规模化养殖场沼液回灌对土壤特性影响研究

摘要

随着我国农业产业结构的调整，畜禽养殖业向着规模化方向发展，畜禽粪污的产量也日渐增大。现养殖场多采用“养—沼—灌”的生态模式，畜禽粪污厌氧发酵后产沼气利用，沼液回灌还田。沼液还田能在一定程度上提高土壤肥力并降低污水深度处理成本，但土壤的消纳能力有限，一味追求降低污水处理成本而盲目回灌会导致污染物质在土壤中富集、破坏土壤正常的生物环境。土壤污染具有隐蔽性、滞后性及不可逆转性，土壤一旦遭到破坏其治理周期长且难度大。若受降雨淋溶，由沼灌引入的过量氮磷污染物进入地表水体，也会进一步危害水环境。在当前可利用土地资源不足的情况下，规模化养殖场大量沼液的消纳问题已日渐突出。
　　目前国内的沼灌研究缺乏对土壤多个环境特征的综合考察及定量分析，且针对西南地区特有的浅层紫色土研究甚少。论文对规模化养殖场沼灌引起的土壤环境变化进行考察，从空间尺度研究沼灌土壤污染物的迁移转化规律，提出土壤消纳沼液的氮磷承载负荷及水量承载负荷，为从源头控制农业面源污染提供重要的量化依据。从时间尺度研究不同沼灌条件下的紫色土理化性质、酶活性及氮磷吸附/解吸特性的变化，为探讨土壤保肥供养能力，弄清沼灌改良土壤机理提供理论基础。论文通过沼液现场取样与实验室灌溉试验结合得出以下结论：
　　①沼灌土壤污染物的纵向迁移转化试验结果表明，不同处理程度沼液（BS1、BS2、BS3、BS4）灌溉紫色土，土壤表层铵态氮含量试验组BS3最大且为864mg·kg-1，土壤铵态氮含量变化依次为中层>表层>底层。土壤硝态氮含量表层仍以试验组BS3最大，硝态氮含量纵深变化为底层>中层>表层，具向下迁移的趋势。土壤有效磷含量总体偏低，各试验组呈中层>表层>底层，与铵态氮趋势相同。沼灌土壤铵态氮与有效磷富集于中表层，降雨淋溶会使溶解态铵态氮及磷酸盐随表面流而污染地表水体，土壤硝态氮的向下迁移则可能会引起地下水污染。各试验组磷吸收系数总体均低于500，磷吸收能力较弱。相关性分析结果表明，土壤氮磷含量与沼灌引入氮磷量呈显著正相关。以试验组BS3沼液连续逐日回灌，考察了土壤铵态氮、硝态氮、有效磷最大承载量，与此相应的供试紫色土对沼液铵态氮、硝态氮、磷酸盐承载负荷分别为5.23g·m-2·d-1、0.04g·m-2·d-1、0.24 g·m-2·d-1，水量累积承载负荷为80 m3·hm-2。
　　②在考察沼灌土壤理化性质随时间变化时，电镜扫描结果表明土壤孔隙度增加，持水保肥能力提高，同时团聚物周围附着的微生物量增多，稳定性提高。X射线衍射（X-rd）检测，沼灌组与CK对照组相比，土壤主要成分SiO2、NaAlSi3O8所占比例有所下降，非晶体物质比例升高。沼灌土壤重金属的富集效应较小且未超出土壤环境质量标准（GB15618-1995）二级标准。沼灌对土壤氮素含量影响较明显，土壤铵态氮平均含量比CK对照组高47.8％。
　　③土壤酶在一定程度上反映土壤微生物的活性，论文考察在不同沼灌条件下土壤酶活性的变化。沼灌负荷（T处理）和沼灌周期（Td处理）交互影响试验结果表明，40m3·hm-2及4天土壤过氧化氢酶、转化酶、脲酶活性达最大。T及Td分别为20m3·hm-2及4天时，磷酸酶活性最大。土壤有机质与过氧化氢酶、转化酶、脲酶、磷酸酶活性均呈显著正相关，有机质增加对酶活性提高有促进作用。土壤铵态氮、有效磷对应与脲酶、蛋白酶也具显著正相关，脲酶、蛋白酶可直观反映土壤中氮素及磷素状况。运用HCA-R系统聚类法，对不同沼灌条件下过氧化氢酶、转化酶、脲酶、磷酸酶、多酚氧化酶及蛋白酶进行聚类分析，T1、T2处理选取脲酶作为典型指标；T3处理可选蛋白酶作典型指标；T4则以多酚氧化酶作为典型指标。改变沼灌周期处理T2d、T4d、T6d、T8d均可用脲酶活性变化来描述土壤中其他五种酶的变化，T10d则选择蛋白酶作典型指标。
　　④沼灌土壤氮素静态吸附试验表明，各试验组呈相似趋势即当平衡液浓度在5mg·L-1左右，吸附速率最大；浓度大于100mg·L-1，吸附速率达稳定不再提高。土壤铵态氮吸附等温曲线很好地拟合Freundlich方程，其中CK对照组吸附系数K为最大0.517，土壤对氮素吸附能力最强。土壤铵态氮等温解吸平衡浓度在60~100mg·L-1之间时解吸速率较高。沼灌土壤氮素的动力学吸附平衡时间为12h，且改变沼灌条件对吸附平衡时间的影响不大。土壤氮素的解吸同样在12h达平衡，与吸附平衡时间相当。土壤磷素等温吸附/解吸与氮素的变化过程相似，Td处理磷素等温吸附均很好的拟合Freundlich模型；Td处理土壤磷等温吸附则更好的拟合Langmuir模型。土壤磷素吸附/解吸平衡时间均为12h，沼灌土壤磷吸附/解吸不存在明显先后，处于动态平衡。
　　⑤在对沼灌环境质量评价中，运用Fuzzy综合肥力评价法，不同水质沼灌IFI值大小分别为BS1>BS2>BS3>BS4，BS1的IFI平均值达0.639，该试验组土壤受沼液改良效果相对明显。内梅罗综合污染指数法评价土壤经沼灌并没有受重金属污染。针对可能造成的面源污染采用等标污染负荷评价法，评价结果为氮磷污染率指数K均小于60，实验范围内氮磷流失对水环境不构成威胁。ERA生态环境风险评价结果表明，试验期内沼灌生态环境风险属于Ⅱ类小危险级别，对环境造成的影响不大。

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英文缩略表

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 沼灌优势及影响

1.3 沼灌研究现状

1.4 研究目的

1.5 研究内容

1.6 技术路线

2 试验安排及方法

2.1 试验区自然条件

2.2 供试材料

2.3 试验方案

2.4 试验方法

2.5 数据处理

2.6 本章小结

3 沼灌土壤氮磷纵深变化及承载负荷研究

3.1 沼灌对土壤氮含量的影响

3.2 沼灌对土壤磷含量的影响

3.3 沼灌土壤承载负荷

3.4 本章小结

4 沼灌土壤理化性质及酶活性变化研究

4.1 沼灌与清水灌溉土壤特性对比

4.2 沼灌与清水灌溉土壤氮磷对比

4.3 沼灌土壤酶活性变化

4.5 本章小结

5 沼灌土壤氮磷吸附/解吸影响研究

5.1 沼灌土壤氮吸附/解吸特性

5.2 沼灌土壤磷吸附特性

5.3 本章小结

6 沼灌环境质量评价

6.1 土壤环境质量评价体系

6.2 沼灌土壤肥力质量Fuzzy综合评价

6.3 沼灌土壤重金属污染风险评价

6.4 沼灌区面源污染影响及评价

6.5 沼灌区土壤环境风险评价

6.6 本章小结

7 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

7.3 创新点

致谢

参考文献

附录