粪污肥料化产物对土壤磷淋失的影响*

马金奉，朱昌雄，李红娜**，耿 兵，张 丽，李斌绪，李艳苓



粪污肥料化产物对土壤磷淋失的影响*

马金奉1，朱昌雄1，李红娜1**，耿 兵1，张 丽2，李斌绪1，李艳苓1

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.河北经贸大学，石家庄 050061)

以华北平原广泛分布的潮土为研究对象，采用室内模拟和室外淋溶试验，通过比较生物有机肥（BOF）、普通有机肥（OF）、沼液（BS）、猪场废水（WLF）、化学肥料（CF）和不施肥（NOP）6个施肥处理对土壤磷淋失量、土壤速效磷含量及小白菜产量的影响，以明确不同肥料施用后土壤磷的转化及淋失能力的差异。结果表明：（1）由于下层土壤对从上层淋溶下的磷的吸附作用，模拟淋溶及室外淋溶实验中各处理组之间磷淋失量差异性不一致，淋失量平均值最大的分别为CF及WLF组。（2）不同肥料处理组在不同土壤深度中速效磷（Olsen-P）含量存在差异，与NOP组相比，CF处理组在0−20cm、BOF处理组在0−60cm深度土壤的Olsen-P含量显著增加，其余处理组与NOP组在4个深度土壤中均无显著差异。（3）在室外淋溶实验中，CF组小白菜产量比施有机肥组高17.8%～82.0%，比NOP组高923.5%，施有机肥组的产量比NOP组高462.4%～768.7%；各组之间植株磷吸收量均存在显著差异，CF组磷吸收量比施有机肥组高22.0%～124.7%，比NOP组高1504.3%，施有机肥组磷吸收量比NOP组高614.0%～1214.9%。综合实验结果可知，从控制磷淋失量、促进植物生长及磷吸收的角度看，BOF和OF是最适合粪污处置的应用方式。

猪粪；资源化；淋溶；速效磷；生物有机肥

2010年第一次污染源普查公报显示，农业面源污染是中国地表水污染的主要来源，而畜禽养殖污染的化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）分别占农业污染源的96%、38%和56%[1]。将畜禽养殖产生的粪污进行肥料化应用既能消减粪污闲置污染环境[2]，又能为种植业提供良好的肥料，同时解决磷的可持续利用问题。粪污肥料化常用途径有经堆肥制成生物有机肥、有机肥，或者经厌氧发酵处理成沼渣沼液。研究表明，施用有机肥、生物有机肥可显著提高水果的产量及品质[3−5]，并能改善土壤质量[4,6−7]。但是施用有机肥、生物有机肥是否会成为二次污染源鲜有报道。施用沼液也可以提高作物产量及蔬菜、水果品质[8−9]，还可以防治作物病害及蔬菜土传病害[10−11]。然而施用沼液对土壤质量的影响研究报道不一致[12−13]。关于施用沼液对水质的影响多集中在硝态氮的污染风险上[14]，而对于沼液灌溉后磷素在土壤中的运移研究很少。养殖场污水总磷（TP）浓度一般为10～80mg·L−1[15]，直接排放会给生态环境造成极大压力，用于农田灌溉是一种简单有效的方式，但是存在通过地表径流和渗漏液污染受纳水体的风险[15−16]。

磷素虽然在土壤中易被吸附和固定，不易发生移动损失，但由于投入土壤中的粪肥和沼液中包含较多水溶态以及有机态和胶体态磷，这些形态的磷素在土壤中易发生移动[17−18]，在降雨量较大或大量灌溉的条件下，磷素淋失的风险更大。由粪污制成的有机肥等施入土壤中磷的迁移行为研究报道较少，鉴于磷是公认的引起水体富营养化的限制因素，本研究选择土柱淋溶模拟方法，以生物有机肥、普通有机肥、沼液、未加处理的猪场废水为粪污肥料化产物的代表，以化肥为对照，研究其施用于土壤后磷在竖直方向的迁移能力，并在此基础上进一步开展室外放大实验，考察施用以上不同粪污肥料化产物对小白菜生长的影响及对受纳水体的污染潜力，以期为粪污处理方式的优化推广提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 供试肥料化产物

粪污肥料化产物有4种，包括生物有机肥（BOF）、普通有机肥（OF）、沼液（BS）、未经处理的猪场废水（WLF），以施化肥（CF）和不施肥（NOP）为对照。BOF来自山西省某公司，为褐色球形肥料颗粒，是一种高效多功能生物肥料，利用畜禽粪便、作物秸秆和其它有机质高温发酵而成；OF为自制，由猪粪露天堆置自然发酵而成；BS为液态，采自北京市顺义区柴家林沼气站；WLF为液态，采自北京市顺义区小型养猪场；CF为一种复合肥，其N、P2O5、K2O含量均为15%。各种材料的基本性质见表1。按照常规蔬菜种植磷施用量，设定施磷量为40kg·hm−2，根据淋溶柱横截面积和肥料含磷量计算肥料施用量。

1.1.2 实验设置

淋溶实验设室内和室外两个部分，实验装置参考文献[19]。室内淋溶实验于2014年8月26日在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所环境修复研究室进行，实验用土为顺义基地大田土壤0−30cm混合样。室外淋溶实验于2016年9月28日在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所顺义基地（40.09°N，116.92°E，35m）3#大棚进行，实验用土为3#大棚0−100cm土壤混合样。两次实验用土均过2mm筛，各自混匀后装入土柱中。土壤性质如表2所示。室内及室外淋溶装置如图1所示，室内及室外淋溶实验各6个处理，每个处理3次重复，各18根淋溶柱。

表1 各处理肥料的基本性质

注：BOF为生物有机肥，OF为普通有机肥，BS为沼液，WLF为未经处理的猪场废水，CF为化肥。下同。

Note: BOF means biological organic fertilizer; OF means ordinary organic fertilizer; BS means biogas slurry; WLF means waste-water from livestock farm; CF means chemical fertilizer.The same as below.

表2 实验用土的基本性质

图1 室内模拟淋溶（a）和室外种植小白菜情况下淋溶（b）装置示意图

1.2 实验方法

1.2.1 模拟淋溶

采用高150cm、直径11cm的UPVC管作为淋溶柱，淋溶柱置于铁三脚架上，1L烧杯用于承接淋溶液，柱子底端为螺旋扣盖，淋溶液通过盖子上的孔流出。实验开始两周前，先向每个柱子中填入10.0kg混合均匀的土壤，向每个淋溶柱中加入2.0L去离子水使土壤沉实，含水量一致。两周后实验开始时，对于不施肥（NOP）对照、沼液（BS）和猪场废水（WLF）处理组，柱中再装入2.0kg混匀土壤，后两者再分别均匀洒施BS和WLF，施用量分别为11.23、554.24mL（相当于11.82、583.50m3·hm−2）；对于生物有机肥（BOF）、普通有机肥（OF）和施化肥（CF）处理组，均装入2.0kg土壤和肥料混合物，BOF、OF、CF处理肥料加入量分别为4.76、1.74、0.58g（相当于5011.32、1831.87、610.62kg·hm−2）。完成装填步骤后，填入3cm经盐酸和去离子水洗净的石英砂，以保证灌溉时水的均匀分布并减轻灌水对土壤的冲刷。模拟蔬菜一个生长季的需水量进行浇水，按照淋溶柱横截面积计算，总浇水量为5.68L，每5天浇水一次，共浇水8次，每次浇水710.0mL。对于沼液（BS）和猪场废水（WLF）处理组，前两次浇水时各加入施肥量的50%，以BS或WLF与水的总体积为计量。每次浇水后收集全部淋溶液，观测体积并测定全磷含量，计算磷淋失量和淋失率。

磷淋失量=淋溶液体积×淋溶液中全磷含量（1）

磷淋失率=磷淋失量/（土壤全磷量+施磷量）（2）

1.2.2 室外淋溶实验

采用高100cm、直径54cm的UPVC管作为淋溶柱，装入过筛土壤约100cm高，按照最大持水量灌入水使土壤沉实，放置8个月后进行淋溶实验，实验开始两周前加水至最大持水量，使各处理组土壤含水量一致。浇水两周后按等磷量施用原则将固态肥料分别均匀拌入约3cm的表层土壤中，BOF、OF和CF施入量分别为93.20、32.82、13.98g（相当于4071.68、1433.69、610.75kg·hm−2），将BS及WLF分别均匀洒施于土壤表面，二者施用量分别为0.50、8.78L（相当于21.96、383.50m3·hm−2）。为避免氮成为植株生长的限制因素，所有施磷处理均补加氮至210kg·hm−2。空白对照组不施氮磷。轻微压实后，开沟（沟深约3cm），撒入小白菜种子，浇水，两周后间苗，株距约10cm，小白菜种植密度为每柱10株。按照室内模拟淋溶情况及蔬菜需水情况浇水，总浇水量为67.50L，每7天浇水一次，共浇水6次，每次浇水11.25L。每次浇水后收集所有淋溶液用于后续分析；42d淋溶实验后从每个淋溶柱中选取5株小白菜测定植株长势（叶片数、叶长、叶宽）、整个淋溶柱小白菜的产量（地上部分）、含水量及全磷含量；小白菜收获后分层采集土壤样品，每20cm为一层，共采集4层。土样采集后风干，过2mm筛测定速效磷（Olsen-P）含量，比较各肥料化产物对土壤中Olsen-P的活化能力。

1.3 测定方法

采用常规方法测定土壤和肥料中的养分含量，采用钼酸铵分光光度法（GB11893-89）测定水样及BS、WLF中总磷，采用硫酸-过氧化氢消解-钼锑抗分光光度法测定植株总磷含量（NY/T 2017-2011）。

1.4 数据分析方法

采用SAS 8统计分析软件进行差异显著性分析（LSD，P<0.05），采用Origin8软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同粪污肥料化产物对土壤磷淋失的影响

2.1.1 室内模拟土柱淋溶

由图2可见，室内模拟淋溶过程共浇水8次，所有处理包括未施肥处理（NOP）每次收集的淋溶液中，总磷（TP）含量几乎都高于0.1mg·L−1（富营养化限值[20]），表明各处理土壤均有明显的磷淋失。比较不同处理间磷淋失数据发现，各处理组淋溶液中TP含量变化并无规律，其中第1、4、5、8次浇水后各处理组的淋溶液TP含量差异不显著，第2、3、6、7次浇水后各处理淋溶液TP含量虽然存在显著差异，但亦无明显的规律。总体上看，施化肥（CF）处理淋溶液中TP含量较高，4次浇水后为各处理中的最高值，且其每次测定结果都有一定差异。未施肥处理（NOP）土柱淋溶液中，TP含量也较高，第3次、第6次浇水后甚至为各处理中最大，说明土壤本底磷含量（9.24g）较高，土壤本身磷的淋失远远大于各肥料处理施入的磷量（0.038g），因此，利用淋溶液磷含量高低难以区分各处理的表现。

鉴于此，进一步将8次淋溶结果进行汇总，计算各处理淋溶液收集总量及相应的磷淋失量和淋失率，结果见表3。由表可见，OF（普通有机肥）处理组收集的淋溶液最少，TP淋失量和淋失率也最低，显著低于CF（化肥）处理，但与其它处理组间的差异不显著；相反，CF处理组收集的淋溶液最多，其TP淋失量和淋失率也均最高，但与其它处理组间的差异亦不显著。

2.1.2 室外种植小白菜模拟淋溶

小白菜生长期内共灌水6次，BOF、OF、BS、WLF、CF和NOP处理组分别收集淋溶液36.71± 9.27、36.34±9.45、39.02±0.42、41.51±4.53、38.03±0.42和44.15±0.22L，每次灌水后淋溶液总磷（TP）含量见图3。由图可见，相对于室内模拟淋溶液磷含量，种植条件下淋溶液中TP含量明显较低，均低于0.1mg·L−1（富营养化限值），最大仅为0.06mg·L−1。总体上看，前3次灌水后CF（化肥）处理组淋溶液中TP含量较高，后3次灌水后OF（普通有机肥）处理组淋溶液中TP含量相对较低。

图2 不同处理土柱历次淋溶后淋溶液中总磷含量的比较

注：NOP表示空白对照。小写字母表示处理间在0.05水平上的差异显著性。短线表示标准差。下同。

Note: NOP means treatment with control. Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level. The bar is standard deviation. The same as below.

表3 模拟淋溶实验不同处理组磷淋失情况比较（平均值±标准差）

图3 种植小白菜时淋溶液磷含量比较

比较不同肥料处理淋溶液中TP含量变化可知，BOF（生物有机肥）处理组在6次浇水过程中有3次淋溶液中TP含量最低，而未施肥的NOP处理组有3次TP含量平均值高于BOF处理组，亦有两次高于OF处理组，说明土壤本身磷的淋失远远大于各肥料处理施入的磷造成的淋失，因此，利用磷溶液磷含量高低难以区分各处理的表现，与室内模拟淋溶实验结果一致。比较各处理的磷总淋失量（图4）发现，WLF（猪场废水）处理组磷总淋失量显著高于BOF、OF、NOP处理组，分别高17.0%、11.5%、11.1%，而与CF、BS组之间无显著差异，BOF、OF、CF、BS、NOP之间则无显著差异。

图4 种植小白菜时磷淋失量差异性比较

2.2 不同粪污肥料化产物对小白菜磷吸收量的影响

由表4可见，生长42d后各处理小白菜的长势出现了一定的差异，导致其产量也出现显著差异，其中CF（化肥）处理产量最高，其次为WLF（猪场废水）处理，NOP（未施磷肥）处理组的产量最低。施化肥组（CF）的产量比施有机肥组高17.8%～82.0%，比NOP高923.5%，施有机肥组的产量比NOP组高462.4%～768.7%。在产量差异的基础上，各组测得的小白菜含磷量也表现出相应的差异性，造成各组之间磷吸收量差异性更显著。其中CF（化肥）处理中磷吸收量最高，其次为WLF（猪场废水）处理，之后依次为OF（普通有机肥）、BOF（生物有机肥）、BS（沼液）处理，NOP（未施肥）处理组的磷吸收量最低。施化肥组（CF）的磷吸收量比施有机肥组高22.0%～124.7%，比NOP组高1504.3%，施有机肥组的磷吸收量比NOP组高614.0%～1214.9%（表4）。对比图4的结果，发现植株对磷的吸收影响了磷淋溶量，WLF（猪场废水）处理组植株磷吸收量显著低于CF（化肥）组，而磷淋失量高于CF组；与BOF（生物有机肥）、OF（有机肥）组相比，WLF组磷淋失量较高，磷吸收量也较高，说明WLF组的磷既容易淋失也容易被植株吸收利用。

表4 室外淋溶实验中各处理小白菜播种后42d长势、产量及其磷吸收量比较（平均值±标准差）

2.3 不同粪污肥料化产物对土壤速效磷含量的影响

小白菜收获后，每20cm为一层采集土壤，共采集4层，样品带回实验室风干，过2mm筛，测定速效磷（Olsen-P）含量，结果如图5所示。由图可知，对于CF（化肥组）、BOF（生物有机肥组）、BS（沼液组）、OF组（有机肥），其Olsen-P含量在0−20cm深度土壤中均显著高于其在20−40cm、40−60cm、60−80cm深度土壤中，对于NOP（不施肥组）和WLF（猪场废水组），其Olsen-P含量在4个深度土壤中各自均无显著差异。在0−20cm深度土壤中，CF（化肥组）Olsen-P含量最高，比施有机肥组高21.2%～84.4%，比NOP（不施肥组）高111.8%，施有机肥组比NOP组高14.8%～74.7%。在20−60cm深度土壤中，BOF组Olsen-P含量显著高于其它组，且远低于中国北方石灰性菜地土壤磷渗漏明显增加的“Change-point”（55.6mg·kg−1）[21]，各处理组Olsen-P含量在60−80cm深度土壤差异不显著。

图5 不同处理0−80cm深度土壤Olsen-P含量

注：同行不同小写字母表示处理间在0.05水平上的差异显著性，按图例顺序从左向右。

Note: Lowercase within the same row indicates the difference significance among treatments at 0.05 level, from left to right according to the legends.

3 结论与讨论

（1）模拟淋溶实验和室外淋溶实验均表明，所设5种肥料处理之间磷淋失情况（淋溶液中磷含量）不存在显著的差异和规律性。这与文献[19,22]研究结果一致，即由于淋溶柱下层土壤对磷的吸附作用，在这些研究中所用土壤的性质及施磷量等条件与本研究一致。然而，文献[23−24]中实验却说明施用磷肥或有机肥，磷都会发生明显的淋失现象，分析出现这种明显差异的可能原因是淋溶柱的长短，金圣爱等试验所用土壤高度为30cm，张作新等试验所用土壤高度为20cm，淋溶柱高度都比较小，而本文所用淋溶柱的长度分别为150cm（室内）和100cm（室外）。另外，磷施用量也是影响磷淋失特性的一个重要因素，杜会英等[25]在猪粪施用量为30t·hm−2（猪粪中TP含量18.61g·kg−1）的磷施用水平下确定了猪粪中磷有明显的淋失特性，但其施磷量是本研究的14倍（本研究施磷量为40kg·hm−2）。鲁如坤等[26]的研究也表明，华北平原石灰性潮土磷易随大水灌溉淋失。在中国化肥减量的背景下，本研究采用低施磷量研究畜禽粪污肥料化产物的磷淋失特征，发现低施磷情况下磷淋失较少，不同处理之间差异不明显。

模拟淋溶实验和室外淋溶实验TP淋失量差异较大，且淋失量最大的处理组不同，分别为施化肥（CF）组和猪场废水（WLF）组。产生这种差异的原因有可能是：第一，室内淋溶和室外淋溶实验所用土壤存在差异，导致本底磷含量差异较大。室外淋溶实验土壤磷含量相对较低，对从上层淋溶下来的磷吸附能力更强，导致两个实验磷淋失量存在差异。第二，室外淋溶实验中小白菜生长过程要吸收磷素，对磷淋溶性质也有一定的影响。其中CF组磷淋失量平均值低于WLF组而高于其它组，这可能与CF中的磷最易被小白菜吸收有关。

（2）不同肥料化产物的施用对土壤Olsen-P含量的提升能力不同，原因在于肥料化产物本身磷形态及施用后磷在土壤中矿化能力的差异。与NOP组相比，BOF及OF的施用分别可以提高0−60cm、0−20cm深度土壤的Olsen-P含量，这与BOF及OF富含有机质有关。有机质在微生物作用下分解产生的腐殖酸可活化碱性土壤中的磷[7,27]，同时腐殖酸离子可以与磷酸离子竞争吸附位点，增加土壤溶液中的磷含量[28]，利于植物生长吸收，而本研究所用土壤pH也大于7。但在等磷施入的条件下，OF组施入的有机质总量低于BOF组的施入量，因而其对土壤磷的活化能力低于BOF，但二者小白菜产量无显著差异。BS的施入能提高0−20cm深度土壤的Olsen-P含量，尽管BS是一种速效营养能力强的肥料[29]，其提供的磷应该能为植物直接吸收又易被土壤固定，但是本研究中BS组小白菜产量较低，可能与BS中含有有害物质抑制小白菜生长有关，另需试验验证。CF的施入仅可以提高0−20cm深度土壤的Olsen-P含量，这是由于CF施用后无机磷通过钙离子（高pH土壤）的吸附和沉淀作用被快速转化成不可利用的形式[30-32]，也是化肥磷利用率低的原因。WLF的施入对土壤Olsen-P含量无影响，这主要是由于WLF中有机磷占优势，容易随淋溶液向下迁移，并累积在土壤中[33]。

兼顾磷淋失情况、土壤中速效磷含量提升情况及植株磷吸收情况，相比未经处理的猪场废水（WLF）、沼液（BS）和施化肥（CF）处理，生物有机肥（BOF）处理是最合适的粪污处理方式，普通有机肥（OF）处理次之。BOF和OF富含有机质，有在土壤微生物作用下持续为作物提供磷营养并限制磷淋失的潜力。

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Effects of Resource Products from Pig Manure on Phosphorus Leaching Ability

MA Jin-feng1, ZHU Chang-xiong1, LI Hong-na1, GENG Bing1, ZHANG Li2, LI Bin-xu1, LI Yan-ling1

（1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2. Hebei University of Economics and Business, Shijiazhuang 050061）

Simulate and outdoor leaching experiments were conducted with fluvo-aquic soil in order to clarify the differences on transformation of phosphorus and leaching progress with different resource products from pig manure. The amount of phosphorus leach-loss, Olsen-P content in soil and yields of Chinese cabbage were all determined in the experiments. The treatments included biological organic fertilizer (BOF), ordinary organic fertilizer (OF), biogas slurry (BS), waste-water from livestock farm (WLF), with chemical fertilizer (CF) and no P application (NOP) as control. The results showed that, (1) due to the reason that soil in lower layer can absorb P leached from soil in upper layer, TP leaching amount of simulate and outdoor leaching experiments showed different trends, and the maximum average amount was from treatment with CF and WLF, respectively. (2) There were significant differences on Olsen-P content in different soil depths with different treatments. Compared with NOP treatment, there was a significant increase of Olsen-P content in 0−20cm soil with CF treatment and in 0−60cm soil with BOF treatment. However, there was no significant difference between NOP and other treatments on Olsen-P content in all the four soil depths, respectively. (3) As for the outdoor leaching experiment, the yield of the Chinese cabbage with CF treatment was 17.8%−82.0% higher than the treatments with organic fertilizers, and 923.5% higher than NOP treatment. Moreover, the yields of the Chinese cabbage with organic treatments were 462.4%−768.7% higher than NOP treatment. There were significant differences on the P content in vegetable among different treatments. The content of P in vegetable of CF treatment was 22.0%−124.7% higher than treatments with organic fertilizers , and 1504.3% higher than NOP treatment, moreover, P in vegetable of treatments with organic fertilizers were 614.0%−1214.9% higher than NOP treatment. Above all, it was pointed out that, the most appropriate approach to deal with pig manure were BOF and OF, according to the comprehensive analysis of phosphorus-leaching control, vegetable growth acceleration and phosphorus up-taking ability.

Pig manure; Recycling; Leaching; Olsen-P ; Biological organic fertilizer

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.09.004

2018−01−21

。E-mail：lihongna828@163.com

国家水污染控制与治理科学与技术重大工程（2017ZX07401-002；2014ZX07101-012-001）；国家科技支撑计划“重金属超标农田安全利用技术研究与示范”项目（2015BAD05B01）

马金奉（1989−），女，博士生，研究方向为生态农业与清洁生产。E-mail：majinfeng00@126.com

马金奉,朱昌雄,李红娜,等.粪污肥料化产物对土壤磷淋失的影响[J].中国农业气象,2018,39(9):585−593