沼液對土壤理化性質的影響

王毅琪， 韓文彪， 趙玉柱， 陳 灝， 王玉喜， 呼斯冷，2

(1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術研究所，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000； 2.鄂爾多斯市城市礦產(chǎn)研究開發(fā)有限責任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

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沼液對土壤理化性質的影響

王毅琪1,2， 韓文彪1,2， 趙玉柱1,2， 陳 灝1， 王玉喜1,2， 呼斯冷1，2

(1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術研究所，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000； 2.鄂爾多斯市城市礦產(chǎn)研究開發(fā)有限責任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

隨著沼氣工程的普遍化和規(guī)?；?，將糞便、生活垃圾、餐廚垃圾等有機廢棄物轉化為清潔能源(沼氣)和有機肥料(沼液)以及將沼氣、沼液進行合理處置顯得尤為重要。在發(fā)酵代謝過程中，碳素以CH4形式形成清潔能源，而其他90%的營養(yǎng)物質均保留在沼液中。有研究表明，發(fā)酵沼液中含有豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素和作物所需的營養(yǎng)元素[1-2]，而且大部分為簡單的、易于被動植物吸收的小分子或離子狀態(tài)，如有機廢棄物中的有機氮一部分被轉化為氨態(tài)氮的形式，相當于速效氮，另一部分則參與代謝或分解為氨基氮。但是，由于發(fā)酵原料的差異，沼液中的營養(yǎng)元素含量也有所不同[3]。有研究表明，沼肥中總氮(TN)含量占0.78%～1.61%，總磷(TP)含量占0.40%～0.60%，總鉀(TK)含量占0.61%～1.30%，營養(yǎng)成分中有機質所占的比例最大，通常為36.0%～49.9%[4-5]。由于沼液中的化學耗氧量(COD)、總氮、總磷等含量依然較高，無法滿足直接排放的要求。目前經(jīng)沼氣工程處理后排放的沼液利用率不足30%[6-7]，沼液去向又給周邊環(huán)境帶來新的難題。加強沼液的利用與凈化技術研究顯得非常迫切。以往的研究主要集中在用沼液作肥料對作物產(chǎn)量和品質的影響上[8-9]，而通過沼液施肥大量消納沼液、減少周邊環(huán)境壓力及對土壤環(huán)境的影響等研究報道較少。以苜蓿為試驗材料，通過不同量沼液作為苜蓿灌溉肥水替代化肥，筆者研究了不同用量沼液對土壤理化性質的影響，以期為規(guī)模沼氣工程產(chǎn)生的沼液提供大量消解途徑和應用依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗材料供試草類為在鄂爾多斯市準格爾旗沙圪堵鎮(zhèn)生活垃圾綜合處理廠生活區(qū)自然生長的綠化用草類——苜蓿。苜蓿為苜蓿屬(Medicago)植物的通稱，豆科，多年生草本植物，主要用于制干草、青貯飼料或用作牧草[10]。供試沼液來自鄂爾多斯市準格爾旗沙圪堵鎮(zhèn)生活垃圾綜合處理廠的聯(lián)合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，經(jīng)10 d的靜止熟化期。供試土壤取自于該生活垃圾處理廠生活區(qū)綠化用土地。供試沼液和土壤的理化性質見表1。

表1　供試沼液和土壤理化性質

1.2試驗方法6月4日種植苜蓿，9月10日收割。按所施用沼液的用量，設6個處理，其中T0為空白對照，即灌溉等體積清水，T1為施無機肥對照，T2～T5為施用不同量沼液處理。每個處理均不施基肥，占地7.04 m2。在試驗田中，除了苜蓿之外，沒有種植其他植物。試驗共施5次沼液和無機肥，施肥間隔期為10 d。將熟化的沼液分別按照沼液、清水(V∶V)0∶5、1∶4、1∶1、4∶1、5∶0比例調(diào)配施用，單位面積的施量為2 L/m2。 T1處理每次追加尿素5.65 g/m2、磷酸二銨5.3 g/m2、氯化鉀3.5 g/m2(折合氮3.75 g/m2、磷1.25 g/m2、鉀1.83 g/m2)，氮、磷、鉀營養(yǎng)元素含量與沼液相當。6個處理的其余試驗條件都保持一致。試驗設計見表2。

1.3測定指標該試驗共追肥5次。在每次施肥前1 d取土樣用于測定理化特性，最后1次取樣為施肥后第10天，共測6次。土壤pH、含水率、氨氮、速效磷、速效鉀、有機質的測定采用常規(guī)測定法。

表2　 試驗設計

2結果與分析

2.1不同沼液配比對土壤pH的影響酸堿度直接影響著土壤肥力和植物生長發(fā)育[11]。試驗地在內(nèi)蒙古西部，土壤偏堿性，在8.0左右。由圖1可知，T0處理土壤pH幾乎未改變，基本保持在7.9左右，對土壤pH的改善效果不明顯；T1處理雖然在一定程度上可降低土壤酸堿度，但過量施用化肥會造成土壤板結和退化；隨著施用沼液濃度的提高，土壤pH呈明顯下降趨勢，尤其是T5處理 pH降低最為明顯，最低達到7.35，基本接近中性，有效改善土壤環(huán)境。這主要是由于沼液本身具有良好的緩沖性，為弱堿性；同時，沼液中含有大量有機質，施用后可增加土壤孔隙度；好氧和兼性微生物降解有機質，產(chǎn)生大量腐殖酸，可降低土壤酸堿度。因此，施用沼液可顯著改善土壤酸堿度，避免土壤鹽堿化板結，促進鈣、鎂、鐵等微量元素的吸收利用，促進作物生長。

圖1　土壤pH的變化Fig. 1　Changes of soil pH value

2.2不同沼液配比對土壤含水率的影響內(nèi)蒙古地區(qū)土壤多為沙質土壤，保水性差。如果人們能提高土壤保水性，那么就會在很大程度上改善農(nóng)業(yè)種植條件。由于在試驗期內(nèi)有2次降雨，土壤含水率明顯升高。由圖2可知，各處理都會引起土壤含水率不同程度的增加，但各處理之間差別較大?？傮w來看，施肥處理保水性要比未施肥處理好，施用高濃度沼液處理的保水性比施用低濃度沼液處理好，即隨著沼液濃度的增加，土壤含水率增加，保水性增強。T5處理含水率從5.53%提高到13.92%。施用沼液提高土壤保水性，可能是由于沼液中含有大量的腐殖酸，而腐殖酸對于土壤團粒結構的形成具有重要作用。因此，施用沼液可以明顯改善土壤的保水性能，特別是對于沙質土壤，可達到保水抗旱的作用。

圖2　土壤含水率的變化Fig. 2　Changes of soil moisture content

2.3不同沼液配比對土壤氨氮含量的影響由圖3可知，隨著沼液施用量的增加，土壤中氨氮含量總體上呈先上升后降低的趨勢，但是沼液施用處理的降低速度較無機肥施用處理緩慢。隨著沼液施用量的增加，土壤中氨氮含量增加，即T5處理>T4處理>T3處理>T2處理，T5處理增量最多，氨氮含量增加80%，提高到22 mg/kg，雖然T1處理施氮量與T5處理相當，但土壤氨氮含量只提高約50%，即T1處理與T4處理氨氮含量相當。造成氨氮變化的主要原因，一方面是在追肥前期，土壤氨氮含量上升，但此時苜蓿植株較小，對氨氮的吸收量小于追肥量，因此土壤氨氮積累升高，而隨著苜蓿植株的生長，其氨氮需求量增加，并且超過追肥量，因此造成土壤氨氮含量下降；另一方面，由于T1處理土壤pH較高，偏堿性，會造成氨氮的損失，而施用沼液組可有效改善土壤pH，減少氨氮的損失。因此，施用沼液可提高土壤中氨氮含量，有效提高土壤供氮水平，具有很好的保肥作用。

圖3　土壤氨氮含量的變化Fig. 3　Changes of ammonia nitrogen content in soil

2.4不同沼液配比對土壤速效磷含量的影響由圖4可知，隨著沼液施用量的增加，土壤中速效磷含量總體上呈先上升后下降的趨勢。這主要與植株生長及其營養(yǎng)元素的吸收有關。T5處理與T1處理土壤中磷含量最高，比施肥前提高約50%。隨著沼液施用量的增加，土壤磷含量增加，均比對照組磷含量有所提高。由此可知，施用沼液和無機肥對土壤中速效磷含量的影響基本一致。土壤速效磷含量與沼液施用量關系較大。雖然肥料特性對土壤速效磷含量的影響不大，但是通過沼液對土壤特性的改良可以促進氮的吸收和保持，在一定程度上對磷的吸收具有促進作用。

圖4　土壤速效磷含量的變化Fig. 4　Changes of rapidly available phosphorus content in soil

2.5不同沼液配比對土壤速效鉀含量的影響由圖5可知，隨著沼液施用量的增加，土壤中速效鉀含量增加，均比T1處理和T0處理要高，即土壤鉀含量的大小順序為T5處理>T4處理>T3處理>T2處理>T1處理>T0處理，其中T5處理與T4處理提高土壤速效鉀含量的效果最為明顯，含量最高時分別比施用前提高116%和109%，表明施用沼液對土壤速效鉀含量的提高具有很好的效果。造成土壤速效鉀含量不同的原因可能與土壤保水性有關。由于速效鉀完全屬于離子態(tài)，施用沼液可有效提高土壤保水性能，從而在一定程度上減少降水、追肥過程中速效鉀的淋洗損失，而施用無機肥后土壤保水性得不到改善，速效鉀易淋失。因此，施用沼液可以有效促進土壤中速效鉀的保持，避免肥效損失，具有良好的保鉀作用。

圖5　土壤速效鉀含量的變化Fig. 5　Changes of rapidly available potassium content in soil

2.6不同沼液配比對土壤有機質含量的影響土壤有機質能夠為植物生長提供必需的營養(yǎng)物質和礦質元素，也是良好的土壤改良劑，因此土壤有機質直接影響著植物生長[12]。由圖6可知，隨著沼液施用量的增加，土壤有機質含量總體上呈上升趨勢，其中T5處理和T3處理土壤有機質含量增加得最多，與施肥前相比分別增加61.55%和48.5%，相比T0處理分別增加2.2%和1.8%，同時高于T1處理，最高達到10.5%。土壤有機質含量的增加一方面是由于追肥增加了有機質含量，另一方面是由于追肥提高了土壤含水率，改善土壤微生物生長環(huán)境，分解植物殘體。因此，施用沼液不僅可以提高土壤有機質含量，而且可以改善土壤微生物生長環(huán)境，增加土壤腐殖酸，達到保水、保肥、改良土壤性質的目的。

圖6　土壤有機質含量的變化Fig. 6 Changes of organic matter content in soil

3結論

通過研究不同用量沼液對土壤理化性質的影響，發(fā)現(xiàn)沼液作為有機肥施用對改良土壤特性具有明顯作用，即隨著沼液施用量的增大，土壤理化性質得到明顯改善。其中，全沼液處理效果最好，土壤酸堿度明顯改善，由堿性土壤(pH 8.0)逐漸向弱堿性(pH 7.35)轉變，土壤含水率從5.53%提高到13.92%，具有良好的保水性，土壤氨氮、速效磷和速效鉀得到顯著積累，與施肥前相比分別提高了80%、50%和116%，與無機肥相比保肥性有所提高；同時，土壤有機質含量明顯增加，與施肥前相比提高了61.55%。綜上所述，施用沼液可以明顯增加土壤肥力，提高土壤保水、保肥性，改良土壤結構，優(yōu)化土壤性質，利于作物生長，為沼氣工程發(fā)酵沼液的資源化利用開辟一條新路。

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摘要[目的]為了考察沼氣工程發(fā)酵沼液施用對土壤理化性質的影響。[方法]以苜蓿為材料，采用田間試驗，探討不同沼液施用量對土壤理化性質的影響。[結果]施用全沼液后土壤酸堿度得到明顯改善，由堿性土壤逐漸轉變?yōu)槿鯄A性，土壤含水率從5.53%提高到13.92%，土壤氨氮、速效磷和速效鉀得到顯著積累，與施肥前相比分別提高80%、50%和116%，土壤有機質含量與施肥前相比提高了61.55%。[結論]施用沼液對土壤理化性質有顯著的改良作用。

關鍵詞沼液；土壤；理化性質

Effects of Biogas Slurry on Soil Physical and Chemical Properties

WANG Yi-qi1,2, HAN Wen-biao1,2, ZHAO Yu-zhu1,2et al (1. Ordos Institute of Solid Waste Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Ordos, Inner Mongolia 017000; 2. Ordos Urban Mining Research and Development Co., Ltd., Ordos, Inner Mongolia 017000)

Abstract[Objective] The research aimed to investigate the effects of biogas slurry on the soil physical and chemical properties. [Method] The impacts of different application amount of biogas slurry on physical and chemical properties of soil were studied through field experiment with medicago as test materials. [Result] The biogas slurry could change pH from alkaline to alkalescence, moisture content of the soil increased from 5.53% to 13.93%. Biogas slurry could lead to the accumulation of the-N, avai1able P, and available K in soils obviously, and they increased by 80%, 50%, 116% and 61.5% compared with the pre-implantation respectively. [Conclusion] Biogas slurry can improve the physical and chemical properties of soil obviously.

Key wordsBiogas slurry; Soil; Physical and chemical property

收稿日期2015-11-30

作者簡介王毅琪(1987- )，女，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，工程師，從事城市有機廢棄物處置與利用方面的研究。

基金項目“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAC25B03)、(2012BAC25B07)。

中圖分類號S 15

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)01-193-03