模拟降雨条件下露天堆肥对土壤的影响

黄荣焱，查克泉，李 貌，李帅东，曹洪志

（宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644000）

合理施用畜禽粪便可有效提高土壤肥力，改良土壤的性状和成分。但畜禽粪便连续、过量地施用，超过其自身承受能力，会使土壤积蓄大量有毒有害物质从而抑制农作物的生长发育[1]。畜禽粪便中的有机质和重金属会渗透迁移至土壤中，土壤中所含有的微生物可以分解粪便中的一些有机物，进而发生化学反应，生成氨、硝酸盐、胺和亚硝酸盐等物质；同时畜禽粪便中重金属的增加，土壤中的重金属含量随之增加，从而导致土壤重金属污染。

1 材料与方法

1.1 试验材料

降雨装置：该装置由蓄水桶、水泵、水管、阀门和降雨器组成。降雨器由均匀布满小孔的PVC 管构成。堆肥工具：由100 cm（长）×100 cm（宽）×80 cm（高）的角钢构成基本框架。底部有4 根角钢支撑，底部后柱高于前柱，让上层形成一个5°坡面，再由规格的层板镶嵌而成的堆肥箱。堆肥从下至上50 cm 放置普通土壤，上部剩下30 cm 放置基料。其性质见表1。

表1 基料的理化性质

1.2 试验方法

在堆肥箱的底部放置已经混匀土壤，其体积为100 cm×100 cm×50 cm，在加入普通土壤的上层分别加入猪粪、牛粪和污泥，加入的体积为100 cm×100 cm×30 cm。在3 种不同基质的基础上，设置3 种不同降雨量，在每个基质处理中设有3 个重复。在试验开始前用降雨装置测定洒水面积，再根据降雨量确定降雨体积。降雨量和降雨喷洒面积见表2。正式试验周期为4 周，每周2、4、6进行降雨，同时记录当天的温度、天气情况、降雨量和降雨时长。待4 周降雨完成后，收集土壤样品，考察其各元素的含量及变化。

表2 降雨量和降雨喷洒面积

2 结果与分析

2.1 降雨情况下土壤不同深度中N 含量变化

由图1—图3 可知，在小雨状态下的猪粪、牛粪和污泥土壤中，10 cm 处的N 含量与20 cm、30 cm处相比均有显著（P＜0.05）提升，其中猪粪、牛粪和污泥分别达到1.31%、1.30%和1.52%。在中雨状态下牛粪（1.15%）和污泥（1.25%）地下10 cm 处的N 含量有提升，与20 cm、30 cm差异显著（P＜0.05）。在大雨状态下土壤不同深度中N 含量差异不显著（P＞0.05）。说明随着降雨强度的增大，土壤中N含量改变越小或没有改变。从整个图可以看出，N 含量的改变均在10 cm 处，并未对土壤深处的N 含量发生改变。

图1 在降雨情况下猪粪下土壤不同深度中N 含量变化

图2 在降雨情况下牛粪下土壤不同深度中N 含量变化

图3 在降雨情况下污泥不同深度中N 含量变化

2.2 降雨情况下土壤不同深度中P 含量变化

由图4—图6 可知，在小雨状态下牛粪（0.38%）的地下10 cm 土壤中P 含量明显提升，与20 cm、30 cm 差异显著（P＜0.05）。在中雨状态下牛粪（0.32%）地下10 cm中P 含量有提升，与20 cm、30 cm 差异显著（P＜0.05）。在大雨状态下土壤不同深度中P 含量差异不显著（P＞0.05）。相同雨量下，牛粪的土壤中P 含量高于猪粪和污泥的土壤中P 含量，说明牛粪中可溶性磷明显高于猪粪和污泥中的可溶性磷。从牛粪可以看出，随着降雨强度的增大，土壤中P 含量改变越小或没有改变；P 含量的改变均在10 cm 处，并未对土壤深处的P 含量发生改变。

图4 在降雨情况下猪粪下土壤不同深度中P 含量变化

图5 在降雨情况下牛粪下土壤不同深度中P 含量变化

图6 在降雨情况下污泥下土壤不同深度中P 含量变化

2.3 降雨情况下土壤不同深度中Cu、Zn 含量变化

从图7—图9 可知，地下10 cm 和20 cm 土壤中，猪粪和牛粪Cu 含量最高，可达14.53 mg/kg；污泥Zn 含量最高可达42.8 mg/kg。各基料之间Cu、Zn 含量与原始值看似有一定差异，但是经方差分析发现差异不显著（P＞0.05），说明本研究中降雨对土壤中重金属没有影响。

图7 在降雨情况下猪粪下土壤不同深度中Cu、Zn 含量变化

图8 在降雨情况下牛粪下土壤不同深度中Cu、Zn 含量变化

图9 在降雨情况下污泥下土壤不同深度中Cu、Zn 含量变化

3 讨论

降雨过程中堆肥基质的元素损失主要是通过2部分损失：一是通过融入表面径流水流入江河湖泊；二是通过渗透至地下土壤。本研究中小雨和中雨的N含量有变化，大雨没有发生明显改变。造成这一现象的原因可能是在表面径流水中，降雨量越大，损失在表面径流水的N 含量越多，渗透到土壤中的N 含量减少；所以在小雨渗透量最大，使得多种基料下土壤中N 含量增加，大雨下的土壤并没有任何影响。根据国家环境土壤质量标准，土壤中N 含量并未超过标准，还能够适当地增加土壤肥力，改善土壤结构。本试验中，畜禽粪污并没有对环境造成影响，可能是畜禽粪污量并没有超过土壤的承受能力，并且堆肥时间较短，不足以将大量N 转移至土壤中。

本试验中小雨和中雨的地下10 cm 土壤中基料之间P含量差异显著，地下20 cm 和30 cm 差异不显著；大雨的地下土壤中P 含量差异不显著。有研究[2-4]表明畜禽粪污长期堆放在土壤上，会导致土壤中的无机磷有不同程度的增加，其中最主要是因为Ca-P 发生了变化，无效态磷并不会有什么变化；土壤中有机磷组分也会发生一定变化，大量组分（活性、中活性及中稳性等）有机磷能得到提高，但是少量组分（高稳性）得不到提升。土壤中的磷具有一定的吸附能力，长期使用畜禽粪污会极大地提升土壤磷的吸附饱和程度，当达到一个饱和程度时，土壤磷吸附能力下降。

有研究[1，5-7]表明畜禽粪污中重金属含量与有机质、可溶性有机碳、pH、温度和微生物含量等有关；畜禽粪污中有机质的增加会导致其吸附重金属能力增强，但当土壤长期施用畜禽粪污时，土壤中有机质含量增加，能够更好地吸附重金属，导致土壤中重金属含量明显增加；重金属污染随土壤深度加深而减弱，与重金属的种类有关，不同种类重金属在土壤中的迁移能力不一；在3～5 年内猪粪、牛粪的下层土壤不会受到重金属（Cu、Zn、Pb、Cd）的污染。畜禽粪污含有大量的微生物，可能改变土壤微生物的含量，导致土壤吸附重金属能力变弱。这类研究结果推出，由于本试验的降雨时间太短和有机质含量一定，导致土壤中重金属没有任何变化。

4 结论

（1）在本研究中，基料中的重要元素可在雨水的渗透作用下流入土壤。其中仅有部分土壤中N、P 含量有少量增加，提升了土壤肥力。

（2）降雨前后土壤中Cu、Zn 含量并未发生大范围变化，达到国家土壤环境质量标准。

（3）降雨前后土壤中重金属含量并未发生改变的原因可能是因为堆肥及降雨时间较短。