養(yǎng)殖污水灌溉對不同土層磷素形態(tài)含量的影響

楊煥煥，杜 君*，劉紅恩，楊占平，和愛玲

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所/河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境重點實驗室，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450002）

隨著我國經(jīng)濟的持續(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)過程中產(chǎn)生大量的糞便和有機污水［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［8］，養(yǎng)豬場鮮豬糞中含磷量為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 計算，一個20000 頭的大型養(yǎng)豬場每天通過養(yǎng)殖廢棄物向環(huán)境中排放的磷可達324 kg。科學合理地利用養(yǎng)殖污水進行農(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引起土壤磷素的累積，造成水體富營養(yǎng)化，同時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，每天產(chǎn)生大量的養(yǎng)殖廢水，當?shù)剞r(nóng)民習慣將好氧發(fā)酵的養(yǎng)殖廢水直接進行農(nóng)田灌溉利用。而該區(qū)域廣泛分布著風沙土，土壤質(zhì)地砂性，有機質(zhì)含量較低，養(yǎng)分貧瘠，土壤對養(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)殖污水灌溉導致土壤磷素遷移、地下水污染的環(huán)境風險不容忽視。本文采用田間實地采樣與室內(nèi)分析相結合的方法，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)殖污水灌溉對農(nóng)田土壤磷素形態(tài)的分布與轉化的影響，為進一步研究養(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險提供科學依據(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 萬頭，每天產(chǎn)生約200 t的養(yǎng)殖廢水，當?shù)鼐用裼兄苯訉⒑醚醢l(fā)酵的養(yǎng)殖污水進行農(nóng)田灌溉的習慣。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渡地帶，屬于暖溫帶季風氣候，年均日照時數(shù)2175.1 h，日照率49.0%。年平均氣溫14.3℃，年均無霜期218 d，結冰期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，無霜期長。

1.2 試驗設計

選取常年進行養(yǎng)殖污水灌溉的農(nóng)田和未進行污水灌溉（常規(guī)清水灌溉）的典型農(nóng)田為2 個試驗處理，通過農(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。采用S 形多點取樣法，利用土鉆采集0～20、20～40 和40～60 cm 土壤樣品，每個田塊（樣本區(qū)）多點取樣混合為一個樣品。樣品采集后，風干，磨碎，過1 mm 篩，進行土壤磷素形態(tài)分級，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 測試項目和方法

針對土壤不同磷形態(tài)的定量分析，目前Bowman-Cole［10-11］的有機磷分級體系和Hedley 等［12］磷分級體系仍被國內(nèi)外學者廣泛應用，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)分級體系，并稍做了修正。磷素分級提取的步驟：（1）水溶態(tài)-Pi，蒸餾水提取后用鉬藍比色法測定；（2）NaHCO3-Pi 用0.5 mol/L NaHCO3提取后直接用鉬藍比色法測定，NaHCO3-Po 用0.5 mol/L NaHCO3提取后再用硫酸高溫消煮后用鉬藍比色法測定，然后減去NaHCO3-Pi；（3）NaOH-Pi 用0.1 mol/L NaOH 提取，直接用鉬藍比色法測定，NaOH-Po 用NaOH 提取后再用硫酸高溫消煮后用鉬藍比色法測定，然后減去NaOH-Pi；（4）HCl-Pi，用1.0 mol/L HCl 提取鉬藍比色法測定；（5）殘渣態(tài)-P，用濃硫酸、雙氧水消煮提取剩余的殘渣態(tài)磷，鉬藍比色法測定。

其中，Pi 為無機磷，Po 為有機磷。與原分級方法不同之處是NaOH-Po的測定采用的是氫氧化鈉提取后硫酸消煮測定與氫氧化鈉提取后直接測定的差值。

1.4 統(tǒng)計分析

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

2 結果與分析

2.1 養(yǎng)殖污水灌溉對不同土層水溶態(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 個百分點。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)殖污水灌溉對不同土層中NaHCO3-Pi 含量的影響

表2 結果顯示，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 個百分點。

表2 不同灌溉條件下不同土層NaHCO3-Pi的分布差異

結合表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 個百分點，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。兩處理各個土層之間差異均達到極顯著水平。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的含量分別達清水灌溉處理的1.97、1.53 倍，均達到顯著差異水平，但對40～60 cm土層幾乎沒有影響。總的來說，污水灌溉后各土層（0～20、20～40、40～60 cm）的NaOH-Pi 含量沒有水溶態(tài)-Pi 和NaHCO3-Pi的增加幅度大，這表明污水灌溉后對磷素形態(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)殖污水灌溉對不同土層中HCl-Pi 含量的影響

表4 結果顯示，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)殖污水灌溉對不同土層中有機磷含量的影響

土 壤NaHCO3-Po 和NaOH-Po 之 和，構成土壤中的有機磷。表5 結果顯示，總體上，這部分磷占總磷的比例不高。無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 有機磷含量均降低，降低幅度分別達48.29%和9.75%，而40～60 cm 土層的有機磷含量則表現(xiàn)為升高，升高幅度達40.0%，但其3 個土層有機磷總和仍表現(xiàn)為降低，降低幅度達23.0%，有機磷有向下遷移的趨勢。清水灌溉處理各土層之間有機磷含量均差異顯著，而污水灌溉處理各層之間有機磷含量則無顯著差異，即污水灌溉后有機磷分布趨于平均化。

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)殖污水灌溉對不同土層中殘渣態(tài)-P 含量的影響

殘渣態(tài)-P 不能被植物吸收利用，占土壤中全磷的大部分，各土層中殘渣態(tài)-P 均為總磷的30%左右。由表6 可看出，無論是污水灌溉還是清水灌溉，隨著土層深度的增加，殘渣態(tài)-P 含量都隨之減少。與清水灌溉處理同土層相比，污水灌溉各土層殘渣態(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 土層殘渣態(tài)-P 占總磷比例均呈現(xiàn)為降低，分別降低了5.83 和1.32 個百分點。結果表明，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渣態(tài)-P的分布特征

2.7 養(yǎng)殖污水灌溉后土壤磷素形態(tài)轉化趨勢分析

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 個百分點，20～40 cm 土層活性磷占比由6.00%提高到11.22%，提高了5.22 個百分點，40～60 cm土層活性磷占比由1.71%提高到3.30%，提高了1.59 個百分點，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 個百分點，20～40 cm 土層由2.90%提高到3.89%，提高了0.99 個百分點，而40～60 cm 土層則變化不大。總體上，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 個百分點。有機磷、殘渣態(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。總體上，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、有機磷、殘渣態(tài)-P 占總磷比例則均降低。這也說明，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)殖污水灌溉對小麥的生長發(fā)育具有重要意義。

3 討論

3.1 養(yǎng)殖污水灌溉對不同土層水溶態(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)研究測定［14］，豬糞中水溶態(tài)-Pi 占總無機磷的24.04%。豬糞中的高水溶態(tài)-Pi 是導致豬場污水高磷的主要原因，灌溉后會顯著增加土壤水溶態(tài)-Pi。本研究結果也與謝林花等［15］、慕韓鋒等［16］、熊俊芬等［17］得出的長期施磷肥能明顯增加土壤速效磷（即活性磷）的結論相一致。NaHCO3提取態(tài)磷包括無機磷和有機磷，無機態(tài)部分主要吸附在土壤表面，有機態(tài)部分主要是可溶性有機磷，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到22.57%，提高了15.03 個百分點。這說明污水灌溉能提高表層土壤中活性磷的比例，這對小麥的生長發(fā)育具有重要意義。

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

NaOH-Pi 是與鐵、鋁結合的無機磷化合物，在石灰性土壤中鐵、鋁結合的磷含量并不多。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有關。新鄭市屬暖溫帶大陸性季風氣候，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是與鈣結合的無機磷化合物，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論一致。

3.3 養(yǎng)殖污水灌溉對不同土層中有機磷含量的影響

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

養(yǎng)殖污水灌溉不合理不但會造成養(yǎng)分流失，還會污染水體［24-25］，為減少農(nóng)田土壤中畜禽糞肥返田造成的氮、磷流失，畜禽場飼養(yǎng)規(guī)模必須與周圍農(nóng)田消納糞便的能力相適應。本研究沒有考慮污水灌溉的定量化問題，科學合理利用養(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險，需要根據(jù)作物不同生育期來考慮不同灌溉量等而做進一步探究。

4 結論

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 個百分點，結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40～60 cm 土層的NaOH-Pi 影響較小。

同時，與清水灌溉處理相比，各土層HCl-Pi、有機磷和殘渣態(tài)-P 占總磷比例均降低，結果均表明污水灌溉后土壤有效形態(tài)磷含量增加，這對小麥的生長發(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)磷是小麥正常生長發(fā)育的保障。