董越勇，刘银秀，叶波，金娟，聂新军，范志斌

(浙江省农业农村生态与能源总站，浙江 杭州 310006)

近年来，随着我国畜牧业规模化养殖水平的提高，大力实施畜禽养殖粪污等废弃物无害化处理和资源化利用，已成为推进畜牧业绿色发展，增加畜产品有效供给，实现农业农村生态建设与环境保护，促进农村经济社会发展的重要基础建设。畜禽养殖粪污作为一种农业有机废弃物，具有良好的可生物降解性。建设发展农村沼气特别是养殖场规模化沼气工程，既可利用厌氧发酵工艺合理、有效、集中无害化处理这些畜禽养殖粪污，解决以往散养方式畜禽养殖粪污直接排放带来的环境问题，又可以生产沼气，推进农村清洁可再生能源开发利用。同时，沼液作为农村沼气厌氧发酵的副产物，含有一定量的有机质、氮、磷、钾等农作物生长必需的营养成分和多种氨基酸、腐殖酸、赤霉素、吲哚乙酸、玉米素等生物活性物质，可以说是一种速效、清洁、安全的高品质肥料，农田和园地施用沼液后，通过土壤吸附和植物吸收，可有效消纳沼液中的有机物、氮、磷、钾等，增加土壤有机质和其他速效养分含量，改善土壤理化性质[1-2]，减少化学肥料用量。经过多年的建设实践，浙江省现有4 400余处农村规模化沼气工程，总池容110多万m3，年设计处理养殖粪污能力达到1 000多万t，年产沼气9 000多万m3，折合标煤6万多t，沼气发电总装机容量1.66万kW，形成了以农村规模化沼气工程为纽带，以畜牧养殖粪污无害化处理、生态消纳为主要标志的“规模化畜牧养殖—规模化沼气工程—绿色农产品基地”等多种现代生态循环农业模式，实现了畜禽养殖粪污无害化处理、资源化利用的格局，对促进现代生态循环农业绿色发展，保障农产品质量、品质和产量，提高农民经营效益，改善农村人居环境等都具有积极作用。沼液作为畜禽养殖粪污经沼气工程发酵后产生的一种副产物，其养分多为速效养分，当沼液所提供的养分超过当季农作物生长所需或遭遇强降雨等突变气候时，养分容易流失，导致河湖水体的富营养化[3]。畜禽养殖中使用的饲料添加剂含有Zn、Cu等，也可导致土壤中重金属累积[4-5]。因而长期连续施用沼液的过程中，农田或园地的养分流失和重金属积累日渐成为关注的一个热点[5]。国内有关专家学者已开展了多年施用沼液对土壤质量[5-8]、土壤微生物及酶活性[6,9]及重金属污染[2,5]等方面的研究，所涉及研究的作物包括水稻、油菜、蔬菜和果树等。然而，这些研究中沼液施用的年限大多为2～3 a，且所涉及的作物种类也不够全面。由于茶园大多位于丘陵山坡园地上，茶园通过施用沼液，既为茶树提供了其生长必需的养分及活性物质，又为茶叶生产补充并节省了大量的灌溉用水，茶园施用沼液已成为生态消纳沼液的最佳途径与方式之一。综上，本文拟研究不同年限连续施用沼液对茶园土壤化学与生物化学性质的影响，探讨不同年限连续施用沼液后茶园土壤理化性状和肥力主要指标的变化趋势，评估茶园不同年限连续施用沼液后土壤N和P的流失风险，以期为建立茶树科学施用沼液体系、培肥茶园土壤提供数据支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地设在浙江省湖州市吴兴区埭溪镇茅坞村(30°69′85″N，119°99′58″E)，海拔60 m。试验地属典型的亚热带季风气候，四季分明，年均气温16.3 ℃，年降水量1 304 mm，年无霜期280 d。试验区属低山丘陵区，母岩为粉砂岩，土壤为红壤土类，黄红壤亚类。茶园种植历史在8 a以上。近年来茶园推广有机肥替代化肥技术，施用沼液替代复合肥。沼液每年施用量60 t·hm-2，分4次施用，以滴灌形式施入，最长连续施用时间为4 a。供试沼液养分含量在施用前经检测指标分别为pH 6.80、总磷0.4 g·L-1、总氮0.3 g·L-1、总钾0.8 g·L-1。

1.2 试验处理与采样

2020年4月在土壤条件较为一致的茶园选择4个采样区，每个采样区均包含沼液施用时间分别为0、2、4 a的地段，共12个采样地段。每个地段用蛇型法多点釆集0～30 cm的土样，共采集12个混合土壤样品，即3个处理4次重复。土样釆好后去除大石块和草本、根系后带回室内分成2份，一份鲜样冷冻保存，供土壤酶和微生物量碳、氮测定，另一份在通风干燥处晾干，并研磨分别过2和0.15 mm筛孔筛子备用，供土壤化学性质的测定。

1.3 土样分析

土壤分析方法如下：土壤pH的测定在土水比=1∶2.5情况下使用电极法测定；土壤有机质的测定使用重铬酸钾外加热法；土壤全氮的测定使用克氏法；土壤水解氮的测定使用扩散法；土壤铵态氮的测定使用靛酚蓝比色法；土壤有效磷的测定使用盐酸氟化铵浸提，钼锑抗比色法；土壤速效钾的测定使用醋酸铵浸提，火焰光度法；土壤全磷的测定使用酸溶钼锑抗比色法；土壤全钾的测定使用三酸消解火焰光度法；土壤阳离子交换量(CEC)的测定使用乙酸铵浸提，蒸馏法；电导率的测定使用电导法；土壤微生物量碳、氮的测定使用氯仿熏蒸浸提法[10]。

1.4 数据统计

试验数据采用Excel 2003和SPSS 18.0系统进行作图和方差分析，并采用Duncan′s新复极差法(LSR)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 施用沼液年限对土壤化学性质的影响

茶园施用沼液2 a导致茶园土壤pH值显著降低，但施用沼液4 a处理的土壤pH与不施沼液处理(0 a)的土壤pH值基本接近。施用沼液2 a处理土壤的有机质含量、CEC和电导率均显著高于不施沼液处理；施用沼液4 a处理的土壤有机质含量、CEC、电导率分别提高到45.56 g·kg-1、54.1 cmol·kg-1和93.2 μS·cm-1，有机质含量和CEC在施用沼液4和2 a处理间差异不显著，而电导率在施用沼液4 和2 a处理间差异显著(表1)。

表1 施用沼液年限对土壤化学性质的影响

2.2 施用沼液年限对土壤养分的影响

从表2的结果可见，沼液不同施用年限的茶园土壤全氮和全磷均按如下次序递减：4 a>2 a>0 a(不施沼液)。沼液施用4 a土壤全氮和全磷均比不施沼液处理显著提高，而土壤全钾含量反而比不施沼液处理略有下降，但两者之间无显著性差异。

表2 施用沼液年限对土壤养分的影响

茶园土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量随沼液施用年限的变化与土壤全氮和全磷的变化十分相似，茶园施用沼液4 a土壤的碱解氮(127.6 mg·kg-1)、有效磷(59.5 mg·kg-1)、速效钾(211.5 mg·kg-1)含量均比不施沼液处理显著提高。茶园施用沼液处理的土壤NH4-N含量比不施沼液处理略有下降，但两者之间无显著性差异。

2.3 施用沼液年限对土壤化学计量比的影响

由表3可见，茶园施用沼液4 a的土壤的C∶N∶P比(18.45∶1.04∶1)低于茶园施用沼液2 a的土壤的C∶N∶P(24.48∶1.23∶1)。茶园施用沼液0 a、2 a、4 a的土壤C∶N分别为19.79、21.17、17.71，其变化的趋势是先增后降；茶园沼液施用0 a、2 a、4 a的土壤C∶P分别为24.81、20.78、18.45，其变化趋势为随施用年限增加而降低；沼液施用0 a、2 a、4 a稻田土壤N∶P比分别为1.24、0.98、1.04，其变化趋势是先降后增。茶园不同施用年限之间的土壤C∶N、C∶P和N∶P均无显著性差异。

表3 沼液施用年限对土壤化学计量比的影响

2.4 施用沼液年限对土壤微生物量碳和微生物量氮含量的影响

从图1的结果可见，沼液不同施用年限的茶园土壤MBC和MBN含量均按如下次序递减：4 a>2 a>0 a。沼液施用4 a土壤MBC和MBN含量均比不施沼液处理显著提高，但沼液施用4 a处理与0 a处理之间的差异未达显著水平。

2.5 土壤MBC和MBN含量与土壤化学性质之间的关系

茶园土壤MBC和MBN含量与土壤化学性质之间的相关研究显示(表4)，土壤MBC含量与土壤pH之间呈极显著的正相关，但土壤MBN与土壤pH之间无显著的相关性；土壤MBC和MBN含量与土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷含量及CEC之间呈显著的正相关；其中土壤MBN含量与碱解氮含量呈极显著的正相关；土壤MBC和MBN与土壤速效钾含量和电导率之间无显著的相关性。

柱间无相同英文字母者表示组间差异达显著(P<0.05)。图1 沼液不同施用年限对茶园0～30 cm土层 土壤化学计量比的影响

表4 MBC和MBN含量与土壤化学性状的相关性分析

3 讨论

3.1 长期施用沼液的土壤肥力演变规律

施用沼液的土壤肥力随沼液施用年限的增加而逐渐提高[11]。施用沼液对土壤肥力包括土壤酸碱度、土壤有机质、全氮、全磷、全钾及速效养分的含量[2,6,11]、土壤团粒结构、孔隙度及土壤容重[5]等均有影响。在安康市某养猪场农业园区设施菜田土壤施用沼液的试验显示[11]，土壤养分随沼液沼渣施用年限的增加而提高，7 a后施用沼肥后的土壤中有机质(11.9 g·kg-1)、碱解氮(96.1 mg·kg-1)、有效磷(91.5 mg·kg-1)、速效钾(73.7 mg·kg-1)含量分别比不施沼液处理提高1.3倍、3.4倍、1.5倍、3.3倍。刘向林等[2]在山东省烟台蓬莱市刘家沟镇苹果种植基地的试验显示，连续8 a施用鸡粪沼液的0～20 cm土层有机质(20.4 g·kg-1)、碱解氮(94 mg·kg-1)和速效钾(314 mg·kg-1)含量低于不施沼液处理，而土壤有效磷含量(50 mg·kg-1)比不施沼液处理提高11.1%。本研究结果表明，施用沼液4 a处理的土壤有机质(45.56 g·kg-1)、碱解氮(127.6 mg·kg-1)、有效磷(59.5 mg·kg-1)和速效钾(211.5 mg·kg-1)含量高于不施沼液处理，与上述结果基本一致。综上所述，土壤的肥力指标不仅与沼液施用年限直接有关，同时受制于试验地的土壤肥力状况、供试的作物种类、所施用沼液的用量和养分含量等多种因素。

3.2 不同沼液施用年限的土壤肥力演变与分级

为了更精准评定土壤肥力演变趋势及确定肥力等级，必须对所研究的作物及研究地较近的土壤肥力分级指标进行评定。因为即使同为茶园，湖南省茶园所制定的土壤速效养分指标比杭州市郊的要高得多。根据文献[12-13]茶园土壤养分分级标准，本研究未施沼液处理土壤pH、有机质和速效钾达到高等水平外，其余指标均较低，连续施沼液2 a和4 a处理使全磷和有效磷的等级由极低提升到高等水平，全氮也由极低提高到中等水平。虽然茶园连续施用沼液4 a与2 a处理的肥力等级同属高等水平，但各项指标数值前者比后者更高。

当各项土壤肥力指标超过极限值时，就会产生土壤N、P元素的流失，从而导致周围水体的富营养化。在红土丘陵地区，茶园的N和P流失比稻田更严重[12]。目前茶园土壤还缺乏有关N和P流失临界值的相关研究。因此，可以将不同作物土壤速效氮和磷含量的等级指标中属于高的速效氮和磷含量的下限值作为可能导致土壤N和P流失激增的参考值。茶园的速效氮和速效磷含量超过临界值越高，其流失的风险就越大。本研究茶园连续施沼液2 a和4 a处理的速效磷含量比临界值高24.3和39.5 mg·kg-1(表2)，说明土壤P存在较大的流失风险。

3.3 连续施用沼液的土壤N和P流失风险评价

应用生态化学计量学原理研究生态系统养分限制已有大量的成果。C、N、P是生态化学计量学领域研究的主要对象，而N∶P比值是植物生长养分限制的敏感指数，常被用于确定养分限制的阈值[14]。当土壤C∶N比值<30时，硝酸盐淋溶风险高。中国湿润温带土壤中C∶N为10∶1～12∶1[15]，而本研究茶园连续施用2 a和4 a沼液的土壤C∶N分别为21.17和17.71(表3)，说明湿润温带土壤和本研究茶园土壤均存在较高的N流失的风险。本研究茶园连续施用2 a和4 a沼液的土壤C∶P和N∶P分别为18.45～20.78和0.98～1.04，两者均远低于全球(186和13.1)[16]和中国土壤(136和9.3)[17]C∶P和N∶P的平均水平。极低的C∶P和N∶P值表明土壤P的大量累积，从而可能导致较大的土壤P流失风险。2002—2017年，太湖地区茶园N投入量增加4.89×106kg·a-1，增幅为71%，P投入量增加53×106kg·a-1，增幅为194%[18-19]，进而佐证了本研究茶园土壤N、P可能存在较大流失风险的推论。

4 小结

由于茶园土壤肥力变化、质量状况等是直接受茶园立地条件、成土母质、农业气候、农艺措施等因素综合影响的一个长期演进过程。沼液的长年连续施用，其养分在茶园土壤中的运转与积累或削减也是缓慢作用的过程。应组织开展10 a以上的茶园土壤长期定位试验与动态监测，方可探求长期连续施用沼液对茶园土壤理化性状、土壤肥力、地力等级等方面的综合影响，从而得出比较符合生产实际的科学结论，进而建立起茶树科学施用沼液技术体系。从本文现有茶园连续施用沼液4 a后其土壤化学与生物化学性质影响相关指标差异性的初步评判，土壤肥力等级极低的茶园土壤连续施用2 a沼液后可达到高等的肥力等级，连续施用沼液4 a处理的土壤各项指标比不施沼液处理均有显著性提高，并且从土壤速效养分含量以及化学计量比的角度显示，土壤N和P存在较大的流失风险。由此，为控制茶园长年连续施用沼液所造成的养分流失风险，提高沼液资源化综合利用水平，应加强生态拦截沟渠系统等农田基础设施建设，采取测土配方、肥水管理等综合农艺技术措施，大力发展茶园现代生态循环系统。在中等、低等土壤肥力水平的茶园施用沼液时，可采取与有机肥配施、种植绿肥等集成措施，土壤肥力较高茶园施用沼液时应适当减施、少施。