微生物降解、化學(xué)沉淀、膜濃縮等技術(shù)降低沼液中污染物的毒性和濃度?！伴_流”是指拓寬沼液的利用途徑，并開發(fā)沼液養(yǎng)分回收高值化利用的新技術(shù)，深入研究和推廣耦聯(lián)技術(shù)，利用沼氣發(fā)酵的副產(chǎn)物與其他生產(chǎn)工藝聯(lián)合使用，以保障沼氣工藝的順利進(jìn)行，并進(jìn)而提高沼液資源化利用的經(jīng)濟(jì)效益。