甘福丁　魏世清　伍琪　李勇江　桂雪萍　蔣湖波

摘要 利用模擬土柱試驗(yàn)裝置對(duì)不同類(lèi)型土壤消解沼液潛力進(jìn)行研究。結(jié)果表明：在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)試驗(yàn)情況下赤紅壤、石灰土、紅壤對(duì)沼液污染都具有一定的消解凈化作用。但不同的土壤類(lèi)型，其消解沼液污染的能力也不盡相同。在此基礎(chǔ)上，對(duì)沼液灌溉對(duì)土壤肥力的影響作了分析。

關(guān)鍵詞 土壤類(lèi)型；沼液；土柱試驗(yàn)；消解

中圖分類(lèi)號(hào) S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）05-0233-05

Abstract The digestion capacity of biogas slurry was studied by soil column experiments on different soil types.The results showed that three types of soil（latosolic red soil，limestone soil and red soil）had certain digestion effect on biogas slurry under static or dynamic condition，different types had different purification ability to biogas slurry.In addition，the effects of the irrigation of biogas slurry on soil fertility was analyzed.

Key words soil types；biogas slurry；soil column experiments；digestion

沼氣工程是處理養(yǎng)殖場(chǎng)糞污的主要技術(shù)之一。但由于采用的發(fā)酵原料、發(fā)酵工藝、發(fā)酵條件的不同，許多沼氣工程產(chǎn)生的沼液COD、BOD、SS依然高，總氮、總磷、氨氮含量下降很少，仍然達(dá)不到養(yǎng)殖污染排放的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]。如果沼液不經(jīng)處理直接排放，勢(shì)必造成環(huán)境二次污染。雖然通過(guò)土壤吸附、稀釋、擴(kuò)散或離子交換等可降低沼液中有機(jī)物、氮、磷等物質(zhì)的濃度，消解沼液部分污染，但如果沼液的排放超過(guò)土壤消解能力，沼液也會(huì)通過(guò)滲漏、淋溶、徑流等作用污染土壤及臨近水體，造成土壤結(jié)構(gòu)性破壞和水體富營(yíng)養(yǎng)化。

土壤有紅壤、磚紅壤、赤紅壤、石灰土、棕壤等不同的類(lèi)型。不同的土壤類(lèi)型，其消解沼液污染的能力也不盡相同。本研究采用室內(nèi)模擬土柱試驗(yàn)方法，分析不同類(lèi)型土壤對(duì)沼液的消解動(dòng)態(tài)、降解規(guī)律，以獲得不同土壤對(duì)沼液污染的消解能力，為沼液合理利用及預(yù)控、預(yù)測(cè)地力變化趨勢(shì)，指導(dǎo)合理施肥等提供科學(xué)依據(jù)。由于土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)多種多樣，本試驗(yàn)只側(cè)重于測(cè)定赤紅壤、石灰土、紅壤3種類(lèi)型土壤消解沼液過(guò)程中樣土及出水化學(xué)指標(biāo)的變化，如有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀及出水總磷、總鉀、氨氮、硝酸鹽氮、COD等指標(biāo)的測(cè)定。

1 材料與方法

1.1 沼液與樣土

（1）本試驗(yàn)采用的沼液采自南寧市郊區(qū)和廣西林科院沼氣實(shí)訓(xùn)基地正常產(chǎn)氣的沼氣池。2處沼液按1∶1配制，過(guò)濾除渣?；旌虾蟮恼右焊鞒煞种笜?biāo)：磷2.09 mg/L，鉀176.96 mg/L，氨氮489.08 mg/L，硝酸鹽氮1.72 mg/L，COD 284.1 mg/L，pH值7.0。

（2）樣土分別為赤紅壤、石灰土和紅壤。3種不同類(lèi)型樣土的理化指標(biāo)見(jiàn)表1。

（3）樣土的處理。采集3種土壤各重約50 kg（濕重），然后分別曬干，粉碎過(guò)篩。過(guò)篩后樣土粒徑不大于5 mm，粉末狀土約占20%。

1.2 試驗(yàn)原理

（1）利用模擬土柱試驗(yàn)裝置，在土柱內(nèi)裝填樣土，然后注入過(guò)量的沼液，采用靜置方法，研究在靜態(tài)狀況下土壤對(duì)沼液污染的吸咐、稀釋性能，分析沼液在土壤中的自?xún)粜Ч巴寥婪柿Φ淖兓痆1-3]。

（2）利用模擬土柱試驗(yàn)裝置，在土柱內(nèi)裝填樣土，然后注入一定量的沼液，采用滴定方法，研究在動(dòng)態(tài)狀況下沼液污染物在土壤中吸咐、稀釋、遷移等情況，分析沼液在土壤中的自?xún)粜Ч巴寥婪柿Φ淖兓?/p>

1.3 試驗(yàn)裝置

（1）土壤消解沼液潛力研究模擬土柱試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。包括儲(chǔ)液罐、柱體和接水池等。柱體上設(shè)有取樣三通，底部設(shè)有濾網(wǎng)及封頭，并在底端出口處連接有出水閥門(mén)；取樣三通設(shè)有帶螺牙的封蓋，以方便打開(kāi)和關(guān)閉，并且封蓋內(nèi)設(shè)有密封墊圈，防止漏水。

柱體的直徑110 mm，高1 300 mm，內(nèi)壁粘接有多條防止液體沿內(nèi)管壁優(yōu)先往下流的橫向肋條。

（2）每種樣土分3個(gè)處理。處理1為清水對(duì)照（CK），處理2為過(guò)飽和靜態(tài)灌溉模擬，處理3為動(dòng)態(tài)灌溉模擬。

1.4 試驗(yàn)操作

1.4.1 裝土。每個(gè)土柱內(nèi)底部先平放1層不銹鋼濾網(wǎng)。濾網(wǎng)必須根據(jù)石英砂粒徑選擇網(wǎng)格合適的目數(shù)，以阻攔石英砂掉入出水閥的入水口。然后放入厚30～40 mm石英砂，上面再放置1層不銹鋼濾網(wǎng)，此處濾網(wǎng)必須根據(jù)樣土粒徑選擇網(wǎng)格合適的目數(shù)。再放入厚1 000 mm樣土，每個(gè)土柱供試土壤約為10 kg。分多次裝填，每次裝填高度100～200 mm。裝土?xí)r注意振實(shí)。裝土完畢，再放置1層不銹鋼網(wǎng)4。最后放厚100 mm碎石。

1.4.2 注水或沼液。處理1（CK）：往柱體內(nèi)緩緩注入清水，并沒(méi)過(guò)碎石面100 mm，記錄所需水量，然后靜置。注意觀察并補(bǔ)水。保持水面沒(méi)過(guò)碎石。7 d后從柱體下部閥門(mén)取水樣檢測(cè)1次。然后排干柱體里的水，從三通取樣口取土樣檢測(cè)1次。取完樣，蓋好取樣口。關(guān)閉閥門(mén)后補(bǔ)水，沒(méi)過(guò)碎石100 mm。重復(fù)以上操作，直到試驗(yàn)滿(mǎn)49 d結(jié)束。

處理2：往柱體內(nèi)緩緩注入沼液，并沒(méi)過(guò)碎石面100 mm，記錄所需沼液量，然后靜置。注意觀察并補(bǔ)沼液。保持液面沒(méi)過(guò)碎石。7 d后排出水，取出水樣、土樣檢測(cè)1次。關(guān)閉閥門(mén)后補(bǔ)充沼液，沒(méi)過(guò)碎石100 mm，保持土柱中沼液處于過(guò)飽和狀態(tài)。以后重復(fù)以上操作，直到試驗(yàn)滿(mǎn)49 d結(jié)束。

處理3：往柱體內(nèi)緩緩注入沼液，并沒(méi)過(guò)碎石面100 mm，然后改用滴定方法?？刂苾?chǔ)液罐閥門(mén)出水量，使出水形成點(diǎn)滴狀態(tài)。接著打開(kāi)柱體下端出水閥門(mén)，使出水形成點(diǎn)滴狀態(tài)，并使柱體進(jìn)水量與出水量基本相等。7 d后取出水樣、土樣檢測(cè)1次。以后重復(fù)以上操作，直到試驗(yàn)滿(mǎn)49 d結(jié)束。

每次取土樣500 g、水樣300 mL。根據(jù)研究?jī)?nèi)容，測(cè)定土樣的有機(jī)物、總氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量等指標(biāo)以及測(cè)定出水水樣總磷、總鉀、氨氮、硝酸鹽氮、COD等指標(biāo)的變化情況[4-6]。

1.4.3 測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)。

（1）土樣測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)《LY/T 1237—1999森林土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定及碳氮比的計(jì)算》《LY/T 1228—1999森林土壤全氮的測(cè)定》《LY/T 1233—1999森林土壤有效磷的測(cè)定》《LY/T1236—1999森林土壤速效鉀的測(cè)定》等。

（2）水樣測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)《GB11893—1989水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》《GB 11904—1989水質(zhì)鉀和鈉的測(cè)定火焰原子吸收分光光度法》《HJ537—2009水質(zhì)氨氮的測(cè)定（蒸餾-中和滴定法）》《GB/T 7480—1987水質(zhì) 硝酸鹽氮的測(cè)定 酚二磺酸分光光度法》《GB 11914—1989水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸法》等。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液在不同土壤類(lèi)型的自?xún)粜Ч治?/p>

2.1.1 赤紅壤。赤紅壤消解沼液模擬土柱試驗(yàn)土樣測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2中可以看出，各試驗(yàn)指標(biāo)變化不大。處理2在35 d時(shí)有機(jī)質(zhì)含量開(kāi)始升高，全氮在21 d后升高，至49 d時(shí)含量已超過(guò)樣土的3倍左右，速效氮在28 d后升高快。速效磷含量變化不大。速效鉀也在28 d后含量增加快，至試驗(yàn)結(jié)束，其含量比樣土升高約59倍。處理3的土壤在試驗(yàn)14 d時(shí)，全氮、速效氮含量就明顯升高很快。而速效磷、速效鉀變化更明顯。到21 d速效磷就超過(guò)了國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)總磷三級(jí)水平，到試驗(yàn)結(jié)束，其速效磷含量已比樣土增加14倍以上，土樣產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染。速效鉀含量也增加84倍之多。

赤紅壤消解沼液土柱模擬試驗(yàn)出水水樣測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2～6。

從圖2～6中可以看出，CK全磷、全鉀、氨氮、COD等試驗(yàn)指標(biāo)變化不大，但硝酸鹽指標(biāo)變化較大，從14 d開(kāi)始出水硝酸鹽含量都高于原沼液硝酸鹽含量。處理2各指標(biāo)都比沼液原指標(biāo)低很多，說(shuō)明通過(guò)赤紅壤的積累、阻隔、過(guò)濾、轉(zhuǎn)化，沼液的濃度、各理化指標(biāo)下降明顯，在靜態(tài)條件下，赤紅壤具有凈化、消解沼液的作用。只是試驗(yàn)進(jìn)行到14 d，出水硝酸鹽含量有較快的提高。處理3各指標(biāo)前20 d變化不明顯，說(shuō)明這段期間赤紅壤尚未超過(guò)其消解能力極限，而21 d后各指標(biāo)變化明顯。如21 d時(shí)，出水全磷含量已經(jīng)超過(guò)沼液含量，到49 d時(shí)，全磷含量已超過(guò)沼液原液近5倍。出水全鉀含量、COD濃度在試驗(yàn)21 d后增加也快，超過(guò)國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)的三級(jí)水平（120 mg/L）。至49 d時(shí)已超過(guò)沼液原液全鉀的含量，COD濃度也接近沼液原液水平。試驗(yàn)中硝酸鹽含量有所起伏，基本上是在試驗(yàn)14 d時(shí)就超過(guò)原沼液硝酸鹽含量。處理3氨氮變化緩慢，至試驗(yàn)結(jié)束，其出水氨氮含量也只是沼液原液的1/3左右。

2.1.2 石灰土。石灰土消解沼液土柱模擬試驗(yàn)土樣測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3中可以看出，CK各指標(biāo)變化不大，只有速效磷變化較為明顯，速效氮含量有所下降。且從表3中可以看出，處理2有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮含量變化不大，速效磷、速效鉀含量增加明顯。至試驗(yàn)結(jié)束，土樣中速效磷為2.90 mg/L，約為樣土的5倍。速效鉀在試驗(yàn)21 d前含量比樣土低，而21 d后含量增加較快。處理3與處理2基本相同，有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮含量變化不大，速效磷、速效鉀含量增加明顯。試驗(yàn)結(jié)束速效磷含量稍微突破了國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)水平。

石灰土消解沼液土柱模擬試驗(yàn)出水水樣變化情況見(jiàn)圖7～11。

從圖7～11中可以看出，除整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程硝酸鹽含量一直較高及自28 d后處理3全磷含量增加較快以外，其他各項(xiàng)均低于沼液原始指標(biāo)。說(shuō)明石灰土對(duì)沼液全鉀、氨氮、COD具有明顯的吸咐消解作用，出水全鉀、氨氮、COD的含量小，消解凈化沼液作用顯著。

2.1.3 紅壤。紅壤消解沼液潛力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4中可以看出，CK紅壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量變化不大，而速效氮、磷、鉀含量有下降趨勢(shì)。處理2除速效鉀含量增加較快外，各指標(biāo)含量都有所提高，但提高速度較慢。處理3速效鉀含量增加較快，至試驗(yàn)結(jié)束，速效鉀含量增加了1.60倍。其他指標(biāo)含量都有上升，但變化緩慢。但速效磷、速效氮含量每個(gè)試驗(yàn)階段都比CK、處理2大。

紅壤消解沼液模擬土柱試驗(yàn)出水水樣變化情況見(jiàn)圖12～16。

從圖12～16中可以看出，3種處理出水硝酸鹽含量變化很大，大大超過(guò)原沼液硝酸鹽的含量。說(shuō)明在有水、沼液的情況下，紅壤會(huì)通過(guò)化學(xué)變化生成大量硝酸鹽物質(zhì)釋出。處理2出水全鉀含量大。而在處理3過(guò)量沼液滴定的情況下，紅壤全磷含量增加較快。但整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，氨氮含量及COD濃度都不超過(guò)原沼液的指標(biāo)，也基本上沒(méi)有超過(guò)國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明紅壤對(duì)沼液中氨氮、COD凈化起了一定的作用。

2.2 不同土壤類(lèi)型消解沼液潛力評(píng)價(jià)

土壤是一個(gè)半穩(wěn)定狀態(tài)的復(fù)雜物質(zhì)體系，對(duì)外界環(huán)境條件的變化和外來(lái)的物質(zhì)有很大的緩沖能力。從廣義上說(shuō)，土壤的消解凈化是指污染物（如沼液）進(jìn)入土壤后經(jīng)生物和化學(xué)降解變?yōu)闊o(wú)毒害物質(zhì)，可通過(guò)化學(xué)沉淀、絡(luò)合和螯合作用、氧化還原作用變?yōu)椴蝗苄曰衔铮驗(yàn)橥寥滥z體牢固地吸咐。但是土壤在自?xún)暨^(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，土壤本身也會(huì)遭到嚴(yán)重污染。因?yàn)橥寥牢廴炯捌淙ノ蹧Q定于污染物進(jìn)入量與土壤天然凈化能力的消長(zhǎng)關(guān)系，當(dāng)污染物的數(shù)量和污染速度超過(guò)了土壤的凈化能力時(shí)，破壞了土壤本身的天然動(dòng)態(tài)平衡，使污染物的積累過(guò)程逐漸占優(yōu)勢(shì)，從而導(dǎo)致土壤正常功能失調(diào)，土壤質(zhì)量下降。在通常情況下，土壤的消解凈化能力決定于土壤物質(zhì)的組成及其特性，也和污染物的種類(lèi)和性質(zhì)有關(guān)。不同土壤類(lèi)型具有不同的物質(zhì)組成、理化性質(zhì)和生物學(xué)特性，影響物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的水熱條件也都因土而異，因而其凈化性能與緩沖性能不同[2]。

從上述的試驗(yàn)中可以看出，赤紅壤、石灰土、紅壤對(duì)沼液污染物都有一定的消解凈化作用。表現(xiàn)在試驗(yàn)樣土中隨著試驗(yàn)時(shí)間的推移及沼液用量的增大，各類(lèi)土壤測(cè)試指標(biāo)含量是一個(gè)增加的過(guò)程。從樣土檢測(cè)指標(biāo)看，赤紅壤對(duì)沼液污染的積累，樣土中速效氮、速效磷、速效鉀含量增加很快，就土壤消解沼液能力，赤紅壤>石灰土>紅壤。從出水氨氮、硝酸鹽、全鉀、COD等指標(biāo)看，土壤自?xún)裟芰槭彝?赤紅壤>紅壤。但總體而言，土壤消解沼液能力為赤紅壤>石灰土>紅壤。

2.3 沼液灌溉對(duì)土壤肥力的影響分析

沼液作為一種速效性?xún)?yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料，含植物生長(zhǎng)所必需的有機(jī)物和各種離子。但是我國(guó)沼液灌溉（沼灌）技術(shù)對(duì)具體的土壤承載量、施用周期等方面沒(méi)有要求，可操作性不強(qiáng)，多數(shù)地區(qū)存在盲目灌溉的現(xiàn)象[3]。如何在充分利用沼液的同時(shí)，又不破壞植物的生長(zhǎng)、土壤和附近水體環(huán)境，需要找到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的平衡點(diǎn)。而沼灌的效果及其可行性主要是受原廢水化學(xué)成分、處理后廢水成分的影響。無(wú)度的灌溉會(huì)造成土壤環(huán)境破壞，在降雨淋溶后會(huì)流入水體造成富營(yíng)養(yǎng)化[4]。

赤紅壤有機(jī)質(zhì)含量低，礦質(zhì)養(yǎng)分較貧乏。土體的總孔隙、通氣孔隙和持水孔隙均較高，鐵鋁氧化物淀積較為明顯。在正常情況下，赤紅壤區(qū)的生物氣候條件有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累。增施有機(jī)肥及礦質(zhì)肥，可調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分平衡。特別是多施沼液有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累。

石灰土是熱帶亞熱帶地區(qū)在碳酸巖類(lèi)風(fēng)化物上發(fā)育的土壤，是我國(guó)南方亞熱帶地區(qū)石灰?guī)r母質(zhì)發(fā)育的土壤，一般質(zhì)地都比較黏重，土壤交換量和鹽基飽和度均高。增施沼肥，有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷的含量。但必須注意土壤及附近水體硝酸鹽含量的變化。

土質(zhì)黏重是紅壤利用上的不利因素，可通過(guò)多施有機(jī)肥，適量施用石灰和補(bǔ)充磷肥。針對(duì)紅壤有機(jī)質(zhì)含量很低的情況，增施沼肥，可提高紅壤的有機(jī)質(zhì)含量和氮素肥力。紅壤速效磷普遍缺乏，增施沼肥，并提高其利用率是一項(xiàng)重要的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)措施。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，3種不同類(lèi)型土壤對(duì)沼液都具有一定的消解凈化作用，本試驗(yàn)中，在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的狀況下，通過(guò)土壤的吸收、稀釋等作用，沼液的有機(jī)質(zhì)、氨氮、COD等指標(biāo)有所下降，可有效降低沼液排放帶來(lái)的污染危害。但在沼液超過(guò)一定量時(shí)，污染物積累較快，土壤有可能會(huì)失去消解凈化功能。從試驗(yàn)結(jié)果看，不管是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，赤紅壤樣土中速效氮、速效磷、速效鉀含量增加較快，消解沼液能力較強(qiáng)。從出水氨氮、硝酸鹽、全鉀、COD等指標(biāo)看，石灰土消解能力較強(qiáng)。但總體而言，不同類(lèi)型土壤消解沼液能力為赤紅壤>石灰土>紅壤。

沼液的施入會(huì)改變土壤中的有機(jī)質(zhì)及全氮、速效氮、磷、鉀含量，特別是增加了有機(jī)質(zhì)的積累。如試驗(yàn)中的赤紅壤樣土有機(jī)質(zhì)、磷含量不高，肥力較低，與石灰土、紅壤相比，可以多施入沼液，以增加有機(jī)質(zhì)、磷的含量。但如果施入量過(guò)大，可導(dǎo)致硝酸鹽氮在土壤剖面的積累，增加地表水和地下水中氮素含量，導(dǎo)致加大水體富營(yíng)養(yǎng)化和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)。

土壤質(zhì)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。通過(guò)沼液定點(diǎn)、定量施用，可以增加土壤的有有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、磷、鉀的含量，提高土壤肥力。如可利用大面積冬閑田地，施入一定量的沼液，既可使沼液的污染得到消解，又可以增加田地肥力。由于農(nóng)田對(duì)沼液的消解潛力在不同作物、不同土壤有明顯差異，適合的消解容量需要通過(guò)田間試驗(yàn)獲得[5]，以確保沼液的安全利用。

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