砂壤土贮存池中沼液入渗及氮磷迁移特征

孙国峰，宗焦，盛婧*，周炜，张丽萍，王子臣

（1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，南京 210014；2.农业农村部种养结合重点实验室，南京 210014）

我国畜禽粪污年产生量约38 亿t，其中养殖过程中产生的粪水量约20 亿t，已成为农业面源污染的重要来源[1]。固体粪污可通过堆肥得到有效处理，而粪水处理成为养殖场污染防治的关键，将其厌氧发酵无害化处理后，产物沼液作为粪肥还田是一种最为经济有效的处理与利用方式[2]。但养殖场沼液具有产生量大、连续性等特点，与农田作物水肥需求季节性之间往往不同步，故沼液贮存是其还田前的必备环节。关于沼液贮存条件及其营养物质、重金属、大肠杆菌、气体排放等方面已有较多报道[3-8]。已有研究表明，贮存过程中沼液氮磷含量的主要影响因素依次为贮存温度、氧气含量、贮存时间等，且随着贮存温度升高、氧气含量增加、贮存时间延长整体呈下降趋势[8-9]。例如露天贮存90 d 条件下，不同发酵原料（猪粪、鸡粪和牛粪）的沼液总氮浓度受气温影响较大，损失率在16.4%～59.5%之间；而沼液总磷浓度受气温影响较小，损失率在61.3%～71.3%之间[9]。也有研究指出，在短期（＜60 d）内，加盖贮存的沼液氮磷损失较少，优于敞口贮存，但随着贮存时间延长（60～90 d），贮存方式对沼液氮磷含量影响较小[10]。现有沼液贮存时间多在90～180 d 之间，沼液氮、磷损失率分别为16.4%～84.3%、61.3%～93.5%[9-11]。据2018—2019 年畜禽粪污第三方评估数据报道，我国养殖场粪水采用自然贮存等简易方式处理仍占83.34%[1]，而未做防渗处理的砂壤土贮存池中沼液入渗及其氮磷迁移特征尚未见报道。本研究分析猪场沼液在砂壤土贮存池中入渗率、氮磷水平与垂直迁移特征，并探讨影响沼液入渗的限制因子，为定量评估沼液在自然贮存过程中引发的二次污染风险提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2019 年11 月22 日至12 月24 日，在江苏省淮安市淮阴区五里镇镇南村（33°42′21″N，118°50′11″E）开展猪场粪污水厌氧发酵产生的沼液贮存试验。该区属暖温带半湿润季风气候，年均温度14.8 ℃，年均降雨量945.5 mm，年均日照时数2 080.6 h，年均无霜期216 d。试验开始前砂壤土贮存池的不同深度土壤理化性质见表1。

表1 初始不同深度土壤理化性质Table 1 Initial values of soil physical and chemical properties at different depths

1.2 试验设计

沼液贮存试验设置3 个处理，即沼液处理（BS）、1/3 沼液+2/3 井水处理（1/3BS）和井水处理（W），贮存试验周期为5 d，贮存周期3次重复（15 d）内均无降雨事件发生。试验沼液和井水均来自于淮阴区诚实生猪养殖场，起始沼液的全氮、铵态氮、硝态氮和总磷含量分别为392、301、3.97、60.7 mg·L-1，总固体（TS）含量为3%；井水的全氮、铵态氮、硝态氮和总磷含量分别为4.68、4.25、0.09、0.08 mg·L-1。采用机械挖掘与人工修整相结合的方式建造地下式贮存池（长2 m、宽2 m、深1.5 m），初始液面深度为1.2 m。

试验结束后，采集贮存池3 个侧面土壤样品，每个侧面采集地面下90 cm 处2 个水平点混合土壤样品，水平取样深度为0～5、5～10、10～20、20～40、40～60 cm，同时，按“品”字形分别采集贮存池底部土壤样品，垂直取样深度为0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm，测定有机质、全氮、铵态氮、硝态氮、总磷、有效磷含量等指标。采集贮存池侧面、底部0～10 cm 土壤结构样品，测定土壤容重，重复3次。

1.3 测定方法

无降雨条件下，入渗率为每日液面下降深度与蒸发量之差，其中，液面下降深度采用水尺观测法测定，蒸发量采用差量法测定。累积入渗量为各贮存周期内累计天数的入渗率之和。土壤全氮、总磷、铵态氮和硝态氮采用连续流动化学分析仪（SAN++System，SKALAR，荷兰）测定。土壤有效磷采用碳酸氢钠法测定。土壤有机质采用重铬酸钾（K2Cr2O7）氧化外加热法（LY/T 1237—1999）测定。土壤容重采用环刀法测定。

1.4 数据分析

采用Excel 2016 和SPSS17.0 软件进行数据处理与制图，处理间多重比较用LSD法。

2 结果与分析

2.1 贮存过程中入渗特征

各处理入渗率见图1。不同处理入渗率均呈现随贮存深度降低、间歇供水次数增加而下降的趋势，且整体呈现BS＜1/3BS＜W 处理的规律。具体来看，BS处理各贮存周期的平均入渗率依次为11.0、8.4、5.2 cm·d-1，降低幅度在2.6～3.2 cm·d-1之间；1/3BS处理各贮存周期的平均入渗率依次为16.8、15.6、13.2 cm·d-1，降低幅度在1.2～2.4 cm·d-1之间；W 处理各贮存周期的平均入渗率依次为19.0、16.4、16.4 cm·d-1，减少幅度在0～2.6 cm·d-1之间。

图1 不同处理入渗率变化趋势Figure 1 Trend of infiltration rate under different treatments

各处理累积入渗量见图2。不同处理累积入渗量也呈现BS＜1/3BS＜W 处理的规律，并随间歇供水次数增加而下降，其中BS处理累积入渗量降幅最大。具体来看，BS处理各贮存周期的累积入渗量依次为55、42、26 cm，较W 处理分别降低了42.1%、48.8%和68.3%，较1/3BS处理分别降低了34.5%、46.2%和60.6%。

图2 不同处理累积入渗量变化趋势Figure 2 Trend of accumulation infiltration amount under different treatments

2.2 氮磷水平迁移特征

各处理氮磷水平迁移特征见图3。沼液贮存过程中，氮存在水平迁移趋势，且水平迁移深度达5～10 cm；而磷主要吸附于池侧表层土壤0～5 cm。整体来看，池侧0～5 cm和5～10 cm土壤全氮和铵态氮含量呈现BS＞1/3BS＞W 处理的规律，其中BS 处理显著（P＜0.05）高于W 处理；而各处理10～20、20～40、40～60 cm土壤全氮和铵态氮含量差异均不显著。另外，池侧0～5 cm 土壤总磷和有效磷含量均以BS 处理最高，显著（P＜0.05）高于1/3BS 和W 处理；而BS 处理除0～5 cm 外，其他层次土壤有效磷含量较W 处理均未出现增加现象。

图3 不同处理氮磷水平迁移特征Figure 3 Lateral transfer characteristics of nitrogen and phosphorus under different treatments

2.3 氮磷垂直迁移特征

各处理氮磷垂直迁移特征见图4。沼液贮存过程中，氮磷存在明显的垂直迁移趋势，且垂直迁移深度达10～20 cm。具体来看，池底0～10 cm 和10～20 cm土壤全氮、铵态氮、总磷和有效磷含量均呈现BS＞1/3BS＞W 处理的规律，且各处理池底0～10 cm 和10～20 cm 土壤全氮、铵态氮含量及0～10 cm 土壤总磷和有效磷含量差异均达到5%显著水平，同时，BS 处理10～20 cm 土壤总磷和有效磷含量也显著（P＜0.05）高于W 处理；而各处理20～40、40～60、60～80 cm 土壤全氮、铵态氮、总磷和有效磷含量差异均不显著，但BS处理土壤有效磷含量较W处理有增加趋势。

图4 不同处理氮磷垂直迁移特征Figure 4 Vertical transfer characteristics of nitrogen and phosphorus under different treatments

2.4 贮存沼液的氮磷去向分析

贮存过程中，沼液氮磷损失均以垂直迁移为主。具体来看，贮存过程中，沼液氮去向中垂直迁移、水平迁移、残留量和其他损失分别占比为25.1%、9.4%、50.6%和14.8%；沼液磷去向中垂直迁移、水平迁移和残留量分别占比为56.9%、15.3%和27.7%，这与贮存过程中颗粒态磷沉降有关。

3 讨论

3.1 贮存沼液入渗率的影响因子分析

影响土壤入渗特性的主要因素有土壤理化性质（初始含水量、质地、有机质等），供水强度，供水方式，水质及水温等[12-13]。本研究在同一田块同时开展试验，各处理土壤容重、孔隙度和环境温度差异均不显著。通过入渗率与贮存深度的相关性分析（图5）发现，第3个贮存周期W 处理入渗率与贮存深度呈极显著（P＜0.01）的线性正相关关系，可用线性方程y=0.157 9x+3.515（r=0.986，n=5）来拟合，说明W处理入渗率随着贮存深度的增大而增加，可能是供水强度（贮存深度1.2 m以内）小于砂壤土入渗能力的缘故[12]，但也有研究指出积水深度在1～10 cm之间对紫色土入渗特性基本没有影响，这可能与水深及土壤性质等因素有关[14]；而BS处理入渗率与贮存深度间相关性未达到5%显著水平，说明本试验条件下贮存深度对沼液入渗率的影响相对较小，这可能与沼液的水质特性有关[12]。

图5 第3贮存周期入渗率与贮存深度的相关关系Figure 5 Correlation between infiltration rate and storage depth in the third storage period

沼液是一种色度较深的黏稠液体，具有固形物含量高、腐殖质等有机物含量高、可溶性盐含量高等特点[15]。本研究发现沼液贮存过程中有机物存在水平与垂直迁移趋势，其迁移深度分别达5～10 cm 和10～20 cm（图6～图7），分析沼液中固形物、有机物会随水入渗附着于贮存池表层土壤，堵塞土壤入渗通道，可能是降低贮存沼液入渗率的主要原因。同时，沼液中低价可溶性盐（如Na+）会置换土壤胶体颗粒上Ca2+和Mg2+，改变土壤孔隙特性，影响土壤水入渗通道，进一步降低贮存沼液入渗率[12]。另外，本研究采用间歇供水方式，发现各处理入渗率随间歇次数增加而下降，这与前人研究结论一致[14]，其中BS 处理入渗率的降幅明显高于1/3BS 处理，说明间歇供水方式也可降低贮存沼液入渗率。由此推测，采用物理或化学方法改变沼液自然贮存池表层土壤结构特性可以有效减少沼液入渗损失。

图6 不同处理池侧土壤有机质水平分布特征Figure 6 Lateral distribution characteristics of pool side soil organic matter under different treatments

图7 不同处理池底土壤有机质垂直分布特征Figure 7 Vertical distribution characteristics of pool bottom soil organic matter under different treatments

3.2 贮存沼液的氮磷迁移特征

养殖场沼液富含氮磷等营养元素，其中氮主要以铵态氮形式存在[16]。余薇薇等[17]采用蒸馏水预饱和模拟土柱法研究紫色土灌溉沼液过程中铵态氮垂直的迁移风险，指出其风险较大，显著高于有效磷迁移风险。本研究通过测定贮存后池侧、池底土壤氮磷含量，明确贮存沼液过程中存在明显的氮磷水平、垂直迁移趋势，其中铵态氮水平、垂直迁移深度分别达5～10 cm（25.0 mg·kg-1）和10～20 cm（41.8 mg·kg-1），均低于砂壤土的铵态氮吸附量（约54 mg·kg-1）[18]。同时，由于土壤中硝态氮具有易随水动的特性，但本研究沼液中硝态氮含量为3.97 mg·L-1，而且沼液贮存后水平、垂直土壤的硝态氮含量分别在1.86～4.64、1.72～2.35 mg·kg-1之间，均低于初始土壤背景值（5.25、5.89 mg·kg-1），可能是沼液贮存池周围土壤硝态氮存在部分随水入渗而流失的风险。另外，发现BS 处理池底20～80 cm 土壤有效磷含量较W 处理有增加趋势，但池底不同层次土壤有效磷含量在2.0～13.0 mg·kg-1之间，这远低于土壤有效磷淋溶临界值（74.6～82.0 mg·kg-1）[19]，且土壤总磷含量并未增加，可能与沼液中活性物质随水入渗提高了下层土壤磷酸酶活性有关[20]。综上所述，铵态氮迁移特征是沼液在自然贮存过程中二次污染风险评估的重要依据之一。然而，本研究未考虑到沼液贮存过程中渗漏液的氮磷含量，有待进一步研究。

4 结论

（1）与井水相比，砂壤土贮存池中沼液会显著降低入渗率和累积入渗量，且沼液入渗率随间歇次数增加而大幅下降。井水入渗率与贮存深度呈极显著（P＜0.01）的线性正相关关系，而第3个贮存周期的沼液入渗率与贮存深度间相关性未达到5%显著水平，这主要与沼液中有机物浓度高的水质特性及间歇供水方式有关。

（2）砂壤土贮存沼液过程中，存在明显的氮磷水平、垂直迁移趋势，且沼液氮磷损失均以垂直迁移为主。本研究1.2 m 贮存深度条件下，沼液氮磷垂直迁移土壤深度达10～20 cm；而沼液氮磷水平迁移趋势相对较弱，其中氮水平迁移深度达5～10 cm，磷主要附着于贮存池侧面的表层土壤。