余薇薇， 朱家悅， 潘偉亮， 萬(wàn)巧玲， 陳杰云， 杜邦昊

(1.重慶交通大學(xué)/水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074； 2.國(guó)家城市供水水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)重慶監(jiān)測(cè)站，重慶 400013； 3.重慶市渝北區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶 401120)

隨著我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，畜禽糞污的產(chǎn)量也日漸增大。據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)部2010年發(fā)布的《污染源普查公報(bào)》中的數(shù)據(jù)，全國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞污未經(jīng)處理利用而直接排放到環(huán)境中的化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)分別為1 268.3萬(wàn)、102.5萬(wàn)、16.0萬(wàn)t[1]。農(nóng)業(yè)面源污染中95.8% COD、37.9% TN、56.3% TP來(lái)源于養(yǎng)殖業(yè)中大量流失的畜禽糞尿[2-5]。目前多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)已提倡“養(yǎng)-沼-灌”的模式來(lái)緩解處理養(yǎng)殖污水的壓力，沼液(biogas slurry，簡(jiǎn)稱BS)還田在一定程度上能改良土壤，保證作物生長(zhǎng)所需的良好微生物環(huán)境[6-9]。然而，土壤的消納能力有限，一味追求降低污水處理成本盲目回用，會(huì)導(dǎo)致有機(jī)物在土壤中富集，破壞土壤正常的生物環(huán)境。有研究指出，沼液的施加會(huì)提高土壤中重金屬銅(Cu)、鎳(Ni)含量[10]，也會(huì)造成土壤退化、氮磷流失以致破壞水環(huán)境等問(wèn)題[11]。土壤污染具有隱蔽性、滯后性及不可逆轉(zhuǎn)性，一旦遭到破壞其治理周期長(zhǎng)且難度大[12-13]。聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織把規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理列為世界三大環(huán)境污染源問(wèn)題之一。大規(guī)模的沼液還田對(duì)土壤和周邊水環(huán)境具有極大的潛在危害。本研究通過(guò)沼灌后對(duì)土壤多個(gè)環(huán)境特征進(jìn)行綜合考察，提出不同沼灌條件下的紫色土理化性質(zhì)、重金屬含量、酶活性的變化，以期為探討土壤承載沼液能力，弄清沼灌改良土壤機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案及條件

1.1 試驗(yàn)區(qū)域自然條件

某大型養(yǎng)殖場(chǎng)位于重慶市江北區(qū)東部，南抵長(zhǎng)江，東接御臨河。該區(qū)域是重慶市規(guī)劃建設(shè)中隔檔式自然生態(tài)保護(hù)帶，地理位置29°61′～29°57′N，106°75′～107°75′E。該區(qū)域?qū)儆跓釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，氣候溫和，無(wú)霜期296 d，年均降水量 1 085.3 mm，日照時(shí)數(shù)1 243.8 h，年平均氣溫17.5～18.7 ℃。

1.2 供試沼液來(lái)源及特性

養(yǎng)殖場(chǎng)廢水站規(guī)模為110 m3/d，采用厭氧工藝，容積負(fù)荷為8 kg/(m3·d)(以單位時(shí)間、單位體積的COD的質(zhì)量計(jì))。為了達(dá)到較高的產(chǎn)氣率，在不同季節(jié)、不同來(lái)水量情況下，廢水在沼液池中停留的時(shí)間不同，出水水質(zhì)差別較大。供試沼液選取厭氧池停留時(shí)間(HRT)分別為5、10、15、20 d 4個(gè)水平，分別對(duì)應(yīng)BS1、BS2、BS3、BS4水質(zhì)處理。供試沼液BS1、BS2、BS3、BS4中CODcr、BOD5含量隨停留時(shí)間增加依次遞減。銨態(tài)氮(NH4+-N)含量以BS3處理相對(duì)最高，PO43-含量則是BS2處理較高，硝態(tài)氮(NO3--N)含量則是BS4處理較高。沼液中重金屬含量?jī)H停留時(shí)間較長(zhǎng)的BS3、BS4處理中鋅(Zn)及BS2、BS3、BS4處理中的Ni有少量超標(biāo)，其余指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

1.3 供試紫色土特性

灌區(qū)土壤為西南地區(qū)特有的紫色土[14]，川渝地區(qū)紫色土面積占土地面積的28%，占耕地面積的68%，土層淺薄不超過(guò)50 cm。根據(jù)土壤X射線衍射(簡(jiǎn)稱X-RD)圖譜(圖1)分析可知，供試紫色土SiO2、NaAlSi3O8、Al2O3、TFe2O3、CaO、MgO所占比重較高，SiO2、NaAlSi3O8分別占全構(gòu)成的65.36%、4.65%，Al2O3、TFe2O3、CaO、MgO、非晶質(zhì)含量分別占1.41%、3.00%、2.31%、2.27%、2.10%。

土壤自然含水率在30%～35%左右，土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter，簡(jiǎn)稱SOM)背景含量偏低，氮素含量低于0.1%，鉀素較豐富，其全鉀含量為1%～2%，飽和導(dǎo)水率為10.9%。土壤容重為1.2 g/cm3，相對(duì)密度為2.65，孔隙度為54.7%，pH值約為7.5。供試紫色土質(zhì)地均勻，屬于黏壤土，氮素、速效磷不足，陽(yáng)離子交換量高，碳酸鈣含量小于 30 g/kg，土壤有機(jī)質(zhì)不足。自然情況下土壤重金屬來(lái)源于母巖和殘落的生物物質(zhì)，一般含量較低。在畜禽養(yǎng)殖的飼料中，不可避免地加入重金屬微量元素，通過(guò)沼液或沼渣進(jìn)入土壤，而土壤中的重金屬極難被微生物降解[15-18]。根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，供試土壤在未進(jìn)行沼灌試驗(yàn)前重金屬的各項(xiàng)指標(biāo)鎘(Cd)、Zn、Ni、鉛(Pb)、Cu、鉻(Cr)背景值分別為0.0308、0.252、0.321、0.175、0.323、0.046 8 μg/mL，均在限值范圍內(nèi)[19]，表明試驗(yàn)前土壤未受重金屬污染。

1.4 試驗(yàn)設(shè)置及方法

在等量條件下裸土每樣地施入常規(guī)混合沼液500 mL，沼灌周期為2 d，均為表施且歷時(shí)8個(gè)月?？疾煺庸嗲昂笸寥阑瘜W(xué)成分、土壤重金屬含量、土壤酶活性的變化。沼液NH4+-N含量采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，NO3-N含量采用紫外分光光度法測(cè)定，PO43-含量采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定，BOD5采用稀釋與接種法測(cè)定，Cr含量采用二苯碳酰二肼分光光度法測(cè)定，Cu、Zn、Pb、Cd、Ni含量采用原子吸收分光光度法測(cè)定，As含量采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法測(cè)定。土壤NH4+-N、NO3--N含量等用新鮮土壤進(jìn)行分析。土壤酶活性測(cè)定：過(guò)氧化氫酶活性通過(guò)滴定酶促反應(yīng)后剩余的過(guò)氧化氫量來(lái)表示，轉(zhuǎn)化酶活性通過(guò)蔗糖水解時(shí)生成的還原己糖的量來(lái)分析，脲酶活性通過(guò)脲酶酶促尿素水解后產(chǎn)生的銨態(tài)氮(NH4+-N)含量來(lái)表示，磷酸酶活性通過(guò)測(cè)定磷酸-酯等基質(zhì)水解時(shí)生成的酚量來(lái)表示[20-21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼灌后土壤化學(xué)成分的變化

沼灌與CK組在不同沼灌期的X-RD成分對(duì)比結(jié)果見圖2。沼灌60、120 d時(shí)，SiO2、NaAlSi3O8比重分別穩(wěn)定在33.92%、7.11%，SiO2含量較高。在沼灌180 d時(shí)，SiO2、NaAlSi3O8所占比重略有下降，分別降為33.61%、3.56%。可以看出，沼液的加入使得非晶體物質(zhì)逐漸增多，進(jìn)而改變土壤的化學(xué)成分比重。沼灌60、120、180、240 d與CK組對(duì)比可知，沼灌土壤NaAlSi3O8含量降低3.55%，土壤非晶體物質(zhì)所占比重提高了。

2.2 沼灌后土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化

2.3 沼灌后土壤重金屬含量的變化

本試驗(yàn)通過(guò)等量沼灌、清水灌溉8個(gè)月后，對(duì)土壤重金屬含量進(jìn)行對(duì)比，考察重金屬的短期富集效應(yīng)。結(jié)果表明，沼液中Zn、Ni含量稍超出了規(guī)定限值，其余重金屬都在較低的量值范圍內(nèi)。由表1可以看出，沼灌土壤中引入Zn的累計(jì)輸入量較高，但與CK相比，土壤中的Zn含量并無(wú)明顯提高，其增加的幅度僅為5.2%。沼液引入的Zn總量較高，但檢測(cè)的是沼灌土壤或者是CK組。進(jìn)入土壤的Zn主要以Zn2+存在，容易流失和被植物吸收，所以表現(xiàn)為全態(tài)的Zn量較少。紫色土中碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cu是主要存在方式，Cu的沼灌輸入量?jī)H次于Zn，沼灌后雖然含量較CK土壤提高了13.6%，但這與沼液引入的Cu量并不成正比，推測(cè)引入的Cu多數(shù)屬于無(wú)效Cu，這部分Cu并沒有累積于土壤中。由表1還可以看出，沼液輸入的Cd量較少，而沼灌后土壤的Cd含量卻比CK土壤的Cd含量提高了38.5%，說(shuō)明這部分Cd在土層中發(fā)生了較強(qiáng)的吸附。進(jìn)入土壤的Pb大部分被土壤顆粒和膠體吸附，或與有機(jī)-無(wú)機(jī)化合物形成復(fù)合物。土壤中Pb化合物的溶解度和降解自由度低，在土壤中遷移能力弱[23-24]。沼灌引入Pb的量并不大，但是被土壤截留或者吸附的量較大，轉(zhuǎn)化累積為土壤中有效Pb的量較大，提高幅度達(dá)51.4%?？梢钥闯?，短期沼灌對(duì)土壤重金屬的富集效應(yīng)影響較小，Cu、Zn含量無(wú)明顯提高，Pb、Cd僅在表層富集。

2.4 沼灌土壤酶活性的變化

作為土壤中最活躍的有機(jī)組分，土壤酶參與土壤中各種化學(xué)反應(yīng)和生物化學(xué)過(guò)程，是土壤新陳代謝的催化劑。由圖4 可以看出，沼灌過(guò)氧化氫酶活性平均比清水灌溉的高 21.4%，最高時(shí)達(dá)到22.6%。沼灌試驗(yàn)期內(nèi)過(guò)氧化氫酶隨時(shí)間的變化表現(xiàn)為第3個(gè)月活性比第1個(gè)月提高16%。在轉(zhuǎn)化酶活性均值方面，沼灌處理比清水灌溉處理高27%，差異值比過(guò)氧化氫酶稍高。脲酶經(jīng)沼灌在試驗(yàn)期內(nèi)，其活性均值比清水灌溉高13%，相對(duì)于過(guò)氧化氫酶及轉(zhuǎn)化酶差異稍小，而從時(shí)間變化來(lái)看，脲酶在第2個(gè)月即出現(xiàn)較活躍的變化。沼灌磷酸酶活性均值與清水對(duì)比高19.4%，沼灌效果略優(yōu)于脲酶，但是低于過(guò)氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶。沼液提高土壤酶活性的原因在于它能加快微生物繁殖，有利于提高土壤酶活性。試驗(yàn)土壤SOM與過(guò)氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶、脲酶、磷酸酶活性均呈顯著正相關(guān)，沼液本身也含有一定數(shù)量的酶及豐富酶培養(yǎng)基質(zhì)SOM，從而引起土壤酶活性變化[25-26]。試驗(yàn)中沼灌土壤過(guò)氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶活性提高幅度較大，磷酸酶其次，脲酶最低。

3 結(jié)論

沼液灌溉能在一定程度上節(jié)約水資源，提高土壤肥力，改善土壤物化性質(zhì)。此外，土壤中微生物以及土壤本身對(duì)沼液也有一定程度的凈化作用，能從量上消納沼液，從質(zhì)上降低污染物濃度。本研究通過(guò)沼灌與清水澆灌對(duì)比，發(fā)現(xiàn)沼灌SiO2、NaAlSi3O8所占比重都有所下降，且非晶體物質(zhì)所占比重增大，沼灌土壤NaAlSi3O8所占比重降低了3.55%，表明沼灌提高了有機(jī)質(zhì)含量。短期沼灌對(duì)土壤重金屬的富集效應(yīng)影響較小，土壤重金屬?zèng)]有出現(xiàn)超標(biāo)的情況，沼灌使得Pb、Cd少量在土壤表面吸附，但對(duì)環(huán)境影響甚小。短期沼灌可以增加土壤肥力、提高土壤酶活性，尤其對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶有較大影響。

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表1 供試土壤沼灌后的重金屬含量

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