不同類型土壤消解沼液潛力研究

甘福丁　魏世清　伍琪　李勇江　桂雪萍　蔣湖波

摘要 利用模擬土柱試驗裝置對不同類型土壤消解沼液潛力進行研究。結果表明：在靜態或動態試驗情況下赤紅壤、石灰土、紅壤對沼液污染都具有一定的消解凈化作用。但不同的土壤類型，其消解沼液污染的能力也不盡相同。在此基礎上，對沼液灌溉對土壤肥力的影響作了分析。

關鍵詞 土壤類型；沼液；土柱試驗；消解

中圖分類號 S216.4 文獻標識碼 A 文章編號 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

沼氣工程是處理養殖場糞污的主要技術之一。但由于采用的發酵原料、發酵工藝、發酵條件的不同，許多沼氣工程產生的沼液COD、BOD、SS依然高，總氮、總磷、氨氮含量下降很少，仍然達不到養殖污染排放的國家標準[1]。如果沼液不經處理直接排放，勢必造成環境二次污染。雖然通過土壤吸附、稀釋、擴散或離子交換等可降低沼液中有機物、氮、磷等物質的濃度，消解沼液部分污染，但如果沼液的排放超過土壤消解能力，沼液也會通過滲漏、淋溶、徑流等作用污染土壤及臨近水體，造成土壤結構性破壞和水體富營養化。

土壤有紅壤、磚紅壤、赤紅壤、石灰土、棕壤等不同的類型。不同的土壤類型，其消解沼液污染的能力也不盡相同。本研究采用室內模擬土柱試驗方法，分析不同類型土壤對沼液的消解動態、降解規律，以獲得不同土壤對沼液污染的消解能力，為沼液合理利用及預控、預測地力變化趨勢，指導合理施肥等提供科學依據。由于土壤質量的評價指標多種多樣，本試驗只側重于測定赤紅壤、石灰土、紅壤3種類型土壤消解沼液過程中樣土及出水化學指標的變化，如有機質、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀及出水總磷、總鉀、氨氮、硝酸鹽氮、COD等指標的測定。

1 材料與方法

1.1 沼液與樣土

（1）本試驗采用的沼液采自南寧市郊區和廣西林科院沼氣實訓基地正常產氣的沼氣池。2處沼液按1∶1配制，過濾除渣。混合后的沼液各成分指標：磷2.09 mg/L，鉀176.96 mg/L，氨氮489.08 mg/L，硝酸鹽氮1.72 mg/L，COD 284.1 mg/L，pH值7.0。

（2）樣土分別為赤紅壤、石灰土和紅壤。3種不同類型樣土的理化指標見表1。

（3）樣土的處理。采集3種土壤各重約50 kg（濕重），然后分別曬干，粉碎過篩。過篩后樣土粒徑不大于5 mm，粉末狀土約占20%。

1.2 試驗原理

（1）利用模擬土柱試驗裝置，在土柱內裝填樣土，然后注入過量的沼液，采用靜置方法，研究在靜態狀況下土壤對沼液污染的吸咐、稀釋性能，分析沼液在土壤中的自凈效果及土壤肥力的變化[1-3]。

（2）利用模擬土柱試驗裝置，在土柱內裝填樣土，然后注入一定量的沼液，采用滴定方法，研究在動態狀況下沼液污染物在土壤中吸咐、稀釋、遷移等情況，分析沼液在土壤中的自凈效果及土壤肥力的變化。

1.3 試驗裝置

（1）土壤消解沼液潛力研究模擬土柱試驗裝置見圖1。包括儲液罐、柱體和接水池等。柱體上設有取樣三通，底部設有濾網及封頭，并在底端出口處連接有出水閥門；取樣三通設有帶螺牙的封蓋，以方便打開和關閉，并且封蓋內設有密封墊圈，防止漏水。

柱體的直徑110 mm，高1 300 mm，內壁粘接有多條防止液體沿內管壁優先往下流的橫向肋條。

（2）每種樣土分3個處理。處理1為清水對照（CK），處理2為過飽和靜態灌溉模擬，處理3為動態灌溉模擬。

1.4 試驗操作

1.4.1 裝土。每個土柱內底部先平放1層不銹鋼濾網。濾網必須根據石英砂粒徑選擇網格合適的目數，以阻攔石英砂掉入出水閥的入水口。然后放入厚30～40 mm石英砂，上面再放置1層不銹鋼濾網，此處濾網必須根據樣土粒徑選擇網格合適的目數。再放入厚1 000 mm樣土，每個土柱供試土壤約為10 kg。分多次裝填，每次裝填高度100～200 mm。裝土時注意振實。裝土完畢，再放置1層不銹鋼網4。最后放厚100 mm碎石。

1.4.2 注水或沼液。處理1（CK）：往柱體內緩緩注入清水，并沒過碎石面100 mm，記錄所需水量，然后靜置。注意觀察并補水。保持水面沒過碎石。7 d后從柱體下部閥門取水樣檢測1次。然后排干柱體里的水，從三通取樣口取土樣檢測1次。取完樣，蓋好取樣口。關閉閥門后補水，沒過碎石100 mm。重復以上操作，直到試驗滿49 d結束。

處理2：往柱體內緩緩注入沼液，并沒過碎石面100 mm，記錄所需沼液量，然后靜置。注意觀察并補沼液。保持液面沒過碎石。7 d后排出水，取出水樣、土樣檢測1次。關閉閥門后補充沼液，沒過碎石100 mm，保持土柱中沼液處于過飽和狀態。以后重復以上操作，直到試驗滿49 d結束。

處理3：往柱體內緩緩注入沼液，并沒過碎石面100 mm，然后改用滴定方法。控制儲液罐閥門出水量，使出水形成點滴狀態。接著打開柱體下端出水閥門，使出水形成點滴狀態，并使柱體進水量與出水量基本相等。7 d后取出水樣、土樣檢測1次。以后重復以上操作，直到試驗滿49 d結束。

每次取土樣500 g、水樣300 mL。根據研究內容，測定土樣的有機物、總氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量等指標以及測定出水水樣總磷、總鉀、氨氮、硝酸鹽氮、COD等指標的變化情況[4-6]。

1.4.3 測定標準。

（1）土樣測定標準。依據《LY/T 1237—1999森林土壤有機質的測定及碳氮比的計算》《LY/T 1228—1999森林土壤全氮的測定》《LY/T 1233—1999森林土壤有效磷的測定》《LY/T1236—1999森林土壤速效鉀的測定》等。

（2）水樣測定標準。依據《GB11893—1989水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》《GB 11904—1989水質鉀和鈉的測定火焰原子吸收分光光度法》《HJ537—2009水質氨氮的測定（蒸餾-中和滴定法）》《GB/T 7480—1987水質 硝酸鹽氮的測定 酚二磺酸分光光度法》《GB 11914—1989水質化學需氧量的測定 重鉻酸法》等。

2 結果與分析

2.1 沼液在不同土壤類型的自凈效果分析

2.1.1 赤紅壤。赤紅壤消解沼液模擬土柱試驗土樣測試結果見表2。

從表2中可以看出，各試驗指標變化不大。處理2在35 d時有機質含量開始升高，全氮在21 d后升高，至49 d時含量已超過樣土的3倍左右，速效氮在28 d后升高快。速效磷含量變化不大。速效鉀也在28 d后含量增加快，至試驗結束，其含量比樣土升高約59倍。處理3的土壤在試驗14 d時，全氮、速效氮含量就明顯升高很快。而速效磷、速效鉀變化更明顯。到21 d速效磷就超過了國家污水綜合排放標準總磷三級水平，到試驗結束，其速效磷含量已比樣土增加14倍以上，土樣產生了嚴重的污染。速效鉀含量也增加84倍之多。

赤紅壤消解沼液土柱模擬試驗出水水樣測試結果見圖2～6。

從圖2～6中可以看出，CK全磷、全鉀、氨氮、COD等試驗指標變化不大，但硝酸鹽指標變化較大，從14 d開始出水硝酸鹽含量都高于原沼液硝酸鹽含量。處理2各指標都比沼液原指標低很多，說明通過赤紅壤的積累、阻隔、過濾、轉化，沼液的濃度、各理化指標下降明顯，在靜態條件下，赤紅壤具有凈化、消解沼液的作用。只是試驗進行到14 d，出水硝酸鹽含量有較快的提高。處理3各指標前20 d變化不明顯，說明這段期間赤紅壤尚未超過其消解能力極限，而21 d后各指標變化明顯。如21 d時，出水全磷含量已經超過沼液含量，到49 d時，全磷含量已超過沼液原液近5倍。出水全鉀含量、COD濃度在試驗21 d后增加也快，超過國家污水綜合排放標準的三級水平（120 mg/L）。至49 d時已超過沼液原液全鉀的含量，COD濃度也接近沼液原液水平。試驗中硝酸鹽含量有所起伏，基本上是在試驗14 d時就超過原沼液硝酸鹽含量。處理3氨氮變化緩慢，至試驗結束，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擬試驗土樣測試結果見表3。

從表3中可以看出，CK各指標變化不大，只有速效磷變化較為明顯，速效氮含量有所下降。且從表3中可以看出，處理2有機質、全氮、速效氮含量變化不大，速效磷、速效鉀含量增加明顯。至試驗結束，土樣中速效磷為2.90 mg/L，約為樣土的5倍。速效鉀在試驗21 d前含量比樣土低，而21 d后含量增加較快。處理3與處理2基本相同，有機質、全氮、速效氮含量變化不大，速效磷、速效鉀含量增加明顯。試驗結束速效磷含量稍微突破了國家污水綜合排放標準三級水平。

石灰土消解沼液土柱模擬試驗出水水樣變化情況見圖7～11。

從圖7～11中可以看出，除整個試驗過程硝酸鹽含量一直較高及自28 d后處理3全磷含量增加較快以外，其他各項均低于沼液原始指標。說明石灰土對沼液全鉀、氨氮、COD具有明顯的吸咐消解作用，出水全鉀、氨氮、COD的含量小，消解凈化沼液作用顯著。

2.1.3 紅壤。紅壤消解沼液潛力試驗結果見表4。

從表4中可以看出，CK紅壤有機質、全氮含量變化不大，而速效氮、磷、鉀含量有下降趨勢。處理2除速效鉀含量增加較快外，各指標含量都有所提高，但提高速度較慢。處理3速效鉀含量增加較快，至試驗結束，速效鉀含量增加了1.60倍。其他指標含量都有上升，但變化緩慢。但速效磷、速效氮含量每個試驗階段都比CK、處理2大。

紅壤消解沼液模擬土柱試驗出水水樣變化情況見圖12～16。

從圖12～16中可以看出，3種處理出水硝酸鹽含量變化很大，大大超過原沼液硝酸鹽的含量。說明在有水、沼液的情況下，紅壤會通過化學變化生成大量硝酸鹽物質釋出。處理2出水全鉀含量大。而在處理3過量沼液滴定的情況下，紅壤全磷含量增加較快。但整個試驗過程中，氨氮含量及COD濃度都不超過原沼液的指標，也基本上沒有超過國家污水綜合排放標準，說明紅壤對沼液中氨氮、COD凈化起了一定的作用。

2.2 不同土壤類型消解沼液潛力評價

土壤是一個半穩定狀態的復雜物質體系，對外界環境條件的變化和外來的物質有很大的緩沖能力。從廣義上說，土壤的消解凈化是指污染物（如沼液）進入土壤后經生物和化學降解變為無毒害物質，可通過化學沉淀、絡合和螯合作用、氧化還原作用變為不溶性化合物，或為土壤膠體牢固地吸咐。但是土壤在自凈過程中，隨著時間的推移，土壤本身也會遭到嚴重污染。因為土壤污染及其去污決定于污染物進入量與土壤天然凈化能力的消長關系，當污染物的數量和污染速度超過了土壤的凈化能力時，破壞了土壤本身的天然動態平衡，使污染物的積累過程逐漸占優勢，從而導致土壤正常功能失調，土壤質量下降。在通常情況下，土壤的消解凈化能力決定于土壤物質的組成及其特性，也和污染物的種類和性質有關。不同土壤類型具有不同的物質組成、理化性質和生物學特性，影響物質遷移轉化的水熱條件也都因土而異，因而其凈化性能與緩沖性能不同[2]。

從上述的試驗中可以看出，赤紅壤、石灰土、紅壤對沼液污染物都有一定的消解凈化作用。表現在試驗樣土中隨著試驗時間的推移及沼液用量的增大，各類土壤測試指標含量是一個增加的過程。從樣土檢測指標看，赤紅壤對沼液污染的積累，樣土中速效氮、速效磷、速效鉀含量增加很快，就土壤消解沼液能力，赤紅壤>石灰土>紅壤。從出水氨氮、硝酸鹽、全鉀、COD等指標看，土壤自凈能力為石灰土>赤紅壤>紅壤。但總體而言，土壤消解沼液能力為赤紅壤>石灰土>紅壤。

2.3 沼液灌溉對土壤肥力的影響分析

沼液作為一種速效性優質的有機肥料，含植物生長所必需的有機物和各種離子。但是我國沼液灌溉（沼灌）技術對具體的土壤承載量、施用周期等方面沒有要求，可操作性不強，多數地區存在盲目灌溉的現象[3]。如何在充分利用沼液的同時，又不破壞植物的生長、土壤和附近水體環境，需要找到經濟和環境的平衡點。而沼灌的效果及其可行性主要是受原廢水化學成分、處理后廢水成分的影響。無度的灌溉會造成土壤環境破壞，在降雨淋溶后會流入水體造成富營養化[4]。

赤紅壤有機質含量低，礦質養分較貧乏。土體的總孔隙、通氣孔隙和持水孔隙均較高，鐵鋁氧化物淀積較為明顯。在正常情況下，赤紅壤區的生物氣候條件有利于土壤有機質的積累。增施有機肥及礦質肥，可調節土壤養分平衡。特別是多施沼液有利于土壤有機質的積累。

石灰土是熱帶亞熱帶地區在碳酸巖類風化物上發育的土壤，是我國南方亞熱帶地區石灰巖母質發育的土壤，一般質地都比較黏重，土壤交換量和鹽基飽和度均高。增施沼肥，有利于改善土壤結構，提高土壤有機質、速效鉀、速效磷的含量。但必須注意土壤及附近水體硝酸鹽含量的變化。

土質黏重是紅壤利用上的不利因素，可通過多施有機肥，適量施用石灰和補充磷肥。針對紅壤有機質含量很低的情況，增施沼肥，可提高紅壤的有機質含量和氮素肥力。紅壤速效磷普遍缺乏，增施沼肥，并提高其利用率是一項重要的農業增產措施。

3 結論

試驗結果表明，3種不同類型土壤對沼液都具有一定的消解凈化作用，本試驗中，在靜態或動態的狀況下，通過土壤的吸收、稀釋等作用，沼液的有機質、氨氮、COD等指標有所下降，可有效降低沼液排放帶來的污染危害。但在沼液超過一定量時，污染物積累較快，土壤有可能會失去消解凈化功能。從試驗結果看，不管是靜態還是動態試驗，赤紅壤樣土中速效氮、速效磷、速效鉀含量增加較快，消解沼液能力較強。從出水氨氮、硝酸鹽、全鉀、COD等指標看，石灰土消解能力較強。但總體而言，不同類型土壤消解沼液能力為赤紅壤>石灰土>紅壤。

沼液的施入會改變土壤中的有機質及全氮、速效氮、磷、鉀含量，特別是增加了有機質的積累。如試驗中的赤紅壤樣土有機質、磷含量不高，肥力較低，與石灰土、紅壤相比，可以多施入沼液，以增加有機質、磷的含量。但如果施入量過大，可導致硝酸鹽氮在土壤剖面的積累，增加地表水和地下水中氮素含量，導致加大水體富營養化和地下水污染風險。

土壤質量是農業生產的物質基礎。通過沼液定點、定量施用，可以增加土壤的有有機質、全氮、速效氮、磷、鉀的含量，提高土壤肥力。如可利用大面積冬閑田地，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。由于農田對沼液的消解潛力在不同作物、不同土壤有明顯差異，適合的消解容量需要通過田間試驗獲得[5]，以確保沼液的安全利用。

4 參考文獻

[1] 江月霞.沼液農田消解利用技術及其土壤環境效應研究[D].金華：浙江師范大學，2010.

[2] 易秀，楊勝科，胡安焱.土壤化學與環境[M].北京：化學工業出版社，2007.

[3] 余薇薇，張智，羅蘇蓉，等.沼液灌溉對紫色土菜地土壤特性的影響[J].農業工程學報，2012（16）：178-184.

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[5] 姜麗娜，王強，陳丁江，等.沼液稻田消解對水稻生產、土壤與環境安全影響研究[J].農業環境科學學報，2011（7）：1328-1336.

[6] 高立洪，李平，韋秀麗，等.不同作物、土壤類型和灌溉方式對沼液消納能力的影響研究[J].農業科學與技術（英文版），2015（8）：1712-1715.