净化沼液滴灌对砂壤土质量、青贮玉米生产力的影响及安全消纳容量分析

Effect of purified biogas slurry drip irrigation on sandy loam soil quality， silage maize productivity and analysis of safe application rate

摘要

针对宁夏草畜产业“种养结合”不紧密，种植端土壤质量下降、作物生产力不高，而养殖端大量粪污直接施用存在环境和健康风险等问题，采用多级过滤工艺获得净化沼液，设置不同滴灌量（0、225、450、675、900、1125、1350 m³·hm^-2），以液肥形式滴灌于指示作物青贮玉米，系统研究其对土壤质量、青贮玉米生产力的影响及开展安全消纳容量分析。结果表明，土壤pH、全盐、速效氮、有效磷、速效钾及重金属铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）含量随着净化沼液滴灌量增加呈显著增加趋势，而土壤有机质含量随着净化沼液滴灌量增加表现为先增加后降低趋势，其中，还田量为900 m³·hm^-2时土壤有机质含量最高，同时，该处理显著提高了土壤水稳性大团聚体（>0.25 mm）含量、平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、微生物生物量碳（MBC）含量及酶活性，且提高了土壤质量指数（SQI）。青贮玉米产量、干物质及淀粉含量随着净化沼液施用量增加均呈先增加后降低趋势，线性回归方程模拟得出净化沼液还田量为805.56~925.00 m³·hm^-2可更好地促进青贮玉米产量与品质提升。此外，青贮玉米中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr含量随着净化沼液施用量增加呈增加趋势，但远远低于饲料卫生限量值。净化沼液滴灌量900 m³·hm^-2下SQI及青贮玉米生产力最高，以此滴灌量为计算依据，按照重金属Cd元素“木桶效应”则可计算出土壤环境消纳容量为连续滴灌 25 年可维持土壤重金属含量不超标，而按照全国第二次土壤普查宁夏土壤盐渍化划分标准可计算出连续滴灌19年可能不会发生土壤次生盐渍化。

Abstract

Ningxia’s forage and livestock industries currently face multiple issues； forage plant breeding and production is below requirement， the soil quality in the forage production areas is declining， the yields are modest， and the application of a large amounts of manure as fertilizer has both environmental and health risks. In this study， a multi-stage filtration process was used to obtain purified biogas slurry， and an experiment was set up to apply the slurry at different rates （0， 225， 450， 675， 900， 1125， 1350 m³·ha^-1） by drip irrigation. The purified slurry liquid fertilizer was applied to a silage maize crop， and its effects on soil quality and silage maize yield were systematically studied to determine the safe application rate. The results showed that soil pH， the contents of total salt， available nitrogen， available phosphorus， available potassium and heavy metals including copper （Cu）， zinc （Zn）， lead （Pb）， cadmium （Cd） and chromium （Cr） increased significantly with increased biogas slurry application rate， while the content of soil organic matter initially increased and then decreased with increased application rate. Soil organic matter level was highest under the 900 m³·ha^-1 treatment. This treatment also significantly increased the content of soil water-stable macroaggregates （>0.25 mm）， mean weight diameter， geometric mean diameter， microbial biomass carbon content， enzyme activity and quality index. The yield， dry matter content and starch content of silage maize increased initially and then decreased with successive increases in the application rate of purified biogas slurry. A linear regression equation showed that a purified slurry application rate of 806-925 m³·ha^-1 best promoted the yield and quality of silage maize. In addition， the contents of Cu， Zn， Pb， Cd and Cr in silage maize showed an increasing trend with increase in the application rate of purified biogas slurry. However， heavy metal levels observed were far lower than the permissible limits in animal feed. Based on this study， it was concluded that the soil quality index and silage maize productivity were the highest under the slurry application rate of 900 m³·ha^-1. Based on this drip application rate， and the permissible levels of the heavy metal element， Cd， the soil environmental absorption capacity can be calculated. After continuous drip irrigation for 25 years， the soil heavy metal content would not exceed the standard. Furthermore， based on the second national soil census Ningxia soil salinization division standard， it can be calculated that continuous drip irrigation for 19 years would not result in soil secondary salinization.

Graphical abstract

关键词

净化沼液 / 青贮玉米 / 产量 / 土壤质量指数 / 重金属

Key words

purified biogas slurry / silage maize / yield / soil quality index / heavy metal

随着我国农业结构转型，畜牧业逐渐成为农业发展的重点，宁夏回族自治区地处西北内陆，干旱少雨，光热资源丰富，昼夜温差大，利于农作物光合产物的累积，品质优良，具备天然的养殖优势，目前，基本形成具有鲜明区域特点和优势资源配置的产业带。高质量畜禽养殖业产生的沼液资源富含氮、磷、钾等营养元素，同时含有促进作物生长的氨基酸及多种酶物质，无害化利用沼液，可为农业种养循环、绿色生产起到积极推动作用^［1-2］。在众多利用方式中，清洁能源和肥料化仍是主要的资源化利用方式^［3-4］，沼液作为沼气工程厌氧条件下制取的液体，将其科学还田不仅可实现废弃物资源化利用，同时，可提高作物营养生长，减少农业用水量，尤其在黄河引水量缩减的背景下，节水对于生态安全尤为重要。

研究表明，沼液中自身所含有的有机分子极性基团与硅酸盐黏土矿物表面所吸附的水分子或氧分子之间形成的氢键，有助于提高土壤团聚体的稳定性^［5-7］；沼液灌施后土壤结构会在3个月内发生显著变化，但这种改良效果只是短期的，要维持沼液对土壤结构的改善作用，需要进行长期连续的沼液灌施^［8］。也有研究表明，沼气原料发酵后，仍有高达90%的营养成分保留在沼液中，因此，沼液可以作为有机肥施入土壤，有助于培肥地力^［9-10］。唐存柳等^［11］ 、郑健等^［12］ 、蔡茂等^［13］研究表明，沼液可以显著增加土壤氮素与有机质含量，而过量的沼液灌溉会引起土壤碳、氮、磷等元素比例失调，土壤微生物将过度消耗氮素，造成土壤缺乏速效氮。同时，沼液施用也会对重金属迁移产生较大影响，沼液中铅（Pb）、铜（Cu）、铬（Cr）、镉（Cd）和锌（Zn）等重金属元素会促进土壤-作物系统中对应重金属的累积^［14］。此外，沼液也会对作物产量与品质产生重要影响，万海文^［15］利用沼液在小麦（Triticum aestivum）田追施2.25~3.38 t·hm^-2可显著增加产量；刘庆平^［16］研究表明，沼液施加氮用量超过175 kg·hm^-2则可能会抑制玉米（Zea mays）生长，降低产量，且Cu和Zn含量增加显著，有土壤污染超标风险；曹易繁^［17］研究表明，当施用量达到45 m³·hm^-2时，青贮玉米的产量与品质得到双提升，其中，淀粉含量比对照处理显著提高了43.63%。很显然，上述研究结果、施用量的不一致，源于沼液来源差异、是否过滤净化等。

然而，在生产中，沼液由于其高化学需氧量（chemical oxygen demand， COD）、高盐、高重金属等属性，将其肥料化还田存在生态污染风险，为此，本研究在团队前期实践基础上，采用多级过滤工艺获得净化沼液。目前，大量的沼液研究集中于南方红壤土水稻（Oryza sativa）、林木及蔬菜，而缺乏北方砂壤土及牧草种植的研究。基于此，本研究设置净化沼液不同滴灌量，以饲草青贮玉米为指示对象，系统研究净化沼液不同滴灌量对砂壤土质量及青贮玉米生产力的影响，探讨净化沼液滴灌量及土壤质量指数与青贮玉米产量的关系，阐明土壤-青贮玉米系统重金属变化，以期为宁夏砂壤土质量提升及高产高质牧草种植提出科学消纳容量及还田年限。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

于2021-2022年在宁夏银川西夏区农垦平吉堡生态庄园有限公司（106.012° E， 38.245° N）开展短期沼液安全还田定位试验，该区域平均海拔1170 m， 地貌属宁夏北部贺兰山洪积倾斜平原、黄河冲积平原。研究区属暖温带干旱气候，常年干旱少雨多风，近3年来，该地区年均降水量190.62 mm，年均气温9.04 ℃（图1），蒸发量接近2000 mm，日照充足，平均日照时数为3009 h，平均霜冻期为195 d，无霜期为171 d。

试验地剖面土壤质地为砂质壤土和粉砂质壤土，成土母质为冲积物及灌溉淤积物。2021年取样测定基础土壤样品背景值，采用激光粒度仪（NKT6100-B，中国山东）并结合土壤机械组成国际制标准分析表明，0~20 cm土层砂粒含量超过50%，土壤质地为砂质壤土，而20~60 cm土层土壤粉粒含量超过45%，通体质地为粉砂质壤土；土壤容重表现为随着土壤深度增加而降低，0~20 cm土层因砂粒含量高导致容重较大，田间持水量表现为随着土壤深度增加而提升，土壤结构整体反映出保肥保水性能差（表1）。

土壤pH值为8.29~8.53，处于碱性、强碱性过渡水平；参照中国土壤第二次普查分级，养分库容结果显示有机质、速效氮含量处于4~5级较低水平，有效磷处于3级中等水平，速效钾处于2级丰富水平（表2），土壤重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd含量均低于国家标准农田限量值^［18］（表3）。

1.2 试验材料

1.2.1 供试沼液

沼液原料来自宁夏农垦集团平吉堡奶牛六厂氧化塘沼液池，因沼液原料存在高电导率（7.37 ms·cm^-1）、高化学需氧量（3860.00 mg·L^-1）及高氨氮（1013.50 mg·L^-1）风险，因此，原材料收集后开展沼液净化，具体净化流程见图2。通过脱稳（氧化塘添加0.005 mol·L^-1 FeCl₃·6H₂O，搅拌后用漏勺舀出上部悬浮物弃去）、粗滤（沼液通过多层不同材质的滤料，滤料分别为玉米秸秆、火山岩、石英砂）、精密过滤（采用陶瓷微滤膜， 膜孔径为500 nm）、超滤（采用陶瓷微滤膜，膜孔径为300 nm）、纳滤（采用聚磺酰胺滤膜，膜孔径为10 nm）多级过滤所得沼液外观呈褐棕色，气味无恶臭，化学需氧量、氨态氮及固形物去除率分别为93.63%、97.89%、99.82%，电导率去除率为86.02%（表4）。此外，净化沼液重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd含量分别相比原液降低了55.73%、54.00%、43.84%、50.00%、46.56%（表5），均低于农田标准限量值^［19］。

1.2.2 供试品种

青贮玉米品种选用当地主推品种“登海青贮3571”，采购于市场。

1.3 试验设计

本研究立足净化沼液最大消纳量的问题为导向，基于水资源节约利用原则，围绕青贮玉米品质提升为目标，开展净化沼液不同梯度滴灌量研究，净化沼液滴灌量依据其全氮含量（0.40 g·L^-1）设计不同梯度，生育期灌溉量以常规灌溉定额3900 m³·hm^-2为依据，净化沼液滴灌量条件下，生育期灌溉定额相应减少。采用单因素多水平随机区组试验设计，试验设置7个处理，分别为：1）不施肥处理，全生育期滴水12次，灌溉定额为3900 m³·hm^-2；2）沼液225 m³·hm^-2，分别于2叶一心、6、9、12、15、18、21叶和灌浆中期分8次施用；滴水12次，但减水225 m³·hm^-2；3）沼液450 m³·hm^-2，同上分8次施用；滴水12次，但减水450 m³·hm^-2；4）沼液675 m³·hm^-2，同上分8次施用；滴水12次，但减水675 m³·hm^-2；5）沼液900 m³·hm^-2，同上分8次施用；滴水12次，但减水900 m³·hm^-2；6）沼液1125 m³·hm^-2，同上分8次施用；滴水12次，但减水1125 m³·hm^-2；7）沼液1350 m³·hm^-2，同上分8次施用；滴水12次，但减水1350 m³·hm^-2。具体试验方案参见表6。每个处理小区60 m²（10 m×6 m），3次重复，共计21个小区。小区净面积为43.2 m²。采用机械精量点播，宽窄行、南北行向种植，宽行70 cm，窄行40 cm，株距20 cm；栽培密度约为90900 株·hm^-2。小区与保护行间设1 m走道，铺设支管道的走道2 m，各小区为独立的滴灌单元，每两行铺设一根滴灌带，滴灌带铺设在窄行内，试验区四周种植2~4行保护行。

1.4 样品采集与指标测定

1.4.1 试验样品采集

2021年4月初采集基础土壤样品，在试验区东、南、西、北、中方位分别采集0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土壤样品，同一层次混匀后装入自封袋保存，带回实验室用于土壤机械组成与土壤化学性质测定；采用环刀法采集不同土壤层次剖面样品，用于土壤容重与田间持水量分析。此外，分别于2021与2022年9月中旬收获前，在每个小区采用“五点法”采集0~20 cm土壤样品，去除枯枝落叶等杂质混匀后装入自封袋，低温带回实验室用于土壤化学性质、酶活性、微生物生物量碳、微生物生物量氮及重金属（铜、锌、铅、镉、铬）含量测定；然后每个小区挖开0~20 cm土壤剖面，选用竹刀沿剖面自上而下竖切厚度约为5 cm土壤，去除动植物残体和砂石等可见物，剥去接触面变形的土壤，装入塑料方盒中带回实验室用于土壤团聚体测定。

分别于2021与2022年9月中旬收获前，在每个小区采集种植前标记的青贮玉米3株，然后按照不同部位（根、茎、叶、穗）分解带回实验室，然后切段（<2 cm）后置于烘箱105 ℃杀青30 min后调温60 ℃烘干6~8 h至恒重，采用称重法称取干物质重量后待测。

1.4.2 指标测定及方法

土壤pH按照水土比5∶1振荡混匀静置后采用pH计（pHS-3E， 上海雷磁）测定^［20］；按照水土比2.5∶1振荡混匀直接采用电导率仪（DDS-11A， 上海雷磁）测定土壤电导率，采用全盐含量与电导率线性关系公式y=3.0023x+0.1456计算全盐含量，式中：y表示全盐含量（g·kg^-1）；x表示电导率（ms·cm^-1）^［21］；采用重铬酸钾-浓硫酸加热法测定有机碳含量^［20］；采用碱解扩散法测定速效氮含量^［20］；采用0.5 mol·L^-1碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定有效磷含量^［20］；采用1 mol·L^-1醋酸铵溶液浸提-火焰光度计法测定速效钾含量^［20］；采用湿筛法测定土壤水稳性团聚体含量^［20］；采用磷酸苯二钠比色法测定碱性磷酸酶活性^［22］；采用靛酚蓝比色法测定脲酶活性^［22］；采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性^［22］；采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶活性^［22］；采用氯仿熏蒸硫酸钾浸提-重铬酸钾容量法测定微生物生物量碳含量^［23］；采用氯仿熏蒸硫酸钾浸提-凯氏定氮法测定微生物生物量氮含量^［23］；采用美国ICP-MS（安捷伦7800， 美国）测定重金属铜、锌、铅、镉、铬元素含量，外标法测试，MS检出限1 ppm。

青贮玉米收获期，每个小区实收统计产量，然后换算每hm²产量；将称重后的玉米植株干物质粉碎后过0.25 mm筛用于淀粉及重金属含量测定。其中，采用蒽酮硫酸法测定淀粉含量^［22］；植株不同部位重金属铜、锌、铅、镉、铬元素测定方法同土壤重金属测定方法，结合不同部位干物质量权重，采用加权平均法计算得出整株重金属平均含量。

1.5 计算公式

1.5.1 土壤平均质量直径（mean weight diameter， MWD）与几何平均直径（geometric mean diameter， GMD）

R_{\mathrm{0.25}}=M_{\mathrm{0.25}}/M_{\mathrm{T}}（1）

MWD={\sum }_{i=\mathrm{1}}^n\overline{x_i}{W}_i（2）

GMD=\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}({\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{W}_i\mathrm{l}\mathrm{n}\overline{x_i})（3）

式中：M_0.25为>0.25 mm团聚体质量；M_T为筛分前称取的土样总质量（g）；R_0.25为>0.25 mm水稳定性团聚体含量（%）；\overline{x_i}为i粒级团聚体平均直径（mm）；W_i 为i粒级团聚体的质量分数（%）；ln \overline{x_i}为i粒径团聚体平均直径的自然对数（mm）。

1.5.2 土壤微生物生物量碳（microbial biomass carbon， MBC）、微生物生物量氮（microbial biomass nitrogen， MBN）

B_{\mathrm{C}}=E_{\mathrm{C}}/K_{\mathrm{E}\mathrm{C}}（4）

B_{\mathrm{N}}=E_{\mathrm{N}}/{\mathrm{K}}_{\mathrm{E}\mathrm{N}}（5）

式中：B_C表示土壤MBC；E_C为熏蒸与未熏蒸土壤浸提液有机碳的差值；K_EC为转换系数，取值为0.45；B_N表示土壤MBN；E_N为熏蒸与未熏蒸土壤浸提液全氮的差值；K_EN为转换系数，取值为0.54。

1.5.3 土壤质量指数

采用全数据集方法计算耕层（0~20 cm）土壤质量指数（soil quality index，SQI）^［24］，先对本研究检测的15个土壤指标进行主成分分析，提取各项指标公因子方差，计算指标公因子方差与公因子方差之和的比值，即可得到各项指标权重值。然后，用下式计算土壤质量指数，SQI数值越高，表明土壤质量越好。

SQI={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{W}_i{S}_i（6）

式中：SQI为土壤质量指数；W_i 为第i项指标权重值；S_i 为第i项指标得分；n为各数据集指标数量，本研究中 n=15。

1.5.4 土壤生态风险评估

生态风险指数（ecological risk index， ERI）用于分析土壤重金属的污染程度和评估潜在的生态风险^［25］，污染程度等级划分参见表7，其计算公式为：

ERI=\sum B_i/C_i\times T_i（7）

式中：B_i 为重金属i的实测含量；C_i 为重金属i的宁夏土壤环境质量标准限制；T_i 为毒性反应因子，参考徐争启等^［26］的计算结果，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr五种元素的毒性系数分别为5、1、5、30和2。

1.5.5 净化沼液消纳容量

Q_i=\frac{a_{pi}+(w_{si}-w_{bi})\times \mathrm{1.42}\times \mathrm{0.2}\times {\mathrm{10}}^{\mathrm{4}}}{{\rho }_{si}}

式中：Q_i 为以i元素为限量指标的土壤耕层0~20 cm净化沼液消纳容量（m³·hm^-2）；w_si 为土壤中i元素的限量标准值（mg·kg^-1）；w_bi 为土壤中i元素的背景值（mg·kg^-1）；ρ_si 为净化沼液中i元素含量的平均值（mg·L^-1）；a_pi 为通过收获植物而输出的i元素含量（g·hm^-2）；1.42为土壤的容重（g·cm^-3）；0.2为土壤耕层深度（m）^［25］。

1.6 数据处理

采用Excel 2003软件整理试验数据，采用SPSS 25.0 方差分析（analysis of variance， ANOVA）比较不同年限、不同处理间差异（P<0.05，n=3， 5）；采用Origin 2021作图，采用SPSS 25.0进行数据标准化、降维。

2 结果与分析

2.1 净化沼液滴灌对土壤物理性质的影响

土壤不同粒径水稳性团聚体含量在净化沼液不同滴灌量下均存在显著差异（P<0.05），年际间无显著差异（P>0.05）。2021年：>2 mm粒径水稳性团聚体含量在净化沼液不同滴灌量处理间无显著差异（P>0.05）；1~2 mm粒径水稳性团聚体含量在净化沼液不同滴灌量下存在显著性差异（P<0.05），其中，S₆处理增加了该粒径水稳性团聚体含量；0.25~1 mm粒径水稳性团聚体含量在净化沼液不同滴灌量下存在显著性差异（P<0.05），其中， S₄处理下含量最高，其次为S₃处理，二者处理下水稳性团聚体含量显著高于其他处理；<0.25 mm水稳性团聚体含量在净化沼液不同滴灌量下也存在显著性差异（P<0.05），其中，S₄处理相比S₀处理显著降低了该粒径水稳性团聚体含量，降幅为7.01%。2022年：>2 mm粒径水稳性团聚体含量在净化沼液不同滴灌量处理间无显著差异（P>0.05）；0.25~1 mm粒径水稳性团聚体含量随着净化沼液滴灌量增加表现为先增加后降低趋势，其中，S₄处理下该粒径水稳性团聚体含量最高，但该处理却降低了1~2 mm粒径水稳性团聚体含量，同时，该处理相比其他处理也显著降低了<0.25 mm水稳性团聚体含量（图3）。

土壤水稳性团聚体平均质量直径（MWD）随着净化沼液滴灌量增加呈先增加后降低趋势，各处理间存在显著性差异（P<0.05）。2021与2022年均属S₄处理下土壤MWD最高，且该处理下2022年相比2021年增加了9.09%；土壤水稳性团聚体几何平均直径（GMD）随着净化沼液滴灌量增加也呈先增加后降低趋势，各处理间均存在显著性差异（P<0.05），S₄处理下GMD均达到最大，且该处理下2022年相比2021年增加了2.08%。

2.2 净化沼液滴灌对土壤化学性质的影响

土壤化学性质在不同沼液滴灌量处理下也存在显著性差异（P<0.05，图4）。其中，土壤pH随着净化沼液滴灌量增加呈先增加后降低趋势，各处理间均存在显著性差异（P<0.05）；土壤全盐含量随着净化沼液滴灌量增加呈先增加后趋于平稳变化规律，各处理间均存在显著性差异（P<0.05），但年际间差异性不显著（P>0.05）；土壤速效氮含量随着净化沼液滴灌量增加呈逐步增加趋势，2022年 S₆处理下土壤速效氮含量达到最大，相比S₀、S₁、S₂、S₃、S₄处理分别增加了33.03%、10.50%、29.49%、33.10%、6.53%；土壤有效磷含量也属S₆处理下最大，2022年S₆处理相比于S₀、S₁、S₂、S₃、S₄、S₅处理分别增加了46.49%、23.86%、37.48%、45.69%、43.48%、23.66%。此外，年际间有效磷含量也存在显著性差异（P<0.05），2022年S₆处理相比2021年增加了20.79%；土壤速效钾含量在各处理间存在显著性差异（P<0.05），2021年属S₄处理下含量最高，相比于S₀处理增加了10.03%，2022年属 S₂处理下含量最大，相比于S₀、S₃、S₄处理分别增加16.42%、10.42%、5.33%；土壤有机质含量随着净化沼液滴灌量增加呈先增加后降低趋势，各处理间均存在显著性差异（P<0.05）。2021年S₅处理下土壤有机质含量达最高，相比S₀、S₁、S₂、S₃、S₆处理分别增加了12.32%、10.91%、8.14%、3.86%、12.69%。2022年S₄处理下土壤有机质含量达最高，相比S₀、S₁、S₅、S₆处理分别增加13.94%、9.84%、9.15%、11.99%，另外，2022年S₄处理下土壤有机质含量相比2021年增加了7.04%。

2.3 净化沼液滴灌对土壤生物学性质的影响

土壤微生物生物量碳（microbial biomass carbon， MBC）、微生物生物量氮（microbial biomass nitrogen， MBN）含量年际间差异不显著（P>0.05，图5）。2022年随着净化沼液滴灌量增加，MBC、MBN含量呈增加趋势，各处理间均存在显著性差异（P<0.05）；S₄处理下土壤MBC含量达到最高，相比S₀、S₁、S₂、S₃处理分别增加了49.74%、34.37%、14.25%、17.46%；S₆处理下土壤MBN含量达到最大，相比S₀、S₁、S₂、S₃、S₄、S₅处理分别增加了46.79%、35.95%、34.67%、33.41%、32.48%、16.29%。土壤脲酶活性随着净化沼液滴灌量增加呈先增加后降低趋势，各处理间均存在显著性差异（P<0.05），年际间差异不显著（P>0.05）。土壤碱性磷酸酶活性在年际间存在显著性差异（P<0.05），2022年随着净化沼液滴灌量增加表现为逐渐降低趋势，各处理间均存在显著性差异（P<0.05），其中S₀处理达到最大，S₄、S₅、S₆相比S₀分别降低11.58%、56.49%、53.09%。土壤蔗糖酶活性随着净化沼液滴灌量增加呈先增加后降低趋势，各处理间均存在显著性差异（P<0.05）。土壤过氧化氢酶活性随着净化沼液滴灌量增加呈先增加后降低趋势，各处理间均存在显著性差异（P<0.05），2021年S₄处理达到最大，相比S₀、S₅、S₆处理分别增加20.39%、65.36%、65.86%，2022年S₄处理达到最大，相比S₀、S₁、S₂、S₅、S₆处理分别增加25.41%、37.86%、29.10%、28.09%、35.04%，2022年S₄处理相比2021年降低了3.83%，且年际间存在显著性差异（P<0.05）。

2.4 净化沼液滴灌对土壤重金属含量的影响

净化沼液滴灌下土壤重金属含量也发生显著性变化（P<0.05， 图6）。其中，土壤重金属铜随着净化沼液滴灌量增加呈逐步增加趋势，各处理间都存在显著性差异（P<0.05）； S₆处理下的土壤重金属含量达到最高，重金属铜、锌、铅、铬含量在年际间无显著差异（P>0.05）。土壤生态风险指数综合评价表明，随着净化沼液滴灌量增加，ERI值呈逐步增加趋势，各处理下土壤生态风险指数均存在显著性差异（P<0.05）。2021年S₆处理下ERI达到最大，相比S₀、S₁、S₂、S₃、S₄、S₅处理分别显著增加41.12%、36.48%、28.23%、24.44%、17.98%、11.24%；2022年也属S₆处理下ERI达到最大，相比S₀、S₁、S₂、S₃处理分别显著增加48.53%、40.47%、32.43%、25.72%；2022年S₆处理相比2021年增加9.15%。由此可见，净化沼液滴灌仍存在重金属污染土壤风险，且随着滴灌增加表现为增加趋势。

2.5 净化沼液滴灌对青贮玉米生产力的影响

2.5.1 对青贮玉米生产力的影响

青贮玉米产量随着净化沼液滴灌量增加呈先增加后降低趋势（图7），各处理间均存在显著性差异（P<0.05），2021年S₃、S₄、S₅、S₆处理间无显著性差异（P>0.05），其中S₅处理下产量最高，达到50004.99 kg·hm^-2，相比S₀、S₁、S₂分别显著增加87.52%、42.13%、24.27%。青贮玉米适时收获标准为干物质含量与淀粉含量达到双“30%”， 本研究中，随着净化沼液滴灌量增加干物质含量及淀粉含量均呈先增加后降低趋势，各处理间均存在显著性差异（P<0.05），干物质含量在S₄处理下达到最大，2021与2022年分别达到35.12%、34.78%，而S₀处理下干物质含量分别为27.52%、27.64%，分别显著提升了7.60%、7.14%；淀粉含量在2021年S₄处理下最高，达到31.87%，而2022年S₃处理下含量最高，为31.64%。

2.5.2 净化沼液滴灌量与青贮玉米产量与品质关系分析

通过建立净化沼液滴灌量与青贮玉米产量与品质一元二次函数方程（图8），各处理间均存在极显著性差异（P<0.01）。根据dy/dx=0，求得青贮玉米产量达到最大条件下2021与2022年净化沼液滴灌量分别为932.12、910.05 m³·hm^-2，青贮玉米干物质含量达到最大条件下2021与2022年净化沼液滴灌量分别为925.00、886.00 m³·hm^-2，青贮玉米淀粉含量达到最大条件下2021与2022年净化沼液滴灌量分别为805.56、862.50 m³·hm^-2。由此可见，净化沼液滴灌量为805.56~925.00 m³·hm^-2时可更好地促进青贮玉米产量提升与品质改善。

2.6 净化沼液滴灌对青贮玉米重金属含量的影响

净化沼液滴灌处理下青贮玉米重金属元素含量均在各处理间存在显著性差异（P<0.05），其中S₆处理下重金属铜、锌、铅、镉、铬元素含量达到最大值，其中，铜、锌元素含量相比S₀处理分别增加60.60%、73.81%，而铅、镉、铬元素含量相比S₀处理分别增加1.56、2.17、1.83倍，由此可见，青贮玉米重金属元素含量随着净化沼液施用量增加呈显著增加趋势，但远远低于饲料卫生限量值^［27］（表8）。

2.7 净化沼液滴灌下土壤质量指数及其与青贮玉米产量关系分析

为综合评价不同净化沼液滴灌量对土壤质量的影响，采用全数据集方法分别对土壤物理指标：平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）；化学性质： pH、全盐（total salt， TS）、有机质（organic matter， OM）、速效氮（available nitrogen， AN）、有效磷（available phosphorus， AP）、速效钾（available potassium， AK）；生物学指标：脲酶（urease， URE）、碱性磷酸酶（alkaline phosphatase， ALP）、蔗糖酶（sucrose， SUC）、过氧化氢酶（catalase， CAT）、微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）及重金属生态风险指数（ERI）共计15个指标进行0~1无量纲标准化，并以特征值≥1，累计解释率≥90%为提取原则求得各指标公因子方差，进而计算各指标权重（表9）。

2021年不同处理下土壤指标得分雷达图表明，15个指标中，S₄处理下AN、SUC、ALP、MBC、MBN、GMD指标得分相比其他处理均最高， 而pH在S₀处理下得分最高，OM、CAT在S₃处理下得分最高，AP、URE在S₅处理下得分最高， TS、AK、MWD在S₆处理下得分最高（图9）。2022年不同处理下土壤指标得分雷达图表明，15个指标中，AN、OM、MBC、MBN、GMD、MWD在S₄处理下得分最高，pH、URE在S₀处理下得分最高，而AK在S₂处理下得分最高，TS、ALP、SUC在S₃处理下得分最高，CAT在S₅处理下得分最高，ERI、AP在S₆处理下得分最高。

2021-2022年际间土壤质量指数随着净化沼液滴灌量增加均表现为先增加后降低趋势（图10），其中，2021年各处理下土壤质量指数存在显著性差异（P<0.05），大小依次为S₄>S₃>S₂>S₆>S₅>S₀>S₁，S₄处理下土壤质量指数（0.545）相比S₀处理（0.452）显著增加了20.06%，相比S₆处理（0.481）增加了12.50%；2022年土壤质量指数大小依次为S₄>S₃>S₁>S₂>S₅>S₆>S₀，S₄处理下土壤质量指数（0.547）相比S₀处理（0.441）显著增加了24.03%。此外，年际变化发现各处理间差异不显著（P>0.05）。此外，线性回归分析显示SQI 与青贮玉米产量极显著正相关（P<0.01）。

2.8 净化沼液消纳容量分析

通过土壤背景值、限量值并结合净化沼液不同重金属含量与植株平均富集含量综合计算求得土壤环境消纳容量，其中，净化沼液铬元素因其含量远远低于限量值从而消纳容量可达694694.67 m³·hm^-2，而净化沼液中镉元素因其含量为限量值的0.05倍，所以其消纳容量为22786.66 m³·hm^-2。基于本研究认为S₄处理（净化沼液滴灌量：900 m³·hm^-2）下土壤质量指数及青贮玉米产量较高，特以该滴灌量为计算依据，根据重金属镉元素“木桶效应”（木桶效应指由多块木板构成的木桶，其盛水量的关键因素并不是最长的板块，而是最短的板块），则可计算出，在这种净化沼液滴灌强度下可连续滴灌 25 年而维持土壤重金属含量不超标（表10）。而按照宁夏土壤次生盐渍化划分标准，预计滴灌超过19.25年可能会导致土壤发生次生盐渍化（表11）。

3 讨论

3.1 净化沼液滴灌对土壤质量的影响

目前，普遍认为土壤质量包括土壤物理、化学、生物学性质及重金属含量，随着科学技术水平提高，其定义也被逐步丰富，它的变化也处于一个动态过程^［28］。净化沼液作为外源添加，它会对土壤质量产生影响，其中，物理性质中变化最为明显的是土壤水稳性团聚体^［29-30］。本研究表明，>2 mm、0.25~1 mm粒径水稳性团聚体含量随着净化沼液滴灌量增加表现为先增加后降低趋势，其中，滴灌量为900 m³·hm^-2时该粒径水稳性团聚体含量最高，同时，相比其他滴灌量处理显著降低了<0.25 mm水稳性团聚体含量。此外，通过水稳性团聚体计算得出平均质量直径与几何平均直径也属滴灌量为900 m³·hm^-2处理最大，该参数越大，表明土壤结构越稳定。这与朱荣玮^［31］在苏北沿海脱盐草甸土、王威等^［32］在黄淮海平原砂姜黑土、唐蛟等^［33］在黄淮海平原潮土及陈皓等^［34］在江苏黄褐土上的研究结果基本一致，分析原因可能为沼液中含有大量能够分解土壤有机物的微生物，能产生具有胶结作用的多糖胶、脂肪、蜡等物质，可有效地改善土壤团粒结构^［35-36］。

土壤养分是评价土壤质量的核心指标之一，大量研究表明，沼液可显著提高土壤速效养分含量 ^［37-38］。本研究表明，随着净化沼液施用量增加，土壤速效氮、有效磷、速效钾及有机质含量呈显著增加趋势，这与前人研究结果相一致，分析原因为净化沼液在滴灌后，可以吸收、挥发并通过硝化作用将沼液中的铵态氮转化为土壤硝态氮，而净化沼液自身含有的磷钾元素及纤维素、木质素等高分子物质在微生物作用下能够快速分解为土壤有机物，显著提高了土壤有效磷、速效钾及有机质含量^［39］。本研究也表明，随着净化沼液滴灌量增大，土壤pH呈先增加后降低趋势， 这与罗伟 ^［40］、李小宇 ^［41］ 的研究结果基本一致，这主要由于净化沼液呈微碱性，在石灰性土壤上滴灌会导致土壤pH短暂增加，但过量沼液可能由于有机酸含量积累或者氨氮硝化作用产生的H⁺导致土壤pH呈降低趋势^［41］。土壤全盐反映出土壤溶质含量，其含量越大越容易造成土壤次生盐渍化发生。本研究表明，土壤电导率在滴灌量为1350 m³·hm^-2时最高，这与李娜等^［42］利用餐厨沼液在砂壤土得出的全盐含量随沼液比例增加而升高的结果相一致。从土壤次生盐渍化角度考虑，以净化沼液900 m³·hm^-2处理为例，2年土壤全盐含量增加了0.04 g·kg^-1，按照全国第二次土壤普查宁夏次生盐渍化划分标准（全盐≥1 g·kg^-1）计算^［43］，预计大概19年可能会导致土壤发生次生盐渍化。然而在生产中针对滴灌区域通常每3年进行一次冬灌淋洗，会有效地降低全盐含量，则上述限额可以进一步提升。

土壤中存在一系列促进土壤化学反应进程的生物酶，对土壤质量起关键性作用的酶有脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶及过氧化氢酶^［44-48］。杜妍宁^［49］研究表明，随着沼液施用量增加，土壤脲酶、蔗糖酶活性逐渐增强，而本研究表明，随着沼液施用量增加，土壤酶活性表现为先增加后降低趋势，尤其在滴灌量为1350 m³·hm^-2时下显著降低，这与其有所差异，分析可能原因为，净化沼液携带大量的外源酶，滴灌后会为土壤微生物新陈代谢创造适宜的环境，可以提高土壤酶活性，促进土壤有机物的分解、转换和养分释放。但高量净化沼液滴灌可能由于重金属等污染物增加反而会降低土壤酶活性。此外，沼液滴灌也会对土壤微生物活动产生影响，本研究表明，适量的净化沼液滴灌可提高土壤MBC与MBN含量，可实现增加土壤微生物群落的丰富度与土壤碳源的代谢强度^［50］。

沼液因动物饲料重金属添加导致其成为沼肥中次要的重金属载体，固液分离后大部分重金属会残留在沼渣中，而少部分重金属会迁移至沼液中，长期不合理沼液滴灌存在环境污染风险^［51］。赖星等^［52］连续施用猪粪沼液原液滴灌3 年后，土壤重金属含量呈显著增加趋势，但低于农田重金属限量值，Chen等^［53］研究表明，在连续施用沼液10 年后，土壤Zn 和Pb的有效态量显著增加；Bian等^［54］研究表明，施用沼液原液10 年后，稻田土壤Cu 和Pb 含量超出土壤环境质量标准。而本研究采用净化沼液连续2年滴灌后发现土壤重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr均出现增加现象，且随着滴灌量增加表现为显著增加趋势，但远远低于我国农田土壤重金属限量值。因净化沼液滴灌量900 m³·hm^-2下土壤质量指数及青贮玉米产量较高，特以该滴灌量为计算依据，根据重金属镉元素“木桶效应”计算出，在这种净化沼液滴灌强度下可连续滴灌25年而维持土壤重金属含量不超标。为有效地延长滴灌年限，在今后的工作中可采用净化沼液滴灌条件下配施生物质炭，利用其物理吸附、离子交换、沉淀络合的机制实现对重金属钝化，避免其在食物链中迁移富集。

3.2 净化沼液滴灌对青贮玉米生产力的影响

净化沼液含有丰富的营养元素及氨基酸、维生素、植物激素，这些物质对农作物的产量和品质均有良好的改善效果。蒋胜军^［55］研究表明，沼液施用量为18.75~22.50 t·hm^-2时，可以显著增加水稻产量，而当沼液施用量为45~54 t·hm^-2时，淀粉及干物质含量均有显著的提升；Xu等^［56］采用处理后的沼液灌溉大白菜（Brassica rapa spp. pekinensis），结果表明处理后的沼液灌溉能改善大白菜的营养品质、抗氧化性能并且提高产量，且重金属Cr、Pb和Cd的去除率可达50.00%、60.70%和 59.70%；此外，也有研究表明，追施沼液可以增加玉米的灌浆强度，加快籽粒干物质和淀粉的积累，进而提高玉米品质和产量^［57-58］。本研究表明，青贮玉米产量在净化沼液施用量为225~900 m³·hm^-2时表现为增加趋势，而净化沼液施用量为1125、1350 m³·hm^-2时分别相比施用量为900 m³·hm^-2均有所降低。此外，随着净化沼液滴灌量增加，青贮玉米干物质及淀粉含量均呈先增加后降低趋势，各处理间均存在显著性差异（P<0.05），干物质含量在净化沼液施用量900 m³·hm^-2处理下达到最大，2021与2022年分别达到35.12%、34.78%，分别相比沼液未滴灌处理增加了7.60%、7.14%，淀粉含量在2021年也属净化沼液施用量900 m³·hm^-2处理下最高，达到31.87%，这与前人的研究结果基本一致，高量滴灌导致青贮玉米产量与品质下降的原因可能为土壤结构变差，养分比例失衡，无法满足作物营养生长需要，产量出现降低现象^［58］。此外，本研究滴灌量与前人研究滴灌量有所差异，本质在于本研究利用净化多级过滤设备，有效地降低了污染物浓度，而前人研究的沼液多呈浓缩高浓度状态。

4 结论

净化沼液滴灌量为900 m³·hm^-2时可提高土壤有机质含量、水稳性大团聚体含量、平均质量直径、几何平均直径、微生物生物量碳含量及酶活性，进而提高了土壤质量指数。线性回归方程模拟发现净化沼液滴灌量为805.56~925.00 m³·hm^-2时有助于实现青贮玉米产量与收获标准双“30%”（淀粉≥30%、干物质量≥30%）提升的目的。基于滴灌量900 m³·hm^-2为计算依据，连续滴灌19年可能不会导致土壤次生盐渍化的发生，连续滴灌25年可维持重金属含量不超标。

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基金资助

奶牛粪污生物强化处理与分类再利用创新模式研究与示范(2022BEG02004)