養(yǎng)殖污水灌溉對(duì)不同土層磷素形態(tài)含量的影響

楊煥煥，杜 君*，劉紅恩，楊占平，和愛(ài)玲

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所/河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，規(guī)模化、集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛，其生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的糞便和有機(jī)污水［1-2］。養(yǎng)殖污水中含有大量的養(yǎng)分，特別是氮、磷養(yǎng)分較為豐富［3-7］。據(jù)統(tǒng)計(jì)［8］，養(yǎng)豬場(chǎng)鮮豬糞中含磷量為0.4%，而鮮豬尿中含磷量為0.12%，按照每頭豬每天產(chǎn)鮮豬糞3.0 kg、鮮豬尿3.5 L 計(jì)算，一個(gè)20000 頭的大型養(yǎng)豬場(chǎng)每天通過(guò)養(yǎng)殖廢棄物向環(huán)境中排放的磷可達(dá)324 kg?？茖W(xué)合理地利用養(yǎng)殖污水進(jìn)行農(nóng)田灌溉能顯著增加土壤養(yǎng)分含量，從而可以減少農(nóng)田化肥用量、節(jié)約肥料資源。但不合理的灌溉量及灌溉方式都會(huì)引起土壤磷素的累積，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，同時(shí)加速土壤磷素的垂直遷移［9］。

河南新鄭市薛店鎮(zhèn)分布著雛鷹農(nóng)牧等多家大規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)，每天產(chǎn)生大量的養(yǎng)殖廢水，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣將好氧發(fā)酵的養(yǎng)殖廢水直接進(jìn)行農(nóng)田灌溉利用。而該區(qū)域廣泛分布著風(fēng)沙土，土壤質(zhì)地砂性，有機(jī)質(zhì)含量較低，養(yǎng)分貧瘠，土壤對(duì)養(yǎng)殖污水中的磷素吸持性較差，磷素容易產(chǎn)生剖面垂直遷移。因此，該區(qū)域由于養(yǎng)殖污水灌溉導(dǎo)致土壤磷素遷移、地下水污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。本文采用田間實(shí)地采樣與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，采集養(yǎng)殖污水灌溉和清水灌溉農(nóng)田不同深度的土壤，探明養(yǎng)殖污水灌溉對(duì)農(nóng)田土壤磷素形態(tài)的分布與轉(zhuǎn)化的影響，為進(jìn)一步研究養(yǎng)殖污水合理灌溉、降低養(yǎng)殖污水中的磷素在土壤中垂直遷移風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于新鄭市薛店鎮(zhèn)菜園馬村，土壤類型為風(fēng)沙土，0～20 cm 土壤全磷含量為0.72 g/kg、有效磷含量為13.1 mg/kg、容重為1.24 g/cm3；20～40 cm 土壤全磷含量為0.74 g/kg、有效磷含量為12.7 mg/kg、容重為1.53 g/cm3；20～40 cm 土壤全磷含量為0.70 g/kg、有效磷含量為10.4 mg/kg、容重為1.42 g/cm3。常年采用小麥-玉米輪作種植模式，每季施用作物專用復(fù)合肥750 kg/hm2。雛鷹農(nóng)牧第一生豬出口基地位于該村，養(yǎng)殖規(guī)模1 萬(wàn)頭，每天產(chǎn)生約200 t的養(yǎng)殖廢水，當(dāng)?shù)鼐用裼兄苯訉⒑醚醢l(fā)酵的養(yǎng)殖污水進(jìn)行農(nóng)田灌溉的習(xí)慣。新鄭市薛店鎮(zhèn)菜園馬村緊鄰京港澳高速公路，地處豫西伏牛山系箕山余脈向豫東平原過(guò)渡地帶，屬于暖溫帶季風(fēng)氣候，年均日照時(shí)數(shù)2175.1 h，日照率49.0%。年平均氣溫14.3℃，年均無(wú)霜期218 d，結(jié)冰期52 d。年均降水量780 mm，氣候溫和，四季分明，光能充裕，熱量豐富，無(wú)霜期長(zhǎng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取常年進(jìn)行養(yǎng)殖污水灌溉的農(nóng)田和未進(jìn)行污水灌溉（常規(guī)清水灌溉）的典型農(nóng)田為2 個(gè)試驗(yàn)處理，通過(guò)農(nóng)戶調(diào)查的方式，選取研究區(qū)域各處理農(nóng)田代表面積50 hm2，調(diào)查樣本數(shù)10 個(gè)。采用S 形多點(diǎn)取樣法，利用土鉆采集0～20、20～40 和40～60 cm 土壤樣品，每個(gè)田塊（樣本區(qū)）多點(diǎn)取樣混合為一個(gè)樣品。樣品采集后，風(fēng)干，磨碎，過(guò)1 mm 篩，進(jìn)行土壤磷素形態(tài)分級(jí)，分析比較污水灌溉和清水灌溉條件下不同土層中各種磷素形態(tài)的分布差異。采樣時(shí)間為2018 年3 月。污水灌溉的農(nóng)田每次灌溉60 m3/hm2，每年灌4 次，已連續(xù)灌溉兩年，灌溉采用的養(yǎng)殖污水水質(zhì)為：pH 6.92、COD 2817 mg/L、總氮 670 mg/L、總磷 76.07 mg/L。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目和方法

針對(duì)土壤不同磷形態(tài)的定量分析，目前Bowman-Cole［10-11］的有機(jī)磷分級(jí)體系和Hedley 等［12］磷分級(jí)體系仍被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用，本研究采用了Hedley 等［12］和薜艷凌等［13］提出的連續(xù)浸提法土壤磷素形態(tài)分級(jí)體系，并稍做了修正。磷素分級(jí)提取的步驟：（1）水溶態(tài)-Pi，蒸餾水提取后用鉬藍(lán)比色法測(cè)定；（2）NaHCO3-Pi 用0.5 mol/L NaHCO3提取后直接用鉬藍(lán)比色法測(cè)定，NaHCO3-Po 用0.5 mol/L NaHCO3提取后再用硫酸高溫消煮后用鉬藍(lán)比色法測(cè)定，然后減去NaHCO3-Pi；（3）NaOH-Pi 用0.1 mol/L NaOH 提取，直接用鉬藍(lán)比色法測(cè)定，NaOH-Po 用NaOH 提取后再用硫酸高溫消煮后用鉬藍(lán)比色法測(cè)定，然后減去NaOH-Pi；（4）HCl-Pi，用1.0 mol/L HCl 提取鉬藍(lán)比色法測(cè)定；（5）殘?jiān)鼞B(tài)-P，用濃硫酸、雙氧水消煮提取剩余的殘?jiān)鼞B(tài)磷，鉬藍(lán)比色法測(cè)定。

其中，Pi 為無(wú)機(jī)磷，Po 為有機(jī)磷。與原分級(jí)方法不同之處是NaOH-Po的測(cè)定采用的是氫氧化鈉提取后硫酸消煮測(cè)定與氫氧化鈉提取后直接測(cè)定的差值。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2013 和DPS 軟件進(jìn)行分析處理，各處理平均值的多重比較采用新復(fù)極差法（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)殖污水灌溉對(duì)不同土層水溶態(tài)磷含量的影響

由表1 可知，不論是污水灌溉還是清水灌溉，隨著土層深度的增加水溶態(tài)-Pi 均顯著降低。與清水灌溉處理相比，污水灌溉處理各土層之間水溶態(tài)-Pi 差異更加顯著，0～20 cm 土層水溶態(tài)-Pi含量大約是20～40 cm 土層的4 倍，是40～60 cm 土層的12 倍，均達(dá)到極顯著差異。而清水灌溉處理0～20 與20～40 cm 土層之間水溶性-Pi 含量無(wú)顯著差異，0～20 與40～60 cm 土層之間水溶性-Pi 含量則差異顯著。

表1 不同灌溉條件下不同土層水溶態(tài)-Pi的分布特征

與清水灌溉相比，污水灌溉能夠顯著增加各土層水溶態(tài)-Pi的含量，尤其是0～20 cm 表層土壤表現(xiàn)更加明顯，水溶態(tài)-Pi 占該土層總磷比例由1.46%增加到7.99%，提高了6.53 個(gè)百分點(diǎn)。污水灌溉處理0～20、20～40 和40～60 cm 土層中水溶態(tài)-Pi 含量分別是清水灌溉處理同土層的6.5、2.12 和2.66 倍。這說(shuō)明污水灌溉主要提高了土壤表層水溶性-Pi的含量，磷素向下遷移不明顯。

2.2 養(yǎng)殖污水灌溉對(duì)不同土層中NaHCO3-Pi 含量的影響

表2 結(jié)果顯示，不論是污水灌溉還是清水灌溉，隨著土層深度的增加NaHCO3-Pi 含量均顯著減少。污水灌溉與清水灌溉各處理土層之間NaHCO3-Pi 含量差異均達(dá)到顯著水平。污水灌溉能顯著增加NaHCO3-Pi 含量，污水灌溉處理0～20、20～40 和40～60 cm 土層中NaHCO3-Pi 含量分別是同土層中清水灌溉處理的2.8、2.1 和2.0 倍。0～20 cm 表層NaHCO3-Pi 含量占該土層總磷的比例由6.08%增加到14.58%，提高了8.5 個(gè)百分點(diǎn)。

表2 不同灌溉條件下不同土層NaHCO3-Pi的分布差異

結(jié)合表1 和表2，與清水灌溉處理相比，污水灌溉后各土層水溶態(tài)-Pi 和NaHCO3-Pi的含量均顯著增加，0～20 cm 土層中兩者之和占該土層總磷比例達(dá)到了22.57%，而清水灌溉處理該土層兩者之和占總磷的比例只有7.54%，提高了15.03 個(gè)百分點(diǎn)，表明污水灌溉后提高了表層土壤中活性磷的比例。

2.3 養(yǎng)殖污水灌溉對(duì)不同土層中NaOH-Pi 含量的影響

由表3 可知，不論污水灌溉還是清水灌溉，NaOH-Pi 含量均隨著土層深度的增加顯著減少。兩處理各個(gè)土層之間差異均達(dá)到極顯著水平。污水灌溉能顯著增加0～20、20～40 cm 中NaOHPi 含 量，污水灌溉處理0～20 和20～40 cm 土層中NaOH-Pi的含量分別達(dá)清水灌溉處理的1.97、1.53 倍，均達(dá)到顯著差異水平，但對(duì)40～60 cm土層幾乎沒(méi)有影響?？偟膩?lái)說(shuō)，污水灌溉后各土層（0～20、20～40、40～60 cm）的NaOH-Pi 含量沒(méi)有水溶態(tài)-Pi 和NaHCO3-Pi的增加幅度大，這表明污水灌溉后對(duì)磷素形態(tài)中活性磷（水溶態(tài)-Pi 和NaHCO3-Pi 之和）的影響最大。

表3 不同灌溉條件下不同土層NaOH-Pi的分布差異

2.4 養(yǎng)殖污水灌溉對(duì)不同土層中HCl-Pi 含量的影響

表4 結(jié)果顯示，不論污水灌溉處理還是清水灌溉處理，隨土層深度的增加HCl-Pi 均隨之減少，但減少不明顯。污水灌溉處理0～20 cm與20～40 和40～60 cm 土層均差異顯著，但20～40 和40～60 cm 之間差異不顯著，而清水灌溉處理各土層HCl-Pi 含量變化與污水灌溉處理相同。污水灌溉后0～20、20～40、40～60 cm中HCl-Pi 含量都有所增加，但是污水灌溉處理與清水灌溉處理相比0～20、20～40、40～60 cm HCl-Pi 占該層總磷的比例都有所下降，這說(shuō)明污水灌溉能降低HCl-Pi 在總磷中的比例。

表4 不同灌溉條件下不同土層HCl-Pi的分布差異

2.5 養(yǎng)殖污水灌溉對(duì)不同土層中有機(jī)磷含量的影響

土 壤NaHCO3-Po 和NaOH-Po 之 和，構(gòu)成土壤中的有機(jī)磷。表5 結(jié)果顯示，總體上，這部分磷占總磷的比例不高。無(wú)論污水灌溉處理還是清水灌溉處理，隨著土層深度的增加有機(jī)磷的含量隨之減少。與清水灌溉處理相比，污水灌溉處理0～20 和20～40 cm 有機(jī)磷含量均降低，降低幅度分別達(dá)48.29%和9.75%，而40～60 cm 土層的有機(jī)磷含量則表現(xiàn)為升高，升高幅度達(dá)40.0%，但其3 個(gè)土層有機(jī)磷總和仍表現(xiàn)為降低，降低幅度達(dá)23.0%，有機(jī)磷有向下遷移的趨勢(shì)。清水灌溉處理各土層之間有機(jī)磷含量均差異顯著，而污水灌溉處理各層之間有機(jī)磷含量則無(wú)顯著差異，即污水灌溉后有機(jī)磷分布趨于平均化。

表5 不同灌溉條件下不同土層NaHCO3-Po 和NaOH-Po的分布差異

2.6 養(yǎng)殖污水灌溉對(duì)不同土層中殘?jiān)鼞B(tài)-P 含量的影響

殘?jiān)鼞B(tài)-P 不能被植物吸收利用，占土壤中全磷的大部分，各土層中殘?jiān)鼞B(tài)-P 均為總磷的30%左右。由表6 可看出，無(wú)論是污水灌溉還是清水灌溉，隨著土層深度的增加，殘?jiān)鼞B(tài)-P 含量都隨之減少。與清水灌溉處理同土層相比，污水灌溉各土層殘?jiān)鼞B(tài)-P 都有增加，但其占總磷的比例中，40～60 cm 土層呈現(xiàn)為提高，而0～20 和20～40 cm 土層殘?jiān)鼞B(tài)-P 占總磷比例均呈現(xiàn)為降低，分別降低了5.83 和1.32 個(gè)百分點(diǎn)。結(jié)果表明，污水灌溉后降低了磷的固定比例，一定程度上也提高了磷的生物有效性。

表6 不同灌溉條件下不同土層殘?jiān)鼞B(tài)-P的分布特征

2.7 養(yǎng)殖污水灌溉后土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化趨勢(shì)分析

由表7 可知，與清水灌溉處理相比，污水灌溉后活性磷、NaOH-Pi 在總磷中的比例都增加了，其中活性磷的比例增加最明顯。0～20 cm 土層活性磷占比由7.54%提高到22.57%，提高了15.03 個(gè)百分點(diǎn)，20～40 cm 土層活性磷占比由6.00%提高到11.22%，提高了5.22 個(gè)百分點(diǎn)，40～60 cm土層活性磷占比由1.71%提高到3.30%，提高了1.59 個(gè)百分點(diǎn)，隨著土層深度的增加活性磷的增幅逐漸降低。NaOH-Pi 占總磷的比例中，0～20 cm土層由3.07%提高到5.11%，提高了2.04 個(gè)百分點(diǎn)，20～40 cm 土層由2.90%提高到3.89%，提高了0.99 個(gè)百分點(diǎn)，而40～60 cm 土層則變化不大?？傮w上，活性磷、NaOH-Pi 占總磷比例0～20 cm土層中增加幅度最大。

表7 不同灌溉條件下不同土層各形態(tài)磷占總磷的比例分析

與清水灌溉處理相比，污水灌溉處理0～20、20～40 和40～60 cm 土層HCl-Pi 占總磷比例 均降低，分別降低了5.53、3.18 和4.14 個(gè)百分點(diǎn)。有機(jī)磷、殘?jiān)鼞B(tài)-P 占總磷比例在0～20、20～40 cm 土層降低，而40～60 cm 土層中增加，但增加幅度較小?？傮w上，活性磷占總磷比例明顯提高，NaOH-Pi 占總磷比例也有所提高，而HCl-Pi、有機(jī)磷、殘?jiān)鼞B(tài)-P 占總磷比例則均降低。這也說(shuō)明，污水灌溉后土壤有效形態(tài)磷含量增加。其中，活性磷是植物可以直接吸收利用的形式，因此利用養(yǎng)殖污水灌溉對(duì)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義。

3 討論

3.1 養(yǎng)殖污水灌溉對(duì)不同土層水溶態(tài)-Pi 和NaHCO3-Pi 含量的影響

土壤中可直接供植物吸收利用的磷素形態(tài)是水溶性磷，其中水溶態(tài)-Pi 構(gòu)成了活性磷的大部分。本研究中，污水灌溉能顯著提高各土層水溶態(tài)-Pi含量，尤其是表層土壤增幅最大，表明污水灌溉主要提高了表層土壤水溶態(tài)-Pi 含量，其原因是豬糞中水溶性磷含量高，據(jù)研究測(cè)定［14］，豬糞中水溶態(tài)-Pi 占總無(wú)機(jī)磷的24.04%。豬糞中的高水溶態(tài)-Pi 是導(dǎo)致豬場(chǎng)污水高磷的主要原因，灌溉后會(huì)顯著增加土壤水溶態(tài)-Pi。本研究結(jié)果也與謝林花等［15］、慕韓鋒等［16］、熊俊芬等［17］得出的長(zhǎng)期施磷肥能明顯增加土壤速效磷（即活性磷）的結(jié)論相一致。NaHCO3提取態(tài)磷包括無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷，無(wú)機(jī)態(tài)部分主要吸附在土壤表面，有機(jī)態(tài)部分主要是可溶性有機(jī)磷，它易于礦化［18］。水溶態(tài)-Pi 和NaHCO3-Pi 是植物可利用的有效磷的主要形式，兩者之和稱為活性磷。本研究中，與清水灌溉相比，污水灌溉后各土層水溶態(tài)-Pi 和NaHCO3-Pi 含量均顯著增加，表層中兩者之和占該土層總磷比例達(dá)到22.57%，提高了15.03 個(gè)百分點(diǎn)。這說(shuō)明污水灌溉能提高表層土壤中活性磷的比例，這對(duì)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義。

3.2 養(yǎng)殖污水灌溉對(duì)不同土層NaOH-Pi 和HCl-Pi含量的影響

NaOH-Pi 是與鐵、鋁結(jié)合的無(wú)機(jī)磷化合物，在石灰性土壤中鐵、鋁結(jié)合的磷含量并不多。本研究也表明，污水灌溉處理和清水灌溉處理20～40 和40～60 cm 土層中NaOH-Pi 含量占該土層總磷的比例均不足5%，其原因主要是與北方土壤礦物成分及氣候特點(diǎn)有關(guān)。新鄭市屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，在弱淋溶作用下，碳酸鈣向下淀積，磷大部分都被鈣固定，土壤中NaOH-Pi 含量較少。HCl-Pi是與鈣結(jié)合的無(wú)機(jī)磷化合物，石灰性土壤中鈣含量較豐富，HCl-Pi 含量也較高。在石灰性土壤中這部分磷含量最高［19］，無(wú)論是污水灌溉還是清水灌溉各土層中HCl-Pi 含量都占該土層中總磷40%以上，這也與穆曉慧等［20］研究黃土高原石灰性土壤不同形態(tài)磷組分分布特征得出的結(jié)論一致。

3.3 養(yǎng)殖污水灌溉對(duì)不同土層中有機(jī)磷含量的影響

土壤總有機(jī)磷是NaHCO3-Po 和NaOH-Po 之和，在土壤有機(jī)磷對(duì)植物的有效性上，一般都認(rèn)為土壤有機(jī)磷較為穩(wěn)定，作物難于吸收利用，而研究表明［21］，土壤有機(jī)磷在植物磷素營(yíng)養(yǎng)中發(fā)揮著重要作用，被土壤無(wú)機(jī)礦物固定程度低，可直接被植物以有機(jī)態(tài)吸收利用，還可以通過(guò)有機(jī)磷的礦化變?yōu)闊o(wú)機(jī)磷被作物吸收。Bowman 等［22］研究也發(fā)現(xiàn)，用NaHCO3提取的有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷之和與植物吸磷量呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性。本研究中，污水灌溉后有機(jī)磷略微減少，而有研究表明多年施用有機(jī)肥可明顯增加土壤有機(jī)磷含量［23］，其原因就是污水灌溉后土壤微生物活動(dòng)旺盛，加速了有機(jī)磷的礦化釋放。

養(yǎng)殖污水灌溉不合理不但會(huì)造成養(yǎng)分流失，還會(huì)污染水體［24-25］，為減少農(nóng)田土壤中畜禽糞肥返田造成的氮、磷流失，畜禽場(chǎng)飼養(yǎng)規(guī)模必須與周圍農(nóng)田消納糞便的能力相適應(yīng)。本研究沒(méi)有考慮污水灌溉的定量化問(wèn)題，科學(xué)合理利用養(yǎng)殖污水農(nóng)田灌溉，降低養(yǎng)殖污水中的磷素在土壤中的垂直遷移風(fēng)險(xiǎn)，需要根據(jù)作物不同生育期來(lái)考慮不同灌溉量等而做進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

土壤中水溶態(tài)-Pi 和NaHCO3-Pi 是有效磷的主要形式，兩者之和為活性磷。與清水灌溉處理相比，污水灌溉能夠顯著增加各土層水溶態(tài)-Pi 和NaHCO3-Pi 含量，尤其是0～20 cm 土層土壤表現(xiàn)更加明顯，該土層中兩者之和占同土層總磷比例提高了15.03 個(gè)百分點(diǎn)，結(jié)果表明污水灌溉能提高表層土壤活性磷的比例。污水灌溉還能顯著增加0～20 和20～40 cm 土層NaOH-Pi的含量，但對(duì)40～60 cm 土層的NaOH-Pi 影響較小。

同時(shí)，與清水灌溉處理相比，各土層HCl-Pi、有機(jī)磷和殘?jiān)鼞B(tài)-P 占總磷比例均降低，結(jié)果均表明污水灌溉后土壤有效形態(tài)磷含量增加，這對(duì)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義，特別是在越冬期小麥根系吸收效率低，土壤中有足夠的有效態(tài)磷是小麥正常生長(zhǎng)發(fā)育的保障。