2021, Vol. 40
随着我国畜禽养殖业的集约化和规模化发展，畜禽粪污产生量迅速增加。据农业农村部统计测算，全国每年畜禽粪便产生量约38亿t，综合利用率只有60%左右。畜禽养殖业所排放的总氮（TN）占农业源排放量的42%，是农业面源污染的主要来源之一，因此畜禽粪污的无害化处理和资源化利用是我国生态文明建设的紧迫任务和重要内容[1-4]。我国的沼液年产量已超过16亿t[5-6]，然而受制于种养剥离的现状，养殖场周边配套的农田面积十分有限，生产过程中往往为消纳沼液而过量施用，造成水稻生长受抑制，如分蘖受限、结实率低等。目前国内外对沼液过量施用的安全风险研究主要集中在环境安全评价，如水环境风险、土壤重金属和抗生素累积[7-9]等，对影响水稻生长的限制因子的研究尚未见报道。本文通过研究不同浓度沼液对水稻秧苗生长的影响，旨在明确沼液施用条件下水稻秧苗生长的主要限制因子和沼液施用浓度阈值，为提升稻田沼液施用条件下水稻秧苗生长的安全性和沼液的合理、精准施用提供数据支持。
1 材料与方法 1.1 供试材料试验用沼液取自位于泰州市的江苏洋宇生态农业有限公司养殖猪场，沼液经黑膜发酵后进入贮存池贮存20d后施用。沼液原液TN含量为630mg·L-1，TP含量为63mg·L-1，TK含量为316mg·L-1，其中NH4+-N含量占TN的84%以上。试验用土壤取自江苏常州新北水稻土，土质为砂质壤土，土壤pH为6.45，有机质含量为29.1g·kg-1，全氮含量为1.16g·kg-1，速效磷含量为13.1mg·kg-1，速效钾含量为122.9 mg·kg-1。
1.2 试验设计 1.2.1 沼液浓度梯度试验盆钵试验于2020年7月下旬在网室大棚内进行。盆钵直径30cm，高30cm，每个盆钵装土厚度20cm，装土量为10kg。依据水稻需N量，试验盆钵设置7个处理：CK、常规施化肥（F）、BS1、BS2、BS3、BS4和BS5，具体施肥量如表 1所示。水稻品种为南粳46，种子经消毒后育秧，取秧龄20d、长势相近的壮苗移栽至盆钵，每盆3穴，每穴3株。每个盆钵灌溉量为7.7 L，灌溉水层高度为5cm。
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表 1 盆钵试验不同沼液处理施肥量（g） Table 1 Fertilization amount of different BS treatments in pot experiment (g) |
NH4+-N和电导率两个单因素试验在实验室培养箱内进行。NH4+-N溶液用氨水溶液配制，设置82、164、246、410、574mg·L-15个浓度处理；EC溶液用分析纯KCl配制，设置2、3、4、5、6mS·cm-15个梯度处理，不施肥和常规施化肥处理为对照。水稻种子经消毒后育秧，同样取秧龄20d、长势相近的壮苗移栽至小盆钵。小盆钵直径11cm，高13.5cm，每个盆钵装土600 g，水层高度5cm。人工气候箱培养参数为：光照12h/ 28℃，黑暗12h/22℃，光照强度350µmol·m-2·s-1。
1.3 取样与测定水稻移栽后，分别在灌溉后的0、1、3、5、7d和10 d收集田面水和土壤溶液，测定氮素含量和EC值。第10d采收秧苗，测定鲜质量、株高和根系黄化率等指标，每个处理4个重复。水稻秧苗收获后用滤纸拭干水分，称量鲜质量并测量株高；将水稻主根系大于1/2变为黄色的定义为黄色根系，记录每株水稻幼苗的黄色主根数，再调查每株幼苗总主根数，计算黄色根系的比例[10]。TN和NH4+-N采用连续流动分析仪（SAN++System，SKALAR，Netherlands）测定。EC值使用精密电导率仪（DDS-307A，上海雷磁）测定。
1.4 数据处理采用Excel2016和SPSS17.0进行数据整理统计分析和相关性分析，多重比较采用Duncan法，相关性分析采用Pearson法。采用Excel2016做图。
2 结果与分析 2.1 秧苗生长指标秧苗鲜质量、株高均呈现随着沼液浓度增加而降低的趋势（图 1）。具体来看，等N量沼液替代化肥施用（BS1）对秧苗生长最有利，生物量较化肥（F）处理增加35.8%，BS2处理次之，生物量增加15.2%。BS3、BS4和BS5处理的秧苗生物量较F处理分别降低了9.64%、6.06%和35.5%，其中，BS5与F处理间生物量差异显著。沼液浓度对秧苗株高影响程度低于生物量，BS1处理的株高显著高于其他处理，较F处理提高了8.93%。而BS3、BS4和BS5处理秧苗株高较F处理均有不同程度降低，降幅达3.21%~15.7%，其中，BS4、BS5与F处理间株高差异显著。
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不同小写字母表示处理间差异显著（P < 0.05） Different lowercase letters indicate significant differences among treatments(P < 0.05) 图 1 不同浓度沼液对水稻秧苗生长的影响 Figure 1 Effects of different concentrations of BS on rice seedling growth |
秧苗根系黄化率与秧苗鲜质量、株高的规律相反，呈现随着沼液浓度增加而升高的趋势。具体来看，秧苗根系黄化率受沼液浓度影响较大，BS1、BS2处理秧苗根系黄化率与F处理间无显著性差异，其中BS1处理秧苗根系黄化率略低于F处理；而BS3、BS4和BS5处理根系黄化率均显著高于F处理，分别提高了28.1%、46.9%和96.9%（P < 0.05）。由此可见，高浓度沼液会对水稻秧苗生长产生明显的抑制作用。
2.2 田面水和土壤溶液中TN和NH4+-N浓度变化沼液施用后会增加田面水的TN和NH4+-N含量，见图 2。随着沼液施用量的增加，田面水的TN和NH4+-N含量升高。随着施用时间延长，田面水的TN和NH4+-N含量均呈迅速下降的趋势。BS1到BS5的TN浓度从初始的72.7~497.0mg·L-1下降到10d后的13.4~18.mg·L-1，降幅达82%~96%；NH4+-N浓度从初始的49.9~391.0mg·L-1下降到10d后的7.2~10.2mg·L-1，降幅达86%~97%。土壤溶液中的TN和NH4+-N也呈现下降趋势，但降速滞后于田面水。BS1到BS5的TN浓度降幅在54%~84%；NH4+-N浓度从初始的56.1~167.0mg·L-1下降到10d后的16.2~ 93.mg·L-1，降幅在44%~72%。并且沼液施用量越高，土壤溶液NH4+-N降幅越小。BS4与BS5处理降幅分别为59%和44%，施用沼液10d后，土壤溶液NH4+-N仍保持在较高水平，分别为68.6、93.mg·L-1。与沼液处理不同，化肥处理则在施用3d后达到土壤溶液NH4+-N浓度峰值。
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图 2 水稻秧苗生长过程中田面水和土壤溶液中N素浓度变化 Figure 2 Changes of N concentration in field water and soil solution during rice seedling growth |
图 3表明，与不施肥处理相比，施用沼液后会增加田面水和土壤溶液EC值。沼液施用当天，田面水的EC值随着沼液施用量的增加而增加。随着施用时间延长，中高浓度沼液施用后田面水EC值呈现迅速下降的趋势。具体来看，除BS1外，BS2到BS5处理的田面水EC值均大幅下降，分别从初始的2.55~5.39 mS·cm-1下降到施用后10d的1.83~2.27mS·cm-1，降幅达28.2%~57.9%。土壤溶液EC值随着施用时间的延长则变化较小，低量沼液施用处理土壤溶液EC值呈现略有增加的趋势，而高量沼液施用处理土壤溶液EC值变化表现为缓慢下降趋势，BS2到BS5处理沼液施用当天的土壤溶液EC值分别为2.20~5.10mS· cm-1，施用10d后EC值为3.03~4.01mS·cm-1。
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图 3 水稻秧苗生长过程中田面水和土壤溶液EC值变化 Figure 3 Changes of EC value in field water and soil solution during rice seedling growth |
对不同浓度沼液处理土壤溶液和田面水中NH4+-N浓度、土壤溶液和田面水EC值与水稻秧苗鲜质量的相关性进行分析，见图 4。由图 4可知，秧苗鲜质量与土壤溶液和田面水NH4+-N浓度、土壤溶液和田面水EC值均呈显著负相关关系，达到1%极显著水平，其中土壤溶液NH4+-N浓度和土壤溶液EC值与秧苗鲜质量的相关系数分别为0.9232和0.9204。回归模拟分析表明，土壤溶液NH4+-N浓度对鲜质量影响的贡献度是14.24，土壤溶液EC值对鲜质量影响的贡献度是13.05，而田面水NH4+-N浓度和EC值对秧苗鲜质量影响的贡献度分别是9.09和9.41。由此推测，土壤溶液的NH4+-N和EC值是影响水稻秧苗生长的2个重要限制因子。
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*表示相关性显著（P < 0.05），**表示相关性极显著（P < 0.01）。下同 * indicates significant correlation(P < 0.05). ** indicates extremely significant correlation(P < 0.01). The same below 图 4 秧苗鲜质量与各因素相关性分析 Figure 4 Correlation analysis between fresh weight of rice seedlings and various factors |
秧苗鲜质量与土壤溶液中NH4+-N浓度可用y=-47.123x+261.58（n=5，R2=0.9232）方程来拟合，以常规施肥秧苗鲜质量为参照，拟合结果表明，水稻秧苗对土壤溶液中NH4+-N的最大安全消纳量为90.mg·L-1。同时，土壤溶液NH4+-N浓度与施用的沼液NH4+-N浓度呈现显著正相关关系，可用y=0.3528x-0.2813（n=5，R2= 0.9166）方程来拟合，由此拟合结果推测，水稻秧苗对沼液NH4+-N的最大安全消纳阈值为314.0mg·L-1。
秧苗鲜质量与土壤溶液EC值可用y=-0.5149x+ 5.1182（n=5，R2=0.9204）方程来拟合，以常规施肥秧苗鲜质量为参照，拟合结果表明，水稻秧苗对土壤溶液EC值的最大耐受值为3.2mS·cm-1，与联合国粮农组织公布的数据相近。同时，土壤溶液EC值与施用的沼液EC值也呈现显著正相关关系，可用y=0.3306x+ 2.1524（n=5，R2=0.9580）方程来拟合，由此拟合结果推测，水稻秧苗对沼液EC值的最大安全耐受阈值为3.3mS·cm-1。
2.5 秧苗生长主要限制因子分析NH4+-N浓度和EC值单因素试验的相关性分析表明，秧苗鲜质量与沼液施用下土壤溶液NH4+-N浓度呈负相关关系（图 5）。将沼液施用下水稻秧苗对土壤溶液中NH4+-N的最大安全消纳量90.mg·L-1代入y=-0.0089x+2.3215（n=5，R2=0.9520）方程拟合，在此消纳量下可获得秧苗鲜质量为1.51g，与常规施化肥处理秧苗鲜质量相比，降幅达30.9%。同样，将沼液施用下水稻秧苗对土壤溶液中EC值的最大安全耐受阈值3.2mS·cm-1带入y=-0.1744x+2.7424（n=5，R2= 0.9243）方程拟合，在此耐受阈值下可获得秧苗鲜质量为2.18g，与常规施化肥处理鲜质量相比，降幅仅为2.68%。分析结果表明，水稻秧苗生长对土壤溶液NH4+-N浓度更敏感，因此，沼液施用后土壤溶液中NH4+-N为限制秧苗生长的关键因子。
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图 5 单因素土壤溶液NH+4-N和EC值对秧苗鲜质量的影响 Figure 5 Effects of single factor of soil solution NH+4-N and EC on fresh weight of rice seedlings |
水稻的生长发育受土壤肥力水平、离子浓度和有机质等影响，而沼液富含NH4+-N、盐分和COD。研究表明，沼液的安全风险与其物化特性如高浓度NH4+-N、EC值和COD等指标有关[11-12]。由于沼液贮存时处于好氧状态，COD降解速度快，对作物生长的影响并不明显。沼液中NH4+-N的占比超过70%[13]，是水稻吸收利用氮素的主要形式，因此沼液的NH4+-N浓度是影响水稻生长的一个重要因素，但目前缺乏其对水稻生长影响程度的研究。本研究通过研究不同浓度沼液施用下水稻秧苗生长状况，发现沼液NH4+-N浓度超过314.0mg·L-1时显著抑制秧苗生长。另一方面，沼液的EC值最高达13.9mS·cm-1（平均为7.76mS· cm-1），超过作物生长正常电导率范围，存在盐害风险[14]。TIGINI等[12]通过研究沼液对7个不同物种的生态毒性发现，不同物种对高NH4+-N和高电导率存在不同程度的敏感性，但最终仅对沼液的生态毒性进行了综合性评价，并未明确关键毒性因素。本研究发现，沼液施用增加了土壤溶液的NH4+-N浓度和EC值，NH4+-N浓度超过98.36mg·L-1时，秧苗生长受到显著抑制，此时与之相对应的土壤溶液EC值为3.43mS·cm-1，与联合国粮农组织公布的水稻正常生长土壤溶液EC值3mS·cm-1十分接近，单因素试验进一步验证，水稻秧苗对沼液NH4+-N浓度更加敏感。因此，沼液的NH4+-N浓度是影响水稻生长的关键限制因子。本研究还发现沼液的EC值随沼液浓度的增加而升高，因此EC与NH4+-N浓度是否存在协同作用仍需进一步深入研究。
3.2 沼液安全施用阈值已有的研究表明，水稻在NH4+-N的专一营养下会产生中毒的现象，过量施用NH4+-N会造成水稻根际酸化，进而对细胞造成损伤[15]，因此合理的NH4+-N施用安全阈值是一个亟待研究的科学问题[16-17]。丁明[18]用含不同浓度NH4+-N的国际水稻研究所（IRRI化学营养液培养水稻幼苗，结果表明NH4+-N浓度超过144mg·L-1时幼苗受到显著抑制，不能正常生长。本研究明确水稻秧苗对沼液NH4+-N的最大耐受安全阈值是314.0mg·L-1，单因素试验中氨水浓度超过410.0mg·L-1时秧苗不再生长，阈值浓度均高于化肥NH4+-N水培液的浓度，这是因为土壤具有缓冲作用。已有研究表明，土壤对NH4+的吸附量达到吸附平衡时，吸附率可达60%[19]，土壤是高浓度沼液施用的一个很好的缓冲系统，有助于沼液的高量消纳。同时，本研究发现与化肥相比，等氮量沼液施用后能够促进水稻秧苗的生长。沼液中除了氮素养分外，富含多种微量元素和生长激素等有益物质[20]，这些物质是否与NH4+-N存在协同作用共同促进水稻生长是一个值得关注的研究方向。
4 结论（1）过量施用沼液会增加田面水和土壤溶液的NH4+-N浓度和EC值，进而对水稻秧苗生长产生明显的抑制作用，具体表现为秧苗鲜质量和株高随沼液浓度增加而降低，根系黄化率随沼液浓度增加而升高。
（2）沼液中NH4+-N和EC值与秧苗生长的关联度较大，沼液中NH4+-N为限制秧苗生长的关键因子。土壤溶液中NH4+-N浓度在沼液低量施用后较为稳定，超量施用后较为敏感，更适合作为指示指标。
（3）在本研究土壤条件下，水稻秧苗对土壤溶液中NH4+-N的最大安全消纳阈值为90.mg·L-1；对沼-水混合液中NH4+-N的最大消纳阈值为314.0mg·L-1。
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