豬糞水滲透對土壤性質(zhì)產(chǎn)生影響的模擬研究

夏運紅白 林*程 帥李學(xué)偉李明洲朱 礪張 斌何佳果周 鵬

（1四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川成都 625014；2四川省漢源縣畜牧局，四川雅安 625300）

豬糞水滲透對土壤性質(zhì)產(chǎn)生影響的模擬研究

夏運紅1白 林1*程 帥1李學(xué)偉1李明洲1朱 礪1張 斌1何佳果2周 鵬1

（1四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川成都 625014；2四川省漢源縣畜牧局，四川雅安 625300）

為揭示豬糞水滲漏、溢流和施用對土壤性質(zhì)及微生物垂直分布的影響，為豬糞水對水源的污染隱患和環(huán)境影響評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本研究用豬糞水滲透土柱的方法進(jìn)行模擬試驗，設(shè)計了3種滲透方式，分別測定各土層土壤的含水率、pH值、有機(jī)質(zhì)含量以及微生物的垂直分布變化情況。結(jié)果表明3個處理組各土層土壤含水率、有機(jī)質(zhì)含量增加，pH值降低；其中，豬糞水-豬糞水組含水率增量最小，有機(jī)質(zhì)增量最大，pH值降低量最大。豬糞水中的有機(jī)質(zhì)可在輕粘土中滲透到3 m以下，與豬糞水中的微生物一起明顯改變土壤的pH值，過多使用豬糞水或豬糞水持續(xù)滲漏會使土壤酸化；且即使是黏土場地，豬場糞水有機(jī)質(zhì)滲漏對于地下水位在3 m以下的水源亦有較大的污染隱患。采用16S rDNA熒光定量PCR分析微生物，試驗結(jié)果表明，輕粘土對豬糞水中的微生物有較強(qiáng)的過濾作用，土層深度60 cm以下微生物的含量明顯下降到土壤本底值。

豬糞水；土壤；pH值；有機(jī)質(zhì)；16S rDNA

隨著畜牧業(yè)飛速發(fā)展，豬糞水的排放量越來越多。未經(jīng)處理的豬糞水含有大量有機(jī)質(zhì)和高濃度的營養(yǎng)物質(zhì)，直接排放不僅影響畜牧業(yè)生產(chǎn)，且對周圍的土壤、水體等造成嚴(yán)重污染[1]。土壤作為重要的地下滲濾系統(tǒng)組成之一，豬糞水對其有一定的污染，同時土壤對豬糞水也有過濾凈化作用[2]。豬糞水進(jìn)入土壤后，土壤通過物理截留、化學(xué)沉淀、氧化還原等方式，對其起到過濾和凈化的作用[3]。影響土壤過濾性能的因素很多，如土壤性質(zhì)、污水性質(zhì)、土壤與污水的相互作用、土壤中微生物的作用等[4-7]。本試驗用豬糞水滲透人工土柱，通過分析土壤含水率、pH值、有機(jī)質(zhì)含量的變化情況，模擬豬場糞水滲漏、溢流和施肥等對土壤性質(zhì)的影響及其作用深度，同時利用分子生物學(xué)方法分析豬糞水浸泡后的土壤的微生物相對量的垂直分布情況，以期為豬糞水對水源的污染隱患和環(huán)境影響評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤：取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)農(nóng)場，經(jīng)測定該土壤屬輕粘土。試驗前對該土壤進(jìn)行高溫滅菌。滅菌前后土壤的理化性質(zhì)見表1。供試豬糞水：由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)農(nóng)場的豬糞加蒸餾水配制而成，其理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗裝置

將內(nèi)徑20 cm、管壁厚0.5 cm、長400 cm的PVC管豎直放置，上端預(yù)留100 cm用于添加糞水或蒸餾水，100 cm以下填充滅菌土壤。上端加非密封蓋，下端加帶孔底蓋。在土壤0～300 cm之間，每隔30 cm在管水平周線上打3個等間距采樣孔（圖1）。

表1 滅菌前后的土壤及所使用豬糞的理化性質(zhì)

圖1 試驗裝置示意圖 （cm）

1.3 試驗設(shè)計與方法

本試驗設(shè)置3個處理，3個重復(fù)，分別用于模擬土壤被豬糞水浸泡后的滲透情況和土壤用豬糞水作為有機(jī)肥料施田又經(jīng)雨水淋溶后的滲透情況，同時設(shè)置一個空白對照組，為避免人工土柱內(nèi)土層過松，試驗初用水壓法對土層進(jìn)行壓實處理。處理1組每天加豬糞水至1 m，處理2組第一天加豬糞水至1 m，之后每天加蒸餾水，空白對照組每天加蒸餾水至1 m。

1.4 樣本采集與測定

采樣分別于土柱壓實后（0天）和試驗一個月（30天）進(jìn)行，測定各處理各土層土壤含水率、pH值、有機(jī)質(zhì)含量。測定方法參照中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

處理1組最具豬糞水滲漏代表性，故本試驗僅對處理1組進(jìn)行分子生物學(xué)分析。對處理1組土壤樣本進(jìn)行總DNA抽提（土壤微生物基因組DNA快速提取試劑盒[8]）；再進(jìn)行DNA純化（DNA Clean&ConcentratorTM-5試劑盒[9]）；再按照表2所設(shè)計的引物進(jìn)行擴(kuò)增（采用25 μL體系，所用試劑為bufferⅡ2.5 μL；上游引物、下游引物、模板分別為0.5 μL、酶0.1 μL、DEPC水20.9 μL，裂解溫度為54℃，擴(kuò)增程序為95℃、5分鐘，95℃、30秒，54℃、30秒，72℃、40秒，72℃、8分鐘，循環(huán)30次）；對微生物16S rDNA V3區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增，將PCR產(chǎn)物熒光定量Ct值作對數(shù)轉(zhuǎn)化，得到微生物相對濃度值，作出隨土層深度增加微生物相對濃度含量變化的冪函數(shù)曲線圖。

表2 微生物16S rDNA V3區(qū)引物

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SAS 9.0和EXCEL軟件進(jìn)行分析。采用2-△△Ct解析方法計算微生物相對量[10]，并作相應(yīng)的變化曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤含水率垂直分布特征及比較分析

不同試驗條件下不同土層土壤含水率見表3。由表3可知，隨著土層的加深，土壤含水率呈先降后升的趨勢，但差異均不顯著（ ＞0.05）?？瞻讓φ战M和處理2組試驗前、后均在180 cm含水率達(dá)最低，分別為21.54%、22.52%和20.37%、21.33%；處理1組則在150 cm達(dá)最低，分別為21.64%、22.6%。3個處理組滲透30天后，各土層土壤含水率均增加，其中空白對照組含水率增量最大，其次是處理2組，處理1組含水率增量最小。

這是因為影響土壤滲透性的因素很多，土壤滲透性的強(qiáng)弱直接影響土壤的含水率。通常土壤滲透性越弱，土壤的含水率相對越高[11]。土壤的壓實程度也會影響土壤的滲透性，介玉新等[12]試驗表明試驗土的干密度與滲濾液的滲透率呈負(fù)相關(guān)，污水的黏度μ也會影響其滲透率，污水黏度越大滲透率越小[13]。Seki等[14]表明污水中的有機(jī)物含量和組成物質(zhì)也會影響其滲透性，有機(jī)物含量較高時，土壤孔隙易堵塞，滲透率降低。本試驗中由于土壤的重力作用，隨土層的加深，土柱內(nèi)的土壤干密度相對增大，土壤的滲透性降低，含水率增加。處理1組微生物和污水有機(jī)物含量高、黏度最大，但因容易在上層土壤顆粒上形成生物膜，經(jīng)過一定深度的過濾后，污水隨土壤深度增加黏度反而快速下降，導(dǎo)致下層土壤含水率降低，增量最小（其他類似研究的試驗土壤深度通常在1 m以內(nèi)，本試驗的土壤深度達(dá)到3 m，上層土壤的含水率變化與其他試驗一致，但深度加大后因為生物膜效應(yīng)，有機(jī)質(zhì)和微生物豐富的上層土壤反而起到了過濾凈化作用，下層水的黏度比其他組更低，所以150 cm處就出現(xiàn)了最低含水率）。

表3 不同試驗條件下不同土層土壤含水率 （%）

2.2 土壤pH值垂直分布特征及比較分析

不同試驗條件下不同土層土壤的pH值測定結(jié)果見表4。由表4可知，3個處理組試驗前、后pH值均小于7且趨于7?？瞻讓φ战M和處理2組試驗前后隨土層的增加，土壤pH值均呈遞減的趨勢，與試驗前相比，各土層pH值均降低了。處理1組試驗前后隨土層的增加，土壤pH值呈波浪式先遞減后又遞增的趨勢，在210 cm處均達(dá)最低值，分別為6.34、5.79。3個處理中，空白對照組pH值變化最小，其次是處理2組，處理1組pH值的減少量最大。

表4 不同試驗條件下不同土層土壤pH值

pH值是指溶液中H+濃度的負(fù)對數(shù)，H+濃度越大，pH值越小。隨土層的加深，有機(jī)物厭氧分解加劇，酸化效應(yīng)明顯增強(qiáng)，H+濃度相對增加，pH值降低。添加豬糞水的處理1組pH值降低的最多，可能是因為豬糞污水在分解礦化過程中會形成大量的有機(jī)酸（草酸等）和CO2，促使土壤酸化[15]。

2.3 土壤有機(jī)質(zhì)含量垂直分布特征及比較分析

不同試驗條件下不同土層土壤有機(jī)質(zhì)含量見表5。由表5可知，3個處理組在試驗前和試驗后隨土層深度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量均大致呈M型變化趨勢。與試驗前相比，各試驗組土壤有機(jī)質(zhì)在不同深度含量均顯著增加（＜0.01），而對照組差異不顯著（＞0.05）。

空白對照組試驗后各土層土壤有機(jī)質(zhì)含量增量最小且波動不大；處理1組試驗后各土層土壤有機(jī)質(zhì)含量增量最大；處理2組處于二者之間。這是因為糞水進(jìn)入土壤后，早期土壤微生物少，生物膜尚未增厚，在滲透過程中，糞水中可溶性有機(jī)物可快速到達(dá)下層土壤，不同深度均吸附一定量的有機(jī)質(zhì)，但因土壤過濾作用和后期生物膜過濾效應(yīng)，越向下遷移土壤有機(jī)質(zhì)含量越少。試驗中各處理組有機(jī)質(zhì)含量在180～210 cm處達(dá)到低峰值，在240～270 cm處存在高峰值，主要是因為240～270 cm深度處已接近試驗裝置的底部，因外部氣壓和表面張力作用，此處更容易形成有機(jī)物質(zhì)累積，這也表明豬糞中有機(jī)質(zhì)的滲透在30天即可達(dá)到3 m以上深度。

2.4 處理1組土壤微生物相對含量垂直分布情況與分析

處理1組土壤微生物相對含量見圖2。由圖2可知，隨土層的增加，微生物相對含量呈遞減的趨勢，其中，土層在60 cm時，土壤微生物相對含量較高，60 cm以下微生物相對含量已保持基本不變，說明已達(dá)到土壤本底值。這與李靈等[16]和Giller等研究結(jié)果一致，土壤越深，土壤中的細(xì)菌種類和數(shù)量都顯著降低。

這表明豬糞水中的微生物影響了土壤中微生物的分布，隨著土壤深度的加深，土壤微生物總量下降。這主要是因為豬糞水的浸泡使上層土壤有較豐富的有機(jī)質(zhì)，為土壤微生物的生長與繁殖創(chuàng)造了較為適宜的土壤環(huán)境，土壤微生物總數(shù)與土壤養(yǎng)分含量之間存在著一定的正相關(guān)關(guān)系，即養(yǎng)分含量高的土壤中微生物數(shù)量也高，這是土壤肥力、土壤環(huán)境狀況與土壤微生物協(xié)同發(fā)展的結(jié)果。高有機(jī)質(zhì)含量、高肥力水平的健康土壤可促進(jìn)微生物的大量生長。同時，大量的土壤微生物反過來會改善土壤的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)養(yǎng)分的積累、轉(zhuǎn)化和維持。

3 結(jié)論

⑴豬糞水在短期內(nèi)會降低水分在上層土壤中的滲透率，長期作用則會因生物膜效應(yīng)增加下層水的滲透率，導(dǎo)致土層越深土壤含水率越低。

表5 不同試驗條件下不同土層土壤有機(jī)質(zhì)含量 （g/kg）

圖2 處理1組不同深度土壤樣本微生物相對含量

⑵豬糞水中的有機(jī)質(zhì)可在輕粘土中滲透到3 m以下，與豬糞水中的微生物一起明顯改變土壤的pH值，過多地使用豬糞水或豬糞水持續(xù)滲漏會使土壤酸化，且即使是黏土場地，豬場糞水有機(jī)質(zhì)滲漏對于地下水位在3m以下的水源亦有較大的污染隱患。

⑶土壤能很好地起到過濾微生物的作用，即使在豬糞水滲透情況下，60 cm以下微生物含量明顯降低，表明當(dāng)土壤表面受到豬糞污水污染時，60 cm深的輕粘土土壤可以有效降低微生物的數(shù)量。若利用土壤作為生物過濾系統(tǒng)來凈化糞水，輕粘性土壤深度應(yīng)達(dá)到60 cm以上。但是豬場糞水滲漏對于地下水位高于60 cm深度的水源有較大的生物安全威脅。

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1673-4645(2016)11-0019-05

2016-08-25

國家生豬產(chǎn)業(yè)體系四川創(chuàng)新團(tuán)隊養(yǎng)豬環(huán)境控制與廢棄物資源化利用

夏運紅，碩士，研究方向：動物生產(chǎn)與環(huán)境控制；E-mail：xiayunhong221@163.com*

白林，博士，教授，研究方向：動物生產(chǎn)與環(huán)境控制；E-mail：blin16@126.com