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猪粪水渗透对土壤性质产生影响的模拟研究
猪粪水渗透对土壤性质产生影响的模拟研究
夏运红1白林1*程帅1李学伟1李明洲1朱砺1张斌1何佳果2周鹏1
（1四川农业大学，四川成都；2四川省汉源县畜牧局，四川雅安）
摘要：为揭示猪粪水渗漏、溢流和施用对土壤性质及微生物垂直分布的影响，为猪粪水对水源的污染隐患和环境影响评估提供基础数据，本研究用猪粪水渗透土柱的方法进行模拟试验，设计了3种渗透方式，分别测定各土层土壤的含水率、pH值、有机质含量以及微生物的垂直分布变化情况。结果表明3个处理组各土层土壤含水率、有机质含量增加，pH值降低；其中，猪粪水-猪粪水组含水率增量最小，有机质增量最大，pH值降低量最大。猪粪水中的有机质可在轻粘土中渗透到3m以下，与猪粪水中的微生物一起明显改变土壤的pH值，过多使用猪粪水或猪粪水持续渗漏会使土壤酸化；且即使是黏土场地，猪场粪水有机质渗漏对于地下水位在3m以下的水源亦有较大的污染隐患。采用16SrDNA荧光定量PCR分析微生物，试验结果表明，轻粘土对猪粪水中的微生物有较强的过滤作用，土层深度60cm以下微生物的含量明显下降到土壤本底值。
关键词：猪粪水；土壤；pH值；有机质；16SrDNA
随着畜牧业飞速发展，猪粪水的排放量越来越多。未经处理的猪粪水含有大量有机质和高浓度的营养物质，直接排放不仅影响畜牧业生产，且对周围的土壤、水体等造成严重污染[1]。土壤作为重要的地下渗滤系统组成之一，猪粪水对其有一定的污染，同时土壤对猪粪水也有过滤净化作用[2]。猪粪水进入土壤后，土壤通过物理截留、化学沉淀、氧化还原等方式，对其起到过滤和净化的作用[3]。影响土壤过滤性能的因素很多，如土壤性质、污水性质、土壤与污水的相互作用、土壤中微生物的作用等[4-7]。本试验用猪粪水渗透人工土柱，通过分析土壤含水率、pH值、有机质含量的变化情况，模拟猪场粪水渗漏、溢流和施肥等对土壤性质的影响及其作用深度，同时利用分子生物学方法分析猪粪水浸泡后的土壤的微生物相对量的垂直分布情况，以期为猪粪水对水源的污染隐患和环境影响评估提供基础数据。
1材料与方法1.1试验材料
供试土壤：取自四川农业大学教学农场，经测定该土壤属轻粘土。试验前对该土壤进行高温灭菌。灭菌前后土壤的理化性质见表1。供试猪粪水：由四川农业大学教学农场的猪粪加蒸馏水配制而成，其理化性质见表1。
1.2试验装置
将内径20cm、管壁厚0.5cm、长cm的PVC管竖直放置，上端预留cm用于添加粪水或蒸馏水，cm以下填充灭菌土壤。上端加非密封盖，下端加带孔底盖。在土壤0～cm之间，每隔30cm在管水平周线上打3个等间距采样孔（图1）。
表1灭菌前后的土壤及所使用猪粪的理化性质
图1试验装置示意图（cm）
1.3试验设计与方法
本试验设置3个处理，3个重复，分别用于模拟土壤被猪粪水浸泡后的渗透情况和土壤用猪粪水作为有机肥料施田又经雨水淋溶后的渗透情况，同时设置一个空白对照组，为避免人工土柱内土层过松，试验初用水压法对土层进行压实处理。处理1组每天加猪粪水至1m，处理2组第一天加猪粪水至1m，之后每天加蒸馏水，空白对照组每天加蒸馏水至1m。
1.4样本采集与测定
采样分别于土柱压实后（0天）和试验一个月（30天）进行，测定各处理各土层土壤含水率、pH值、有机质含量。测定方法参照中华人民共和国农业行业标准。
处理1组最具猪粪水渗漏代表性，故本试验仅对处理1组进行分子生物学分析。对处理1组土壤样本进行总DNA抽提（土壤微生物基因组DNA快速提取试剂盒[8]）；再进行DNA纯化（DNACleanConcentratorTM-5试剂盒[9]）；再按照表2所设计的引物进行扩增（采用25μL体系，所用试剂为bufferⅡ2.5μL；上游引物、下游引物、模板分别为0.5μL、酶0.1μL、DEPC水20.9μL，裂解温度为54℃，扩增程序为95℃、5分钟，95℃、30秒，54℃、30秒，72℃、40秒，72℃、8分钟，循环30次）；对微生物16SrDNAV3区进行PCR扩增，将PCR产物荧光定量Ct值作对数转化，得到微生物相对浓度值，作出随土层深度增加微生物相对浓度含量变化的幂函数曲线图。
表2微生物16SrDNAV3区引物
1.5数据分析
试验数据采用SAS9.0和EXCEL软件进行分析。采用2-△△Ct解析方法计算微生物相对量[10]，并作相应的变化曲线。
2结果与讨论2.1土壤含水率垂直分布特征及比较分析
不同试验条件下不同土层土壤含水率见表3。由表3可知，随着土层的加深，土壤含水率呈先降后升的趋势，但差异均不显著（＞0.05）。空白对照组和处理2组试验前、后均在cm含水率达最低，分别为21.54%、22.52%和20.37%、21.33%；处理1组则在cm达最低，分别为21.64%、22.6%。3个处理组渗透30天后，各土层土壤含水率均增加，其中空白对照组含水率增量最大，其次是处理2组，处理1组含水率增量最小。
这是因为影响土壤渗透性的因素很多，土壤渗透性的强弱直接影响土壤的含水率。通常土壤渗透性越弱，土壤的含水率相对越高[11]。土壤的压实程度也会影响土壤的渗透性，介玉新等[12]试验表明试验土的干密度与渗滤液的渗透率呈负相关，污水的黏度μ也会影响其渗透率，污水黏度越大渗透率越小[13]。Seki等[14]表明污水中的有机物含量和组成物质也会影响其渗透性，有机物含量较高时，土壤孔隙易堵塞，渗透率降低。本试验中由于土壤的重力作用，随土层的加深，土柱内的土壤干密度相对增大，土壤的渗透性降低，含水率增加。处理1组微生物和污水有机物含量高、黏度最大，但因容易在上层土壤颗粒上形成生物膜，经过一定深度的过滤后，污水随土壤深度增加黏度反而快速下降，导致下层土壤含水率降低，增量最小（其他类似研究的试验土壤深度通常在1m以内，本试验的土壤深度达到3m，上层土壤的含水率变化与其他试验一致，但深度加大后因为生物膜效应，有机质和微生物丰富的上层土壤反而起到了过滤净化作用，下层水的黏度比其他组更低，所以cm处就出现了最低含水率）。
表3不同试验条件下不同土层土壤含水率（%）
注：处理1组每天加猪粪水至1m，处理2组第一天加猪粪水至1m，之后每天加蒸馏水，空白对照组每天加蒸馏水至1m
2.2土壤pH值垂直分布特征及比较分析
不同试验条件下不同土层土壤的pH值测定结果见表4。由表4可知，3个处理组试验前、后pH值均小于7且趋于7。空白对照组和处理2组试验前后随土层的增加，土壤pH值均呈递减的趋势，与试验前相比，各土层pH值均降低了。处理1组试验前后随土层的增加，土壤pH值呈波浪式先递减后又递增的趋势，在cm处均达最低值，分别为6.34、5.79。3个处理中，空白对照组pH值变化最小，其次是处理2组，处理1组pH值的减少量最大。
表4不同试验条件下不同土层土壤pH值
注：处理1组每天加猪粪水至1m，处理2组第一天加猪粪水至1m，之后每天加蒸馏水，空白对照组每天加蒸馏水至1m
pH值是指溶液中H+浓度的负对数，H+浓度越大，pH值越小。随土层的加深，有机物厌氧分解加剧，酸化效应明显增强，H+浓度相对增加，pH值降低。添加猪粪水的处理1组pH值降低的最多，可能是因为猪粪污水在分解矿化过程中会形成大量的有机酸（草酸等）和CO2，促使土壤酸化[15]。
2.3土壤有机质含量垂直分布特征及比较分析
不同试验条件下不同土层土壤有机质含量见表5。由表5可知，3个处理组在试验前和试验后随土层深度的增加，土壤有机质含量均大致呈M型变化趋势。与试验前相比，各试验组土壤有机质在不同深度含量均显著增加（＜0.01），而对照组差异不显著（＞0.05）。
空白对照组试验后各土层土壤有机质含量增量最小且波动不大；处理1组试验后各土层土壤有机质含量增量最大；处理2组处于二者之间。这是因为粪水进入土壤后，早期土壤微生物少，生物膜尚未增厚，在渗透过程中，粪水中可溶性有机物可快速到达下层土壤，不同深度均吸附一定量的有机质，但因土壤过滤作用和后期生物膜过滤效应，越向下迁移土壤有机质含量越少。试验中各处理组有机质含量在～cm处达到低峰值，在～cm处存在高峰值，主要是因为～cm深度处已接近试验装置的底部，因外部气压和表面张力作用，此处更容易形成有机物质累积，这也表明猪粪中有机质的渗透在30天即可达到3m以上深度。
2.4处理1组土壤微生物相对含量垂直分布情况与分析
处理1组土壤微生物相对含量见图2。由图2可知，随土层的增加，微生物相对含量呈递减的趋势，其中，土层在60cm时，土壤微生物相对含量较高，60cm以下微生物相对含量已保持基本不变，说明已达到土壤本底值。这与李灵等[16]和Giller等研究结果一致，土壤越深，土壤中的细菌种类和数量都显著降低。
这表明猪粪水中的微生物影响了土壤中微生物的分布，随着土壤深度的加深，土壤微生物总量下降。这主要是因为猪粪水的浸泡使上层土壤有较丰富的有机质，为土壤微生物的生长与繁殖创造了较为适宜的土壤环境，土壤微生物总数与土壤养分含量之间存在着一定的正相关关系，即养分含量高的土壤中微生物数量也高，这是土壤肥力、土壤环境状况与土壤微生物协同发展的结果。高有机质含量、高肥力水平的健康土壤可促进微生物的大量生长。同时，大量的土壤微生物反过来会改善土壤的结构，促进养分的积累、转化和维持。
3结论⑴猪粪水在短期内会降低水分在上层土壤中的渗透率，长期作用则会因生物膜效应增加下层水的渗透率，导致土层越深土壤含水率越低。
表5不同试验条件下不同土层土壤有机质含量（g/kg）
注：处理1组每天加猪粪水至1m，处理2组第一天加猪粪水至1m，之后每天加蒸馏水，空白对照组每天加蒸馏水至1m
图2处理1组不同深度土壤样本微生物相对含量
注：处理1组每天加猪粪水至1m
⑵猪粪水中的有机质可在轻粘土中渗透到3m以下，与猪粪水中的微生物一起明显改变土壤的pH值，过多地使用猪粪水或猪粪水持续渗漏会使土壤酸化，且即使是黏土场地，猪场粪水有机质渗漏对于地下水位在3m以下的水源亦有较大的污染隐患。
⑶土壤能很好地起到过滤微生物的作用，即使在猪粪水渗透情况下，60cm以下微生物含量明显降低，表明当土壤表面受到猪粪污水污染时，60cm深的轻粘土土壤可以有效降低微生物的数量。若利用土壤作为生物过滤系统来净化粪水，轻粘性土壤深度应达到60cm以上。但是猪场粪水渗漏对于地下水位高于60cm深度的水源有较大的生物安全威胁。
参考文献
[1]路冶.现代化畜禽养殖业粪污处理技术措施[J].辽宁畜牧兽医,(4):15-16.
[2]成徐州,吴天宝,陈天柱,等.土壤渗滤处理技术研究现状与进展[J].环境科学研究,,12(4):33-36.
[3]WinterKJ,GoetzD.Theimpactofsewage北京治白癜风最好的医院是哪家白癜风光疗是怎么回事
