付莉，王貴云，杜連柱，楊柳，張克強(qiáng)，杜會(huì)英*

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2. 十堰市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北 十堰 442000）

近年來，我國(guó)規(guī)模化生豬養(yǎng)殖發(fā)展迅速，但是豬場(chǎng)糞污隨意排放，由此帶來的地下水硝酸鹽累積等環(huán)境污染問題日益突出，嚴(yán)重制約了規(guī)?；i養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展[1]。豬場(chǎng)糞污含有作物生長(zhǎng)所需的氮、磷、鉀等多種營(yíng)養(yǎng)元素[2]，經(jīng)過處理后作為肥料進(jìn)行農(nóng)田利用，是一種經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的利用方式，也是實(shí)現(xiàn)糞污養(yǎng)分循環(huán)利用的最有效手段。然而，豬場(chǎng)廢水量大且養(yǎng)分變化較大，是還田利用方面亟需解決的問題。

國(guó)內(nèi)外許多研究表明，養(yǎng)殖廢水農(nóng)田施用可增加土壤氮養(yǎng)分、減少氮素?fù)p失[3]，有效改善土壤肥力質(zhì)量，增加作物產(chǎn)量品質(zhì)[4]，而過量施用會(huì)導(dǎo)致作物不能有效吸收利用氮養(yǎng)分[5]。Ai等[6]研究表明廢水施用對(duì)作物氮表觀利用率提高2.8倍，產(chǎn)量提高24.5%。趙莉等[7]研究證實(shí)，通過不同比例的廢水施用可以提升作物產(chǎn)量，降低土壤硝酸鹽含量。Chen等[8]研究表明，長(zhǎng)期施用沼液等有機(jī)肥可以確保土壤結(jié)構(gòu)和肥力隨著時(shí)間的推移而改變，從而促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。李碩等[9]研究認(rèn)為，豬場(chǎng)廢水施用農(nóng)田可顯著提升作物產(chǎn)量和氮素利用率。因此，廢水農(nóng)田施用需注意作物養(yǎng)分需求與土壤養(yǎng)分累積對(duì)環(huán)境影響的平衡。

目前，我國(guó)蔬菜單位面積施氮量遠(yuǎn)高于需求量，全國(guó)平均每季施氮量為388 kg/hm2[10]。蔬菜過量施肥造成大量硝態(tài)氮累積在土壤中，進(jìn)而淋溶出根區(qū)以下，威脅水環(huán)境安全[11]。丹江口庫(kù)區(qū)是南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)，也是庫(kù)區(qū)周邊各種污染物的最終宿體，農(nóng)業(yè)面源污染造成丹江口庫(kù)區(qū)承載著較大的氮負(fù)荷[12]，畜禽養(yǎng)殖是農(nóng)業(yè)面源污染的重要來源之一[13]。開展畜禽糞污資源化利用，促進(jìn)畜牧業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展，保證畜禽產(chǎn)品有效供給和農(nóng)村居民生產(chǎn)生活環(huán)境改善[14]。然而，當(dāng)前的研究多圍繞單一種植[15]和單一養(yǎng)殖[16]展開，庫(kù)區(qū)典型種養(yǎng)結(jié)合對(duì)作物和土壤氮養(yǎng)分的研究鮮見報(bào)道。因此，本文以田間定位試驗(yàn)為依托，設(shè)置不施肥處理、優(yōu)化施肥處理和豬場(chǎng)廢水氮替代化肥氮（廢水氮量分別為281、374和561 kg/hm2）5個(gè)處理，開展豬場(chǎng)廢水氮替代化肥氮對(duì)設(shè)施白菜產(chǎn)量、白菜氮吸收利用和土壤氮盈余的影響研究，以期為丹江口水源涵養(yǎng)區(qū)提高廢水還田利用、降低養(yǎng)殖面源污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年10月至2019年12月在湖北省十堰市鄖陽(yáng)區(qū)進(jìn)行。該區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15.4 ℃，多年年平均降水769.6 mm。試驗(yàn)地位于譚家灣鎮(zhèn)大棚內(nèi)，土壤為黃棕壤，種植前耕層（0～20 cm）土壤有機(jī)質(zhì)6.58 g/kg、pH值7.72、全氮含量0.51 g/kg、硝態(tài)氮含量40.60 mg/kg、銨態(tài)氮含量1.99 mg/kg、速效磷含量36.91 mg/kg。廢水為經(jīng)過厭氧處理的豬糞水，取自試驗(yàn)地附近養(yǎng)殖場(chǎng)，廢水pH 值7.51，總氮含量773.00 mg/L，銨態(tài)氮含量702.00 mg/L，總磷含量19.10 mg/L，總鉀含量746.00 mg/L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，分別為：對(duì)照處理（CK），不施用任何肥料；優(yōu)化施肥處理（NOPT），化肥施用量較常規(guī)施肥減量20%；3個(gè)豬場(chǎng)廢水氮替代化肥氮處理（BSN100、BSN75和BSN50），廢水氮量分別為281、374和561 kg/hm2，磷鉀養(yǎng)分量與NOPT處理保持一致，廢水中不足的磷鉀養(yǎng)分用化學(xué)肥料補(bǔ)齊。試驗(yàn)用化肥分別為蔬菜專用肥（N-P2O5-K2O為18-8-18）、過磷酸鈣（P2O5含量12%）和硫酸鉀（K2O含量51%）。各處理養(yǎng)分投入量見表1。

每個(gè)處理重復(fù)3次，試驗(yàn)小區(qū)面積6.72 m2（3.2 m×2.1 m），隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)間用40 cm PVC板隔開。試驗(yàn)小區(qū)灌溉采用畦灌。分別于2017年10月13日、2018年9月20日、2019年4月4日 和2019年9月21日定植白菜，于2018年1月10日、2018年11月29日、2019年6月10日 和2019年12月18日收獲；定植株距35 cm，行距40 cm。

1.3 樣品采集與測(cè)定

將每個(gè)小區(qū)白菜植株全部收獲后測(cè)鮮重，每個(gè)小區(qū)選取具有代表性的5株置于檔案袋中放入烘箱中105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，研磨過80目篩保存，經(jīng)濃硫酸—雙氧水消煮后用流動(dòng)注射分析儀（北京吉天FIA-6000+）測(cè)定植株全氮。

表1 不同處理施肥量(kg/hm2)Table 1 Amount of fertilizer application under different treatments (kg/hm2)

土壤樣品為白菜收獲后用土鉆在每個(gè)小區(qū)按照“S”型分0～20 cm、20～40 cm兩層采集，同層次5點(diǎn)混合，裝入密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，樣品過2 mm篩，測(cè)定土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，剩余土壤樣品風(fēng)干后過100目篩，測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量。土壤硝態(tài)氮含量和銨態(tài)氮含量采用2 mol/L KCl溶液（液土比5∶1）浸提后用流動(dòng)注射分析儀測(cè)定，土壤全氮含量經(jīng)濃硫酸消煮后用流動(dòng)注射分析儀測(cè)定，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

白菜—土壤（0～40 cm）系統(tǒng)氮盈余計(jì)算方法參考巨曉棠和谷保靜[17]的研究方法。輸入氮量為化肥氮、廢水氮和灌溉輸入氮，灌溉水中氮含量數(shù)據(jù)參考龔世飛等[18]的研究結(jié)果，氮攜出量為白菜地上部收獲氮帶出量。計(jì)算公式為：

式中：NUE為氮表觀利用率（%），NUN為施氮區(qū)白菜吸氮量（kg/hm2），NU0為對(duì)照區(qū)白菜吸氮量（kg/hm2），F(xiàn)為廢水或化肥氮投入量（kg/hm2）；TNI為灌溉輸入氮（kg/hm2），TI為總灌水量（m3），TBS為廢水施用量（m3），NI為灌溉水總氮含量（mg/L）；NIN為總氮輸入（kg/hm2），F(xiàn)N為化肥氮（kg/hm2），BN為廢水氮（kg/hm2）；NSU為氮盈余（kg/hm2），NU為白菜氮攜出（kg/hm2）。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS（Version 9.4）軟件進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA），多重比較采用LSD法（P=0.05），利用Excel 2010作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 廢水施用對(duì)設(shè)施白菜產(chǎn)量的影響

相對(duì)于不施氮（CK）處理，豬場(chǎng)廢水施用處理（BSN100～BSN50）4茬白菜平均產(chǎn)量增加均達(dá)到5%顯著水平；相比NOPT處理，廢水施用處理4茬白菜平均增產(chǎn)率達(dá)13.73%～39.45%，前3茬廢水施用處理白菜產(chǎn)量顯著高于NOPT處理（表2）。廢水帶入氮具有顯著的增產(chǎn)效果。除第三茬外，同一處理白菜產(chǎn)量不同茬次間差異不顯著。

表2 豬場(chǎng)廢水對(duì)設(shè)施白菜產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of swine wastewater manure application on yield of facility cabbage

2.2 廢水施用對(duì)設(shè)施白菜氮吸收利用影響

廢水施用處理（BSN100～BSN50）白菜吸氮量在61.09～155.22 kg/hm2之 間（表3）。與NOPT處理相比，BSN100處理4茬白菜氮吸收量是NOPT處理的1.24～1.63倍，BSN75處理是NOPT處理的1.34～1.71倍，BSN50處理是NOPT處理的1.56～1.94倍；除第一茬外，后3茬廢水施用處理白菜吸氮量均顯著高于NOPT處理；同一處理，除第三茬春季白菜外，其他秋季白菜氮吸收量差異不顯著。通過對(duì)氮表觀利用率分析看出，4茬白菜的氮表觀利用率隨廢水氮帶入量的增加而降低，BSN100處理氮表觀利用率4茬平均為27.68%，顯著高于BSN75和BSN50處理，且顯著高于NOPT處理。對(duì)比NOPT處理，等量氮帶入的廢水施用處理可顯著提高白菜氮表觀利用率。同一施氮處理，春季種植的1茬白菜氮表觀利用率顯著低于秋季種植的3茬，秋季種植的3茬白菜氮表觀利用率之間差異不顯著。

2.3 廢水施用對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮累積量的影響

每茬白菜收獲后，相較于不施肥處理，各施肥處理0～40 cm土壤無(wú)機(jī)氮累積量顯著增加。CK處理土壤無(wú)機(jī)氮累積量在11.90～17.41 kg/hm2之間，NOPT處理土壤無(wú)機(jī)氮累積量在27.43～36.72 kg/hm2之間，廢水施用處理土壤無(wú)機(jī)氮累積量在16.85～81.36 kg/hm2之間，廢水施用處理4茬無(wú)機(jī)氮平均累積量是NOPT處理的1.13～1.58倍。

通過對(duì)0～40 cm土壤硝態(tài)氮累積量分析可知，第一茬廢水施用處理土壤硝態(tài)氮積累量在8.12～27.73 kg/hm2之間，BSN100處理顯著低于NOPT處理，其他施氮處理之間差異不顯著；第二茬廢水施用處理土壤硝態(tài)氮積累量在19.87～26.32 kg/hm2之間，廢水施用處理與NOPT處理之間差異均不顯著；第三茬廢水施用處理土壤硝態(tài)氮累積量在43.43～69.00 kg/hm2之間，BSN75和BSN50處理顯著高于NOPT處理；第四茬廢水施用處理土壤硝態(tài)氮積累量在23.37～48.61 kg/hm2之間，廢水施用處理均顯著低于NOPT處理。第三茬白菜收獲后，廢水施用處理土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于其他茬次，其他茬之間差異不顯著；第四茬白菜收獲后，NOPT處理土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于前3茬（圖1）。

表3 豬場(chǎng)廢水施用對(duì)設(shè)施白菜氮素吸收利用的影響Table 3 Effects of swine wastewater manure application on nitrogen uptake and utilization of facility cabbage

4茬白菜收獲后，土壤銨態(tài)氮累積量均不超過13 kg/hm2，顯著低于土壤硝態(tài)氮累積量。第一茬廢水施用處理土壤銨態(tài)氮累積量顯著低于NOPT處理，后3茬廢水施用處理與NOPT處理之間差異不顯著，廢水施用處理之間土壤銨態(tài)氮累積量差異不顯著。

2.4 廢水施用對(duì)土壤全氮和碳氮比的影響

白菜收獲后，土壤全氮含量隨廢水氮施入量的增加而增加。0～40 cm土壤全氮含量隨著土層深度的增加呈降低的趨勢(shì)。0～20 cm土層，第一茬白菜收獲后，廢水施用處理（BSN100～BSN50）土壤全氮含量均與NOPT處理差異不顯著；第二茬白菜收獲后，僅BSN50處理土壤全氮含量顯著高于NOPT處理，其他處理差異不顯著；第三和第四茬收獲后，廢水施用處理土壤全氮含量顯著高于NOPT處理，廢水施用處理之間差異不顯著。20～40 cm土層，4茬白菜收獲后，BSN50處理土壤全氮含量均顯著高于NOPT處理和BSN100處理，與BSN75處理差異不顯著（圖2）。0～20 cm土層，廢水施用處理土壤C/N顯著低于NOPT處理，廢水施用處理之間差異不顯著；20～40 cm土層，除第三茬外，土壤C/N值變化趨勢(shì)同0～20 cm土層，第三茬土壤C/N值均高于其他茬，且BSN50處理土壤C/N值顯著低于BSN100和BSN75處理。

2.5 廢水施用對(duì)白菜-土壤氮盈余的影響

氮素輸入包括肥料和灌溉帶入，肥料氮為化肥和廢水帶入氮，NOPT處理化肥氮為281 kg/hm2，廢水施用處理帶入氮為281～562 kg/hm2。白菜吸氮量為氮輸出，4茬白菜平均氮吸收量為23.71～120.00 kg/hm2，廢水施用處理白菜氮吸收量顯著高于NOPT處理；廢水施用處理中，BSN50處理白菜氮吸收量顯著高于BSN100處理，與BSN75處理差異不顯著（表4）。就氮盈余而言，CK處理氮素盈余為負(fù)值；隨廢水帶入氮量的增加，土壤氮盈余量顯著增加，廢水施用BSN75和BSN50處理土壤氮盈余量顯著高于NOPT處理；BSN100處理土壤氮盈余顯著低于化肥施用的NOPT處理，同等氮輸入情況下，廢水施用可以顯著降低土壤氮盈余。

表4 不同處理設(shè)施白菜—土壤(0～40 cm)氮素表觀平衡(kg/hm2)Table 4 Apparent nitrogen balance in facility cabbage-soil (0-40 cm) system under different treatments

3 討論

3.1 廢水施用對(duì)設(shè)施白菜產(chǎn)量和氮素利用的影響

本研究中隨廢水氮施入量增加，白菜產(chǎn)量增加，相同施氮量的條件下，豬場(chǎng)廢水施用處理白菜產(chǎn)量顯著高于NOPT處理。養(yǎng)殖廢水中含有較高的養(yǎng)分和水溶性有機(jī)質(zhì)[19]，可作為能源為土壤微生物利用，提高作物根際土壤微生物數(shù)量和酶活性[20]，進(jìn)而促進(jìn)了養(yǎng)分的釋放，促進(jìn)了白菜對(duì)氮的吸收，增加白菜產(chǎn)量。廢水中氮施入土壤后在微生物的作用下變成作物吸收的無(wú)機(jī)態(tài)氮，同時(shí)，未吸收利用的氮素部分轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)氮，當(dāng)作物需氮量增加時(shí)，微生物群體釋放出所固定的氮素供作物生長(zhǎng)所需，提高作物產(chǎn)量[21]。適量施用廢水有助于提高設(shè)施蔬菜的產(chǎn)量，本研究與Duan等[22]的研究結(jié)果一致。

Zhang等[23]研究表明氮肥利用率隨施氮量的增加呈下降趨勢(shì)，減少氮肥投入量會(huì)提高氮肥利用率，但可能達(dá)不到目標(biāo)產(chǎn)量。本研究表明，廢水施用處理中，白菜氮表觀利用率隨廢水氮帶入量的增加而降低，4茬白菜氮表觀利用率BSN100處理顯著高于BSN75和BSN50處理；在相同氮量條件下，廢水施用處理BSN100氮表觀利用率顯著高于NOPT處理，廢水施用可以顯著提高白菜的氮表觀利用率。向璐等[24]研究表明廢水施用不僅能夠減少化肥氮的施用量，還可維持作物產(chǎn)量和氮素利用率。

3.2 廢水施用對(duì)土壤氮素盈余的影響

氮素盈余是衡量氮素投入生產(chǎn)力、環(huán)境影響和土壤肥力變化的有效指標(biāo)，氮素盈余為正值時(shí)，代表了潛在的向環(huán)境損失的氮素量，為負(fù)值時(shí)，代表了土壤氮素虧缺，土壤氮素大量盈余同時(shí)會(huì)增加氮向環(huán)境損失風(fēng)險(xiǎn)[25]。氮素盈余也是污染最直接的指標(biāo)，表征氮在環(huán)境中的損失潛力[26]。從保證作物高產(chǎn)角度，作物收獲后，高量土壤硝態(tài)氮?dú)埩艨梢员ＷC下一季作物的生長(zhǎng)[27]，從環(huán)境保護(hù)角度，土壤剖面中高硝態(tài)氮?dú)埩魰?huì)引起氮的淋溶，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[28]。寧建鳳等[29]研究表明，廢水替代可降低土壤氮盈余量18%～48%。本研究結(jié)果表明，相同氮施入量的條件下，廢水施用處理土壤氮盈余量顯著低于化肥施用處理，較施用化肥處理平均降低了13.13%，這與寧建鳳等[29]的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果也顯示，過量施用廢水氮帶來大量的土壤氮養(yǎng)分盈余。Bai等[30]研究表明，氮投入增加，氮盈余顯著增加，超出作物吸收部分的氮素會(huì)以氮素表觀損失和無(wú)機(jī)氮?dú)埩粜问綋p失，且與施氮量呈顯著正相關(guān)。Luo等[31]研究證實(shí)，長(zhǎng)期施用氮肥會(huì)增加土壤中的硝態(tài)氮含量，且各土層的硝態(tài)氮積累量隨施肥年限的增加而增加。本研究結(jié)果與以上學(xué)者研究結(jié)果一致，隨著白菜種植茬數(shù)增加，施用豬場(chǎng)廢水增加土壤硝態(tài)氮氮累積量，且0～20 cm和20～40 cm土層中的硝態(tài)氮累積量隨豬場(chǎng)廢水氮施入量的增加而增加，高量廢水氮施入可增加土壤硝態(tài)氮淋失的風(fēng)險(xiǎn)[32]。

尹嘉德等[33]研究表明增施有機(jī)肥能夠顯著提高土壤碳氮含量，降低土壤C/N比，減少土壤與作物對(duì)無(wú)機(jī)氮的競(jìng)爭(zhēng)，提高土壤氮素供應(yīng)能力和延長(zhǎng)肥效。李威等[34]研究表明C/N越低，土壤無(wú)機(jī)氮含量越高，本研究結(jié)果與此一致，豬場(chǎng)廢水施用可降低C/N，有利于土壤氮素的供應(yīng)[35]。有針對(duì)性的施用氮可以降低硝態(tài)氮對(duì)環(huán)境的污染，降低氮盈余產(chǎn)生的危害[36]。郭智等[37]認(rèn)為，化肥的施用量遠(yuǎn)超作物需求量，不僅對(duì)作物產(chǎn)量增加無(wú)益，還會(huì)大幅增加土壤中氮的盈余，造成氮資源浪費(fèi)。Bouchet等[38]研究表明設(shè)施蔬菜的低氮素利用率會(huì)造成大量氮盈余。本研究也表明，豬場(chǎng)廢水施用BSN100處理較優(yōu)化施肥處理提高了設(shè)施白菜的氮素利用率，降低土壤氮盈余量，豬場(chǎng)廢水替代化肥施用更有利于降低氮盈余造成的面源污染風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

1）在連續(xù)4茬白菜種植中，豬場(chǎng)廢水施用顯著提高白菜產(chǎn)量。相比優(yōu)化施肥處理，豬場(chǎng)廢水施用處理平均增產(chǎn)率達(dá)13.73%～39.45%。

2）廢水施用顯著增加了0～40 cm土壤無(wú)機(jī)氮累積量和氮盈余，在土壤無(wú)機(jī)氮累積中，硝態(tài)氮累積量顯著高于銨態(tài)氮累積量，BSN100處理土壤氮盈余顯著低于同等施氮量的優(yōu)化施肥處理。

3）綜合考慮白菜產(chǎn)量、氮表觀利用率和土壤氮盈余，廢水氮等量替代化肥氮（每茬白菜廢水氮施用量281 kg/hm2）是較優(yōu)的廢水氮施用量，既滿足當(dāng)季白菜生長(zhǎng)的需要，又不增加土壤氮養(yǎng)分淋失風(fēng)險(xiǎn)。