近年来，随着养殖业的集约化发展，畜禽粪便等废弃物的污染已成为影响环境的突出问题。为实现粪污无害化处理和能源化利用，畜禽养殖场纷纷建设沼气工程，这些工程发挥了巨大的作用，已成为重要的节能减排技术^[1]。沼气工程的发展产生了大量的沼液^[2]，沼液中含有丰富的有机物质和氮、磷、钾等营养元素及各种氨基酸、有机酸等生物活性物质^[3]。这些物质能直接被植物吸收，对于改良土壤，提高土壤养分及农产品的产量和品质都有积极作用^[4-6]。日益增长的沼液处理需求对沼液的资源化利用提出了新的挑战，沼液在储存过程中会挥发大量的NH₃、CH₄、N₂O和CO₂等^[7]气体，引起大气污染，同时不合理施用的沼液在遇强降雨天气时，可能随雨水形成地表径流，进而成为水体富营养化的潜在威胁，推高了农业面源污染风险。

农田消纳沼液是目前较易实施且行之有效的处理办法。稻田作为人工湿地生态系统，具备土壤-微生物-植物复合系统的自我调控功能以及对污染物的综合净化能力^[8]，尤其是南方较成熟的水稻产区，犁底层发育良好，渗漏风险较小^[9]，在农田消纳沼液中具有较好的现实意义。稻田施用沼液，能提高土壤的有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量，同时可以提高土壤的酶活性^[10]。就水稻产量和品质而言，沼液比常规施肥有利于提高稻谷产量与稻谷中蛋白质和矿质元素的积累^[11]。但沼液在稻田的施用，也可能引发新的环境问题，如氨挥发是目前稻田消解沼液较难避免的主要环境风险^[12]。国内关于沼液在稻田中施用的适宜用量尚无定论，如何在维持水稻产量和维护稻田环境的前提下，获取沼液施用的适宜用量也是目前研究的热点之一。本文在江苏肥料投入量较大的环太湖地区，通过田间试验，研究不同沼液施用量下水稻产量、氮素利用率、稻田田面水无机氮浓度、土壤残留无机氮含量以及稻田氨挥发等环境效应，为探索稻田合理消纳沼液提供数据支撑。

田间试验位于江苏省宜兴市丁蜀镇莲花荡农场（119°52′E，31°15′N），毗邻太湖。该区属亚热带季风气候区，多年平均气温在15~17 ℃，年平均降雨量1100 mm。供试土壤为水稻土，整体肥力较高，农作制为稻麦轮作。供试沼液来自周边猪场沼气工程。土壤和沼液的基本理化性质见表 1和表 2。

表 1 供试土壤的基本理化性质 Table 1 The basic chemical properties of the experimental soil

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表 2 供试沼液的基本理化性质 Table 2 The basic chemical properties of the biogas slurry

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试验设6个不同沼液用量处理以及1个化肥处理，每个处理设4次重复，随机区组排列。试验小区面积30 m²（6 m×5 m），小区四周做埂，并用地膜覆盖相隔用于防止相邻小区间田面水的串水，四周设置保护行。以当地推荐化肥施肥量（氮素225 kg·hm^-2）作为沼液氮素100%优化用量。处理① 为不施肥处理（CK），处理② 为沼液氮素优化用量的40%（ZY40%），处理③ 为沼液氮素优化用量的70%（ZY70%），处理④ 为沼液氮素优化用量的100%（ZY100%），处理⑤ 为沼液氮素优化用量的130%（ZY130%），处理⑥ 为沼液氮素优化用量的250%（ZY250%），处理⑦ 为化肥处理（HF100%），其氮素投入与沼液氮素优化用量100%的氮投入相同。试验中沼液和化肥氮按常规水稻氮肥施用时期分3次施用（苗期、分蘖末期和穗期分别占总量的40%、26.7%和33.3%），各处理磷、钾肥作为底肥一次性施用，折合P₂O₅、K₂O 45 kg·hm^-2。氮、磷、钾化肥分别用市售尿素、过磷酸钙及氯化钾。供试水稻品种为南粳46，于2015年6月15日移栽，11月4日收获，生产期142 d。各小区其他田间管理措施均保持一致。

在每次沼液或肥料施用后，连续10 d采集田面水（不扰动水层，随机选取3处，混合水样），测定其铵态氮和硝态氮浓度（AA3流动分析仪分析法）。氨挥发采用田间原位测定法^[13]（通气法）：在每次施肥后连续10 d采集吸附氨海绵块，用2 mol·L^-1 KCl溶液提取铵态氮后测定氨挥发量并计算单位面积的氨挥发量。在水稻收获期采集植株及土壤（0~15 cm），测水稻地上部氮素吸收量与土壤无机氮（KCl浸提-AA3流动分析仪分析法）。水稻收获时每小区取2 m²脱谷实测产量。

根据氮素利用率评价原理和方法，本文中：氮素利用率=（施肥处理地上部吸氮量-不施肥处理地上部吸氮量）/施氮量×100%；氮素农学利用率=（施肥处理稻谷产量-不施肥处理稻谷产量）/施氮量，氨挥发氮素损失=（施肥处理氨挥发累积量-不施肥处理氨挥发累积量）/施氮量×100%，土壤无机氮残留=（土壤铵态氮含量+土壤硝态氮含量）×土壤容重×土层深度/10。

本文采用Excel 2013软件进行数据统计处理，采用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析和多重比较（LSD检验），处理间差异显著性水平定为P < 0.05。采用线性加平台模型拟合水稻种植中沼液氮素效应。

如图 1所示，水稻产量随着沼液施用量的增加先增加后基本保持不变，ZY100%处理水稻产量最高，为10.00 t·hm^-2，比CK处理显著提高25.2%；当沼液氮素施用量大于225 kg·hm^-2时，水稻产量呈现平台反应，即随着沼液氮素施用量的增加水稻产量基本保持不变。水稻产量随沼液施用量的变化符合线性加平台模型，将沼液施用量与水稻产量运用线性加平台模型拟合（图 1），由方程计算得出，沼液氮素最佳施用量为213.9 kg·hm^-2，对应水稻产量为9.90 t·hm^-2。当沼液氮素施用量低于213.9 kg·hm^-2时，水稻产量与沼液氮素施用量呈现极显著的正相关关系，每千克沼液氮可增加水稻产量9.05 kg。从图 1还可以看出，土壤残留无机氮含量随沼液氮素施用量的增加持续增加，比CK处理提高17.40%~52.46%。

图 1 不同沼液氮素施用量下水稻产量与土壤残留无机氮含量 Figure 1 Rice yield and the soil residual Nmin after harvest of the different biogas slurry application rate

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水稻地上部氮素吸收量和氮素利用率的结果见表 3。水稻地上部氮素吸收量随着施氮量的增加而增加，ZY250%处理水稻地上部氮素吸收量最高，为202.2 kg·hm^-2，与CK处理相比显著增加45.89%。水稻氮素利用率随着沼液氮素施用量增加呈现先上升后下降的趋势，在90~225 kg N·hm^-2范围内水稻氮素利用率增加，在225~562.5 kg N·hm^-2范围内水稻氮素利用率呈现下降趋势。等氮量的沼液和化肥处理（ZY100%与HF100%）处理间水稻氮素利用率无显著差异。

表 3 不同沼液用量下水稻氮素吸收量及氮素利用率 Table 3 The rice nitrogen uptake and nitrogen use efficiency of the different treatments

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从氮素农学利用率变化来看，ZY250%处理最低，与ZY40%、ZY70%和ZY100%处理相比，其氮素农学利用率显著降低56.85%~60.13%，而ZY100%与HF100%处理间无显著差异。

由图 2可知，田面水铵态氮浓度随沼液施用量的增加而显著增加。本试验在6月24日、8月5日和8月22日分三次追施沼液和化肥，3次追施沼液后3 d内田面水铵态氮浓度的平均值依次为22.32~57.38、10.17~38.38、7.05~21.30 mg·L^-1，与CK相比，分别提高1.0~4.1、6.41~26.9、18.5~57.9倍。与HF100%处理相比，ZY100%处理施沼液后3 d内铵态氮浓度的平均值分别提高0.27、3.76、2.29倍。3 d后田面水铵态氮浓度迅速降低并趋于稳定，与CK相比无显著差异。

图 2 不同处理间稻田田面水铵态氮动态变化 Figure 2 Dynamic of NH4+-N in surface water of different treatments

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施用沼液和化肥对田面水硝态氮浓度无明显影响（图 3）。各处理的田面水硝态氮浓度呈现先上升后下降的趋势，在沼液和化肥施用后3~6 d内达到最大值，6 d后逐渐下降并趋于稳定。各处理田面水硝态氮浓度均低于2.0 mg·L^-1，处理间无显著差异。

图 3 不同处理间稻田田面水硝态氮动态变化 Figure 3 Dynamic of NO3--N in surface water of different treatments

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不同沼液施用量下稻田氨挥发的动态变化见图 4。稻田氨挥发速率一般在沼液追施后显著提高。氨挥发速率在第一次施用沼液后10 d内均较高，在后两次追施中施入沼液后的一周内挥发速率较高，随后逐渐降低并趋于稳定。各沼液处理氨挥发的峰值分别出现在沼液施用后的第8 d、第1 d和第7 d，分别达到6.72~10.34、2.31~11.02、2.20~12.07 kg·hm^-2·d^-1。化肥处理氨挥发的峰值分别出现在施肥后的第2 d、第1 d和第7 d，分别达到7.63、4.63、3.81 kg·hm^-2·d^-1。

图 4 不同处理间氨挥发速率的动态变化 Figure 4 The dynamic of ammonia volatilization rate of different treatments

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氨挥发量随着沼液施用量的增加而提高，与CK相比，各沼液处理氨挥发累积量增加0.57~3.35倍，单位产量的氨挥发累积量显著增加0.67~2.84倍（表 4）。与相同施氮量的化肥处理相比，ZY100%处理氨挥发累积量无明显差异，但单位产量的氨挥发量显著降低22.6%。水稻整个生育期内的氨挥发量占沼液氮素施用量的14.52%~17.64%，占化肥施氮量的19.22%，各处理间氨挥发引起的氮素损失率无显著差异。

表 4 不同沼液用量对稻田氨挥发累积量及氮素损失率的影响 Table 4 Effects of different biogas slurry treatments on ammonia volatilization and nitrogen loss rate in paddy field

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本研究结果表明，水稻产量随着沼液氮素施用量的增加而增加，当施沼液氮素量超过213.9 kg·hm^-2，水稻产量基本保持稳定，不再提高。岑汤校等^[14]研究表明，单季稻施用不同用量沼液能够取得不同程度的增产，且效果较明显。这可能是由于沼液中除含有大量的速效养分外，还含有各种氨基酸、有机酸、抗菌物质等生物活性物质，可作为能源为土壤微生物利用，激发土壤微生物的活性^[15]，从而有利于水稻产量的增加。然而水稻产量的增加是在一定的施氮范围内，侯云鹏等^[16]研究也表明，施氮量在60~180 kg·hm^-2范围内水稻产量随氮肥用量的增加而显著增加，当超过180 kg·hm^-2时水稻产量不会继续增加。这可能是由于氮素过量，引起水稻徒长，产量不仅没有增加，反而可能有所降低。本研究中，氮素利用率呈现先升高后降低的趋势，在沼液施用量达到225 kg N·hm^-2时，氮素利用率达到最高。杨绍聪等^[17]和杨梢娜等^[18]研究也表明，水稻氮素利用率有相似的变化趋势，分别在施用化肥255 kg N·hm^-2和210 kg N·hm^-2时达到最高。这可能是由于当地长期过量施用氮肥，导致土壤中氮素含量较高。在沼液施用量较低时水稻地上部氮素吸收量较不施肥处理无明显增加，从而呈现较低的氮素利用率；当沼液施用量过高时，供应的氮超过水稻的农学需氮量，水稻对氮素的吸收增加不显著，而且水稻产量也无明显增加，从而造成氮素利用率和氮素农学利用率降低。因此，沼液在稻田中的适宜用量应使氮素投入量符合水稻的农学需氮量。

本研究显示，沼液施用后的3 d内田面水的铵态氮浓度显著增加，随后迅速降低，而沼液施用对田面水硝态氮初始浓度无明显影响，田面水硝态氮浓度呈现先上升后下降并趋于稳定的趋势。这可能是由于沼液中氮素主要以铵态氮形式存在，一般情况下沼液中铵态氮占总氮量的70%以上^[19]，本试验所用沼液中铵态氮占总氮量的74.8%。沼液中大量的铵态氮属于速效养分，水稻对铵态氮的吸收以及田面水下渗使得其中的铵态氮被土壤吸附，同时还伴随着氨挥发以及部分铵态氮通过硝化作用转化为硝态氮，多方面作用使得田面水中的铵态氮浓度迅速降低。田面水硝态氮浓度升高可能是沼液施灌初期较强的硝化作用所致，而后随着水稻的吸收或硝态氮的淋失作用，田面水硝态氮浓度降低。王子臣等^[20]和李喜喜等^[21]的研究也表明，田面水无机氮浓度有相似的变化趋势，本研究与大多研究结果基本一致。由于沼液施灌后的3 d内田面水铵态氮浓度较高，此时若产生地面径流，将推高周边水体富营养化的风险。因此，施用沼液后的3 d内是控制稻田产生地表径流、降低水体富营养化风险的关键时期，施用沼液前应密切注意天气情况，避免在施用后的3 d内出现强降雨天气。本研究还显示，等氮量的沼液处理田面水铵态氮浓度显著高于化肥处理，可能与尿素的水解速率有关，尿素水解产生铵态氮需要一定的时间。因此，尿素施用后3 d内田面水铵态氮的含量显著低于沼液处理。

一般情况下，氨挥发损失占稻田氮素损失的42.2%~72.0%^[22]，是氮素损失的重要途径。本研究结果表明，氨挥发量随着沼液施用量的增加而显著增加，并且主要发生在沼液施用后的7~10 d。水稻不同生育期施用沼液氨挥发峰值的出现时间不同，可能与当时的天气情况以及水稻对养分的吸收能力强弱有关。苗期施用沼液时，在施用后的3~7 d，连续阴雨，并且苗期植株根系不发达，对养分的吸收能力较弱，随着天气的好转，氨挥发速率明显加快；分蘖末期施用沼液时，正处于三伏天气，温度高，地面蒸发强烈，同时水稻对养分的吸收能力较强，因此水稻在该生育期氨挥发峰值出现时间较早；穗期施用沼液时，天气情况与苗期类似。邓欧平等^[23]研究表明，沼液施用后的前7 d是稻田氨挥发的关键时期，唐良梁等^[24]研究表明，稻田氨挥发主要发生在施肥后的7 d内。这可能是由于施用沼液显著提高了田面水的铵态氮浓度，而田面水铵态氮浓度是影响稻田氨挥发的主要因素之一^[25]。因此，如何在施肥后一周内减少氨挥发引起的氮素损失是未来研究的重要内容之一。

本试验还表明，等氮量沼液处理与化肥处理相比，水稻产量和氮素利用率均无明显差异，单位产量的氨挥发累积量显著降低。张进等^[26]研究表明，与常规施肥相比，沼液处理的稻谷产量没有显著提高，但是明显降低了水稻的生产成本。这说明稻田施用沼液在保障水稻产量平稳的前提下，还缓解了沼液带来的环境压力。但本研究显示，在2.5倍沼液氮素施用条件下，其残留的土壤无机氮和氨挥发累积量大幅增加，田面水中的无机氮也最高，而水稻产量没有显著增加，并且其氮素利用率和氮素农学利用率显著降低。这说明稻田施用沼液需要确定适宜用量，通过不同沼液施用量数据拟合得出农田合理消纳沼液的最佳施用量，以达到在保障水稻较高产量的基础上，降低其环境风险的目的。

（1）水稻产量随着沼液施用量的变化符合线性加平台模型。根据线性加平台模型拟合得出，本试验条件下，最佳的沼液氮素施用量是213.9 kg·hm^-2，最佳氮素施用量下的产量达到9.90 t·hm^-2。

（2）沼液处理显著增加了稻田田面水的铵态氮浓度，对田面水硝态氮浓度无明显影响，并显著增加了稻田氨挥发累积量。沼液施用后的1~3 d内，铵态氮浓度降幅达到56.40%~92.58%；氨挥发主要发生在沼液施用后的一周内，且引起的氮素损失占沼液氮素量的14.52%~17.64%。