徐海蓉,王林,吳聰敏,俞元春*,戴成
(1.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院,南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210037;2.南京金浦潤東生態(tài)牧業(yè)有限公司,南京 211525)
沼氣工程能夠高效回收利用畜禽糞便,緩解畜禽糞便排放帶來的環(huán)境污染問題,截至2018 年底,我國建設(shè)的規(guī)?;託夤こ坍a(chǎn)氣量達(dá)到了27.96 億m2[1]。與此同時也產(chǎn)生了大量的沼渣沼液,如果不能及時地處理這些沼渣沼液,就有給周邊環(huán)境帶來二次污染的風(fēng)險(xiǎn)[2]。
沼液中含有鈉、鈣、銅、鐵、鎂、錳和鋅等微量元素,也包括氮、磷、鉀等大量營養(yǎng)元素,同時還包括高級脂肪酸、多種腐殖酸、調(diào)控植物生長物質(zhì)如生長激素、維生素、核黃素及對病蟲害有抑制作用的物質(zhì),也含有煙氨酸、色氨酸、賴氨酸等17 種氨基酸,這些都是植物生長所需要的重要物質(zhì)[3]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中合理施用沼液,一方面可以減少化肥等的使用,另一方面也可以提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[4]。武立葉等[5]研究發(fā)現(xiàn),在不施用化肥情況下,所有沼液灌溉處理的大白菜產(chǎn)量均較對照增加,且大白菜的可溶性糖和可溶性蛋白含量也有所增加。張彥寧[6]研究發(fā)現(xiàn),不同的沼液灌溉量顯著影響番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)。吳曉梅等[7]研究發(fā)現(xiàn),適量的沼液灌溉可促進(jìn)芥菜生長,提高芥菜產(chǎn)量及其對養(yǎng)分的吸收。另外,沼液中含有的營養(yǎng)元素可以豐富土壤中的養(yǎng)分含量,使土壤中氮、磷、鉀以及有機(jī)質(zhì)等含量增加,起到改良土壤的作用[8-11]。賈政浩[12]研究表明,沼液施用可以提高土壤全氮以及有機(jī)質(zhì)含量,保持土壤肥力。劉占偉[13]的研究同樣表明,施用沼液可以改善土壤肥力,使土壤全氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)等含量增加,同時能提高土壤pH。
目前,有關(guān)施用沼肥種植作物的研究大多集中于對沼液施用量的探討,不同施肥方式對作物生產(chǎn)影響的研究較少。如果在施用沼液時對其施肥方式進(jìn)行優(yōu)化,對提高我國沼肥的利用效率具有重要意義。本研究通過對江蘇省張家港楓華養(yǎng)豬場提供的豬糞發(fā)酵沼液進(jìn)行青椒種植田間試驗(yàn),探究沼液施用對青椒產(chǎn)量和品質(zhì)以及種植土壤環(huán)境的影響,以期選出適合當(dāng)?shù)厍嘟贩N植的沼液施用方式和施用量,為促進(jìn)養(yǎng)豬場豬糞發(fā)酵沼液的農(nóng)田消納、解決沼液排放帶來的環(huán)境污染問題、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益等提供科學(xué)依據(jù)。
試驗(yàn)于2019 年5—9月在江蘇省張家港市東沙鎮(zhèn)(31°83'08″N,120°82'80″E)進(jìn)行,該地區(qū)屬北亞熱帶南部濕潤性氣候區(qū),氣候溫和,四季分明,雨水充沛,年平均溫度14~22 ℃,年降雨量1 500~2 000 mm。試驗(yàn)樣地土壤類型為潮土,試驗(yàn)前基本理化性質(zhì):pH 7.97,全氮含量1.93 g·kg-1,有效磷含量8.73 mg·kg-1,速效鉀含量216.54 mg·kg-1,有機(jī)質(zhì)含量33.03 g·kg-1。
供試青椒品種為荷椒13,沼液由張家港楓華投資管理有限公司提供,豬糞發(fā)酵,基本理化性質(zhì):pH 7.96,全氮含量1.19 g·L-1,全磷含量0.12 g·L-1,全鉀含量0.94 g·L-1。
試驗(yàn)以施用方式和施用量進(jìn)行雙因素區(qū)組設(shè)計(jì)。施用方式分為澆施和噴施2 種,澆施處理只將沼液施澆在種植土壤表面,噴施處理是包括植物根莖葉和土壤表面的全覆蓋噴施沼液。每種施用方式均設(shè)置10、20、30、40、60 m3·hm-2共5 個用量處理,分別以T1~T5來表示,以不施基肥的清水處理為對照1(CK1),以只施基肥的清水處理為對照2(CK2),每個處理重復(fù)3次,見表1。共設(shè)置36個小區(qū),每個小區(qū)的面積為3 m2(2 m×1.5 m),隨機(jī)排列。樣地共分為2行,每行分為18個小區(qū),行間距60 cm,小區(qū)間距50 cm。試驗(yàn)田采用起壟方式栽培,壟高25 cm,在此之前未施用化學(xué)肥料。起壟整地后,于2019 年5月20 日施加沼液基肥(24 m3·hm-2),第2 天進(jìn)行青椒移栽。6月15 日第1 次追肥,7月10 日第2 次追肥,8月5 日第3 次追肥,共追肥3次。株距40 cm,行距80 cm。
表1 沼液施用量Table 1 Application amount of biogas slurry
土壤樣品于9月18 日青椒成熟采收后采集。每個小區(qū)采用5點(diǎn)法混合采樣,取樣深度分為0—20 和20—40 cm,同一土層土樣混合后采用四分法[14]保留1 kg 土壤,裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干。
青椒成熟后人工采收小區(qū)全部植株計(jì)產(chǎn),品質(zhì)測定樣品在每小區(qū)隨機(jī)選取2 株采集,并放入保鮮箱帶回實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行青椒品質(zhì)的測定。
1.4.1 青椒品質(zhì)測定 硝酸鹽和Vc 含量采用紫外分光光度法測定,可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)分光光度法測定[15]。
1.4.2 土壤樣品的理化性質(zhì)測定 參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[16],全氮含量采用凱氏定氮法測定;有效磷含量采用雙酸浸提-鉬銻抗比色法測定;速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定;pH 采用土水比1∶2.5 的比例浸提,電位法測定;有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定。
使用Excel 2019 對樣品的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算,使用SPSS 25.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差和相關(guān)性分析,使用Origin 9.5軟件繪圖。
2.1.1 pH 變化分析 施用沼液對青椒種植土壤pH 的影響較為顯著(圖1),在2 種施肥方式中,除T4 和T5 處理的0—20 cm 土層外,其余施肥處理的pH均與CK1 有顯著差異(P<0.05)。在0—20 cm 土層中,施肥方式為澆施時,土壤pH 隨著施肥量的增加而提高,最大值達(dá)到7.96;噴施時,土壤pH 在施用沼液總量為84 m3·hm-2(T2 處理)時達(dá)到最大,之后隨著施肥量的增加有下降趨勢。20—40 cm 土層中,2 種施肥方式處理的土壤pH 總體趨勢都是隨著施肥量的增加而提高,在T5 處理時達(dá)到最大,分別為8.11 和8.09??傮w而言,在本試驗(yàn)條件下,無論采用哪種方式施用沼液,都會使土壤pH升高,加劇土壤鹽堿化程度。
圖1 不同施肥方式和施肥量下青椒種植土壤的pHFig.1 pH of the soil for planting green pepper under different fertilization methods and amounts
2.1.2 有機(jī)質(zhì)含量變化分析 由圖2可知,在0—20 cm 土層中,5 種澆施處理的青椒種植土壤有機(jī)質(zhì)含量相較CK1 均有所增加,且存在顯著差異(P<0.05),T5 處理提升效果最明顯,青椒種植土壤的有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到39.30 g·kg-1;噴施處理時,除T1和T3處理外,其余處理組的有機(jī)質(zhì)含量均隨施肥量的增加而顯著增加。在20—40 cm 土層中,除T3 處理外,2 種施肥方式處理的有機(jī)質(zhì)含量差異顯著。與CK1 相比,澆施處理的各組土壤有機(jī)質(zhì)含量均下降;噴施處理中,只有沼液施用量為144(T4)和204 m3·hm-2(T5)的處理組土壤的有機(jī)質(zhì)含量顯著增加。表明施加沼液可以提高表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量,但是對深層土壤有機(jī)質(zhì)的提升效果不理想。
圖2 不同施肥方式和施肥量下青椒種植土壤的有機(jī)質(zhì)含量Fig.2 Organic matter content of the soil for planting green pepper under different fertilization methods and amounts
2.1.3 全氮含量變化分析 施用沼液對青椒種植土壤全氮含量的影響如圖3 所示,就0—20 cm 土層的全氮含量而言,澆施處理中T2、T4 和T5 處理較CK1 有所增加,其中,T2 和T5 處理的全氮含量分別顯著增加6.22%和8.61%;T3 處理的土壤全氮含量較CK1 降低7.66%。噴施處理中,T4 和T5處理的土壤全氮含量分別增加14.83% 和12.44%,與CK1 存在顯著差異(P<0.05),其余處理與CK1差異不顯著。
圖3 不同施肥方式和施肥量下青椒種植土壤的全氮含量Fig.3 Total nitrogen content of the soil for planting green pepper under different fertilization methods and amounts
在20—40 cm 土層中,除T1 處理外,2 種施肥方式處理的全氮含量均存在顯著差異。澆施的5個處理全氮含量較CK1都有所降低,但5個處理中,隨施肥量增加全氮含量均增加;噴施處理中,T1 和T4 處理的全氮含量與CK1 有顯著差異,其余3 種處理均無顯著差異,其中,T1 和T2 處理的全氮含量分別降低18.59%和8.97%,,T3、T4 和T5處理的全氮含量分別增加1.28%,21.15% 和4.48%。說明沼液施用有助于增加表層土壤中的全氮含量,但是可能受到青椒生長需求的影響,T1和T3處理的土壤全氮含量出現(xiàn)下降現(xiàn)象。
2.1.4 有效磷含量變化分析 施用沼液對青椒種植土壤有效磷含量的影響如圖4 所示,在0—20 cm 土層中,施肥方式為澆施時,T2 處理的土壤有效磷含量與CK1 相比增加84.33%,達(dá)到18.82 mg·kg-1,顯著高于其他處理;施肥方式為噴施時,各處理有效磷含量依次為T2>T4>T5>T1>T3,與CK1 相比分 別增加87.37%、65.82%、57.20%、49.76%和32.52%。
圖4 不同施肥方式和施肥量下青椒種植土壤的有效磷含量Fig.4 Aavailable phosphorus content of the soil for planting green pepper under different fertilization methods and amounts
20—40 cm 土層中,施肥方式為澆施時,T1、T3和T5處理的土壤有效磷含量增加明顯,分別達(dá)到7.56、8.18 和8.12 mg·kg-1,較CK1 分別增 加19.8%、29.64%和28.68%;施肥方式為噴施時,T1、T2 和T3 處理的土壤有效磷含量與CK1 相比沒有顯著差異,但T4 和T5 處理的有效磷含量分別達(dá)到7.43 和7.99 mg·kg-1,與CK1 差異顯 著(P<0.05)。結(jié)果表明,施用沼液有助于提高土壤的有效磷含量,且澆施方式處理對深層土壤有效磷含量的提高效果更好。
2.1.5 速效鉀含量變化分析 施用沼液對青椒種植土壤速效鉀含量的影響如圖5 所示,在0—20 cm 土層中,澆施時5個處理的速效鉀含量隨施肥量的增大而增大,T3、T4 和T5 處理的土壤速效鉀含量分別較CK1 顯著增加3.41%、28.03%和31.48%;噴施時,與CK1 相比,T1、T2 和T3 處理的速效鉀含量少量減少,而施肥量較大的T4 和T5處理的速效鉀含量分別顯著增加45.84% 和34.09%。
圖5 不同施肥方式和施肥量下青椒種植土壤的速效鉀含量Fig.5 Available potassium content of the soil for planting green pepper under different fertilization methods and amounts
20—40 cm 土層中,2 種施肥方式的所有處理速效鉀含量均顯著增加,且與CK1 存在顯著差異(P<0.05),噴施處理的土壤速效鉀含量顯著高于澆施處理。澆施處理時,T5 處理的土壤速效鉀含量增加最明顯,達(dá)到155.25 mg·kg-1;噴施處理時,相比于其他處理,T2、T4 和T5 處理的土壤速效鉀含量處于較高水平,分別達(dá)到187.3、192.68 和187.63 mg·kg-1。由此表明,適量施用沼液可以提高土壤速效鉀的含量,增加其肥力。
施用沼液對青椒產(chǎn)量的影響由圖6所示,2種施肥方式的所有處理相較于CK1 都有顯著差異(P<0.05),且除T1處理外,當(dāng)施肥量相同時,2種施肥方式之間差異顯著。當(dāng)施肥方式為澆施時,T3處理的青椒產(chǎn)量最高,其次是T2處理,青椒產(chǎn)量分別達(dá)到了43 766.7 和41 866.7 kg·hm-2,相比CK1顯著增加97.74%和89.16%。施肥量過多,青椒的產(chǎn)量反而降低。當(dāng)施肥方式為噴施時,T4 處理的青椒產(chǎn)量最高,相比CK1增加87.50%。結(jié)果表明,施肥方式不同對青椒產(chǎn)量的影響也不同,當(dāng)施肥總量未超過114 m3·hm-2(T3處理)時,澆施的產(chǎn)量提升效果要好于噴施,當(dāng)施肥量總量超過114 m3·hm-2(T3處理)時,噴施的產(chǎn)量提升效果較好。
圖6 不同施肥方式和施肥量下青椒的產(chǎn)量Fig.6 Yield of green pepper under different fertilization methods and amounts
2.3.1 Vc 含量 施用沼液對青椒Vc 含量的影響如圖7 所示,2 種施肥方式中除了T5 處理外,其余處理的Vc 含量相對于CK1 都顯著增加(P<0.05)。當(dāng)施肥方式為澆施時,T2處理的青椒Vc含量最高,顯著高于其他處理,達(dá)到1.361 4 mg·g-1FW,相對于CK1 增加了54.13%。當(dāng)施肥方式為噴施時,T4 處理的青椒Vc含量相比于CK1提升效果最為明顯,達(dá)到1.260 5 mg·g-1FW,相比于CK1 增加42.70%;其次是T3處理,青椒Vc含量為1.234 2 mg·g-1FW,相比CK1分別增加39.73%。表明當(dāng)以84 m3·hm-2(T2處理)的施用量對青椒進(jìn)行澆施時,青椒中Vc含量的提升效果最好。
圖7 不同施肥方式和施肥量下青椒的Vc含量Fig.7 Vc content of green pepper under different fertilization methods and amounts
2.3.2 蛋白質(zhì)含量 施用沼液對青椒蛋白質(zhì)含量的影響如圖8 所示,當(dāng)施肥方式為澆施時,沼液的施用總量為114 m3·hm-2(T3處理)時,青椒的蛋白質(zhì)含量最高,達(dá)到了8.75 g·kg-1,與CK1 相比增加83.82%;其余處理則與對照組無顯著差異,其中,當(dāng)施肥總量為204 m3·hm-2(T5處理)時,青椒的蛋白質(zhì)含量較CK1 有所減少。施肥方式為噴施時,除了T5處理,其他處理的蛋白質(zhì)含量較對照都有所增加,但所有處理與對照均無顯著差異。說明當(dāng)沼液的施用總量小于204 m3·hm-2時,以不同的方式施用沼液,對青椒蛋白質(zhì)含量都會有一定的提高作用,但是總體而言提升效果不明顯。
圖8 不同施肥方式和施肥量下青椒的蛋白質(zhì)含量Fig.8 Protein content of green pepper under different fertilization methods and amounts
2.3.3 硝酸鹽含量 施用沼液對青椒硝酸鹽含量的影響如圖9所示,2種施肥方式下青椒的硝酸鹽含量均隨著施肥量的增加而增加,與CK1存在顯著差異(P<0.05)。當(dāng)施肥量達(dá)到204 m3·hm-2(T5 處理)時,澆施和噴施處理的青椒硝酸鹽含量分別增加499.46 和495.89 mg·kg-1,較CK1 增加了81.06%和79.78%。2 種施肥方式中,T4 和T5 處理的青椒硝酸鹽含量超過432 mg·kg-1,僅達(dá)到我國蔬菜硝酸鹽污染程度的二級標(biāo)準(zhǔn),其余處理的硝酸鹽含量均符合一級標(biāo)準(zhǔn)[17]??梢娬右菏┯糜谇嘟贩N植時,施肥量不宜過多,否則會導(dǎo)致硝酸鹽含量超標(biāo),對人體健康產(chǎn)生安全隱患。
圖9 不同施肥方式和施肥量下青椒的硝酸鹽含量Fig.9 Nitrate content of green pepper under different fertilization methods and amounts
近幾十年以來,由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中人們長期依賴化肥,導(dǎo)致土壤酸堿化以及板結(jié)現(xiàn)象日益凸出,嚴(yán)重阻礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。本研究發(fā)現(xiàn)施用沼液可以提高青椒種植土壤的pH,這與魏彬萌等[18],黃海麗等[19]的研究結(jié)果一致。而胡振民等[20]在研究灌施沼液對茶園土壤性質(zhì)的影響時卻發(fā)現(xiàn)施加沼液可以降低土壤pH,這可能和供試土壤性質(zhì)與沼肥原料相關(guān)。本試驗(yàn)中,隨著施肥量的增加,土壤pH也逐漸提高,這與青椒中硝酸鹽含量的增加趨勢相同,可能是因?yàn)檎右褐宣}分的積累導(dǎo)致土壤pH 升高,說明過量施用沼液會造成土壤鹽堿化。
在土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量方面,大部分經(jīng)沼液處理的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量與對照都有顯著差異,但沒有呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。在0—20 cm 土壤層,適量的施用沼液可以有效提高土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量,這與林少華等[21]的研究結(jié)果一致。但當(dāng)沼液施加總量為114 m3·hm-2(T3處理)時,土壤全氮含量較低,這是由于T3處理的青椒長勢最好,對養(yǎng)分需求量更大。在20—40 cm 土壤層,澆施處理后這2 個土壤指標(biāo)值出現(xiàn)了顯著下降,可能是由于沼液施用促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的分解以及氮素的礦化和淋溶,這一現(xiàn)象及其作用機(jī)理,有待于進(jìn)一步的驗(yàn)證與研究。
施用沼液會給土壤帶來有機(jī)磷和無機(jī)磷化合物,同時也會通過影響土壤微生物活性間接影響土壤磷素的轉(zhuǎn)化[8],另外許多研究都表明沼液的施用有助于土壤磷素的積累[22-26]。本研究發(fā)現(xiàn),適量施用沼液可以有效提高土壤有效磷含量,這與孫芹菊等[27]的研究結(jié)果一致。2 種施肥方式對表層土壤中有效磷含量的提升效果沒有顯著差異,而澆施對于深層土壤中有效磷含量的增加明顯好于噴施,主要是噴施的沼肥難以到達(dá)土壤深層,不能被充分利用。此外,施用適量的沼液也可以有效提高青椒種植土壤的速效鉀含量。
施用沼液能夠使農(nóng)作物增產(chǎn),但沼液對農(nóng)作物增產(chǎn)的效果與施用量有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn),施用沼液后,青椒增產(chǎn)高達(dá)97.74%。其中,澆施114 m3·hm-2沼液和噴施144 m3·hm-2沼液時對青椒的增產(chǎn)效果最好,就施肥方式而言,總體上澆施增產(chǎn)效果優(yōu)于噴施。林少華等[20]研究沼液施用對紫甘藍(lán)生長的影響,發(fā)現(xiàn)澆施114 m3·hm-2沼液時紫甘藍(lán)的產(chǎn)量最高,沼液用量過高,產(chǎn)量下降;而噴施處理的紫甘藍(lán)產(chǎn)量與對照無顯著差異。袁祖華等[28]研究發(fā)現(xiàn),噴施沼液過多會使黃瓜產(chǎn)量降低。這可能是因?yàn)閲娛斐烧右旱睦速M(fèi),且會將一部分沼液噴在葉子表面對植物造成傷害。
在對青椒Vc含量的影響方面,無論采用哪種施肥方式都呈現(xiàn)出單峰曲線變化,這與張利等[29]的研究結(jié)果一致。澆施84 m3·hm-2和噴施144 m3·hm-2沼液的青椒Vc 含量最高,分別較對照組增加54.13%和42.70%。林少華等[21]研究發(fā)現(xiàn),2種施肥方式都是在沼液施用量為103 m3·hm-2時紫甘藍(lán)的Vc含量最高,其余處理與對照差異不明顯。對青椒的蛋白質(zhì)含量而言,除了澆施114 m3·hm-2沼液,其他澆施和所有噴施處理均與對照無顯著差異。這表明,只有在綜合考慮蔬菜種類及種植土壤特性等因素的前提下,合理施用沼液才能充分發(fā)揮沼液的肥效。
蔬菜中的硝酸鹽本身不具備毒性,但其代謝產(chǎn)物卻會對人體健康產(chǎn)生有害作用,例如硝酸鹽在人體內(nèi)可轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽,可導(dǎo)致正鐵血紅蛋白血癥和癌癥等。無論是澆施還是噴施,隨著沼液施用量的增加,青椒中的硝酸鹽含量越來越高。其中,在施用144 和204 m3·hm-2沼液時青椒的硝酸鹽含量達(dá)到中度污染程度。林少華等[21]和張利等[29]的研究表明施用沼液會使紫甘藍(lán)和番茄中的硝酸鹽含量增加,但徐衛(wèi)紅等[30]的研究發(fā)現(xiàn)施用沼液會使萵苣和生菜的硝酸鹽含量降低。所以對于硝酸鹽這一指標(biāo)而言,沼液中的氮素含量、作物的吸收與轉(zhuǎn)換以及不同作物之間生長差異等都會影響其對硝態(tài)氮的積累。
綜上,本研究表明青椒種植過程中,施用沼液可以增加其產(chǎn)量及蛋白質(zhì)和Vc含量,但同時也會增加青椒中硝酸鹽含量。綜合考慮沼液施用對產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)的影響,澆施效果總體上要好于噴施,澆施沼液114 m3·hm-2時可以充分發(fā)揮沼液肥效,顯著提高作物產(chǎn)量,且硝酸鹽含量符合我國蔬菜硝酸鹽污染程度一級標(biāo)準(zhǔn)。沼肥對種植土壤pH 及有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量也有明顯影響,可以顯著提高表層土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量。施加沼液使土壤pH升高,且澆施處理后深層土壤的全氮和有機(jī)質(zhì)含量顯著下降,其作用機(jī)制還需進(jìn)一步研究,以便為科學(xué)合理施用沼液、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提供理論依據(jù)。