奶牛养殖沼液灌溉对土壤氮磷变化的影响

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中文摘要摘要氮磷是作物生长所必需的营养物质，也是沼液富含的主要营养元素。合理的沼液灌既可作为水肥资源加以利用，又可防治化肥流失的过度污染，是目前解决我国养殖废水污染问题，实现沼液资源化的重要措施。本课题以丝瓜、豇豆等作物为供试材料开展盆栽试验。选用奶牛养殖沼液不同沼水比（全沼、1:1、1:3、1:5、全清）和不同沼灌周期（2d、4d、6d、8d、10d、4d清水对照）进行土壤灌溉，对0~20cm土层土壤氮磷在作物生长期随时间变化的分布特征和吸附特性进行研究，为制定科学的奶牛养殖沼液灌溉制度提供理论依据。研究结果表明：（1）奶牛养殖沼液不同沼水比处理土壤有机质含量在丝瓜生长期100%沼液灌溉处理效果最好；不同沼灌周期处理土壤有机质含量在豇豆生长期2天沼灌处理试验结果最佳。不同沼水比处理中17%沼液灌溉处理有利于增加1.0%土壤过氧化氢酶活性，试验结果较佳。不同沼灌周期处理中8天沼灌处理能提高2.0%土壤过氧化氢酶活性；6天沼灌处理有利于土壤转化酶活性增加2.5%；4天沼灌处理能有效增加13.7%土壤磷酸酶活性，上述处理灌溉效果最好。（2）100%沼液灌溉处理土壤硝态氮含量增加73.9%，50%沼液灌溉处理提高2.2%土壤铵态氮含量和10.4%矿质氮含量；2天沼灌处理使得土壤硝态氮含量、铵态氮含量和矿质氮含量分别增加了58.6%、3.9%和23.6%，上述试验处理结果最好。100%沼液灌溉处理能有效提高土壤有效磷含量2.8%和磷吸收系数12.5%；4天沼灌处理有利于提高26.1%土壤有效磷含量和5.4%磷吸收系数，上述试验处理结果最佳。+（3）不同处理土壤对NH4-N的吸附随平衡浓度提高而增大；吸附量随时间累积显著增加，平均吸附速率最大均出现在清水灌溉处理，12h后达到吸附平衡状态。经Langmuir方程拟合后，100%沼液灌溉处理降低了土壤最大吸附量Xm，提+高了吸附平衡常数K；8天沼灌处理土壤对NH4-N的吸附容量最低，10天沼灌处+理NH4-N吸附能力和结合能力最强。不同处理土壤对磷酸盐的吸附随平衡浓度呈上升趋势；吸附量随时间累积增加较快，平均吸附速率最大值出现在25%沼液灌溉处理、6天沼灌处理，12h后吸附反应趋于平衡。Langmuir方程拟合可得：100%沼液灌溉处理能降低土壤对磷酸盐吸附容量，但能提高磷酸盐吸附能力，清水灌溉处理能增加土壤结合磷酸盐能力；4天沼灌处理时最大吸附量Xm最低，吸附平衡常数K最大，最大缓冲容量I 重庆大学硕士学位论文MBC高。综合考虑0~20cm土层土壤氮磷等的时间分布特征，对奶牛养殖沼液灌溉最优处理进行讨论后得出：100%沼液2天灌溉、50%沼液2天灌溉和100%沼液4天灌22溉等三个处理（即有机质负荷NC=4.523g/(m·2d)、氮负荷NN=0.647g/(m·2d)、磷222负荷NP=0.093g/(m·2d)或NC=2.626g/(m·2d)、NN=0.323g/(m·2d)、NP=0.0472g/(m·2d)）作为氮磷源灌溉土壤，能明显改善土壤养分状况，提高土壤肥力，有效预防沼灌产生的农业面源污染，是适宜的沼灌水质和灌溉周期。关键词：奶牛养殖沼液，灌溉，土壤氮，土壤磷，土壤氮磷吸附II 英文摘要ABSTRACTNitrogenandphosphorusarenotonlynutrientsnecessaryforthegrowthofcrops,butalsonutrientelementsrichinbiogas.Reasonablebiogasirrigationcanbeutilizedasawaterfertilizerresource,andpreventionandcontrolexcessivedrainoffertilizerspollution.ItisanimportantmeasuretosolveChina'saquaculturewastewaterpollutionproblemsintherealizationofbiogasresources.Thesubjectmakesloofahandcowpeaastheexperimentalmaterialstocarryoutthepotexperiment.Itselectesthedifferentdairyfarmbiogaswaterratio(biogas,1:1,1:3,1:5,water)andthedifferentbiogasirrigationcycle(2d,4d,6d,8d,10d,4dwatercontrol)forsoilirrigation.Researchonthedistributionandadsorptioncharacteristicsofnitrogenandphosphorusin0~20cmsoillayersincropgrowthperiodchangingovertimecanprovidesometheoreticalbasisesfortheformulationofscientificdairyfarmbiogasslurryirrigationsystem.Theresultsshowedthat:(1)Soilorganicmattercontentworksbestwhen100%biogasslurryirrigationofthedifferentdairyfarmbiogaswaterratiointheloofahgrowthperiodand2daysbiogasirrigationofthedifferentbiogasirrigationcycleinthecowpeagrowthperiod.17%biogasslurryirrigationtreatmentsisconducivetoincreasingsoilcatalaseactivityof1.0%,anditisthebettertreatmentinthedifferentbiogaswaterratio.8daysbiogasirrigationtreatmentcanimprove2.0%ofsoilcatalaseactivity,and6daysisconducivetosoilinvertaseactivityincreasedby2.5%,and4dayscaneffectivelyincreasesoilphosphataseactivityof13.7%.Theaboveirrigationtreatmentsofthedifferentbiogasirrigationcyclearebest.(2)100%biogasirrigationtreatmentcanincreasesoilnitratenitrogencontentof73.9%,while50%biogascouldincreaseammoniumnitrogencontentof2.2%andmineralnitrogencontentof10.4%.2daysbiogasirrigationtreatmentmakessoilnitratenitrogen,ammoniumnitrogenandmineralnitrogencontentsincreasedby58.6%,3.9%and23.6%.100%biogasslurryirrigationtreatmentcaneffectivelyimprovesoilavailablephosphoruscontentof2.8%andphosphorusabsorptioncoefficientof12.5%,and4daysbiogasirrigationtreatmenthelpstoimprovesoilavailablephosphoruscontentof26.1%andphosphorusabsorptioncoefficientof5.4%.TheProcessingresultsarebest.(3)Soilammoniumnitrogenadsorptionincreasedwiththeincreaseofequilibriumconcentrationinthetypeofprocessings.Adsorptionamountaccumulatedsignificantlyovertime.Themaximumofaverageadsorptionrateappearinthewaterirrigationtreatment.Adsorptionsareequilibriumafter12h.100%biogasslurryirrigationtreatmentdecreasethesoilmaximumadsorptionIII 重庆大学硕士学位论文capacityofXm,andimprovetheadsorptionequilibriumconstantofKafterfittedofLangmuirequation.Soilammoniumnitrogenadsorptioncapacityisthelowestin8daysbiogasirrigationtreatmentandabilitytoadsorptionandbindarethestrongestin10daysbiogas.Soilphosphatearerisingtrendwiththeincreaseofequilibriumconcentrationinthetypeofprocessings.Adsorptionamountaccumulatedrapidlyovertime.Themaximumofaverageadsorptionrateappearin100%biogasand8daysbiogasirrigationtreatments.Adsorptionsareequilibriumafter12h.Langmuirequationfittedcanbeobtained.100%biogasslurryirrigationtreatmentscanreducesoilPhosphateadsorptioncapacity,butimprovetheabilitytoadsorption.Waterirrigationcanincreasetheabilitytobindofsoilphosphate.ThemaximumadsorptioncapacityXmisthelowestin4daysbiogasirrigationtreatmentandthebiggestofadsorptionequilibriumconstantKandmaximumbuffercapacityMBC.Takeacomprehensiveconsiderationamongthetemporalcharacteristicsofsoilnitrogenandphosphorusin0~20cmsoillayers,anddiscusstheoptimaltreatmentsofdairyfarmbiogasslurryirrigation.Preliminaryconclusionscanbeobtained:Threeprocessingof100%biogaseverytwodaysirrigationand50%biogaseverytwodaysirrigationand100%biogaseveryfourdaysirrigation22(OrganicmatterloadingNC=4.523g/(m·2d),NitrogenloadingNN=0.647g/(m·2d)and222PhosphorusloadingNP=0.093g/(m·2d)orNC=2.626g/(m·2d),NN=0.323g/(m·2d)2andNP=0.047g/(m·2d))aremoreappropriateasnitrogenandphosphorussourceforsoilirrigation.Theycanimprovesignificantlythesoilnutrientstatusandfertility,andpreventeffectivelytheagriculturalnon-pointsourcepollutionbybiogasirrigation.Theyaremoreappropriateforbiogasirrigationqualityandirrigationcycle.Keywords:dairyfarmbiogas,irrigation,soilnitrogen,soilphosphorus,adsorptionofsoilnitrogenandphosphorusIV 目录目录中文摘要.............................................................................................................................................IABSTRACT..................................................................................................................................III目录...................................................................................................................................................V1绪论.................................................................................................................................................11.1课题研究背景..........................................................................................................................11.1.1我国畜禽养殖污染及处理现状...................................................................................11.1.2国内外沼液处理和利用现状.......................................................................................21.1.3国内外沼液灌溉现状及前景.......................................................................................41.2沼液灌溉存在的问题..............................................................................................................61.3课题研究目的及内容..............................................................................................................71.3.1研究目的.......................................................................................................................71.3.2研究内容.......................................................................................................................81.3.3技术路线........................................................................................................................82试验材料及方法....................................................................................................................112.1试验区概况............................................................................................................................112.2试验设计................................................................................................................................122.2.1不同沼水比处理.........................................................................................................122.2.2不同沼灌周期处理.....................................................................................................122.3试验观测内容与测定方法....................................................................................................132.3.1土壤有机质测定.........................................................................................................132.3.2土壤酶活性测定.........................................................................................................132.3.3土壤氮磷的测定.........................................................................................................142.3.4土壤氮磷吸附试验方法.............................................................................................142.4数据处理与分析....................................................................................................................153沼灌对土壤有机质及酶活性的影响..........................................................................173.1沼灌对土壤有机质的影响....................................................................................................173.1.1不同沼水比处理有机质时间变化特征.....................................................................173.1.2不同沼灌周期处理有机质时间变化特征.................................................................193.2沼灌对土壤酶活性的影响....................................................................................................203.2.1过氧化氢酶时间变化特征.........................................................................................213.2.2转化酶时间变化特征.................................................................................................23V 重庆大学硕士学位论文3.2.3脲酶时间变化特征.....................................................................................................263.2.4磷酸酶时间变化特征.................................................................................................293.3本章小结................................................................................................................................324沼灌对土壤氮磷时间变化特征的影响....................................................................354.1沼灌对土壤氮的影响............................................................................................................354.1.1硝态氮时间变化特征.................................................................................................354.1.2铵态氮时间变化特征.................................................................................................384.1.3矿质氮时间变化特征.................................................................................................414.2沼灌对土壤磷的影响............................................................................................................444.2.1有效磷时间变化特征.................................................................................................444.2.2磷吸收系数时间变化特征.........................................................................................474.3本章小结................................................................................................................................505沼灌对土壤氮磷吸附特征的影响...............................................................................535.1氮的吸附................................................................................................................................535.1.1氮吸附热力学特征影响.............................................................................................535.1.2氮吸附动力学特征影响.............................................................................................575.2磷的吸附................................................................................................................................595.2.1磷吸附热力学特征影响.............................................................................................595.2.2磷吸附动力学特征影响.............................................................................................625.3本章小结................................................................................................................................656结论与建议...............................................................................................................................676.1主要结论.................................................................................................................................676.2不足与建议.............................................................................................................................69致谢............................................................................................................................................71参考文献.........................................................................................................................................73附录............................................................................................................................................81VI 1绪论1绪论1.1课题研究背景1.1.1我国畜禽养殖污染及处理现状[1]2011年6月环境保护部副部长李干杰表示目前我国农村污染排放已占到了全国“半壁江山”。据第一次全国污染源普查结果可知，农村污染排放中COD占43%，TN占57%，TP占67%。“十二五”期间环保部门将出台畜禽污染防治条例和土壤污染防治法，将在饮水安全、污水处理、垃圾处置、土壤保护、畜禽养殖污染防治等方面取得积极进展。畜禽养殖业作为我国农村经济重要组成部分，为发展农村经济、提高城乡居民生活水平做出了贡献，但也带来了环境污染问题。畜禽养殖场产生的污染废弃物主要是高浓度、高氯氮、高悬浮物、处理难度大的畜禽粪水，且危害最严重。[2]相关数据表明：饲养量1000头的奶牛场年产鲜粪尿1.1万多吨；年出栏1万头育肥猪的猪场每天约产生1.5t粪尿量；20万只的蛋鸡场鸡粪日产量可达近35t。全[3]国2010年排放畜禽粪便超过47亿吨，已成为不可忽视的重大污染源。养殖场粪污正逐渐成为人们普遍关注的社会问题，污染防治迫在眉睫。重庆是一个大城市、大农村、大库区、大山区的新兴直辖市，是农业部确定[4、5]的畜禽养殖优势产区，养殖业是重庆农业支柱产业。表1.1是重庆市2008~2011年畜禽养殖规模。全市2010年畜禽养殖产生固体废物约8570万吨，畜禽粪便污染严重，对环境造成了极大影响。表1.12008~2011年重庆市养殖业规模（万头、万只）Tab1.1ThescaleofagriculturalfarmingofChongqingfrom2008to2011大牲畜肉猪猪羊家禽年份牛年底头数出栏头数年底头数年底只数出栏只数2008107.4103.61898.71566.5129.516363.72009122.9119.42003.11604.1142.317918.32010131.4128.12010.51557.9168.419674.22011127.9124.52020.91540.6176.720863.4[6]目前，我国集约化养殖粪便处理主要有三种方式：自然堆沤处理、好氧生物处理以及厌氧生物处理。自然堆沤处理即通过简单沉淀、人工分离将粪便中干物质进行自然堆沤，发1 重庆大学硕士学位论文酵后作为有机肥返田。在土地充裕条件下自然堆沤处理是一种经济有效的方法，适宜于小型畜禽养殖场废水处理，已用于90%集约化养殖场畜禽粪便处理。但粪便堆存易造成蚊蝇满天、恶臭熏天、病菌滋生等环境问题，同时由于农业生产用肥的季节性，一年中8~9个月的粪便废水只能直接外排。好氧生物处理即利用微生物在好氧条件下分解有机物，可降解有机物最终被完全氧化为简单无机物。好氧生物处理主要有活性污泥法和生物膜法，只适用于处理低浓度污水（有机物含量≤300mg/L），处理高浓度畜禽粪便污水时成本较高，实现达标排放的难度大。厌氧生物处理即利用厌氧微生物将有机物分解为甲烷、二氧化碳和水。一般通过大中型沼气工程集中处理高浓度污水。常用厌氧消化工艺有UASB、完全混合式厌氧消化器、厌氧滤池、厌氧接触反应池等，国内采用较多工艺为UASB。国内外发展经验证明，利用厌氧消化技术处理畜禽粪污，制取沼气，使废弃物减量化、资源化、无害化，同时改善环境，实现经济可持续发展。选择厌氧消[7]化工艺处理养殖废水较其它工艺有明显优势：1）兼顾环境保护、生物质能源开发和循环农业发展，综合效益明显；2）处理适应性强，不同类型、浓度畜禽养殖粪污均可有效处理；3）投资省，运行费用低；4）不产生大量剩余污泥等。故厌[8]氧消化工艺已成为畜禽废水处理的重要单元，典型工艺流程见图1.1。图1.1典型厌氧消化工艺流程Fig1.1Typicalprocessofanaerobicdigestion1.1.2国内外沼液处理和利用现状[9]厌氧消化技术可去除高浓度有机废水中大量可溶性有机物，去除率达[10]85%~90%。沼液（即厌氧消化液）是经过厌氧发酵后的残留液体，含有相当数2 1绪论量的有机污染物，COD浓度高达600~1500mg/L，氨氮600~1200mg/L，全氮1000~1[11]800mg/L，浊度150~300NTU，是高浓度有机废水。我国每年沼液排放量高达1.3[12]亿吨，若不妥善处理将会造成严重的环境污染。①沼液处理[13]近年来，沼液处理技术有好氧微生物处理法和自然生物处理法两大类。好氧微生物处理法主要有活性污泥法、生物膜法等，具有处理能力强、适应性广等优点，但工艺构筑物复杂、机械设备多、维护工作量大、投资高，能耗大、运行维护费用高，小规模养殖场难以承受。[14~16]邓良伟等采用SBR处理猪场沼液，去除效果好，系统运行稳定。曹玉成、[17~18]孟海玲等通过膜生物反应器对沼液进行深度处理，都取得了良好效果，但处[19]理稳定性还存在很大争议。宋国梁等采用絮凝-Fenton氧化-活性炭吸附组合工[20][21]艺，高峰等采用ASBR-SBR-混凝沉淀法，杨健等采用好氧生化-铁屑微电解-混凝组合工艺，虽都能使沼液处理满足达标要求，但组合技术使得工艺流程复杂，运行费用高，限制了实际工程的应用。自然生物处理法包括生物塘法和人工湿地处理，能有效去除有机污染物，建造及运行成本低，操作简便，有广阔的应用前景，但占地面积大，在土地稀缺地方难以实施。[22]王翠霞等将较小流域内农田、山地、猪场及小河流设计成为一个完整生态[23]系统，处理沼液达标排放。曹玉成等发明了一种由沼液排放管、渗滤池、吸附[24]浮床组成的厌氧消化液生态处理装置，也取得很好的去除效果。朱凤香等利用人工湿地栽种水生经济作物对沼液进行无害化消解，使沼液中COD、BOD、SS、TN和TP等进一步氧化，养分被水生作物吸收利用。②沼液利用沼液利用也是一种沼液处理技术，主要用于种植业和养殖业。蔬菜生产利用包括：沼液浸种，沼液防治病虫害，沼液灌溉，沼液叶面施肥等；养殖利用包括：沼液拌料喂猪，沼液喂鸡，沼液养鱼等。沼液浸种：利用沼液所含的生物活性物质和速效养分，对种子进行预处理，不仅能提高种子发芽率和成苗率，还可增强秧苗抗旱、抗病及抗逆性能，具有较[25]好的经济效应和生态效应。娄经刚利用澄清沼液对水稻进行浸种可提高秧苗素[26][27]质，促进增产、改善品质。罗毅等对辣椒、刘月楼对玉米的沼液浸种，都得到相同结论，为沼液在农业生产上的浸种利用提供理论依据。沼液防治病虫害：沼液中有机酸（丁酸）、植物激素（赤霉素、吲哚乙酸）以及维生素B对病菌有明显的抑制作用，氨和铵盐、某些抗生素等对作物病虫有直接作用，被称为“生物农药”；且沼液含有的大量维生素、氨基酸等能增强作物抗病3 重庆大学硕士学位论文[28]防虫能力。张萍用沼液喷施棉田时发现沼液可有效防治棉花蚜虫和红蜘蛛等病虫害。沼液灌溉：经过充分腐熟发酵，沼液中富含多种作物所需的营养物质（如氮、[29、30][31]磷），能迅速被植株吸收利用，有效调节作物生长代谢。叶伟宗等对梨树进行沼液灌溉后能提高梨果硬度，减少外表果点，改善梨果品质；还可延长梨贮存[32]期。唐华等研究表明黑麦草对过量沼液灌溉有一定耐受性，但从生产和环境安全的角度考虑，667mL/kg土的沼液灌溉量即可满足其生长所需。沼液叶面施肥：叶面喷施沼液效果比化肥好，能促进作物生长平衡，增强光[33]合作用。杜少斌等在番茄叶面喷施沼液能促进番茄生长发育，并比使用磷酸二[34]氢钾、绿邦98时增产。汪国英等对梨树叶面进行喷施沼液，和清水对比能促进[35]梨树营养生长。蔡跃台等在西瓜作物上喷施沼液叶面肥，肥效明显，增产率[36]6.03~13.47%。王祥辉等对辣椒叶面喷施沼液有增产效果，但不同时期喷施增产效果不同。沼液拌料喂猪：畜禽粪便经发酵后分解成的葡萄糖、氨基酸、微量元素以及B[37]族维生素等都是猪生长必需的营养来源。余东波等对2家农户的8头仔猪加饲[38]沼液喂养后提高了饲料利用率，缩短了育肥期。朱德江等通过喂沼液的猪和不[39]喂沼液比较，表明沼液养猪能有效促进生猪快速生长，增重效果显著。王玉法的试验表明添加沼液饲喂肉猪比对照组平均每头猪净增重7.05kg，提高了经济效益。沼液喂鸡：用沼液作为水供鸡食用，沼液中多种氨基酸、微量元素等活性物[40]质能促进鸡生长发育，有效地刺激母鸡卵巢排卵功能，提高产卵能力。李良德[41]等在蛋鸡日粮中添加沼液饲喂，发现鸡产蛋日提前，总产蛋量提高。吴建敏等对蛋鸡日粮应用生态沼液湿拌处理，可改善产蛋率、料蛋比、鸡蛋蛋白含量和胆固醇含量。沼液养鱼：有机肥在施用前先经过厌氧发酵，利用发酵后的沼液喂鱼，能取[42]得较好的生态和经济效益。吴绍锋等采用常规稻田养鱼和沼肥与不同饲料配比[43]混养试验，结果显示饲料配合沼液混养对稻鱼增产效益最佳。龙胜碧等进行沼肥稻田生态养鱼，比对照组鱼苗生长增加了69.4kg，增幅为34.9％。1.1.3国内外沼液灌溉现状及前景无机化肥使用能有效提高作物产量，但化肥营养元素流失已成为农业面源污染的主要部分。我国2009年化肥使用量达6000万吨，是化肥使用大国，每年农[44]田化肥养分被植物利用部分很少（N肥10~50%，P肥7~15%），大部分就地分化或随径流进入水体造成富营养化。养殖场沼液作为一种速效性优质有机肥料，含植物生长所必需的种类繁多的4 1绪论有机物及各种离子，以及一定量腐殖酸，对土壤团粒结构形成起着直接作用，纤[45]维等有机成分为疏松土壤、增加土壤有机质含量提供必不可少的物质基础。沼液替代无机化肥或与化肥配合使用，进行农田回用是近年来畜禽粪污处理的主要途径，不仅能有效防治化肥带来的面源污染，有利于养殖粪污资源化利用，还能节约农业化肥用量，减少化肥生产的碳排放污染，对促进农牧低碳经济发展意义重大。很多农田试验、实践表明：沼液相比于化肥能促进土壤团粒结构形成，增强土壤保水保肥能力，提高土壤肥力。应用效果有以下优点：一是增加农作物产量，提高农产品品质；二是杀虫、抑菌；三是改善土壤理化性状。[46]浙江大学倪亮等通过田间试验研究表明在N、P养分相等条件下，完全沼灌和与化肥配合施用能提高土壤有机质，改善土壤肥力。土壤N、P养分随着沼液配合用量增加而增加，施用沼液可改善土壤养分平衡。沼液灌溉后重金属等有害元素在国家土壤环境质量允许范围内，但长期灌溉对土壤质量的影响还需进一步研究。[8、47]绍兴市农村能源开发利用指导站丁少华等肥效分析发现大型养猪场沼气工程沼液有机质含量达0.9%，总养分达0.2%，含氮量为0.16%，水溶性养分丰富，有利于农作物快速吸收，是一种优质有机肥。沼液肥用于西红柿和油菜的种植能产生明显增产作用，经济效益明显。沼液酸碱度呈中性，施肥对土壤结构无损害。[48、49]云南师范大学张无敌等研究表明施用沼液能显著增加土壤有机质、氨态氮、有效磷含量，有利于调节土壤pH值，对土壤有显著改良效果。沼液对土壤生物学性质的影响表现在改善土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸脂酶等酶活性，增强土壤中作物所需营养物质矿化，提高土壤肥力；还能增加土壤细菌、酵母菌、真菌及放线菌数量，微生物多样性指数相对较高。[50、51]浙江省宁海县农业技术推广总站陆新苗等研究表明规模养猪场沼液能有效增加水稻穗数，提高成穗率和千粒重，产量随施用量增加而递增。沼液灌溉西瓜时西瓜植株生长快，叶面积增加，还能提高品质、增加糖度、提高产量。试验均表明采用农牧结合方式在农田大量施用沼液能提高土壤中有机质、磷含量；同时能缓解养殖场周边环境压力。[52、53]浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所王卫平等采用规模养殖场不同沼液灌溉量处理青菜、萝卜，与常规施用化肥对照处理相比，对土壤质量有所改善，土壤总氮、有机质明显增加，土壤pH值、电导率有所降低，等氮条件下用沼液替代或减少氮肥使用量，对作物产量基本无影响。[54]中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所陈永杏等通过田间试验研究猪场沼液灌溉冬小麦后对土壤有机质、全氮、全磷等含量变化的影响，结果表明5 重庆大学硕士学位论文2沼液处理使表层土壤（0~10cm）有机质增加达3.0kg/hm，全氮含量提高65%，pH值下降0.4，但未发生土壤酸化。沼液灌溉不会导致土壤中过量氮素累积，同时可能在小麦全生长季内提供较充足的有效氮。美国等许多发达国家、国外科研机构在土壤沼灌方面也作了相关研究，普遍认为沼液的土地使用是解决畜禽粪污污染的有效措施，且为了安全使用沼液，规定应根据当地土壤性质、肥力状况、水文条件，制定该地区具体的沼液使用方法、使用量、使用次数和使用时期，以达到种植业与养殖业之间的氮磷养分平衡。[55、56]RoyPosmanik等选用鸟粪石施肥和畜禽粪便消化后沼液施肥作对比，重点研究鸟粪石和畜禽粪便用于土壤改良前后化学性质的变化。结果证明使用沼液的土壤改良显然好于使用鸟粪石，且植物生长较优。[57]R.N.GARG等通过燃烧灰烬与沼液施肥的对比研究，发现沼液含有许多植物生长所需的营养物质，作为土壤改良剂使用在提高作物产量方面能提供有前途的双赢机会，同时还可以防治废物处置对环境造成的不良影响。田间试验表明沼液具有改善土壤物理性质（饱和渗透系数、保湿系数等）、化学性质，促进小麦的生长（叶面积指数，根长密度）和产量的作用。[58]KotchakomKongkaew等在以沼液做肥料施用于甜玉米、西红柿及草莓的试验中发现西红柿产量相较于其他两种作物，增产效果明显，对土壤肥力尤其是磷含量增加明显。试验表明相同沼液灌溉对于不同作物会产生不同作用效果，对土壤也存在或多或少的影响差异。[59]Armand等研究了沼液施用后有机质含量对土壤生产力的影响，指出土壤有机质降低影响土壤生产力。施用沼液可以增加土壤空隙度，降低容重，促进土壤结构体的形成，结构系数提高，有利于作物生长。相比而言，中国畜禽污染防治规则比较粗放，仅在污染治理方面有原则性规定，在具体的养殖承载力、农田沼液施用量方面没有要求，可操作性不强，还有待提高。1.2沼液灌溉存在的问题沼液需大量土地消纳，缺乏足够的土地资源已成为消纳沼液的制约条件。沼液农灌的基础是土壤，土壤中胶体和微生物是土壤能够容纳、缓解多种污染物的关键因素。由于作物和土壤承受能力有限，沼液灌溉生态模式使得积累于土壤中有机物在降雨淋溶后形成面源污染。目前三峡库区中用于沼灌还田的194个乡镇361个监测点肥料流失监测数据表明：N肥当季农作物利用率35.16%，土壤残留率9.53%，地表径流率0.54%，地下淋溶率30.31%；农作物P肥利用率34.16%，土壤残留率13.18%，地表径流率5.27%，地下淋溶率0.72%。6 1绪论时间分布上，沼灌面源污染发生主要受降雨影响，具有间歇性。空间分布上，面源污染强度受土壤类型、地形条件和土地利用类型影响。库区多为典型山地城镇，全年降雨量高，地形起伏大，特殊的气候和地理特征决定了必须对农业面源污染加以有效控制。面源污染作为重大污染源，将成为影响和制约长江流域生态环境的一个主要因素。缺乏科学合理的沼灌技术和相关监控及管理体系是我国现阶段沼液灌溉存在的最大问题。只有采用合理的沼液灌溉技术和管理制度，才能做到沼液资源化，又能降低面源污染负荷，减轻对土壤环境破坏。目前沼液灌溉存在以下问题：（1）沼液长期灌溉可能会造成水环境和土壤农作物污染。不合理的沼灌会使土壤受有机物污染，造成盐渍化、碱化；用氨氮和其他含氮化合物含量高的沼液长期灌溉会增大土壤中氨氮含量，长期超过植物吸收量时会导致烧苗。（2）养殖场由于土地流转周边土地资源有限，致使在实际沼液还田利用中，灌溉量大、周期短，污染物易超过土壤承载能力，降雨淋溶后易导致面源污染。若加大沼灌面积，则需要更多土地。（3）我国沼灌面积在农田所占比例小，沼灌总量却在不断增加，在水资源配置地位越发重要，与此相关的理论和技术研究却相对十分薄弱，用沼液替代部分化肥进行农灌存在施用方式、方法等问题，严重制约了沼灌农田的发展和需要。仅有少数农业科研院所从环保角度对污水灌溉污染行为进行初步调查和分析，在针对畜禽养殖沼液灌溉对土壤污染负荷的研究几乎还是空白，面源污染控制在很大程度上受到了制约。1.3课题研究目的及内容1.3.1研究目的近年来，养殖场多采用“养-沼-灌”处理模式。沼液用于农灌，一方面能解决当地养殖废水处理难题，另一方面沼液中含有的丰富的氮、磷等物质是作物生长必[60]需的营养元素，可降低作物对化肥的需求。沼液还田利用要真正达到营养物质的综合利用和污染物的零排放，必须要解决四个关键问题：防渗的大容量储存设[61]施、经济有效的运输距离、农田土壤承载力负荷以及科学合理的灌溉技术规范。土壤中氮磷除少数被植物吸收外，剩余大部分均以不同形态发生累积，可能会通过地表径流、土壤侵蚀等方式向水体迁移，易造成附近水体富营养化。目前人们关于在田间条件下氮磷是否发生垂直迁移的观点还不统一，但对于氮磷在土[62、63]壤剖面中的积累现象已有众多报道。沼液灌溉是水肥耦合效应的一种新型模[64]式，超越以往固态化肥和单独灌水之间松散的耦合，实现了一体化水肥管理：7 重庆大学硕士学位论文灌水即是施肥，施肥也是补水。沼液形态组成多样、污染物浓度高，待解决问题更为复杂，需综合考虑氮磷养分含量、土壤物化性状等。研究奶牛养殖沼液灌溉条件下土壤氮磷变化，为明确土壤中氮磷来源、去向及对土壤本质的影响，实现沼液资源化安全利用，制定合理的养殖废水灌溉制度具有重要的理论意义和实践价值。1.3.2研究内容国内外专家学者对污水灌溉模式下土壤氮磷元素从物化和生物的作用机理、规律等进行了大量理论和试验研究，得到了许多理论实践资料。养殖场沼液灌溉与污水灌溉产生的结果可能存在差异，对这种特定水质灌溉条件下土壤氮磷的迁移转化研究还很少，相关报道不多。为探讨沼液灌溉模式下氮磷在典型土壤中累积转化特征及对土壤的影响，本课题通过盆栽试验主要开展以下几个方面的研究：①作物生长期0~20cm土层土壤有机质含量和酶活性强弱变化，分析沼灌对土壤有机质、酶活性的影响，研究沼灌对土壤肥力以及氮磷元素形态转化的影响；②土壤氮磷元素不同形态的含量变化及平均累积量，分析不同沼水比、沼灌周期条件下0~20cm土层土壤氮磷在作物生长期的动态特征及变化影响；③不同试验处理0~20cm土层土壤氮磷元素吸附特性及其差异，求解吸附参数，分析沼液灌溉后土壤保肥供氮供磷能力的影响；④综合以上研究提出科学的农作物种植奶牛养殖场粪污沼液灌溉技术模式（包括沼灌水质、沼灌周期），预防和控制沼灌产生的农业面源污染。1.3.3技术路线本课题紧密结合实验室试验情况，采用室内与室外相结合的研究方式，研究思路见图1.2。8 1绪论收集国内外沼液处理和利用情况收集国内外沼液灌溉研究资料对沼液处理和利用现状及沼液灌溉技术进行总结沼水比：B沼、2d、B1:1、2d、B1:3、2d、B1:5、2d、B清、2d随机化区组试验沼灌周期：W2d、沼、W4d、沼、W6d、沼、W8d、沼、W10d、沼、W4d、清沼灌对土壤肥力及氮磷形态转化的影响土壤有机质和酶活性土壤氮：硝态氮、铵态氮、矿质氮沼灌对土壤氮磷动态分布的影响土壤磷：有效磷、磷吸收系数吸附热力学沼灌对土壤保肥供氮供磷能力的影响土壤氮磷吸附特征吸附动力学作物种植奶牛养殖沼液灌溉技术沼灌水质+沼灌周期图1.2技术路线框图Fig1.2TechnologyRoadmapofthisresearch9 重庆大学硕士学位论文10 2试验材料及方法2试验材料及方法2.1试验区概况试验区位于重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室室外，地处东经106°27′，北纬30°34′，年平均气温18.3℃，降水充沛，年降水量1082.9mm，无霜期341.6d，属川东平行岭谷低山丘陵区。本课题选用盆栽试验，每块样地长×宽=480mm×380mm，土层厚度300mm；种植豇豆、丝瓜等作物。灌溉用水、种植土壤均取自重庆光大集团鱼嘴牧场。鱼嘴牧场是一个规模化奶牛养殖场，也是重庆首个奶牛科技示范牧场。牧场建于2005年3月，占地面积76亩，饲养规模1500头，已建成畜禽养殖与种植资源综合利用的“养-沼-灌”生态模式。牧场内最大粪便产生量50t/d，最大废水产生量3110m/d，配套建有一座年产有机肥1万吨的有机肥料厂和一座日处理粪污废水300t的污水站。污水站处理工艺流程如图2.1所示。干粪有机农肥奶牛干清粪粪沉集厌沼尿砂水氧液尿+冲洗水沼液还田池池池池沼气发电图2.1奶牛养殖场现有污水处理工艺流程Fig2.1Existingsewagetreatmentprocessofdairyfarm[65、66]供试土样为中性紫色土，基本理化性质为：pH7.5，孔隙度47%，容重31.2g/cm，速效钾含量90mg/kg，碳酸钙小于30g/kg。土壤中重金属含量见表2.1。表2.1供试土样中重金属浓度（μg/mL）Tab2.1Concentrationsofheavymetalsforthetestsoilsamples重金属镉Gd锌Zn镍Ni铅Pb铜Cu铬Cr供试土样0.3080.2521.3210.7520.3230.46811 重庆大学硕士学位论文供试水样为该牧场污水站沼液池污水，即奶牛养殖沼液。沼液养分状况及重金属含量见表2.2。对照组灌溉清水选用自来水，污染物含量低可忽略不计。表2.2奶牛养殖沼液基本性质Tab2.2Basicpropertiesofdairyfarmbiogas指标(mg/L)pHCODSSTNNH3-NTP沼液7.351650300235.93196.4434.05重金属(μg/mL)镉Gd锌Zn镍Ni铅Pb铜Cu铬Cr沼液0.0322.3720.1570.3510.3790.012.2试验设计试验考虑两个因素：沼水比和沼灌周期，共设置11个处理。采用随机化区组2设计，两次重复。试验时间为2011年7月~11月，灌溉面积0.182m，每次灌溉500mL，持续将近五个月。2.2.1不同沼水比处理根据沼水比不同设置5个处理，供试作物为丝瓜。处理一：灌溉用水为沼液，每2天灌溉一次，简称B沼、2d；处理二：1:1稀释沼液2天灌溉一次，简称B1:1、2d；处理三：1:3稀释沼液2天灌溉一次，简称B1:3、2d；处理四：1:5稀释沼液2天灌溉一次，简称B1:5、2d；处理五（对照）：清水2天灌溉一次，简称B清、2d。2.2.2不同沼灌周期处理沼灌周期设置6个处理，以豇豆为供试作物。处理一：每2天灌溉一次，灌溉用水为沼液（全沼），简称W2d、沼；处理二：4天沼灌一次，简称W4d、沼；处理三：6天沼灌一次，简称W6d、沼；处理四：8天沼灌一次，简称W8d、沼；处理五：10天沼灌一次，简称W10d、沼；处理六（对照）：4天清水灌溉一次，简称W4d、清。上述11个处理中各营养物质含量的差异见表2.3。12 2试验材料及方法2表2.3各处理中营养物质负荷（g/(m·2d)）Tab2.3Nutrientloadineachtreatment处理有机质负荷NC氮负荷NN磷负荷NPB沼、2d4.5230.6470.093B1:1、2d2.2620.3230.047B1:3、2d1.1310.1620.023B1:5、2d0.7690.1100.016B清、2d0.0000.0000.000W2d、沼4.5230.6470.093W4d、沼2.2620.3230.047W6d、沼1.5080.2160.031W8d、沼1.1310.1620.023W10d、沼0.9050.1290.019W4d、清0.0000.0000.0002.3试验观测内容与测定方法2.3.1土壤有机质测定土壤有机质（SoilOrganicMatter，SOM）主要来源于动植物、微生物残体，化学成分有碳水化合物、木质素、含氮化合物、脂肪、蜡质、单宁、木栓质、角质及灰分等，能在微生物、活体动物、酶和水的淋溶等作用下发生转化，部分转[67、68]化成植物吸收利用的氮磷等营养物质。它是土壤重要组成成分，是衡量土壤[69][70]肥力的一个重要指标，对土壤肥力和作物生长有直接作用。土壤有机质采用水合热氧化-光电比色法测定。将过0.5mm孔径筛的风干土样1.000g，加入10.0mL重铬酸钾溶液和10.0mL浓硫酸并不断摇动，静置冷却后取上清液在TFC速测仪620nm波长下测定。土壤有机质含量以%表示（1%=10g/kg）。2.3.2土壤酶活性测定土壤酶包括过氧化氢酶、转化酶、脲酶以及磷酸酶，土壤酶活性分析参考《土[71]壤微生物研究原理与方法》。①土壤过氧化氢酶：能促进过氧化氢对化合物的氧化，酶活性与土壤呼吸强度和微生物活动等密切相关。土壤过氧化氢酶活性用滴定酶促反应后剩余的过氧化氢量测定，以单位土重消耗0.1mol/LKMnO4的体积（mL）表示，即mL/g。②转化酶：存在于所有土壤中，酶活性与土壤腐殖质、水溶性有机质和黏粒含量以及微生物数量和活动等相关。土壤转化酶活性选用硫代硫酸钠滴定法，以单位土重消耗0.1mol/L硫代硫酸钠的毫升数表示，即mL/g。13 重庆大学硕士学位论文③脲酶：是一种酰胺酶，与酰胺态有机氮转化有关，酶活性与土壤微生物数量、有机物质含量、全氮和速效氮含量呈正相关。土壤脲酶活性用脲酶酶促尿素+水解产生氨量测定，以单位土重产生的NH4-N毫克数表示，即mg/g。④土壤磷酸酶：能酶促有机磷化合物的水解，与有机磷的转化有关。土壤碱性磷酸酶活性用磷酸一酯等基质水解生成的酚量测定，以单位土重单位时间形成苯酚的质量（μg）表示，即μg/g。2.3.3土壤氮磷的测定土壤氮磷指标主要有：硝态氮，铵态氮，矿质氮；有效磷，磷吸收系数。+①土壤硝态氮：采用紫外分光光度法测定。将10.0g新鲜土样中NO3离子用50.0mL、0.01mol/L氧化钙溶液提取，待测液酸化后，分别在哈希DR5000分光光度计210nm和275nm处测定吸光度，通过校准曲线求得测定液中硝态氮的质量浓度。②土壤铵态氮：采用纳氏试剂比色法测定。采用50.0mL、2mol/L氧化钾溶液+提取10.0g新鲜土样中的NH4离子，在碱性条件下与纳氏试剂络合生成黄色络合物，在哈希DR5000分光光度计490nm波长处用1cm比色皿比色。③土壤矿质氮：土壤矿质氮一般以铵态氮、硝态氮形式存在，含量用两者之[72]和来表示。④土壤有效磷：采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法（Olsen法）测定。过2mm孔径筛的风干土样2.50g，加入1g无磷活性炭后用50.0mL、0.50mol/L碳酸氢钠溶液浸提，浸提液中磷浓度用钼锑抗比色法测定。⑤土壤磷吸收系数：采用钼锑抗比色法测定。将过2mm孔径筛的风干土样25.00g与50.0mL、25g/L磷酸二铵溶液（pH=7）在一定条件下反应24小时，反应前后的磷量差，即土壤对磷的吸收量，换算成每100g土吸收固定磷（P2O5）毫克数，即可得到磷吸收系数。2.3.4土壤氮磷吸附试验方法①土壤氮吸附性能：测定土壤对氨氮的静态吸附特性，其中氨氮的测定选用+纳氏试剂比色法，NH4-N吸附量由差量法求得。试验中均作2个平行样，相对偏差<5%，结果为二次重复的平均值。氮吸附热力学实验：风干土样过筛后，称取若干份0.50g于50mL具塞离心管中，分别加入铵离子质量浓度呈梯度变化的NH4Cl溶液50mL（0、5、10、20、40、60、80、100、150mg/L），再加入3滴氯仿防止微生物繁殖。在25℃恒温振荡器上振荡24h，经3500r/min高速离心机离心10min后，取上清液测定平衡溶液中++NH4-N浓度。以NH4-N平衡浓度C(mg/L)为横坐标，吸附量X(mg/kg)为纵坐标做等温吸附曲线。14 2试验材料及方法氮吸附动力学实验：称取过筛后的风干土样若干份0.50g于50mL具塞离心管中，分别加入60mg/LNH4Cl溶液50mL和3滴氯仿。加塞封口后，放入25℃恒温振荡器上振荡，每隔一定时间（1、1.5、2、4、5、6、8、10、12、16、24h）取出，+在4000r/min高速离心机中离心20min，取上清液测定NH4-N浓度。以时间(h)为横坐标，吸附量X(mg/kg)为纵坐标做吸附动力学曲线。②土壤磷吸附性能：采用振荡置换法获取磷离子在土壤中的吸附特征，选用钼锑抗比色法测定滤液磷浓度，磷酸盐吸附量由差量法求得。试验中均作2个平行样，相对偏差<5%，结果为二次重复的平均值。磷吸附热力学实验：风干土样过筛后称取若干份0.50g于50mL具塞离心管中，分别加入磷离子质量浓度分别为0、2、4、6、8、10、15、20、25mg/L的KH2PO4溶液50mL，和氯仿3滴，在25℃恒温振荡器上振荡24h，经4200r/min高速离心机离心15min后，取上清液测定平衡溶液中磷酸盐浓度。以磷酸盐平衡浓度C(mg/L)为横坐标，吸附量X(mg/kg)为纵坐标做等温吸附曲线。磷吸附动力学实验：称取过筛后的风干土样若干份0.50g于50mL具塞离心管中，分别加入10mg/LKH2PO4溶液50mL和3滴氯仿。加塞封口后，放入25℃恒温振荡器上振荡，每隔一定时间（0.5、1、2、3、5、7、9、11、12、24、32h）取出，在4200r/min高速离心机中离心15min，取上清液测定磷酸盐浓度。以时间(h)为横坐标，吸附量X(mg/kg)为纵坐标做吸附动力学曲线。2.4数据处理与分析实验数据采用Excel2007和SPSS16.0统计软件分析，作图采用Excel2007软件。15 重庆大学硕士学位论文16 3沼灌对土壤有机质及酶活性的影响3沼灌对土壤有机质及酶活性的影响3.1沼灌对土壤有机质的影响土壤有机质与土壤肥力水平紧密相关，能深刻影响微生物活性，促进土壤内[73、74]部良好结构形成，改善土壤容重、渗透性、持水性、可蚀性、通气性和养分[75~79]循环等理化性质，在环境保护、农业可持续发展等方面起着不可忽略的作用[80]。与未施肥和施用无机肥种植苜蓿土壤相比，沼液能增加土壤有机质含量，且[81]与沼液施用浓度呈正相关。猪场粪污沼液灌溉玉米种植土壤时，有机质含量随[82]沼液施用量增大能增加0.0504~0.2584mg/kg，增加率1.52%~7.77%。沼灌蔬菜地土壤5年后，土壤有机质含量比不施肥和单独施化肥土壤分别增加了112.59%[83]和90.33%，且差异显著，说明连续施用沼液对土壤有机质累积有促进作用。沼液灌溉不仅能增加土壤有机质，也存在有机质含量无明显变化的例子。采用100%、50%猪粪沼液替代化肥处理时0~20cm典型稻麦两熟制农田土壤有机质含量无显著[84]性差异。3.1.1不同沼水比处理有机质时间变化特征[85]土壤有机质是土壤中营养元素尤其是氮磷的重要来源，是评价土壤肥力和蓄水保肥的重要指标。采集不同试验处理后土样，分别测定0~20cm土层土壤有机质含量。比较丝瓜生长期不同沼水比处理土壤有机质含量，其变化特征见图3.1。土壤有机质含量呈先增加后降低的变化趋势，总体增加；最大增幅222.1%出现在B1:1、2d，最大降幅47.0%出现在B清、2d。8月大部分有最小值，10月存在最大值。图3.1不同沼水比处理土壤有机质含量时间变化Fig3.1Timechangeofsoilorganicmatterinthedifferentbiogaswatertreatment注：上图中全沼——B沼、2d，1:1——B1:1、2d，1:3——B1:3、2d，1:5——B1:5、2d，全清——B清、2d，下述图形中未注明余同。17 重庆大学硕士学位论文各处理土壤有机质含量均值随沼液浓度降低呈逐渐降低趋势，见图3.2，表现为：B沼、2d>B1:1、2d>B1:3、2d>B1:5、2d>B清、2d。在B沼、2d达到最大值，为（21.24±2.69）%，月变化范围为13.34~27.76%；B清、2d达到较低值，为（17.93±2.87）%，每月变化在13.62~25.67%范围内浮动。其中最大值是最小值的1.18倍，不同沼水比处理土壤有机质含量均值间差异较小。图3.2不同沼水比处理土壤有机质含量均值Fig3.2Meanvalueofsoilorganicmatterinthedifferentbiogaswatertreatment对于不同沼水比处理，有机质在土壤中分布与沼液浓度有关，沼液灌溉土壤[86]有利于有机质的增加，改良土壤团粒结构。有机质含量随沼液浓度增加呈增大趋势，平均增幅6.8%，与沼水比x呈线性正相关；还与有机质负荷NC、氮负荷NN、磷负荷NP存在线性正相关，具体数学表达式见表3.1。表3.1有机质含量与沼水比、负荷的相关性分析Tab3.1Correlationanalysisoforganicmatterandbiogaswaterratioandload2相关性数学表达式R沼水比x(%)正相关c=3.583x+17.5400.9642有机质负荷NC(g/(m·2d))正相关c=0.785NC+17.5400.9642氮负荷NN(g/(m·2d))正相关c=5.491NN+17.5400.9642磷负荷NP(g/(m·2d))正相关c=38.155NP+17.5380.964以清水灌溉处理结果为土壤背景值比较，100%沼液灌溉处理增加了0~20cm土层土壤有机质，含量提高18.4%，效果最好；50%沼液灌溉处理则提高了7.1%。18 3沼灌对土壤有机质及酶活性的影响3.1.2不同沼灌周期处理有机质时间变化特征不同沼灌周期处理土壤有机质含量在豇豆生长期随时间变化趋势如图3.3所示。土壤有机质含量呈先增加后降低的变化趋势，总体上增加；最大增幅和降幅均出现在W8d、沼，分别为147.4%、56.4%。各处理在7月大部分达到最小值，10月大部分达到最大值。图3.3不同沼灌周期处理土壤有机质含量时间变化Fig3.3Timechangeofsoilorganicmatterinthedifferentbiogascycletreatment注：上图中2d——W2d、沼，4d——W4d、沼，6d——W6d、沼，8d——W8d、沼，10d——W10d、沼，4d对照——W4d、清，下述图形中未注明余同。各处理土壤有机质含量均值随沼灌周期减少逐渐降低，见图3.4，表现为：W2d、沼>W4d、沼>W6d、沼>W8d、沼>W10d、沼>W4d、清。最大值（26.06±3.12）%存在于W2d、沼，月变化范围19.57~31.53%；最小值（17.43±2.29）%出现在W4d、清，在10.86~23.14%附近变化。前者是后者的1.49倍，不同沼灌周期处理土壤有机质含量均值间有较大差异。19 重庆大学硕士学位论文图3.4不同沼灌周期处理土壤有机质含量均值Fig3.4Meanvalueofsoilorganicmatterinthedifferentbiogascycletreatment就不同沼灌周期处理来说，土壤有机质与沼灌周期有关，受沼液灌溉量、土[87]壤有机质矿化率等因素影响。有机质含量随沼灌量增加逐渐增大，平均增幅31.7%，与沼灌周期数t呈线性负相关；与有机质负荷NC、氮负荷NN、磷负荷NP呈线性正相关，具体数学表达式见表3.2。表3.2有机质含量与沼灌周期数、负荷的相关性分析Tab3.2Correlationanalysisoforganicmatterandbiogasirrigationcycleandload2相关性数学表达式R沼灌周期数t(d)负相关c=-1.368t+27.0720.9132有机质负荷NC(g/(m·2d))正相关c=1.446NC+19.9800.8772氮负荷NN(g/(m·2d))正相关c=10.107NN+19.9820.8772磷负荷NP(g/(m·2d))正相关c=70.526NP+19.9640.881与10天沼灌处理相比，2天沼灌处理有利于土壤有机质含量的增加，提高25.4%；4天沼灌处理提高了18.6%。与清水灌溉对照处理相比，2天沼灌处理土壤有机质含量提高了49.5%，灌溉效果最好；4天沼灌处理提高了41.3%。3.2沼灌对土壤酶活性的影响土壤酶是土壤生物学性质的一个重要组成部分，能敏感地反映土壤质量变化，是土壤质量评价不可缺少的指标。土壤中酶的作用使得土壤生物和生化过程能持续进行。土壤酶是外源有机物腐解转化的驱动力，也是土壤有机质转化、结构及物理性状演变与保持的驱动力，在氮磷等重要元素与物质的生物循环中起重要作20 3沼灌对土壤有机质及酶活性的影响[88]用。从生物化学的酶活性出发，针对前人研究结果，研究沼液灌溉中沼水比和沼灌周期对土壤酶活性的影响，能揭示土壤酶活性对土壤中氮磷的响应，从土壤酶学角度对奶牛养殖沼液灌溉土壤提出相应的技术措施。3.2.1过氧化氢酶时间变化特征土壤过氧化氢酶是土壤酶系的重要组成部分，能促进过氧化氢分解，避免过氧化物在生物体内积累对机体造成损害。土壤过氧化氢酶活性与土壤肥力状况密切相关，还能反映出土壤微生物过程强度。①不同沼水比处理过氧化氢酶时间变化特征不同沼水比处理土壤过氧化氢酶活性在丝瓜生长期随时间变化趋势如图3.5所示。各处理变化趋势相似：土壤过氧化氢酶活性从8月到10月中旬逐渐降低，小高峰出现在10月下旬，总体上为降低变化，最大降幅10.5%（B沼、2d）。大部分在8月出现最大值，均在11月出现最小值，可知过氧化氢酶活性与温度等因素相关，在一定温度变化范围内，酶活性随温度降低而降低。各处理在10月均呈现出先降低后升高的变化趋势，最大波动达0.402mL/g，可能与温度、pH等其他外部因素相关，与不同沼灌水质影响较小。图3.5不同沼水比处理土壤过氧化氢酶活性时间变化Fig3.5Timechangeofsoilcatalaseactivityinthedifferentbiogaswatertreatment各处理土壤过氧化氢酶活性均值见图3.6，由高到低依次是：B1:5、2d>B1:1、2d>B1:3、2d>B清、2d>B沼、2d。在B1:5、2d达到最大值（5.416±0.060）mL/g，月变化范围5.288~5.534mL/g；B沼、2d达到较低值（5.309±0.141）mL/g，月变化范围4.942~5.520mL/g。土壤过氧化氢酶活性均值最大值是最小值的1.02倍，不同沼水比处理间差异较小，变化平缓。21 重庆大学硕士学位论文图3.6不同沼水比处理土壤过氧化氢酶活性均值Fig3.6Meanvalueofsoilcatalaseactivityinthedifferentbiogaswatertreatment不同沼水比处理土壤过氧化氢酶活性与沼液浓度显著相关，沼液灌溉土壤可能会抑制过氧化氢酶活性，但低沼液浓度有利于酶活性增强。与清水灌溉处理相比，100%沼液灌溉处理减少了土壤过氧化氢酶活性，降低0.9%；17%沼液灌溉处理增加了土壤过氧化氢酶活性，提高1.0%，试验结果较佳；其次为50%沼液灌溉处理。②不同沼灌周期处理过氧化氢酶时间变化特征不同沼灌周期处理土壤过氧化氢酶活性在豇豆生长期随时间变化趋势如图3.7所示。各处理的变化趋势呈“M”型，两次峰值分别出现在9月中旬和10月下旬；最大降幅13.5%（W6d、沼）。与不同沼水比处理相似，在11月存在最小值，同样可得过氧化氢酶活性随温度降低而降低；在10月酶活性变化大，最大波动0.512mL/g，可能是由于10月份相对温度差异大所致。图3.7不同沼灌周期处理土壤过氧化氢酶活性时间变化Fig3.7Timechangeofsoilcatalaseactivityinthedifferentbiogascycletreatment22 3沼灌对土壤有机质及酶活性的影响不同处理土壤过氧化氢酶活性均值随沼灌周期变化见图3.8，表现为：W8d、沼>W4d、清>W4d、沼>W6d、沼>W10d、沼>W2d、沼。在W8d、沼有最大值，为（4.882±0.123）mL/g，月变化范围4.556~5.146mL/g；在W2d、沼有最小值，为（4.663±0.105）mL/g，在4.448~4.816mL/g内变化。土壤过氧化氢酶活性均值最大值是最小值的1.05倍，不同沼灌周期处理间变化幅度小。图3.8不同沼灌周期处理土壤过氧化氢酶活性均值Fig3.8Meanvalueofsoilcatalaseactivityinthedifferentbiogascycletreatment对于不同沼灌周期处理，土壤过氧化氢酶活性与沼灌周期关系较显著，适时的沼液灌溉有利于土壤过氧化氢酶活性的增加。与清水灌溉对照处理相比，8天沼灌处理土壤过氧化氢酶活性提高了2.0%，灌溉效果最佳；2天沼灌处理则降低了2.5%。3.2.2转化酶时间变化特征转化酶能酶促蔗糖水解成葡萄糖和果糖，酶活性随土壤熟化程度提高亦增强，常用于表征土壤熟化程度和肥力水平。①不同沼水比处理转化酶时间变化特征不同沼水比处理土壤转化酶活性随时间变化趋势如图3.9所示。各处理在丝瓜生长前期变化较平缓，后期呈先降低后增加的变化趋势；B1:5、2d变化急剧，最大降幅80.1%，最大增幅417.5%。大部分在10月存在最小值。23 重庆大学硕士学位论文图3.9不同沼水比处理土壤转化酶活性时间变化Fig3.9Timechangeofsoilinvertaseactivityinthedifferentbiogaswatertreatment各处理土壤转化酶活性均值依次是：B清、2d>B1:5、2d>B1:3、2d>B1:1、2d>B沼、2d，见图3.10。最大值出现在B清、2d，为（0.245±0.055）mL/g，月变化范围0.094~0.396mL/g；最小值出现在B沼、2d，为（0.183±0.019）mL/g，月变化范围0.136~0.224mL/g。最大值是最小值的1.34倍，不同沼水比处理土壤转化酶活性均值间存在一定差异。图3.10不同沼水比处理土壤转化酶活性均值Fig3.10Meanvalueofsoilinvertaseactivityinthedifferentbiogaswatertreatment就不同沼水比处理来说，沼液灌溉对土壤转化酶活性有一定的抑制作用，酶活性随沼液浓度增加而降低，平均降幅19.6%，与沼水比x、有机质负荷NC、氮负荷NN、磷负荷NP存在线性负相关，具体数学表达式见表3.3。24 3沼灌对土壤有机质及酶活性的影响表3.3转化酶活性与沼水比、负荷的相关性分析Tab3.3Correlationanalysisofinvertaseactivityandbiogaswaterratioandload2相关性数学表达式R沼水比x(%)负相关c=-0.053x+0.2270.7232有机质负荷NC(g/(m·2d))负相关c=-0.012NC+0.2270.7232氮负荷NN(g/(m·2d))负相关c=-0.082NN+0.2270.7232磷负荷NP(g/(m·2d))负相关c=-0.568NP+0.2270.725清水灌溉处理结果最佳，100%沼液灌溉处理相比减少了土壤转化酶活性，降低25.4%；其次为50%沼液灌溉处理，降低22.3%。②不同沼灌周期处理转化酶时间变化特征不同沼灌周期处理土壤转化酶活性随时间变化趋势如图3.11所示。各处理在豇豆生长期呈“N”型变化，最大增幅200.0%（W6d、沼），最大降幅91.7%（W4d、清）。峰值出现在9月中旬，谷值出现在10月下旬。图3.11不同沼灌周期处理土壤转化酶活性时间变化Fig3.11Timechangeofsoilinvertaseactivityinthedifferentbiogascycletreatment不同处理土壤转化酶活性均值随沼灌周期变化见图3.12，表现为：W6d、沼>W4d、清>W4d、沼>W10d、沼>W8d、沼>W2d、沼。在W6d、沼有最大值（0.232±0.057）mL/g，每月均值在0.073~0.321mL/g范围内变化；在W2d、沼达到最低值（0.160±0.030）mL/g，在0.071~0.219mL/g范围内变化。最大值是最小值的1.45倍，不同沼灌周期处理土壤转化酶活性均值间差异较大。25 重庆大学硕士学位论文图3.12不同沼灌周期处理土壤转化酶活性均值Fig3.12Meanvalueofsoilinvertaseactivityinthedifferentbiogascycletreatment对于不同沼灌周期处理，土壤转化酶活性与沼灌周期间差异有统计学意义，适时的沼液灌溉有利于土壤转化酶活性增加。与清水灌溉对照处理相比，6天沼灌处理增加了土壤转化酶活性，提高2.5%，灌溉效果最好；2天沼灌处理减少了土壤转化酶活性，降低29.3%。3.2.3脲酶时间变化特征土壤脲酶能酶促有机质分子中肽键水解，参与土壤氮素分解转化，催化尿素水解生成NH3和CO2，为植物、微生物生长提供氮源，常用土壤脲酶活性表征土壤氮素状况。①不同沼水比处理脲酶时间变化特征不同沼水比处理土壤脲酶活性在丝瓜生长期随时间变化趋势如图3.13所示。各处理变化趋势相类似，均呈“W”型；B1:1、2d变化幅度较显著，最大降幅87.7%，最大增幅297.3%。不同处理大部分在7月有最大值，10月有最小值，推得脲酶活性与温度变化有关，在一定温度变化范围内随温度降低而降低。26 3沼灌对土壤有机质及酶活性的影响图3.13不同沼水比处理土壤脲酶活性时间变化Fig3.13Timechangeofsoilureaseactivityinthedifferentbiogaswatertreatment各处理土壤脲酶活性均值由高到低依次是：B清、2d>B1:5、2d>B1:3、2d>B1:1、2d>B沼、2d，见图3.14。在B清、2d出现最大值（13.64±4.73）μg/g，月变化范围4.97~29.26μg/g；在B沼、2d出现最小值（8.92±2.82）μg/g，月变化范围2.11~14.97μg/g。土壤脲酶活性均值最大值是最小值的1.53倍，不同沼水比处理间有较大差异。图3.14不同沼水比处理土壤脲酶活性均值Fig3.14Meanvalueofsoilureaseactivityinthedifferentbiogaswatertreatment不同沼水比处理土壤脲酶活性与沼液浓度显著相关，沼液灌溉对土壤脲酶活性有抑制作用，使得沼灌处理结果均低于土壤背景值（即清水灌溉处理结果）。土壤脲酶活性与沼水比x、有机质负荷NC、氮负荷NN以及磷负荷NP存在线性负相关，具体数学表达式见表3.4。27 重庆大学硕士学位论文表3.4脲酶活性与沼水比、负荷的相关性分析Tab3.4Correlationanalysisofureaseactivityandbiogaswaterratioandload2相关性数学表达式R沼水比x(%)负相关c=-4.787x+12.9430.7332有机质负荷NC(g/(m·2d))负相关c=-1.058NC+12.9430.7332氮负荷NN(g/(m·2d))负相关c=-7.399NN+12.9430.7322磷负荷NP(g/(m·2d))负相关c=-51.452NP+12.9470.734清水灌溉处理结果最显著，100%沼液灌溉处理与之相比减少了土壤脲酶活性，降低34.6%；其次为50%沼液灌溉处理，降低32.1%。②不同沼灌周期处理脲酶时间变化特征不同沼灌周期处理土壤脲酶活性随时间变化趋势如图3.15所示。各处理在豇豆生长期总体呈“N”型变化；在9月中旬均出现峰值，10月上旬出现谷值。W8d、沼变化幅度较大，最大增幅388.5%，最大降幅83.2%。图3.15不同沼灌周期处理土壤脲酶活性时间变化Fig3.15Timechangeofsoilureaseactivityinthedifferentbiogascycletreatment不同处理土壤脲酶活性均值随沼灌周期变化见图3.16，表现为：W4d、清>W10d、沼>W8d、沼>W6d、沼>W4d、沼>W2d、沼。最大值（44.40±8.65）μg/g出现于W4d、清，月变化范围26.69~69.54μg/g；最小值（27.35±8.16）μg/g出现于W2d、沼，月变化范围为9.54~49.54μg/g。前者是后者的1.62倍，不同沼灌周期处理土壤脲酶活性均值间差异较显著。28 3沼灌对土壤有机质及酶活性的影响图3.16不同沼灌周期处理土壤脲酶活性均值Fig3.16Meanvalueofsoilureaseactivityinthedifferentbiogascycletreatment就不同沼灌周期而言，一定时间的沼液灌溉会抑制土壤脲酶活性。土壤脲酶活性与沼灌周期数t呈线性正相关，与有机质负荷NC、氮负荷NN、磷负荷NP呈线性负相关，具体数学表达式见表3.5。表3.5脲酶活性与沼灌周期数、负荷的相关性分析Tab3.5Correlationanalysisofureaseactivityandbiogasirrigationcycleandload2相关性数学表达式R沼灌周期数t(d)正相关c=2.414t+26.8710.8182有机质负荷NC(g/(m·2d))负相关c=-2.728NC+39.7500.8992氮负荷NN(g/(m·2d))负相关c=-19.081NN+39.7510.9002磷负荷NP(g/(m·2d))负相关c=-132.357NP+39.7530.894清水灌溉对照处理结果最好，2天沼灌处理与之相比减少了土壤脲酶活性，降低38.4%；其次是4天沼灌处理，降低22.1%。3.2.4磷酸酶时间变化特征磷酸酶能有效地提高土壤磷素。碱性磷酸酶活性能表征土壤肥力状况，特别是磷的状况，可作为土壤有机磷组分转化的一个生化指标。用于反映土壤有效磷[89]供应能力时，还须考虑土壤固磷作用的影响。李博文的研究表明，碱性磷酸酶活性与有效磷含量达极显著正相关关系。①不同沼水比处理磷酸酶时间变化特征不同沼水比处理土壤磷酸酶活性随时间变化趋势如图3.17所示。在丝瓜生长期各处理变化趋势相类似：土壤磷酸酶活性从8月到10月中旬逐渐增加，小高峰29 重庆大学硕士学位论文出现在10月中旬，再缓慢降低。最大增幅609.8%（B1:1、2d），最大降幅72.2%（B1:3、2d）。各处理最小值均出现在8月，最大值出现在10月，可见磷酸酶活性与温度等因素有关，酶活性在特定的温度变化范围内随温度降低而降低。图3.17不同沼水比处理土壤磷酸酶活性时间变化Fig3.17Timechangeofsoilphosphataseactivityinthedifferentbiogaswatertreatment各处理土壤磷酸酶活性均值由高到低依次是：B清、2d>B1:5、2d>B沼、2d>B1:3、2d>B1:1、2d，见图3.18。在B清、2d达到最大值（14.86±3.11）μg/g，月变化范围7.12~19.47μg/g；在B1:1、2d达到最小值（8.88±3.70）μg/g，月变化范围2.41~17.12μg/g。土壤磷酸酶活性均值最大值是最小值的1.67倍，不同沼水比处理间有较大差异。图3.18不同沼水比处理土壤磷酸酶活性均值Fig3.18Meanvalueofsoilphosphataseactivityinthedifferentbiogaswatertreatment对于不同沼水比处理，土壤磷酸酶活性与沼液浓度有统计学上差异，沼液灌30 3沼灌对土壤有机质及酶活性的影响溉土壤可能会抑制磷酸酶活性，不同沼液浓度抑制酶活性程度不同。清水灌溉处理灌溉效果最佳，50%沼液灌溉处理与之相比减少了土壤磷酸酶活性，降低40.2%；其次为25%沼液灌溉处理，降低38.9%。②不同沼灌周期处理磷酸酶时间变化特征不同沼灌周期处理土壤磷酸酶活性随时间变化趋势如图3.19所示。各处理土壤磷酸酶活性在豇豆生长前期变化较平缓，后期先增加再逐渐降低变化，总体上持平；峰值出现在10月。最大增幅47.9%（W2d、沼），最大降幅28.1%（W6d、沼）。图3.19不同沼灌周期处理土壤磷酸酶活性时间变化Fig3.19Timechangeofsoilphosphataseactivityinthedifferentbiogascycletreatment不同处理土壤磷酸酶活性均值随沼灌周期变化见图3.20，表现为：W4d、沼>W6d、沼>W10d、沼>W4d、清>W8d、沼>W2d、沼。在W4d、沼存在最大值，为（47.22±4.48）μg/g，月变化范围41.82~60.06μg/g；在W2d、沼存在较低值，为（35.45±3.61）μg/g，月变化范围29.47~43.59μg/g。土壤磷酸酶活性均值最大值是最小值的1.33倍，不同沼灌周期处理间差异较小。31 重庆大学硕士学位论文图3.20不同沼灌周期处理土壤磷酸酶活性均值Fig3.20Meanvalueofsoilphosphataseactivityinthedifferentbiogascycletreatment不同沼灌周期处理土壤磷酸酶活性与沼灌周期关系显著，适时的沼液灌溉有利于土壤磷酸酶活性增加。与清水灌溉对照处理相比，4天沼灌处理增加了土壤磷酸酶活性，提高13.7%，灌溉效果最佳；2天沼灌处理减少了土壤脲酶活性，降低13.0%。3.3本章小结（1）奶牛养殖沼液不同沼水比处理土壤有机质含量在丝瓜生长期呈先增加后降低变化趋势，均值间差异较小；随沼液浓度增加而增大，100%沼液灌溉处理与清水灌溉处理相比增加了18.4%，灌溉效果最好。不同沼灌周期处理土壤有机质含量在豇豆生长期呈先增加后降低变化，均值间有较大差异；随沼灌量增加逐渐增大；2天沼灌处理较清水灌溉对照处理提高了49.5%，试验结果最佳。（2）不同沼水比处理土壤过氧化氢酶活性总体表现为降低趋势，均值间差异变化平缓；低沼液浓度（17%沼液灌溉处理）有利于酶活性增加1.0%，试验结果较佳。不同沼灌周期处理土壤过氧化氢酶活性呈“M”型变化，均值间变化幅度小；适时沼灌（8天沼灌处理）能提高2.0%土壤过氧化氢酶活性，灌溉效果最佳。（3）不同沼水比处理土壤转化酶活性总体呈先降低后增加变化，均值间存在一定差异；随沼液浓度增加而降低，沼灌会抑制土壤转化酶活性，清水灌溉处理结果最佳。不同沼灌周期处理土壤转化酶活性呈“N”型变化，均值间差异较大；适时沼灌（6天沼灌处理）有利于土壤转化酶活性增加2.5%，灌溉效果最好。（4）不同沼水比处理土壤脲酶活性呈“W”型变化，均值间有较大差异；沼灌对土壤脲酶活性可能有抑制作用，清水灌溉处理结果最明显。不同沼灌周期处理土壤脲酶活性总体呈“N”型，均值间差异较显著；沼灌可能会抑制土壤脲酶活性，32 3沼灌对土壤有机质及酶活性的影响清水灌溉对照处理结果最好。（5）不同沼水比处理土壤磷酸酶活性呈先增加后降低变化，均值间有较大差异；不同沼液浓度灌溉抑制酶活性程度不同，清水灌溉处理灌溉效果最佳。不同沼灌周期处理土壤磷酸酶活性总体上持平，均值间差异较小；适时沼灌（4天沼灌处理）有利于土壤磷酸酶活性增加13.7%，灌溉效果最佳。33 重庆大学硕士学位论文34 4沼灌对土壤氮磷时间变化特征的影响4沼灌对土壤氮磷时间变化特征的影响4.1沼灌对土壤氮的影响氮在植物所需的营养元素中占重要地位，作物生长期氮素投入量不同、吸收利用差异等都会造成土壤氮素分布的动态变化。土壤中硝态氮和铵态氮是最易被[90]作物吸收利用的氮素。合理施用有机肥能有效改善土壤环境，施入新的有机物质能促进土壤腐殖质分解代谢，增强土壤氮素矿化作用。相关研究表明，种植杂[91]交狼尾草时土壤氨氮、硝氮在一定沼液灌溉强度内随沼灌强度增强而升高。沼2液施用量在0~400L/(9m·2周)内，土壤铵态氮略有下降，硝态氮略有上升，一年[92][93]内对土壤养分含量影响不显著。沼灌能显著增加菜田土壤和绿洲农田耕层土[94]壤铵态氮、硝态氮，绿洲农田0~20cm耕层土壤铵态氮、硝态氮分别增加102.70%和234.16%。4.1.1硝态氮时间变化特征硝态氮是土壤速效氮的主要形态，是由氨态氮经硝化作用或施用硝态氮肥后[95、96]形成的，有机肥中氮素能在土壤-植物系统中通过硝化作用形成硝态氮而淋失。①不同沼水比处理硝态氮时间变化特征丝瓜生长期不同沼水比处理土壤硝态氮含量随时间变化的分布特征如图4.1所示。各处理表现出相似的变化趋势：土壤硝态氮含量在丝瓜生长期大致呈降低趋势；9月前较后期高，B清、2d降幅最大，可达91.6%。最低值除B清、2d外，均出现在11月初。7月~9月属夏季，气温较高，有利于土壤中硝化细菌繁殖活动，能将土壤铵态氮氧化为硝态氮，同时加速有机氮矿化。硝态氮含量与土壤温度变化等因素密切相关，这一结论在许多研究中都得以证明。35 重庆大学硕士学位论文图4.1不同沼水比处理土壤硝态氮含量时间变化Fig4.1Timechangeofsoilnitratenitrogeninthedifferentbiogaswatertreatment各处理土壤硝态氮含量均值见图4.2。各处理间比较可看出：B沼、2d>B1:1、2d>B1:5、2d>B1:3、2d>B清、2d，硝态氮含量在B沼、2d最高，为（16.86±4.67）mg/kg，月变化范围9.71~20.98mg/kg；最低为B清、2d（9.69±5.81）mg/kg，月变化范围1.68~19.91mg/kg。土壤硝态氮含量均值最大值是最小值的1.74倍，不同沼水比处理间存在较大差异。方差分析显示土壤硝态氮含量月间差异显著，随季节变化差异大。图4.2不同沼水比处理土壤硝态氮含量均值Fig4.2Meanvalueofsoilnitratenitrogeninthedifferentbiogaswatertreatment不同沼水比处理硝态氮含量随沼液浓度增加呈逐渐增大趋势，平均增幅34.6%，沼液灌溉有利于提高硝态氮含量，与沼水比x、有机质负荷NC、氮负荷NN、磷负荷NP存在线性正相关，具体数学表达式见表4.1。36 4沼灌对土壤氮磷时间变化特征的影响表4.1硝态氮含量与沼水比、负荷的相关性分析Tab4.1Correlationanalysisofnitratenitrogencontentandbiogaswaterratioandload2相关性数学表达式R沼水比x(%)正相关c=6.804x+9.7670.9572有机质负荷NC(g/(m·2d))正相关c=1.503NC+9.7700.9582氮负荷NN(g/(m·2d))正相关c=10.509NN+9.7700.9582磷负荷NP(g/(m·2d))正相关c=72.987NP+9.7670.957与清水灌溉处理相比，100%沼液灌溉处理硝态氮含量增加了73.9%，试验结果最佳；其次为50%沼液灌溉处理，提高28.7%。②不同沼灌周期处理硝态氮时间变化特征不同沼灌周期处理土壤硝态氮含量随时间变化趋势如图4.3所示。各处理土壤硝态氮含量在豇豆生长期呈先上升后降低趋势；最大降幅为W4d、清，87.2%；10月前，各处理变化趋势较相近，土壤硝态氮含量缓慢增加，均在9月出现最高峰值；10月底又有一个小高峰，但各处理峰值相差较大。除W2d、沼外，11月初有最低值。图4.3不同沼灌周期处理土壤硝态氮含量时间变化Fig4.3Timechangeofsoilnitratenitrogeninthedifferentbiogascycletreatment各处理土壤硝态氮含量均值比较依次为：W2d、沼>W4d、沼>W6d、沼>W8d、沼>W10d、沼>W4d、清，见图4.4。W2d、沼存在最高值（20.90±1.44）mg/kg，每月在18.23~25.33mg/kg范围内变化；W4d、清存在最低值（13.18±7.92）mg/kg，月变化范围3.09~24.13mg/kg。最大值是最小值的1.59倍，不同沼水比处理土壤硝态氮含量均值间差异较明显。37 重庆大学硕士学位论文图4.4不同沼灌周期处理土壤硝态氮含量均值Fig4.4Meanvalueofsoilnitratenitrogeninthedifferentbiogascycletreatment不同沼灌周期处理土壤硝态氮含量随沼灌量降低缓慢减少，沼液灌溉会导致土壤硝态氮含量增加，与沼灌周期数t呈线性负相关，与有机质负荷NC、氮负荷NN、磷负荷NP呈线性正相关，具体数学表达式见表4.2。表4.2硝态氮含量与沼灌周期数、负荷的相关性分析Tab4.2Correlationanalysisofnitratenitrogencontentandbiogasirrigationcycleandload2相关性数学表达式R沼灌周期数t(d)负相关c=-1.686t+22.2320.9352有机质负荷NC(g/(m·2d))正相关c=1.737NC+13.5870.8672氮负荷NN(g/(m·2d))正相关c=12.141NN+13.5890.8662磷负荷NP(g/(m·2d))正相关c=84.690NP+13.5680.870与清水灌溉对照处理相比，2天沼灌处理土壤硝态氮含量增加了58.6%，灌溉效果最好；其次是4天沼灌处理，提高41.9%。4.1.2铵态氮时间变化特征铵态氮在土壤中随时间存在高低变化，它作为有效态氮素能被植物直接吸收[97]利用，参与植物体内含氮有机物的合成。①不同沼水比处理铵态氮时间变化特征不同沼水比处理土壤铵态氮含量随时间变化趋势如图4.5所示。B沼、2d、B1:1、2d、B1:3、2d土壤铵态氮含量在丝瓜生长期总体呈“N”型，即先上升后降低再上升的趋势变化；最大降幅71.6%（B1:3、2d），最大增幅186.2%（B1:1、2d）；10月中旬均存在最低值。B1:5、2d、B清、2d土壤铵态氮含量总体呈“V”型，趋势变化为先降低后38 4沼灌对土壤氮磷时间变化特征的影响上升；最大降幅为72.4%（B清、2d），最大降幅为215.9%（B1:5、2d）。这种变化趋势[98]主要决定于铵态氮性质，可能有三个原因：一是春季高温多雨气候促使铵态氮通过硝化作用转化成硝态氮；二是表层土壤中氨挥发损失，有研究认为土壤铵态氮分布直接决定于土壤性质、灌溉方式、作物生长和气候条件等因素；三是土壤无机和有机粘粒固定铵态氮，带有正电荷铵态氮进入土壤包气带后被带负电荷土壤颗粒吸附，呈减少趋势，同时一部分铵离子被2∶1型粘土矿物晶格固定。图4.5不同沼水比处理土壤铵态氮含量时间变化Fig4.5Timechangeofsoilammoniumnitrogeninthedifferentbiogaswatertreatment各处理土壤铵态氮含量均值见图4.6，表现为：B1:1、2d>B1:3、2d>B清、2d>B1:5、2d>B沼、2d。土壤铵态氮含量均值随沼液浓度降低呈“N”型，最高值（21.79±4.76）mg/kg出现于B1.1、2d，月变化范围11.55~33.05mg/kg；最低值（13.98±2.68）mg/kg出现于B沼、2d，月变化范围9.90~22.30mg/kg。前者是后者的1.56倍，不同沼水比处理间有较大差异。图4.6不同沼水比处理土壤铵态氮含量均值Fig4.6Meanvalueofsoilammoniumnitrogeninthedifferentbiogaswatertreatment39 重庆大学硕士学位论文不同沼水比处理铵态氮含量与沼液浓度相关，适量的沼液灌溉能提高铵态氮含量。与清水灌溉处理相比，50%沼液灌溉处理增加了土壤铵态氮含量，提高2.2%，试验结果最好；100%沼液灌溉处理减少了铵态氮含量，降低34.5%。②不同沼灌周期处理铵态氮时间变化特征不同沼灌周期处理土壤铵态氮含量随时间变化趋势如图4.7所示。除W4d、清外，各处理土壤铵态氮含量在豇豆生长期总体呈“N”型变化；最大降幅84.3%（W8d、沼），最大增幅317.2%（W6d、沼）；10月中旬均存在最低值。与不同沼水比处理中B沼、2d、B1:1、2d、B1:3、2d有相似的变化规律。W4d、清土壤铵态氮含量总体呈“V”型，最大降幅为54.7%，最大降幅为250.5%。图4.7不同沼灌周期处理土壤铵态氮含量时间变化Fig4.7Timechangeofsoilammoniumnitrogeninthedifferentbiogascycletreatment各处理土壤铵态氮含量均值从高到低依次为：W2d、沼>W4d、清>W6d、沼>W8d、沼>W10d、沼>W4d、沼，见图4.8。最高出现在W2d、沼（24.41±6.35）mg/kg，每月变化范围为13.20~37.46mg/kg；W4d、清最低，为（18.26±5.25）mg/kg，月变化范围7.41~27.54mg/kg。最大值是最小值的1.34倍，不同沼灌周期处理土壤铵态氮含量均值间差异较小。40 4沼灌对土壤氮磷时间变化特征的影响图4.8不同沼灌周期处理土壤铵态氮含量均值Fig4.8Meanvalueofsoilammoniumnitrogeninthedifferentbiogascycletreatment不同沼灌周期处理土壤铵态氮含量与沼灌周期有关，沼液灌溉会导致土壤铵态氮含量增加。与清水灌溉对照处理相比，2天沼灌处理土壤铵态氮含量增加3.9%，灌溉效果最好；4天沼灌处理减少了22.3%。4.1.3矿质氮时间变化特征土壤中矿质氮是作物直接吸收利用的主要氮素形态，含量多少直接影响着土[99]壤供氮能力。①不同沼水比处理矿质氮时间变化特征不同沼水比处理土壤矿质氮含量随时间变化趋势如图4.9所示。各处理除B清、2d外，土壤矿质氮含量在丝瓜生长期总体大致呈“N”型变化；最大降幅69.7%（B1:3、2d），最大增幅115.0%（B1:1、2d）。B清、2d土壤矿质氮含量总体呈“V”型；最大降幅为73.7%，最大降幅为157.0%。各处理在10月中旬均出现最低值。变化规律与土壤铵态氮相类似。41 重庆大学硕士学位论文图4.9不同沼水比处理土壤矿质氮含量时间变化Fig4.9Timechangeofsoilmineralnitrogeninthedifferentbiogaswatertreatment各处理土壤矿质氮含量均值见图4.10，表现为：B1:1、2d>B1:3、2d>B1:5、2d>B清、2d>B沼、2d。在B1.1、2d出现最高值（34.27±6.69）mg/kg，月变化范围19.61~43.20mg/kg；在B沼、2d出现最低值（30.84±7.07）mg/kg，月变化范围17.32~43.64mg/kg。与土壤铵态氮最值点相同，表明矿质氮中铵态氮占主要地位。土壤矿质氮含量均值最大值是最小值的1.10倍，不同沼水比处理间差异较平缓。图4.10不同沼水比处理土壤矿质氮含量均值Fig4.10Meanvalueofsoilmineralnitrogeninthedifferentbiogaswatertreatment不同沼水比处理矿质氮含量与沼液浓度显著相关，一定量沼液灌溉对矿质氮含量有提高作用。与清水灌溉处理相比，50%沼液灌溉处理矿质氮含量增加了10.4%，试验结果最佳；其次为25%沼液灌溉处理，提高1.9%。42 4沼灌对土壤氮磷时间变化特征的影响②不同沼灌周期处理矿质氮时间变化特征不同沼灌周期处理土壤矿质氮含量随时间变化趋势如图4.11所示。W2d、沼、W4d、沼、W6d、沼土壤矿质氮含量在豇豆生长期总体大致呈“N”型变化；最大降幅54.2%（W4d、沼），最大增幅104.3%（W6d、沼）。W8d、沼、W10d、沼、W4d、清土壤矿质氮含量总体大致呈“V”型，最大降幅为76.3%（W8d、沼），最大降幅为180.2%（W4d、清）。各处理在10月均出现最低值。图4.11不同沼灌周期处理土壤矿质氮含量时间变化Fig4.11Timechangeofsoilmineralnitrogeninthedifferentbiogascycletreatment各处理土壤矿质氮含量均值大小依次为：W2d、沼>W6d、沼>W4d、清>W4d、沼>W8d、沼>W10d、沼，见图4.12。W2d、沼有最高值，为（45.31±7.51）mg/kg，在33.10~58.96mg/kg范围内变化；W10d、沼有最低值，为（33.12±8.18）mg/kg，月变化范围21.27~47.34mg/kg。最大值是最小值的1.37倍，不同沼水比处理土壤矿质氮含量均值间有较小差异。图4.12不同沼灌周期处理土壤矿质氮含量均值Fig4.12Meanvalueofsoilmineralnitrogeninthedifferentbiogascycletreatment43 重庆大学硕士学位论文不同沼灌周期处理土壤矿质氮含量均值随沼灌量降低缓慢减少，沼液灌溉能增加土壤矿质氮含量，与沼灌周期数t有线性负相关关系，与有机质负荷NC、氮负荷NN、磷负荷NP有线性正相关关系，具体数学表达式见表4.3。表4.3矿质氮含量与沼灌周期数、负荷的相关性分析Tab4.3Correlationanalysisofmineralnitrogencontentandbiogasirrigationcycleandload2相关性数学表达式R沼灌周期数t(d)负相关c=-2.784t+45.5740.8062有机质负荷NC(g/(m·2d))正相关c=3.260NC+30.4890.9512氮负荷NN(g/(m·2d))正相关c=22.794NN+30.4900.9522磷负荷NP(g/(m·2d))正相关c=158.517NP+30.4710.950与清水灌溉对照处理相比，2天沼灌处理土壤矿质氮含量增加了23.6%，灌溉效果最好；10天沼灌处理则降低9.7%。4.2沼灌对土壤磷的影响磷素是构成植物生命体的重要营养元素，作物对土壤中磷吸收利用较低。土壤供磷容量和供磷强度取决于土壤磷库丰缺及土壤磷素的化学行为，土壤有效磷[100][101]是判断土壤供磷强度的重要指标，也是决定科学施肥的主要依据。近年来，有研究表明土壤磷吸收系数较土壤有效磷更能反映出土壤供磷水平的丰缺。很多[102]研究表明，施用有机肥能提高土壤磷养分含量。施用猪场粪污沼液种植玉米可有效增加土壤表层磷元素，有效磷含量增加1.43~8.47mg/kg，增加率[82]11.11%~65.81%。在菜地施用沼液土壤有效磷平均含量比未施用的菜地土壤增加[103]了12.30%，但全磷含量变化不明显。4.2.1有效磷时间变化特征土壤有效磷是指在短期内土壤能供给作物吸收利用的磷素，能反映出土壤磷[104][105]供给水平。它主要来源于难溶于水的有机磷矿化持续释放的无机磷，包括全部水溶性磷、部分有机态磷、吸附态磷和某些沉淀态磷。①不同沼水比处理有效磷时间变化特征不同沼水比处理土壤有效磷含量随时间变化趋势如图4.13所示。各处理土壤有效磷含量在丝瓜生长期表现出相似的变化趋势，总体呈“N”型，均在9月出现最高值，10月出现最低值；最大降幅34.5%，为B1:1、2d。影响土壤有效磷因素较复杂，凡能影响土壤磷素化学反应因素，如土壤理化性质、环境因子（温度、水分）和种植方式等，都能导致土壤不同形态磷之间转化的不同，引起土壤有效磷差异44 4沼灌对土壤氮磷时间变化特征的影响[106]。10月土壤温度较9月低，土壤低温会通过降低土壤微生物活性导致土壤有效[107]磷含量降低。有研究表明，土壤质地轻、有机质丰富以及水量大等能促使磷在[108~110]土层中迁移。图4.13不同沼水比处理土壤有效磷含量时间变化Fig4.13Timechangeofsoilavailablephosphorusinthedifferentbiogaswatertreatment各处理土壤有效磷含量均值比较可看出：B沼、2d>B1:1、2d>B1:3、2d>B1:5、2d>B清、2d，见图4.14。有效磷含量在B沼、2d最高（54.01±4.41）mg/kg，每月在45.99~60.43mg/kg范围浮动；最低为B清、2d（52.55±3.89）mg/kg，月变化范围46.88~63.57mg/kg。土壤有效磷含量均值最大值是最小值的1.03倍，不同沼水比处理间变化平缓。图4.14不同沼水比处理土壤有效磷含量均值Fig4.14Meanvalueofsoilavailablephosphorusinthedifferentbiogaswatertreatment不同沼水比处理有效磷含量随沼液浓度增加缓慢增大，平均增幅2.0%，沼液45 重庆大学硕士学位论文灌溉对维持和提高土壤有效磷含量具有重要作用。与清水灌溉处理相比，100%沼液灌溉处理有效磷含量增加2.8%，试验结果最佳；其次为50%沼液灌溉处理，提高24%。②不同沼灌周期处理有效磷时间变化特征不同沼灌周期处理土壤有效磷含量随时间变化趋势如图4.15所示。各处理土壤有效磷含量在豇豆生长期有相似的变化趋势，总体呈“N”型，均在9月出现最高值，10月出现最低值；最大降幅31.6%（W2d、沼）。与不同沼水比处理总体变化类似。图4.15不同沼灌周期处理土壤有效磷含量时间变化Fig4.15Timechangeofsoilavailablephosphorusinthedifferentbiogascycletreatment各处理土壤有效磷含量均值见图4.16，依次为：W4d、沼>W6d、沼>W2d、沼>W10d、沼>W4d、清>W8d、沼。最高值在W4d、沼，为（131.22±7.32）mg/kg，月变化范围122.47~156.83mg/kg，其次是W6d、沼；最低值（102.34±9.31）mg/kg在W8d、沼，月变化范围90.27~131.41mg/kg。前者是后者的1.28倍，不同沼水比处理土壤有效磷含量均值间差异较小。46 4沼灌对土壤氮磷时间变化特征的影响图4.16不同沼灌周期处理土壤有效磷含量均值Fig4.16Meanvalueofsoilavailablephosphorusinthedifferentbiogascycletreatment不同沼灌周期处理土壤有效磷含量均值随沼灌量降低呈“M”型，4天沼灌处理有利于土壤有效磷含量的增加，与清水灌溉对照处理相比，提高26.1%，灌溉效果最好；其次是6天沼灌处理，提高17.1%。4.2.2磷吸收系数时间变化特征磷吸收系数（PAC）指的是磷吸收力，即土壤吸收固定磷的能力，是土壤吸磷的容量指标。表4.4是磷吸收系数与磷吸收力关系表。表4.4磷吸收系数与吸收力的关系Tab4.4Therelationshipbetweenphosphorusabsorptioncoefficientandabsorption磷吸收力强弱程度弱较弱普通较强强磷吸收系数500以下501~700701~10001001~15001501以上作物吸磷量与土壤有效磷和磷吸收系数的统计分析表明：土壤磷吸收系数也是影响土壤供作物吸收利用磷素水平的一个重要因素，更能表示土壤磷肥力特性[111]。①不同沼水比处理磷吸收系数时间变化特征不同沼水比处理土壤磷吸收系数随时间变化趋势如图4.17所示。各处理土壤有效磷含量在丝瓜生长期表现出相似的变化趋势，总体呈“W”型，在9月有峰值，最低值均出现10月下旬；最大降幅出现在B清、2d，为40.0%。47 重庆大学硕士学位论文图4.17不同沼水比处理土壤磷吸收系数时间变化Fig4.17Timechangeofsoilphosphorusabsorptioncoefficientinthedifferentbiogaswatertreatment各处理土壤磷吸收系数均值比较可看出：B沼、2d>B1:1、2d>B1:5、2d>B1:3、2d>B清、2d，见图4.18。在B沼、2d最高，为（519±42），月变化范围383~585；最低为B清、2d，为（461±58），月变化范围326~549。土壤磷吸收系数均值最大值是最小值的1.13倍，不同沼水比处理间存在较小差异。各处理土壤磷吸收系数变化范围为326~585，在500附近上下浮动，土壤磷吸收力较弱。图4.18不同沼水比处理土壤磷吸收系数均值Fig4.18Meanvalueofsoilphosphorusabsorptioncoefficientinthedifferentbiogaswatertreatment不同沼水比处理土壤磷吸收系数均值随沼液浓度降低缓慢减少，平均增幅7.4%，与不同沼水比处理有效磷均值变化趋势类似。土壤磷吸收系数与沼水比x、48 4沼灌对土壤氮磷时间变化特征的影响有机质负荷NC、氮负荷NN、磷负荷NP存在线性正相关，具体数学表达式见表4.5。表4.5磷吸收系数与沼水比、负荷的相关性分析Tab4.5Correlationanalysisofphosphorusabsorptioncoefficientandbiogaswaterratioandload2相关性数学表达式R沼水比x(%)正相关c=58.605x+466.0350.7682有机质负荷NC(g/(m·2d))正相关c=12.958NC+466.0320.7692氮负荷NN(g/(m·2d))正相关c=90.602NN+466.0340.7682磷负荷NP(g/(m·2d))正相关c=628.955NP+466.0230.767与清水灌溉处理相比，100%沼液灌溉处理磷吸收系数增加了12.5%，试验结果最佳；其次为50%沼液灌溉处理，提高9.1%。②不同沼灌周期处理磷吸收系数时间变化特征在中性以上的土壤中，影响磷酸吸收系数的因素主要有粘粒、有机质、石灰[112]含量和pH值等。不同沼灌周期处理土壤磷吸收系数随时间变化趋势如图4.19所示。除W4d、清外，各处理土壤磷吸收系数在豇豆生长期有相似的变化趋势，总体呈倒“V”型，大部分在9月出现最高值，11月出现最低值；最大降幅47.6%（W6d、沼）。W4d、清土壤磷吸收系数总体大致呈“W”型，最大降幅为28.9%。图4.19不同沼灌周期处理土壤磷吸收系数时间变化Fig4.19Timechangeofsoilphosphorusabsorptioncoefficientinthedifferentbiogascycletreatment各处理土壤磷吸收系数均值见图4.20，大小比较依次为：W4d、沼>W2d、沼>W6d、49 重庆大学硕士学位论文沼>W10d、沼>W4d、清>W8d、沼。磷吸收系数最高出现在W4d、沼（440±62），月变化范围为342~538mg/kg；W8d、沼最低，为（408±44），月变化范围为305~492。最大值是最小值的1.08倍，不同沼水比处理土壤磷吸收系数均值间差异较小。图4.20不同沼灌周期处理土壤磷吸收系数均值Fig4.20Meanvalueofsoilphosphorusabsorptioncoefficientinthedifferentbiogascycletreatment不同沼灌周期处理土壤磷吸收系数与沼灌周期关系显著，沼液灌溉能有效提高土壤磷吸收系数，与不同沼灌周期处理有效磷均值变化趋势类似。与清水灌溉对照处理相比，4天沼灌处理土壤磷吸收系数增加了5.4%，灌溉效果最好；其次是2天沼灌处理，提高2.2%。4.3本章小结（1）丝瓜生长期奶牛养殖沼液不同沼水比处理土壤硝态氮含量总体呈降低趋势，均值间存在较大差异；随沼液浓度增加逐渐增大，100%沼液灌溉处理较清水灌溉处理增加了73.9%，试验结果最佳。豇豆生长期不同沼灌周期处理土壤硝态氮含量呈先上升后降低趋势，均值间差异较明显；随沼灌量降低缓慢减少，2天沼灌处理与清水灌溉对照处理相比增加了58.6%，灌溉效果最好。（2）不同沼水比处理土壤铵态氮含量总体呈“N”型或“V”型，均值间差异较大；适中浓度沼灌（50%沼液灌溉处理）试验结果最好，能提高铵态氮含量2.2%。不同沼灌周期处理土壤铵态氮含量多数总体呈“N”型，均值间差异较小；2天沼灌处理灌溉效果最好，使得土壤铵态氮含量增加3.9%。（3）不同沼水比处理土壤矿质氮含量大部分呈“N”型变化，与土壤铵态氮相似，均值间差异平缓；适中浓度沼灌（50%沼液灌溉处理）能提高10.4%，灌溉效50 4沼灌对土壤氮磷时间变化特征的影响果最佳。不同沼灌周期处理土壤矿质氮含量总体呈“N”型或“V”型，均值间有较小差异；随沼灌量降低缓慢减少，2天沼灌处理结果最好，增加了23.6%。（4）不同沼水比处理与不同沼灌周期处理土壤有效磷含量总体均呈“N”型变化，均值间差异较小，变化平缓；100%沼液灌溉处理、4天沼灌处理分别使得有效磷含量增加了2.8%和26.1%，两者处理结果最佳。（5）不同沼水比处理土壤磷吸收系数总体呈“W”型，与土壤有效磷变化相似，均值间存在较小差异，土壤磷吸收力较弱；随沼液浓度降低缓慢减少，100%沼液灌溉处理增加了12.5%，效果最好。不同沼灌周期处理土壤磷吸收系数多数呈倒“V”型，均值间差异较小；适量沼灌（4天沼灌处理）效果最好，能有效提高5.4%。51 重庆大学硕士学位论文52 5沼灌对土壤氮磷吸附特征的影响5沼灌对土壤氮磷吸附特征的影响5.1氮的吸附+土壤对氮素的保持主要是指对NH4-N的吸附保持。吸附作用可以阻滞或者减缓氮素的迁移和转化，而且在一定程度上能够抑制氮素的流失。土壤一般带负电+[113]荷，对NH4-N吸附是靠静电引力实现的，吸附量由土壤颗粒的表面性质决定[114]。5.1.1氮吸附热力学特征影响①不同处理土壤氮等温吸附特征+研究区作物生长期内不同处理土壤对NH4-N的等温吸附曲线见图5.1、5.2。++从图可知，土壤对NH4-N的吸附随NH4-N平衡浓度的提高而增大，但吸附量的变化幅度不同。快速吸附阶段定义为吸附量变化幅度较大的浓度范围，慢速吸附[115]阶段定义为吸附量变化幅度较小的浓度范围。+不同沼水比处理土壤对NH4-N吸附有不同程度影响，见图5.1。B沼、2d以+NH4-N平衡浓度40mg/L为快速吸附和慢速吸附的分界点，其他处理土壤的分界+点提高到60mg/L。除B沼、2d外，土壤NH4-N的等温吸附曲线在快速吸附阶段差异较小，吸附效果差异主要表现在慢速吸附阶段，吸附效果依次表现为B清、2d>B1:5、2d>B1:3、2d>B1:1、2d。+图5.1不同沼水比处理土壤NH4-N的等温吸附曲线Fig5.1Adsorptionisothermofsoilammonianitrogeninthedifferentbiogaswatertreatment++不同沼灌周期处理土壤对NH4-N吸附随NH4-N平衡浓度增大呈快速上升趋53 重庆大学硕士学位论文+势，慢速吸附阶段不明显，见图5.2。除W4d、清外，其他处理土壤NH4-N的吸附曲线趋势一致，吸附效果表现为W4d、沼>W10d、沼>W6d、沼>W2d、沼>W8d、沼。在平衡液++NH4-N浓度为0~150mg/L范围内，W4d、清土壤NH4-N吸附效果高于其他处理土壤。+图5.2不同沼灌周期处理土壤NH4-N的等温吸附曲线Fig5.2Adsorptionisothermofsoilammonianitrogeninthedifferentbiogascycletreatment②土壤氮等温吸附方程参数根据国内外的研究，许多数学模型都能对氮吸附过程进行拟合分析，常用的[116~118]吸附等温方程有Langmuir方程、Freundiich方程以及多项式方程。Frendlich方程不能预测最大吸附量，但Langmuir方程却能计算有关土壤吸附的物理化学参数，描述出溶液状态下土壤等温吸附的全过程，反应出土壤的吸附性能、供应能力等。因此在描述土壤吸附反应时，Langmuir方程应用更广泛。Langmuir方程常用的表达式为：C/X=C/Xm+1/K·Xm式中：C——离子平衡浓度，mg/LX——土壤对离子的吸附量，mg/kg；Xm——最大吸附量，mg/kg，指25℃土壤吸附元素的最大量，其值反映土壤吸附元素量的大小；K——吸附平衡常数，大小反映土壤吸附基质与元素之间吸附力的变化。+通过土壤对NH4-N的等温吸附试验，利用Langmuir方程对吸附数据进行模拟。以C值为横坐标，C/X为纵坐标做线性拟合，得到直线方程，式中1/Xm为斜+率，1/K·Xm为截距，可得到不同处理土壤对NH4-N等温吸附的重要参数，见表5.1。54 5沼灌对土壤氮磷吸附特征的影响+表5.1不同处理土壤NH4-N的等温吸附参数Tab5.1Adsorptionisothermparametersofsoilammonianitrogeninthedifferenttreatment最大吸附量吸附平衡最大缓冲容量2处理RXm(mg/kg)常数KMBC(mg/kg)B沼、2d1136.360.038343.550.8247B1:1、2d1724.140.032255.490.7395B1:3、2d2083.330.017235.910.7919B1:5、2d2941.180.014843.480.6927B清、2d3030.300.013641.200.7188W2d、沼1562.500.011718.270.7414W4d、沼2500.000.008621.540.6770W6d、沼1098.900.035138.580.8623W8d、沼1063.830.041143.760.6270W10d、沼1075.270.061866.450.8259W4d、清2631.580.015640.930.7898+③不同处理对土壤NH4-N最大吸附量Xm的影响在Langmuir方程中，最大吸附量Xm能反映出土壤胶体吸附点位的多少，是+土壤吸附NH4-N的数量指标。1）不同沼水比处理的影响+从表5.1可看出，各处理土壤NH4-N最大吸附量Xm随着沼液浓度增加呈降低趋势，表现为：B清、2d>B1:5、2d>B1:3、2d>B1:1、2d>B沼、2d。仅B1:5、2d土壤Xm值与B清、2d土壤差别小，其余处理均显著降低，Xm值从小到大分别降低了62.5%、43.1%、31.2%和2.9%。结果表明，高沼液浓度灌溉处理（全沼，100%沼液浓度）低于清++水灌溉处理，能降低土壤对NH4-N吸附容量。提高沼水比对NH4-N吸附容量呈负影响。2）不同沼灌周期处理的影响+沼液灌溉能使土壤对NH4-N最大吸附量Xm降低，但不同沼灌周期影响程度不同。Xm值大小依次表现为：W4d、清>W4d、沼>W2d、沼>W6d、沼>W10d、沼>W8d、沼。W4d、沼土壤Xm值与W4d、清土壤差别较小，仅为W4d、清的95.0%。W6d、沼、W10d、沼、W8d、沼显著低于W4d、清，分别是W4d、清的41.8%、40.9%倍和40.4%倍，但三者Xm值相+近。W2d、沼是W4d、清的59.4%。结果表明，8天沼灌处理土壤对NH4-N的吸附容量最低。+④不同处理对土壤NH4-N吸附平衡能力K的影响55 重庆大学硕士学位论文在Langmuir方程中，吸附平衡常数K与吸附结合能有关，在一定程度上能反++映土壤对NH4-N的吸附能级。K值越大，土壤提供NH4-N能力越弱，对其吸附能力越强。1）不同沼水比处理的影响+土壤NH4-N吸附平衡常数K在B清、2d时最小，为0.0136；在B沼、2d时最大，为0.0383，是最小值的2.82倍。沼水比对K值的影响表现为：B沼、2d>B1:1、2d>B1:3、2d>B1:5、2d>B清、2d。K值与沼水比x(%)呈正相关，存在线性关系，数学表达式为：K=0.02756x+0.01264(R²=0.90279)。结果表明，低沼液浓度（沼水比1:5，17%+沼液浓度）提高了土壤Xm，却降低了土壤对NH4-N的吸附能力；高沼液浓度（全+沼，100%沼液浓度）降低了土壤Xm，却能提高土壤对NH4-N的吸附能力。提++高沼液浓度减少了土壤对NH4-N的吸附容量，却能增大土壤对NH4-N的吸附强+[119]度，因此Xm和K两者之间可作为土壤NH4-N吸附容量和吸附强度的互补。2）不同沼灌周期处理的影响+不同沼灌周期对土壤NH4-N的吸附强度在各沼灌周期时间段存在一定差异：2~4天沼灌处理时，K值较W4d、清显著降低，在W4d、沼达到最小值0.0086；6~10天沼灌处理时，K值较W4d、清显著增加，在W10d、沼达到最大值0.0618，是最小值的7.17倍。K值大小表现为：W10d、沼>W8d、沼>W6d、沼>W4d、清>W2d、沼>W4d、沼。结果表明，+短沼灌周期对NH4-N吸附能力有所减弱，而在长沼灌周期时吸附能力有所增强，同时周期越长越好，在10天沼灌处理时最大。+⑤不同处理对土壤NH4-N最大缓冲容量MBC的影响在Langmuir方程中，最大缓冲容量MBC是土壤吸附特性的综合指标，为Xm+与K的乘积，综合反映了Xm与K两个因素的作用，能更好地反应土壤吸附NH4-N+特征。MBC值越大，表明土壤结合NH4-N能力越强。1）不同沼水比处理的影响+沼液浓度对土壤NH4-N最大缓冲容量MBC具有重要影响，表现为：B1:1、2d>B1:5、2d>B沼、2d>B清、2d>B1:3、2d。各处理MBC值较B清、2d有高有低，仅B1:3、2d土壤MBC值低于B清、2d，其他处理均较B清、2d显著提高。其中B1:1、2d土壤MBC值最+大，土壤结合NH4-N能力最强；B沼、2d与B1:5、2d土壤MBC值大小差别不大，两+者土壤结合NH4-N能力相近。结果表明，不同沼水比处理吸附影响规律性不明显，可能是沼灌时间太短，加入沼液与土壤作用不充分，以致对土壤吸附能力影响甚小。2）不同沼灌周期处理的影响随着沼灌周期数的增大，各处理MBC值呈逐渐增加，具体表现为：W10d、沼>W8d、沼>W4d、沼>W6d、沼>W4d、清>W2d、沼。MBC值与沼灌周期数t(d)呈正相关，存在线性关56 5沼灌对土壤氮磷吸附特征的影响系，数学表达式为：MBC=5.928t+2.147(R²=0.935)。W4d、沼土壤MBC值高于2~6天沼灌处理，分别是上述处理的2.24倍、1.90倍和1.06倍；低于8~10天沼灌处+理，分别为94%和62%。结果表明，长沼灌周期（10天沼灌）有利于土壤对NH4-N+结合能力的增强，短沼灌周期（2天沼灌）会降低土壤对NH4-N结合能力。5.1.2氮吸附动力学特征影响①不同处理土壤氮吸附动力学特征+研究区作物生长期不同处理土壤对NH4-N的吸附动力学曲线见图5.3、5.4。。+从图可知，随着时间的不断累积，土壤NH4-N吸附量显著增加，最后趋于平缓，+达到吸附平衡状态。NH4-N的快慢吸附反应过程可看作是土壤固相表面存在不同[114]+的能级吸附位点，土壤胶体吸附NH4-N时存在高低能结合点，高能态吸附点吸附快，低能态吸附点则吸附较慢。+不同沼水比处理土壤在不同时间段内对NH4-N吸附的影响程度不同，见图5.3。在吸附过程初期，吸附量急剧增加，曲线快速上升，各处理均处于快速吸附阶段，存在高能态吸附点。至12h后曲线平缓增长，逐渐为等值直线变化，说明+土壤对NH4-N吸附接近饱和，各处理已转至慢速吸附阶段，存在低能态吸附点，吸附效果表现为B清、2d>B1:5、2d>B1:3、2d>B1:1、2d>B沼、2d。推断可判定12h是供试土壤在此次试验条件下的吸附平衡时间。+图5.3不同沼水比处理土壤NH4-N的吸附动力学曲线Fig5.3Adsorptionkineticscurvesofsoilammonianitrogeninthedifferentbiogaswatertreatment+不同沼灌周期处理土壤NH4-N的吸附平衡时间同样是12h，见图5.4。在快+速吸附阶段，各处理对NH4-N吸附的增幅大，曲线有迅速上升趋势，高能态吸附点较多。慢速吸附阶段各处理曲线上升相对缓慢，趋于水平直线，此时低能态吸57 重庆大学硕士学位论文附点较高能态吸附点多，吸附效果W4d、沼>W2d、沼>W4d、清>W10d、沼>W6d、沼>W8d、沼。+图5.4不同沼灌周期处理土壤NH4-N的吸附动力学曲线Fig5.4Adsorptionkineticscurvesofsoilammonianitrogeninthedifferentbiogascycletreatment②不同处理土壤氮的平均吸附速率+平均吸附速率能宏观地分析吸附速率，指的是单位时间内土壤对NH4-N的平+均吸附量，反映了整个吸附过程进行的快慢，进一步反映出供试土壤对NH4-N的动态吸附过程。表5.2是不同处理在各个时间段内的平均吸附速率大小。+表5.2不同时段内土壤NH4-N的平均吸附速率(mg/kg·h)Tab5.2Averageadsorptionrateofsoilammonianitrogenatdifferenttimes处理0~1h1~2h2~4h4~6h6~10h10~12h12~24hB沼、2d282.18396.0499.0149.5024.75148.518.25B1:1、2d282.18198.0249.5049.50123.7649.5049.50B1:3、2d381.19198.0249.50148.5174.2699.0124.75B1:5、2d579.21396.0449.5049.50123.7649.5016.50B清、2d480.20693.0799.0199.0174.2649.508.25W2d、沼282.18297.0399.01148.5124.7599.0141.25W4d、沼381.19297.0399.0149.5024.7599.0157.76W6d、沼282.18198.0249.5049.5099.0149.5016.50W8d、沼381.19297.0349.5049.5024.7549.5024.75W10d、沼84.16495.0549.50148.5124.75148.518.25W4d、清183.17594.0699.0149.5024.75148.5116.5058 5沼灌对土壤氮磷吸附特征的影响1）不同沼水比处理的平均吸附速率+由表5.2可知，各处理土壤对NH4-N的平均吸附速率在0~12h内较大，其中0~2h速率最大，清水灌溉处理最大；吸附量增长最快，吸附过程急剧增加。此后进入慢速吸附阶段，吸附速率最小，分别为8.25mg/kg·h、49.50mg/kg·h、+24.75mg/kg·h、16.50mg/kg·h、8.25mg/kg·h；各处理吸附过程缓慢。土壤对NH4-N的吸附在12h后基本达到平衡，完全平衡则还需更长时间。2）不同沼灌周期处理的平均吸附速率+随时间增加各处理土壤NH4-N在不同时段内的平均吸附速率总体呈降低趋+势。吸附主要发生在前期0~12h内，土壤NH4-N的平均吸附速率在0~2h内出现最大值，分别为297.03mg/kg·h、381.19mg/kg·h、282.18mg/kg·h、381.19mg/kg·h、495.05mg/kg·h、594.06mg/kg·h，其中清水灌溉对照处理平均吸附速率最大。12h后吸附速率趋于平缓，并接近于某一定值，吸附过程达到基本平衡。5.2磷的吸附土壤磷酸盐吸附曲线的形状、拟合方程和参数，能反映出土壤本性，从而能[120]预测给定条件下土壤最大吸附容量，有助于探索土壤对磷的吸附机理。5.2.1磷吸附热力学特征影响①不同处理土壤磷等温吸附特征研究区作物生长期不同处理土壤对磷酸盐的等温吸附曲线见图5.5、5.6。从图可知，土壤对磷酸盐的吸附随磷酸盐平衡浓度的提高呈上升趋势，但对吸附的影响程度不同。不同沼水比处理土壤对磷酸盐吸附随磷酸盐平衡浓度的提高呈现出相同的变化趋势：等温吸附曲线均处于快速吸附阶段，见图5.5。在0~25mg/L平衡液磷酸盐浓度内，各处理土壤土壤磷酸盐吸附效果均低于B清、2d，依次表现为B1:5、2d>B1:1、2d>B沼、2d>B1:3、2d。59 重庆大学硕士学位论文图5.5不同沼水比处理土壤磷酸盐的等温吸附曲线Fig5.5Adsorptionisothermofsoilphosphateinthedifferentbiogaswatertreatment不同沼灌周期处理土壤对磷酸盐吸附有不同变化幅度，见图5.6。各处理等温吸附曲线变化趋势相似：快速吸附和慢速吸附的转折点为磷酸盐平衡浓度8mg/L。在整个吸附阶段，W4d、清吸附效果显著高于其他处理。快速吸附阶段吸附效果表现为W4d、清>W2d、沼>W8d、沼>W10d、沼>W6d、沼>W4d、沼；慢速吸附阶段为W4d、清>W2d、沼>W8d、沼>W10d、沼>W6d、沼>W4d、沼。图5.6不同沼灌周期处理土壤磷酸盐的等温吸附曲线Fig5.6Adsorptionisothermofsoilphosphateinthedifferentbiogascycletreatment②土壤磷等温吸附方程参数国内外大量研究表明，土壤磷吸附过程可以用吸附方程拟合。常用的有Lnagmuir方程、Freundlieh方程以及Temkin方程。上述方程均能很好地表征一定60 5沼灌对土壤氮磷吸附特征的影响磷浓度下（≤100mg/L）土壤磷素吸附特征，但Lnagmuri方程拟合度较高，拟合效果好，因此应用较广泛。通过土壤对磷酸盐的等温吸附试验，利用Langmuir方程对吸附数据进行模拟，可得研究区作物生长期不同处理土壤对磷酸盐等温吸附参数，见表5.3。表5.3不同处理土壤磷酸盐的等温吸附参数Tab5.3Adsorptionisothermparametersofsoilphosphateinthedifferenttreatment最大吸附量吸附平衡最大缓冲容量2处理RXm(mg/kg)常数KMBC(mg/kg)B沼、2d327.870.113837.310.9810B1:1、2d469.480.062229.200.9145B1:3、2d423.730.028712.150.7808B1:5、2d581.400.059034.310.8360B清、2d526.320.098851.980.8235W2d、沼223.210.419993.720.9835W4d、沼159.240.421567.110.9862W6d、沼222.220.167937.310.9018W8d、沼185.190.382470.820.9761W10d、沼257.730.145537.510.8183W4d、清277.010.350196.990.9666③不同处理对土壤磷酸盐最大吸附量Xm的影响1）不同沼水比处理的影响从表5.3可看出，随着沼液浓度增加各处理土壤磷酸盐最大吸附量Xm总体呈降低趋势，Xm值依次表现为：B1:5、2d>B清、2d>B1:1、2d>B1:3、2d>B沼、2d。B清、2d土壤Xm值低于B1:5、2d，但高于其他处理，分别是B1:1、2d、B1:3、2d和B沼、2d的1.12倍、1.24倍和1.61倍。结果表明，降低沼水比对磷酸盐吸附容量呈正影响，高沼液浓度（全沼，100%沼液浓度）土壤对磷酸盐吸附容量最小，远远低于清水灌溉处理。2）不同沼灌周期处理的影响沼液灌溉能降低土壤对磷酸盐的最大吸附量Xm，但影响程度不同，表现为：W4d、清>W10d、沼>W2d、沼>W6d、沼>W8d、沼>W4d、沼。各处理土壤Xm值均显著低于W4d、清，Xm值按大到小分别降低了7.0%、19.4%、19.8%、33.1%和42.5%。W10d、沼与W4d、清土壤Xm值相近，前者是后者Xm值的93.0%。W2d、沼与W6d、沼土壤Xm值差别不大，两者仅相差0.44%。W8d、沼与W4d、沼土壤Xm值接近，前者是后者的1.16倍。上述61 重庆大学硕士学位论文三对两者之间土壤磷酸盐的吸附容量相似。结果表明，土壤对磷酸盐吸附容量最低的是4天沼灌处理。④不同处理对土壤磷酸盐吸附平衡能力K的影响1）不同沼水比处理的影响各处理土壤磷酸盐吸附平衡常数K随沼液浓度增加总体逐渐增加；在B沼、2d时有最大值0.1138，最小值出现在B1:3、2d，仅为最大值的25.2%。K值大小依次为：B沼、2d>B清、2d>B1:1、2d>B1:5、2d>B1:3、2d。B清、2d土壤K值较B沼、2d低，较其他处理高。结果表明，高沼液浓度（全沼，100%沼液浓度）降低了土壤Xm值，提高了土壤K值。提高沼液浓度减少了土壤对磷酸盐吸附容量，却能增大土壤对磷酸盐吸附强度，同样说明Xm和K两者之间可作为土壤磷酸盐吸附容量和吸附强度的互补。2）不同沼灌周期处理的影响沼灌周期对土壤磷酸盐吸附平衡常数K的影响有高有低，具体表现为：W4d、沼>W2d、沼>W8d、沼>W4d、清>W6d、沼>W10d、沼。在W4d、沼存在最大值0.4215，W10d、沼存在最小值0.1455，最大值是最小值的2.90倍。W4d、清土壤K值与其他处理相比，是W4d、沼、W2d、沼和W8d、沼的83.1%、83.4%和91.6%；是W6d、沼和W10d、沼的2.08倍和2.41倍。W4d、沼和W2d、沼土壤K值仅相差0.38%，有相近的土壤磷酸盐吸附强度。结果表明，4天沼灌处理土壤磷酸盐吸附能力最强。⑤不同处理对土壤磷酸盐最大缓冲容量MBC的影响1）不同沼水比处理的影响沼液浓度与土壤磷酸盐最大缓冲容量MBC的影响关系表现为：B清、2d>B沼、2d>B1:5、2d>B1:1、2d>B1:3、2d。各处理MBC值均低于B清、2d，分别降低了76.6%、43.8%、34.0%和28.2%。B沼、2d、B1:5、2d和B1:1、2d三者土壤MBC值相近，有相似的土壤磷酸盐结合能力。结果表明，清水灌溉处理土壤结合磷酸盐能力最强，25%沼液灌溉处理结合磷酸盐能力最弱。2）不同沼灌周期处理的影响土壤磷酸盐最大缓冲容量MBC以6天沼灌为分界点，在各沼灌周期时间段有不同程度的降低趋势：2~6天沼灌处理时，MBC值在W6d、沼达到最小值，平均降幅为36.4%；8~10天沼灌处理时，在W10d、沼达到极小值，降幅为47.4%。MBC值大小表现为：W4d、清>W2d、沼>W8d、沼>W4d、沼>W10d、沼>W6d、沼。结果表明，短沼灌周期土壤磷酸盐结合能力降低较缓，长沼灌周期土壤磷酸盐结合能力降低较陡；4天沼灌处理土壤磷酸盐结合能力最强，其次是2天沼灌处理。5.2.2磷吸附动力学特征影响①不同处理土壤磷吸附动力学特征研究区作物生长期不同处理土壤对磷酸盐的吸附动力学曲线见图5.7、5.8。。62 5沼灌对土壤氮磷吸附特征的影响从图可知，随着时间的不断累积，土壤磷酸盐吸附量增加较快，最后逐渐平缓，吸附反应趋于平衡。不同沼水比处理土壤在不同时间段内对磷酸盐吸附的变化幅度不同，总体呈上升趋势，见图5.7。在前期快速吸附阶段，随着时间增加，各处理土壤磷酸盐吸附量不断上升，到12h时分别为平衡值的66.7%、47.4%、74.3%、73.3%、75.0%。12h以后土壤磷酸盐吸附逐渐接近100%，低能态吸附点增加，吸附过程进入慢速吸附阶段。推断供试土壤在此次试验条件下的吸附平衡时间为12h。图5.7不同沼水比处理土壤磷酸盐的吸附动力学曲线Fig5.7Adsorptionkineticscurvesofsoilphosphateinthedifferentbiogaswatertreatment不同沼灌周期处理土壤对磷酸盐吸附随时间增加而增加，见图5.8。各处理土壤磷酸盐快速吸附和慢速吸附的分界点是12h，同时也是供试土壤磷酸盐的吸附平衡时间。快速吸附阶段土壤磷酸盐吸附量显著增加，曲线处于快速上升期，高能态吸附点存在较多。在慢速吸附阶段，吸附量逐渐趋于一常数，此次试验条件下土壤磷酸盐最终的最大吸附量分别为293mg/kg、305mg/kg、346mg/kg、333mg/kg、325mg/kg、366mg/kg。63 重庆大学硕士学位论文图5.8不同沼灌周期处理土壤磷酸盐的吸附动力学曲线Fig5.8Adsorptionkineticscurvesofsoilphosphateinthedifferentbiogascycletreatment②不同处理土壤磷的平均吸附速率用平均吸附速率宏观地来分析吸附速率，从而反映出供试土壤对磷酸盐的动态吸附过程。通过计算求出某个时间段内土壤磷酸盐平均吸附速率大小，结果见表5.4。表5.4不同时段内土壤磷酸盐的平均吸附速率(mg/kg·h)Tab5.4Averageadsorptionrateofsoilphosphateatdifferenttimes处理0~1h1~2h2~4h4~6h6~10h10~16h16~24hB沼、2d40.6640.6513.5510.1627.106.785.08B1:1、2d20.3320.3316.2613.2113.5510.1610.16B1:3、2d20.3360.986.7825.412.714.402.54B1:5、2d40.6620.3313.5520.3313.551.697.62B清、2d20.3320.3313.5535.576.783.395.08W2d、沼20.3320.336.785.0820.335.0811.18W4d、沼40.6640.6513.5520.3313.553.392.54W6d、沼60.9840.656.7810.166.785.0812.70W8d、沼48.7912.206.7810.1613.551.6918.80W10d、沼40.668.1313.553.059.492.7120.33W4d、清60.9820.332.713.056.7813.5510.161）不同沼水比处理的平均吸附速率64 5沼灌对土壤氮磷吸附特征的影响由表5.4可知，各处理土壤随时间增加在快速吸附阶段0~12h内对磷酸盐平均吸附速率较大，但在0~2h内速率出现最大值，依次表现为B1:3、2d>B沼、2d>B1:5、2d>B1:1、2d>B清、2d，25%沼液灌溉处理最大。慢速吸附阶段吸附速率在12~32h内出现最小值，依次表现为B1:3、2d>B清、2d>B沼、2d>B1:5、2d>B1:1、2d，与速率最大值顺序相似。2）不同沼灌周期处理的平均吸附速率不同时段内各处理土壤磷酸盐平均吸附速率在前期0~12h内较后期大，0~2h内速率又远远大于其他时段。各处理土壤在0~1h内磷酸盐平均吸附速率最大，依次为W6d、沼>W4d、清>W8d、沼>W4d、沼>W10d、沼>W2d、沼，6天沼灌处理最大。12h后吸附速率平缓增加，在12~32h最小，为W8d、沼>W4d、清>W10d、沼>W2d、沼>W6d、沼>W4d、沼。5.3本章小结+（1）研究区作物生长期内不同处理土壤对NH4-N的吸附随平衡浓度提高而增大，吸附量变化幅度不同。经Langmuir方程拟合后，不同沼水比处理中100%沼液灌溉处理降低了土壤最大吸附量Xm，提高了吸附平衡常数K，最大缓冲容量+MBC规律不明显；不同沼灌周期处理中8天沼灌处理土壤对NH4-N的吸附容量+最低，10天沼灌处理NH4-N吸附能力和结合能力最强。+（2）不同处理土壤NH4-N吸附量随时间累积显著增加，0~2h平均吸附速率最大，均出现在清水灌溉处理，吸附主要发生在0~12h内；12h后趋于平缓，达到吸附平衡状态。（3）不同处理土壤对磷酸盐的吸附随平衡浓度呈上升趋势，影响程度不同。Langmuir方程拟合可得：100%沼液灌溉处理能降低土壤对磷酸盐吸附容量，但能提高磷酸盐吸附能力，清水灌溉处理能增加土壤结合磷酸盐能力；4天沼灌处理时Xm值最低，K值最大，MBC值高。（4）不同处理土壤对磷酸盐吸附量随时间累积增加较快，平均吸附速率在0~2h内有最大值，出现在25%沼液灌溉处理、6天沼灌处理，在12~32h内有最小值；12h后逐渐平缓，吸附反应趋于平衡。65 重庆大学硕士学位论文66 6结论与建议6结论与建议6.1主要结论本课题研究了奶牛养殖沼液不同沼水比和不同沼灌周期处理0~20cm土层土壤氮磷在丝瓜、豇豆等作物生长期内的时间分布特征和吸附特性，对氮磷随时间的迁移转化规律进行了定量化探讨，并制定出奶牛养殖沼液灌溉技术模式，得到的主要结论如下：（1）奶牛养殖沼液不同沼水比处理土壤有机质含量在丝瓜生长期随沼液浓度增加而增大，100%沼液灌溉处理灌溉效果最好。不同沼灌周期处理土壤有机质含量在豇豆生长期随沼灌量增加逐渐增大，2天沼灌处理试验结果最佳。不同沼水比处理中17%沼液灌溉处理有利于增加1.0%土壤过氧化氢酶活性，试验结果较佳；沼灌对土壤转化酶活性、脲酶活性以及磷酸酶活性都存在抑制作用，清水灌溉处理结果最好。不同沼灌周期处理中8天沼灌处理能提高2.0%土壤过氧化氢酶活性；6天沼灌处理有利于土壤转化酶活性增加2.5%；4天沼灌处理能有效增加13.7%土壤磷酸酶活性，上述处理灌溉效果最好。沼灌会抑制土壤脲酶活性，清水灌溉对照处理效果最明显。（2）丝瓜生长期奶牛养殖沼液不同沼水比处理中100%沼液灌溉处理土壤硝态氮含量增加了73.9%；50%沼液灌溉处理提高2.2%土壤铵态氮含量和10.4%矿质氮含量，试验结果最佳。豇豆生长期不同沼灌周期处理中2天沼灌处理使得土壤硝态氮含量、铵态氮含量和矿质氮含量分别增加了58.6%、3.9%和23.6%，处理结果最好。100%沼液灌溉处理能有效提高土壤有效磷含量2.8%和磷吸收系数12.5%，效果最好。4天沼灌处理有利于提高26.1%土壤有效磷含量，5.4%磷吸收系数，结果最佳。+（3）研究区作物生长期内不同处理土壤对NH4-N的吸附随平衡浓度提高而增大；吸附量随时间累积显著增加，0~2h平均吸附速率最大，均出现在清水灌溉处理，12h后达到吸附平衡状态。经Langmuir方程拟合后，100%沼液灌溉处理降低了土壤最大吸附量Xm，提高了吸附平衡常数K，最大缓冲容量MBC规律不明++显；8天沼灌处理土壤对NH4-N的吸附容量最低，10天沼灌处理NH4-N吸附能力和结合能力最强。不同处理土壤对磷酸盐的吸附随平衡浓度呈上升趋势；吸附量随时间累积增加较快，平均吸附速率在0~2h内有最大值，出现在25%沼液灌溉处理、6天沼灌处理，12h后吸附反应趋于平衡。Langmuir方程拟合可得：100%沼液灌溉处理能67 重庆大学硕士学位论文降低土壤对磷酸盐吸附容量，但能提高磷酸盐吸附能力，清水灌溉处理能增加土壤结合磷酸盐能力；4天沼灌处理时Xm值最低，K值最大，MBC值高。（4）综合考虑0~20cm土层土壤有机质、生物酶活性以及氮磷等指标的时间分布特征，对奶牛养殖沼液灌溉的最优处理进行讨论，结果见表6.1。表6.1不同指标下不同处理中的最优选择Tab6.1Optimalchoiceinthetypeoftreatmentunderdifferentindicators有机质过氧化氢酶转化酶脲酶磷酸酶不同沼水比处理B沼、2dB1:5、2dB清、2dB清、2dB清、2d不同沼灌周期处理W2d、沼W8d、沼W6d、沼W4d、清W4d、沼硝态氮铵态氮矿质氮有效磷磷吸收系数不同沼水比处理B沼、2dB1:1、2dB1:1、2dB沼、2dB沼、2d不同沼灌周期处理W2d、沼W2d、沼W2d、沼W4d、沼W4d、沼N-XmN-KN-MBCN-平均吸附速率不同沼水比处理B沼、2dB沼、2d-B清、2d不同沼灌周期处理W8d、沼W10d、沼W10d、沼W4d、清P-XmP-KP-MBCP-平均吸附速率不同沼水比处理B沼、2dB沼、2dB清、2dB1:3、2d不同沼灌周期处理W4d、沼W4d、沼W4d、沼W6d、沼从氮的角度考虑，不同沼水比处理中100%和50%沼液灌溉、不同沼灌周期处理中2天沼灌较清水灌溉对照处理有显著提高，适于作为氮源进行土壤灌溉。从磷的角度考虑，不同沼水比处理中100%沼液灌溉、不同沼灌周期处理中4天沼灌对于土壤磷素有明显的提高作用，宜作为磷源用于土壤灌溉。综合考虑0~20cm土层土壤氮磷时间分布特征可得：100%沼液2天灌溉（有机质222负荷NC=4.523g/(m·2d)、氮负荷NN=0.647g/(m·2d)、磷负荷NP=0.093g/(m·2d)）、2250%沼液2天灌溉和100%沼液4天灌溉（NC=2.626g/(m·2d)、NN=0.323g/(m·2d)、2NP=0.047g/(m·2d)）等三个处理作为氮磷源灌溉土壤，能明显改善土壤养分状况，提高土壤肥力，有效预防沼灌产生的农业面源污染，是适宜的沼灌水质和灌溉周期。68 6结论与建议6.2不足与建议（1）盆栽试验结果能较客观地表达课题研究的真实情况，如考虑季节变异等因素，需将试验重复进行2~3年。本课题试验由于时间限制只进行了一季，文中结论只作为相关研究的参考依据。（2）鉴于时间较短，奶牛养殖沼液灌溉后土壤对氮磷的吸附特性并不能完全反映沼灌对土壤氮磷的长期影响，有必要借助数学模型开展其他相应的研究。（3）相较于平均吸附速率的局部性、不连续性，瞬时吸附速率是从微观分析土壤氮磷动力学吸附效果，是连续的某个时间点的即时吸附速率，更能反映出土壤氮磷吸附的动态过程及吸附特性。但两者总体变化趋势一致。69 重庆大学硕士学位论文70 致谢致谢岁月如梭，白驹过隙间三年研究生涯就要过去了，我向所有关心和帮助过我的人表示衷心地感谢！谢谢他们3年来对我学习、生活上的支持和帮助，愿他们万事如意，一生平安！首先我要向我的恩师张智教授致以最诚挚的谢意！本文从论文选题、研究方法设计、试验实施到论文审阅定稿，无不凝聚着张老师的心血和汗水。张老师深厚的学术造诣、敏锐的科研洞察力、严谨的治学态度以及高尚的师德，让我受益匪浅，是我终身学习的榜样。从他身上学到的东西，早已超越了知识价值的本身。在此对张老师三年来的辛勤培育、谆谆教诲和支持鼓励表示由衷地感谢！感谢学院各位领导和老师，特别是邓晓莉、王岳川等老师为研究生学习就业所付出的辛勤汗水。感谢所有教育、关心过我的老师，一日为师终生为父，你们精心的培养才有我今天成功的收获！感谢与我共同参与课题研究的余薇薇师姐和毕生兰师姐，余师姐在学习和生活中都给予我无私的帮助：在我成功时给我鼓励，失落时给我安慰，让我能轻松地面对生活，我的实验和论文才能顺利完成！感谢张智课题组付国楷老师、阳春老师和其他师兄师姐、师弟师妹们对我的关心帮助，三年的研究生活有了你们的一路相伴，我才更有勇气和信心投入学习科研中！最后，衷心感谢在百忙中评阅论文、参加答辩评审的各位专家、教授！罗苏蓉二O一三年四月于重庆71 重庆大学硕士学位论文72 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