陳凌霞, 張燕燕, 趙 紅, 張昌愛

(1.浙江科技學院, 浙江 杭州 310023; 2.泰安市城市管理綜合服務中心, 山東 泰安 271000; 3.泰安市園林管理處, 山東 泰安 271000)

沼液作為養(yǎng)殖糞污厭氧消化處理后的重要產物,是具有顯著增產效果的有機肥資源[1-2],因此以沼氣為紐帶的種養(yǎng)循環(huán)生產體系中,沼液還田利用是重要的生產環(huán)節(jié)[3-4]。有關沼液還田利用方面的研究較多,沼液施用在蔬菜、糧食、水果等多種作物種植中都表現出顯著的增產效果[5-7],同時,沼液還田利用也有利于土壤肥力及土壤質量的提升[7-9],并且利用沼液作為有機肥資源開展替代化肥技術研究[10-11]也逐步受到重視,因此,隨著沼氣在我國的發(fā)展,沼液還田利用方面的研究已逐步成為研究熱點之一[12-13]。

但由于沼液在具備一定營養(yǎng)成分的同時,也存在鹽分含量較高、成分較為復雜、還原電位值較低,粘性較高的特點[14-15],因此在沼液還田利用中也需要興利除弊、科學施用,尤其開展長期施用后對土壤性質的影響分析很有必要。要研究沼液長期還田利用的效果,不僅需要長期的定位試驗,也要考慮諸如沼液性質變遷、施肥因素、土地種植作物的相對穩(wěn)定等因素,目前由于缺乏較好的試驗條件,沼液長期還田利用,尤其同一地塊不同沼液施用年限方面的研究報道較少。

浙江某生態(tài)牧業(yè)有限公司是一家奶牛養(yǎng)殖企業(yè),自2011年就完善了園區(qū)內以沼氣為紐帶的種養(yǎng)循環(huán)生產體系,隨著沼氣工程運行的穩(wěn)定,園區(qū)逐年擴大沼液還田利用土地面積,因此在園區(qū)內可找到沼液施用年限不同的地塊作為研究對象。文章在調查分析的基礎上,試驗選擇1～6年沼液不同還田利用年限的地塊,并且這些地塊具有一致的土壤基底,且均采用“春玉米+夏玉米+包菜”的種植模式,每處理種植面積均不低于30畝,依次為基礎研究了不同沼液施用年限間土壤性質的差異,從而為沼液的科學施用提供參考和依據。

1 材料與方法

浙江某生態(tài)牧業(yè)有限公司建有4000 m3的大型沼氣工程,以奶牛場牛糞為原料經厭氧發(fā)酵生產的沼液為試材,其具體性狀見表2;以本公司的種植區(qū)作為研究對象,在調查中勘定的基礎上確定了沼液不同利用年限的5種地塊作為研究分析標本,從而分析沼液還田利用不同年限土壤性質的差異。這5種地塊分別為: 1) CK處理:未施用沼液地塊; 2)Y1處理,沼液還田利用1年地塊; 3) Y2處理,沼液還田利用2年地塊; 4)Y3處理,沼液還田利用4年地塊; 5)Y4處理,沼液還田利用6年地塊。

試驗區(qū)采用“玉米-玉米-甘藍”的輪作方式,沼液采用管道和泵體輸送至田間溝灌施用。在每年四月中旬按照每畝20 kg復合肥(15-15-15)用量施用基肥,然后對土壤采用機械深耕,耙平后機械播種。第一茬玉米于7月中下旬全株機械打碎作青貯飼料,而后直接播種第二茬玉米,于10月上旬收獲作青貯飼料;此后每畝施入30 kg復合肥(15-15-15)種植甘藍至12月下旬收獲。土壤類型為壤質潮土,試驗前未施用沼液處理土壤基本理化性狀如表1所示。

表1 供試土壤基本理化性質

沼液采用澆灌溝兌水溝灌,兌水比為1∶1,分別在春玉米苗期、春玉米大喇叭口期、夏玉米苗期、夏玉米收獲后4個時期各澆灌1次,每畝土地沼液周年總用量約合50～60 t。由于奶牛養(yǎng)殖中各季節(jié)沖洗水用量不同,故夏秋季與冬春季節(jié)沼液的營養(yǎng)成分含量有一定差異,其基本理化性狀如表2所示。

表2 沼液理化性質

土壤pH值采用1∶5土水比,pHSJ-3F型酸度計電位法測定,植株全氮、磷、鉀采用H2SO4-H2O2消化法處理樣品,凱式定氮法測定氮, 比色法測定磷,火焰光度法測定鉀;土壤可溶性鹽采用1∶5土水比浸提,水浴蒸干稱重法測定,鉀、鈉用火焰光度法測定,鈣、鎂離子用原子吸收分光光度法測定,硫酸根用鉻酸鋇比色法測定[16],沼液的氧化還原電位和pH值采用FIA-4型ORP測定儀原位測定;銨態(tài)氮含量采用稀釋后溶液流動注射儀測定;其他項目均采用常規(guī)分析測定[17]。數據采用SAS軟件進行處理和分析。

2 結果與討論

2.1 沼液還田利用對土壤酸堿平衡體系的影響

2.1.1 沼液還田利用對土壤pH值的影響

試驗前未施用沼液處理土壤的pH值為5.53(見表1),而甘藍種植后變成了5.41(見圖1),因而正常種植狀態(tài)下土壤出現逐步酸化的趨勢,而沼液還田利用后對土壤的pH值有極顯著的影響,未使用沼液地塊的土壤pH值最低,而隨著沼液還田利用年限的增加,土壤pH值持續(xù)升高。與CK處理相比,除了沼液施用1年地塊外,其他處理地塊的土壤pH值提升幅度較大,與對照相比差異均達到顯著水平;沼液連續(xù)還田利用2年后土壤pH值有了顯著提高,但還田4年與還田2年的土壤pH值差異未達到顯著水平,同時還田4年與還田6年地塊相比,土壤pH值差異也未達到顯著水平,這表明隨著沼液還田利用年限的增加,沼液對土壤pH值的擾動作用在下降,因此沼液對土壤pH值的影響具有明顯的緩沖性。已有研究證實沼液還田利用會顯著增加酸性土壤的pH值[18],雖然沼液中的有機物也會在礦化的過程中產生一定的有機酸,但沼液本身具有較高pH值,且含有較高含量的陽離子,因此鹽基離子的增加會減緩土壤的酸化。沼液還田利用后對土壤pH值的影響作用不能簡單以升高或下降作為評判,實際上沼液對土壤酸堿平衡的擾動較為復雜,需要做進一步或更深入的研究。

圖1 各處理土壤的pH值

2.1.2 沼液還田利用對土壤交換性酸的影響

交換性酸度說明土壤中交換性鹽基不能飽和,而代替其位置的是交換性氫離子和鋁離子。研究結果表明(見圖2),土壤添加沼液后,土壤的交換性鋁含量顯著降低,交換性鋁含量在各處理間的大小順序為:CK>Y1>Y2>Y3>Y4。從土壤酸化的角度分析,交換性鋁離子的存在,是土壤潛性酸的主要來源,因而交換性Al3+的存在和增加不是土壤酸化的原因,而是土壤酸化的結果[19]。因此可以看出,沼液加入土壤后,影響了土壤的酸堿平衡,造成了土壤酸化恢復。但值得注意的是,沼液還田2～6年間處理土壤的交換性鋁含量沒有顯著性差異,可見土壤的酸度的降低不會無限制延續(xù),一方面土壤酸化難以及時恢復,另一方面可能在于沼液中的有機物增加了土壤的酸堿緩沖性能,有利于土壤酸堿緩沖體系的穩(wěn)定。

圖2 各處理間土壤交換性氫離子(Ex-H)和交換性鋁離子(Ex-Al)的變化

土壤交換性氫離子含量在不同處理間的大小順序為:CK>Y1>Y2>Y3>Y4,表明隨著沼液施用年限的增加,土壤交換性氫離子含量呈現降低的趨勢,但Y3、Y4和Y2這3個處理之間的差異不顯著。交換性氫離子和交換性鋁離子構成了土壤的潛在酸度,反映了土壤進一步酸化的趨勢。

土壤交換性氫離子所占交換性酸的比例反映了土壤交換性酸的組成,其值越小表明土壤中鋁的活化越明顯,土壤酸堿平衡的影響可能越劇烈。各處理間交換性氫離子所占交換性酸的比例大小順序為:Y4>Y2>Y3>Y1>CK。因此可以看出沼液的施用不僅提高了土壤pH值,且隨著沼液施用年限的增加土壤酸堿平衡體系越穩(wěn)定。因此沼液還田利用有利于土壤酸堿平衡體系的穩(wěn)定。

2.2 沼液還田利用對土壤中還原性物質的影響

土壤的還原性物質含量既反映了土壤的氧化還原狀態(tài),也反映各處理對土壤氧化還原體系的影響[20]。如圖3所示,沼液施用土壤的還原性物質總量及活性還原物含量都有所增加,表明沼液施入土壤后會使土壤更容易處于嫌氣狀態(tài),土壤的氧化反應會受到一定抑制,從而增加了土壤中的還原性物質存在的可能。

圖3 各處理間土壤中還原性物質(RM)和活性還原物質(ARM)含量

活性還原物質在各處理間的大小順序與還原性物質總量一致,活性還原物所占的比例表現出的趨勢也幾乎與之相近?；钚赃€原物所占比例較低,一般在11.17%～17.61%。

2.3 沼液還田利用對土壤可溶性鹽含量的影響

2.3.1 沼液還田利用對土壤水溶液中陰離子的影響

圖4 各處理土壤的陰離子含量(5∶1水溶液)

土壤中Cl-含量隨著沼液施用年限的的增加而呈現增加的趨勢,與CK處理相比,其他處理的土壤Cl-含量都有顯著增加,其中Y4處理的土壤Cl-含量增加最大,達到了50.61%(見圖4)。沼液本身含有較高的鹽分,其中Cl-含量較高,沼液的施用給土壤帶來了大量Cl-,同時由于沼液含有較高成分的可溶性有機物[21],因而土壤粘滯性、吸附性均有所提高,所以會致使大量Cl-在表層土中滯留。盡管我們還不清楚土壤Cl-含量的提高會帶來哪些影響,但這種現象應該引起重視。

2.3.2 沼液還田利用對土壤水溶液中陽離子含量的影響

甘藍收獲后,在未施用沼液處理中土壤水溶性K+、Na+、Ca2+、Mg2+的含量情況如圖5所示,其中鈣離子含量較高,約占四種陽離子總量的36.78%。

圖5 各處理土壤中水溶性陽離子含量(5∶1水溶液)

圖6 沼液施用對包菜產量及包心率的影響

各處理間土壤水溶性Na+含量變化情況與K+含量變化情況類似,亦呈現隨沼液施用年限延長而升高的現象,且差異除了Y1和 Y2間之外均達到了顯著水平,甚至Y4處理土壤水溶性Na+含量比CK處理提高了38.09%。沼液本身含有價高含量的Na+,且由于沼液的施用,土壤耕層的蓄水保肥能力得到顯著加強[23],因此K+和Na+在土壤耕層的增加可以理解。

各處理間土壤Ca2+和Mg2+含量高低順序基本一致,均為:CK>Y1>Y2>Y3>Y4。可見隨沼液施用年限的延長土壤Ca2+和Mg2+含量呈現逐步下降的趨勢。其原因在于沼液還田利用不僅沒有帶入較高量的離子,也可以通過增加土壤酸度而促進這兩種離子的活化,且沼液施用促進了植物生長和生物量的增加,必然會促進植物對Ca2+和Mg2+的吸收,從而出現累年下降的趨勢。

2.4 沼液還田利用對包菜鮮重及包心重的影響

包菜鮮重和包心重是反映包菜生長的重要指標。各處理間包菜鮮重和包心重的大小順序是一致的,均為: Y4>Y3>Y2>Y1>CK (見圖6)。包菜是喜肥作物,大肥大水有利于包菜產量的提高,因此在一致的管理水平下,沼液還田利用能帶來顯著的增產效果。與CK處理相比,Y1、Y2、Y3和Y4處理的鮮重分別增加了9.08%、16.32%、35.57%和49.41%,而包心重分別增加了6.48%、10.79%、20.15%和23.46%。因此在沼液連續(xù)還田利用6年內,隨沼液還田利用年限的增加,包菜種植中沼液施用表現出穩(wěn)定持續(xù)的增產效果。

包心率反映了包菜生產中成品菜的生產效率,也反映出植株的生長狀況和營養(yǎng)供應狀況。試驗中發(fā)現,隨著沼液施用年限的增加,包心率呈現下降趨勢,尤其在沼液連續(xù)施用4年之后,包心率下降更為明顯。沼液長期施用造成包菜包心率下降的現象,表明沼液的施用在營養(yǎng)元素協(xié)調、供肥需肥擬合等方面仍存在不合理的可能。因此沼液還田利用雖然有很好的前景,但也包涵科學施用的具體內容,尤其其他元素配施、施用間歇期、施用后土壤水肥氣熱調節(jié)等,都必須要經過系統(tǒng)研究。

3 結論

(1)在酸性土壤中沼液還田利用能夠提高了土壤pH值,減緩土壤的酸化,且隨著沼液施用年限的增加土壤酸堿平衡體系更加穩(wěn)定。具體表現為隨沼液還田利用年限的增加,土壤pH值顯著提高,交換性氫離子和交換性氯離子含量都有所下降,且交換性氫離子占交換性酸的比例有所提高。

(2)沼液施入土壤后會增加土壤還原性物質總量及土壤活性還原性物質總量,活性還原物質占還原性物質總量的比例也有所提高,因此沼液長期還田利用對土壤的氧化還原平衡有明顯的擾動作用。

(4)與CK處理相比,Y1、Y2、Y3和Y4處理的鮮重分別增加了9.08%、16.32%、35.57%和49.41%,而包心重分別增加了6.48%、10.79%、20.15%和23.46%。但包菜的包心率缺隨沼液施用年限的增加而降低。在沼液連續(xù)還田利用6年內,隨沼液還田利用年限的增加,包菜種植中沼液施用表現出穩(wěn)定持續(xù)的增產效果。