沼液安全利用的总量匹配研究——以光泽县山头村沼液浇灌稻田为例

李小女，叶菁，于丽娜，闫晶，朱惠琼，罗旭辉

（1.南平市光泽生态环境局，福建 光泽 354100；2.福建省农业科学院农业生态研究所/福建红壤山地农业生态过程重点实验室，福建福州 350000；3.生态环境部固体废物与化学品管理技术中心，北京 100029；4.中国农业大学农学院 生物质工程中心，北京 100193）

近年来，我国畜禽养殖业已走向中大规模发展，畜禽粪便排放也成为影响环境的突出问题[1]，畜禽养殖业产生的废弃物年生产量约为38 亿t，利用率不足50%[2]，尤其是大量沼液直排给下游流域带来严峻的二次污染问题[3]。沼液替代化肥成为重要探索方向，研究表明沼液可用于浸种、防虫和水稻种植等[4]。但中大规模应用仍存在应用量与面积匹配、应用时期与茬口匹配、单一利用与多元利用匹配等问题[5]，这需要根据县域实际情况深化研究。

光泽县土地面积2 240 km2，位于武夷山国家公园西区，全国无废城市建设试点县，森林覆盖率81.77%，全县117 条河流断面水质在Ⅱ类以上，同时也是养殖大县，年出栏白羽肉鸡2.89 亿羽，生猪存栏3.56 万头，养殖尾水排放给断面水质带来巨大压力。稻田作为人工湿地生态系统,具备综合净化能力和自我调控功能[6]，光泽县稻田面积195 万hm2，前人研究表明[7-10]，沼液与化肥合理搭配，能够提升水稻产量和稻米品质，籽粒的重金属含量符合食品中重金属限量标准，但是其承载容量和方式值得进一步深入研究。试验通过不同处理评价水稻产量、品质和氮素利用率，为实施全县沼液浇灌稻田提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻品种为野香优676，龚建军[11]等研究表明，野香优676 在光泽县具有较好的适应性和较高的产量，是光泽县种稻主推品种之一。供试验的沼液为来自某农户正常运行的猪场沼液，试验前对沼液进行基本性质测定，结果见表1。供试验用化肥：基肥为江南丰收复合肥（13∶5∶7），分蘖肥为金土地复合肥（15∶15∶15）。试验地位于光泽县寨里镇山头村，海拔450 m 左右，试验土壤为砂质土，试验地前茬为育秧田。

表1 猪场沼液基本性质 mg/kg

1.2 试验设计

试验有10 组处理，其中包括1 组常规施肥，1 组不施肥、8 组化肥和沼液共同施用，施肥方式与氮投入水平见表2。2021 年6 月12 日对优质稻进行移栽，在移栽前20 天对稻田实施不同沼液处理（其中化肥在6 月11 日施用），在分蘖期2021 年7 月14—15 日实施不同沼液处理，2021 年9 月29 日测产。所有处理除沼液灌溉量不同外，其他管理措施均按当地一般农田管理方式进行，试验时间为2020—2021 年。

表2 沼液替代化肥的水稻栽培试验设计 kg/hm2

1.3 观测项目与方法

水稻成熟期农艺性状采用常规方法，沼液总氮浓度测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[12]；稻秆、稻谷氮含量测定采用凯氏定氮法[13]；稻米品质参照中华人民共和国国家标准《GB/T 17891—1999 优质稻谷》测定精米率、整精米率、垩白度、食味评分等品质性状[14]；郝社锋等[14]的研究表明水稻对土壤中的等重金属具有吸收特性，试验重点分析稻米中Cr、As、Cd、Hg和Pb 等重金属[16，17]，Cd、Pb 采用原子吸收光谱法检测[18]，As、Hg 采用原子荧光光谱法[19]，Cr 采用紫外分光光度法。

氮素利用率=（施肥处理水稻氮素吸收量-无氮投入水稻氮素吸收量）/氮素投入量×100%[20]

2 结果与分析

2.1 不同处理的水稻产量与稻秆产量

试验10 组处理的干谷产量达6 594～9 409 kg/hm2，平均产量为8 141 kg/hm2，对照处理1 条件下干谷产量达7 991 kg/hm2，试验结果总体达到地方生产一线的实际水平，合理组合化肥、沼液用量能较好提高水稻产量[21]。其中以处理8 的稻谷产量最高，达9 409 kg/hm2，高于处理1 稻谷产量高17.8%。处理3 的稻秆产量最高9 251 kg/hm2，稻谷产量达9 091 kg/hm2。试验结果表明稻杆产量与稻谷产量趋势基本一致，详见表3。

表3 不同处理水稻稻谷产量 kg/hm2

2.2 不同处理的氮素利用率

我国早期稻田施用化肥基本为氮肥，随着氮肥施用比率的上升，水稻产量并未随着大幅度提升，主要原因在于水稻氮素利用率并未随着氮肥的增加而提升[22-26]，同时过高氮素投入还会增加氮素流失引起的面源污染风险[27]。为了进一步研究试验不同处理的水稻氮素利用率，对水稻氮素投入、氮素吸收、稻谷氮素和稻杆氮素等关键数据进行收集，以氮素为计量标准，对不同处理的氮素利用率进行分析。试验结果表明（表4）：处理9 的氮素利用率最高，达到32.57%，处理2 的氮素利用率最低，为-5.32%，各处理氮素利用率无明显规律。

表4 不同处理水稻栽培的氮素利用率 kg/hm2

2.3 不同处理对稻米品质的影响

试验中不同处理下稻谷的品质分析[28，29]如表5 所示：其中处理2、处理3、处理4 的整精米率分别为61.27%、61.05%、61.01%，略高于处理1。试验中施用沼液的试验组稻米蛋白质含量稍优于处理1，表明使用沼液能增加稻米中的营养价值。各处理稻米的垩白度一致，直链淀粉含量、脂肪酸值、食味评分与处理1 相比无显著差异，处理2 的食味评分最高分。

表5 不同处理对稻米品质的影响

2.4 不同处理的稻米重金属含量

沼液中除了含有大量营养物质和活性物质外，由于矿物质和饲料添加剂的普遍使用同时也含有诸多重金属[30-32]，沼液中重金属对环境和农产品质量安全的潜在危害需要重点关注。试验对不同处理的水稻中重金属含量进行分析[33-35]。结果表明与处理1 相比施用不同沼液处理方式下稻米的Cr、Pb 含量差异较小，As、Hg 含量有所提高。试验结果表明（表6），尽管各处理稻米的重金属含量有所差异，但无显著差异且总体含量较小，符合《中国食品中重金属限量标准》（GB 2762—2017）[36]，均在安全水平。

表6 不同处理的稻米重金属含量 mg/kg

3 讨论与结论

试验表明，施用沼液处理对稻米营养成分稍有提高，但稻米品质总体而言差异不大；各种处理后稻米的重金属含量虽有所差异，但与处理1 常规施肥相比无显著差异，且均在安全水平；不同试验水稻产量总体达到地方生产一线的实际水平；不同处理氮素利用率无明显规律，但过高氮素投入并没提高水稻产量，这与前人研究结果一致。针对目前的研究结果，在单季作物种植期内，稻米品质、土壤重金属等约束条件对沼液施灌量的响应规律并不明显,只能根据现有条件对沼液施灌量做出判断，设置产量安全为约束条件的最大施灌量，以及不至于产生盐害的约束条件下所能承载的最大沼液施灌量[37]。试验施用沼液处理中，综合考虑沼液施灌到稻田的效果，提出最优方案，在沼液免费灌溉的前提下光泽县实际推广沼液浇灌水稻安全利用总量匹配宜选用处理3（基肥50%化肥+100%沼液，分蘖肥100%沼液）组合，不仅能有效提高水稻产量，还能起到消纳沼液和节本增效双重效果。

借鉴前人研究[38-39]并结合当地实际对沼液还田负荷分析，结果表明：此组合可消纳沼液（纯氮）153 kg/hm2，光泽县稻田面积8 667 hm2，扣除烟后稻田面积1 667 hm2（不宜施用沼液），其余水稻面积7 000 hm2，可消纳沼液（纯氮）107.1 t。根据《畜禽粪污土地承载力测算指南》[40]，单位猪当量氮养分供给量为11.0 kg，光泽县水稻田可以承载9.74 万个猪当量，承载力为光泽县生猪达产养殖负荷的136.8%。