沼液替代化肥对土壤肥力与胡柚品质的影响

黄海丽，庄海峰，张春荣，党洪阳，平立凤，张昌爱，樊宙，单胜道

(1.衢州市常山县农业农村局，浙江 常山 324000；2.浙江科技学院 环境与资源学院，浙江 杭州 310023；3.浙江省农业科学院 农产品质量标准研究所，浙江 杭州 310021)

厌氧产沼是畜禽养殖废弃物资源化利用的重要方式。伴随现代养殖业的快速发展，沼气工程项目在国内得到快速普及与推广，这为养殖业绿色发展奠定了基础。但与此同时，厌氧产沼的“终端产物”——沼液的有效利用问题也变得越来越突出。沼液既富含有机质和营养性元素，又具有微量重金属等有害物质，易成为二次污染源继而带来潜在的环境风险[1-3]。对沼液进行工业化处理达标排放，成本较高且易受厂地限制；沼液还田可实现畜牧业与种植业的资源化结合，近年来受到了广泛关注。已有研究证明，多种类型的农作物可利用沼液来促进生长，并实现增产，且土壤肥力亦可得到增强[4-6]。从理论角度看，沼液还田的有效性主要取决于沼液中有害物质的控制和适应土壤类型的选择；然而，此方面尚缺乏系统性的研究与应用论证。

浙江省常山县是我国最大的胡柚种植基地，其地理标志产品“常山胡柚”享誉国内。同时，生猪养殖业亦是常山县重要的支柱产业。如能将当地生猪养殖业产生的沼液与胡柚种植进行“种养结合”，建立起循环经济模式，这既符合常山县社会经济发展方向，又能实现资源的循环、高效利用，但这也对沼液在胡柚种植上的精准化科学施用提出了要求。在此背景下，本研究采取大田施肥试验，研究沼液施用对胡柚果实品质和林地土壤肥力的影响，初步探析林地土壤与果实的重金属安全性，探究适宜的沼液施用条件，以期为沼液的资源化利用、胡柚品质提高，以及林地土壤肥力改善提供科学依据与应用指导。

1 材料与方法

1.1 样地与样品

1.1.1 试验样地

胡柚试验区设于常山县十里山村(118°48′50″E，28°50′20″N)。该地处亚热带地区，四季分明，雨量充沛，年平均气温17.7 ℃，年平均降水量1 760.1 mm，年平均相对湿度76%，年平均日照时数1 731.2 h。试验场地系丘陵红壤岗地，土层深厚，肥力较差，pH值约为5.23。每个处理设置3个重复样地，每个样地设置为10 m×10 m，样地内栽种6～8棵胡柚，试验开始时树龄为3 a，果实较小。

1.1.2 土壤与胡柚样品

土壤采集点位于样地中心点和4个角点，自土壤表层至垂向20 cm处采集土壤样品，按四分法取(500±10)g的混合样品。将样品去除石砾和植物残体后于室温下风干、研磨，再过2 mm筛后用于测定土壤理化指标。

于胡柚成熟期按对角线法选取样地内的植株采集胡柚果实，密封袋包装后即时送实验室检测。

1.1.3 供试沼液与肥料

供试沼液取自常山县十里山庄养殖场厌氧发酵池，主要理化性状如下：pH值8.51±0.55，有机质含量(0.58±0.04)%，全氮含量(0.15±0.01)%，全磷含量(0.028±0.003)%，全钾含量(0.17±0.02)%，铜含量(0.04±0.01)mg·kg-1，锌含量(0.25±0.04)mg·kg-1，砷含量(0.010±0.002)mg·kg-1，镉未检出。

有机肥为发酵后的猪粪肥(N 2.16%，P2O50.55%，K2O 0.43%)；尿素(N 46%)，灵谷化工集团有限公司；过磷酸钙(P2O512%)，湖北丰乐生态肥业有限公司；氯化钾(K2O 60%)，黑龙江倍丰农业生产资料集团有限公司。

1.2 试验方法

依据浙江省柑橘化肥定额制施用标准和胡柚不同生长期所需营养的经验值进行沼液施用量折算。试验共设6个处理：S1，未施加肥料；S2，全量化肥；S3，有机肥+化肥(100%氮)；S4，有机肥+化肥(50%氮)+沼液(50%氮)；S5，有机肥+沼液(100%氮)；S6，有机肥+沼液(150%氮)。上述处理中，S3～S6处理中除由有机肥提供的氮素外，化肥和沼液提供的氮素折合总量同S2处理。以S2处理中化肥提供的氮素数量为1，S3～S6处理按相应比例折算化肥和沼液用量。S3～S6处理统一施用22.5 t·hm-2的有机肥。由于沼液和有机肥中均含有磷和钾，因此,在S3～S6处理中需适当调节磷、钾肥用量，以保证其磷、钾供应总量与S2处理相等。

各处理的有机肥一次性基施，其他肥料(含沼液)分别于胡柚发芽期(约3月份)、保果期(约6月份)、壮果期(约8月份)和采果期(约10月份)，按照30%、20%、30%、20%的比例施用，并结合当年的环境变化与胡柚生长需求适当调整。

1.3 指标测定

土壤理化性质检测参照《土壤农化分析》进行，简述如下：pH值采用电位法测定，有机质含量采用K2Cr2O4外加热法测定，全氮采用凯氏定氮法测定，全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定，有效磷采用氟化铵-盐酸溶液浸提、钼锑抗比色法测定全钾、铜、锌和镉含量均采用火焰原子吸收法测定，砷含量采用原子荧光仪测定。土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定。

胡柚总糖含量采用蒽酮比色法测定，总酸含量采用电位滴定法测定，β-胡萝卜素含量采用氧化铝柱层析-比色法测定，VC含量采用邻苯二胺荧光法测定。

2 结果与分析

2.1 对土壤酶活性的影响

土壤酶参与土壤发育和土壤肥力演化的全过程，直接影响土壤营养元素和有机质的传输与转化，是土壤微生物活性的重要体现。土壤蔗糖酶的作用在于促使大分子水解和断裂，是土壤有机成分进入生物体内的重要活性介质；而磷酸酶则可将化合态磷矿化分解为无机性的植物有效磷。由图1可知，与S1处理相比，S2处理的土壤蔗糖酶活性有所降低，其他处理的土壤蔗糖酶活性均相对提高，其中，S5(沼液100%替代化肥)处理的土壤蔗糖酶活性最高，其值约为空白样地的1.56倍。

图1 不同肥料处理对土壤酶活性的影响

土壤磷酸酶活性的变化与蔗糖酶活性有所不同。S1处理的土壤磷酸酶活性最高，S3～S6处理的土壤磷酸酶活性与S1较为接近，S2处理的土壤磷酸酶活性最小。但总体来看，不同处理的土壤磷酸酶活性差异不大，反映出土壤磷酸酶活性具有一定的稳定性，对外来扰动的缓冲能力较强。

2.2 对土壤肥力和pH值的影响

土壤肥力是耕地的重要属性和本质特征，是土壤理化性质和生物特征的综合反映。

从图2可以看出，沼液施用提高了土壤肥力，且以土壤速效钾的含量变化最为突出。以S6处理与S1作对比，前者的土壤全氮、全磷、有效磷和速效钾含量分别为942.1、70.4、10.1、28.1 mg·kg-1，有机质含量为20.2 g·kg-1，分别为后者的1.36、1.44、1.43、4.69、1.26倍。作为厌氧发酵的末端产物，沼液富含氮、钾等营养元素和有机质，且其中的有效态氮、钾，及小分子有机质等速效成分占比高，因此，施于土壤后提高了土壤中生物有效性物质的含量。

图2 不同肥料处理对土壤肥力和pH值的影响

S1处理的土壤pH值为5.23，S2处理的土壤pH值降低至5.02，而其他处理的土壤pH值均较S1有所提高，即施加沼液后，土壤酸碱度普遍提高，其中，以S5处理的土壤pH值最高，达到5.93。根据相关资料，胡柚适宜的土壤pH值在5.5～6.5，而常山胡柚林地的pH值多在此范围的下限或之下[7-8]。鉴于沼液多呈碱性，推测适度施加沼液应可调节土壤pH值至接近于胡柚最适生长的条件，本试验结果与预期一致。但是，S6处理的土壤pH值较S5处理降低，这可能是因为过量的沼液施入土壤后进行了二次厌氧发酵产酸，进而降低了土壤pH值。

2.3 对土壤重金属含量的影响

镉、锌、铜、铬、砷等重金属污染物对土壤的危害性较大，可通过食物链的形式逐级富集和传递，历来是沼液还田的关注重点。鉴于本研究所用的沼液中主要检出的重金属为铜、锌、砷，以及镉的富集毒性较大，故仅对这4种重金属进行对比分析(图3)。由图3可知，不同处理的土壤重金属含量存在差异，但总体变化幅度不大。各处理中：S3处理的土壤中铜含量最高，而S4处理的土壤中铜含量最低；S2和S3处理的土壤中锌含量最高，而S1处理的土壤中锌含量最低；S6处理的土壤中镉含量最高，而S3处理的土壤中镉含量最低；S6处理的土壤中铜含量最高，而S3处理的土壤中铜含量最低。对照农用地土壤污染风险管控标准(GB 15618—2018)，各处理土壤中4种重金属的含量均远低于标准限值，说明在本试验条件下，沼液施加未导致土壤重金属安全风险等级提升。

图3 不同肥料处理对土壤重金属含量的影响

2.4 对胡柚品质的影响

表1和图4分别给出了胡柚成熟期各处理样地的果实收获量及其品质指标。

表1 各肥料处理样地的果实收获量和单果重

表1和图4可以看出，与S1处理相比，其他处理的果实数量、果实质量和单果重均有所提高，且施加沼液各处理的果实数量、果实质量和单果重均大于等于全化肥处理，其中，S5和S6处理的果实数量、果实质量和单果重最大，说明施用沼液较全化肥更利于胡柚的生长。

图4 不同肥料处理对胡柚品质的影响

总糖、总酸、VC含量和β-胡萝卜素含量等指标多用来衡量胡柚的品质。其中，总糖和总酸指标反映胡柚口感，是其市场化品质的主要依据。S6处理的胡柚果实总糖含量与S1基本持平，其余处理的胡柚果实总糖含量均较S1有所提高，且以S5处理最高。胡柚总酸含量以S1处理最高，其余处理的胡柚果实总酸含量均相对降低。胡柚果实的VC含量以S1处理最低，其余处理胡柚果实的VC含量均相对增加。除S2处理的胡柚果实β-胡萝卜素含量较S1减少外，其他处理的胡柚果实β-胡萝卜素含量均显著提高，其中以S6处理最高(4.8 mg·kg-1)，约为S1处理的1.78倍。

由表2可知，除S2处理胡柚果实中的铜、锌含量略低于S1处理外，其余处理胡柚果实中的铜、锌、砷、镉含量均相对升高。这说明施用沼液有增加胡柚果实中重金属含量的风险，但果实中上述4种重金属的含量水平远低于GB 18406.2—2001《农产品安全质量 无公害水果安全要求》的规定，尚不存在食用风险。

表2 不同肥料处理胡柚果实中的重金属含量

3 小结与讨论

本试验表明，沼液的施用可增加胡柚林地土壤中的氮、磷、钾等营养元素和有机质含量，提升土壤蔗糖酶活性。用沼液100%替代化肥后，酸性土壤的pH值得到改善，达到了化肥减量与胡柚林地土壤改良、培肥的目的。本试验条件下沼液施加未导致胡柚林地土壤中镉、铜、锌、砷明显积累，胡柚果实中相应重金属的含量水平亦远低于农产品安全质量无公害水果安全要求，不存在食用风险。适宜用量的沼液施加可维持胡柚生理代谢过程的平衡，增强植株机体的功能，使胡柚果实中的糖类、VC、类胡萝卜素等代谢物保持在较高水平，有效提高胡柚品质。

作为一种优质有机肥料，沼液能提高土壤营养元素和有机质的含量。已有研究证明，适量施加沼液不仅可提高土壤中全氮、全磷、全钾的含量，同时可改善土壤孔隙度、阳离子交换量和保水性等。沼液所含的多种生物有效成分可提高土壤微生物的活性，进而激发各种功能酶的产生；而土壤酶与土壤养分、微生物种群丰度间已被证明存在极显著的正相关性[9]。这意味着，沼液的适量投加可有效地改善土壤生态环境，进而促进农作物的生长。

沼液施加的主要风险在于其所含的重金属，风险程度则取决于沼液中重金属的含量水平与施用量、土壤中的富集状况，及其在农作物体内的迁移程度。从本试验结果看，所用沼液中含有的重金属含量较低，施加于土壤中后，虽然土壤中的重金属含量略有增加，但远未达到富集程度，而胡柚果实中的含量水平亦远低于农产品安全质量无公害水果安全要求。鉴于研究所限，更长时期内的重金属积累效应尚需跟踪调查。但就已有文献而言，沼液施用的长期风险水平目前仍被认为在安全范围内[10-11]。

土壤环境是影响农作物品质的主要因素，主要涉及土壤肥力、pH值、有害物等方面。沼液富含生物有效性氮、磷、钾，及有机质等多种养分，适量投加可增强土壤肥力，并促进胡柚根系微生物种群繁育，使得胡柚生长过程中的生理代谢过程更为协调平衡，胡柚机体的功能性也因此得以增强，糖类、氨基酸、维生素和类胡萝卜素等代谢物得以保持在较高水平，从而带动胡柚品质的提高。但过量的施用沼液并不会进一步显著地提高土壤肥力与胡柚品质，反而会增加潜在的面源污染与资源浪费；因此，在本试验条件下，沼液施用100%替代化肥是较为适宜的施用量。