种养结合循环利用模式对土壤中氟元素含量的影响研究

冉彬 杨焱

摘 要：目的：探明种养结合循环利用模式对土壤中氟（F）元素含量的影响。对成都市双流县实施种养结合循环利用模式下土壤中的氟元素含量进行测定，分析该模式对土壤中F元素含量的影响。方法：试验区和对照区均为稻田-油菜土，并采用网格法取点，GPS+MAPGIS定位，设置试验样地与对照样点数分别为47和31个，以每个采样点为中心，采用交叉法采集5个0～20cm耕层土样组成一个混合样，土样混匀后用四分法弃去部分土壤，保留1.5kg装入相应编号的塑料袋中带回实验室。风干过筛后采用氟离子选择电极法测定土壤中氟元素含量，应用SPSS软件进行方差分析。结果：试验区土壤全F含量小于对照样地全F含量（p<0.01），降幅达12.9%；试验区土壤F含量的变异程度大于对照区。结论：长期浇灌沼液并施用固体发酵肥能有效降低土壤F含量。

关键词：种养结合；循环利用；土壤；氟元素

中图分类号 S151.9 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）09-118-03

Effect of Planting and Breeding Integrated Recycling Model on Fluorine Element Content in the Soil

Ran Bing1 et al.

（1The Animal Husbandry Station in Yaoshan，Libo 558400，China）

Abstract：Objective：The study aims to investigate the effect of planting and breeding integrated recycling model on fluorine element content in the soil. The fluorine element content in the soil was determined under planting and breeding integrated recycling model in Shuangliu county，Chengdu city. Method：The study was conducted on an area where the soil was a complex of rice field and oilseed rape field. Using grid method and GPS and MAPGIS position，47 and 31 sampling point was selected in treatment and control group，respectively. Each 5 soil samples from 0 to 20 cm plough layer were combined into one sample，which was collected from each sample point center using interior extrapolation method.Thereafter，some soil sample was discarded using quartering method and 1.5 kg soil sample were collected. The sample was dried and filtered through metal gauze and fluorine element content was determined by using the fluoride ion selective electrode method.The variance analysis was performed by using the SPSS software. Result：The fluoride element content was significantly lower in treatment than that in control group with a 12.9% decreasing amplitude，and the degree of variation was significantly higher in treatment than that in control group.Conclusion：The long-term biogas slurry irrigation and solid-state fermentation fertilizer application can effectively decrease the fluoride element content in the soil.

Key words：Planting and breeding integrated；Recycling；Soil；Fluorine element

种养结合循环利用模式是近些年来在传统畜禽规模化养殖的基础上发展起来的，更适应现代社会、经济和环境协调发展的一种新模式。与传统畜禽规模化养殖方式相比，它把种植与养殖结合起来，通过无害化处理后的畜禽粪便灌溉附近农田，农作物的副产物又作为饲料，从而实现种养的物质循环。由于其高产、优质、高效、低耗、不污染环境等特点，备受现代农业生产的关注，是生态循环利用的一种重要方式，具有极其广阔的发展前景。

氟是化学性质最活泼的非金属元素，广泛分布于自然界中，虽然它是机体低剂量时可能必须的微量元素之一，对机体有多方面的生理作用，但也有潜在的毒性[1]，长期过量摄入会引起氟中毒，导致机体功能紊乱、机体骨相和非骨相软组织的损伤[2]。

土壤环境中氟含量不足，会导致饮用水和食物中氟的缺乏，从而进一步影响到人和动物牙齿的生长；反之，当土壤环境中氟含量过高，就会通过进入地表水和地下水造成水源型氟含量超标，通过食物链富集到动物或人体后造成氟中毒[3]。人类活动会引起土壤氟元素的积累因施肥，如法国每年每0.4hm2土地上增加了约710～1 716kg的氟化物，而我国中小型磷肥厂生产的磷肥含氟量约为10～16g/kg。磷肥和含氟农药的广泛施用，势必引起土壤氟含量的上升。

土壤是氟环境化学体系的枢纽化学成分，前人对土壤中氟的来源，氟的含量状况，氟的迁移、富集及分布规律和氟的反应机制、吸附特性及其影响因素研究较多[4-8]，而有关实施种养结合循环利用模式对土壤中氟元素的影响的研究未见报道。为此，本研究采用氟离子选择电极法对实施种养结合循环利用模式3a以上的稻田—油菜土壤中氟元素进行测定和分析，旨为该模式的推广和评价其生态环境效益提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验区概况

1.1.1.1 地理位置 双流县地处四川省中西部、成都平原东南缘、成都市西南近郊（103°47′～104°15′E，30°13′～30°40′N）。县域东西宽46km，南北长49km，面积

1 068km2。

1.1.1.2 地质地貌与土壤特征 双流县主要土壤类型有水稻土、冲积土、黄壤土、紫色土4种，冲积性水稻土、紫色性水稻土、黄壤性水稻土、潮土、紫色土、黄壤土6个亚类，21个土属，44个土种。其中以水稻土为主，占总耕地面积的78.62%，分布于全县各乡镇，pH值5.5～8.5，基本适宜水稻、小麦、油菜等作物的生长需求[8]。

1.1.1.3 气候与植被特征 双流县地属亚热带湿润季风气候，气候温和，空气湿润，冬无严寒，夏无酷暑，春暖秋凉，四季分明。年平均气温为16.2℃，最高年平均气温16.9℃，最低年平均气温15.4℃；县域降水丰沛，平均年降水量为921.1mm，夏多冬少，长年云雾多，日照少，属全国日照低值区。植被具有多样性特点：平原区以农业植被为主，主要是油菜和水稻；村落周围、河渠道路两旁，以慈竹群落为主的川西平原林盘星罗棋布；低山区主要分布经济林木；台地以人工次生林为主，主要类型为马尾松、湿地松等松林。

1.1.1.4 养殖场概况 双流县的养殖场隶属成都吞拿养殖有限公司，位于公兴镇青云寺村，养殖面积为70hm2，现存栏种猪800余头，商品猪4 000余头；此外还建有储粪池10个，约3 700m2，厌氧发酵池500m2，输粪管道1 800m长。养殖场产生的粪污通过干湿分离技术灌溉周围农田（覆盖青云寺和兰沟2个村），共约1 200hm2。周围的农田种植的主要作物有水稻、油菜、水果以及一些大棚蔬菜。养殖场在2009年已实施种养结合循环利用模式3a以上。

1.1.2 样品的采集 本试验采样地位于成都双流县公兴镇青云寺村吞拿养殖场以北的水稻田，样地地势平坦，环境条件一致，远离交通要道，周围无工矿企业，每年5～9月种植水稻，10月至次年4月种植油菜，稻谷和油菜籽加工副产物作为育肥猪及种猪的饲料。粪污经干湿分离，固体部分经堆肥发酵，液体部分经沼气池发酵，产物均用做肥料。样地分试验区和对照区，试验区连续浇灌沼液并施用固体发酵肥3a以上，不施用化肥；对照区以施化肥为主，兼施少量农家肥（猪粪污未经专门发酵处理，直接排进储粪池供施肥用）。2009年3月借助GPS导航定位确定整个研究区域的面积，以及经纬度、海拔高度、周围环境特征、土壤质地及植被状况等，将通过GPS所得到的研究区域平面图导入Mapgis进行坐标矢量化，并设计出采用60m×60m标准网格法进行采样。从东到西，设置2个样区，分别为灌溉无害化处理沼液的试验区和对照区。2个样区均选在地形平坦，土壤类型一致的区域，并进行具体的编号。再将Mapgis里的矢量坐标导入GPS中，与2009年5月8日借助GPS导航找到所需采样点，相邻样点间间距相同，为60m。以每个采样点为中心，采用交叉法采集5个0～20cm耕层土样组成一个混合样，土样混匀后用四分法弃去部分土壤，保留1.5kg装入相应编号的塑料袋中带回实验室分析。

1.1.3 土壤样品的预处理 将塑料袋带回的土样，分别放在干净的塑料布或白纸上，打碎，除去石砾、根、叶、虫体等杂质，自然风干约20d后，碾磨、过100目筛备用。

1.1.4 试验仪器 氟离子选择电极；甘汞电极；磁力搅拌器；酸度计；PB303-N电子天平（梅特勒托利多仪器公司）；DHG-914A型电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司）；DRZ-4型电阻炉温度控制器（天津实验电炉厂）；RJX-4-9箱型电阻炉（天津实验电炉厂）；镍坩埚；坩埚钳；容量瓶。

1.2 土样氟含量的测定 将土壤样品于105℃烘3～4h，过100目筛。准确称取匀样品0.2～0.5g（准确至0.01mg），移至镍坩埚中，用少量水润湿后，加氢氧化钠溶液（670g/L）4～6mL，混匀，于烘箱内150℃烘干后，移入马福炉内，升温至250℃，停止升温5～10min，再升温至450℃，熔融20～30min。冷却后，加入15mL水，水浴加热使融块全溶后，用1M盐酸调pH8～9，将样液转移到100mL容量瓶中，稀释到刻度。空白试样：除了不加样品外，其余操作步骤同上。吸取样品滤液25mL，置于50mL烧杯中，加入25.00mL总离子强度调节缓冲液，插入电极，测定电位值，在标准曲线上查出样液的F浓度。计算公式如下：

氟化物（干重，mg/kg）=[p?V×4W]

式中：p—从标准曲线上查出的样液中氟化物质量浓度（μg/mL）；

V—被测样液体积（mL）；

W—样品质量（g）。

1.3 数据处理 运用SPSS11.0数据分析软件对试验数据进行方差分析和显著性检验（p<0.01），结果表示为平均值±标准误差。

2 结果与分析

由表1可知，试验组土壤中F含量低于对照组土壤中F含量，降幅达12.9%，试验组的变异程度高于对照组。经测定后分析发现，试验组与对照组土壤中F含量差异极显著（p<0.01）。以上结果表明，实施种养结合循环模式能有效控制土壤中的F含量。浇灌沼液和施用固体发酵肥是导致试验样地氟元素含量低于对照样地的主要原因，试验组F含量降低的原因可能是该过程所采取的厌氧或好氧发酵等生物工程技术对养殖场畜禽粪便进行发酵腐熟、除臭干燥过程中微生物对粪污的分解转化所致。

表1 不同处理下的土壤F元素含量

[处理＼&最小值

（mg/kg）＼&最大值

（mg/kg）＼&平均值

（mg/kg）＼&变异系数

（%）＼&试验组 ＼&132.46＼&237.06＼&187.07±22.64a＼&12.1%＼&对照组＼&164.84＼&251.03＼&214.74±22.15b＼&10.32%＼&]

注：表中同列数据后小写字母表示差异极显著（p<0.01）。

3 讨论

3.1 传统畜禽规模化养殖对土壤的污染 畜禽规模化养殖相比分散的粗放养殖有许多优势，但随着社会的发展，传统的畜禽规模化养殖方式也暴露出了污染环境等很多问题。畜禽规模化生产系统是一个完全开放的系统，一方面由于其自身难以完全解决所需的饲料和能源，需要外部大量的输入；另一方面，规模化养殖场在向外输出畜禽产品的同时，也释放了大量的有毒有害物质，严重影响大气、水体和土壤等生态环境。目前，传统畜禽规模化养殖场对粪便采取将其作为粪肥直接施入土壤的处理方式，一些因有足够土地消纳废水的养殖场甚至采用土地直接处置养殖场污水。由于添加一些重金属元素如锌和铜等可以改善动物的生长性能，但大部分重金属元素会直接被动物排出体外。随着重金属添加剂的增加，畜禽粪污中重金属元素含量也呈直线上升趋势，进入土壤环境后，局部地区远远超出土地容纳量。长此以往，将导致重金属及其它微量元素在土壤中富集、粪污中的大量细菌、病毒等有害微生物在土壤中长期生存以及大量农药、兽药残留土壤中，影响农作物的生长，造成作物减产，给人类带来潜在威胁[10-11]。

3.2 种养结合循环利用模式的优点 种养结合循环利用模式是近些年来在传统畜禽规模化养殖的基础上发展起来的，更适应现代社会、经济和环境协调发展的一种新模式。与传统畜禽规模化养殖方式相比，它把种植与养殖结合起来，通过无害化处理后的畜禽粪污灌溉附近农田，从而使农业循环经济得以实现。种养结合农业循环经济模式具有以下特点：第一，建立了液体粪污无害化处理和资源化循环利用体系。在实行“干湿分离、雨污分流、节水养殖”的基础上，在规模养殖场建立大型沼气池，在大量获得清洁能源的同时，对液体粪污进行无害化处理和发酵腐熟处理，有效杀灭粪污中的大肠杆菌等病原微生物和寄生虫卵，使之符合无公害绿色农产品对有机肥料的技术要求。在此基础之上，将沼液经封闭和自成体系的输粪管道输送到养殖场周围种植基地的储粪池里储存，并配备污水泵等相关设施，以方便农户利用。第二，建立了畜禽固体粪便无害化处理和资源化利用体系。在规模养殖场建立与之相配套的畜禽固体粪便预处理车间，采取厌氧或好氧发酵等生物工程技术，对养殖场的畜禽粪便进行发酵腐熟、除臭并干燥，同时将畜禽粪便的含水量从80%以上降低至20%～30%，将畜禽粪便生产成为有机肥料的半成品，以解决畜禽粪便运输过程中的二次污染和运输成本，也为规模养殖场增加了收入[9]。预处理车间同时承担周边中小养殖场的畜禽固体粪便处理任务。在规模养殖场建立畜禽固体粪便预处理车间的基础上，建立全县畜禽粪便无害化处理中心，收集全县各规模养殖场经预处理的半成品，根据土壤N、P、K含量情况，通过测土配方和精深加工生产成各种专用生物有机肥料，为有机农产品标准化生产的提供大量生物有机肥源。

参考文献

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[3]黎成厚，万红友，师会勤.土壤水溶性氟含量及其影响因素[J].山地农业生物学报，2003，22（2）：99-104.

[4]李日邦，王丽珍.土壤中氟的淋溶研究[J].地理学报，1992，47（4）：376-381.

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[7]中国环境监测总站.中国土壤元素背景值[S].北京：中国环境科学出版社，1990.

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[9]邓良伟.规模化猪场粪污处理模式[J].中国沼气，2001，19（1）：29-33.

[10]李宝林，王凯军，申立贤，等.大型集约化猪场粪水处理现状及建议[J].中国沼气，1998，116（2）：31-33.

[11]柴同杰，候彦平.畜禽舍空气污染的种类和成分以及对环境的作用[J].山东畜牧兽医，1999，3：22-23.

（责编：张宏民）