随着规模化养殖场快速发展，规模化畜禽养殖废水的污染问题日趋严重。畜禽养殖废水主要是指规模化畜禽养殖场排放的废水，其中包括畜禽的粪、尿和圈栏冲洗用水等^[1]。养殖粪污中含有丰富的有机质和氮、磷等营养物质，已有研究^[2]表明，养殖废水中大量的有机态氮、磷，经过固液分离、厌氧消化和灭菌处理后，COD去除率可以达到85%~90%，且将有机态氮、磷转化为植物易吸收利用的NH⁺₄和PO^3-₄。因此，养殖废水经以上工艺处理后可以转变为一体化的水肥资源循环应用于农田种植，成为目前最为有效的养殖污染防控及水肥资源循环利用的有效模式。然而，养殖肥液农田利用前首先要确定合理的灌溉浓度和灌溉量，否则养分投入量不足将造成减产，而过量的养分投入会造成流失，甚至污染水体^[3]。目前，国内外学者已经从作物类型、产量、品质等角度^{[4, 5, 6, 7]}证实了养殖肥液作为水肥资源进行农田利用的可行性，但对于养殖肥液灌施条件下土壤养分淋失特征及主导因子等的研究还鲜见报道，可能是因为淋溶数据的获得受淋溶液采集方法的限制，多采用模型计算或公式推导的间接方法^{[8, 9]}。近年提出的在一定土层深度埋设淋溶盘，接收淋溶液测定体积以及养分浓度的方法成为测试养分淋溶量的直接方法^[10]。本研究应用不同养分浓度的厌氧猪场肥液开展设施油麦菜小区灌施试验，通过设置和安装淋溶盘、采集淋溶液，揭示养殖肥液灌施条件下土壤碳、氮、磷元素淋失特征及其影响因子，结合油麦菜的产量分析提出厌氧猪场肥液灌施的适宜模式，为农业废弃资源的循环利用提供技术支撑。

试验于天津市益利来养殖场（39°08′N，116°58′E）设施大棚内进行，该猪场位于西青区杨柳青镇，地处华北平原东北部典型农区，地势低平，土壤类型为中壤质潮土，土壤质地见表 1。耕层土壤基础肥力如下：全氮0.66 g·kg^-1，铵态氮4.94 mg·kg^-1，硝态氮21.27 mg·kg^-1，全磷0.60 g·kg^-1，速效磷41.05 mg·kg^-1，土壤pH值为7.98。试验共种植两季油麦菜，分别于2013年11月8日和2014年4月15日定植，2013年12月23日和2014年5月30日收获，生育期均为45 d。株距为10~15 cm，行距为20 cm，供试油麦菜品种为纯香油麦菜和四季香油麦菜，由天津市农业科学院选育。生育期全封闭，平均气温20.5 ℃，生育期无自然降水，全部为人工定额灌溉。

表 1 土壤质地 Table 1 Soil texture and bulk density

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天津益利来养殖有限公司常年猪出栏约10 000头，每天排放养殖废水20~40 t。水处理设施于2007年建立，一直稳定运行。废水处理系统包括收集预处理组件、厌氧微生物发酵组件、深度处理系统等。废水通过排污沟渠汇集到预处理池过滤和匀浆，在自控系统控制下提升至100 m³高效塞流式厌氧反应器（滞留期5 d），最后进入稳定贮存及深度净化系统（占地面积360 m²，由布水槽、砂滤池、鹅卵石表曝坡、高效菌藻塘组成），转化成蔬菜易于利用的水肥一体化的肥液（表 2）。

表 2 供试猪场厌氧肥液特征 Table 2 Characteristics of tested swine farm anaerobic effluent

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试验采用框栽畦埂法（图 1），边框设计规格：长1.2 m，宽1.0 m，深0.6 m，框材厚度0.25 cm，框材材质为不锈钢，挖掘框外部四周土壤至0.6 m深，将框置于原状的土体中，紧贴框下部横向挖掘0.5 m（长）×0.4 cm（宽）×10 cm（高）土槽，每个小区对应埋设1个装满洗净细沙且覆盖0.25 mm纱网的淋溶盘（尺寸为长0.5 m、宽0.4 m、高5 cm），淋溶盘材料为PVC，用于收集地下0.6 m土层深度的淋溶液。淋溶盘与集水器之间用管路相连，集水器内安装吸水管连通到地上，连接自吸泵即可采集集水器中淋溶液。

图 1 试验小区淋溶盘埋设剖面图 Figure 1 Sectional view of leaching disk layout

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试验所设6个处理根据氮浓度来设定（表 3），对照CK处理为正常施肥，T3处理设定为灌溉肥液引入的氮量和CK相当，其余4个处理施入的氮量分别是高于T3处理和低于T3处理的不同比例稀释；每个处理重复3次，共18个小区，每个小区规格为1.2 m（长）×1.0 m（宽），试验小区随机区组排列。肥液灌施方式为畦内漫灌，总灌施肥液定额为1250 m³·hm^-2，每次灌施量根据各生育期需水量而定，所有处理灌肥液时间、频率、每次灌施量以及田间管理措施均保持一致。分别于灌施肥液三次后（2013年12月4日和2014年5月8日）及收获后（2013年12月23日和2014年5月30日）进行淋溶液采集，采样时记录各小区淋溶液体积，并带回实验室进行分析。

表 3 试验处理 Table 3 Experimental treatments

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根据《水和废水监测分析方法》^[11]，淋溶液中硝态氮（NO^-₃-N）和铵态氮（NH⁺₄-N）前处理为絮凝，淋溶液总氮（TN）、总磷（TP）和可溶性总磷（TDP）前处理为过硫酸钾氧化，淋溶液可溶性正磷（DRP）前处理应用0.45 μm滤膜过滤，以上指标经过前处理后均采用流动注射分析仪（北京吉天FIA-6000+）进行测试；淋溶液总碳（TC）、总有机碳（TOC）和总无机碳（TIC）采用总有机碳分析仪（德国Elementar vario TOC）进行测试。

数据采用SPSS 17.0进行差异显著性及相关性分析，用Duncan新复极差法在0.05水平上检测；图表处理在Excel 2007中完成。

不同浓度猪场肥液灌施对设施油麦菜鲜重及存活率影响见图 2。两季油麦菜鲜重均在T3处理下最大，虽然T3处理与CK处理施氮量相当，但T3处理株鲜重分别比CK增加了17.67%和18%，表明猪场肥液氮磷养分存在形态更利于植物吸收，即一体化水肥耦合效应提高了养分的利用效率^{[12, 13]}。T5处理因为养分投入量不足（仅为CK施氮量的47%）降低了油麦菜产量，T5处理鲜重与其他处理相比均达到5%显著水平。T1处理油麦菜存活率仅为78%和72%，主要因为高浓度猪场肥液灌施后提高土壤溶液浓度，根系细胞膜内外的水势梯度差增大促进植物损失水分，形成生理性缺水而降低了成活率^[14]。此外，肥液中高浓度的氨对蔬菜细胞也会产生毒害作用^[15]。

图中各季每种指标处理间不同字母表示差异显著（P＜0.05）。下同图 2 猪场肥液灌施下油麦菜鲜重和存活率 Figure 2 Fresh weight and survival rate of leafy lettuce irrigated with different dilutions of swine farm anaerobic effluent

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猪场肥液灌施条件下土壤不同形态氮素淋失量见图 3。两季土壤硝态氮和总氮淋失量总体呈现T1＞CK＞T2、T3、T4、T5的趋势，两季T1处理硝态氮和总氮淋失量与其他处理间分别达到5%显著水平，且分别是CK处理的1.69、1.74倍和1.42、1.84倍。主要因为T1处理氮素投入量最高（是CK处理的2.86倍），且油麦菜较低的存活率和产量导致从土壤中带走的养分有限。第一季CK处理硝态氮和总氮淋失量与T2~T5处理间无显著差异，但第二季T3~T5处理下三种形态的氮淋溶量与CK处理相比显著降低；各处理硝态氮占总氮淋失量的84%~91%，说明养殖肥液灌施条件下硝态氮仍然是土壤氮素淋失的主要形态，印证了在施肥条件下获得的试验结果^[10]。各处理铵态氮淋失量较小，在0.31~2.1 mg·区^-1范围内，第一季处理间差异不显著（P＞0.05），因为土壤颗粒对铵态氮的吸附而抑制淋溶。此外，铵态氮形态在土壤中存留时间较短，因为其易被氧化为硝态氮。有研究表明铵态氮进入土壤后在1~2周就可以完全被硝化^[16]，而硝化产物硝态氮淋溶速度远高于铵态氮^[17]，伴随水分向下迁移的动力成为淋溶液中最主要的氮素形态^[18]。虽然两季油麦菜土壤氮（磷、碳）素淋失特征基本相同，但两季淋溶量存在差异，第一季的淋溶量是第二季淋溶量的5倍左右。这可能是土壤、气候等客观因素的影响所致，因为淋溶盘的埋设造成土体松动，导致第一季土壤淋溶液较多，第二季则土壤恢复紧实；也有可能是因为第二季油麦菜种植季节为夏季，棚内温度高，导致水分蒸发较快，土壤含水率比较低，水分向下迁移不明显。

图 3 猪场肥液灌施条件下土壤氮素淋失特征 Figure 3 Leaching losses of soil nitrogen under irrigation with different dilutions of swine farm anaerobic effluent

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猪场肥液灌施条件下土壤不同形态磷素淋失量见图 4。随猪场肥液浓度增加可溶性正磷、可溶性总磷和总磷淋失量增大，两季油麦菜磷素淋失特征一致，各种形态磷素均呈现T1＞CK、T2、T3、T4＞T5的趋势，两季T1处理可溶性正磷、可溶性总磷和总磷淋失量分别是CK处理的3.55、3.89、3.54倍和1.21、1.22、1.22倍，且T1与其他处理间差异均达到5%的显著水平。主要因为厌氧消化后的猪场肥液中磷素主要以可溶性正磷形态存在，容易被植物吸收且易被土壤固定^[19]，但如果磷施入量过大也会造成淋溶。已有研究表明当施入土壤的磷肥超过土壤磷吸附饱和位点后，就会促进土壤速效磷向下移动^[20]，厌氧肥液中有机质含量较高，导致有机酸根离子和磷酸根竞争固相表面专性吸附点，从而降低土壤对磷的吸附^[21]，因而淋溶量随猪场肥液浓度增大而增加。淋溶液中可溶性正磷占总磷含量的89%~98%，表明可溶性正磷是磷素淋溶的主要形态。Turner等^[22] 利用原状土壤蒸渗仪观测黑麦草养分淋溶试验表明，淋溶液中可溶性总磷明显高于颗粒磷含量，与本研究结果一致。所有处理总磷淋失量最大为12.2 mg·区^-1（第一季T1），远小于氮素的淋失量。虽然磷素淋失量仅占磷肥施用量的几个百分点，但对水体富营养化的影响至关重要^[23]，因此猪场肥液灌施时需要稀释1倍以上。

图 4 猪场肥液灌施条件下土壤磷素淋失特征 Figure 4 Leaching losses of soil phosphorus under irrigation with different dilutions of swine farm anaerobic effluent

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土壤碳是陆地生态系统中最大的碳库，土壤中的碳不仅能转化为气体形式（CO₂和CH₄）直接释放到大气中去，而且能够以水溶物形式被地表径流携带进入水体，所以增加土壤固碳对减缓温室效应有重要作用^[24]。猪场肥液灌施条件下土壤不同形态碳淋溶量见图 5。两季油麦菜土壤碳淋溶规律基本相同，两季中T1和CK处理碳各形态淋溶量较大，T2~T5处理总碳和总无机碳淋失量分别比CK处理降低49%~65%、48%~66%和30%~75%、19%~77%。各处理总无机碳占总碳淋失量的85%~90%，表明总无机碳是碳淋溶的主要形态，主要决定于养殖肥液中总无机碳占总碳含量的87.7%（表 1）。此外，供试土壤全盐量较高，有研究表明土壤所含空气的CO₂分压和土壤全盐量控制总无机碳浓度和通量^[25]，土壤全盐量越高则土壤无机碳淋溶量越大^[26]。两季土壤总有机碳淋失量呈现CK、T1＞T2、T3、T4、T5的趋势，表明经过稀释灌施处理总有机碳淋失量比不稀释及对照处理显著降低（P＜0.05）。有研究表明沼液施用为土壤微生物带来大量能源物质，有效提高了土壤酶活性和生物多样性^[27]，导致部分碳被同化为微生物碳^[28]存留于土壤表层，从而降低总有机碳的淋溶。

图 5 猪场肥液灌施条件下土壤碳淋失特征 Figure 5 Leaching losses of soil carbon under irrigation with different dilutions of swine farm anaerobic effluent

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猪场肥液灌施量、不同形态氮、磷和碳元素淋失量相关分析见表 3。猪场肥液灌施量与硝态氮、总氮、总有机碳、总无机碳和总碳淋失量显著正相关（P＜0.05），与可溶性正磷、可溶性总磷和总磷淋失量极显著正相关（P＜0.01），说明氮素、碳素和磷素淋失量受肥液灌施浓度直接影响，且随着肥液灌施浓度的增加而增加，所以在本试验范围内控制肥液浓度直接可以减少氮、磷和碳元素的淋失量。土壤磷素在无其他干扰条件下迁移转化能力极其微弱^[29]，本研究中猪场肥液灌施条件下输入的磷素成为影响磷淋溶的主要因素。淋溶液中硝态氮、全氮含量和不同形态碳含量也存在极显著正相关关系（P＜0.01），说明土壤氮淋溶和碳淋溶变化趋势存在一致性。

表 4 淋溶液各形态元素淋溶量相关关系 Table 4 Correlation coefficients between leaching amounts of different elements

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（1）不同稀释比例的猪场肥液灌施下，两季油麦菜土壤养分淋失特征基本一致，未经稀释的肥液灌施土壤碳、氮、磷元素淋失量最高，两季土壤总碳、总氮和总磷淋失量分别为715.2、242.1、12.2 mg·区^-1和149.6、61.44、1.13 mg·区^-1，其中磷素和氮素淋失量分别是施肥处理的3.54、1.74倍和1.84、1.22倍。

（2）无机碳、硝态氮和可溶性正磷分别是碳、氮和磷元素最主要的淋溶形态，分别占总碳、总氮和总磷的85%~90%、84%~91% 和89%~98%。猪场肥液灌施量与氮素、磷素和碳淋失量存在显著相关关系。淋溶液中硝态氮、全氮与碳含量达到极显著水平。

（3）为促进油麦菜生长，猪场肥液应进行1∶2稀释（氮素浓度为230 mg·L^-1），且控制灌施量为1250 m³ ·hm^-2。该模式下土壤总碳、总氮和总磷淋失量分别比常规施肥处理降低49%~56%、5%~44%和20%~34%。