王毅琪， 韓文彪， 趙玉柱， 陳 灝， 王玉喜， 呼斯冷，2

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術(shù)研究所，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000； 2.鄂爾多斯市城市礦產(chǎn)研究開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

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沼液對土壤理化性質(zhì)的影響

王毅琪1,2， 韓文彪1,2， 趙玉柱1,2， 陳 灝1， 王玉喜1,2， 呼斯冷1，2

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術(shù)研究所，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000； 2.鄂爾多斯市城市礦產(chǎn)研究開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

隨著沼氣工程的普遍化和規(guī)?；瑢⒓S便、生活垃圾、餐廚垃圾等有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為清潔能源(沼氣)和有機(jī)肥料(沼液)以及將沼氣、沼液進(jìn)行合理處置顯得尤為重要。在發(fā)酵代謝過程中，碳素以CH4形式形成清潔能源，而其他90%的營養(yǎng)物質(zhì)均保留在沼液中。有研究表明，發(fā)酵沼液中含有豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素和作物所需的營養(yǎng)元素[1-2]，而且大部分為簡單的、易于被動植物吸收的小分子或離子狀態(tài)，如有機(jī)廢棄物中的有機(jī)氮一部分被轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的形式，相當(dāng)于速效氮，另一部分則參與代謝或分解為氨基氮。但是，由于發(fā)酵原料的差異，沼液中的營養(yǎng)元素含量也有所不同[3]。有研究表明，沼肥中總氮(TN)含量占0.78%～1.61%，總磷(TP)含量占0.40%～0.60%，總鉀(TK)含量占0.61%～1.30%，營養(yǎng)成分中有機(jī)質(zhì)所占的比例最大，通常為36.0%～49.9%[4-5]。由于沼液中的化學(xué)耗氧量(COD)、總氮、總磷等含量依然較高，無法滿足直接排放的要求。目前經(jīng)沼氣工程處理后排放的沼液利用率不足30%[6-7]，沼液去向又給周邊環(huán)境帶來新的難題。加強(qiáng)沼液的利用與凈化技術(shù)研究顯得非常迫切。以往的研究主要集中在用沼液作肥料對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響上[8-9]，而通過沼液施肥大量消納沼液、減少周邊環(huán)境壓力及對土壤環(huán)境的影響等研究報道較少。以苜蓿為試驗(yàn)材料，通過不同量沼液作為苜蓿灌溉肥水替代化肥，筆者研究了不同用量沼液對土壤理化性質(zhì)的影響，以期為規(guī)模沼氣工程產(chǎn)生的沼液提供大量消解途徑和應(yīng)用依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料供試草類為在鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗沙圪堵鎮(zhèn)生活垃圾綜合處理廠生活區(qū)自然生長的綠化用草類——苜蓿。苜蓿為苜蓿屬(Medicago)植物的通稱，豆科，多年生草本植物，主要用于制干草、青貯飼料或用作牧草[10]。供試沼液來自鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗沙圪堵鎮(zhèn)生活垃圾綜合處理廠的聯(lián)合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，經(jīng)10 d的靜止熟化期。供試土壤取自于該生活垃圾處理廠生活區(qū)綠化用土地。供試沼液和土壤的理化性質(zhì)見表1。

表1　供試沼液和土壤理化性質(zhì)

1.2試驗(yàn)方法6月4日種植苜蓿，9月10日收割。按所施用沼液的用量，設(shè)6個處理，其中T0為空白對照，即灌溉等體積清水，T1為施無機(jī)肥對照，T2～T5為施用不同量沼液處理。每個處理均不施基肥，占地7.04 m2。在試驗(yàn)田中，除了苜蓿之外，沒有種植其他植物。試驗(yàn)共施5次沼液和無機(jī)肥，施肥間隔期為10 d。將熟化的沼液分別按照沼液、清水(V∶V)0∶5、1∶4、1∶1、4∶1、5∶0比例調(diào)配施用，單位面積的施量為2 L/m2。 T1處理每次追加尿素5.65 g/m2、磷酸二銨5.3 g/m2、氯化鉀3.5 g/m2(折合氮3.75 g/m2、磷1.25 g/m2、鉀1.83 g/m2)，氮、磷、鉀營養(yǎng)元素含量與沼液相當(dāng)。6個處理的其余試驗(yàn)條件都保持一致。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

1.3測定指標(biāo)該試驗(yàn)共追肥5次。在每次施肥前1 d取土樣用于測定理化特性，最后1次取樣為施肥后第10天，共測6次。土壤pH、含水率、氨氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)的測定采用常規(guī)測定法。

表2　 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2結(jié)果與分析

2.1不同沼液配比對土壤pH的影響酸堿度直接影響著土壤肥力和植物生長發(fā)育[11]。試驗(yàn)地在內(nèi)蒙古西部，土壤偏堿性，在8.0左右。由圖1可知，T0處理土壤pH幾乎未改變，基本保持在7.9左右，對土壤pH的改善效果不明顯；T1處理雖然在一定程度上可降低土壤酸堿度，但過量施用化肥會造成土壤板結(jié)和退化；隨著施用沼液濃度的提高，土壤pH呈明顯下降趨勢，尤其是T5處理 pH降低最為明顯，最低達(dá)到7.35，基本接近中性，有效改善土壤環(huán)境。這主要是由于沼液本身具有良好的緩沖性，為弱堿性；同時，沼液中含有大量有機(jī)質(zhì)，施用后可增加土壤孔隙度；好氧和兼性微生物降解有機(jī)質(zhì)，產(chǎn)生大量腐殖酸，可降低土壤酸堿度。因此，施用沼液可顯著改善土壤酸堿度，避免土壤鹽堿化板結(jié)，促進(jìn)鈣、鎂、鐵等微量元素的吸收利用，促進(jìn)作物生長。

圖1　土壤pH的變化Fig. 1　Changes of soil pH value

2.2不同沼液配比對土壤含水率的影響內(nèi)蒙古地區(qū)土壤多為沙質(zhì)土壤，保水性差。如果人們能提高土壤保水性，那么就會在很大程度上改善農(nóng)業(yè)種植條件。由于在試驗(yàn)期內(nèi)有2次降雨，土壤含水率明顯升高。由圖2可知，各處理都會引起土壤含水率不同程度的增加，但各處理之間差別較大。總體來看，施肥處理保水性要比未施肥處理好，施用高濃度沼液處理的保水性比施用低濃度沼液處理好，即隨著沼液濃度的增加，土壤含水率增加，保水性增強(qiáng)。T5處理含水率從5.53%提高到13.92%。施用沼液提高土壤保水性，可能是由于沼液中含有大量的腐殖酸，而腐殖酸對于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成具有重要作用。因此，施用沼液可以明顯改善土壤的保水性能，特別是對于沙質(zhì)土壤，可達(dá)到保水抗旱的作用。

圖2　土壤含水率的變化Fig. 2　Changes of soil moisture content

2.3不同沼液配比對土壤氨氮含量的影響由圖3可知，隨著沼液施用量的增加，土壤中氨氮含量總體上呈先上升后降低的趨勢，但是沼液施用處理的降低速度較無機(jī)肥施用處理緩慢。隨著沼液施用量的增加，土壤中氨氮含量增加，即T5處理>T4處理>T3處理>T2處理，T5處理增量最多，氨氮含量增加80%，提高到22 mg/kg，雖然T1處理施氮量與T5處理相當(dāng)，但土壤氨氮含量只提高約50%，即T1處理與T4處理氨氮含量相當(dāng)。造成氨氮變化的主要原因，一方面是在追肥前期，土壤氨氮含量上升，但此時苜蓿植株較小，對氨氮的吸收量小于追肥量，因此土壤氨氮積累升高，而隨著苜蓿植株的生長，其氨氮需求量增加，并且超過追肥量，因此造成土壤氨氮含量下降；另一方面，由于T1處理土壤pH較高，偏堿性，會造成氨氮的損失，而施用沼液組可有效改善土壤pH，減少氨氮的損失。因此，施用沼液可提高土壤中氨氮含量，有效提高土壤供氮水平，具有很好的保肥作用。

圖3　土壤氨氮含量的變化Fig. 3　Changes of ammonia nitrogen content in soil

2.4不同沼液配比對土壤速效磷含量的影響由圖4可知，隨著沼液施用量的增加，土壤中速效磷含量總體上呈先上升后下降的趨勢。這主要與植株生長及其營養(yǎng)元素的吸收有關(guān)。T5處理與T1處理土壤中磷含量最高，比施肥前提高約50%。隨著沼液施用量的增加，土壤磷含量增加，均比對照組磷含量有所提高。由此可知，施用沼液和無機(jī)肥對土壤中速效磷含量的影響基本一致。土壤速效磷含量與沼液施用量關(guān)系較大。雖然肥料特性對土壤速效磷含量的影響不大，但是通過沼液對土壤特性的改良可以促進(jìn)氮的吸收和保持，在一定程度上對磷的吸收具有促進(jìn)作用。

圖4　土壤速效磷含量的變化Fig. 4　Changes of rapidly available phosphorus content in soil

2.5不同沼液配比對土壤速效鉀含量的影響由圖5可知，隨著沼液施用量的增加，土壤中速效鉀含量增加，均比T1處理和T0處理要高，即土壤鉀含量的大小順序?yàn)門5處理>T4處理>T3處理>T2處理>T1處理>T0處理，其中T5處理與T4處理提高土壤速效鉀含量的效果最為明顯，含量最高時分別比施用前提高116%和109%，表明施用沼液對土壤速效鉀含量的提高具有很好的效果。造成土壤速效鉀含量不同的原因可能與土壤保水性有關(guān)。由于速效鉀完全屬于離子態(tài)，施用沼液可有效提高土壤保水性能，從而在一定程度上減少降水、追肥過程中速效鉀的淋洗損失，而施用無機(jī)肥后土壤保水性得不到改善，速效鉀易淋失。因此，施用沼液可以有效促進(jìn)土壤中速效鉀的保持，避免肥效損失，具有良好的保鉀作用。

圖5　土壤速效鉀含量的變化Fig. 5　Changes of rapidly available potassium content in soil

2.6不同沼液配比對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響土壤有機(jī)質(zhì)能夠?yàn)橹参锷L提供必需的營養(yǎng)物質(zhì)和礦質(zhì)元素，也是良好的土壤改良劑，因此土壤有機(jī)質(zhì)直接影響著植物生長[12]。由圖6可知，隨著沼液施用量的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量總體上呈上升趨勢，其中T5處理和T3處理土壤有機(jī)質(zhì)含量增加得最多，與施肥前相比分別增加61.55%和48.5%，相比T0處理分別增加2.2%和1.8%，同時高于T1處理，最高達(dá)到10.5%。土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加一方面是由于追肥增加了有機(jī)質(zhì)含量，另一方面是由于追肥提高了土壤含水率，改善土壤微生物生長環(huán)境，分解植物殘體。因此，施用沼液不僅可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，而且可以改善土壤微生物生長環(huán)境，增加土壤腐殖酸，達(dá)到保水、保肥、改良土壤性質(zhì)的目的。

圖6　土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化Fig. 6 Changes of organic matter content in soil

3結(jié)論

通過研究不同用量沼液對土壤理化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)沼液作為有機(jī)肥施用對改良土壤特性具有明顯作用，即隨著沼液施用量的增大，土壤理化性質(zhì)得到明顯改善。其中，全沼液處理效果最好，土壤酸堿度明顯改善，由堿性土壤(pH 8.0)逐漸向弱堿性(pH 7.35)轉(zhuǎn)變，土壤含水率從5.53%提高到13.92%，具有良好的保水性，土壤氨氮、速效磷和速效鉀得到顯著積累，與施肥前相比分別提高了80%、50%和116%，與無機(jī)肥相比保肥性有所提高；同時，土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯增加，與施肥前相比提高了61.55%。綜上所述，施用沼液可以明顯增加土壤肥力，提高土壤保水、保肥性，改良土壤結(jié)構(gòu)，優(yōu)化土壤性質(zhì)，利于作物生長，為沼氣工程發(fā)酵沼液的資源化利用開辟一條新路。

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摘要[目的]為了考察沼氣工程發(fā)酵沼液施用對土壤理化性質(zhì)的影響。[方法]以苜蓿為材料，采用田間試驗(yàn)，探討不同沼液施用量對土壤理化性質(zhì)的影響。[結(jié)果]施用全沼液后土壤酸堿度得到明顯改善，由堿性土壤逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯄A性，土壤含水率從5.53%提高到13.92%，土壤氨氮、速效磷和速效鉀得到顯著積累，與施肥前相比分別提高80%、50%和116%，土壤有機(jī)質(zhì)含量與施肥前相比提高了61.55%。[結(jié)論]施用沼液對土壤理化性質(zhì)有顯著的改良作用。

關(guān)鍵詞沼液；土壤；理化性質(zhì)

Effects of Biogas Slurry on Soil Physical and Chemical Properties

WANG Yi-qi1,2, HAN Wen-biao1,2, ZHAO Yu-zhu1,2et al (1. Ordos Institute of Solid Waste Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Ordos, Inner Mongolia 017000; 2. Ordos Urban Mining Research and Development Co., Ltd., Ordos, Inner Mongolia 017000)

Abstract[Objective] The research aimed to investigate the effects of biogas slurry on the soil physical and chemical properties. [Method] The impacts of different application amount of biogas slurry on physical and chemical properties of soil were studied through field experiment with medicago as test materials. [Result] The biogas slurry could change pH from alkaline to alkalescence, moisture content of the soil increased from 5.53% to 13.93%. Biogas slurry could lead to the accumulation of the-N, avai1able P, and available K in soils obviously, and they increased by 80%, 50%, 116% and 61.5% compared with the pre-implantation respectively. [Conclusion] Biogas slurry can improve the physical and chemical properties of soil obviously.

Key wordsBiogas slurry; Soil; Physical and chemical property

收稿日期2015-11-30

作者簡介王毅琪(1987- )，女，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，工程師，從事城市有機(jī)廢棄物處置與利用方面的研究。

基金項(xiàng)目“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAC25B03)、(2012BAC25B07)。

中圖分類號S 15

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)01-193-03