养猪污水灌溉对森林土壤理化性质的影响

李阿池

(漳州市速生丰产林基地管理中心，福建 漳州 363000)

养猪产生了大量的污水、有机质及氮、磷、钾等元素，形成巨大的污染源[1-2]。但森林植被的生长又需要大量的水资源和各种无机肥、有机肥。污水土地处理技术正是一种以土壤作为介质的净化污水方法，是利用土壤以及其中的微生物和植物对污水中的污染物进行一系列物理、化学作用，从而达到净化污水的目的[3-4]。目前，该技术常用于农田灌溉[5-6]，多是处理生活污水[7-9]。已开展的林畜(猪)复合经营技术研究表明，养猪污水能明显促进桉树等树种生长[10]，也能较好地净化水质[11]，而养猪污水对森林土壤影响的研究未见报道。

森林土壤是森林生态系统的重要组成部分，其理化性质是反映森林土壤肥力的重要指标，是影响林木生长发育的重要因素。本文对3个养猪场污水灌溉的林地开展研究，测定分析森林土壤理化性质的变化情况，并运用灰色系统理论对不同方式进行定量关联分析，可为污水处理技术、林畜复合经营模式的发展及其优良模式的构建提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省长泰岩溪镇湖珠村、顶山村、田头村，地处长泰县中部，属南亚热带海洋性季风气候，年均温21.1 ℃，年均降水量1563 mm。林地土壤均为花岗岩发育的红壤，土层厚度>100 cm，腐殖质层15～20 cm。3个养猪场均建于林中空地，养猪污水经过滤后采用均匀浇灌(湖珠岭上养猪场，简称浇灌法)、“之”型开浅沟引流(顶山透龙养猪场，简称开沟法)、自然排放(田头叶某养猪场，简称自排法)3种方式排放于养猪场下部林分中(表1)。以试验林地一侧海拔、林分状况、林地状况基本一致且未污灌的地块为对照(CK)。试验点采集土样时未见污水流出林地，全部由林地吸收。

表1 试验点概况

1.2 研究方法

在试验林及对照(CK)的上、中、下部选点挖取土壤剖面，环刀法(容积为200 cm3)分层采集0～20、20～40、40～60、60～80 cm的土壤用于测定土壤水分物理性质(土壤容重、毛管持水量、贮水量、通气度等)。同时在每个样地多点分层采集土壤混合样品1 kg用于测定土壤化学性质(pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾)。

土壤物理性质按《森林土壤水分——物理性质的测定》(LY/T 1215—1999)技术规定，土壤pH值采用电位法，有机质采用重铬酸钾法，全氮采用凯氏蒸馏法，全磷和有效磷采用钼锑抗比色法，全钾和速效钾采用火焰光度计法，碱解氮采用碱解扩散法[12]。

1.3 数据处理与分析

原始数据使用Excel软件进行处理与分析，理化性质以平均值表示。运用灰色系统理论的原理与方法[13-15]，对不同处理土壤理化性质进行灰色关联分析及关联排序。总体关联度采用4个土层的平均值进行计算，进而比较污灌前后变化程度。

2 结果与分析

2.1 不同污灌方式对土壤物理性质的影响

浇灌法和开沟法各土层土壤容重均小于对照的相应土层的土壤容重(图1)，而自排法呈相反变化。这说明采取浇灌法和开沟法人为控制污灌的方式，能降低土壤容重，使土壤变得疏松；不同深度土层间，土壤容重随土层深度的增大呈现先增大后降低的规律。自排法受地形坡度的影响较大，污水在流动过程中可能会在某处集中下渗，引起土粒沉降，土壤变得紧实。

图1 不同污灌方式下不同土层土壤容重图2 不同污灌方式下不同土层土壤毛管持水量

不同方式污灌后，各土层毛管持水量和贮水量基本都大于对照(图2～图3)。浇灌法和自排法对0～20 cm土层的毛管持水量和贮水量的提高较为明显，开沟法和自排法对不同土层毛管持水量和贮水量的提高幅度较大。

图3 不同污灌方式下不同土层土壤贮水量图4 不同污灌方式下不同土层土壤通气度

不同方式污灌后，浇灌法和开沟法通气度整体呈现提高的趋势(图4)，土壤通气状况得到改善，但浇灌法0～20 cm土层通气度变差，这与污灌量有关，这一趋势在自排法表现尤为明显，自排法在污灌后，通气度明显降低。

2.2 土壤化学性质变化趋势

2.2.1 养猪污水对土壤pH和有机质的影响 土壤酸碱性是一个较为重要的化学性质，对矿物质和有机质的分解、土壤微生物的活性起着重要作用，并影响土壤养分元素的释放、固定和迁移[16]。土壤有机质含量的多少，是衡量土壤肥力高低的一个重要指标。污灌后，浇灌法、自排法土壤pH分别提高10.19%、18.56%，且表层增幅较大(图5)，这是由于呈弱碱性的养猪污水与酸性土壤发生中和反应而提高土壤pH，而开沟法却降低9.55%，且40～80 cm土层降幅较大，可能是该点污水中的大量有机质在降解过程中产生大量有机酸而降低了土壤pH。有机质除自排法明显降低20.7%外，浇灌法和开沟法与对照基本持平(图6)，可能是由于该点污水成分以及土壤pH的提高，增强了土壤微生物活性，分解有机质速度超过有机质补进速度所致。

2.2.2 养猪污水对土壤全氮、全磷、全钾的影响 土壤氮磷钾含量是反映土壤养分状况的重要指标，是土壤中有效养分的重要来源[15]。由图7～图9可知，污灌后，3种污灌方式的全氮、全磷未发生明显变化；开沟法、自排法全钾分别提高55.58%、88.11%，而浇灌法却明显降低13.4%，可能是由于污灌量有限，易溶于水的钾被植物大量吸收所致。

2.2.3 养猪污水对土壤速效氮、磷、钾的影响 土壤碱解氮、有效磷和速效钾能较好反映短期内土壤氮、磷、钾的供应状况。由图10～图12可知，污灌后，3种污灌方式的速效养分均发生明显变化，浇灌法、开沟法、自排法的碱解氮分别提高58.9%、27.19%、34.7%；速效钾分别提高150%、123%、425%；有效磷浇灌法和自排法分别提高15.29%和4366%，自排法提高最为明显，这可能是污水大量渗透到土壤中引起的；而开沟法却明显降低了28.08%，这是由于其土壤pH降低加强了土壤对磷的固定。3种污灌方式以自排法的速效成分提高最为明显，特别是有效磷，南方土壤严重缺乏有效磷，林地有效磷水平的提高有利于促进植物生长。

图5 不同污灌方式下不同土层土壤pH图6 不同污灌方式下不同土层土壤有机质含量图7 不同污灌方式下不同土层土壤全氮含量图8 不同污灌方式下不同土层土壤全磷含量图9 不同污灌方式下不同土层土壤全钾含量图10 不同污灌方式下不同土层土壤碱解氮含量

2.3 理化性质关联性分析

3种不同污灌方式使得土壤理化性质产生不同程度的变化，为定量评价养猪污水改善土壤物理性质、提高土壤养分含量的效果，运用灰色关联分析法进行量化分析。对土壤容重取倒数进行正相关处理后，选取上述4项物理指标(土壤容重、毛管持水量、贮水量、通气度)和8项化学指标(pH、有机质含量、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾)，共12项指标中各指标的最大值作为参考数列，以各处理不同土层的数值作为比较数列，进行无量纲化处理，结合灰色理论及有关公式，计算出不同污灌方式不同土层的关联度(表2)。

由于自排法数值较大,将原数据缩小10倍制图。图11 不同污灌方式下不同土层土壤有效磷含量 图12 不同污灌方式下不同土层土壤速效钾含量

表2 不同土层土壤理化性质关联度

关联度越大，表示比较数列与参考数列的变化趋势越接近，也即表明该处理改善土壤物理性质、提高土壤养分含量效果更好。由表2可以看出，总体上各试验点土壤理化性质关联度均大于CK。不同污灌方式改善土壤物理性质、提高土壤养分含量的程度不同，排序为：开沟法>浇灌法>自排法，开浅沟引流污水的方式在改善土壤物理性质的同时，提高土壤养分含量的效果最为明显。自排法的方式虽然在一定程度上破坏了土壤物理性质，但因化学性质改善明显，总体表现略有提高。

3 结论与讨论

浇灌法和开沟法污灌的方式改善了森林土壤的水气状况，以“之”型开浅沟引流的效果更好，而自排法的方式不利于土壤物理性质改良。无论何种污灌方式，森林土壤的化学性质出现不同程度的改善，总体表现为：土壤酸性逐步得到改良，有机质分解加快，速效氮、磷、钾明显提高，全量氮、磷、钾提高缓慢。与谢海生等[17]研究结果相似。

利用林地吸收养猪污水是一种新型的生态治污途径，实际应用时受地形、污灌量、污水成分和浓度、污水悬浮物的影响。地形坡度影响污水的流速与向下渗透的速度；污灌量与土壤持水量有关，污灌量超过土壤最大持水量时，会引起土粒沉降，土壤紧实，甚至引起水土流失，影响地下水水质；由于养殖方法(饲料、冲洗猪圈用水量)不同，不同养猪场的污水成分与浓度存在一定差异，一定程度上也会影响污灌效果；随着污水悬浮物浓度和直径的提高，悬浮物填充土壤孔隙的速度越快，可能堵塞土壤孔隙。因此，人工控制污灌量、污灌频率、污灌年限等具体应用技术还有待进一步研究。