稻田長期施用沼液對土壤化學(xué)性質(zhì)及碳氮磷生態(tài)化學(xué)計量比的影響

董越勇，周雪娥，葉波，劉銀秀

(1.浙江省農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)與能源總站，浙江 杭州 310012；2.桐鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)生態(tài)建設(shè)指導(dǎo)中心，浙江 桐鄉(xiāng) 314500)

我國畜禽養(yǎng)殖糞便的年排放量超過40億t，且有相當(dāng)部分未經(jīng)處理直接排放，對農(nóng)業(yè)環(huán)境帶來極大威脅[1-2]。建設(shè)發(fā)展養(yǎng)殖場沼氣工程，可合理、有效、集中無害化處理這些畜禽養(yǎng)殖糞便廢棄物，同時產(chǎn)生的沼液可作為肥料，為農(nóng)田土壤和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有機(jī)物質(zhì)和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素。沼液除含有豐富的氮、磷、鉀外，還含有17種氨基酸、腐殖酸、赤霉素、吲哚乙酸、玉米素等生物活性物質(zhì)，可以說是一種速效、清潔、安全的高品質(zhì)肥料。因而，農(nóng)田中施用沼液可顯著地提高土壤質(zhì)量[3-4]，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)[4-6]。由于沼液中的養(yǎng)分多為速效養(yǎng)分，因而當(dāng)沼液中所提供的養(yǎng)分超過農(nóng)作物生長所需或遭遇強(qiáng)降雨等突變氣候時，容易造成養(yǎng)分的流失，導(dǎo)致河湖水體的富營養(yǎng)化[7]。此外，畜禽養(yǎng)殖中使用的飼料添加劑含有Zn、Cu等，也可導(dǎo)致土壤中重金屬累積[8-9]。與有機(jī)肥相比，沼液在儲存、運輸、使用等環(huán)節(jié)的難度更大。稻田施用沼肥是消納沼液的最佳方式之一，稻田通過施用沼液，既為水稻提供了其生長必需的養(yǎng)分及活性物質(zhì)，又為水稻生產(chǎn)補(bǔ)充大量的灌溉水，并節(jié)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與化肥配施[12]、沼液與有機(jī)肥配施[13]、施用沼液對土壤養(yǎng)分的影響[14]、沼液在稻田施用的環(huán)境效應(yīng)[15]、沼液施用條件下添加浮萍對稻田氮素流失和重金屬污染的影響[6,16]等方面。長期連續(xù)施用沼液對稻田土壤化學(xué)及其碳氮磷生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征的影響等方面的研究并未深入涉及。本文擬主要研究并敘述以下3個方面，以期為稻田科學(xué)施用沼液提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)：研究施用沼液不同年限的稻田土壤肥力特征；探討施用沼液稻田的土壤C、N和P化學(xué)計量特征；長期施用沼液稻田土壤肥力演變趨勢和養(yǎng)分流失的風(fēng)險。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)設(shè)在浙江省桐鄉(xiāng)市崇福鎮(zhèn)蘆母村(30°47′N, 120°39′E)，海拔50 m，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，年均氣溫16.5 ℃，降水量1 193 mm，無霜期280 d。試驗區(qū)屬海積平原，土壤為青紫泥水稻土(表1)。試驗區(qū)水稻種植歷史在20 a以上，種植制度基本為油菜—水稻2季輪作。該地水稻每年6月上旬種植，大多為直播稻，10月種植油菜。近年來試驗區(qū)稻田開始施用沼液以替代化肥，每年4月份春耕時1次性施用沼液，每667 m2施用量25 t，直接澆灌施入，連續(xù)施用沼液最長的稻田已有4 a。供試用的沼液取好后在4 ℃貯藏在PE桶內(nèi)，在使用前恢復(fù)至常溫，供試沼液養(yǎng)分含量在施用前經(jīng)檢測指標(biāo)分別為：pH 7.31、全磷0.141 g·L-1、全氮14.0 g·L-1、全鉀1.38 g·L-1。

表1 施用沼液對土壤理化性質(zhì)的影響

1.2 樣地設(shè)置與取樣

本研究于2020年7月17日在土壤條件較為一致稻田選擇4個采樣區(qū)，每個采樣區(qū)均包含沼液施用時間分別為2和4 a的田塊和不施沼液的田塊，在每個采樣區(qū)每個處理田塊建立采樣小區(qū)，共建立了12個采樣小區(qū)，每個采樣小區(qū)蛇型法多點釆集0～30 cm的土壤混合樣品。

1.3 土樣分析方法

釆好的土壤混合樣品帶回室內(nèi)分成2份，一份鮮樣冷凍保存，供土壤酶和微生物量碳、氮測定，另一份在通風(fēng)干燥處涼干，并研磨分別過2 mm和0.15 mm篩孔篩子備用，供土壤化學(xué)性質(zhì)的測定。土壤分析方法如下：土壤pH，土水比=1∶2.5，使用電極法測定；土壤有機(jī)質(zhì)含量使用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全氮含量使用克氏法測定；土壤水解氮含量使用擴(kuò)散法測定；土壤銨態(tài)氮含量使用靛酚藍(lán)比色法測定；土壤有效磷含量使用鹽酸氟化銨浸提，鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀含量使用醋酸銨浸提，火熖光度法測定；土壤全磷含量使用酸溶鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀含量使用三酸消解火焰光度法測定；電導(dǎo)率使用電導(dǎo)法測定[16-17]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 18.0進(jìn)行作圖和方差分析，并采用Duncan’s新復(fù)極差法(LSR)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 對0～30 cm土層土壤理化性質(zhì)的影響

稻田0～30 cm土層土壤養(yǎng)分隨沼液施用年限的變化狀況詳見表1。施用沼液導(dǎo)致土壤pH值顯著降低，施用沼液4 和2 a處理的土壤pH分別比不施沼液處理土壤(pH 7.22)降低0.67和0.71。不施沼液的土壤有機(jī)質(zhì)含量、陽離子交換量(CEC)和電導(dǎo)率分別為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處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量、CEC、電導(dǎo)率均有所提高，但只有施用沼液4 a處理與不施沼液的差異達(dá)顯著水平。

沼液不同施用年限的稻田土壤全氮、全磷和全鉀含量均依次遞減：4 a>2 a>0 a(不施沼液)，不施沼液處理的土壤全氮、全磷和全鉀含量分別為1.05、1.15和21.5 g·kg-1。施用沼液4 a土壤全氮、全磷和全鉀含量均比不施沼液顯著提高。施用沼液2 a稻田土壤全氮含量顯著高于不施沼液。沼液不同施用年限的稻田土壤速效養(yǎng)分含量隨沼液施用年限的變化與全量養(yǎng)分含量相似，不施沼液處理的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和NH4-N含量分別為64.9、75.6、99.3和42.45 mg·kg-1，施用沼液4 a的土壤上述4個速效養(yǎng)分含量均比不施沼液土壤顯著提高。施用沼液2 a土壤的速效養(yǎng)分中有效磷和NH4-N含量顯著高于不施沼液處理。

2.2 對0～30 cm土層土壤化學(xué)計量比的影響

稻田施用沼液4 a、2 a和不施用沼液的土壤的C∶N∶P比分別為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比分別為10.86、9.44、11.21，其變化的趨勢是先降后增，不同施用年限的土壤C∶N比無顯著差異；稻田施用沼液4 a、2 a和不施用沼液的土壤C∶P比分別為9.96、9.72、6.25，其土壤C∶P比變化趨勢為隨施用年限增加而降低，且土壤C∶P比施用沼液4 a處理顯著低于施用沼液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比分別為0.92、1.18、0.56，其變化趨勢是先增后降，且土壤N∶P比，施用沼液4 a處理顯著低于施用沼液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分別為10.86、9.96、0.92和11.21、6.25、0.56。

同指標(biāo)柱上沒有相同英文字母表示組間差異顯著(P<0.05)。

3 小結(jié)與討論

3.1 施用沼液稻田的土壤肥力特征

沼液中含有豐富的有機(jī)物質(zhì)和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素及各種氨基酸、有機(jī)酸等生物活性物質(zhì)，因而沼液施用可顯著地提高土壤質(zhì)量[3-4]。徐穎菲等[18]對杭嘉湖平原6 160個土壤樣本的調(diào)查分析結(jié)果顯示，土壤pH 6.35，有機(jī)質(zhì)29.51 g·kg-1，全氮1.72 g·kg-1，有效磷17.7 mg·kg-1，速效鉀103 mg·kg-1。通過比較本文試驗區(qū)不施沼液處理土壤肥力狀況與同地區(qū)的杭嘉湖平原水稻土土壤，有機(jī)質(zhì)和全氮含量明顯低于杭嘉湖平原的平均水平，而有效磷含量則遠(yuǎn)高于杭嘉湖平原的平均水平。根據(jù)浙江省水稻土壤肥力分級指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)[19]，本研究不施沼液處理的各項土壤肥力指標(biāo)均處于中、高水平。沼液不同施用年限對稻田土壤肥力的影響存在顯著差異：施用沼液2 a的土壤全量養(yǎng)分中只有全氮含量顯著高于不施沼液處理，速效養(yǎng)分中有效磷和NH4-N含量顯著高于不施沼液處理，而施用沼液4 a的土壤全量養(yǎng)分中全量和速效養(yǎng)分及其他土壤肥力指標(biāo)均顯著高于不施沼液處理。本研究發(fā)現(xiàn)，施用沼液4 a土壤速效養(yǎng)分顯著提高的原因是沼液中有效態(tài)氮、磷、鉀約占全氮、全磷和全鉀含量的75%、85%和81%[20]。

3.2 施用沼液稻田的土壤C、N和P化學(xué)計量特征

水稻生產(chǎn)過程中需肥量較大，稻田外源性養(yǎng)分投入的營養(yǎng)元素多、途徑廣、數(shù)量大，頻次高，還具有氧化-還原過程誘發(fā)的特殊生物化學(xué)過程，導(dǎo)致水稻土的元素組成和化學(xué)計量特征更具易變性和復(fù)雜性。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分別為10.86、9.96、0.92和11.21、6.25、0.56，而湖南省110個亞熱帶區(qū)稻田土壤C∶N、C∶P、N∶P比分別為12.6、49、3.9[21]。施用沼液不同年限的水稻土C∶N差異相對較小，但C∶P和N∶P的變異很大，兩者均值也遠(yuǎn)低于全球土壤(186和13.1)和中國土壤(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存在著緊密的耦合作用，稻田土壤的C∶P和N∶P很不穩(wěn)定。通過沼液外源性投入后N和P含量的顯著升高是導(dǎo)致本研究土壤C∶P和N∶P降低的主要原因。

3.3 稻田施用沼液的養(yǎng)分流失風(fēng)險及其評價

稻田消納沼液過程中的養(yǎng)分流失是當(dāng)前沼液農(nóng)用及資源化利用過程中的重要問題。當(dāng)沼液中所提供的養(yǎng)分超過作物需要或遇強(qiáng)降雨時均易造成養(yǎng)分流失，進(jìn)而導(dǎo)致水體的污染。稻田施用沼液所產(chǎn)生的氨揮發(fā)也是目前稻田生態(tài)消解沼液的環(huán)境風(fēng)險之一[22]，稻田施用沼液的氨揮發(fā)損失可占總氮損失的42.2%～72.0%[23]。隨著施用沼液稻田土壤氮、磷的不斷積累，土壤氮、磷流失風(fēng)險也在增加，成為農(nóng)業(yè)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)中不可忽視的一個環(huán)節(jié)。稻田的肥力水平越高，養(yǎng)分流失的風(fēng)險就越大。本研究未施沼液的土壤總體屬于中上肥力水平，但土壤有效磷含量高達(dá)75.6 mg·kg-1，顯著高于水土壤有效磷的極大值(30 mg·kg-1)。王慎強(qiáng)等[24]在太湖流域典型地區(qū)的宜興、常熟兩地的7個水稻土類的試驗顯示，第一個輪作周期稻季施磷沒有提高水稻產(chǎn)量。李艾芬等[25]對嘉興市南湖區(qū)稻田土壤養(yǎng)分分析表明，從1983年至2005年，全區(qū)稻田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和有效鉀含量分別平均增加了7.0%、4.1%、394%和11.3%。徐錫虎等[26]對嘉善縣303個耕地土壤養(yǎng)分的研究表明，自第2次土壤普查后20 a來，土壤pH下降了0.9個單位，有機(jī)質(zhì)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，速效鉀平均增加38.7 mg·kg-1。宜興、常熟兩地水稻土磷含量也呈現(xiàn)隨時間推移而增加的趨勢，2009年土壤速效養(yǎng)分含量分別達(dá)11.6～37.3 mg·kg-1和8.03～19.8 mg·kg-1，而土壤全磷含量分別為0.39～0.72 g·kg-1和0.55～0.76 g·kg-1[24]。袁平[27]研究也證明，1982年和2000年太湖地區(qū)全氮含量分別為1.58 g·kg-1和1.79 g·kg-1，上升速率為0.012 g·kg-1·a-1，有效磷含量分別為9.80 mg·kg-1和12.91 mg·kg-1，上升速率為0.173 mg·kg-1·a-1。通過本研究施用沼液稻田的養(yǎng)分狀況與同一地區(qū)的養(yǎng)分狀況進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，無論是養(yǎng)分含量還是養(yǎng)分的累積速率，后者均比前者要高，稻田養(yǎng)分的含量和累積速率均與沼液施用年限相關(guān)，沼液施用4 a處理的土壤全量和速效養(yǎng)分含量均顯著高于沼液施用2 a的土壤(表1)。周煒等[13]在土壤基礎(chǔ)肥力為中等條件的盆栽試驗中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)化肥處理農(nóng)田氨揮發(fā)總量和徑流氮損失量分別為77.0 kg·hm-2和39.1 kg·hm-2，而100%施用沼液處理和75%沼液+25%豬糞有機(jī)肥配施處理的氨揮發(fā)量比較高，分別為120.7 kg·hm-2、88.0 kg·hm-2。謝學(xué)儉等[28]和本研究的結(jié)果均證明，稻田施用沼液面臨的養(yǎng)分流失風(fēng)險隨施用年限的增加而提高。稻田施用沼液養(yǎng)分流失風(fēng)險，不僅表現(xiàn)在土壤肥力指標(biāo)和養(yǎng)分累積速率上，還反映在較低的土壤C∶P和N∶P。較低的C∶P、N∶P說明稻田施用沼液后存在磷素的累積，進(jìn)而導(dǎo)致稻田磷素流失的風(fēng)險。

由于土壤肥力變化、沼液養(yǎng)分在農(nóng)田土壤中的積累等均為長期作用演變過程，為掌握長期連續(xù)施用沼液對土壤理化性狀、土壤肥力等方面的綜合影響及建立沼液科學(xué)施用體系，應(yīng)組織開展10 a以上的大田長期定位試驗和動態(tài)監(jiān)測，進(jìn)而得出比較確切的結(jié)論。從本文現(xiàn)有研究對連續(xù)施用沼液4 a土壤全量和速效養(yǎng)分含量及化學(xué)計量比的各項指標(biāo)綜合評判，在土壤肥力較高稻田上施用沼液將使土壤pH取向中性、土壤全量和速效養(yǎng)分的積累及C∶P、N∶P降低，上述這些變化連續(xù)施用沼液4 a的處理顯著大于連續(xù)施用沼液2 a的處理。連續(xù)施用沼液4 a的稻田土壤可能存在養(yǎng)分流失風(fēng)險,為降低連續(xù)施用沼液稻田養(yǎng)分流失的風(fēng)險，應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)田生態(tài)攔截溝渠系統(tǒng)等農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，采取肥水管理等系列農(nóng)藝、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時，可通過放養(yǎng)水生植物、與有機(jī)肥配施等系列措施，在土壤肥力較高稻田上施用沼液時應(yīng)適當(dāng)減量。