沼液还田消纳的效应及其对策

毛正荣，王宏航，童文彬，单胜道，程辉彩，张建云，张进*

(1.衢州市土肥与农村能源技术推广站，浙江 衢州 324000； 2.衢州市衢江区土壤肥料技术推广站，浙江 衢州 324022；3.浙江科技学院 环境与资源学院，浙江 杭州 310023； 4.河北省科学院 生物研究所，河北 石家庄 050081)

党的十八大把生态文明建设列入中国特色社会主义“五位一体”总体布局，“十九大”提出实施乡村振兴战略。坚持绿色发展和“绿水青山就是金山银山”理念，推动农村人居环境综合治理，以沼气为代表的生物质能源是解决农村农业经济-社会-资源-环境冲突的重要选项之一[1]。据不完全统计，截至2014年底，我国大中型沼气工程已达10.3万处，年产沼液沼渣约10亿t[2]。沼液的消纳成为制约沼气工程正常运行可持续发展的因素。目前，国内外对沼液的处理方式大致可分为工业化处理达标排放和还田消纳生态利用2种[3]。由于第一种方式处理成本高且受污水处理厂地限制，因此，沼液还田消纳生态利用成为我国处理沼液的主流方式。

沼液是畜禽粪便、农林废弃物、餐厨垃圾等有机物质经过厌氧发酵而成的一种偏碱性液体。沼液中不仅含有大量的速效营养成分(如氮、磷、钾、铁、锰、铜、锌等)，还含有一些有机质和活性物质(如氨基酸、植物激素、维生素、腐殖酸等)，可作为一种优质的有机速效肥料[4]。研究表明，沼液对提高种子萌发率、促进作物生长、提高作物抗逆性、提高作物品质有着显著的效果[5-6]，同时还能显著提高土壤肥力，改善土壤结构，改良酸性和盐渍化土壤等[7-8]。但由于沼液成分复杂，且可能含有微量有毒有害物质(如重金属、抗生素等)[9]，加上运输成本较高，环境承载能力有限，将沼液用于农业生产仍存在一定的健康风险。

本文阐述了沼液还田消纳对土壤环境及作物生长的影响，分析了沼液还田消纳过程中存在的问题并给出相应的对策，最后对我国沼液资源化利用体系的建设作了展望，旨在拓宽沼液的利用途径，为沼液资源化利用提供参考。

1 沼液还田施用的效应

由于农田管理与利用不当、农田保护与保育不力，农田土壤肥力下降、土壤板结、酸化、污染严重等问题日益突出。沼液中含有丰富的营养成分(有机质、纤维素、腐殖酸等)，可以改善土壤理化性状，提高土壤肥力，促进作物生长。

1.1 改善土壤理化性状

1.1.1 对土壤肥力的影响

沼液是一种厌氧发酵产物，含有大量的营养物质及矿质元素。沼液施入土壤后可以提高土壤速效养分和有机碳的含量。杨乐等[10]研究发现，沼液灌溉能够显著增加绿洲农田耕层土壤有机质、全氮、全磷、全钾、铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾的含量。宋哲岳等[11]研究了施加沼液年限对滨海盐土有机碳累积的效应，结果表明，随着沼液施加年限的增加，土壤总有机碳质量分数逐渐增加，且连施沼液可以促进土壤有机碳的积累，增加土壤碳存储量。同时，长期灌溉沼液可以提高土壤持水性能，使饱和含水率和田间持水量增加，为植物生长提供更多的有效水，同时也为土壤养分提供了溶剂和载体[12]。此外，沼液可以活化土壤中的有机物质，提高土壤微生物量碳氮含量，降低有机碳比率，为微生物提供碳、氮源，促进微生物的生长，为酶促反应提供更多的反应底物[13]。冯丹妮等[14]研究表明，与清水灌溉和常规施肥相比，施用沼液会降低土壤细菌/真菌值，增加微生物数量并提高土壤酶活性。随着沼液施用量增加，细菌数量不断增加，放线菌、真菌数量和土壤过氧化氢酶活性均先升高后降低。

1.1.2 对土壤结构的影响

沼液中不仅含有植物生长所需的营养元素，还含有有机质、腐殖酸等成分，长期施用可在提高土壤有效养分的同时，改善土壤团聚体结构，调节土壤孔隙状况和土壤通透性，从而增强其与外界环境水、肥、热、气的交换，为植物根系生长提供良好的水热条件[15]。沼液可以改善土壤团聚体稳定性，原因是沼液增加了土壤有机质和微生物的活性，而有机质和微生物分泌物可以促进土壤团聚体的形成。杜臻杰等[16]通过田间定位试验发现，沼液改善了土壤团聚体及其密度状况，总孔隙度比对照提高了6.14%，并且增加了各土层中全氮、全磷、有机质的含量。郑学博等[17]通过田间试验研究了沼液对旱地红壤团聚体的效应，发现沼液还田有利于提高土壤机械稳定性和水稳定性团聚体的含量及团聚体机械稳定性，当沼液氮与化肥氮配施比例在30%～45%时，沼液化肥配施可显著增加土壤有机质的含量，且对土壤的改良效果最佳。蔡茂[18]研究发现，与对照相比，长期施用沼液可以使0～20 cm土层孔隙度较对照增加21.74%，20～40 cm土层孔隙度较对照增加22.22%。

1.1.3 对土壤pH值及盐碱度的影响

1.2 促进作物生长

沼液中不仅含有氮、磷、钾等大量营养元素，还含有铁、锌、钙、铜、硼、钼等植物生长所需的微量元素，且大部分以有效态的形式存在，可以为植物的生长提供速效养分，促进作物的生长，提高作物产量，改善作物品质，同时对植物病虫害也有一定的抑制作用。

沼液施入土壤可为作物提供良好的水热条件，促进植物根系的生长，提高作物品质。李小宇[21]通过连续3 a定位施用沼液研究了其对水稻生产的影响，结果表明，施用沼液可以提高水稻的株高、穗长、有效穗数、实粒数。沼液中还含有丰富的蛋白质、氨基酸、生长激素、糖类、维生素及各类水解酶等，可以促进种子萌发。李伟[22]在研究沼液施用对玉米种子萌发与幼苗重建的影响时发现，当有机负荷为1.5 g·L-1·d-1(以挥发性固体计)时，玉米秸秆发酵沼液能够促进玉米种子的萌发，可使幼苗的主根伸长增加6.3%，根鲜重累计增加10.3%。贾亮亮等[23]采用裂区设计，研究了沼液不同施用量和不同喷施体积对番茄生长的影响，结果发现，追施75 t·hm-2沼肥可促进番茄植株的生长，提高番茄的硬度、单果质量、产量、维生素C质量分数、可溶性糖质量分数和糖酸比，且效果优于常规施肥，从而有效改善番茄品质，提高经济效益。赵莉等[24]通过沼液与化肥对水芹品质的对比研究发现，与单施化肥处理相比，沼液替代化肥各处理的水芹茎部硝酸盐含量分别降低了6.3%、31.9%和18.6%。刘敏[25]通过2 a的田间试验发现，当沼液施用量为7.25～11.11 t·hm-2时，能显著提高油菜籽粒产量，降低油菜籽粒硫甙、芥酸含量，提高蛋白质、油酸、亚油酸含量，降低油菜籽中重金属的含量，提高籽粒中氮磷钾的含量，并且能减低土壤中重金属的生物有效性。原因是沼液施入土壤可以调节土壤水、肥、气、热等，降低土壤中重金属的有效态含量，为植物的生长提供良好的环境。

1.3 减少农药使用

沼液不仅可以提高作物品质，对作物病虫害的发生防治也有良好效果。沼液中含有丁酸、吲哚乙酸、植物激素，及维生素B12等活性物质，因此，沼液可以用作生物农药防治病虫害，提高植物的抗逆性，尤其是当沼液与杀虫剂配合使用时，还可增强药剂的使用效果。而且，当沼液作为叶面肥施用时，还具有无污染、无残留、无抗药性等特点。尹芳等[26]在实验室内研究了沼液对14种作物常见病原菌的抑制作用，发现沼液对烟草赤星病菌、稻瘟病菌等5种病原菌具有强烈的抑制效果，对甘薯黑斑病菌、西芹细菌等5种病原菌具有中等的抑制作用，且沼液浓度越高，抑制效果越好。毛晓月等[27]研究了沼液农用对芥菜产量、品质，以及病虫害防治的影响，结果发现，芥菜虫口密度、虫害率和病情指数均随沼液施用量的增加呈逐渐减少的趋势。因此，施用沼液可以在一定程度上减少农药在农作物上的使用。

1.4 促进化肥减量施用

据统计，2013年我国种植业化肥施用量为5 498万t，其中，氮肥3 382万t，磷肥1 175万t，钾肥941万t[28]。但通过分析化肥在粮食生产中的边际产出与化肥价格的比率可知，目前中国化肥施用量已经超过了经济意义上的最优施用量，其中，在小麦、玉米和水稻生产上的过量使用已经超过了30%以上[29]。长期使用化肥，不仅会造成土壤酸化，同时还会降低土壤肥力、微生物活性，增加重金属的含量，造成土壤硝酸盐污染和土壤次生盐渍化[30]，而且还会因利用率不高，造成一定量的经济损失。

沼液替代化肥或与化肥混施不仅可以减少化肥的施用量，降低经济成本，同时还可以降低土壤容重，规避因单施化肥造成的土壤环境恶化问题。沼液主要以基肥、追肥、叶面肥等形式施用于作物上。武海英[31]通过在不同蔬菜上施用沼液肥与化肥的比较试验发现，施用沼液肥比化肥显著增收，西红柿、空心菜、黄瓜使用化肥的成本为228.80元·hm-2，施用沼液肥的成本为40～60元·hm-2。以施入等量的氮为依据，徐铭泽等[32]以化肥和沼液为基肥和追肥，探讨其对西红柿生长和土壤组分的影响，结果发现，在定植160 d后，沼肥与化肥配施的处理中土壤有机质含量和微生物总量要高于对照与化肥处理，其中，沼肥处理的叶片过氧化物酶活性在整个生长期间均最高，沼肥与化肥配施比例为4∶1的处理西红柿产量最高，沼肥处理的西红柿品质最佳。孙国峰等[33]研究结果表明，与化肥处理相比，100%沼液、50%沼液替代化肥处理减少了麦季的全球增温潜势(GWP)及单位产量的GWP，分别降低了25.39%、10.88%和24.16%、10.97%，主要原因是沼液处理降低了麦季N2O排放总量，同时降低了单位GDP碳排放量。沼液作为叶面肥，不仅促进植物的光合作用，增加干物质积累，提高作物品质，同时对有害病菌和害虫也有明显的抑制和灭杀作用，可以减少化肥和农药的使用量，说明沼液替代化肥不仅能产生可观的经济效益，还会产生显著的环境效益。

2 沼液还田消纳存在的问题

虽然沼液资源化利用途径较广，并取得了较好的经济和环境效益，但由于沼液在农业应用中受诸多因素的影响，因此，在应用过程中也暴露出了一些问题。

2.1 不同利用方式影响沼液消纳量

孙雨欣[34]研究不同土壤容重及入渗界面压力势对土壤消纳沼液的效应发现，随着土壤容重增加，土壤对沼液中硝态氮及铵态氮的饱和吸附量逐渐减少，其对沼液的消纳能力也逐渐减少，土壤吸附沼液中营养元素达到饱和所需的时间随入渗界面压力势的增加而减少。黄媛[35]探讨了不同类型土壤对沼液的承载力，发现养分营养土对沼液的承载力较大(100 g营养土吸收10 kg沼液)，且灌施10次后，土壤铜、锌、铬、砷的含量均仍属安全范围；水稻土灌施5次沼液后，土壤铜含量开始出现超标现象；坡地土对沼液的安全承载负荷量为5 kg。由上可知，虽然沼液还田工艺简单、适用性强，用作土壤改良剂、有机肥等是资源化利用的首选方案，但其消纳量受周边土壤性质、土地面积、季节性等因素的影响较大。同时，由于植物不同生长期所需的肥力各有差异，如果施肥过量不仅会造成面源污染，还会对植物造成迫害，从而限制沼液的还田量，造成沼液过剩。此外，沼液还田消纳还需要解决运输和存储的问题，尤其是在异地利用过程中需要通过槽罐车或管网设施转运，此过程费时耗力。因此，组建运输管道、加强对机械化运作技术的研发非常重要。另外，还可通过沉降、膜浓缩等技术将沼液中的营养物质进行回收利用，使其商品化，以实现沼液的资源化利用途径多元化。

2.2 存在环境污染风险

虽然沼液农用可达到排放标准，但由于其使用过于集中，一旦灌溉量超过了环境承载力，也会造成原生态土壤、水体、大气环境的恶化，同时可能对动植物产生胁迫作用。有研究表明，当沼液使用过量时，一些大分子难分解有机物进入土壤，一旦超过土壤的自净能力，这些物质会因分解不完全而产生恶臭物质和亚硝酸盐等有害物质，使土壤的性质发生变化，破坏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会形成带负电荷硝态氮，硝态氮会随土壤渗滤液流入下部水层，对土壤和地下水造成污染[37]。乔小珊等[37-38]通过水稻盆栽试验研究了沼液灌溉对稻田水环境的影响，结果表明，下渗水中重金属铜、锌、铅、镉、砷的含量随着沼液施加量的增加有上升的趋势，且随着时间推移，铜的累积量逐渐增加，而这些重金属会对土壤原生生物产生迫害作用。重金属主要来源于畜禽饲料，因此，为降低沼液中重金属对环境造成的风险，应当控制畜禽饲料中重金属的添加量。此外，沼液中还含有抗生素、多环芳烃类、酚类等有害物质，也会通过迁移和积累对土壤和水体造成污染，进而对水产品，以及农产品安全产生影响。陈永根等[39]研究发现，大量施沼液(夏季为18.92 kg·hm-2，冬季为1.29 kg·hm-2)时，初期土壤N2O、CH4的含量显著高于常规沼液处理，大量施沼液、正常施沼液和不施沼液时土壤N2O排放通量分别为224～349、70～137、33～57 μg·m-2·hm-2。此外，土壤对沼液的消纳能力还受土壤质地、植物类型、气候等多种因素的影响。因此，在沼液利用过程中应做到因地施肥、因地排放，并研究单位土体所能消纳沼液的负荷量及周期，健全法律管理机制，加强管理，以确保其使用安全性。

3 小结

沼液还田利用是我国沼液生态消纳的重要方式，是沼气工程可持续发展的重要保证。但在沼液施用过程中仍存在安全隐患，剩余现象严重。为解决这些问题，应当完善沼液资源化利用体系，提高沼液的综合利用机理研究。

3.1 完善沼液资源化利用体系

构建沼液农用标准。目前，我国只规定了沼液排放标准，尚未规定沼液农用标准。沼液农用大都按照沼液排放标准进行灌溉，致使农田生态系统可能产生面源污染。

制定沼液安全施用技术规范。明确沼液各成分范围，评估农田沼液消纳量，根据农作物的生理习性使沼液在不同处理级别上进行合理使用，并深入研究沼液长期使用的环境行为和环境效应。

加强农技推广人员的专业培训，指导农民进行沼液的科学施用。

3.2 加强沼液综合利用机理研究

深入研究沼液对改善作物品质及抑制作物病虫害的机理。

系统研究不同发酵工艺、发酵原料对沼液特征及性能的影响，并深入探讨沼液对土壤的改良/培肥效应与土壤性质、地理气候之间的关系，为沼液科学施用奠定理论基础。

开展长期定位试验，研究沼液中抗生素等有机污染物在农田环境中的变化，以明确沼液农用的安全性。

3.3 采取“截源开流”的方式处理沼液安全与过剩等问题

“截源”是指从源头上减少沼液的产生量和污染源，并严格控制发酵原料污染物的浓度。采用干法厌氧发酵技术，优化沼气发酵过程，以减少沼液产量，并通过微生物降解、化学沉淀、膜浓缩等技术降低沼液中污染物的毒性和浓度。“开流”是指拓宽沼液的利用途径，并开发沼液养分回收高值化利用的新技术，深入研究和推广耦联技术，利用沼气发酵的副产物与其他生产工艺联合使用，以保障沼气工艺的顺利进行，并进而提高沼液资源化利用的经济效益。