張心良

(上海市環(huán)境科學(xué)研究院,上?！?00233)

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豬場污水還田與化肥配施對農(nóng)田水土環(huán)境和作物產(chǎn)量的影響

張心良

(上海市環(huán)境科學(xué)研究院,上海200233)

摘要：畜禽糞污還田利用作為一種具有良好經(jīng)濟(jì)性和可操作性的資源化處理方式，近年來逐步成為規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場污染減排的方向，但其在還田過程中對水、土壤環(huán)境以及作物產(chǎn)量的潛在影響也不容忽視。以規(guī)?；B(yǎng)豬場為例，以常規(guī)化肥施用農(nóng)田為對照，研究豬場厭氧污水還田與化肥配施對水環(huán)境(地表徑流污染物流失負(fù)荷、地下水污染物濃度)、土壤環(huán)境(養(yǎng)分含量)和作物產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，與常規(guī)對照農(nóng)田相比，污水還田農(nóng)田地表徑流化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)和可溶性磷(DP)年流失負(fù)荷分別顯著增加32.18%、15.46%和28.13%，但氨氮(以NH4+-N計)年流失負(fù)荷顯著減少31.81%；地下水COD、硝態(tài)氮(NO3--N)、TP和DP等污染物濃度分別顯著提高24.69%、17.04%、11.76%和21.05%；與初始土壤相比，污水還田農(nóng)田不同土層中TN含量顯著降低，常規(guī)對照農(nóng)田TP含量顯著降低；污水還田農(nóng)田作物產(chǎn)量與常規(guī)對照農(nóng)田無顯著差異。

關(guān)鍵詞：規(guī)?；B(yǎng)豬場；厭氧污水；還田利用；面源污染

近年來,我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速,豬肉產(chǎn)量已居世界第一,占世界豬肉總產(chǎn)量的40%以上,由此帶來的大量畜禽糞便和污水處理問題也逐步顯現(xiàn)[1-2]。富含氮磷養(yǎng)分的畜禽糞污作為有機(jī)肥料還田利用,是一種經(jīng)濟(jì)、簡便和資源化循環(huán)利用的處理方式,可以增加土壤養(yǎng)分,改善土壤結(jié)構(gòu),促進(jìn)作物生長[3-7]?！笆濉逼陂g,規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場首次納入全國污染物總量減排框架,基于農(nóng)田環(huán)境容量的畜禽糞污資源化農(nóng)業(yè)利用是重點發(fā)展方向之一。但是,在畜禽糞污還田利用過程中需注意作物養(yǎng)分需求與生態(tài)環(huán)境影響之間的平衡,尤其要對地表徑流和地下水中氮磷養(yǎng)分的流失、土壤氮磷養(yǎng)分的累積以及作物產(chǎn)量的影響重點關(guān)注[8-10]。眾多研究也表明,畜禽糞污還田利用還需要與無機(jī)化肥緊密結(jié)合,以保證各類作物的產(chǎn)量要求[11-12]。與畜禽固體糞相比,畜禽污水水量大，養(yǎng)分濃度低,一直是畜禽養(yǎng)殖場污染治理的難點,尤其在雨量充沛的平原河網(wǎng)地區(qū),處置不當(dāng)或過量施用極易造成環(huán)境污染。因此,需要對基于作物氮磷養(yǎng)分需求的畜禽污水還田量和化肥施用量的環(huán)境影響進(jìn)行研究[3]。國外在這方面的研究主要集中在作物產(chǎn)量對畜禽糞便施用的響應(yīng)關(guān)系上,對其環(huán)境效應(yīng)的研究相對較少[5-12],而國內(nèi)報道則更少,相關(guān)研究基本處于實驗室模擬階段,尚未開展相關(guān)現(xiàn)場試驗研究[13]。

因此,筆者以規(guī)模化養(yǎng)豬場為例,研究其厭氧污水還田與化肥配施對農(nóng)田地表徑流污染物流失、地下水污染物濃度、土壤養(yǎng)分累積程度和作物產(chǎn)量的影響,評估畜禽污水還田利用的實際效果,為規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場污染減排和糞污資源化還田利用推廣提供技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1試驗基地

試驗基地為上海市崇明縣某規(guī)?；B(yǎng)豬場,常年存欄肉豬6 000 頭，母豬500頭,固體糞送往有機(jī)肥中心生產(chǎn)商品有機(jī)肥,污水經(jīng)厭氧處理后還田利用。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),地勢平坦,年平均氣溫15～17 ℃,年平均降雨量1 022 mm。農(nóng)田土壤類型為砂質(zhì)土,土壤質(zhì)地為粉砂壤土,耕作層土壤理化性質(zhì)為:w(黏粒)(<0.002 mm)為19.98%，pH值7.83，容重1.38 g·cm-3，w(有機(jī)質(zhì))為24.63 g·kg-1，w(總氮)為0.73 g·kg-1，w(總磷)為0.64 g·kg-1。

1.2試驗設(shè)計

該養(yǎng)豬場匹配還田農(nóng)田面積100 hm2,種植模式為水稻-小麥輪作,水稻和小麥播種時間為6和11月,收獲時間為10和5月。厭氧污水通過泵房提升進(jìn)入灌水溝渠與河水以1∶5的體積比混合后進(jìn)行灌溉。試驗期間,選擇3塊0.1 hm2左右的污水還田農(nóng)田作為處理農(nóng)田,并在周邊選擇3塊0.1 hm2左右的常規(guī)施肥農(nóng)田作為對照農(nóng)田,分別設(shè)立地表徑流收集小區(qū)和地下水監(jiān)測孔,其中地下水監(jiān)測孔根據(jù)當(dāng)?shù)氐叵滤辉O(shè)置深度為80 cm。試驗時間為2012年,污水還田量和化肥施用量根據(jù)水稻和小麥氮需求量進(jìn)行計算(表1),其中污水中COD為3 416.67～3 971.52 mg·L-1,ρ(總氮)為908.94～993.76 mg·L-1,ρ(總磷)為158.80～195.80 mg L-1;復(fù)合肥中m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15。

表1試驗基地污水還田和化肥施用情況

Table 1Application of digested wastewater and chemical fertilizer in the experimental sitekg·hm-2

1.3降雨量與徑流量

根據(jù)2012年全年的降雨量記錄(圖1),試驗基地全年共降雨63次,日降雨量超過20 mm的僅有10次,年降雨量為879.40 mm,主要集中在5—9月,占年降雨量的60%以上。由于降雨主要集中在水稻種植季節(jié),小麥種植季節(jié)地表徑流產(chǎn)生較少,而水稻種植季節(jié)地表徑流又主要受控于日常水肥管理而非降雨驅(qū)動,因此在該研究中地表徑流量與降雨量關(guān)系不大。

1.4采樣監(jiān)測

土壤樣品分別采集于2011年11月7日與2012年12月15日,分3層取樣(0～20、>20～40和>40～60 cm),采用土壤農(nóng)化分析方法測定有機(jī)質(zhì)(OM)、全氮(TN)和全磷(TP)含量[14]。地表徑流水和地下水在每次暴雨后采集,COD用重鉻酸鉀氧化-硫酸亞鐵滴定法測定;總氮濃度用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定;硝態(tài)氮濃度用紫外分光光度法測定;氨氮濃度用納氏試劑分光光度法測定;總磷濃度用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法測定;可溶性磷濃度用鉬銻抗分光光度法測定。作物產(chǎn)量在作物收獲后計算經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

1.5數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 11.5軟件分析,Excel 2010軟件繪制圖表。

圖1　試驗基地月降雨量

2結(jié)果與分析

2.1規(guī)?；B(yǎng)豬場厭氧污水還田對地表徑流和地下水的影響

2.1.1地表徑流污染物流失負(fù)荷

2012年全年共收集到地表徑流水6次,處理和對照農(nóng)田地表徑流污染物流失負(fù)荷如圖2所示。處理農(nóng)田地表徑流COD流失負(fù)荷(93.25 kg·hm-2)比對照農(nóng)田(70.55 kg·hm-2)顯著增加32.18%(P<0.05)。處理農(nóng)田地表徑流總氮、氨氮和硝態(tài)氮流失負(fù)荷分別為22.43、3.73和9.39 kg·hm-2,對照農(nóng)田分別為26.48、7.48和5.47 kg·hm-2;其中僅氨氮比對照農(nóng)田顯著減少31.81%(P<0.05)。處理農(nóng)田地表徑流總磷和可溶性磷流失負(fù)荷分別為1.12和0.41 kg·hm-2,比對照農(nóng)田顯著提增加15.46%和28.13%(P<0.05)。

2.1.2地下水污染物濃度

2012年全年共監(jiān)測地下水8次,處理和對照農(nóng)田地下水污染物濃度如圖3所示。處理農(nóng)田地下水COD年平均值為16.06 mg·L-1,比對照農(nóng)田(12.88 mg·L-1)顯著增加24.69%(P<0.05)。處理農(nóng)田地下水ρ(總氮)、ρ(氨氮)和ρ(硝態(tài)氮)年平均值分別為9.97、1.31、5.70 mg·L-1,對照農(nóng)田則分別為9.47、1.64、4.87 mg·L-1;其中僅ρ(硝態(tài)氮)比對照農(nóng)田顯著增加17.04%(P<0.05)。處理農(nóng)田地下水ρ(總磷)和ρ(可溶性磷)年平均值分別為0.19和0.092 mg·L-1,對照農(nóng)田則分別為0.17和0.076 mg·L-1,分別顯著增加11.76%和21.05%(P<0.05)。

2.2養(yǎng)豬場厭氧污水還田對土壤養(yǎng)分的影響

處理和對照農(nóng)田不同土層有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量如圖4所示。與初始土壤相比,處理和對照農(nóng)田不同土層有機(jī)質(zhì)含量無顯著差異(P>0.05),全氮和全磷含量均顯著降低(P<0.05),處理農(nóng)田不同土層全氮含量降低更多,對照農(nóng)田全磷含量降低更多。

同一幅圖中直方柱上方*表示處理和對照農(nóng)田間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

同一幅圖中直方柱上方*表示處理和對照農(nóng)田間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

同一幅圖中直方柱上方*表示處理、對照農(nóng)田土壤和初始土壤間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

2.3養(yǎng)豬場厭氧污水還田對作物產(chǎn)量的影響

處理和對照農(nóng)田水稻和小麥產(chǎn)量如表2所示。處理和對照農(nóng)田水稻和小麥產(chǎn)量無顯著差異(P>0.05),均能達(dá)到水稻8～9 t·hm-2、小麥3～4 t·hm-2的正常產(chǎn)量。

表2處理和對照農(nóng)田作物產(chǎn)量

Table 2Crop yields in SMC and CKC

農(nóng)田類型水稻產(chǎn)量/(kg·hm-2)水稻產(chǎn)量小麥產(chǎn)量/(kg·hm-2)小麥產(chǎn)量平行1平行2平行3平均值變異系數(shù)/%平行1平行2平行3平均值變異系數(shù)/%對照86128473965389137.2440173958365138755.07處理84109375812286367.6038894156391839883.67

3討論

3.1養(yǎng)豬場厭氧污水還田水環(huán)境污染風(fēng)險

畜禽糞污還田利用的一個主要風(fēng)險在于畜禽糞污中的污染物流失進(jìn)入地表水,眾多研究也表明畜禽固體糞或污水還田可能導(dǎo)致表層土壤“封閉”或“板結(jié)”,短時間內(nèi)會降低雨水浸潤，增加地表徑流,長期則會對土壤有保護(hù)作用,包括糞污顆粒物對表層土壤孔隙免受雨滴沖擊的物理保護(hù)以及土壤團(tuán)粒穩(wěn)定性的改善[15-16]。畜禽糞污還田利用的另一個主要風(fēng)險在于硝態(tài)氮(NO3--N)和磷(P)淋溶對地下水的污染。由于 NO3-屬于不易被黏土礦物或土壤有機(jī)質(zhì)所吸附的離子,因而較易在降雨充沛的條件下發(fā)生淋溶;P雖然不如NO3-那樣容易發(fā)生遷移,但當(dāng)土壤P飽和而失去P保持能力時也會發(fā)生淋溶[17]。

在該研究中,地表徑流主要產(chǎn)生在水稻種植季節(jié),且主要受水稻生長期間的水肥管理方式驅(qū)動。污水還田農(nóng)田地表徑流氨氮流失負(fù)荷顯著低于常規(guī)施肥農(nóng)田,主要與常規(guī)施肥農(nóng)田大量的尿素、碳銨等速效化肥有關(guān),COD流失負(fù)荷顯著高于常規(guī)施肥農(nóng)田則是由于畜禽污水中較高的COD引起的,而總磷和可溶性磷流失負(fù)荷顯著高于常規(guī)施肥農(nóng)田,可能與畜禽污水還田后的土壤封閉效應(yīng)以及基于氮素平衡施肥情況下污水還田農(nóng)田過量磷素投入有關(guān)。畜禽污水還田農(nóng)田地下水硝氮、總磷和可溶性磷濃度顯著高于常規(guī)施肥農(nóng)田,主要還是由于崇明島砂質(zhì)土壤較低的保肥能力和較差的抗淋溶性引起的[18],同時由于畜禽污水中較高的COD導(dǎo)致污水還田農(nóng)田地下水COD顯著高于常規(guī)施肥農(nóng)田。

3.2養(yǎng)豬場厭氧污水長期還田潛在環(huán)境風(fēng)險

參照上海市規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場污染減排鼓勵模式[19],該研究主要側(cè)重于水污染物控制效果的監(jiān)測評估,且監(jiān)測時間僅為1 a。若考慮長期還田效果,除了對地表水和地下水的污染風(fēng)險以外,還需要同時考慮畜禽污水尤其是高濃度沼液中含有的重金屬、抗生素和激素等其他污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品安全的潛在影響。曲明山等[20]的研究表明沼液與化肥長期配施會加劇深層土壤的酸化和鹽漬化;劉思辰等[21]、張馨蔚[22]的研究說明沼液灌溉存在一定風(fēng)險,主要發(fā)酵原料對沼液中重金屬含量的影響較大,豬場沼液重金屬含量均高于牛場;石先羅等[23]、王瑋等[24]的研究則總結(jié)了國內(nèi)外沼液沼渣農(nóng)用過程中存在的氮磷養(yǎng)分過剩、重金屬超標(biāo)、抗生素和激素危害及微生物含量超標(biāo)等生態(tài)環(huán)境風(fēng)險。因此,在畜禽養(yǎng)殖場通過厭氧污水還田利用解決水污染物問題并通過長期跟蹤監(jiān)測評估以有效監(jiān)控水土環(huán)境污染風(fēng)險的同時,應(yīng)更加關(guān)注重金屬、抗生素和激素等物質(zhì)對水體、土壤和作物的潛在環(huán)境風(fēng)險。

3.3養(yǎng)豬場厭氧污水適宜還田量

針對不同農(nóng)田類型確定畜禽糞污適宜還田量一直是研究重點,畜禽糞污高用量條件下可能導(dǎo)致地表水污染和地下水水質(zhì)退化[16-17]?；谠撗芯康谋O(jiān)測結(jié)果,畜禽污水還田雖然能夠保持作物產(chǎn)量和減少地表徑流氨氮流失,但也不能忽視COD、硝態(tài)氮、總磷和可溶性磷地表徑流流失負(fù)荷和地下水中濃度的增加。此外,更不能忽視畜禽污水還田所帶來的重金屬、抗生素和激素等物質(zhì)對土壤環(huán)境質(zhì)量、農(nóng)產(chǎn)品安全的潛在風(fēng)險。因此,研究養(yǎng)豬場厭氧污水還田結(jié)合化肥施用的適宜投入量,還需要綜合考慮各類污染物的環(huán)境風(fēng)險及其控制措施,并通過長期試驗進(jìn)一步深入研究。

4結(jié)論

在規(guī)?；B(yǎng)豬場厭氧污水還田與化肥配施條件下,農(nóng)田地表徑流COD、總磷和可溶性磷流失負(fù)荷以及地下水COD、硝態(tài)氮、總磷、可溶性磷濃度顯著增加,地表徑流氨氮流失負(fù)荷顯著減少,同時促進(jìn)作物氮吸收和保持土壤磷含量。在該研究采用的豬場污水與化肥配施的投入量情況下仍對水環(huán)境存在一定的污染風(fēng)險,需要根據(jù)養(yǎng)分平衡情況和污染風(fēng)險程度對畜禽污水還田量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

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(責(zé)任編輯： 陳昕)

收稿日期：2015-07-24

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07602);上海市環(huán)境保護(hù)局重大科研項目(滬環(huán)科2015-8)

中圖分類號：S19;X713

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)04-0645-06

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.020

作者簡介：張心良(1966—),男,上海市人,高級工程師,本科,主要從事環(huán)境工程設(shè)計方面的研究。E-mail: zhangxl@saes.sh.cn

Effects of Application of Swine Farm Wastewater Coupled With Chemical Fertilizer on Water, Soil and Crop.

ZHANG Xin-liang

(Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, China)

Abstract:Land application of livestock manure and wastewater has been gradually accepted as an effective waste disposal option for intensive livestock and poultry farms to reduce discharge of pollution, and the option is thought to be economically, environmentally and socially beneficial. However, it is still unclear whether the option has any potential impacts on soil and water environment and crop yield. Therefore, a field experiment was carried out in Chongming Island, Shanghai, to compare between application of anaerobically digested wastewater from a large-scale swine farm coupled with chemical fertilizer in paddy field (SMC field) and conventional application of chemical fertilizer (CKC field) in impact on water environment (pollution load in surface runoff and concentrations of pollutants in groundwater), soil environment (nutrient content) and crop yield. Results show that in SMC, COD, TP and DP in surface runoff was increased significantly by 32.18%, 15.46% and 28.13%, respectively, while ammonia nitrogen was decreased by 31.81%, in SMC filed; and COD, NO3--N, TP and DP in groundwater was increased by 24.69%, 17.04%, 11.76% and 21.05%, respectively; Compared with the initial data of the field, TN decreased significantly in all the soil layers in SMC and TP decreased significantly in CKC. However, SMC and CKC did not differ much in crop yield.

Key words:intensive swine farm; digested wastewater; land application; non-point source pollution