砂壤土貯存池中沼液入滲及氮磷遷移特征

孫國峰，宗焦，盛婧*，周煒，張麗萍，王子臣

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，南京 210014；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種養(yǎng)結(jié)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014）

我國畜禽糞污年產(chǎn)生量約38 億t，其中養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞水量約20 億t，已成為農(nóng)業(yè)面源污染的重要來源[1]。固體糞污可通過堆肥得到有效處理，而糞水處理成為養(yǎng)殖場污染防治的關(guān)鍵，將其厭氧發(fā)酵無害化處理后，產(chǎn)物沼液作為糞肥還田是一種最為經(jīng)濟(jì)有效的處理與利用方式[2]。但養(yǎng)殖場沼液具有產(chǎn)生量大、連續(xù)性等特點(diǎn)，與農(nóng)田作物水肥需求季節(jié)性之間往往不同步，故沼液貯存是其還田前的必備環(huán)節(jié)。關(guān)于沼液貯存條件及其營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬、大腸桿菌、氣體排放等方面已有較多報(bào)道[3-8]。已有研究表明，貯存過程中沼液氮磷含量的主要影響因素依次為貯存溫度、氧氣含量、貯存時間等，且隨著貯存溫度升高、氧氣含量增加、貯存時間延長整體呈下降趨勢[8-9]。例如露天貯存90 d 條件下，不同發(fā)酵原料（豬糞、雞糞和牛糞）的沼液總氮濃度受氣溫影響較大，損失率在16.4%～59.5%之間；而沼液總磷濃度受氣溫影響較小，損失率在61.3%～71.3%之間[9]。也有研究指出，在短期（＜60 d）內(nèi)，加蓋貯存的沼液氮磷損失較少，優(yōu)于敞口貯存，但隨著貯存時間延長（60～90 d），貯存方式對沼液氮磷含量影響較小[10]?，F(xiàn)有沼液貯存時間多在90～180 d 之間，沼液氮、磷損失率分別為16.4%～84.3%、61.3%～93.5%[9-11]。據(jù)2018—2019 年畜禽糞污第三方評估數(shù)據(jù)報(bào)道，我國養(yǎng)殖場糞水采用自然貯存等簡易方式處理仍占83.34%[1]，而未做防滲處理的砂壤土貯存池中沼液入滲及其氮磷遷移特征尚未見報(bào)道。本研究分析豬場沼液在砂壤土貯存池中入滲率、氮磷水平與垂直遷移特征，并探討影響沼液入滲的限制因子，為定量評估沼液在自然貯存過程中引發(fā)的二次污染風(fēng)險提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

于2019 年11 月22 日至12 月24 日，在江蘇省淮安市淮陰區(qū)五里鎮(zhèn)鎮(zhèn)南村（33°42′21″N，118°50′11″E）開展豬場糞污水厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼液貯存試驗(yàn)。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年均溫度14.8 ℃，年均降雨量945.5 mm，年均日照時數(shù)2 080.6 h，年均無霜期216 d。試驗(yàn)開始前砂壤土貯存池的不同深度土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 初始不同深度土壤理化性質(zhì)Table 1 Initial values of soil physical and chemical properties at different depths

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

沼液貯存試驗(yàn)設(shè)置3 個處理，即沼液處理（BS）、1/3 沼液+2/3 井水處理（1/3BS）和井水處理（W），貯存試驗(yàn)周期為5 d，貯存周期3次重復(fù)（15 d）內(nèi)均無降雨事件發(fā)生。試驗(yàn)沼液和井水均來自于淮陰區(qū)誠實(shí)生豬養(yǎng)殖場，起始沼液的全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總磷含量分別為392、301、3.97、60.7 mg·L-1，總固體（TS）含量為3%；井水的全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總磷含量分別為4.68、4.25、0.09、0.08 mg·L-1。采用機(jī)械挖掘與人工修整相結(jié)合的方式建造地下式貯存池（長2 m、寬2 m、深1.5 m），初始液面深度為1.2 m。

試驗(yàn)結(jié)束后，采集貯存池3 個側(cè)面土壤樣品，每個側(cè)面采集地面下90 cm 處2 個水平點(diǎn)混合土壤樣品，水平取樣深度為0～5、5～10、10～20、20～40、40～60 cm，同時，按“品”字形分別采集貯存池底部土壤樣品，垂直取樣深度為0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm，測定有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷、有效磷含量等指標(biāo)。采集貯存池側(cè)面、底部0～10 cm 土壤結(jié)構(gòu)樣品，測定土壤容重，重復(fù)3次。

1.3 測定方法

無降雨條件下，入滲率為每日液面下降深度與蒸發(fā)量之差，其中，液面下降深度采用水尺觀測法測定，蒸發(fā)量采用差量法測定。累積入滲量為各貯存周期內(nèi)累計(jì)天數(shù)的入滲率之和。土壤全氮、總磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用連續(xù)流動化學(xué)分析儀（SAN++System，SKALAR，荷蘭）測定。土壤有效磷采用碳酸氫鈉法測定。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀（K2Cr2O7）氧化外加熱法（LY/T 1237—1999）測定。土壤容重采用環(huán)刀法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016 和SPSS17.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與制圖，處理間多重比較用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 貯存過程中入滲特征

各處理入滲率見圖1。不同處理入滲率均呈現(xiàn)隨貯存深度降低、間歇供水次數(shù)增加而下降的趨勢，且整體呈現(xiàn)BS＜1/3BS＜W 處理的規(guī)律。具體來看，BS處理各貯存周期的平均入滲率依次為11.0、8.4、5.2 cm·d-1，降低幅度在2.6～3.2 cm·d-1之間；1/3BS處理各貯存周期的平均入滲率依次為16.8、15.6、13.2 cm·d-1，降低幅度在1.2～2.4 cm·d-1之間；W 處理各貯存周期的平均入滲率依次為19.0、16.4、16.4 cm·d-1，減少幅度在0～2.6 cm·d-1之間。

圖1 不同處理入滲率變化趨勢Figure 1 Trend of infiltration rate under different treatments

各處理累積入滲量見圖2。不同處理累積入滲量也呈現(xiàn)BS＜1/3BS＜W 處理的規(guī)律，并隨間歇供水次數(shù)增加而下降，其中BS處理累積入滲量降幅最大。具體來看，BS處理各貯存周期的累積入滲量依次為55、42、26 cm，較W 處理分別降低了42.1%、48.8%和68.3%，較1/3BS處理分別降低了34.5%、46.2%和60.6%。

圖2 不同處理累積入滲量變化趨勢Figure 2 Trend of accumulation infiltration amount under different treatments

2.2 氮磷水平遷移特征

各處理氮磷水平遷移特征見圖3。沼液貯存過程中，氮存在水平遷移趨勢，且水平遷移深度達(dá)5～10 cm；而磷主要吸附于池側(cè)表層土壤0～5 cm。整體來看，池側(cè)0～5 cm和5～10 cm土壤全氮和銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)BS＞1/3BS＞W(wǎng) 處理的規(guī)律，其中BS 處理顯著（P＜0.05）高于W 處理；而各處理10～20、20～40、40～60 cm土壤全氮和銨態(tài)氮含量差異均不顯著。另外，池側(cè)0～5 cm 土壤總磷和有效磷含量均以BS 處理最高，顯著（P＜0.05）高于1/3BS 和W 處理；而BS 處理除0～5 cm 外，其他層次土壤有效磷含量較W 處理均未出現(xiàn)增加現(xiàn)象。

圖3 不同處理氮磷水平遷移特征Figure 3 Lateral transfer characteristics of nitrogen and phosphorus under different treatments

2.3 氮磷垂直遷移特征

各處理氮磷垂直遷移特征見圖4。沼液貯存過程中，氮磷存在明顯的垂直遷移趨勢，且垂直遷移深度達(dá)10～20 cm。具體來看，池底0～10 cm 和10～20 cm土壤全氮、銨態(tài)氮、總磷和有效磷含量均呈現(xiàn)BS＞1/3BS＞W(wǎng) 處理的規(guī)律，且各處理池底0～10 cm 和10～20 cm 土壤全氮、銨態(tài)氮含量及0～10 cm 土壤總磷和有效磷含量差異均達(dá)到5%顯著水平，同時，BS 處理10～20 cm 土壤總磷和有效磷含量也顯著（P＜0.05）高于W 處理；而各處理20～40、40～60、60～80 cm 土壤全氮、銨態(tài)氮、總磷和有效磷含量差異均不顯著，但BS處理土壤有效磷含量較W處理有增加趨勢。

圖4 不同處理氮磷垂直遷移特征Figure 4 Vertical transfer characteristics of nitrogen and phosphorus under different treatments

2.4 貯存沼液的氮磷去向分析

貯存過程中，沼液氮磷損失均以垂直遷移為主。具體來看，貯存過程中，沼液氮去向中垂直遷移、水平遷移、殘留量和其他損失分別占比為25.1%、9.4%、50.6%和14.8%；沼液磷去向中垂直遷移、水平遷移和殘留量分別占比為56.9%、15.3%和27.7%，這與貯存過程中顆粒態(tài)磷沉降有關(guān)。

3 討論

3.1 貯存沼液入滲率的影響因子分析

影響土壤入滲特性的主要因素有土壤理化性質(zhì)（初始含水量、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)等），供水強(qiáng)度，供水方式，水質(zhì)及水溫等[12-13]。本研究在同一田塊同時開展試驗(yàn)，各處理土壤容重、孔隙度和環(huán)境溫度差異均不顯著。通過入滲率與貯存深度的相關(guān)性分析（圖5）發(fā)現(xiàn)，第3個貯存周期W 處理入滲率與貯存深度呈極顯著（P＜0.01）的線性正相關(guān)關(guān)系，可用線性方程y=0.157 9x+3.515（r=0.986，n=5）來擬合，說明W處理入滲率隨著貯存深度的增大而增加，可能是供水強(qiáng)度（貯存深度1.2 m以內(nèi)）小于砂壤土入滲能力的緣故[12]，但也有研究指出積水深度在1～10 cm之間對紫色土入滲特性基本沒有影響，這可能與水深及土壤性質(zhì)等因素有關(guān)[14]；而BS處理入滲率與貯存深度間相關(guān)性未達(dá)到5%顯著水平，說明本試驗(yàn)條件下貯存深度對沼液入滲率的影響相對較小，這可能與沼液的水質(zhì)特性有關(guān)[12]。

圖5 第3貯存周期入滲率與貯存深度的相關(guān)關(guān)系Figure 5 Correlation between infiltration rate and storage depth in the third storage period

沼液是一種色度較深的黏稠液體，具有固形物含量高、腐殖質(zhì)等有機(jī)物含量高、可溶性鹽含量高等特點(diǎn)[15]。本研究發(fā)現(xiàn)沼液貯存過程中有機(jī)物存在水平與垂直遷移趨勢，其遷移深度分別達(dá)5～10 cm 和10～20 cm（圖6～圖7），分析沼液中固形物、有機(jī)物會隨水入滲附著于貯存池表層土壤，堵塞土壤入滲通道，可能是降低貯存沼液入滲率的主要原因。同時，沼液中低價可溶性鹽（如Na+）會置換土壤膠體顆粒上Ca2+和Mg2+，改變土壤孔隙特性，影響土壤水入滲通道，進(jìn)一步降低貯存沼液入滲率[12]。另外，本研究采用間歇供水方式，發(fā)現(xiàn)各處理入滲率隨間歇次數(shù)增加而下降，這與前人研究結(jié)論一致[14]，其中BS 處理入滲率的降幅明顯高于1/3BS 處理，說明間歇供水方式也可降低貯存沼液入滲率。由此推測，采用物理或化學(xué)方法改變沼液自然貯存池表層土壤結(jié)構(gòu)特性可以有效減少沼液入滲損失。

圖6 不同處理池側(cè)土壤有機(jī)質(zhì)水平分布特征Figure 6 Lateral distribution characteristics of pool side soil organic matter under different treatments

圖7 不同處理池底土壤有機(jī)質(zhì)垂直分布特征Figure 7 Vertical distribution characteristics of pool bottom soil organic matter under different treatments

3.2 貯存沼液的氮磷遷移特征

養(yǎng)殖場沼液富含氮磷等營養(yǎng)元素，其中氮主要以銨態(tài)氮形式存在[16]。余薇薇等[17]采用蒸餾水預(yù)飽和模擬土柱法研究紫色土灌溉沼液過程中銨態(tài)氮垂直的遷移風(fēng)險，指出其風(fēng)險較大，顯著高于有效磷遷移風(fēng)險。本研究通過測定貯存后池側(cè)、池底土壤氮磷含量，明確貯存沼液過程中存在明顯的氮磷水平、垂直遷移趨勢，其中銨態(tài)氮水平、垂直遷移深度分別達(dá)5～10 cm（25.0 mg·kg-1）和10～20 cm（41.8 mg·kg-1），均低于砂壤土的銨態(tài)氮吸附量（約54 mg·kg-1）[18]。同時，由于土壤中硝態(tài)氮具有易隨水動的特性，但本研究沼液中硝態(tài)氮含量為3.97 mg·L-1，而且沼液貯存后水平、垂直土壤的硝態(tài)氮含量分別在1.86～4.64、1.72～2.35 mg·kg-1之間，均低于初始土壤背景值（5.25、5.89 mg·kg-1），可能是沼液貯存池周圍土壤硝態(tài)氮存在部分隨水入滲而流失的風(fēng)險。另外，發(fā)現(xiàn)BS 處理池底20～80 cm 土壤有效磷含量較W 處理有增加趨勢，但池底不同層次土壤有效磷含量在2.0～13.0 mg·kg-1之間，這遠(yuǎn)低于土壤有效磷淋溶臨界值（74.6～82.0 mg·kg-1）[19]，且土壤總磷含量并未增加，可能與沼液中活性物質(zhì)隨水入滲提高了下層土壤磷酸酶活性有關(guān)[20]。綜上所述，銨態(tài)氮遷移特征是沼液在自然貯存過程中二次污染風(fēng)險評估的重要依據(jù)之一。然而，本研究未考慮到沼液貯存過程中滲漏液的氮磷含量，有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）與井水相比，砂壤土貯存池中沼液會顯著降低入滲率和累積入滲量，且沼液入滲率隨間歇次數(shù)增加而大幅下降。井水入滲率與貯存深度呈極顯著（P＜0.01）的線性正相關(guān)關(guān)系，而第3個貯存周期的沼液入滲率與貯存深度間相關(guān)性未達(dá)到5%顯著水平，這主要與沼液中有機(jī)物濃度高的水質(zhì)特性及間歇供水方式有關(guān)。

（2）砂壤土貯存沼液過程中，存在明顯的氮磷水平、垂直遷移趨勢，且沼液氮磷損失均以垂直遷移為主。本研究1.2 m 貯存深度條件下，沼液氮磷垂直遷移土壤深度達(dá)10～20 cm；而沼液氮磷水平遷移趨勢相對較弱，其中氮水平遷移深度達(dá)5～10 cm，磷主要附著于貯存池側(cè)面的表層土壤。