沼液与化肥配施对水稻生长及土壤质量的影响

魏 飞，李永杰，孙琪玮，徐晓燕，王小波*

（1.天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300392；2.天津农垦渤海农业集团有限公司，天津 301800）

0 引 言1

【研究意义】随着规模化畜禽养殖场、沼气工程的发展，沼液产量日益递增，目前年产量已超过16亿t。大量沼液如不能合理应用，一方面会造成环境污染，另一方面则引起资源浪费，同时也制约禽畜养殖业和沼气工程的发展[1]。沼液富含氮磷钾等植物生长需要的营养元素，其中氮素以氨态氮为主，还含有有机质、氨基酸、维生素等多种活性物质和锌、铁、铜、锰、钙等中微量元素，是一种良好的土壤改良剂和有机肥料[2]。因此研究沼液合理还田利用，可使养殖业粪污处理更加效率化和低廉化[3]，同时减少农业生产中化肥施用，促进我国农业种养结合循环发展。

【研究进展】欧盟多国采取沼液贮存后作为肥料利用，实现沼液的田间消纳利用[4]，澳大利亚不但将沼液用于农田施肥，而且还施用于草地[5]。我国也有将沼液还田用于种植大麦、水稻、油菜等作物，侯福银等[6]研究发现，沼液施用量为612 t/hm2时，水稻的产量和品质最好，沼液施用量超过816 t/hm2时，水稻产量下降。黄翔等[7]研究发现，沼液施用可提高水稻产量，施用量300 m3/hm2时水稻产量最高。李金澄等[8]研究表明，沼液用量为450 t/hm2时玉米产量最高，过量施用产量降低。不同作物-土壤系统对沼液的消纳、承载能力不同[9]，即使同一种作物因地域气候不同对沼液的最佳用量也不同，不合理施用会降低土壤质量，影响作物生长[10]。水稻作为我国最主要的粮食作物之一，2022 年全国早稻种植面积为475.51 万hm2[11]，将沼液安全合理还田用于水稻种植可消纳大量的沼液[12]，促进沼液资源化利用。【切入点】沼液还田种植水稻在南方研究较多，在北方结合当地的传统施肥模式明确最佳的沼液与化肥配施模式的研究还鲜有报道。【拟解决的关键问题】为此，2021—2022年进行大田试验，研究不同沼液配合化肥施用对当地水稻生长及土壤质量的影响，以期为沼液在本地区水稻种植上的合理应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在天津市宝坻区天津农垦小站稻产业发展有限公司的水稻田（117.55°E，39.69°N）进行。试验稻田在2010—2020 年每年种植1 茬水稻，但并未施用过沼液。每个试验区均有单独进水口以及排水口，为防止串肥各区用聚苯乙烯塑料薄膜包裹田埂隔离。试验田土壤为潮土，土质为轻质黏土。试验田土壤有机质量为24.1 g/kg，碱解氮量、有效磷量、速效钾量分别为97.08、18.03、231.78 mg/kg，pH 值为7.91，EC值为465.2 μS/cm。

试验品种为津原89，常规粳稻品种，由天津市原种场选育，该品种产量高、抗病性强，为天津主栽品种。试验沼液采集自天津市宝坻区某奶牛场。2021 年试验沼液理化性质：总氮量、总磷量、总钾量分别为1 445.05、244.17、939.26 mg/L，pH 值为7.20、EC值为11.89 mS/cm，总固体悬浮物（TS）为15.95 g/L，COD 为12 780.60 mg/L。2022 年试验沼液理化性质：总氮量、总磷量、总钾量分别为1 547.58、295.73、1 028.63 mg/L，pH 值为7.21，EC 值为11.32 mS/cm，总固体悬浮物（TS）为15.90 g/L，COD 为14 593.4 mg/L。

1.2 试验设计

试验于2021 年5 月—2022 年10 月进行，小区面积为33 m×40 m，以当地传统全化肥处理为对照（CK），设置了2 种沼液用量（150、300 m3/hm2）、3 种化肥用量（全化肥处理用量的25%、50%、75%）、2种追肥次数（2次、3次），具体为：T1（150 m3/hm2+25%化肥+3 次追肥）、T2（150 m3/hm2+25%化肥+2 次追肥）、T3（150 m3/hm2+50%化肥+3 次追肥）、T4（150 m3/hm2+50%化肥+2 次追肥）、T5（150 m3/hm2+75%化肥+3 次追肥）、T6（150 m3/hm2+75%化肥+2 次追肥）、T7（300 m3/hm2+25%化肥+3 次追肥）、T8（300 m3/hm2+25%化肥+2 次追肥）、T9（300 m3/hm2+50%化肥+3 次追肥）、T10（300 m3/hm2+50%化肥+2 次追肥）、T11（300 m3/hm2+75%化肥+3 次追肥）、T12（300 m3/hm2+75%化肥+2 次追肥），共计13 个处理。具体施肥方案见表1。试验沼液做基肥，在水稻幼苗移栽之前30 d 采用运输车和喷头均匀喷洒施入，施入沼液后翻耕，翻耕深度为20 cm，基肥复合肥26-10-12（复合肥含N 量26%，含P2O5 量10%，含K2O 量12%）在水稻植株移栽之前5 d 施加。试验2次追肥分别作为分蘖肥、穗肥施用，试验3 次追肥分别作为分蘖肥、穗肥、粒肥施用。3 次追肥处理中第1 次、第2 次追施尿素，第3 次追施复合肥18-18-18（复合肥含N 量18%，含P2O5量18%，含K2O 量18%），2 次追肥处理每次都追施尿素+复合肥18-18-18。根据水稻植株的生长发育时期以及植株生长状况施肥。2021年机器插秧种植时间为5月17日，收获时间为10 月27 日；2022 年机器插秧种植时间为5 月15 日，收获时间为10 月28 日。

表1 沼液还田试验各处理施肥方案Table 1 Fertilization scheme for experimental treatment of biogas slurry returning to field

1.3 测定项目与方法

水稻收获当天，采取网格取样法在试验小区内取0～20 cm 耕层内土壤样本9 个点，取样混合均匀，土壤风干后研磨过筛。水稻全部收获后，测产，每个处理随机取样5 kg，用于稻米品质分析。

土壤pH值使用水土比2.5∶1 浸提，pH计（赛多利斯 PB-30）测定；电导率使用5∶1 水土比浸提，电导率仪（雷磁DDSJ-308A）测定；使用重铬酸钾容量法测定土壤有机质量；使用碱解扩散滴定法测定土壤碱解氮量；使用碳酸氢钠提取钼蓝比色法测定土壤有效磷量；使用乙酸铵提取火焰光度计法测定土壤速效钾量；使用苯酚钠比色法测定脲酶活性；使用磷酸苯二钠比色法测定磷酸酶活性[13]。使用食味分析仪（型号：RL TA10B2-K，厂家：SATAKE）进行食味值测定。

1.4 数据处理

使用Excel 2016 处理试验数据并绘制相关图表。使用SPSS Statistics 23 进行方差分析及多重比较分析。方差分析显著性水平均为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 沼液配合化肥施用对稻米产量的影响

不同沼液配合化肥施用对水稻产量的影响如图1所示，2021 年T7 处理产量最高，为9.88 t/hm2，T2处理产量最低，为8.0 t/hm2，各处理中T5、T6、T7、T8 处理产量较CK 分别提高了3.0%、4.3%、4.4%、1.7%；与CK 相比，T1、T2、T3、T4、T9、T10、T11、T12 处理产量降低了1.5%～15.8%。在150 m3/hm2沼液处理中，随着化肥用量增加，水稻产量增加；而在300 m3/hm2沼液处理中，随着化肥用量增加，水稻产量降低。3 次追肥处理产量都高于2 次追肥处理，增幅为0.2%～7.5%。

图1 2021—2022 年不同处理水稻产量Fig.1 Rice yield under different treatments from 2021 to 2022

2022 年T3 处理产量最高，为10.4 t/hm2，T2 处理产量最低，为8.5 t/hm2。与CK 相比，T3、T4、T5、T7 处理产量提高了4.9%、2.8%、0.8%、2.8%，而T1、T2、T6、T8、T9、T10、T11、T12 处理产量降低了0.4%～13.8%。3 次追肥处理产量都高于2 次追肥处理，增幅为1.3%～9.5%。

2.2 沼液配合化肥施用对稻米食味值的影响

不同沼液配合化肥施用对稻米食味值的影响如图2 所示，图中不同小写字母表示同年份各处理间差异显著（P<0.05），下同。2 a 中都是T2 处理的食味值最高，显著高于T9、T10、T11、T12 处理，但T2处理与CK 无显著差异。2021 年各沼液施肥处理稻米食味值与CK 均无显著差异，2022 年各沼液施肥处理中T6、T9、T10、T11、T12 处理都显著低于CK，较CK 降低了3.0%～4.8%，其余处理与CK 无显著差异。整体2 a 试验中随着沼液和化肥用量增加稻米食味值有降低趋势。

图2 2021—2022 年不同处理稻米食味值Fig.2 Taste value of rice under different treatments from 2021 to 2022

2.3 沼液配合化肥施用对土壤理化性质的影响

由表2 可知，2021 年各处理间土壤pH 值无显著差异，2022 年仅T11 处理土壤pH 值显著低于CK，其余处理间无显著差异。施用沼液提高了土壤有机质量，150 m3/hm2沼液处理土壤的有机质量较CK 提高了7.1%～23.8%，300 m3/hm2沼液处理土壤有机质量较CK 提高了21.2%～52.4%，化肥用量和追肥次数对土壤有机质量无显著影响。施用沼液和化肥提高了土壤EC值和碱解氮量、有效磷量、速效钾量，相同沼液用量下随着化肥用量的增加，土壤EC值和碱解氮量、有效磷量、速效钾量提高；相同化肥用量下随着沼液用量增加，土壤EC值和碱解氮量、有效磷量、速效钾量提高。各沼液施肥处理中T9、T10、T11、T12 处理土壤EC值、碱解氮量、有效磷量、速效钾量都显著高于CK；T1、T2、T3、T4 处理土壤EC值显著低于CK；T1、T2 处理的碱解氮量、有效磷量、速效钾量都显著低于CK；T3、T4 处理的碱解氮量与CK 无显著差异，而2021 年T3、T4 处理的有效磷量、速效钾量与CK 相比无显著差异，但在2022 年均显著高于CK。

表2 不同处理对土壤理化性质的影响Table 2 Soil physical and chemical properties under different treatments

2.4 沼液配合化肥施用对土壤酶活性的影响

由图3 可知，2021 年在150 m3/hm2沼液处理中土壤脲酶活性随化肥用量的增加而提高，其中T5、T6 处理显著高于T3、T4 处理，T4 处理显著高于T2处理，而在300 m3/hm2沼液处理中，T7、T8、T9、T10、T11、T12 处理间无显著差异。150 m3/hm2沼液处理中土壤脲酶活性除T2 处理外都显著高于CK，而300 m3/hm2沼液各处理与CK 无显著差异。相同化肥用量处理中，150 m3/hm2沼液施用量中T4、T5、T6 处理土壤脲酶活性均显著高于300 m3/hm2沼液施用量中相同化肥用量的T10、T11、T12 处理。2022年T9、T10、T11、T12 处理的脲酶活性都显著高于其他处理，T1、T2 处理的脲酶活性显著低于CK，其他处理间无显著差异。相同沼液用量下，随着化肥用量增加土壤磷酸酶活性提高；相同化肥用量下，随着沼液用量的增加土壤磷酸酶活性也提高。2 a 试验中T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12 处理土壤磷酸酶活性较CK 显著提高了10.6%～42.4%。

图3 2021—2022 年不同处理对土壤酶活性的影响Fig.3 Effect of different treatments on soil enzyme activity from 2021 to 2022

3 讨 论

沼液为养殖业粪污厌氧发酵而得，其中有机物、氮、磷、钾、锌、铁、铜、钙等植物生长所需的营养元素含量丰富[14]，可作为肥料还田利用。黄旭[15]研究表明，沼液灌溉可以提高稻麦轮作生产中土壤肥力，丰富土壤微生物多样性，有利于提高作物产量。杨继昌等[16]研究表明，施用沼液提高了作物对土壤养分的利用效率，增强了作物抗逆性，改善了作物品质。但沼液本身所含养分有限，尤其是氮磷钾大量元素不能完全满足作物生长需求，需要与化肥配合施用[17]。本研究中沼液与化肥配合施用，随着沼液用量的增加，土壤有机质量提升，随着沼液和化肥用量比例的增加，土壤碱解氮量、有效磷量、速效钾量上升，这与杨诗贵等[18]研究结论一致。且沼液用量为300 m3/hm2时，化肥用量达到传统施肥量的50%时，2 a 中土壤碱解氮量、有效磷量、速效钾量都超过了CK。

施用沼液可改变土壤微生物群落结构，为微生物的繁殖营造良好的生存条件，从而提高土壤酶活性[19]。万海文等[20]研究发现，沼液做追肥施用使土壤的过氧化氢酶活性、碱性磷酸酶活性和脲酶活性提高。黄继川等[21]研究发现，在稻田连续施用2 次沼液后土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性比CK 提高了13.0%～31.35%，比常规施肥处理提高了28.74%～42.11%。本研究中随着沼液用量和化肥用量增加土壤磷酸酶活性提高，而且当沼液用量为150 m3/hm2配合75%化肥和300 m3/hm2的沼液用量处理土壤磷酸酶活性都显著高于CK。2022 年沼液用量的增加提高了土壤脲酶活性，而2021 年随沼液用量的增加，土壤脲酶活性降低，可能是因为2021 年过量沼液施用影响了部分土壤微生物的性能，而2021—2022 年连续施用沼液改善了土壤环境，故2022 年没有对脲酶产生负面影响。

沼液养分丰富，可增强植物光合速率，促进植物器官发育[22]。适当施用沼液对水稻的生长具有明显的促进作用，提高水稻的产品和品质，但过量施用沼液会导致作物出现徒长的现象，而且在使用不当的情况下还会影响根系的发育，从而使作物的叶片出现发黄和凋萎等情况，造成作物减产[23]。王康等[24]研究表明，水稻施用沼液总量为210 m3/hm2时，水稻产量提高22.2%。侯福银等[6]研究表明，沼液施用量为612 t/hm2时，对籼稻产量和品质有较大的提升作用，但沼液施用量超过816 t/hm2时，籼稻的产量下降。不同研究沼液最大用量不同，这可能与沼液的理化性质不一样有关，还可能与水稻品种、田间气候差异等有关。沼液还田种植水稻时，必须减少化肥的施用量，防止养分过量供给[25]。本研究发现，沼液和化肥施用不足（150 m3/hm2沼液+25%的化肥）降低了水稻产量，而过量施用（300 m3/hm2沼液+50%化肥、300 m3/hm2沼液+75%化肥）同样降低了水稻的产量和食味值，适量的沼液和化肥配合施用：2021 年300 m3/hm2沼液+25%化肥+3 次追肥、150 m3/hm2沼液+75%化肥+2次追肥，2022 年150 m3/hm2沼液+50%化肥+3 次追肥与纯化肥处理相比都提高了水稻的产量，而食味值没有显著差异。同时3 次追肥处理对水稻增产的效果总体好于2 次追肥处理，说明在水稻籽粒成熟期施肥对于提高水稻的产量具有重要作用。但沼液与化肥配施的最佳用量，与当地的自然条件如降水、气温等密切相关，所以在沼液还田利用过程中应根据种植作物、当地气候、沼液特性等条件而确定最佳用量。

在现代的畜牧业发展中大量饲料添加剂使用于畜禽养殖业中，使得畜禽粪污中残留有大量的盐基离子，过量的沼肥施用会导致土壤盐分的累积[26]，对农田土壤造成潜在的污染。本研究中沼液的施用并未产生明显的盐分累积效应，可能与试验沼液中盐基离子量较低有关，需要进行进一步、更长时间的施用验证。

4 结 论

1）水稻栽培中沼液施用提高了土壤有机质量，沼液用量越多土壤有机质量越高。随着沼液用量和化肥用量增加，土壤碱解氮量、有效磷量、速效钾量、磷酸酶活性、EC值提高，而对土壤pH 值没有显著影响。

2）适量的沼液和化肥配施可提高水稻产量，而少量或过量施用沼液和化肥则降低了水稻产量，本试验中300 m3/hm2沼液配合传统化肥用量50%、75%施用降低了水稻的产量和食味值，150 m3/hm2沼液配合25%化肥用量也降低了水稻的产量。相同沼液化肥用量中3 次追肥处理的增产效果好于2 次追肥处理。

3）推荐150 m3/hm2沼液+50%～75%化肥+3 次追肥为最佳沼液化肥配合施用模式。

（作者声明本文无实际或潜在的利益冲突）