不同类型土壤消解沼液潜力研究

甘福丁　魏世清　伍琪　李勇江　桂雪萍　蒋湖波

摘要 利用模拟土柱试验装置对不同类型土壤消解沼液潜力进行研究。结果表明：在静态或动态试验情况下赤红壤、石灰土、红壤对沼液污染都具有一定的消解净化作用。但不同的土壤类型，其消解沼液污染的能力也不尽相同。在此基础上，对沼液灌溉对土壤肥力的影响作了分析。

关键词 土壤类型；沼液；土柱试验；消解

中图分类号 S216.4 文献标识码 A 文章编号 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

沼氣工程是处理养殖场粪污的主要技术之一。但由于采用的发酵原料、发酵工艺、发酵条件的不同，许多沼气工程产生的沼液COD、BOD、SS依然高，总氮、总磷、氨氮含量下降很少，仍然达不到养殖污染排放的国家标准[1]。如果沼液不经处理直接排放，势必造成环境二次污染。虽然通过土壤吸附、稀释、扩散或离子交换等可降低沼液中有机物、氮、磷等物质的浓度，消解沼液部分污染，但如果沼液的排放超过土壤消解能力，沼液也会通过渗漏、淋溶、径流等作用污染土壤及临近水体，造成土壤结构性破坏和水体富营养化。

土壤有红壤、砖红壤、赤红壤、石灰土、棕壤等不同的类型。不同的土壤类型，其消解沼液污染的能力也不尽相同。本研究采用室内模拟土柱试验方法，分析不同类型土壤对沼液的消解动态、降解规律，以获得不同土壤对沼液污染的消解能力，为沼液合理利用及预控、预测地力变化趋势，指导合理施肥等提供科学依据。由于土壤质量的评价指标多种多样，本试验只侧重于测定赤红壤、石灰土、红壤3种类型土壤消解沼液过程中样土及出水化学指标的变化，如有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾及出水总磷、总钾、氨氮、硝酸盐氮、COD等指标的测定。

1 材料与方法

1.1 沼液与样土

（1）本试验采用的沼液采自南宁市郊区和广西林科院沼气实训基地正常产气的沼气池。2处沼液按1∶1配制，过滤除渣。混合后的沼液各成分指标：磷2.09 mg/L，钾176.96 mg/L，氨氮489.08 mg/L，硝酸盐氮1.72 mg/L，COD 284.1 mg/L，pH值7.0。

（2）样土分别为赤红壤、石灰土和红壤。3种不同类型样土的理化指标见表1。

（3）样土的处理。采集3种土壤各重约50 kg（湿重），然后分别晒干，粉碎过筛。过筛后样土粒径不大于5 mm，粉末状土约占20%。

1.2 试验原理

（1）利用模拟土柱试验装置，在土柱内装填样土，然后注入过量的沼液，采用静置方法，研究在静态状况下土壤对沼液污染的吸咐、稀释性能，分析沼液在土壤中的自净效果及土壤肥力的变化[1-3]。

（2）利用模拟土柱试验装置，在土柱内装填样土，然后注入一定量的沼液，采用滴定方法，研究在动态状况下沼液污染物在土壤中吸咐、稀释、迁移等情况，分析沼液在土壤中的自净效果及土壤肥力的变化。

1.3 试验装置

（1）土壤消解沼液潜力研究模拟土柱试验装置见图1。包括储液罐、柱体和接水池等。柱体上设有取样三通，底部设有滤网及封头，并在底端出口处连接有出水阀门；取样三通设有带螺牙的封盖，以方便打开和关闭，并且封盖内设有密封垫圈，防止漏水。

柱体的直径110 mm，高1 300 mm，内壁粘接有多条防止液体沿内管壁优先往下流的横向肋条。

（2）每种样土分3个处理。处理1为清水对照（CK），处理2为过饱和静态灌溉模拟，处理3为动态灌溉模拟。

1.4 试验操作

1.4.1 装土。每个土柱内底部先平放1层不锈钢滤网。滤网必须根据石英砂粒径选择网格合适的目数，以阻拦石英砂掉入出水阀的入水口。然后放入厚30～40 mm石英砂，上面再放置1层不锈钢滤网，此处滤网必须根据样土粒径选择网格合适的目数。再放入厚1 000 mm样土，每个土柱供试土壤约为10 kg。分多次装填，每次装填高度100～200 mm。装土时注意振实。装土完毕，再放置1层不锈钢网4。最后放厚100 mm碎石。

1.4.2 注水或沼液。处理1（CK）：往柱体内缓缓注入清水，并没过碎石面100 mm，记录所需水量，然后静置。注意观察并补水。保持水面没过碎石。7 d后从柱体下部阀门取水样检测1次。然后排干柱体里的水，从三通取样口取土样检测1次。取完样，盖好取样口。关闭阀门后补水，没过碎石100 mm。重复以上操作，直到试验满49 d结束。

处理2：往柱体内缓缓注入沼液，并没过碎石面100 mm，记录所需沼液量，然后静置。注意观察并补沼液。保持液面没过碎石。7 d后排出水，取出水样、土样检测1次。关闭阀门后补充沼液，没过碎石100 mm，保持土柱中沼液处于过饱和状态。以后重复以上操作，直到试验满49 d结束。

处理3：往柱体内缓缓注入沼液，并没过碎石面100 mm，然后改用滴定方法。控制储液罐阀门出水量，使出水形成点滴状态。接着打开柱体下端出水阀门，使出水形成点滴状态，并使柱体进水量与出水量基本相等。7 d后取出水样、土样检测1次。以后重复以上操作，直到试验满49 d结束。

每次取土样500 g、水样300 mL。根据研究内容，测定土样的有机物、总氮、速效氮、速效磷、速效钾含量等指标以及测定出水水样总磷、总钾、氨氮、硝酸盐氮、COD等指标的变化情况[4-6]。

1.4.3 测定标准。

（1）土样测定标准。依据《LY/T 1237—1999森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算》《LY/T 1228—1999森林土壤全氮的测定》《LY/T 1233—1999森林土壤有效磷的测定》《LY/T1236—1999森林土壤速效钾的测定》等。

（2）水样测定标准。依据《GB11893—1989水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》《GB 11904—1989水质钾和钠的测定火焰原子吸收分光光度法》《HJ537—2009水质氨氮的测定（蒸馏-中和滴定法）》《GB/T 7480—1987水质 硝酸盐氮的测定 酚二磺酸分光光度法》《GB 11914—1989水质化学需氧量的测定 重铬酸法》等。

2 结果与分析

2.1 沼液在不同土壤类型的自净效果分析

2.1.1 赤红壤。赤红壤消解沼液模拟土柱试验土样测试结果见表2。

从表2中可以看出，各试验指标变化不大。处理2在35 d时有机质含量开始升高，全氮在21 d后升高，至49 d时含量已超过样土的3倍左右，速效氮在28 d后升高快。速效磷含量变化不大。速效钾也在28 d后含量增加快，至试验结束，其含量比样土升高约59倍。处理3的土壤在试验14 d时，全氮、速效氮含量就明显升高很快。而速效磷、速效钾变化更明显。到21 d速效磷就超过了国家污水综合排放标准总磷三级水平，到试验结束，其速效磷含量已比样土增加14倍以上，土样产生了严重的污染。速效钾含量也增加84倍之多。

赤红壤消解沼液土柱模拟试验出水水样测试结果见图2～6。

从图2～6中可以看出，CK全磷、全钾、氨氮、COD等试验指标变化不大，但硝酸盐指标变化较大，从14 d开始出水硝酸盐含量都高于原沼液硝酸盐含量。处理2各指标都比沼液原指标低很多，说明通过赤红壤的积累、阻隔、过滤、转化，沼液的浓度、各理化指标下降明显，在静态条件下，赤红壤具有净化、消解沼液的作用。只是试验进行到14 d，出水硝酸盐含量有较快的提高。处理3各指标前20 d变化不明显，说明这段期间赤红壤尚未超过其消解能力极限，而21 d后各指标变化明显。如21 d时，出水全磷含量已经超过沼液含量，到49 d时，全磷含量已超过沼液原液近5倍。出水全钾含量、COD浓度在试验21 d后增加也快，超过国家污水综合排放标准的三级水平（120 mg/L）。至49 d时已超过沼液原液全钾的含量，COD浓度也接近沼液原液水平。试验中硝酸盐含量有所起伏，基本上是在试验14 d时就超过原沼液硝酸盐含量。处理3氨氮变化缓慢，至试验结束，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拟试验土样测试结果见表3。

从表3中可以看出，CK各指标变化不大，只有速效磷变化较为明显，速效氮含量有所下降。且从表3中可以看出，处理2有机质、全氮、速效氮含量变化不大，速效磷、速效钾含量增加明显。至试验结束，土样中速效磷为2.90 mg/L，约为样土的5倍。速效钾在试验21 d前含量比样土低，而21 d后含量增加较快。处理3与处理2基本相同，有机质、全氮、速效氮含量变化不大，速效磷、速效钾含量增加明显。试验结束速效磷含量稍微突破了国家污水综合排放标准三级水平。

石灰土消解沼液土柱模拟试验出水水样变化情况见图7～11。

从图7～11中可以看出，除整个试验过程硝酸盐含量一直较高及自28 d后处理3全磷含量增加较快以外，其他各项均低于沼液原始指标。说明石灰土对沼液全钾、氨氮、COD具有明显的吸咐消解作用，出水全钾、氨氮、COD的含量小，消解净化沼液作用显著。

2.1.3 红壤。红壤消解沼液潜力试验结果见表4。

从表4中可以看出，CK红壤有机质、全氮含量变化不大，而速效氮、磷、钾含量有下降趋势。处理2除速效钾含量增加较快外，各指标含量都有所提高，但提高速度较慢。处理3速效钾含量增加较快，至试验结束，速效钾含量增加了1.60倍。其他指标含量都有上升，但变化缓慢。但速效磷、速效氮含量每个试验阶段都比CK、处理2大。

红壤消解沼液模拟土柱试验出水水样变化情况见图12～16。

从图12～16中可以看出，3种处理出水硝酸盐含量变化很大，大大超過原沼液硝酸盐的含量。说明在有水、沼液的情况下，红壤会通过化学变化生成大量硝酸盐物质释出。处理2出水全钾含量大。而在处理3过量沼液滴定的情况下，红壤全磷含量增加较快。但整个试验过程中，氨氮含量及COD浓度都不超过原沼液的指标，也基本上没有超过国家污水综合排放标准，说明红壤对沼液中氨氮、COD净化起了一定的作用。

2.2 不同土壤类型消解沼液潜力评价

土壤是一个半稳定状态的复杂物质体系，对外界环境条件的变化和外来的物质有很大的缓冲能力。从广义上说，土壤的消解净化是指污染物（如沼液）进入土壤后经生物和化学降解变为无毒害物质，可通过化学沉淀、络合和螯合作用、氧化还原作用变为不溶性化合物，或为土壤胶体牢固地吸咐。但是土壤在自净过程中，随着时间的推移，土壤本身也会遭到严重污染。因为土壤污染及其去污决定于污染物进入量与土壤天然净化能力的消长关系，当污染物的数量和污染速度超过了土壤的净化能力时，破坏了土壤本身的天然动态平衡，使污染物的积累过程逐渐占优势，从而导致土壤正常功能失调，土壤质量下降。在通常情况下，土壤的消解净化能力决定于土壤物质的组成及其特性，也和污染物的种类和性质有关。不同土壤类型具有不同的物质组成、理化性质和生物学特性，影响物质迁移转化的水热条件也都因土而异，因而其净化性能与缓冲性能不同[2]。

从上述的试验中可以看出，赤红壤、石灰土、红壤对沼液污染物都有一定的消解净化作用。表现在试验样土中随着试验时间的推移及沼液用量的增大，各类土壤测试指标含量是一个增加的过程。从样土检测指标看，赤红壤对沼液污染的积累，样土中速效氮、速效磷、速效钾含量增加很快，就土壤消解沼液能力，赤红壤>石灰土>红壤。从出水氨氮、硝酸盐、全钾、COD等指标看，土壤自净能力为石灰土>赤红壤>红壤。但总体而言，土壤消解沼液能力为赤红壤>石灰土>红壤。

2.3 沼液灌溉对土壤肥力的影响分析

沼液作为一种速效性优质的有机肥料，含植物生长所必需的有机物和各种离子。但是我国沼液灌溉（沼灌）技术对具体的土壤承载量、施用周期等方面没有要求，可操作性不强，多数地区存在盲目灌溉的现象[3]。如何在充分利用沼液的同时，又不破坏植物的生长、土壤和附近水体环境，需要找到经济和环境的平衡点。而沼灌的效果及其可行性主要是受原废水化学成分、处理后废水成分的影响。无度的灌溉会造成土壤环境破坏，在降雨淋溶后会流入水体造成富营养化[4]。

赤红壤有机质含量低，矿质养分较贫乏。土体的总孔隙、通气孔隙和持水孔隙均较高，铁铝氧化物淀积较为明显。在正常情况下，赤红壤区的生物气候条件有利于土壤有机质的积累。增施有机肥及矿质肥，可调节土壤养分平衡。特别是多施沼液有利于土壤有机质的积累。

石灰土是热带亚热带地区在碳酸岩类风化物上发育的土壤，是我国南方亚热带地区石灰岩母质发育的土壤，一般质地都比较黏重，土壤交换量和盐基饱和度均高。增施沼肥，有利于改善土壤结构，提高土壤有机质、速效钾、速效磷的含量。但必须注意土壤及附近水体硝酸盐含量的变化。

土质黏重是红壤利用上的不利因素，可通过多施有机肥，适量施用石灰和补充磷肥。针对红壤有机质含量很低的情况，增施沼肥，可提高红壤的有机质含量和氮素肥力。红壤速效磷普遍缺乏，增施沼肥，并提高其利用率是一项重要的农业增产措施。

3 结论

试验结果表明，3种不同类型土壤对沼液都具有一定的消解净化作用，本试验中，在静态或动态的状况下，通过土壤的吸收、稀释等作用，沼液的有机质、氨氮、COD等指标有所下降，可有效降低沼液排放带来的污染危害。但在沼液超过一定量时，污染物积累较快，土壤有可能会失去消解净化功能。从试验结果看，不管是静态还是动态试验，赤红壤样土中速效氮、速效磷、速效钾含量增加较快，消解沼液能力较强。从出水氨氮、硝酸盐、全钾、COD等指标看，石灰土消解能力较强。但总体而言，不同类型土壤消解沼液能力为赤红壤>石灰土>红壤。

沼液的施入会改变土壤中的有机质及全氮、速效氮、磷、钾含量，特别是增加了有机质的积累。如试验中的赤红壤样土有机质、磷含量不高，肥力较低，与石灰土、红壤相比，可以多施入沼液，以增加有机质、磷的含量。但如果施入量过大，可导致硝酸盐氮在土壤剖面的积累，增加地表水和地下水中氮素含量，导致加大水体富营养化和地下水污染风险。

土壤质量是农业生产的物质基础。通过沼液定点、定量施用，可以增加土壤的有有机质、全氮、速效氮、磷、钾的含量，提高土壤肥力。如可利用大面积冬闲田地，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。由于农田对沼液的消解潜力在不同作物、不同土壤有明显差异，适合的消解容量需要通过田间试验获得[5]，以确保沼液的安全利用。

4 参考文獻

[1] 江月霞.沼液农田消解利用技术及其土壤环境效应研究[D].金华：浙江师范大学，2010.

[2] 易秀，杨胜科，胡安焱.土壤化学与环境[M].北京：化学工业出版社，2007.

[3] 余薇薇，张智，罗苏蓉，等.沼液灌溉对紫色土菜地土壤特性的影响[J].农业工程学报，2012（16）：178-184.

[4] 全国农业技术推广服务中心.土壤分析技术规范[M].2版.北京：中国农业出版社，2009.

[5] 姜丽娜，王强，陈丁江，等.沼液稻田消解对水稻生产、土壤与环境安全影响研究[J].农业环境科学学报，2011（7）：1328-1336.

[6] 高立洪，李平，韦秀丽，等.不同作物、土壤类型和灌溉方式对沼液消纳能力的影响研究[J].农业科学与技术（英文版），2015（8）：1712-1715.