李夢婷，孫 迪,4，牟美睿，劉海學(xué)，張克強(qiáng)，楊仁杰，趙 潤

天津規(guī)?；膛黾S水運(yùn)移中氮磷含量變化特征

李夢婷1，孫 迪1,4，牟美睿2，劉海學(xué)2，張克強(qiáng)1，楊仁杰3，趙 潤1※

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191；2. 天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)分析測試中心，天津 300384；3. 天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384；4. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130118）

為揭示糞水運(yùn)移中氮磷含量的時(shí)空變化特征，探究不同管理方式下糞水氮磷含量的變化規(guī)律，在天津地區(qū)33家種養(yǎng)結(jié)合型規(guī)?；膛龆ㄎ槐O(jiān)測，解析季節(jié)、地區(qū)、清糞方式、糞水處理工藝和運(yùn)移環(huán)節(jié)糞水氮磷含量差異。結(jié)果表明：1）不同季節(jié)糞水總氮（Total Nitrogen，TN）和總磷（Total Phosphorus，TP）含量差異極顯著（<0.0001）；2）不同地區(qū)糞水TN含量差異不顯著，TP含量差異顯著（<0.05）；3）不同清糞方式和處理工藝下糞水TN和TP含量差異不顯著，但干清糞+干清糞方式下糞水中TN和TP含量均略高于其他方式，厭氧發(fā)酵+沼液貯存處理工藝下糞水中TN和TP含量略高于其他處理工藝；4）不同運(yùn)移環(huán)節(jié)糞水TN和TP含量差異極顯著（<0.0001）。該研究為系統(tǒng)摸清奶牛糞水中氮磷養(yǎng)分變化規(guī)律提供支撐，為糞水管控實(shí)用技術(shù)研發(fā)和路徑選擇提供依據(jù)。

糞；氮；磷；變化特征；規(guī)律；規(guī)?；膛觯患S水管控

0 引 言

伴隨奶牛養(yǎng)殖規(guī)?；⒓s化程度的加速提升，奶牛場復(fù)雜糞水體系的有效管控是奶業(yè)綠色、可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵控制點(diǎn)之一[1-3]。奶牛場糞水混有糞尿、污泥、草芥等大量固液混合的有機(jī)物質(zhì)，富含氮、磷等多種養(yǎng)分，是理想的農(nóng)用水肥資源，對土壤健康和作物生產(chǎn)具有積極作用。然而，長期以來不同時(shí)空糞水運(yùn)移環(huán)節(jié)中氮磷含量分布特征不清、變化規(guī)律不明[4-6]，不利于糞水體系的科學(xué)管控。為此，聚焦糞水處理全鏈條探究養(yǎng)分含量變化特征和規(guī)律，對于指導(dǎo)奶牛場合理使用糞水資源和防控環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

奶牛場糞水處理過程中，受溫度、風(fēng)速、降雨等多種環(huán)境因子影響，糞水組分含量容易發(fā)生不同程度的變化；且由于圈舍結(jié)構(gòu)類型、養(yǎng)殖方式、糞污收運(yùn)和處理等的差別，糞水氮磷含量也存在變化[7-9]。Perazzolo等[10]研究表明，氮素?fù)p失主要受季節(jié)影響，夏季厭氧消化后糞水中的氮素?fù)p失高達(dá)38%，其損失量遠(yuǎn)大于冬季。賈偉等[11]結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研和案例分析，分別估算了典型牧場泌乳牛和青年牛糞污處理環(huán)節(jié)中的氮磷養(yǎng)分留存率，結(jié)果表明，糞污處理環(huán)節(jié)存在養(yǎng)分損失，泌乳牛糞污經(jīng)水沖糞-固液篩分-固體堆肥/液體貯存-還田，青年牛糞便經(jīng)干清糞-堆肥-還田2種工藝路線氮磷養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)逐級梯降的趨勢。常志州等[12]核算了干清糞、水沖糞、水泡糞3種清糞方式下糞便中氮素的損失率，發(fā)現(xiàn)不同方式下氮損失率不同，其中干清糞方式可顯著降低氮素?fù)p失（39%～58%）。此外，前期本團(tuán)隊(duì)定位監(jiān)測了固液篩分后牛糞在堆肥系統(tǒng)中的養(yǎng)分變化特征[13]，本文擬立足于固液篩分前后糞水運(yùn)移各環(huán)節(jié)，揭示季節(jié)、奶牛場、管理方式等不同條件下糞水中氮磷含量的變化特征和規(guī)律。

以位于中國3大奶業(yè)主產(chǎn)區(qū)之一的天津市為例，在本課題組前期整體摸清全市85家規(guī)?；膛龈艣r基礎(chǔ)上[14-15]，以其中33家種養(yǎng)結(jié)合型奶牛場作為研究對象開展定位監(jiān)測，系統(tǒng)闡明氮磷含量變化特征和規(guī)律，為糞水管控實(shí)用技術(shù)研發(fā)和路徑選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 典型奶牛場概況

基于糞水還田利用的種養(yǎng)結(jié)合型奶牛場的3個基本特點(diǎn)：具備可收集和運(yùn)輸糞水的設(shè)施和設(shè)備（清糞方式、地面結(jié)構(gòu)）、配套有消納糞水的農(nóng)田面積、農(nóng)田上種植飼用作物而非裸露閑置土地，在全市范圍內(nèi)篩選出33家奶牛場，奶牛場數(shù)量和存欄規(guī)模分別占全市總量的38.8%和57.8%。各奶牛場所在地區(qū)、養(yǎng)殖規(guī)模、清糞方式及糞水處理工藝等基礎(chǔ)情況信息如表1所示，全面覆蓋天津市奶業(yè)主產(chǎn)區(qū)，中型、大型和超大型3種存欄規(guī)模，6種清糞方式及5種糞水處理工藝，代表全市奶牛規(guī)模養(yǎng)殖整體情況。

表1 33家種養(yǎng)結(jié)合型奶牛場概況

注：清糞方式和糞水處理工藝中的名詞均引自《土地承載力測算技術(shù)指南》。其中，“干清糞+干清糞”第二個“干清糞”是指用刮糞板來收運(yùn)集糞溝中糞污的方式；“水沖糞”是指用固液篩分后的液態(tài)糞水或末端設(shè)施中的上清液回沖集糞溝中糞污的方式；“通鋪墊料”是指在奶牛舍區(qū)“大通鋪”區(qū)域通過墊料收儲糞污的方式；以上清糞方式中的第一個“干清糞”是指用刮糞板或鏟車收運(yùn)奶牛舍區(qū)站槽上的糞污。

Note: Glossaries of the way of manure collection and technology of slurry treatment were quoted from Technical guide forcalculation of land carrying capacity. Therein 2nddry clean means the way of manure collection and transport in the gutter via the scraper. Slurry flush means the way of manure flushing by the liquid segment after the separation or the supernatant from the final facility. Deep litter means the way of manure collection and storage via the bedding materials in the shared house. As above 1stdry clean during the ways of manure collection means the manure collection and transport via the scraper or forklift in the alleys of barns.

1.2 樣品采集與檢測

1.2.1 樣品采集

分別于冬季（2018年12月）、春季（2019年3月）、夏季（2019年6月）和秋季（2019年9月）在33家奶牛場采集糞水樣品。糞水流經(jīng)的每一個環(huán)節(jié)（設(shè)施）均為采樣位點(diǎn)，分別從牛舍內(nèi)糞水和奶廳廢水的第一級收儲設(shè)施（混合原點(diǎn)）開始，到糞水還田前的末級貯存設(shè)施（混合終點(diǎn)）為止，遍及集糞溝、集污池、貯存池和氧化塘等。典型奶牛場工藝流程見圖1，其中，收集池為奶廳廢水收儲設(shè)施，集糞溝為牛舍糞水匯集點(diǎn)，集污池為奶牛場所有糞污的交匯點(diǎn)，分離池為固液篩分后的糞水暫存設(shè)施，調(diào)節(jié)池為進(jìn)入沼氣工程前勻漿調(diào)質(zhì)的設(shè)施，沉淀池為厭氧發(fā)酵后分離沼液和沼渣的設(shè)施，貯存池、氧化塘和防疫溝為糞水還田前的貯存設(shè)施，各設(shè)施（池體、塘體）間通常是采用地下暗管或暗溝相互串接。33家奶牛場位置和采樣數(shù)量分布如圖2所示，每天采集3～7家奶牛場，每家奶牛場采集2～10個樣品，每天共采集13～31個樣品。

參照《GB/T 27522—2011畜禽養(yǎng)殖污水采樣技術(shù)規(guī)范》[16]，用自制3 L的不銹鋼提桶、1.3 L糞水采集器和1 L水舀等工具在各位點(diǎn)垂直液面下20 cm處隨機(jī)采集3個水樣，在19 L的混樣桶中用水舀充分?jǐn)噭?，?00 mL樣品置于500 mL集水瓶中，統(tǒng)一置于52 L的樣品保溫箱中，送回實(shí)驗(yàn)室上機(jī)檢測。

注：※為采樣位點(diǎn)。

圖2 監(jiān)測奶牛場和采樣數(shù)量分布

Fig.2 Distribution of monitoring dairy farms with sampling amounts

1.2.2 樣品測定

分別采用全自動凱氏定氮儀（Foss kjeltec 8400型，丹麥）和可見光分光光度計(jì)（722E型，中國）測定總氮（Total Nitrogen，TN）和總磷（Total Phosphorus，TP），試驗(yàn)用試劑硫酸、氫氧化鈉為優(yōu)級純，硼酸、甲基紅、溴甲酚綠、過硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、磷酸二氫鉀為化學(xué)純；TN含量參照國標(biāo)《GB/T 11891—1989水質(zhì) 凱氏氮的測定》方法[17]測定，TP含量參照國標(biāo)《GB/T 11893—1989水質(zhì) 總磷的測定》方法[18]測定，試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用線性混合效應(yīng)模型（Linear Mixed-effect Model，LME-model）方法處理數(shù)據(jù)，結(jié)合Origin Pro 2018制圖分析。本研究利用軟件包lme4[19]在R[20]平臺上建立的LME-model來分析TN和TP含量在4個采樣季節(jié)，表1中的5個地區(qū)、5種典型清糞方式、5種糞水處理工藝和圖1中的糞水運(yùn)移環(huán)節(jié)（集糞溝、集污池、氧化塘等）5類情境條件下的變化特征和規(guī)律。為滿足正態(tài)分布要求，在建立LME-model前對TN和TP做對數(shù)變換。

2 結(jié)果與分析

2.1 糞水運(yùn)移中氮磷含量分布特征

33家定位監(jiān)測奶牛場糞水氮磷含量分布如圖3所示。TN、TP數(shù)據(jù)呈正偏態(tài)（右偏）分布，偏度分別為0.99和0.46。其中，TN含量范圍100.4～6 207.4 mg/L，平均值加減標(biāo)準(zhǔn)偏差為（1 691.5±1 279.1）mg/L，變異系數(shù)0.76，數(shù)據(jù)整體變異性相對較大。TN含量出現(xiàn)在750 mg/L左右的概率最高，<2 000 mg/L的樣本數(shù)量較多，>2 000 mg/L的樣本數(shù)量較少。TP含量范圍為2.0～184.0 mg/L，平均值加減標(biāo)準(zhǔn)偏差為（69.0±44.2）mg/L，變異系數(shù)為0.64，數(shù)據(jù)整體變異性相比TN要小，說明糞水中TP含量變化相對于TN穩(wěn)定。TP含量出現(xiàn)在20～40 mg/L區(qū)間的概率最高，<80 mg/L的樣本較多，>80 mg/L的樣本較少。上述結(jié)果表明，糞水運(yùn)移過程中氮磷含量呈現(xiàn)出不同程度的變化特征。

圖3 糞水氮磷含量整體分布

2.2 氮磷含量變化特征及規(guī)律解析

2.2.1 不同季節(jié)糞水氮磷含量變化特征

不同季節(jié)糞水中TN和TP含量變化特征如圖4所示。從樣本量上看，冬季樣本量明顯少于其他季節(jié)，源于天津冬季較冷，部分糞水流經(jīng)節(jié)點(diǎn)結(jié)冰，無法采樣。同時(shí)，受牧場主觀因素限制，不同季節(jié)獲得的樣本量略有差異。對于TN含量，冬季和春季的變異系數(shù)分別為0.73和0.70，變異性較大，數(shù)據(jù)較為離散；而夏季和秋季的數(shù)據(jù)相對集中，尤其是夏季TN含量的平均值和中位值幾乎重疊，同時(shí)也明顯低于其他三季，在1 000 mg/L左右；冬季和秋季TN含量的平均值和中位值也將近重疊，分別在1 940和1 640 mg/L左右；春季TN含量的平均值最高，約為2 290 mg/L。夏季TN含量低的原因可能是：夏季環(huán)境溫度高，清糞頻次增加，以氨揮發(fā)為主的氮素?fù)p失也隨之升高，從而導(dǎo)致夏季總氮含量明顯降低。對于TP含量，冬季和春季的變異系數(shù)均為0.66，數(shù)據(jù)較為離散；夏季含量平均值明顯高于其他3個季節(jié)，約為100 mg/L，推測可能是由于夏季糞污產(chǎn)生量增大，TP含量也隨之增加，且磷素多沉積于設(shè)施底部的固態(tài)糞渣和淤泥中，相比TN含量的變化小。冬季和秋季TP含量平均值相差不大，均在75 mg/L左右；春季略低，在65 mg/L左右；夏季和秋季TP含量的平均值和中位值重疊，數(shù)據(jù)分布均勻。TN和TP含量在不同季節(jié)變化趨勢并不一致，夏季的TN含量低且分布集中。

注：冬季樣品數(shù)為82，春季樣品數(shù)為111，夏季樣品數(shù)為114，秋季樣品數(shù)為121。箱線圖箱體中的橫線表示中位值，實(shí)心圓表示均值，箱體外存在異常值（▲），下同。

由表2得出，不同季節(jié)糞水中的氮磷含量差異極顯著（<0.0001）。夏季TN含量最低，春季最高；夏季與其他季節(jié)間的差異均顯著；秋季和冬季差異不顯著，但與春季和夏季存在差異。夏季TP含量最高，秋季、冬季依次遞減，春季TP含量最低。張帥等[21-22]研究結(jié)果與本文結(jié)果相一致。現(xiàn)實(shí)情況下，不同氣候、溫濕度、水分等環(huán)境條件復(fù)雜多變，尤其在雨季、冰凍等極端天氣，奶牛場為確保正常生產(chǎn)，需要即時(shí)調(diào)整應(yīng)對措施，如飼料成分改變、牛群轉(zhuǎn)舍等，都易造成不同季節(jié)糞水中TN和TP含量的差異。

表2 線性混合效應(yīng)模型中固定效應(yīng)的似然比檢驗(yàn)

2.2.2 不同養(yǎng)殖地區(qū)糞水氮磷含量變化特征

圖5顯示了天津市不同養(yǎng)殖地區(qū)奶牛場糞水中TN和TP含量的特征分布，不同地區(qū)由于奶牛場數(shù)量不同和現(xiàn)實(shí)情況差異，樣本量各不相同，由于北辰區(qū)樣本量僅為7個，不具代表性，故未在圖5中顯示。對于TN含量，寧河區(qū)平均值較其他地區(qū)高，為2 081.7 mg/L，其他4個地區(qū)均在1 600 mg/L左右；濱海新區(qū)TN含量的數(shù)據(jù)分布較為集中，其平均值和中位值重疊，這與該地區(qū)9家監(jiān)測奶牛場糞水管理做法相近的現(xiàn)實(shí)情況吻合；而靜海區(qū)TN含量數(shù)據(jù)的分布較為離散，符合該地區(qū)3家監(jiān)測奶牛場糞水管理做法差異較大的現(xiàn)實(shí)情況。對于TP含量，地區(qū)間的差異較大，寧河區(qū)的TP含量平均值為112.3 mg/L，明顯高于其他地區(qū)，濱海新區(qū)和武清區(qū)的TP含量略低，約為75 mg/L，靜海區(qū)和寶坻區(qū)的TP含量平均值最低，約為60 mg/L。寶坻區(qū)的TP數(shù)據(jù)相對集中，變異系數(shù)為0.58，而靜海區(qū)的數(shù)據(jù)相對離散，變異系數(shù)為0.73，其變異性更大。對比TN和TP含量的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，TN和TP含量平均值的最大值均在寧河區(qū)出現(xiàn)，最低值則出現(xiàn)在靜海區(qū)和寶坻區(qū)。結(jié)果表明，不同地區(qū)間糞水氮磷含量存在差異。

注：寧河區(qū)樣品數(shù)為72，濱海新區(qū)樣品數(shù)為118，武清區(qū)樣品數(shù)為101，靜海區(qū)樣品數(shù)為41，寶坻區(qū)樣品數(shù)為89。

由表2得出，雖然地區(qū)間糞水氮磷含量存在差異，但是不同地區(qū)糞水中TN含量無顯著性差異（>0.05）。寶坻、濱海和靜海3個地區(qū)糞水TN含量的平均值相差無幾，且寶坻和濱海的置信區(qū)間相似；北辰區(qū)糞水TN含量的平均值最低，寧河區(qū)最高且置信區(qū)間也最寬，武清區(qū)糞水TN含量的置信區(qū)間上限與靜海區(qū)相似，但下限和平均值較高。相比TN，不同地區(qū)糞水中的TP含量存在顯著性差異（<0.05）。北辰區(qū)和寶坻區(qū)糞水TP含量的平均值相似，靜海區(qū)和武清區(qū)糞水TP含量的平均值相似，略高于北辰區(qū)和寶坻區(qū)，寧河區(qū)TP含量平均值最高，置信區(qū)間最寬。研究結(jié)果表明地區(qū)之間的糞水管理水平存在不同程度的差異，這與本課題組實(shí)地調(diào)研結(jié)果相吻合。

2.2.3 不同清糞方式下糞水氮磷含量變化特征

清糞方式對應(yīng)奶牛場糞水源頭收運(yùn)環(huán)節(jié)，是重要的管理因素之一。將5種主要清糞方式下糞水氮磷含量變化特征作于圖6。干清糞+水沖糞方式下的樣本量最多，其次是干清糞，由于SF（水沖糞方式）全市只有濱海新區(qū)1家奶牛場使用，且只在冬季取到該場3個有效樣本，數(shù)據(jù)不具有代表性，故未納入圖中，其他3種方式的樣本量相似。由圖可見，DC_SF（干清糞+水沖糞）糞水收集方式下TN含量與DC（干清糞）和DC_DL（干清糞/通鋪墊料）方式下的TN含量大致相同，約為1 500 mg/L；DC_SF收集方式下的TP含量介于最大值與最小值之間；DC_DC（干清糞+干清糞）方式下收集的TN和TP的變異系數(shù)最小，分別為0.49和0.43，其含量相對較高，分別為2 394.0和93.9 mg/L，該方式能最大化地確保養(yǎng)分留存并進(jìn)入后續(xù)環(huán)節(jié)；DC_SF_DL（干清糞+水沖糞/通鋪墊料）方式下產(chǎn)生的TN和TP含量相對較低，這與通鋪墊料上收集的糞尿不進(jìn)入后續(xù)糞水處理-還田系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)情況相符。

注：DC代表干清糞，DL代表通鋪墊料，SF代表水沖糞。干清糞樣本數(shù)為68，干清糞+干清糞樣本數(shù)為36，干清糞/通鋪墊料樣本數(shù)為25，干清糞+水沖糞樣本數(shù)為269，干清糞+水沖糞/通鋪墊料樣本數(shù)為30。

由表2得出，不同清糞方式下TN（>0.05）和TP（>0.79）含量差異不顯著。對于TN含量，干清糞和干清糞/通鋪墊料收集方式下的TN含量平均值相似；干清糞+干清糞和干清糞+水沖糞收集方式下的TN含量平均值相似，但前者的置信區(qū)間明顯比后者寬。對于TP含量，除干清糞+水沖糞/通鋪墊料收集方式下的含量較低外，其余4種方式下的含量相似。干清糞+干清糞方式下的TN和TP含量均較高，一方面可以將養(yǎng)分最大化留存入后續(xù)環(huán)節(jié)，另一方面減少了外源水的進(jìn)入，因而該方式下糞水氮磷含量高；常志州等[12]發(fā)現(xiàn)干清糞可顯著降低氮素?fù)p失（39%～58%），同時(shí)顯著降低NH3揮發(fā)，將氮素最大化地保留至糞水中，與本研究結(jié)果相符。DC_SF_DL（干清糞+水沖糞/通鋪墊料）方式下產(chǎn)生的TN和TP含量相對較低，由于墊料可吸收消納大量奶牛糞污，可能是最終進(jìn)入后續(xù)處理-還田系統(tǒng)的氮磷養(yǎng)分含量顯著降低的主要原因。綜上，不同清糞方式下糞水中的氮磷含量存在差異，但并不顯著。

2.2.4 不同處理工藝下糞水氮磷含量變化特征

處理工藝是奶牛場糞水另一個重要管理因素。經(jīng)調(diào)研得知，Sbs_L（沼液貯存+氧化塘）和Af_Sbs_L（厭氧發(fā)酵+沼液貯存+氧化塘）是天津市奶牛場采用的主流處理工藝。由圖7所示，這2種處理工藝TN、TP含量各自的平均值差異不大，TN含量平均值分別為1 588.4和1 758.6 mg/L；TP含量平均值分別為69.5和80.1 mg/L。在這5種糞水處理工藝中，Af_Sbs（厭氧發(fā)酵+沼液貯存）作用下TN含量的平均值為2 402.6 mg/L，遠(yuǎn)高于其他4種工藝；TP含量平均值為90.6 mg/L，也較其他4種工藝要高；而采用L（氧化塘）處理產(chǎn)生的TN和TP含量相對較低。結(jié)果表明，不同處理工藝下糞水氮磷含量存在差異。

注：Af代表厭氧發(fā)酵，Sbs代表沼液貯存，L代表氧化塘。L樣本數(shù)為35，Sbs樣本數(shù)為66，Sbs_L樣本數(shù)為119，Af_Sbs樣本數(shù)為42，Af_Sbs_L樣本數(shù)為166。

由表2得出，不同處理工藝下，糞水TN（>0.05）和TP（>0.17）含量差異均不顯著。厭氧發(fā)酵+沼液貯存組合工藝作用下的糞水TN含量平均值最高，TP含量平均值也最高，其置信區(qū)間最寬，可以相對確保養(yǎng)分留存；厭氧發(fā)酵+沼液貯存+氧化塘與沼液貯存工藝作用下的TN平均值最低，氧化塘作用下的TN含量略高于前者，厭氧發(fā)酵+氧化塘相比厭氧發(fā)酵+沼液貯存工藝作用下的TN含量略低。對于糞水TP含量，厭氧發(fā)酵+沼液貯存和沼液貯存+氧化塘工藝作用下的TP含量相似，厭氧發(fā)酵+沼液貯存+氧化塘與氧化塘工藝作用下的TP含量相似，沼液貯存工藝作用下的TP含量略高于氧化塘，但低于沼液貯存+氧化塘?，F(xiàn)階段糞水貯存處理設(shè)施大多為露天型，環(huán)節(jié)（設(shè)施）越多則氮素?fù)p失量越高；同時(shí)，厭氧發(fā)酵工藝下的TN含量均比其他工藝高，前人研究中厭氧發(fā)酵工藝可降低氮素?fù)p失的結(jié)論與本文結(jié)論相一致[23-24]。結(jié)果表明，雖然厭氧發(fā)酵+沼液貯存組合工藝下的氮磷含量略高于其他4種工藝，但差異并不顯著。

2.2.5 糞水運(yùn)移環(huán)節(jié)中氮磷含量變化特征

不同處理工藝下糞水運(yùn)移各環(huán)節(jié)間也存在差別。33家監(jiān)測場共有19個糞水運(yùn)移環(huán)節(jié)，包括成母集糞溝（Cmg）、成母集污池-1（Agg-1）、成母集污池-2（Agg-2）、成母固液分離池-1（Cst-1）、成母固液分離池-2（Cst-2）、育成集糞溝（Hmg）、育成集污池（Hct）、育成固液分離池（Hst）、奶廳收集池-1（Pct-1）、奶廳收集池-2（Pct-2）、調(diào)節(jié)池/沉淀池（Rts）、二沉池（Sct）、氧化塘1-6（Lag 1-6）和防疫溝（Ang）。由于環(huán)節(jié)眾多，綜合考慮天津市奶牛場實(shí)際情況和樣本量的代表性，選取樣本量310的環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。

如圖8所示，Cmg、Agg-1、Cst-1和Lag 1是樣品量比較豐富的環(huán)節(jié)，說明天津市奶牛場處理糞水時(shí)大多包含這幾個環(huán)節(jié)，也是糞水處理中相對常規(guī)且有效的做法。Lag 1、Lag 2和Lag 3的樣品量逐漸減少，源于氧化塘級數(shù)越多成本越高，因此可綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益選擇適宜的糞水處理工藝。Cmg、Agg-1、Cst-1和Lag 1的TN平均含量分別為1 809.3、1 798.0、2 102.1和1 532.1 mg/L，TN含量并非完全呈逐級梯降規(guī)律，在Cst-1中TN含量最高，推測是經(jīng)過固液分離后，糞便中的部分氮素轉(zhuǎn)移到糞水中。從多級氧化塘的TN含量來看，Lag 2和Lag 3的TN平均含量為1 171.1和1 126.9 mg/L，TN含量隨氧化塘層級遞減，說明糞水流經(jīng)各環(huán)節(jié)中發(fā)生不同程度的氮素?fù)p失。Cmg、Agg-1、Cst-1和Lag 1的TP平均含量分別為66.1、66.7、80.3和68.5 mg/L，TP和TN均在Cst-1中的含量最高。Lag 2和Lag 3的TP平均含量為63.7和46.3 mg/L，TP含量也隨氧化塘層級梯降。研究表明，糞水運(yùn)移環(huán)節(jié)中氮磷含量呈動態(tài)變化，其中在成母固液分離池中最高，且隨氧化塘層級遞減。

注：Cmg代表集糞溝，Agg-1代表成母集污池-1，Cst-1代表成母固液分離池-1，Rts代表調(diào)節(jié)池/沉淀池，Sct代表二沉池，Lag-1代表氧化塘-1，Lag-2代表氧化塘-2，Lag-3代表氧化塘-3，Ang代表防疫溝。Cmg樣本數(shù)為44，Agg-1樣本數(shù)為93，Cst-1樣本數(shù)為64，Rts樣本數(shù)為30，Sct樣本數(shù)為11，Lag-1樣本數(shù)為87，Lag-2樣本數(shù)為26，Lag-3樣本數(shù)為14，Ang樣本數(shù)為10。

由表2得出，不同運(yùn)移環(huán)節(jié)糞水中氮磷含量差異極顯著（<0.0001）。Pct-1和Pct-2的TN和TP含量為所有環(huán)節(jié)中最低值，可能是由于奶廳收集池的存水中大多由地面和擠奶設(shè)備沖洗水、牛奶殘液、酸堿消毒液等組成，糞水含量相對較低。Cst-2和Hct的TN含量平均值為最高，Lag-1和Lag-2的TN和TP含量平均值相似，Lag-3至Lag-6的TN和TP含量平均值相差不大，且均低于Lag-1和Lag-2。其他諸如Hmg、Agg-1等的TN含量介于最大值與最小值之間，分布隨機(jī)，無明顯的變化趨勢。

3 結(jié) 論

通過定位監(jiān)測天津市33家種養(yǎng)結(jié)合型規(guī)?；膛鰪?fù)雜糞水體系，揭示了糞水運(yùn)移全鏈條氮磷含量時(shí)空變化特征，闡明了不同奶牛場在不同管理方式下糞水氮磷含量的變化規(guī)律，得出以下研究結(jié)論：

1）糞水氮磷含量分布的變異性較大，氮磷含量數(shù)據(jù)總體均呈正偏態(tài)（右偏）分布?？偟猅N含量范圍為100.4～6 207.4 mg/L，變異系數(shù)為0.76；總磷TP含量范圍為2.0～184.0 mg/L，變異系數(shù)為0.64。

2）不同季節(jié)糞水TN和TP含量差異極顯著（<0.0001）；不同地區(qū)TN含量差異不顯著，TP含量差異顯著（<0.05）。

3）不同糞水管理方式下氮磷含量存在差異。不同清糞方式下糞水TN（>0.05）和TP（>0.79）含量差異不顯著，但干清糞+干清糞方式下，糞水中TN和TP含量均略高于其他4種方式；不同處理工藝下糞水TN（>0.05）和TP（>0.17）含量差異不顯著，但經(jīng)厭氧發(fā)酵+沼液貯存處理后的TN和TP含量平均值均略高于其他4種工藝；不同處理環(huán)節(jié)中糞水TN和TP含量差異極顯著（<0.000 1）。干清糞+干清糞和厭氧發(fā)酵+沼液貯存組合工藝下TN和TP含量最高，而干清糞+水沖糞/通鋪墊料和氧化塘組合工藝下TN和TP含量最低，為奶牛場糞水處理路徑選擇提供參考。

致謝：衷心感謝中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院楊增玲教授和澳大利亞Arthur Rylah Institute for Environmental Research劉燦然高級研究員對本文的悉心指導(dǎo)。

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Variation characteristics and rules of nitrogen and phosphorus contents throughout the slurry movement from scaled dairy farms in Tianjin

Li Mengting1, Sun Di1,4, Mu Meirui2, Liu Haixue2, Zhang Keqiang1, Yang Renjie3, Zhao Run1※

(1.,,300191,; 2.,,300384,; 3.,,300384,; 4.,,130118,)

Both nitrogen and phosphorus were abundant in the dairy manure, which were ideal water and fertilizer resources in agriculture. However, influenced by the change of environmental conditions, there were great differences in manure collection and transportation methods and treatment processes in different dairy farms, resulting in unclear characteristics and varying rules of nitrogen and phosphorus components and contents in numerous links of slurry movement, which was harmful to the sustainable management on the manure. Based on the long-term monitoring on the complex manure rotation system of 33 large-scale dairy farms in Tianjin, the variation characteristics of nitrogen and phosphorus contents were uncovered in the whole chain of slurry movement along with the time and space, and the variation rules of nitrogen and phosphorus contents were explored under different management modes in different dairy farms. The results showed that there were 6 single or combined manure cleaning ways and 5 slurry treatment technologies in 33 dairy farms distributed in 6 main dairy industry districts. Therein dry clean plus slurry flush and dry clean were the main cleaning ways of manure in Tianjin. Sbs_L (storage of biogas slurry plus lagoon) and Af_Sbs_L (anaerobic fermentation plus storage of biogas slurry plus lagoon) were the main combined treatment processes adopted by the dairy farms. Great variability was appeared to the overall distribution of nitrogen and phosphorus in the slurry movement, and positive skewed distribution was showed on the data of total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP). The range of TN content was 100.4-6 207.4 mg/L, the average value plus minus standard deviation was 1 691.5 ± 1 279.1 mg/L, and the coefficient of variation was 0.76, and great variability was showed on the data. The highest probability of TN content was around 750 mg/L. The range of TP content was 2.0-184.0 mg/L, the average value plus minus standard deviation was 69.0 ± 44.2 mg/L, and the coefficient of variation was 0.64. The highest probability of TP content was in the range of 20-40 mg/L, while the degree of variation of TN was greater than that of TP. The characteristics and rules of nitrogen and phosphorus content were focused on slurry movement under different space-time conditions and management conditions in this study. The analysis of linear mixed effect model showed that, 1) the contents of TN and TP in the slurry were significantly different in 4 seasons (< 0.001); 2) the contents of TN in the slurry was no significantly different in 6 districts (> 0.05), but the contents of TP in the slurry was significantly different in 6 districts (< 0.05); 3) the contents of TN (> 0.05) and TP (> 0.79) in the slurry were no significantly different under 6 cleaning ways of manure, but the contents of TN and TP in slurry under DC_DC (dry clean + dry clean) were slightly higher than those in other approaches; 4) the contents of TN (> 0.05) and TP (> 0.17) in the slurry were no significantly different under 5 slurry treatment technologies, but the contents of TN and TP after Af_Sbs (anaerobic fermentation plus slurry storage) treatment were slightly higher than those of the other 4 technologies; 5) the contents of TN and TP in the slurry were significantly different in 19 migration processes (< 0.000 1). In the combined processes of dry clean plus dry clean and anaerobic fermentation plus storage of biogas slurry, the highest content of TN and TP was yielded, while during the dry clean plus slurry flush /deep litter and lagoon, the lowest content of TN and TP was yielded. In conclusion, this study systematically illuminated the variation characteristics and rules of nitrogen and phosphorus contents in the whole chain of slurry movement under complicated environmental and management conditions, which provided a theoretical basis for the research and development of practical technologies and pathways selection of manure management.

manures; nitrogen; phosphorus; variation characteristics; rule; large-scale dairy farm; slurry management

李夢婷，孫迪，牟美睿，等. 天津規(guī)?；膛黾S水運(yùn)移中氮磷含量變化特征 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(20)：27-33.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.004 http://www.tcsae.org

Li Mengting, Sun Di, Mu Meirui, et al. Variation characteristics and rules of nitrogen and phosphorus contents throughout the slurry movement from scaled dairy farms in Tianjin[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 27-33. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.004 http://www.tcsae.org

2020-06-23

2020-09-26

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0800104）；天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（19ZXBTSN00190）聯(lián)合資助

李夢婷，博士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用。Email：lmt22228888@163.com

趙潤，博士，助理研究員，主要從事規(guī)模化奶牛場環(huán)境監(jiān)測等方面研究。Email：15900389657@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.004

X713

A

1002-6819(2020)-20-0027-07