養(yǎng)豬污水灌溉對森林土壤理化性質的影響

李阿池

(漳州市速生豐產林基地管理中心，福建 漳州 363000)

養(yǎng)豬產生了大量的污水、有機質及氮、磷、鉀等元素，形成巨大的污染源[1-2]。但森林植被的生長又需要大量的水資源和各種無機肥、有機肥。污水土地處理技術正是一種以土壤作為介質的凈化污水方法，是利用土壤以及其中的微生物和植物對污水中的污染物進行一系列物理、化學作用，從而達到凈化污水的目的[3-4]。目前，該技術常用于農田灌溉[5-6]，多是處理生活污水[7-9]。已開展的林畜(豬)復合經營技術研究表明，養(yǎng)豬污水能明顯促進桉樹等樹種生長[10]，也能較好地凈化水質[11]，而養(yǎng)豬污水對森林土壤影響的研究未見報道。

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其理化性質是反映森林土壤肥力的重要指標，是影響林木生長發(fā)育的重要因素。本文對3個養(yǎng)豬場污水灌溉的林地開展研究，測定分析森林土壤理化性質的變化情況，并運用灰色系統(tǒng)理論對不同方式進行定量關聯(lián)分析，可為污水處理技術、林畜復合經營模式的發(fā)展及其優(yōu)良模式的構建提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于福建省長泰巖溪鎮(zhèn)湖珠村、頂山村、田頭村，地處長泰縣中部，屬南亞熱帶海洋性季風氣候，年均溫21.1 ℃，年均降水量1563 mm。林地土壤均為花崗巖發(fā)育的紅壤，土層厚度>100 cm，腐殖質層15～20 cm。3個養(yǎng)豬場均建于林中空地，養(yǎng)豬污水經過濾后采用均勻澆灌(湖珠嶺上養(yǎng)豬場，簡稱澆灌法)、“之”型開淺溝引流(頂山透龍養(yǎng)豬場，簡稱開溝法)、自然排放(田頭葉某養(yǎng)豬場，簡稱自排法)3種方式排放于養(yǎng)豬場下部林分中(表1)。以試驗林地一側海拔、林分狀況、林地狀況基本一致且未污灌的地塊為對照(CK)。試驗點采集土樣時未見污水流出林地，全部由林地吸收。

表1 試驗點概況

1.2 研究方法

在試驗林及對照(CK)的上、中、下部選點挖取土壤剖面，環(huán)刀法(容積為200 cm3)分層采集0～20、20～40、40～60、60～80 cm的土壤用于測定土壤水分物理性質(土壤容重、毛管持水量、貯水量、通氣度等)。同時在每個樣地多點分層采集土壤混合樣品1 kg用于測定土壤化學性質(pH、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀)。

土壤物理性質按《森林土壤水分——物理性質的測定》(LY/T 1215—1999)技術規(guī)定，土壤pH值采用電位法，有機質采用重鉻酸鉀法，全氮采用凱氏蒸餾法，全磷和有效磷采用鉬銻抗比色法，全鉀和速效鉀采用火焰光度計法，堿解氮采用堿解擴散法[12]。

1.3 數據處理與分析

原始數據使用Excel軟件進行處理與分析，理化性質以平均值表示。運用灰色系統(tǒng)理論的原理與方法[13-15]，對不同處理土壤理化性質進行灰色關聯(lián)分析及關聯(lián)排序。總體關聯(lián)度采用4個土層的平均值進行計算，進而比較污灌前后變化程度。

2 結果與分析

2.1 不同污灌方式對土壤物理性質的影響

澆灌法和開溝法各土層土壤容重均小于對照的相應土層的土壤容重(圖1)，而自排法呈相反變化。這說明采取澆灌法和開溝法人為控制污灌的方式，能降低土壤容重，使土壤變得疏松；不同深度土層間，土壤容重隨土層深度的增大呈現(xiàn)先增大后降低的規(guī)律。自排法受地形坡度的影響較大，污水在流動過程中可能會在某處集中下滲，引起土粒沉降，土壤變得緊實。

圖1 不同污灌方式下不同土層土壤容重圖2 不同污灌方式下不同土層土壤毛管持水量

不同方式污灌后，各土層毛管持水量和貯水量基本都大于對照(圖2～圖3)。澆灌法和自排法對0～20 cm土層的毛管持水量和貯水量的提高較為明顯，開溝法和自排法對不同土層毛管持水量和貯水量的提高幅度較大。

圖3 不同污灌方式下不同土層土壤貯水量圖4 不同污灌方式下不同土層土壤通氣度

不同方式污灌后，澆灌法和開溝法通氣度整體呈現(xiàn)提高的趨勢(圖4)，土壤通氣狀況得到改善，但澆灌法0～20 cm土層通氣度變差，這與污灌量有關，這一趨勢在自排法表現(xiàn)尤為明顯，自排法在污灌后，通氣度明顯降低。

2.2 土壤化學性質變化趨勢

2.2.1 養(yǎng)豬污水對土壤pH和有機質的影響 土壤酸堿性是一個較為重要的化學性質，對礦物質和有機質的分解、土壤微生物的活性起著重要作用，并影響土壤養(yǎng)分元素的釋放、固定和遷移[16]。土壤有機質含量的多少，是衡量土壤肥力高低的一個重要指標。污灌后，澆灌法、自排法土壤pH分別提高10.19%、18.56%，且表層增幅較大(圖5)，這是由于呈弱堿性的養(yǎng)豬污水與酸性土壤發(fā)生中和反應而提高土壤pH，而開溝法卻降低9.55%，且40～80 cm土層降幅較大，可能是該點污水中的大量有機質在降解過程中產生大量有機酸而降低了土壤pH。有機質除自排法明顯降低20.7%外，澆灌法和開溝法與對照基本持平(圖6)，可能是由于該點污水成分以及土壤pH的提高，增強了土壤微生物活性，分解有機質速度超過有機質補進速度所致。

2.2.2 養(yǎng)豬污水對土壤全氮、全磷、全鉀的影響 土壤氮磷鉀含量是反映土壤養(yǎng)分狀況的重要指標，是土壤中有效養(yǎng)分的重要來源[15]。由圖7～圖9可知，污灌后，3種污灌方式的全氮、全磷未發(fā)生明顯變化；開溝法、自排法全鉀分別提高55.58%、88.11%，而澆灌法卻明顯降低13.4%，可能是由于污灌量有限，易溶于水的鉀被植物大量吸收所致。

2.2.3 養(yǎng)豬污水對土壤速效氮、磷、鉀的影響 土壤堿解氮、有效磷和速效鉀能較好反映短期內土壤氮、磷、鉀的供應狀況。由圖10～圖12可知，污灌后，3種污灌方式的速效養(yǎng)分均發(fā)生明顯變化，澆灌法、開溝法、自排法的堿解氮分別提高58.9%、27.19%、34.7%；速效鉀分別提高150%、123%、425%；有效磷澆灌法和自排法分別提高15.29%和4366%，自排法提高最為明顯，這可能是污水大量滲透到土壤中引起的；而開溝法卻明顯降低了28.08%，這是由于其土壤pH降低加強了土壤對磷的固定。3種污灌方式以自排法的速效成分提高最為明顯，特別是有效磷，南方土壤嚴重缺乏有效磷，林地有效磷水平的提高有利于促進植物生長。

圖5 不同污灌方式下不同土層土壤pH圖6 不同污灌方式下不同土層土壤有機質含量圖7 不同污灌方式下不同土層土壤全氮含量圖8 不同污灌方式下不同土層土壤全磷含量圖9 不同污灌方式下不同土層土壤全鉀含量圖10 不同污灌方式下不同土層土壤堿解氮含量

2.3 理化性質關聯(lián)性分析

3種不同污灌方式使得土壤理化性質產生不同程度的變化，為定量評價養(yǎng)豬污水改善土壤物理性質、提高土壤養(yǎng)分含量的效果，運用灰色關聯(lián)分析法進行量化分析。對土壤容重取倒數進行正相關處理后，選取上述4項物理指標(土壤容重、毛管持水量、貯水量、通氣度)和8項化學指標(pH、有機質含量、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀)，共12項指標中各指標的最大值作為參考數列，以各處理不同土層的數值作為比較數列，進行無量綱化處理，結合灰色理論及有關公式，計算出不同污灌方式不同土層的關聯(lián)度(表2)。

由于自排法數值較大,將原數據縮小10倍制圖。圖11 不同污灌方式下不同土層土壤有效磷含量 圖12 不同污灌方式下不同土層土壤速效鉀含量

表2 不同土層土壤理化性質關聯(lián)度

關聯(lián)度越大，表示比較數列與參考數列的變化趨勢越接近，也即表明該處理改善土壤物理性質、提高土壤養(yǎng)分含量效果更好。由表2可以看出，總體上各試驗點土壤理化性質關聯(lián)度均大于CK。不同污灌方式改善土壤物理性質、提高土壤養(yǎng)分含量的程度不同，排序為：開溝法>澆灌法>自排法，開淺溝引流污水的方式在改善土壤物理性質的同時，提高土壤養(yǎng)分含量的效果最為明顯。自排法的方式雖然在一定程度上破壞了土壤物理性質，但因化學性質改善明顯，總體表現(xiàn)略有提高。

3 結論與討論

澆灌法和開溝法污灌的方式改善了森林土壤的水氣狀況，以“之”型開淺溝引流的效果更好，而自排法的方式不利于土壤物理性質改良。無論何種污灌方式，森林土壤的化學性質出現(xiàn)不同程度的改善，總體表現(xiàn)為：土壤酸性逐步得到改良，有機質分解加快，速效氮、磷、鉀明顯提高，全量氮、磷、鉀提高緩慢。與謝海生等[17]研究結果相似。

利用林地吸收養(yǎng)豬污水是一種新型的生態(tài)治污途徑，實際應用時受地形、污灌量、污水成分和濃度、污水懸浮物的影響。地形坡度影響污水的流速與向下滲透的速度；污灌量與土壤持水量有關，污灌量超過土壤最大持水量時，會引起土粒沉降，土壤緊實，甚至引起水土流失，影響地下水水質；由于養(yǎng)殖方法(飼料、沖洗豬圈用水量)不同，不同養(yǎng)豬場的污水成分與濃度存在一定差異，一定程度上也會影響污灌效果；隨著污水懸浮物濃度和直徑的提高，懸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、污灌頻率、污灌年限等具體應用技術還有待進一步研究。