黄继川，彭智平，徐培智，涂玉婷，杨林香，吴雪娜，林志军

（广东省农科院农业资源与环境研究所/广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室/农业部南方植物营养与肥料重点实验室，广东 广州 510640）

沼液稻田消解对水稻生产、土壤肥力及环境安全的影响

黄继川，彭智平，徐培智，涂玉婷，杨林香，吴雪娜，林志军

（广东省农科院农业资源与环境研究所/广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室/农业部南方植物营养与肥料重点实验室，广东 广州 510640）

通过大田试验研究了灌施沼液对水稻产量、重金属含量、土壤肥力和土壤环境质量的影响。结果表明，施用沼液能够有效提高水稻籽粒产量和稻秆生物量；提高稻秆N、P、K含量和籽粒N含量，促进N、P、K养分的累积。与无肥对照相比，随着沼液用量的增加稻秆As含量有增加的趋势，籽粒As以及稻秆和籽粒Pb含量没有升高风险，而稻秆和籽粒Cd含量随沼液用量增加呈下降趋势，稻秆和籽粒中Hg与Cr未检出。施用沼液土壤有机质得到明显提高，改善土壤pH；而土壤重金属Cd、Cr、As 、Pb、Hg含量均符合国家土壤质量二级标准值（GB 15618-1995），无重金属污染风险；但As、Cr含量与沼液呈显著或极显著正相关，长期施用沼液有可能导致土壤As、Cr含量超标。

沼液；水稻；产量；养分；土壤；重金属

近年来我国养殖业发展迅速，仅广东2012年生猪出栏头数达到3 736.18万头［1］，畜禽养殖废弃物急剧增加，给生态环境带来沉重的压力。目前通过沼气工程处理畜禽粪便进行资源化利用已经成为一种主要的处理措施［2］，然而产生大量的沼液需要一个合理的消解途径，沼液中含有大量的N、P、K、中微量元素和多种氨基酸、维生素、水解酶类以及抗生素，是一种优质的植物养分资源［3］，如果能够直接进行养分资源利用，则既可达到沼液消解的目的，又能为农业生产提供优质肥源，一举两得。目前沼液回灌农用的生产效果及生态效应已成为研究热点之一。研究表明沼液回田能有效提升土壤综合肥力、提高产量和改善品质［4-9］；同时在农作物抗逆［10］、抗病［11］以及提高土壤酶活性、促进土壤微生物生长方面也有较好的效果［12-15］。前人在水稻［16-17］上开展了灌施沼液的农业生产和生态效应研究，但在华南地区尤其是珠三角地区对主要的稻田农业生态系统相应的研究鲜有报道。由于养殖业沼渣和沼液等废弃物同时存在作物所需的养分以及重金属［18-19］，如长期灌溉回田利用有造成稻田土壤重金属含量累积的风险［20］。本研究采用华南地区普遍存在的稻田农业生态系统进行沼液消解利用试验，通过水稻生长情况、农产品重金属含量以及土壤环境质量的变化评估灌施沼液对稻田生态系统的影响，为沼液在农业生产中的资源化利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试沼液养分含量：N含量628.1 mg/L，P含量78.4 mg/L，K含量458.8 mg/L，pH 8.64；重金属Pb、Cd、Cr、As、Hg含量分别为0.74 mg/L、50.8 μg/L、1.61 mg/L、0.47 μg/L和539.6 μg/L，pH 8.64。早稻和晚稻供试水稻品种均为广东省农科院水稻研究所提供的黄秀软占。

试验于2013年在惠州市博罗县湖镇镇进行，在试验前（3月20日）采集水稻田0～20 cm耕层土壤测定其基本理化性质为：有机质22.31 mg/kg，碱解氮115.22 mg/kg，有效磷56.16 mg/kg，速效钾78.41 mg/kg，pH值 5.03。

1.2 试验方法

试验设不施肥对照及施沼液 200、400、600、800、1 000 m3/hm2等6个处理（分别用CK、ZY200、ZY400、ZY600、ZY800、ZY1000表示），每个处理3次重复，小区面积40 m2，小区间起宽30 cm、高30 cm的田埂并用尼龙膜阻隔，小区之间设保护行宽2 m，保护行不施肥。水稻移栽前（早稻4月7日、晚稻8月7日）进行沼液灌施，7 d后移栽水稻秧苗。

1.3 样品采集和检测分析

在水稻收获期（早稻7月18日，平均气温30.1℃；晚稻11月20日，平均气温19.3℃）实收测产，每个小区采集0～20 cm土样，每个土样采集10个样点混合，风干供土壤理化性质测定和重金属分析；每个小区分别采集稻秆和籽粒烘干进行养分和重金属分析。稻秆和籽粒养分含量及土壤理化性质均参照鲁如坤的方法［21］测定，其中水稻秆和籽粒（带稻壳）重金属（Cd、Cr、Pb、As、Hg）含量用HNO3-HClO4（4∶1）消解、石墨炉原子吸收分光光度法测定，土壤重金属Pb、Cd、Cr用HF-HClO4-HNO3消解。原子吸收分光光度法［21］测定，As、Hg用硫酸-高锰酸钾消解、冷原子吸收法［21］测定，土壤重金属的检测均从国家标准物质中心购买标准样品为内标进行质量分析控制。水稻收获指数计算公式为：

数据采用SAS 9.0和Excel 2003软件分析。

2 结果与分析

2.1 施用沼液对水稻产量及养分累积的影响

从表1可以看出，早稻和晚稻稻秆生物量均以CK最低，显著低于其他处理。随着沼液用量的增加稻秆生物量逐渐提高，ZY800处理较ZY200、ZY400、ZY600处理提高8.04%～10.02%，差异显著；而ZY1000处理稻秆生物量达到4 909 kg/hm2，显著高于其他处理。晚稻稻秆生物量随着沼液用量的增加先升高后下降，至ZY800处理最高，显著高于CK和ZY1000处理。早稻和晚稻籽粒产量均以CK最低，早稻随着沼液用量的增加籽粒产量逐渐提高，至ZY800处理达到最高，显著高于CK、ZY200和ZY400处理，而至ZY1000处理时籽粒产量略微下降；晚稻亦随沼液用量的增加而提高，至ZY800处理达到最高产量，而继续增加至ZY1000处理显著下降，其中ZY800和 ZY600处理显著高于CK、ZY200和 ZY1000处理。随着沼液用量的增加，早稻和晚稻的收获指数均呈下降趋势，说明适量施用沼液促进了水稻生长，但是过量施用至ZY1000处理时易导致产量和收获指数下降。

在养分累积方面，早稻和晚稻对养分N、P、K的累积均以CK最低，随沼液用量的增加养分累积逐渐提高，早稻和晚稻分别以ZY1000、ZY800处理养分N、P、K的累积达到最大值，其中早稻除ZY800处理P累积与ZY1000处理差异不显著，其他处理N、P、K的累积均显著低于ZY1000处理；晚稻ZY800处理养分N、P、K的累积均显著高于CK和ZY200处理。此外，N累积显著高于ZY400和ZY600处理，P累积显著高于ZY1000处理，K累积显著高于ZY400和ZY1000处理。

表1 施用沼液对水稻生长和养分累积的影响

2.2 施用沼液对稻秆和籽粒养分含量的影响

从表2可以看出，在稻秆养分含量方面，N含量随着沼液用量的增加而持续提高，早稻以ZY1000处理显著高于其他处理，其他处理之间无显著差异；晚稻ZY800处理较CK、ZY200和ZY400处理显著提高，而ZY1000处理显著高于其他处理。P含量在早稻和晚稻试验均表现为ZY1000处理显著高于其他处理，而其他处理之间无显著差异。早稻K含量以ZY1000处理最高，显著高于CK、ZY200和ZY400处理；晚稻以ZY600、ZY800、ZY1000处理最高，较CK提高20.20%～22.17%，差异显著。

表2 施用沼液对稻秆和籽粒养分含量的影响

在籽粒养分含量方面，N含量随着沼液用量的增加总体呈上升趋势，早稻以ZY1000处理显著高于其他处理，其他处理之间无显著差异；晚稻ZY800处理较CK显著提高，而ZY1000处理N含量最高，显著高于其他各处理。P含量在早稻和晚稻均表现为各处理之间无显著差异。K含量在早稻表现为各处理间无显著差异，晚稻以ZY600处理K含量最高，而ZY1000处理K含量最低，较ZY600处理下降13.19%，差异显著。

2.3 施用沼液对稻秆和籽粒重金属含量的影响

从表3可以看出，早稻稻秆重金属含量As、Cd和Pb在各个处理之间均表现为无显著差异。晚稻稻秆重金属As含量随沼液用量提高而增加，ZY1000处理最高，显著高于其他处理；Cd含量以CK最高，随沼液用量的增加而下降，其中ZY400、ZY600、ZY800、ZY1000处理显著低于CK和ZY200处理，ZY1000处理显著低于其他各处理；Pb含量在各处理间无显著差异。此外，与早稻相比，晚稻稻秆As和Cd含量

总体具有一定幅度升高。

表3 施用沼液对稻秆和籽粒重金属含量的影响

在籽粒重金属含量方面，早稻籽粒As含量在各处理间无显著差异；晚稻籽粒As含量以CK和ZY200处理最高，随沼液用量的增加总体呈下降趋势，其中ZY800、ZY1000处理As含量较CK和ZY200处理显著下降。Cd含量在早稻和晚稻均表现为随沼液用量增加呈下降趋势。早稻籽粒Cd含量以CK最高，其次为ZY200和ZY400处理，均显著高于ZY800和ZY1000处理；晚稻籽粒Cd含量也以CK最高，其次为ZY200处理，均显著高于ZY400、ZY600、ZY800、ZY1000处理。早稻籽粒Pb含量以CK最高，显著高于施用沼液的处理，ZY1000处理最低；晚稻籽粒Pb 含量以CK和ZY600处理最高，ZY1000处理较CK和ZY600处理显著下降。此外，与早稻相比，晚稻籽粒As、Cd和Pb含量总体均有提高。此外，在本试验中，早稻和晚稻的Cr、Hg含量均为痕迹或未检出。

2.4 沼液用量与养分及重金属含量相关性分析

将连续两茬施用沼液后水稻稻秆和籽粒养分以及重金属含量与沼液用量进行简单相关分析，结果见表4，稻秆N和K含量与沼液用量呈极显著正相关，籽粒N含量与沼液用量呈极显著正相关。在重金属含量方面，稻秆Cd和As含量与沼液用量分别呈极显著负相关和极显著正相关，籽粒Cd和As含量与沼液用量分别呈极显著负相关和显著负相关。

表4 沼液用量与稻秆和籽粒养分含量相关性分析

2.5 施用沼液对土壤有机质和重金属含量的影响

从表5可以看出，种植早稻后，稻田土壤有机质随沼液用量的增加呈上升趋势，与ZY200处理相比，ZY 600、ZY800、ZY 1000 处理土壤有机质显著提高；晚稻亦随沼液用量总体呈上升趋势，但各处理之间差异不显著。早稻土壤酸度随着沼液用量的增加而增加，ZY400处理土壤pH降低到5.49以下，与CK差异显著；ZY800处理pH值下降至5.35以下，与ZY200处理差异显著；ZY1000处理pH值下降至5.12，显著低于其他处理。晚稻土壤pH值随着沼液用量的

增加呈先升高后下降，ZY600处理达到最大值5.50，随后下降，与其他处理相比，除ZY800处理外均显著提高。

表5 施用沼液对土壤有机质和重金属含量的影响

在重金属含量变化方面，早稻和晚稻土壤Pb和Cd含量在各处理间无显著差异。土壤Cr含量在早稻以CK最高，随沼液用量表现为下降趋势，其中ZY800和ZY1000处理较CK显著下降；晚稻除CK外表现为随沼液用量的增加呈上升趋势，以ZY1000处理最高，显著高于ZY200处理，与其他处理相比提高不显著。早稻和晚稻土壤Hg含量在各处理间无显著差异。施用沼液在早稻土壤As含量有一定增加，其中ZY600和ZY800处理较CK显著提高；晚稻土壤As含量处理间无显著差异。

总体来说，在本试验设计的沼液用量下，连续施用2茬沼液，稻田土壤Cd、Cr和As含量都符合一级标准值（GB15618-1995）；而土壤Pb和Hg含量符合二级标准值，未造成重金属污染。

连续施用两茬沼液土壤Cr和As含量与沼液用量分别呈极显著和显著正相关，其他重金属Pb、Cd和Hg含量与沼液用量相关性不显著；而土壤有机质和pH与沼液用量分别呈显著和极显著正相关。

3 结论与讨论

沼液含有丰富的有机和无机养分，同时含有多种生物活性物质，适量施用沼液具有提高作物产量的效果［4-9］，本试验研究发现施用沼液水稻稻秆生物量较CK具有较为显著的提高，籽粒产量较CK显著增加，但沼液用量过高则会导致籽粒产量下降，在收获指数方面早稻以ZY800处理、晚稻以ZY600 最高。施用沼液能够提高单位面积水稻N、P、K养分累积量，在早稻和晚稻分别以ZY1000和ZY800处理最高。在稻秆N、P、K养分含量方面随沼液用量的增加而提高，至ZY1000处理显著高于CK，稻谷籽粒N含量随沼液用量增加而提高。水稻籽粒和稻秆N含量与沼液呈极显著正相关，稻秆K含量与沼液呈显著正相关。此外，本试验中早稻和晚稻均在ZY800（施N量为502.5 kg/hm2）处理获得最高籽粒产量，而其施N量明显高于当前广东水稻生产施N（165～180 kg/hm2）［22］水平，这可能是由于本试验沼液为一次性灌溉施用，造成沼液中N素在水稻生育前期挥发损失量较高，从而出现了ZY800处理条件下水稻获得最高产量而未徒长的结果。

施用沼液稻秆As含量有增加趋势，而Jia等［23］研究发现土壤灌施沼液显著提高了水稻植株体内As含量，且与土壤水溶性C含量相关；籽粒As含量在早稻各处理间无显著变化，而在晚稻施用沼液籽粒As含量有下降的趋势，出现稻秆和籽粒中As 含量变化趋势不一致的原因可能是As在水稻稻秆和籽粒中的分配机制不同，有待进一步研究。Cd含量在稻秆和稻谷籽粒中均表现为灌施沼液较CK下降，与史一鸣［24］的研究结果相似。Pb含量在稻秆中表现为无差异，而在稻谷籽粒中施用沼液总体较CK下降。在本试验条件下Cr 和 Hg为痕迹或未检出。本试验结果表明，灌施沼液稻秆As含量有升高的风险，稻谷籽粒As以及稻秆或稻谷的Cd和Pb含量没有升高风险。此外，本试验中稻秆和籽粒中Cr和Hg含量为痕迹或未检出，说明施用沼液对这两种重金属吸收影响甚微，也可能与本试验采用的水稻品种累积量较低有关。

沼液含有丰富的有机物质，但大多易迅速氧化分解而损失，而伴随大量N肥施入促进了非自养微生物对有机碳的消耗，导致有机质累积量下降［25］。本试验中，随沼液施用量的增加稻田土壤有机质含量提高，除早稻ZY200处理较ZY600、ZY800、ZY1000处理显著下降外，晚稻沼液用量增加有机质提高幅度并未达到显著水平，与沼液施入氮素量大幅增加、加速土壤中非自养微生物活性、加剧了碳素消耗、导致随沼液投入的易氧化有机物质大量分解损耗有关。

土壤pH受母质的影响很大，水肥管理也会对土壤pH产生影响［26］。本试验发现早稻施用沼液导致土壤酸化，与唐华等［5］的研究结果相似，而在晚稻表现为正相关，与史一鸣［24］的研究结果相似，可能在早期沼液中有机质分解产生的有机酸造成了土壤酸化，而到后期易分解有机质分解殆尽，产生的有机酸较少而回落，其

沼液为碱性，总体表现为施用沼液pH呈上升趋势。此外，CK在晚稻pH明显下降，是否与早稻和晚稻土壤温度变化导致土壤中盐基饱和度或土壤胶粒上吸附性离子的解离度改变有关，有待进一步研究。ZY600、ZY800、ZY1000处理在早稻和晚稻土壤pH较为接近，可能与沼液中有机物质含量的增加提高了土壤的缓冲性能而导致土壤pH相对趋于稳定有关。

在本试验的沼液用量条件下，连续施用2茬沼液稻田土壤Cd、Cr和As含量都符合国家土壤质量一级标准值；而土壤Pb和Hg含量符合国家土壤质量二级标准值，无重金属污染风险，与姜丽娜等［17］和倪亮等［27］研究结果一致。而相关分析表明，土壤As和Cr含量与沼液用量分别呈显著和极显著正相关，长期灌施沼液可能会造成土壤As和Cr含量超标风险。

施用沼液能有效提高水稻产量和稻秆生物量，早稻和晚稻产量均以ZY800处理最高；施用沼液能提高水稻对养分的累积量，提高稻秆和籽粒N含量，提高稻秆K含量，促进养分吸收；与不施肥处理相比，稻秆As含量有升高的风险，籽粒As含量以及稻秆、籽粒的Cd和Pb含量没有升高风险。沼液回灌稻田可以有效提高土壤有机质，改善土壤pH值，在土壤重金属含量方面连续施用2茬沼液土壤重金属含量无显著增加，均符合国家土壤质量标准，而长期施用沼液有可能出现As和Cr含量升高的风险。

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（责任编辑 杨贤智）

Effects of paddy field disposal of biogas slurry on rice production，soil fertility and environmental safety

HUANG Ji-chuan，PENG Zhi-ping，XU Pei-zhi，TU Yu-ting，YANG Lin-xiang，WU Xue-na，LIN Zhi-jun
（Institute of Agricultural Resources and Environment，Guangdong Academy of Agricultural Sciences/ Guangdong Key Laboratory of Nutrient Cycling and Farmland Conservation/Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region，Ministry of Agriculture，Guangzhou 510640，China）

The effects of paddy field disposal of biogas slurry on rice production，heavy metal content in rice grain and straw，soil fertility and environment quality were investigated in field experiment with treatments of control（no fertilizer input） and different dosage of biogas slurry （200，400，600，800，1 000 m3/hm2）. Results showed that yield of rice grain and straw increased with biogas slurry application，the concentration of nitrogen（N），phosphorus（P） and potassium（K） in rice straw and the concentration of N in rice grain enhanced，therefore，the accumulation of N，P and K were improved. With biogas slurry dosage increased，the concentration of arsenic（As） in rice straw enhanced compared to control，while the concentration of As in rice grain and lead （Pb） in rice grain and straw were not improved，however，the concentration of cadmium （Cd） in rice grain and straw decreased. The mercury （Hg） and chrome （Cr） were not detected in rice grain and straw in this experiment. Furthermore，the soil organic matter was enhanced with biogas slurry application，soil pH was improved compared to control. In addition，the contents of Cd，Cr，As，Pb and Hg in soil were lower than the corresponding limitations in the National Soil Environment Quality Standards （GB 15618-1995），there was no risk of heavy metal contamination. However，there were significant and markedly significant positive correlations between soil As，Cr concentration and dosage of biogas slurry，respectively. Thus，it should not be neglected that long-term amended with biogas slurry would lead to environment pollution due to As and Cr accumulation.

biogas slurry；rice；yield；nutrient；soil；heavy metal

S145.2

A

1004-874X（2016）10-0069-08

2016-07-29

广东省科技计划重点项目（2012A020100003，2014B090904068）

黄继川（1981-），男，在职博士生，副研究员，E-mail：huangkuang_2002@aliyun.com

彭智平（1964-），男，研究员，E-mail：ytifei@aliyun.com

黄继川，彭智平，徐培智，等. 沼液稻田消解对水稻生产、土壤肥力及环境安全的影响［J］.广东农业科学，2016，43（10）：69-76.