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農業種植中沼液的使用情況綜述

時間:2019-12-12 來源:中國農學通報 作者:石呂,劉建,魏亞鳳,李 本文字數:16681字

  摘    要: 沼液目前已逐漸成為農業種植領域炙手可熱的新型有機肥料和研究熱點,不管是對作物本身,還是土壤的修復機制或大氣、水環境都有著不可忽視的影響;沼液肥用的方式亦多種多樣,包括液體噴施和根部施肥等;同時在浸種和生物農藥領域沼液應用覆蓋面較廣,發揮了至關重要的角色作用。無可避免地,沼液肥用過程利弊共存,一些在沼液實際應用中尚需注意和無法忽視的細節問題還有待進一步研究商榷,以真正意義上達到一個最終和諧安全高效使用的原則,從而保障沼液這一經濟肥源切實做到效益最大化。因此,作者通過大量文獻資源調查統計,概述了沼液農用的主要方式和方法、取得成果、環境效益評價及存在問題的研究進展,并對沼液今后的資源化利用研究方向及預期成效進行了展望,以期為沼液在農業領域的全面普遍化和安全穩定化發展應用提供一定參考。

  關鍵詞: 沼液; 農業領域; 作物; 環境; 資源化利用;

  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

  沼氣工程在解決相關農村生活用能的問題上充分考慮和利用了農業廢棄物的可再生循環使用特點,這對生態型農業工作開展的逐步推進功不可沒。近年來隨著沼氣事業的蓬勃發展和日益興旺,已有越來越多的農民群眾開始關注和使用沼氣,沼氣一時間成為眾多科研者不謀而合的熱點話題之一。截至2011年,已有近3850萬戶沼氣池在全國范圍內相繼誕生,其中包括將近73032處大中型沼氣池[1],而每年的沼液排放量也已高達近1.3億t[2]。同時,鑒于中國養殖業的快速發展,沼液的排放量日益急劇遞增。據不完全統計,規;笄蒺B殖場每萬頭生豬存欄需要日處理沼液廢水120~180 m3,全國每年排放沼液超過2億t,且呈快速增長趨勢[3]。眾所周知,如若未經過后期繁雜的一系列加工處理程序及適宜的施用方法而將沼液直接排放,這對于四周環境的保護來說無疑是一件得不償失的事,對環境造成的破環也是極其嚴重甚至無法挽回的。因此,如何行之有效地將沼液進行循環利用已成為影響沼氣工程正常運行以及制約畜牧業健康發展的瓶頸之最[4,5,6]。另一方面,中國人均耕地面積不及全世界平均水平的1/2,但化肥施用量已然為全世界施用總量的1/3左右,這種因過度施用化肥所帶來的日益嚴峻的農業面源污染,將使我們面臨土壤重度酸化、作物各方面品質等急劇下降的后果。而沼液是人、畜禽糞污以及秸稈等有機物在沼氣池中經過充分無氧發酵產生沼氣后的殘留液體,含有植物生長所需的多種水溶性養分,除氮、磷、鉀等常量元素豐富外,還含有鐵、錳、銅、鋅和鈣等多種微量營養,以及腐殖質、水解酶和氨基酸等多種活性物質,無疑屬于一種優質的有機肥料[7,8,9,10,11]。此外,沼液具有提高種子發芽率,促進作物茁壯生長,降低病蟲害發生率,提高農產品產量和品質等一系列特殊性能[12]。因此,沼液在種植業領域的資源化利用,有望于部分或全面替代無機肥料成為更清潔,更優質,更高效的新型肥料,同時是解決沼液資源過剩問題的一個為之有效的快捷途徑,也是中國農業可持續發展道路的重要組成部分。目前,沼液在種植業領域的資源化利用因耕作制度、作物類型和種植地域等因素的不同存在較大差異。從而本文通過大量文獻調研,總結了沼液目前在種植業領域的應用現狀、應用效果和存在問題,并對中國沼液的資源化利用前景進行前瞻性展望,以期為沼液在農業種植領域的高效利用提供一定參考。
 

農業種植中沼液的使用情況綜述
 

  1、 沼液的主要利用方式

  縱觀前人研究中沼液處理方式,歸納起來大體有四類,從大層面來講主要包括低成本和高成本處理兩種,再進行細分的話,低成本處理亦可分為資源化高效利用和自然生態凈化方式,高成本處理則無外乎工廠化處理和高附加值的開發利用。中國當前的農業生產與發達國家相比仍有較大差距,生產成本依然是農民在生產實踐中考慮的首要因素,從而極大地限制和約束了許多高成本高效率途徑的推廣應用。因此,沼液在種植業領域的資源化利用仍以低成本利用為主。

  1.1、 沼液肥用

  沼液中的N、P、K等元素是維持植物生長過程中不可或缺的營養組成,同時,一些微量元素(諸如鐵、鋅、鈣等)和相關生長素以及氨基酸、維生素種類的生物活性物質在促進種子萌發、調節植物生長和增強植株抗性方面具有至關重要甚至無可替代的作用。有研究表明,施用一定量的沼液不僅能夠提高作物產量、改善農產品質量,而且有利于土壤培肥[13,14,15]。因而沼液肥用是保障生物質資源可循環利用的一個有效途徑[16,17,18]。

  1.1.1、 沼液噴施后的沼液含有全

  經過充分腐熟和發酵價的氨基酸、豐富的腐植酸以及鐵、錳、銅、鋅、硼等多種微量元素,同時其中包含了以速效成分狀態存在的氮、磷、鉀等大量元素,可利用率較高,是一種不可多求的多元速效復合肥料,可被作物莖葉等器官迅速吸收和利用[19,20]。

  袁怡等[21]以柑橘和生菜作為研究對象,發現在沼液噴施情況下,一天時間內,葉面大約可吸收噴施總量的80%。同時沼液富含白菜生長所需的各種營養組成和微量元素,兼具滅菌殺蟲的性能,噴施一定量的沼液不僅使得化肥施用量降低,亦提高了白菜的產量及各類品質性狀[22]。甘藍上也有所應用發現,隨著沼液噴施濃度的增大,甘藍葉面積有增加趨勢,高濃度的沼液雖然一定程度上可以促進甘藍生長,但卻抑制了開展度,沼液根外追肥應控制在1.25 t/hm2左右,葉面噴施濃度應調配為50%[23]。李明娟[24]在研究沼液噴施馬鈴薯的效果對比試驗中,發現馬鈴薯的單株塊莖數及薯重得到明顯提高,從而產量及商品率亦得到顯著改善。西紅柿沼液噴施試驗亦有很多,其結果綜合表明,葉面噴施沼液,可調節西紅柿的生長代謝、增強光合性能,有利于花芽的分化,提高座花座果率,熟期一致,果實光澤度好,同時可防治病蟲害等,且經濟效益和社會效益異常突出[25]。使用沼渣做基肥,雖然噴施沼液濃度在20%~50%時,均利于番茄農藝性狀和果實品質的改善,提高果實風味,降低果實中的硝酸鹽含量,但其中以50%濃度時效果最佳[26]。王曉金[27]發現,沼液噴施不僅可以改善辣椒的生長發育情況,而且增產增收效果顯著,與噴施磷酸二氫鉀相比,增產1680.0 kg/hm2,增收2016.0元/hm2;與噴施豐產素相比,增產1759.5 kg/hm2,增收2111.4元/hm2。何梅等[28]采用不同濃度的沼液對‘西州密17號’甜瓜進行葉面噴施發現,適宜濃度的沼液噴施可提高葉片中的營養組成,降低葉片的抗氧化酶活性,從而提高單瓜重達到增產豐收的目的,其中以75%的噴施濃度相對效果最佳。宋兵偉等[29]發現葉面噴施沼液對于提高哈密瓜單瓜重及品質很有效,其中并以75%的噴施濃度最佳,可使單瓜重增加21.62%,提高可溶性固形物大約16.67%,類胡蘿卜素16.65%左右,而纖維素含量降低19.37%。潘軍等[30]研究發現,葉面噴施沼液可有效改善蘋果樹體的營養狀況,對于果實商品性狀的改良也效果獨到,且能較大程度上減輕病蟲危害;同時,蘋果葉片的長、寬、面積和百葉重及新梢長度、粗度都呈現增加的趨勢[31]。董小紅等[32]得出,與常規施肥管理相比,茶園葉面噴施沼液產量更高,約可增產11.2%,經濟效益顯著。而在大田耕作條件下,噴施沼液可提前小麥熟期,增加小麥干物質積累量,提高產量,改善品質,減少病蟲害。尤其小麥生育后期為噴施沼液的關鍵時期,其效果遠遠優于前期沼液噴施[33]。綜上可看出,沼液噴施技術在瓜果蔬菜及糧食作物等領域已得到較為廣泛的試驗應用和理論認可,無論是在促進作物本身的營養和生殖生長發育發面,或是在經濟效益和商品效益方面,都使得沼液利用途徑可圈可點,逐漸走上了一條讓廣大民眾更為喜聞樂見,易于接受的沼液肥用道路,更加顯得有價值意義。但針對不同作物,應準確把握好沼液施用的濃度和適宜時期,最大化沼肥效益的發揮。

  1.1.2、 根部施肥

  沼液是一種富含多種水溶性養分的無公害速效肥料,具有方便使用、低成本、易吸收、肥效優等特點,可迅速輸出養分,促進光合作用,增加干物質積累,被廣泛運用于根部施肥[34]。目前沼液根部施肥的主要方式有沼液灌溉,沼液穴貯,沼液與無機肥配施,沼液與秸稈配施,無土栽培營養液等。沼液適宜作為根部肥料施用,但不能直接用于根部追施,防止燒苗。其中最簡便易行的方式當屬與適當比例的水混合均勻,直接施入農田進行灌溉[35]。沼液穴貯是沼液根部施肥的另一種方式。亓翠玲等[36]針對櫻桃樹生長迅速,發育階段性明顯而且集中的特點,利用沼渣、秸稈等吸水蓄肥的性能,并結合沼液全方位營養齊全、水肥配比適宜的特性,通過土壤埋填的方式在果樹根系四周布設一個所謂的“水肥穴”。由事先浸足沼液的蓄水保肥材料構建的“水肥穴”與周圍土壤在吸水性能方面具有顯著差異,因而水分可保持更為長久,從而減少蒸發散失損耗,有利于緩解果樹的干旱脅迫癥狀并在此基礎上相應提供足夠的養分用于櫻桃樹體的健壯生長。王述河[23]研究表明,根際追肥時,沼液用量應控制在30 t/hm2左右,使用時保持地面平整,采用旋耕機旋耕一定深度,并按照一定比例開溝,待將沼肥倒入溝中后,再按照一定比例封土起壟。而目前國內外大多數研究主要集中于探討不同沼液與無機肥配施比例對作物產量的具體影響,多數研究者持一種并非沼液所占比例越高越好的態度,而是可能存在一個或一段最佳混合比例[37]。本著高產和清潔的基本施肥原則,沼肥基用時應控制施用量大約在45 t/hm2,同時為了最大化經濟效益和社會效益,可配合加入尿素300 kg/hm2,便能有效提高甘藍的葉面積、開展度和葉綠素含量,進而促進其光合作用,間接提高產量[23]。汪吉東等[38]通過對紫葉萵苣追施水葫蘆發酵沼液發現,等氮量前提下,相較于單施化肥處理,沼液配施化肥的效果更為突出,且沼液替代75%化肥氮是最佳施用比例,促進萵苣的生長和養分吸收的同時,縮短了其生長期,提高了商品率。黃紅英等[39]也發現,化肥中等比例替代(水稻N75%替代,小麥N 50%替代)沼液并分3次施用,可獲得與純化肥處理相當的產量,且在一定程度上提高了稻麥氮素累計量和氮素當季表觀利用率、凈生物累計量和產量。在其他作物[40,41,42]的研究中同樣也證明沼液添加比例過高或過低均不利于作物的增產。趙理等[43]通過對稻田研究發現,沼液與秸稈配施,加速了秸稈的腐解進程,并且通過兩者效應互作,創造出適于水稻生長發育的肥效環境,有效解決了有機栽培特別是秸稈還田條件下水稻前期生長氮素供應短缺的矛盾,并對病蟲草害具有一定的防控作用,合理調控了水稻生長機制,確保了中后期穩健生長,建立了適宜的群體數量和空間分布結構,從而提高了水稻單產。有研究表明[44]沼液的營養組成豐富,除硝態氮和硫含量較低外,氨氮、粗蛋白、粗脂肪和粗纖維等成分非常豐富,并且富含多種酶類、維生素等利于作物生長發育的成分,還有大量的常、微量元素,均高于專用無土栽培營養液,在蔬菜無土栽培方面有很大的優勢。而根據蔬菜栽種品種、品質及對微量元素的需求差異不同,利用沼液及其他微量元素配制成無土栽培營養液來種植蔬菜,可滿足植物的多種營養需求,增產優質效果尤為顯著。同時,這種營養液技術制作簡單、成本低,且易于推廣和應用于生產中[35]?梢,沼液根部施肥以沼液與無機肥配施的方式更為普遍和相對成熟,一定程度上對作物的生長環境更加有利,促成作物收成頗豐與沼液合理利用的“雙贏局面”,同時也存在一個適當合理的配施比例,因此在實際生產過程中要予以重視,并深入挖掘其他根部施肥方法的改進措施以便快速運用于各類作物的生長發育進程中。

  1.2 、沼液浸種

  沼液含有多種營養元素,氨基酸、生長素和維生素等生物活性物質也含量豐富,利用其浸種具有明顯的抗病、壯苗及增產作用。將種子置于沼液中浸泡后再播種,與清水浸種相比,可明顯提高種子發芽率(5%~10%)和成秧率(10%~15%)[12,35]。用腐熟較好的且發酵時間較長的沼氣100%原液來浸種處理小麥種子,較對照清水處理發芽率提高了13個百分點,種子提前3天出苗,葉色濃綠,葉長增加1.7 cm,葉寬增加0.1 cm,幼苗干重增加0.7 g,成熟期縮短2天,產量增加379.5 kg/hm2,增產率為9.2%[45]。辣椒經沼液浸種后較清水浸種的處理增產5.17%~9.09%,其中以浸種16 h的處理產量最高,鮮椒產量達2429.79 t/hm2,增產率9.09%,增產效果達到顯著水平。同時在沼液浸種過程中,中途晾曬并不會對辣椒的產量產生相關作用[46]。而適宜濃度和時間的沼液浸種會促進油菜和萬壽菊種子萌發以及后期的生長,過高濃度及太長的浸種時間對于種子萌發均是不利的,其中以50%沼液浸種5小時對萬壽菊種子發芽及幼苗生長的綜合效果最佳[47,48]。

  1.3、 生物農藥

  沼液不僅含有NH4+,較豐富的營養元素(維生素、赤霉素、吲哚乙酸等)和微生物代謝產物,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類)等活性物質,兼具營養和殺菌功效,并能較好地發揮刺激和抗逆特性,因此被認為是無污染、無殘毒和無抗藥性的“生物農藥”,可應用于防治病蟲害和提高植物抗逆性,而且當沼液與一定量的藥物混合施用后還能明顯增強防治效果[35]。這主要歸因于沼液氧化還原電位低,其中所含的眾多還原性物質可以與害蟲產生生理奪氧及運動去脂等激烈反應,從而有效驅殺害蟲。而一些微生物菌種則通過譬如拮抗、競爭及重寄生作用來有效阻止其他菌種的繁衍,其自身分泌的某些特殊物質也能高效抑制有害病菌的生長繁殖[1,49,50,51]。沼液中含有的多種抗生物質對于紅蜘蛛、蚜蟲、白粉虱及霜霉病、白粉病、灰霉病等病蟲害均有良好的防治作用。農田普遍發生病害方面,沼氣發酵殘留物對目前較常見的30種病害均有顯著的防治效果,其中對至少20多種病害的防治已達到或遠超現行使用農藥的效果;蟲害方面,19種蟲害已得到明顯的遏制與預防;病原菌方面,已有研究發現,沼氣發酵殘留物對一些致病菌具有極其顯著的抑制效果,諸如副傷寒桿菌、大腸桿菌及豬丹毒桿菌等,而對衄霉、10株青霉及17種農作物病原菌則產生不同程度的截然不同的抑制作用[52,53]。生產中主要采用沼液浸種、沼肥基用和追肥等措施來進行病害的防治,而蟲害的防治方法主要有直接施用沼肥和噴灑沼液[35,53]。

  2、 沼液的正面應用效果

  沼液中不僅含有豐富的營養元素,土壤改良類有機態物質也異常充足,同時還兼具各類易于植物可快速大量吸收利用的小分子腐殖質,因此在保障生物質資源可循環利用方面沼液始終發揮著重要的作用。有研究表明,沼液的施用一定程度上確實可以增加作物產量,并同步提高農產品質量,且還有益于土壤肥力的持續保持和完善修復過程[14,17,18,54]。

  2.1、 沼液對土壤的改良作用

  沼液中除了氮、磷、鉀等營養元素可有效提高土壤肥力外,腐殖酸等有機質也可促進土壤團粒的形成,從而達到疏松土壤的作用,一些活性物質亦可增強微生物活性和酶活性,進而起到調節土壤理化性質的作用,從源頭上有效改善植物的生長環境和營養需求[55,56]。根據調查顯示,施用沼液沼渣后,土壤有機質含量變化最明顯,可提高大約0.17%~0.60%,全氮增加最少,為0.003%~0.005%,全磷則增加0.01%~0.03%。銅、鋅、鐵等微量元素也隨之發生不同程度的活化作用,從而增加活土層的深度,有利于土壤物理性狀的改善。亓翠玲等[36]研究發現,肥水穴貯2年后,施用沼液能夠顯著增加櫻桃樹體四周表層土的有機質含量,由于沼液及大量有機物質的添加,土壤中的整體營養結構發生明顯改善,呈現為堿解氮、有效磷和有效鉀的含量顯著提高,電導率值也表現大幅的上升。也有研究[54]表明沼液一定程度上可以增加土壤中水溶性鹽分,短期內明顯提高土壤pH值及細菌數量,顯著降低土壤真菌及放線菌數量;且隨著沼液施用量的增加,土壤全氮、速效磷、速效鉀及有機質含量呈差異不顯著性增加;并且新鮮沼液和陳放沼液在對土壤線蟲的抑制效果上存在些許不同,抑制率分別為49.3%和37.2%,其中新鮮沼液對設施土壤障礙因子的影響優于陳化沼液。由此可見,沼液灌溉可明顯改善土壤的理化性能,增加土壤有機質,提高土壤p H值甚至趨向于中性,從而有效維持土壤養分平衡,以進一步增強土壤肥力[57]。但同時也存在一些其他觀點,孫國鋒等[58]則認為,50%和100%沼液替代化肥處理相比于常規施肥處理,耕層土壤容重、全氮、全磷、速效鉀及有機質含量并未產生顯著性差異變化。

  2.2、 沼液對不同作物的影響

  研究表明,通過合理的調配或稀釋途徑,施用沼液可明顯提高蔬菜的產量[59]。比如說在施用一定量化肥的基礎上,再補以合理的沼液肥料,便可最大程度化降低盆栽萵筍生長期葉片中硝酸鹽的含量,有效抑制萵筍中VC及可溶性糖的積累,提高收獲期萵筍株高、氨基酸含量及最終產量,其中尤以農作物秸稈發酵后產生的沼液能明顯獲得良好的萵筍營養品質[60]。類似地,在青椒有機質栽培試驗中發現,當采用不同濃度的沼液代替無機養分后可極顯著提高青椒商品果的合格率及產量水平,可溶性糖無明顯變化,同時明顯降低青椒中硝酸鹽組成及維生素C含量,但由于果實酸度有所降低,反而使得青椒的風味口感大大提高[61]。果樹方面,王偉楠等[62]指出,如在恰當的施肥期對蘋果樹和杏樹噴施以適宜濃度的沼液有利于果實縱、橫徑、硬度、單果重、果形指數及可溶性固態物含量的提高,并減少可滴定酸生成,從而改變固酸比,提高果質和食味。并得出,蘋果樹在葉片展開期和生長期以及果實膨大期分別噴施一次濃度為75%的沼液會獲得最佳效果,而杏樹則以在葉片展開期和生長期分別噴施一次濃度為50%的沼液相對組合較優。大田糧食作物方面也涉及較多。就拿水稻來說,在以沼液為基肥的基礎上,追肥使用復合肥會獲得較高水稻產量,盡管與基、追肥均使用復合肥處理相比無顯著差異,但用沼液替代復合肥做基肥顯著減少了生產成本,還明顯促進了水稻分蘗的形成和生長,最終稻米中雖然銅和鎘含量變化不明顯,但鉛含量顯著降低,并強化了鐵、鋅營養,表現出優良的稻米品質?墒窃谝欢ㄒ饬x上,沼液完全替代復合肥等化學肥料是不可行的,這對于水稻的生長發育及其產量形成是不利的[3]。但孫國鋒等[58]通過試驗發現,50%和100%沼液替代化肥處理與常規施肥處理及秸稈還田處理相比,并未發現水稻減產等現象,初步判定沼液可全量替代化肥。小麥也被作為試驗對象研究較多,馮偉等[63]發現,在基施沼液的前提下,追施化肥氮可增加小麥產量,其中以1/2U+1/2B(沼液氮作基肥占總氮一半,尿素氮作追肥占總氮一半)組合最優,能夠同時提高產量,粉質參數、拉伸參數、淀粉糊化特性和蛋白組分等品質指標,做到高產和優質兼顧,相反純施沼液則效果欠佳。同時在冬小麥生長的返青期使用沼液可顯著促進其生長和干物質積累,從而達到增產的目的,增產幅度可達23.3%[64]。

  3、 沼液應用的環境效益評價

  近年來,全球溫室效應不斷加劇,極端天氣日益增多。在中國農業生產過程中,隨著化學肥料的過量使用,農田生態系統已成為溫室氣體的重要排放源之一,至于沼氣施用與溫室氣體之間的關系也有所涉獵。而沼液中含有大量的碳、氮元素,能夠改變土壤的碳氮比,并影響其中的碳氮轉化過程,從而直接對土壤環境或間接對水、氣環境產生不同程度的影響。

  3.1、 大氣環境

  目前,普遍認為沼液施用增加了土壤中的碳素含量,進而提高CH4排放量。但對于土壤N2O排放的影響,由于土壤硝化反應及反硝化反應過程容易受到土壤溫、濕度、pH值和氮素含量多少等多種因素的影響,因此結論各異[65]。黃紅英等[66]在研究沼液對稻麥輪作農田系統土壤環境中N2O排放量及排放規律的影響時發現,稻季完全施用沼液的處理N2O累積排放量顯著高于完全施用化肥的處理,麥季完全施用沼液處理N2O的累積排放量與完全施用化肥處理無顯著差異。靳紅梅等[67]通過在不同pH土壤中施用豬糞沼液,結果也證明施用沼液會顯著提高N2O從土壤中排放的速率,且p H值越高,效果越明顯。而孫國鋒等[68]則發現,50%和100%沼液替代化肥處理由于顯著減少了稻田麥季N2O的累計排放量,從而減少麥季全球增溫潛勢(GWP)及單位產量的全球增溫潛勢,進而降低稻茬麥季的綜合溫室效應。此外,沼液的前處理途徑和施用方法的不同,對土壤N2O排放的影響也大相徑庭。已有研究結果表明,施用厭氧條件下發酵完全的沼液可有效降低農田的N2O排放[65],采用靜態池來消除沼液中的懸浮物對農田N2O的排放來說并無顯著影響[69],而沼液施用方式對農田N2O排放的影響報道不同研究者也各持己見[70,71]。

  3.2、 土壤環境

  沼液是發酵產生沼氣后的殘留物之一,一定程度上能夠促進土壤有機質的提高,而有機質可通過吸附較多陽離子來保持土壤的肥力和緩沖性,并使得土壤結構變得疏松,從而改善土壤物理性狀,同時它也是土壤微生物維持生命活動所不可或缺的重要能源和碳源。比如小麥、玉米或冬季種大蒜,沼液便能夠提供給這些作物充足的養分用于生長發育[72]。但隨著不斷的沼液施用,沼液中原本就含有的重金屬微量元素便逐漸開始殘留和積累于土壤中,盡管植物-土壤系統對于一些重金屬離子具有較強的自我凈化作用,短時期在適量范圍內不會污染土壤,可苦于并無相應的沼液還田規范措施,因此如果繼續長期大量的施用沼液,會加重土壤對于重金屬成分的承受力,從而大大增加土壤被污染的風險和幾率[14]。隨著澆灌時間的累積,鉛、鎘等重金屬元素含量呈緩慢增加趨勢,可能會最終導致鉛、鎘的富集,污染土壤,造成不可挽回的損失。土壤有機質和總氮含量也大體表現出下降的趨勢,總磷卻呈現緩慢的上升趨勢,從而可能導致土壤營養結構失衡[73,74]。段然等[75]對連續施用了沼液6年的土壤進行取樣測定,發現土壤中Zn和Cu含量顯著提高,其他重金屬含量也均高于對照土壤。黃志平等[76]研究,灌溉豬場廢水主要造成土壤Cu和Zn的積累。連續灌溉8年后盡管土壤中的Cu、Zn、Cr、Pb、As和Ni含量保持在安全范圍內,但重金屬有效態含量不僅與全量呈正相關,而且負相關于土壤pH值,由于灌溉豬場廢水會酸化土壤,從而土壤重金屬有效態含量也會相應有所增加,而重金屬中屬有效態對作物的影響起主要作用。因此,長期灌溉豬場廢水時,不但要關注土壤Cu和Zn的富集,還要留意豬場廢水對Cu、Zn及其他一些重金屬有效態含量增加的影響。此外,沼肥作為有機肥能夠明顯降低蔬菜體內的硝酸鹽和重金屬含量,其中豐富的有效養分和植物活性物質,對于提高蔬菜的品質,并增強其對生物和非生物脅迫的抗逆性,有顯著的作用[52,77]。然而,由于沼液的成分很復雜,如何與無機肥高效配合才能夠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鹽和重金屬等有害物質在土壤中的積累,還有待進一步深入研究。

  3.3、 水環境

  沼液是畜禽糞污經厭氧處理的后續產物,因此其中所含的固體懸浮物、氮磷等有機物的含量要相對較高,自身就是水體污染的威脅之一,施入土壤后借助農田水分的運移作用,通過地表徑流和地下滲漏等方式進入周圍或地下水體環境,改變水體的物、化及生物群落的結構和組成。沼液中的有機物在生物降解過程中會消耗大量水體溶解氧,間接造成水生生物的死亡,導致湖泊河流喪失使用功能,水體變黑水質發臭,對周邊水有潛在的污染風險,尤其會威脅到地下水的安全,地下水一旦受到污染,治理和再修復的過程將異常艱辛和困難。因此長期過量的沼液灌溉在對農田水環境的影響方面仍存在很多隱患,致使沼液農用途徑的研究任重道遠[72]。喬小珊等[78]研究發現,稻田單季沼液灌溉量為2250 mL/kg的前提下,灌溉初期,完全沼液替代處理的上覆水中養分含量明顯高于只灌水處理,致使養分流失的可能性增大;而重金屬含量基本無變化,大多被水稻吸收,因此對土壤的污染幾率也小。但后期發現稻田下滲水中的養分含量急劇上升,且遠超地下水富營養化的閾值,嚴重威脅到地下水的安全。因此,他們認為在實際生產中沼液的總氮和總磷含量應分別控制在小于1199.0 kg/hm2和62.5 kg/hm2。王子臣等[79]通過相關試驗得出:(1)灌施沼液后的最開始3天為水稻田消解沼液的關鍵階段,可降解一半甚至更多的總氮(46.7%~78.4%)和銨態氮(47.5%~85.3%),研究不同生育期的沼液消解速率不難發現基蘗期遠小于穗肥施用期;同時,為了最大程度上降低沼液灌溉初期由于地表徑流等原因所直接造成的水體富營養化危險系數,通?啥氯咎锍鏊诨蛘咴龈卟煌飰K的埂高度大約5~10 cm,達到嚴格限制地表徑流的沼液總量和流動速率,保障消解流程的整體安全化,從源頭解決農業面源污染的致命點。(2)當沼液消解量達到706 t/hm2以上,即沼液中氮含量高于2倍的常規施肥氮含量時,基蘗期和穂肥期源源不斷的沼液流入對大田周圍水體環境危害遠遠比常規施肥狀況下嚴重些;而消解量在353 t/hm2時,最終所致的風險稍低。由此表明,少量多次的方式是為稻田沼液消解工程的相對最佳選擇。(3)稻田沼液消解過程中基蘗期這一階段對下滲水的污染可能性最大,其中尤以NH4+-N污染最為嚴重且集中,而NO3--N污染風險系數則相對較小,在此途徑中,下滲水的深度不同也會造成污染的程度各異。同時,基蘗期稻田沼液消解能力較弱,單次總量應控制在211.8 t/hm2以內,而穗肥施用期與之相反,每次只要不高于423.5 t/hm2在整個水稻生育期內都是可行的。亦有研究發現,一定量的沼液投入魚塘,不僅能促進浮游生物的繁殖生長,提高水中溶解氧的含量,還可以減少泛塘發生,改善魚類的生長環境[16]。

  4、 沼液應用存在的一些問題

  首先,一般大型的沼氣工程所產生的沼液量巨大,沼液的儲存與運輸設備也相對不完善,加之中國人口眾多,每個農戶所占農田土地面積小,管理不集中,并不能達到大面積消解利用沼液的要求。而且單一的沼液農用途徑存在極大的供需失衡現象,現有條件下中國的農用土地總量還難以滿足日益產出的沼液消耗,農民在農業生產過程中主動積極地采用沼肥的意愿還相對淡薄,因此季節性沼液過剩成為一個棘手的問題。同時伴隨著沼氣等厭氧發酵工程大規模發展的是沼液沼渣等殘留物的快速大量累積,因此如何妥善處置發酵殘留物已經成為限制厭氧發酵技術發展的瓶頸之一[16,17]。

  其次,因為沼液是厭氧發酵的產物,其所蘊含的營養物質和微生物在接觸氧氣后會發生質變,營養物質(如氮)含量降低,活性物質喪失活力或變質,大大降低其利用價值。而隨著規;託猱a業的迅速發展和大量沼液的產生,異地消納使得沼液的長途運輸和貯存問題不可避免地如期進行。因此,研究影響沼液性質變化的因子,研制相關沼液穩定劑,使沼液中的營養成分保鮮期更長久,從而成為高效且穩定的沼肥應用于農業生產中,對于保障沼氣產業化的健康發展以及作物的穩產增產均具有深遠的意義[64]。

  但最主要的是,由于中國氣候、土壤、降水及作物類型在不同地區存在很大不同,且尚未出臺相關沼液全程灌溉的成熟技術規范措施,同時沼氣發酵過程中投放原料的類型、數量和摻水量存在一定差異,這將形成不同成分和養分的沼液成品,使得沼液在施用環節潛藏巨大的風險系數。比如當沼液作為葉面肥、浸種劑或配制無土栽培營養液時,須進行適當的稀釋來調節電導率,改善還原性環境[44]。過高濃度的沼液會抑制作物種子的萌發和生長發育過程[80]。而不合理甚至連續過量或長期的沼液施用將會造成磷、硝酸鹽以及重金屬的沉積和累加,從而對土壤、作物、水體構成無形的污染,造成土壤和水體質量整體下降,間接威脅到人類的健康發展[7,12,16]。研究還發現,沼液中有大量微生物甚至有害微生物存在,而且可能含有多環芳烴、酚類化合物、二惡英、氯化石蠟和鄰苯二甲酸酯等持久性有機物,畜禽等排泄物經厭氧發酵后可檢測到較高的喹乙醇激素和四環素類抗生素。因此農用過程中,沼液直接作用于農作物、畜禽或土壤,密切接觸食物鏈,很大程度上會存在食品安全隱患,甚至危及到生態與環境的和諧[16],同時施用過沼液的土壤還會產生類似抗生素污染的風險[75]。因此,徹底強化沼液還田利用的環境效益評價迫在眉睫,并需從整個生態系統層面尤其是植物-土壤-地下水系統來聯系沼液的合理優化使用,堅持最大程度清潔化使用原則,降低沼液在農林牧漁業等領域實施的未知風險,做到從根本上保障食品的安全優質,最小化或徹底消除沼液施用對生態環境的傷害程度。

  5、 研究展望

  沼液資源化利用實現了由“廢”到“寶”的轉變,是沼液處置的優先選擇。但沼液在實際應用過程中也遭遇了重重阻礙和棘手問題,比如沼液資源過剩、安全評價、高附加值效應和運輸儲藏完善等等。因此筆者建議今后加強或著眼于以下幾方面的重點研究和工作:(1)集中于研究沼液施用對同一種作物或土壤類型的效應,確保沼液源的相同,著眼于等質污染物探討,從而減小不同研究者試驗間的爭議,得出較為一致可靠、令人信服的結論,以進一步明確沼液利用對農林牧漁業等領域的安全性評價。(2)深入發掘長期施用沼液的效應評估和梯度沼液處理體系,逐步明晰沼液中哪些抗生素類有機物的確會對環境造成破壞,全面化和定論化沼液利用安全性評價工作。(3)探索更具多樣性和安全性的沼液資源化利用的高價值和間接消費模式,通過一些途徑不斷提高沼液的附加值,如采用物化方法或某個中間媒介收集沼液中的有用成分,處理和調配沼液用于生產高性能比的微生物培養基,充分化利用沼液的理化性狀和微生物資源,拓寬沼液全方位利用的視角,減少甚至完全避免沼液直接流通于食物鏈,造成不可挽回的損失。(4)汲取國外先進理念和經驗方法,抓緊制定并健全沼液資源化利用的相關標準流程和技術規范措施,從源頭上控制發酵原料的污染化,嚴格把控發酵液污染物和最終沼液污染物不會超標,優化整個厭氧發酵過程,從而最大限度地遏制沼液利用過程中污染物的擴散,實現達標排放和物質富集平衡發展。(5)多向農民宣傳沼液利用的好處和預期獲得的最大效益,調動他們主動在農業生產中接納和使用沼肥的積極性,或開發濃縮等先進手段來減小沼液產品的體積,甚至研制一些防腐劑來延長沼液的保鮮期,維持長久的生物活性和肥力效果,并進一步完善沼液運輸設備機具,從而在根本上解決沼液資源過剩的難題,及時高效解決沼液的供需平衡矛盾。(6)實際應用中,針對不同作物,應選用合理的沼液濃度,確定適宜的施用時期和方式,在與秸稈或無機肥等配施過程中嚴格把握好替代比例,從源頭上控制好沼液中總氮、總磷等有機物含量,充分消解,在最大化沼液肥用效益和社會效益的同時,平衡好沼肥與環境的友好健康發展。

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