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农业种植中沼液的使用情况综述

时间:2019-12-12 来源:中国农学通报 作者:石吕,刘建,魏亚凤,李 本文字数:16681字

  摘    要: 沼液目前已逐渐成为农业种植领域炙手可热的新型有机肥料和研究热点,不管是对作物本身,还是土壤的修复机制或大气、水环境都有着不可忽视的影响;沼液肥用的方式亦多种多样,包括液体喷施和根部施肥等;同时在浸种和生物农药领域沼液应用覆盖面较广,发挥了至关重要的角色作用。无可避免地,沼液肥用过程利弊共存,一些在沼液实际应用中尚需注意和无法忽视的细节问题还有待进一步研究商榷,以真正意义上达到一个最终和谐安全高效使用的原则,从而保障沼液这一经济肥源切实做到效益最大化。因此,作者通过大量文献资源调查统计,概述了沼液农用的主要方式和方法、取得成果、环境效益评价及存在问题的研究进展,并对沼液今后的资源化利用研究方向及预期成效进行了展望,以期为沼液在农业领域的全面普遍化和安全稳定化发展应用提供一定参考。

  关键词: 沼液; 农业领域; 作物; 环境; 资源化利用;

  Abstract: Biogas slurry has gradually become a new type of organic fertilizer and research hotspot in the field of agricultural planting, which has significant impacts on the crop itself, the soil repair mechanism and the atmosphere and water environment. There are many ways to use biogas slurry, including liquid spraying and root fertilization; at the same time, biogas slurry application has a wide coverage and plays a vital role in the field of soaking and bio-pesticide. Inevitably, pros and cons coexist in the process of biogas slurry application as fertilizer, some details that need to be highlighted in the practical application have yet to be further studied for achieving a harmonious, safe and efficient use principle, and thus ensure the maximize benefits. The authors outlined the research progress of main ways and methods, the results obtained, the evaluation of environmental benefits and the existing problems of biogas slurry application in agriculture through literature research, and discussed the research direction and expected results of future resource utilization of biogas slurry, to provide a reference for the comprehensive universalization and safe and stable development of biogas slurry in the agricultural field.

  Keyword: biogas slurry; agricultural field; crop; environment; resource utilization;

  0、 引言

  沼气工程在解决相关农村生活用能的问题上充分考虑和利用了农业废弃物的可再生循环使用特点,这对生态型农业工作开展的逐步推进功不可没。近年来随着沼气事业的蓬勃发展和日益兴旺,已有越来越多的农民群众开始关注和使用沼气,沼气一时间成为众多科研者不谋而合的热点话题之一。截至2011年,已有近3850万户沼气池在全国范围内相继诞生,其中包括将近73032处大中型沼气池[1],而每年的沼液排放量也已高达近1.3亿t[2]。同时,鉴于中国养殖业的快速发展,沼液的排放量日益急剧递增。据不完全统计,规模化畜禽养殖场每万头生猪存栏需要日处理沼液废水120~180 m3,全国每年排放沼液超过2亿t,且呈快速增长趋势[3]。众所周知,如若未经过后期繁杂的一系列加工处理程序及适宜的施用方法而将沼液直接排放,这对于四周环境的保护来说无疑是一件得不偿失的事,对环境造成的破环也是极其严重甚至无法挽回的。因此,如何行之有效地将沼液进行循环利用已成为影响沼气工程正常运行以及制约畜牧业健康发展的瓶颈之最[4,5,6]。另一方面,中国人均耕地面积不及全世界平均水平的1/2,但化肥施用量已然为全世界施用总量的1/3左右,这种因过度施用化肥所带来的日益严峻的农业面源污染,将使我们面临土壤重度酸化、作物各方面品质等急剧下降的后果。而沼液是人、畜禽粪污以及秸秆等有机物在沼气池中经过充分无氧发酵产生沼气后的残留液体,含有植物生长所需的多种水溶性养分,除氮、磷、钾等常量元素丰富外,还含有铁、锰、铜、锌和钙等多种微量营养,以及腐殖质、水解酶和氨基酸等多种活性物质,无疑属于一种优质的有机肥料[7,8,9,10,11]。此外,沼液具有提高种子发芽率,促进作物茁壮生长,降低病虫害发生率,提高农产品产量和品质等一系列特殊性能[12]。因此,沼液在种植业领域的资源化利用,有望于部分或全面替代无机肥料成为更清洁,更优质,更高效的新型肥料,同时是解决沼液资源过剩问题的一个为之有效的快捷途径,也是中国农业可持续发展道路的重要组成部分。目前,沼液在种植业领域的资源化利用因耕作制度、作物类型和种植地域等因素的不同存在较大差异。从而本文通过大量文献调研,总结了沼液目前在种植业领域的应用现状、应用效果和存在问题,并对中国沼液的资源化利用前景进行前瞻性展望,以期为沼液在农业种植领域的高效利用提供一定参考。
 

农业种植中沼液的使用情况综述
 

  1、 沼液的主要利用方式

  纵观前人研究中沼液处理方式,归纳起来大体有四类,从大层面来讲主要包括低成本和高成本处理两种,再进行细分的话,低成本处理亦可分为资源化高效利用和自然生态净化方式,高成本处理则无外乎工厂化处理和高附加值的开发利用。中国当前的农业生产与发达国家相比仍有较大差距,生产成本依然是农民在生产实践中考虑的首要因素,从而极大地限制和约束了许多高成本高效率途径的推广应用。因此,沼液在种植业领域的资源化利用仍以低成本利用为主。

  1.1、 沼液肥用

  沼液中的N、P、K等元素是维持植物生长过程中不可或缺的营养组成,同时,一些微量元素(诸如铁、锌、钙等)和相关生长素以及氨基酸、维生素种类的生物活性物质在促进种子萌发、调节植物生长和增强植株抗性方面具有至关重要甚至无可替代的作用。有研究表明,施用一定量的沼液不仅能够提高作物产量、改善农产品质量,而且有利于土壤培肥[13,14,15]。因而沼液肥用是保障生物质资源可循环利用的一个有效途径[16,17,18]。

  1.1.1、 沼液喷施后的沼液含有全

  经过充分腐熟和发酵价的氨基酸、丰富的腐植酸以及铁、锰、铜、锌、硼等多种微量元素,同时其中包含了以速效成分状态存在的氮、磷、钾等大量元素,可利用率较高,是一种不可多求的多元速效复合肥料,可被作物茎叶等器官迅速吸收和利用[19,20]。

  袁怡等[21]以柑橘和生菜作为研究对象,发现在沼液喷施情况下,一天时间内,叶面大约可吸收喷施总量的80%。同时沼液富含白菜生长所需的各种营养组成和微量元素,兼具灭菌杀虫的性能,喷施一定量的沼液不仅使得化肥施用量降低,亦提高了白菜的产量及各类品质性状[22]。甘蓝上也有所应用发现,随着沼液喷施浓度的增大,甘蓝叶面积有增加趋势,高浓度的沼液虽然一定程度上可以促进甘蓝生长,但却抑制了开展度,沼液根外追肥应控制在1.25 t/hm2左右,叶面喷施浓度应调配为50%[23]。李明娟[24]在研究沼液喷施马铃薯的效果对比试验中,发现马铃薯的单株块茎数及薯重得到明显提高,从而产量及商品率亦得到显着改善。西红柿沼液喷施试验亦有很多,其结果综合表明,叶面喷施沼液,可调节西红柿的生长代谢、增强光合性能,有利于花芽的分化,提高座花座果率,熟期一致,果实光泽度好,同时可防治病虫害等,且经济效益和社会效益异常突出[25]。使用沼渣做基肥,虽然喷施沼液浓度在20%~50%时,均利于番茄农艺性状和果实品质的改善,提高果实风味,降低果实中的硝酸盐含量,但其中以50%浓度时效果最佳[26]。王晓金[27]发现,沼液喷施不仅可以改善辣椒的生长发育情况,而且增产增收效果显着,与喷施磷酸二氢钾相比,增产1680.0 kg/hm2,增收2016.0元/hm2;与喷施丰产素相比,增产1759.5 kg/hm2,增收2111.4元/hm2。何梅等[28]采用不同浓度的沼液对‘西州密17号’甜瓜进行叶面喷施发现,适宜浓度的沼液喷施可提高叶片中的营养组成,降低叶片的抗氧化酶活性,从而提高单瓜重达到增产丰收的目的,其中以75%的喷施浓度相对效果最佳。宋兵伟等[29]发现叶面喷施沼液对于提高哈密瓜单瓜重及品质很有效,其中并以75%的喷施浓度最佳,可使单瓜重增加21.62%,提高可溶性固形物大约16.67%,类胡萝卜素16.65%左右,而纤维素含量降低19.37%。潘军等[30]研究发现,叶面喷施沼液可有效改善苹果树体的营养状况,对于果实商品性状的改良也效果独到,且能较大程度上减轻病虫危害;同时,苹果叶片的长、宽、面积和百叶重及新梢长度、粗度都呈现增加的趋势[31]。董小红等[32]得出,与常规施肥管理相比,茶园叶面喷施沼液产量更高,约可增产11.2%,经济效益显着。而在大田耕作条件下,喷施沼液可提前小麦熟期,增加小麦干物质积累量,提高产量,改善品质,减少病虫害。尤其小麦生育后期为喷施沼液的关键时期,其效果远远优于前期沼液喷施[33]。综上可看出,沼液喷施技术在瓜果蔬菜及粮食作物等领域已得到较为广泛的试验应用和理论认可,无论是在促进作物本身的营养和生殖生长发育发面,或是在经济效益和商品效益方面,都使得沼液利用途径可圈可点,逐渐走上了一条让广大民众更为喜闻乐见,易于接受的沼液肥用道路,更加显得有价值意义。但针对不同作物,应准确把握好沼液施用的浓度和适宜时期,最大化沼肥效益的发挥。

  1.1.2、 根部施肥

  沼液是一种富含多种水溶性养分的无公害速效肥料,具有方便使用、低成本、易吸收、肥效优等特点,可迅速输出养分,促进光合作用,增加干物质积累,被广泛运用于根部施肥[34]。目前沼液根部施肥的主要方式有沼液灌溉,沼液穴贮,沼液与无机肥配施,沼液与秸秆配施,无土栽培营养液等。沼液适宜作为根部肥料施用,但不能直接用于根部追施,防止烧苗。其中最简便易行的方式当属与适当比例的水混合均匀,直接施入农田进行灌溉[35]。沼液穴贮是沼液根部施肥的另一种方式。亓翠玲等[36]针对樱桃树生长迅速,发育阶段性明显而且集中的特点,利用沼渣、秸秆等吸水蓄肥的性能,并结合沼液全方位营养齐全、水肥配比适宜的特性,通过土壤埋填的方式在果树根系四周布设一个所谓的“水肥穴”。由事先浸足沼液的蓄水保肥材料构建的“水肥穴”与周围土壤在吸水性能方面具有显着差异,因而水分可保持更为长久,从而减少蒸发散失损耗,有利于缓解果树的干旱胁迫症状并在此基础上相应提供足够的养分用于樱桃树体的健壮生长。王述河[23]研究表明,根际追肥时,沼液用量应控制在30 t/hm2左右,使用时保持地面平整,采用旋耕机旋耕一定深度,并按照一定比例开沟,待将沼肥倒入沟中后,再按照一定比例封土起垄。而目前国内外大多数研究主要集中于探讨不同沼液与无机肥配施比例对作物产量的具体影响,多数研究者持一种并非沼液所占比例越高越好的态度,而是可能存在一个或一段最佳混合比例[37]。本着高产和清洁的基本施肥原则,沼肥基用时应控制施用量大约在45 t/hm2,同时为了最大化经济效益和社会效益,可配合加入尿素300 kg/hm2,便能有效提高甘蓝的叶面积、开展度和叶绿素含量,进而促进其光合作用,间接提高产量[23]。汪吉东等[38]通过对紫叶莴苣追施水葫芦发酵沼液发现,等氮量前提下,相较于单施化肥处理,沼液配施化肥的效果更为突出,且沼液替代75%化肥氮是最佳施用比例,促进莴苣的生长和养分吸收的同时,缩短了其生长期,提高了商品率。黄红英等[39]也发现,化肥中等比例替代(水稻N75%替代,小麦N 50%替代)沼液并分3次施用,可获得与纯化肥处理相当的产量,且在一定程度上提高了稻麦氮素累计量和氮素当季表观利用率、净生物累计量和产量。在其他作物[40,41,42]的研究中同样也证明沼液添加比例过高或过低均不利于作物的增产。赵理等[43]通过对稻田研究发现,沼液与秸秆配施,加速了秸秆的腐解进程,并且通过两者效应互作,创造出适于水稻生长发育的肥效环境,有效解决了有机栽培特别是秸秆还田条件下水稻前期生长氮素供应短缺的矛盾,并对病虫草害具有一定的防控作用,合理调控了水稻生长机制,确保了中后期稳健生长,建立了适宜的群体数量和空间分布结构,从而提高了水稻单产。有研究表明[44]沼液的营养组成丰富,除硝态氮和硫含量较低外,氨氮、粗蛋白、粗脂肪和粗纤维等成分非常丰富,并且富含多种酶类、维生素等利于作物生长发育的成分,还有大量的常、微量元素,均高于专用无土栽培营养液,在蔬菜无土栽培方面有很大的优势。而根据蔬菜栽种品种、品质及对微量元素的需求差异不同,利用沼液及其他微量元素配制成无土栽培营养液来种植蔬菜,可满足植物的多种营养需求,增产优质效果尤为显着。同时,这种营养液技术制作简单、成本低,且易于推广和应用于生产中[35]。可见,沼液根部施肥以沼液与无机肥配施的方式更为普遍和相对成熟,一定程度上对作物的生长环境更加有利,促成作物收成颇丰与沼液合理利用的“双赢局面”,同时也存在一个适当合理的配施比例,因此在实际生产过程中要予以重视,并深入挖掘其他根部施肥方法的改进措施以便快速运用于各类作物的生长发育进程中。

  1.2 、沼液浸种

  沼液含有多种营养元素,氨基酸、生长素和维生素等生物活性物质也含量丰富,利用其浸种具有明显的抗病、壮苗及增产作用。将种子置于沼液中浸泡后再播种,与清水浸种相比,可明显提高种子发芽率(5%~10%)和成秧率(10%~15%)[12,35]。用腐熟较好的且发酵时间较长的沼气100%原液来浸种处理小麦种子,较对照清水处理发芽率提高了13个百分点,种子提前3天出苗,叶色浓绿,叶长增加1。7 cm,叶宽增加0。1 cm,幼苗干重增加0。7 g,成熟期缩短2天,产量增加379。5 kg/hm2,增产率为9。2%[45]。辣椒经沼液浸种后较清水浸种的处理增产5。17%~9。09%,其中以浸种16 h的处理产量最高,鲜椒产量达2429。79 t/hm2,增产率9。09%,增产效果达到显着水平。同时在沼液浸种过程中,中途晾晒并不会对辣椒的产量产生相关作用[46]。而适宜浓度和时间的沼液浸种会促进油菜和万寿菊种子萌发以及后期的生长,过高浓度及太长的浸种时间对于种子萌发均是不利的,其中以50%沼液浸种5小时对万寿菊种子发芽及幼苗生长的综合效果最佳[47,48]。

  1.3、 生物农药

  沼液不仅含有NH4+,较丰富的营养元素(维生素、赤霉素、吲哚乙酸等)和微生物代谢产物,而且含有某些激素和抗菌素(如抑菌或者提高植株抗逆性能类)等活性物质,兼具营养和杀菌功效,并能较好地发挥刺激和抗逆特性,因此被认为是无污染、无残毒和无抗药性的“生物农药”,可应用于防治病虫害和提高植物抗逆性,而且当沼液与一定量的药物混合施用后还能明显增强防治效果[35]。这主要归因于沼液氧化还原电位低,其中所含的众多还原性物质可以与害虫产生生理夺氧及运动去脂等激烈反应,从而有效驱杀害虫。而一些微生物菌种则通过譬如拮抗、竞争及重寄生作用来有效阻止其他菌种的繁衍,其自身分泌的某些特殊物质也能高效抑制有害病菌的生长繁殖[1,49,50,51]。沼液中含有的多种抗生物质对于红蜘蛛、蚜虫、白粉虱及霜霉病、白粉病、灰霉病等病虫害均有良好的防治作用。农田普遍发生病害方面,沼气发酵残留物对目前较常见的30种病害均有显着的防治效果,其中对至少20多种病害的防治已达到或远超现行使用农药的效果;虫害方面,19种虫害已得到明显的遏制与预防;病原菌方面,已有研究发现,沼气发酵残留物对一些致病菌具有极其显着的抑制效果,诸如副伤寒杆菌、大肠杆菌及猪丹毒杆菌等,而对衄霉、10株青霉及17种农作物病原菌则产生不同程度的截然不同的抑制作用[52,53]。生产中主要采用沼液浸种、沼肥基用和追肥等措施来进行病害的防治,而虫害的防治方法主要有直接施用沼肥和喷洒沼液[35,53]。

  2、 沼液的正面应用效果

  沼液中不仅含有丰富的营养元素,土壤改良类有机态物质也异常充足,同时还兼具各类易于植物可快速大量吸收利用的小分子腐殖质,因此在保障生物质资源可循环利用方面沼液始终发挥着重要的作用。有研究表明,沼液的施用一定程度上确实可以增加作物产量,并同步提高农产品质量,且还有益于土壤肥力的持续保持和完善修复过程[14,17,18,54]。

  2.1、 沼液对土壤的改良作用

  沼液中除了氮、磷、钾等营养元素可有效提高土壤肥力外,腐殖酸等有机质也可促进土壤团粒的形成,从而达到疏松土壤的作用,一些活性物质亦可增强微生物活性和酶活性,进而起到调节土壤理化性质的作用,从源头上有效改善植物的生长环境和营养需求[55,56]。根据调查显示,施用沼液沼渣后,土壤有机质含量变化最明显,可提高大约0.17%~0.60%,全氮增加最少,为0.003%~0.005%,全磷则增加0.01%~0.03%。铜、锌、铁等微量元素也随之发生不同程度的活化作用,从而增加活土层的深度,有利于土壤物理性状的改善。亓翠玲等[36]研究发现,肥水穴贮2年后,施用沼液能够显着增加樱桃树体四周表层土的有机质含量,由于沼液及大量有机物质的添加,土壤中的整体营养结构发生明显改善,呈现为碱解氮、有效磷和有效钾的含量显着提高,电导率值也表现大幅的上升。也有研究[54]表明沼液一定程度上可以增加土壤中水溶性盐分,短期内明显提高土壤pH值及细菌数量,显着降低土壤真菌及放线菌数量;且随着沼液施用量的增加,土壤全氮、速效磷、速效钾及有机质含量呈差异不显着性增加;并且新鲜沼液和陈放沼液在对土壤线虫的抑制效果上存在些许不同,抑制率分别为49.3%和37.2%,其中新鲜沼液对设施土壤障碍因子的影响优于陈化沼液。由此可见,沼液灌溉可明显改善土壤的理化性能,增加土壤有机质,提高土壤p H值甚至趋向于中性,从而有效维持土壤养分平衡,以进一步增强土壤肥力[57]。但同时也存在一些其他观点,孙国锋等[58]则认为,50%和100%沼液替代化肥处理相比于常规施肥处理,耕层土壤容重、全氮、全磷、速效钾及有机质含量并未产生显着性差异变化。

  2.2、 沼液对不同作物的影响

  研究表明,通过合理的调配或稀释途径,施用沼液可明显提高蔬菜的产量[59]。比如说在施用一定量化肥的基础上,再补以合理的沼液肥料,便可最大程度化降低盆栽莴笋生长期叶片中硝酸盐的含量,有效抑制莴笋中VC及可溶性糖的积累,提高收获期莴笋株高、氨基酸含量及最终产量,其中尤以农作物秸秆发酵后产生的沼液能明显获得良好的莴笋营养品质[60]。类似地,在青椒有机质栽培试验中发现,当采用不同浓度的沼液代替无机养分后可极显着提高青椒商品果的合格率及产量水平,可溶性糖无明显变化,同时明显降低青椒中硝酸盐组成及维生素C含量,但由于果实酸度有所降低,反而使得青椒的风味口感大大提高[61]。果树方面,王伟楠等[62]指出,如在恰当的施肥期对苹果树和杏树喷施以适宜浓度的沼液有利于果实纵、横径、硬度、单果重、果形指数及可溶性固态物含量的提高,并减少可滴定酸生成,从而改变固酸比,提高果质和食味。并得出,苹果树在叶片展开期和生长期以及果实膨大期分别喷施一次浓度为75%的沼液会获得最佳效果,而杏树则以在叶片展开期和生长期分别喷施一次浓度为50%的沼液相对组合较优。大田粮食作物方面也涉及较多。就拿水稻来说,在以沼液为基肥的基础上,追肥使用复合肥会获得较高水稻产量,尽管与基、追肥均使用复合肥处理相比无显着差异,但用沼液替代复合肥做基肥显着减少了生产成本,还明显促进了水稻分蘖的形成和生长,最终稻米中虽然铜和镉含量变化不明显,但铅含量显着降低,并强化了铁、锌营养,表现出优良的稻米品质。可是在一定意义上,沼液完全替代复合肥等化学肥料是不可行的,这对于水稻的生长发育及其产量形成是不利的[3]。但孙国锋等[58]通过试验发现,50%和100%沼液替代化肥处理与常规施肥处理及秸秆还田处理相比,并未发现水稻减产等现象,初步判定沼液可全量替代化肥。小麦也被作为试验对象研究较多,冯伟等[63]发现,在基施沼液的前提下,追施化肥氮可增加小麦产量,其中以1/2U+1/2B(沼液氮作基肥占总氮一半,尿素氮作追肥占总氮一半)组合最优,能够同时提高产量,粉质参数、拉伸参数、淀粉糊化特性和蛋白组分等品质指标,做到高产和优质兼顾,相反纯施沼液则效果欠佳。同时在冬小麦生长的返青期使用沼液可显着促进其生长和干物质积累,从而达到增产的目的,增产幅度可达23.3%[64]。

  3、 沼液应用的环境效益评价

  近年来,全球温室效应不断加剧,极端天气日益增多。在中国农业生产过程中,随着化学肥料的过量使用,农田生态系统已成为温室气体的重要排放源之一,至于沼气施用与温室气体之间的关系也有所涉猎。而沼液中含有大量的碳、氮元素,能够改变土壤的碳氮比,并影响其中的碳氮转化过程,从而直接对土壤环境或间接对水、气环境产生不同程度的影响。

  3.1、 大气环境

  目前,普遍认为沼液施用增加了土壤中的碳素含量,进而提高CH4排放量。但对于土壤N2O排放的影响,由于土壤硝化反应及反硝化反应过程容易受到土壤温、湿度、pH值和氮素含量多少等多种因素的影响,因此结论各异[65]。黄红英等[66]在研究沼液对稻麦轮作农田系统土壤环境中N2O排放量及排放规律的影响时发现,稻季完全施用沼液的处理N2O累积排放量显着高于完全施用化肥的处理,麦季完全施用沼液处理N2O的累积排放量与完全施用化肥处理无显着差异。靳红梅等[67]通过在不同pH土壤中施用猪粪沼液,结果也证明施用沼液会显着提高N2O从土壤中排放的速率,且p H值越高,效果越明显。而孙国锋等[68]则发现,50%和100%沼液替代化肥处理由于显着减少了稻田麦季N2O的累计排放量,从而减少麦季全球增温潜势(GWP)及单位产量的全球增温潜势,进而降低稻茬麦季的综合温室效应。此外,沼液的前处理途径和施用方法的不同,对土壤N2O排放的影响也大相径庭。已有研究结果表明,施用厌氧条件下发酵完全的沼液可有效降低农田的N2O排放[65],采用静态池来消除沼液中的悬浮物对农田N2O的排放来说并无显着影响[69],而沼液施用方式对农田N2O排放的影响报道不同研究者也各持己见[70,71]。

  3.2、 土壤环境

  沼液是发酵产生沼气后的残留物之一,一定程度上能够促进土壤有机质的提高,而有机质可通过吸附较多阳离子来保持土壤的肥力和缓冲性,并使得土壤结构变得疏松,从而改善土壤物理性状,同时它也是土壤微生物维持生命活动所不可或缺的重要能源和碳源。比如小麦、玉米或冬季种大蒜,沼液便能够提供给这些作物充足的养分用于生长发育[72]。但随着不断的沼液施用,沼液中原本就含有的重金属微量元素便逐渐开始残留和积累于土壤中,尽管植物-土壤系统对于一些重金属离子具有较强的自我净化作用,短时期在适量范围内不会污染土壤,可苦于并无相应的沼液还田规范措施,因此如果继续长期大量的施用沼液,会加重土壤对于重金属成分的承受力,从而大大增加土壤被污染的风险和几率[14]。随着浇灌时间的累积,铅、镉等重金属元素含量呈缓慢增加趋势,可能会最终导致铅、镉的富集,污染土壤,造成不可挽回的损失。土壤有机质和总氮含量也大体表现出下降的趋势,总磷却呈现缓慢的上升趋势,从而可能导致土壤营养结构失衡[73,74]。段然等[75]对连续施用了沼液6年的土壤进行取样测定,发现土壤中Zn和Cu含量显着提高,其他重金属含量也均高于对照土壤。黄志平等[76]研究,灌溉猪场废水主要造成土壤Cu和Zn的积累。连续灌溉8年后尽管土壤中的Cu、Zn、Cr、Pb、As和Ni含量保持在安全范围内,但重金属有效态含量不仅与全量呈正相关,而且负相关于土壤pH值,由于灌溉猪场废水会酸化土壤,从而土壤重金属有效态含量也会相应有所增加,而重金属中属有效态对作物的影响起主要作用。因此,长期灌溉猪场废水时,不但要关注土壤Cu和Zn的富集,还要留意猪场废水对Cu、Zn及其他一些重金属有效态含量增加的影响。此外,沼肥作为有机肥能够明显降低蔬菜体内的硝酸盐和重金属含量,其中丰富的有效养分和植物活性物质,对于提高蔬菜的品质,并增强其对生物和非生物胁迫的抗逆性,有显着的作用[52,77]。然而,由于沼液的成分很复杂,如何与无机肥高效配合才能够使沼液肥效最高地作用于蔬菜等作物以及最大程度地阻止硝酸盐和重金属等有害物质在土壤中的积累,还有待进一步深入研究。

  3.3、 水环境

  沼液是畜禽粪污经厌氧处理的后续产物,因此其中所含的固体悬浮物、氮磷等有机物的含量要相对较高,自身就是水体污染的威胁之一,施入土壤后借助农田水分的运移作用,通过地表径流和地下渗漏等方式进入周围或地下水体环境,改变水体的物、化及生物群落的结构和组成。沼液中的有机物在生物降解过程中会消耗大量水体溶解氧,间接造成水生生物的死亡,导致湖泊河流丧失使用功能,水体变黑水质发臭,对周边水有潜在的污染风险,尤其会威胁到地下水的安全,地下水一旦受到污染,治理和再修复的过程将异常艰辛和困难。因此长期过量的沼液灌溉在对农田水环境的影响方面仍存在很多隐患,致使沼液农用途径的研究任重道远[72]。乔小珊等[78]研究发现,稻田单季沼液灌溉量为2250 mL/kg的前提下,灌溉初期,完全沼液替代处理的上覆水中养分含量明显高于只灌水处理,致使养分流失的可能性增大;而重金属含量基本无变化,大多被水稻吸收,因此对土壤的污染几率也小。但后期发现稻田下渗水中的养分含量急剧上升,且远超地下水富营养化的阈值,严重威胁到地下水的安全。因此,他们认为在实际生产中沼液的总氮和总磷含量应分别控制在小于1199。0 kg/hm2和62。5 kg/hm2。王子臣等[79]通过相关试验得出:(1)灌施沼液后的最开始3天为水稻田消解沼液的关键阶段,可降解一半甚至更多的总氮(46。7%~78。4%)和铵态氮(47。5%~85。3%),研究不同生育期的沼液消解速率不难发现基蘖期远小于穗肥施用期;同时,为了最大程度上降低沼液灌溉初期由于地表径流等原因所直接造成的水体富营养化危险系数,通常可堵塞稻田出水口或者增高不同田块的埂高度大约5~10 cm,达到严格限制地表径流的沼液总量和流动速率,保障消解流程的整体安全化,从源头解决农业面源污染的致命点。(2)当沼液消解量达到706 t/hm2以上,即沼液中氮含量高于2倍的常规施肥氮含量时,基蘖期和穂肥期源源不断的沼液流入对大田周围水体环境危害远远比常规施肥状况下严重些;而消解量在353 t/hm2时,最终所致的风险稍低。由此表明,少量多次的方式是为稻田沼液消解工程的相对最佳选择。(3)稻田沼液消解过程中基蘖期这一阶段对下渗水的污染可能性最大,其中尤以NH4+-N污染最为严重且集中,而NO3--N污染风险系数则相对较小,在此途径中,下渗水的深度不同也会造成污染的程度各异。同时,基蘖期稻田沼液消解能力较弱,单次总量应控制在211。8 t/hm2以内,而穗肥施用期与之相反,每次只要不高于423。5 t/hm2在整个水稻生育期内都是可行的。亦有研究发现,一定量的沼液投入鱼塘,不仅能促进浮游生物的繁殖生长,提高水中溶解氧的含量,还可以减少泛塘发生,改善鱼类的生长环境[16]。

  4、 沼液应用存在的一些问题

  首先,一般大型的沼气工程所产生的沼液量巨大,沼液的储存与运输设备也相对不完善,加之中国人口众多,每个农户所占农田土地面积小,管理不集中,并不能达到大面积消解利用沼液的要求。而且单一的沼液农用途径存在极大的供需失衡现象,现有条件下中国的农用土地总量还难以满足日益产出的沼液消耗,农民在农业生产过程中主动积极地采用沼肥的意愿还相对淡薄,因此季节性沼液过剩成为一个棘手的问题。同时伴随着沼气等厌氧发酵工程大规模发展的是沼液沼渣等残留物的快速大量累积,因此如何妥善处置发酵残留物已经成为限制厌氧发酵技术发展的瓶颈之一[16,17]。

  其次,因为沼液是厌氧发酵的产物,其所蕴含的营养物质和微生物在接触氧气后会发生质变,营养物质(如氮)含量降低,活性物质丧失活力或变质,大大降低其利用价值。而随着规模化沼气产业的迅速发展和大量沼液的产生,异地消纳使得沼液的长途运输和贮存问题不可避免地如期进行。因此,研究影响沼液性质变化的因子,研制相关沼液稳定剂,使沼液中的营养成分保鲜期更长久,从而成为高效且稳定的沼肥应用于农业生产中,对于保障沼气产业化的健康发展以及作物的稳产增产均具有深远的意义[64]。

  但最主要的是,由于中国气候、土壤、降水及作物类型在不同地区存在很大不同,且尚未出台相关沼液全程灌溉的成熟技术规范措施,同时沼气发酵过程中投放原料的类型、数量和掺水量存在一定差异,这将形成不同成分和养分的沼液成品,使得沼液在施用环节潜藏巨大的风险系数。比如当沼液作为叶面肥、浸种剂或配制无土栽培营养液时,须进行适当的稀释来调节电导率,改善还原性环境[44]。过高浓度的沼液会抑制作物种子的萌发和生长发育过程[80]。而不合理甚至连续过量或长期的沼液施用将会造成磷、硝酸盐以及重金属的沉积和累加,从而对土壤、作物、水体构成无形的污染,造成土壤和水体质量整体下降,间接威胁到人类的健康发展[7,12,16]。研究还发现,沼液中有大量微生物甚至有害微生物存在,而且可能含有多环芳烃、酚类化合物、二恶英、氯化石蜡和邻苯二甲酸酯等持久性有机物,畜禽等排泄物经厌氧发酵后可检测到较高的喹乙醇激素和四环素类抗生素。因此农用过程中,沼液直接作用于农作物、畜禽或土壤,密切接触食物链,很大程度上会存在食品安全隐患,甚至危及到生态与环境的和谐[16],同时施用过沼液的土壤还会产生类似抗生素污染的风险[75]。因此,彻底强化沼液还田利用的环境效益评价迫在眉睫,并需从整个生态系统层面尤其是植物-土壤-地下水系统来联系沼液的合理优化使用,坚持最大程度清洁化使用原则,降低沼液在农林牧渔业等领域实施的未知风险,做到从根本上保障食品的安全优质,最小化或彻底消除沼液施用对生态环境的伤害程度。

  5、 研究展望

  沼液资源化利用实现了由“废”到“宝”的转变,是沼液处置的优先选择。但沼液在实际应用过程中也遭遇了重重阻碍和棘手问题,比如沼液资源过剩、安全评价、高附加值效应和运输储藏完善等等。因此笔者建议今后加强或着眼于以下几方面的重点研究和工作:(1)集中于研究沼液施用对同一种作物或土壤类型的效应,确保沼液源的相同,着眼于等质污染物探讨,从而减小不同研究者试验间的争议,得出较为一致可靠、令人信服的结论,以进一步明确沼液利用对农林牧渔业等领域的安全性评价。(2)深入发掘长期施用沼液的效应评估和梯度沼液处理体系,逐步明晰沼液中哪些抗生素类有机物的确会对环境造成破坏,全面化和定论化沼液利用安全性评价工作。(3)探索更具多样性和安全性的沼液资源化利用的高价值和间接消费模式,通过一些途径不断提高沼液的附加值,如采用物化方法或某个中间媒介收集沼液中的有用成分,处理和调配沼液用于生产高性能比的微生物培养基,充分化利用沼液的理化性状和微生物资源,拓宽沼液全方位利用的视角,减少甚至完全避免沼液直接流通于食物链,造成不可挽回的损失。(4)汲取国外先进理念和经验方法,抓紧制定并健全沼液资源化利用的相关标准流程和技术规范措施,从源头上控制发酵原料的污染化,严格把控发酵液污染物和最终沼液污染物不会超标,优化整个厌氧发酵过程,从而最大限度地遏制沼液利用过程中污染物的扩散,实现达标排放和物质富集平衡发展。(5)多向农民宣传沼液利用的好处和预期获得的最大效益,调动他们主动在农业生产中接纳和使用沼肥的积极性,或开发浓缩等先进手段来减小沼液产品的体积,甚至研制一些防腐剂来延长沼液的保鲜期,维持长久的生物活性和肥力效果,并进一步完善沼液运输设备机具,从而在根本上解决沼液资源过剩的难题,及时高效解决沼液的供需平衡矛盾。(6)实际应用中,针对不同作物,应选用合理的沼液浓度,确定适宜的施用时期和方式,在与秸秆或无机肥等配施过程中严格把握好替代比例,从源头上控制好沼液中总氮、总磷等有机物含量,充分消解,在最大化沼液肥用效益和社会效益的同时,平衡好沼肥与环境的友好健康发展。

  参考文献

  [1] 陈超,徐凤花,高立洪,等.规模化沼气工程沼液中微生物的细菌种群分析与功能初探[J].中国沼气,2012,30(6):7-11.
  [2] Lu J, Zhu L, Hu G, et al. Integrating animal manure-based bioenergy production with invasive species control:A case study at Tongren Pig Farm in China[J].Biomass and Bioenergy,2010,34(6):821-827.
  [3] 张进,张妙仙,单胜道,等.沼液对水稻生长产量及其重金属含量的影响[J].农业环境保护,2009,28(10):2005-2009.
  [4] 陈玉成,杨志敏,陈庆华,等.大中型沼气工程厌氧发酵液的后处置技术[J].中国沼气,2009,28(1):14-20.
  [5] 张昌爱.沼液的定价方法及其应用效果研究[J].生态学报,2011,31(6):1735-1741.
  [6] 张昌爱,张玉凤,林海涛,等.基于营养成分含量的沼液定价方法[J].中国沼气,2012,30(6):43-46.
  [7] 林鸿雁,叶美锋,吴飞龙,等.沼液的综合利用现状综述[J].福建农业科技,2012,(1):75-77.
  [8] 孟庆国,周静茹.厌氧消化残留液再利用及其中微量元素的测定[J].农业环境与保护,1998,17(2):81-83.
  [9] 孟庆国,赵凤兰,张聿高,等.气相色谱法测定沼液中的游离蛋白氨基酸[J].农业环境科学学报,2000,19(2):104-105.
  [10] 刘荣厚,郝元元,叶子良,等.沼气发酵工艺参数对沼气及沼液成分影响的实验研究[J].农业工程学报,2006,22(1):85-88.
  [11] 武丽娟,刘荣厚,王远远.沼气发酵原料及产物特性的分析——以四位一体北方能源生态模式为例[J].农机化研究,2007,(7):183-186.
  [12] 曹汝坤,陈灏,赵玉柱.沼液资源化利用现状与新技术展望[J].中国沼气,2015,33(2):42-50.
  [13] 张昌爱,沈玉文,林海涛,等.草莓大棚内沼气池的生态效益分析[J].山东农业科学,2012,44(10):84-88.
  [14] 吴树彪,崔畅,张笑千,等.农田施用沼液增产提质效应及水土环境影响[J].农业机械学报,2013,44(8):118-125.
  [15] 曹云,常志州,马艳,等.沼液施用对辣椒疫病的防治效果及对土壤生物学特性的影响[J].中国农业科学,2013,46(3):507-516.
  [16] 陈超,阮志勇,吴进,等.规模化沼气工程沼液综合处理与利用的研究进展[J].中国沼气,2013,31(1):25-28,43.
  [17] 郜玉环,张昌爱,董建军.沼渣沼液的肥用方面的研究进展[J].山东农业科学,2011(6):71-75.
  [18] 张昌爱,徐振,李彦,等.畜禽养殖污染防治典型工程的综合效益评价[J].环境工程学报,2014,8(10):4555-4560.
  [19] 河北农业大学.果树栽培学各论(2版)[M].北京:农业出版社,1986.
  [20] 沙守峰,张绍铃,李俊才.梨矮化砧木的选育及其应用研究进展[J].北方园艺,2009(8):140-143.
  [21] 袁怡.沼液作为生菜、柑橘叶面肥的实验研究[D].武汉:华中农业大学,2010.
  [22] 王再莉.沼液在大白菜不同生育期喷施试验实施总结[J].农技服务,2016,33(13):88-88.
  [23] 王述河.沼肥在甘蓝上的应用效果研究[J].现代农业科技,2018,(1):53,55.
  [24] 李明娟.沼液喷施马铃薯效果试验[J].农业科技与信息,2017(4):78,81.
  [25] 王晓金.西红柿喷施沼液效果试验[J].现代农业科技,2016(3):99,105.
  [26] 杨柳,张俊鹏,高小松,等.沼肥对大棚番茄农艺性状及品质的影响[J].农技服务,2017,34(15):5-6.
  [27] 王晓金.沼液在辣椒作物上喷施效果试验[J].现代农业科技,2016(3):96.
  [28] 何梅,江铮,许建,等.沼液叶面喷施对设施甜瓜产量和植株生理的影响[J].中国农学通报,2018,34(11):24-28.
  [29] 宋兵伟,曹新伟,马皓诚,等.沼液叶面喷施对设施哈密瓜品质的影响[J].天津农业科学,2016,22(9):11-14.
  [30] 潘军,张永华,李德具,等.沼液叶面喷施在苹果生产上的应用效果研究[J].现代农业科技,2017(15):68-69,71.
  [31] 王芳,王向晖.喷施不同浓度沼液对苹果生长的影响[J].农业科技通讯,2011(7):38-39.
  [32] 董小红,陈洪亮.茶园叶面喷施沼液与常规管理施肥对比试验[J].农技服务,2016,33(6):136-136.
  [33] 刘丰玲,马东辉,刘天宏.喷施沼液对小麦产量、品质和病虫害防治的影响[J].中国沼气,2009,27(6):39-41.
  [34] 张超,侯广太.果树应用沼液根外追肥技术[J].科学种养,2008(8):53-53.
  [35] 常健.沼液在农业种植中的综合利用[J].农业科技与装备,2017(3):62-63.
  [36] 亓翠玲,浦碧雯,单洪涛,等.沼渣沼液穴贮在樱桃栽培中的应用效果分析[J].山东农业科学,2016,48(11):100-103.
  [37] 冯伟,管涛,王晓宇,等.沼液与化肥配施对冬小麦根际土壤微生物数量和酶活性的影响[J].应用生态学报,2011,22(4):1007-1012.
  [38] 汪吉东,马洪波,高秀美,等.水葫芦发酵沼液对紫叶莴苣生长和品质的影响[J].土壤,2011,43(5):787-792.
  [39] 黄红英,曹金留,常志州,等.猪粪沼液施用对稻、麦产量和氮磷吸收的影响[J].土壤,2013,45(3):412-418.
  [40] 徐卫红,王正银,王旗,等.沼气发酵残留物对蔬菜产量及品质影响的研究进展[J].中国沼气,2005,23(2):27-29.
  [41] 刘小刚,李丙智,张林森,等.追施沼液对红富士苹果品质及叶片生理效应的影响[J].西北农业学报,2007,16(3):105-108.
  [42] 赵金华,蒋卫杰,余宏军.沼液、化肥配施对西瓜产量和品质的影响[J].中国土壤与肥料,2010(4):53-56.
  [43] 赵理,卢绪奎,王新娟,等.沼液与秸秆配施在水稻有机栽培中的应用研究[J].江西农业学报,2016,28(2):6-11.
  [44] 周彦峰,邱凌,李自林,等.沼液用于无土栽培的营养机理与技术优化[J].农机化研究,2013,35(5):224-227.
  [45] 梁建军.沼液浸种对小麦生育特性及产量的影响[J].农业科技与信息,2007(12):30-31.
  [46] 范成五,刘德军,陈量,等.辣椒沼液浸种育苗效果研究[J].江西农业学报,2011,23(1):77-78.
  [47] 魏素珍,达仓,边巴吉巴.沼液浸种对油菜种子萌发的影响[J].现代农业科技,2012(16):13-14.
  [48] 袁大刚,刘成,蒲光兰,等.沼液浸种对万寿菊种子发芽及幼苗生长的影响[J].中国中药杂志,2011,36(7):817-822.
  [49] 王继军,黄士忠.沼液对农药的增效作用[J].农业环境保护,1998,17(4):190-191.
  [50] John Kangwa.Agroecological Analysis and Simulation Model of the Pear-Biogas-Pig Production Farming System[D].杭州:浙江大学,2003.
  [51] 李文涛,范金霞,李文哲,等.牛粪发酵沼液对立枯丝核菌的抑制作用[J].农业工程学报,2013,29(3):207-212.
  [52] 刘文科,杨其长,王顺清.沼液在蔬菜上的应用及其土壤质量效应[J].中国沼气,2009,27(1):43-46,48.
  [53] 张全国,李鹏鹏,倪慎军,等.沼液复合型杀虫剂研究[J].农业工程学报,2006,22(6):157-160.
  [54] 张昌爱,张玉凤,林海涛,等.沼液漫灌对设施土壤连作障碍因子的影响[J].灌溉排水学报,2014,33(2):117-120.
  [55] 倪亮,孙广辉,罗光恩,等.沼液灌溉对土壤质量的影响[J].土壤,2008,40(4):608-611.
  [56] Garg,R.N.Use of flyash and biogas slurry for improving wheat yield and physical properties of soil[J].Environmental Monitoring&Assessment,2005,107(1-3):1-9.
  [57] 林瑞芬.沼液在果树栽培中的应用技术及效益分析[J].现代农业科技,2017(1):91.
  [58] 孙国峰,郑建初,陈留根,等.猪粪沼液施用后土壤理化性状及水稻产量初步研究[J].中国稻米,2013,19(4):74-76,79.
  [59] Liu W K, Du L F, Yang Q C. Biogas slurry added amino acid decrease nitrate concentrations of lettuce in sand culture[J].Acta Agriculturae Scandinavica Section B-Soil and Plant Science,2008,2:10-14.
  [60] 徐卫红,王正银,王旗,等.不同沼液及用量对莴笋硝酸盐及营养品质的影响[J].中国沼气,2003,21(2):11-13,25.
  [61] 周杰良,王建湘,李树战,等.沼液对有机基质栽培青椒果实产量及品质的影响[J].农业现代化研究,2007,28(2):254-256.
  [62] 王伟楠.沼肥对杏树和苹果树的营养生长和果实品质的影响[D].杨凌:西北农林科技大学,2008.
  [63] 冯伟,侯翠翠,刘东洋,等.沼液与氮肥配施对小麦产量及品质的影响[J].麦类作物学报,2013,33(3):520-525.
  [64] 陈楠,高同国,姜峰,等.高效稳定沼液营养液对冬小麦产量及土壤养分的影响[J].中国沼气,2011,29(4):47-50.
  [65] Petersen S O. Nitrous oxide emissions from manure and inorganic fertilizers applied to spring barley[J].J Environ Qual,1999,28:1610-1618.
  [66] 黄红英,曹金留,靳红梅,等.猪粪沼液施用对稻麦轮作系统土壤氧化亚氮排放的影响[J].农业环境保护,2011,30(11):2353-2361.
  [67] 靳红梅,常志州.追施沼液对不同p H土壤CH4和N2O排放的影响[J].农业环境科学学报,2013,32(8):1648-1655.
  [68] 孙国峰,郑建初,陈留根,等.沼液替代化肥对麦季CH4、N2O排放及温室效应的影响[J].农业环境科学学报,2012,31(8):1654-1661.
  [69] Bhandral R, Bittman S, Kowalenko G, et al. Enhancing soil infiltrationreduces gaseous emissions and improves N uptake from applied dairyslurry[J].J Environ Qual,2009,38:1372-1382.
  [70] Vallejo A, García-Torres L, Díez J A, et al. Comparison of N losses(NO3, N2O, NO)from surface applied,injected or amended(DCD)pigslurry of an irrigated soil in a Mediterranean climate[J].Plant and Soil,2005,272:313-325.
  [71] Sistani K R, Warren J G, Lovanh N, et al. Greenhouse gas emissions from swine effluent applied to soil by different methods[J].Soil Sci Am J,2010,74:429-435.
  [72] 谢翡.规模化养殖场沼液还田对环境的影响[J].科技视界,2015(28):229.
  [73] 王昊川,史秋萍,陈玉成.模拟沼液灌溉对紫色土土壤环境的影响[J].水土保持学报,2013,27(3):174-177.
  [74] 陈瑶,史秋萍,陈玉成.沼液连续浇灌对旱作和水田土壤养分及重金属含量的影响[J].水土保持学报,2015,29(2):76-80,105.
  [75] 段然,王刚,杨世琦,等.沼肥对农田土壤的潜在污染分析[J].吉林农业大学学报,2008,30(3):310-315.
  [76] 黄治平,徐斌.规模化猪场区域农田土壤重金属积累及影响评价分析[J].土壤通报,2008,39(3):641-646.
  [77] 艾天,刘庆玉,李金洋,等.沼肥对生菜中重金属含量的影响[J].安徽农业科学,2007,35(16):4890-4890,4986.
  [78] 乔小珊,张馨蔚,陈玉成,等.沼液灌溉对稻田水环境影响分析[J].中国沼气,2013,31(4):21-26.
  [79] 王子臣,梁永红,盛婧,等.稻田消解沼液工程措施的水环境风险分析[J].农业工程学报,2016,32(5):213-220.
  [80] Feng H. The Resource Utilization of Anaerobic Fermentation Residue[J].Procedia Environmental Sciences,2011(11):1092-1099.

    石吕,刘建,魏亚凤,李波,薛亚光,毕智超.沼液在农业领域的资源化利用现状[J].中国农学通报,2019,35(35):109-117.
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