秋闲期沼液施用对黑土区土壤氮素损失的影响

2021-12-20刘聪郑瑶琪刘爽刘庆平闫立龙

农业环境科学学报 2021年11期

刘聪，郑瑶琪，刘爽，刘庆平，闫立龙

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

近年来我国畜牧业的飞速发展，在满足了人们食用需求及创造了巨大经济效益的同时，也产生了大量废水，如果不能对这些养殖废水进行有效处理，就将对周围环境产生非常严重的危害。生猪养殖业在我国畜禽养殖业中占据主导地位，且生猪养殖污染已经成为农业面源污染的主要来源之一[1]。生猪养殖废水属于“三高”废水，其具有处理难度大、处理成本高等特点[2]。大量未经处理的畜禽养殖废水直接排放到环境中，将会对周边生态环境造成严重危害[3-4]。如何经济高效地处理该类废水，已经成为制约畜禽养殖业绿色生态发展的瓶颈。国内外对畜禽养殖废水的处理开展了大量研究，尝试采用了多种技术和手段对其进行处理[5]。常用的以达标排放为目的的生物技术，如好氧生物处理、厌氧生物处理、厌氧-好氧组合工艺等在处理畜禽废水时存在处理成本高、构筑物占地面积大等问题。从资源化利用和循环经济的角度考虑，畜禽养殖废水处理最直接、最有效的方式就是将畜禽养殖废水经过厌氧发酵后产生的沼气用作能源、产生的沼液用作肥料进行农田回用，从而达到零排放的目标[6-7]。

沼液常被用于生产液肥，其含有多种氨基酸，如亮氨酸、谷氨酸、赖氨酸等[8-9]。沼液农田回用在提高土壤氮和磷的含量、酶的活性以及土壤所富含的各种营养物质的同时，还可以使其得到有效处理以保护环境[10]，从而达到减少化肥施用对生态环境造成的污染以及降低农业生产成本的目的[11]。土壤有机质含量下降导致土壤结构恶化，土壤生产力降低[12]。富含大量有机物的沼液施用于农田能够增加土壤中有机质尤其是溶解性有机质的含量，从而有助于改善土壤结构[9]。

施加沼液在使土壤中氮以及磷等营养物质增加的同时[13]，这些营养元素还可能随沼液以及雨水向下发生淋溶，从而对底层土壤以及地下水等造成危害。土壤氨挥发在降低肥料氮素利用、增加生产成本的同时还会引起环境问题[14]。如果长期盲目地施用沼液，则会使农田存在重金属超标的风险，进而破环农田生态系统，引起粮食安全问题[15]。为了提高作物在发芽以及生长期对沼液的利用效率以及降低沼液的淋溶风险和生态风险，许多国家规定沼液必须经过6 个月的储存之后才能够用于农田，且在秋季之后不能够将沼液施于农田中，其余时间沼液必须储存在专门设计的储存罐内，且对施用方式也提出了相关要求[16-17]。沼液施用受季节性影响较大，目前基本是在农用季节施用，其他时间产生的沼液只能存储在容器或专有构筑物中，由此产生了存储构筑物占地面积大、基建费用高等问题[18-19]，且该问题在我国北方寒冷地区尤为突出。在秋闲期施用沼液能够增加沼液的消纳量，提高沼液的资源化利用率，有效缓解我国北方寒冷地区畜禽养殖过程中排放大量养殖废水的处理压力、沼液存储压力，且可降低农业成本。然而在秋闲期施用沼液是否存在氮素淋溶风险尚未可知。

鉴于此，本文通过大田试验，采用注施以及喷施加深翻的施用方式，在秋季玉米收割之后（秋闲期）将不同氮素替代量的沼液施用于农田，分析秋闲期沼液施用后田间土壤有机质、氨挥发以及氮素淋溶量的动态变化，并分析此过程产生的氮素损失及潜在的淋溶风险，以期为沼液的合理化施用提供参考，及解决北方畜禽养殖业所面临的沼液施用难题。

1 材料与方法

1.1 试验土壤和沼液的基本理化性质

试验在东北农业大学向阳农场进行。土壤类型为黑土，土壤指标：全磷含量（0.43±0.02）g·kg-1；有机质含量（19.06±2.22）g·kg-1，铵态氮含量（27.88±4.98）mg·kg-1，硝态氮含量（13.29±1.94）mg·kg-1，pH 5.38±0.12，Cu 含量（30.67±0.20）mg·kg-1，Zn 含量（55.54±1.03）mg·kg-1，As 含量（11.89±0.25）mg·kg-1。所用沼液取自黑龙江省巴彦县某养猪场。由于在厌氧发酵过程中，季节气候以及每次进料的差异，使得所产生的沼液性质有所不同。2018 年秋闲期施加沼液理化性质：全氮含量（1 324.60±8.45）mg·L-1，全磷含量（137.36±3.72）mg·L-1，化学需氧量（9 897.96±12.16）mg·L-1，砷含量（0.21±0.02）mg·L-1，铜含量（42.7±2.4）mg·L-1，锌含量（62.50±2.21）mg·L-1。2019 年秋闲期施加沼液理化性质：全氮含量（1 920.80±22.41）mg·L-1，全磷含量（51.04±1.03）mg·L-1，铜含量（50.41±1.60）mg·L-1，锌含量（66.41±0.31）mg·L-1。

1.2 试验设计

试验作物为玉米，采用人工点种方式种植。大田试验持续两年，沼液分别于2018 年秋季闲置期（秋闲期，玉米收获后，约10月份）以及2019年秋闲期施加，于2019 年和2020 年春季种植玉米。施用方式为喷施+深翻和注施两种，喷施处理为将沼液喷洒在土壤表面后对农田进行深翻，翻耕深度为30 cm，注施处理为在农田深翻及起垄之后，破垄开沟后将沼液注入到10 cm 左右土层。2018 年秋闲期设置ACK、A0%、A25%、A50%、A75%、A100%、A125%、AZ50%、AZ75%和AZ100%10 组处理，2019 年秋闲期设置BCK、B0%、B25%、B50%、B75%、B100%、B125%、BZ50%、BZ75%和BZ100%10 组处理，分别代表2018年及2019 年秋闲期不施肥、喷施沼液氮素替代量分别为0%、25%、50%、75%、100%、125%以及注施沼液氮素替代量分别为50%、75%和100%的处理（表1），小区面积为22.75 m2（5 m×4.55 m），每个处理3 个重复。缺失的氮、磷及钾于2019 年以及2020 年春播期使用化肥予以补充。

表1 田间试验设计（kg·hm-2·d-1）Table 1 Field test design（kg·hm-2·d-1）

1.3 样品采集及测定方法

1.3.1 样品采集

在大田试验过程中，因喷施处理需经过沼液喷施、深翻及起垄等操作，故于喷施处理后第4 d开始测定氨挥发量，注施处理则于沼液施用第2 d 开始测定氨挥发量。用取样钻于2019 年不同玉米生育期（播种期、拔节期、抽穗期和成熟期）采集各处理土壤样品，测定土壤有机质含量、铵态氮淋溶量以及硝态氮淋溶量。在此基础上，于2020 年玉米播种期和成熟期采集各处理土壤样品，进一步测定铵态氮淋溶量以及硝态氮淋溶量。采样深度分别为0～20、20～40、40～60、60～80 cm 以及80～100 cm。土样置于阴凉处风干后，仔细将碎石以及植物残体等杂质去除，处理后的土壤按照不同指标的测定方法要求进一步研磨、过筛，备用。

1.3.2 常规指标测定方法

试验采用重铬酸钾法、碱性过硫酸钾紫外分光光度法以及钼酸铵分光光度法分别对沼液中有机物、全氮、全磷进行测定[20]。采用水合热重铬酸钾氧化-比色法、靛酚蓝比色法、高氯酸-硫酸-钼锑抗比色法、电位法以及酚二磺酸比色法分别对土壤有机质、铵态氮、硝态氮、全磷以及pH 进行测定[21]。氨挥发量按文献所述方法采用通气法进行收集并用靛酚蓝比色法进行测定[22]。

1.3.3 相关性分析与显著性差异分析

采用SPSS 统计软件中的多重比较（Duncan、LSD）对各种处理的测定数据进行显著性差异分析（α=0.05），同时采用该统计软件对各种数据的相关性进行分析。使用Origin 2018做图。

2 结果与讨论

2.1 秋闲期沼液与化肥配施对田间表层土壤有机质含量的影响

土壤有机质不仅能改善土壤理化性状，也是作物生长所需营养的重要来源，本试验对沼液与化肥配施后田间表层土壤有机质含量进行了测定，结果如图1所示。

由图1可以看出，2019年播种期各处理土壤有机质含量随沼液施加量增多而增大，其中AZ100%处理的有机质含量最高，较ACK 处理升高了11.83%。拔节期各处理的土壤有机质含量相较于播种期明显降低，此时施加沼液的处理有机质含量仍高于ACK。土壤有机质在被分解利用时能够释放维生素以及氨基酸等促进植物生长的物质，其对作物的生长有着重要作用[23]。对于抽穗期和成熟期，喷施各处理的土壤有机质含量随施加沼液量增多整体呈现上升趋势，且均高于ACK。在成熟期各喷施处理中，A125%处理的有机质含量最高，为21.71 g·kg-1；而在注施处理中，随着沼液施加比例的增加，土壤有机质呈先上升后下降的趋势，其中AZ75%处理的有机质含量最高，为24.23 g·kg-1；当沼液氮素替代量为75%及100%时，注施处理的土壤有机质含量高于喷施处理。土壤有机质含量随时间延长呈现动态变化，其中土壤有机质含量下降主要是由于土壤中的微生物对土壤有机质的分解，而土壤中有机质含量上升是由于玉米根系在生长过程中能够分泌多种有机质[23]。在玉米生长的各个时期，各施加沼液处理的土壤有机质含量均高于ACK 处理。沼液施用对土壤有机物质含量的影响与沼液施用方式和施用量有关。在相同沼液氮素替代条件下，注施处理的有机质含量升高幅度高于喷施处理。黄界颍等[24]的研究结果显示土壤有机质含量的提高程度与沼液施用量呈正比，这与本研究结果相一致。同时也有研究表明，全部施加化肥的土壤有机质含量随玉米的生长而逐渐降低，而沼液处理与之相反，在成熟期时，各处理中全部施加沼液的处理有机质含量提升最大[25]。这与本试验结果有所不同，原因可能是与本试验所用基肥、沼液施加时间以及沼液施加方式不同所致。

2.2 秋闲期沼液与化肥配施对土壤氨挥发量的影响

沼液中的氮素主要以铵态氮的形式存在，因此沼液的施加会增大土壤氨挥发量[26]。不同处理土壤氨挥发结果如图2所示。

沼液施用量、施用时间、气温以及施用方式都会对氨挥发量产生影响。由图2 可以看出，秋闲期施用沼液氨挥发量（以N计）较小，且受施用时温度和沼液施用量影响较大。在2018 年秋闲期低温时施用沼液，氨挥发量处于较低水平，喷施和注施处理峰值分别为0.22 kg·hm-2·d-1和0.65 kg·hm-2·d-1（图2a 和图2b）。而在2019 年，无论是在喷施处理还是注施处理中，氨挥发量均随温度的降低而减小（图2c和图2d），当温度低于0 ℃时，各处理氨挥发量维持在0.01～0.03 kg·hm-2·d-1。由于喷施处理在沼液喷灌后又对田地进行了深翻处理，之前0～20 cm 土层的土壤被较深土层的土壤覆盖，而注施处理沼液被注入10 cm 左右土层，因此相同沼液灌溉量下注施处理氨挥发量大于喷施处理。类似文献已有报道，氮肥施加后通过再覆土以及增加施肥深度能够显著降低氨挥发累积量[27-28]。各处理氨挥发量随温度的升高有升高的趋势，但低于吴华山等[28]的研究结果，其结果表明春季施加猪粪沼液后土壤的氨挥发量（以N 计）的峰值为3.5 kg·hm-2·d-1。而当沼液施用温度较高时，氨挥发量明显升高（图2c 和图2d），且随施加沼液量的增多而增大。同时可以看出，氨挥发主要集中在施肥后的前一周。与此类似，杨润等[14]的研究结果也表明氨挥发主要发生在施用沼液后的一周内。在此之后各处理氨挥发量逐渐降低，并趋于稳定，且氨挥发量稳定值低于吴华山等[28]春季施用沼液时的研究结果。除沼液施用量外，本试验施用沼液时气温较低是氨挥发量较小的原因，2019 年各处理的氨挥发量以及氮素损失率均高于2018 的试验结果也验证了这一点。尽管秋收工作完成后，我国北方进入低温期，此时施用沼液土壤仍存在一定量的氨挥发，但氨挥发氮素损失率最大为0.52%，远低于文献所述数值[29]。秋闲期施用沼液以低温期施用为宜，以减少土壤氨挥发量[30]。

2.3 秋闲期沼液与化肥配施对土壤铵态氮淋溶量的影响

土壤中的铵态氮能够被土壤吸附、解吸以及直接被植物吸收利用，因此土壤中的铵态氮能直接反映土壤供氮强度和供氮水平，其对植物生长起着极其重要的作用[13]。秋闲期施用沼液后各处理玉米不同生育期土壤铵态氮随土层变化如图3所示。

由图3 可以看出，秋闲期施用沼液产生的铵态氮淋溶量与作物生长季、沼液施用量及沼液施用方式有关。沼液施用量增大，发生铵态氮淋溶风险升高；同时注施处理较喷施处理易于铵态氮淋溶的发生，采取喷施处理沼液氮素替代量应控制在75%以下。2018年秋闲期施用沼液后，在2019年播种期0～40 cm土层随沼液氮素替代量增多，土壤中铵态氮含量降低。这可能是各处理土壤铵态氮含量不均匀或沼液施用时间为2018年10月，经过较长时间的氮素损失（如氨挥发）所致。同时可以看出，喷施处理中A100%和A125%处理，在80～100 cm 土层中的铵态氮分别比ACK 增加了0.24 mg·kg-1和0.96 mg·kg-1。而2018 年注施各处理在2019 年播种期的80～100 cm 土层检测到的铵态氮含量与ACK 处于相同水平（图3a）。随着种植时间的延长，土壤表层铵态氮含量有所降低（图3b 和图3c），分析是因为表层土壤的铵态氮被硝化细菌转化为硝态氮、被植物吸收利用以及氮固持、氨挥发和向下淋溶所致[23]。在抽穗期，A75%的处理0～40 cm 土层中铵态氮含量最高，与ACK 相比升高了128.47%，而在60～80 cm 以及80～100 cm 土层中，A100%以及A125%两个喷施处理的土壤铵态氮含量高于ACK 以及A0%处理，说明此时存在潜在铵态氮淋溶风险。比较而言，在相同氮素替代量条件下注施处理土壤铵态氮含量低于喷施处理，且在80～100 cm土层土壤铵态氮含量均低于A0%和ACK 处理，无铵态氮淋溶风险。在成熟期（图3d），0～40 cm 土壤铵态氮含量随着喷施氮素替代量的增加，整体呈降低趋势，其中A25% 处理铵态氮含量比ACK 提高了5.69%；而注施处理中，0～40 cm 土壤铵态氮含量随注施氮素替代量的增加整体呈上升趋势。在60～80 cm和80～100 cm 土层中，各处理土壤铵态氮含量均低于ACK，表明未发生铵态氮淋溶。2019 年秋闲期施用沼液其喷施和注施处理结果存在差异（图3e和图3f）。在2019年秋闲期喷施处理中氮素替代量在100%以下时，未发生铵态氮淋溶风险。在注施处理下氮素替代量为50%以上时，有铵态氮淋溶的风险。在2020 年播种期的0～40 cm 土层中随氮素替代量增多，土壤铵态氮含量逐渐升高。杜妍宁[31]的试验结果表明，随沼液施用量的增加，土壤铵态氮含量整体呈上升趋势，且施用沼液能够对土壤铵态氮的季节动态变化产生显著影响，这与文献研究结果相一致。而这一结果与2018 年秋闲期处理结果相反。这可能是2018 年不同地块的铵态氮含量存在差异，经过一年的试验后这一差异被削弱且沼液中氮素主要以铵态氮为主，而尿素中的氮为酰胺态氮，酰胺态氮需要经过一定时间才能转化为铵态氮所致。在80～100 cm 土层，喷施处理的B125%处理土壤铵态氮含量高于BCK，但差异不显著（P＞0.05），其他喷施处理土壤铵态氮含量均低于BCK。注施处理的土壤铵态氮含量均高于BCK，且均与BCK 无显著差异（P＞0.05）。注施处理过程中沼液施加较为集中，铵态氮更容易积累，且2020 年雨水较大使得更多的铵态氮向下淋溶，在相同氮素施用条件下，成熟期注施处理比喷施处理土壤中铵态氮含量更高（图3f）。0～40 cm土层土壤中铵态氮含量随氮素替代量的增加呈整体增加的趋势，其中B125%和BZ100%处理分别比BCK高出129.95% 和202.88%。 B125%、BZ75% 以及BZ100%处理与BCK 差异显著（P＜0.05）。在40～60、60～80 cm 以及80～100 cm 土层中，随氮素替代量的增加，各处理铵态氮含量变化趋势与0～40 cm 土层相似。在80～100 cm 土层中，B125%、BZ75% 以及BZ100% 处理土壤铵态氮含量分别比BCK 高出29.99%、51.84% 以及65.58%，且高于施加化肥的B0%处理，但差异均不显著（P＞0.05），其他处理铵态氮含量与BCK无显著差异，甚至低于BCK。

2.4 秋闲期沼液与化肥配施对土壤硝态氮淋溶的影响

与全部施化肥处理相比，秋闲期施加沼液并未发生明显的硝态氮淋溶现象。2018 年秋闲期沼液处理后，在2019 年播种期时土壤中硝态氮含量随沼液施加量的增大而增多（图4a）。A100%和A125%两个喷施处理在40～60 cm 土层中检测到少量硝态氮，而其他处理在该土层以下均未检出硝态氮。在拔节期，随着沼液施加量的增加各处理硝态氮含量有降低趋势（图4b），分析是因为在高沼液施用量条件下闲置期氮素损失较大，表层土壤中剩余氮素含量降低所致。与播种期相比，拔节期各处理40～60 cm 土层硝态氮含量均有所增加，表层硝态氮有因雨水淋溶而向土壤下层迁移的趋势，但80～100 cm 土层硝态氮仍处于未检出状态，这种状态一直持续到抽穗期和成熟期（图4c 和图4d）。在整个试验周期内，随玉米的生长，土壤硝态氮含量的变化趋势较大。这是因为植物的生长状况、土壤氮素水平以及硝化-反硝化作用均会对土壤硝态氮产生影响，而硝化-反硝化作用又受土壤各种理化性质的影响。

类似结果在2020年结果中得到验证。2019年秋闲期沼液喷施处理对土壤硝态氮含量影响较小（图4e 和图4f），仅在成熟期B125%的0～80 cm 土层中检测到硝态氮。对于注施处理，在BZ50%以及AZ75%处理的60 cm 土层以下未检测到硝态氮，尽管BZ100%处理在60～80 cm 以及80～100 cm 的土层中均检测到硝态氮，但在80～100 cm 土层中硝态氮含量很低，仅有0.022 mg·kg-1。由此推断，秋闲期施加沼液未发生硝态氮淋溶。土壤氮素淋失量与天气条件、作物种类、土壤性质、沼肥性质和施氮强度等因素有关[32]。本试验中，两年秋闲期沼液与化肥配施对田间土壤铵态氮、硝态氮的影响有所不同，可能是不同年份所施用的沼液量以及年降雨量存在差异所致；同时2019 年试验过程中铵态氮和硝态氮产生累积也会导致试验结果存在差异。同时也可以看出，沼液施用方式对表层土壤硝态氮含量的影响存在差异，秋闲期采用喷施的方式施用沼液对成熟期表层土壤硝态氮含量影响较小。但是采用注施的方式施用沼液时，表层土壤硝态氮含量会随沼液氮素替代量的增加而增加，其中氮素替代量为180 kg·hm-2时对成熟期表层土壤硝态氮含量提升最大。这一结果与袁雨婷等[29]的研究结果相似，当施加沼液量相同时，采用沟施方式（沼液施加较为集中）处理的土壤铵态氮以及硝态氮含量高于表施及深翻处理。