猪场污水还田与化肥配施对农田水土环境和作物产量的影响

张心良

(上海市环境科学研究院,上海　200233)



猪场污水还田与化肥配施对农田水土环境和作物产量的影响

张心良

(上海市环境科学研究院,上海200233)

摘要：畜禽粪污还田利用作为一种具有良好经济性和可操作性的资源化处理方式，近年来逐步成为规模化畜禽养殖场污染减排的方向，但其在还田过程中对水、土壤环境以及作物产量的潜在影响也不容忽视。以规模化养猪场为例，以常规化肥施用农田为对照，研究猪场厌氧污水还田与化肥配施对水环境(地表径流污染物流失负荷、地下水污染物浓度)、土壤环境(养分含量)和作物产量的影响。结果表明，与常规对照农田相比，污水还田农田地表径流化学需氧量(COD)、总磷(TP)和可溶性磷(DP)年流失负荷分别显著增加32.18%、15.46%和28.13%，但氨氮(以NH4+-N计)年流失负荷显著减少31.81%；地下水COD、硝态氮(NO3--N)、TP和DP等污染物浓度分别显著提高24.69%、17.04%、11.76%和21.05%；与初始土壤相比，污水还田农田不同土层中TN含量显著降低，常规对照农田TP含量显著降低；污水还田农田作物产量与常规对照农田无显著差异。

关键词：规模化养猪场；厌氧污水；还田利用；面源污染

近年来,我国畜禽养殖业发展迅速,猪肉产量已居世界第一,占世界猪肉总产量的40%以上,由此带来的大量畜禽粪便和污水处理问题也逐步显现[1-2]。富含氮磷养分的畜禽粪污作为有机肥料还田利用,是一种经济、简便和资源化循环利用的处理方式,可以增加土壤养分,改善土壤结构,促进作物生长[3-7]。“十二五”期间,规模化畜禽养殖场首次纳入全国污染物总量减排框架,基于农田环境容量的畜禽粪污资源化农业利用是重点发展方向之一。但是,在畜禽粪污还田利用过程中需注意作物养分需求与生态环境影响之间的平衡,尤其要对地表径流和地下水中氮磷养分的流失、土壤氮磷养分的累积以及作物产量的影响重点关注[8-10]。众多研究也表明,畜禽粪污还田利用还需要与无机化肥紧密结合,以保证各类作物的产量要求[11-12]。与畜禽固体粪相比,畜禽污水水量大，养分浓度低,一直是畜禽养殖场污染治理的难点,尤其在雨量充沛的平原河网地区,处置不当或过量施用极易造成环境污染。因此,需要对基于作物氮磷养分需求的畜禽污水还田量和化肥施用量的环境影响进行研究[3]。国外在这方面的研究主要集中在作物产量对畜禽粪便施用的响应关系上,对其环境效应的研究相对较少[5-12],而国内报道则更少,相关研究基本处于实验室模拟阶段,尚未开展相关现场试验研究[13]。

因此,笔者以规模化养猪场为例,研究其厌氧污水还田与化肥配施对农田地表径流污染物流失、地下水污染物浓度、土壤养分累积程度和作物产量的影响,评估畜禽污水还田利用的实际效果,为规模化畜禽养殖场污染减排和粪污资源化还田利用推广提供技术支撑。

1材料与方法

1.1试验基地

试验基地为上海市崇明县某规模化养猪场,常年存栏肉猪6 000 头，母猪500头,固体粪送往有机肥中心生产商品有机肥,污水经厌氧处理后还田利用。该区域属亚热带季风气候区,地势平坦,年平均气温15～17 ℃,年平均降雨量1 022 mm。农田土壤类型为砂质土,土壤质地为粉砂壤土,耕作层土壤理化性质为:w(黏粒)(<0.002 mm)为19.98%，pH值7.83，容重1.38 g·cm-3，w(有机质)为24.63 g·kg-1，w(总氮)为0.73 g·kg-1，w(总磷)为0.64 g·kg-1。

1.2试验设计

该养猪场匹配还田农田面积100 hm2,种植模式为水稻-小麦轮作,水稻和小麦播种时间为6和11月,收获时间为10和5月。厌氧污水通过泵房提升进入灌水沟渠与河水以1∶5的体积比混合后进行灌溉。试验期间,选择3块0.1 hm2左右的污水还田农田作为处理农田,并在周边选择3块0.1 hm2左右的常规施肥农田作为对照农田,分别设立地表径流收集小区和地下水监测孔,其中地下水监测孔根据当地地下水位设置深度为80 cm。试验时间为2012年,污水还田量和化肥施用量根据水稻和小麦氮需求量进行计算(表1),其中污水中COD为3 416.67～3 971.52 mg·L-1,ρ(总氮)为908.94～993.76 mg·L-1,ρ(总磷)为158.80～195.80 mg L-1;复合肥中m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15。

表1试验基地污水还田和化肥施用情况

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

1.3降雨量与径流量

根据2012年全年的降雨量记录(图1),试验基地全年共降雨63次,日降雨量超过20 mm的仅有10次,年降雨量为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种植季节,小麦种植季节地表径流产生较少,而水稻种植季节地表径流又主要受控于日常水肥管理而非降雨驱动,因此在该研究中地表径流量与降雨量关系不大。

1.4采样监测

土壤样品分别采集于2011年11月7日与2012年12月15日,分3层取样(0～20、>20～40和>40～60 cm),采用土壤农化分析方法测定有机质(OM)、全氮(TN)和全磷(TP)含量[14]。地表径流水和地下水在每次暴雨后采集,COD用重铬酸钾氧化-硫酸亚铁滴定法测定;总氮浓度用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定;硝态氮浓度用紫外分光光度法测定;氨氮浓度用纳氏试剂分光光度法测定;总磷浓度用过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法测定;可溶性磷浓度用钼锑抗分光光度法测定。作物产量在作物收获后计算经济产量。

1.5数据分析

采用SPSS 11.5软件分析,Excel 2010软件绘制图表。

图1　试验基地月降雨量

2结果与分析

2.1规模化养猪场厌氧污水还田对地表径流和地下水的影响

2.1.1地表径流污染物流失负荷

2012年全年共收集到地表径流水6次,处理和对照农田地表径流污染物流失负荷如图2所示。处理农田地表径流COD流失负荷(93.25 kg·hm-2)比对照农田(70.55 kg·hm-2)显著增加32.18%(P<0.05)。处理农田地表径流总氮、氨氮和硝态氮流失负荷分别为22.43、3.73和9.39 kg·hm-2,对照农田分别为26.48、7.48和5.47 kg·hm-2;其中仅氨氮比对照农田显著减少31.81%(P<0.05)。处理农田地表径流总磷和可溶性磷流失负荷分别为1.12和0.41 kg·hm-2,比对照农田显著提增加15.46%和28.13%(P<0.05)。

2.1.2地下水污染物浓度

2012年全年共监测地下水8次,处理和对照农田地下水污染物浓度如图3所示。处理农田地下水COD年平均值为16.06 mg·L-1,比对照农田(12.88 mg·L-1)显著增加24.69%(P<0.05)。处理农田地下水ρ(总氮)、ρ(氨氮)和ρ(硝态氮)年平均值分别为9.97、1.31、5.70 mg·L-1,对照农田则分别为9.47、1.64、4.87 mg·L-1;其中仅ρ(硝态氮)比对照农田显著增加17.04%(P<0.05)。处理农田地下水ρ(总磷)和ρ(可溶性磷)年平均值分别为0.19和0.092 mg·L-1,对照农田则分别为0.17和0.076 mg·L-1,分别显著增加11.76%和21.05%(P<0.05)。

2.2养猪场厌氧污水还田对土壤养分的影响

处理和对照农田不同土层有机质、全氮、全磷含量如图4所示。与初始土壤相比,处理和对照农田不同土层有机质含量无显著差异(P>0.05),全氮和全磷含量均显著降低(P<0.05),处理农田不同土层全氮含量降低更多,对照农田全磷含量降低更多。

同一幅图中直方柱上方*表示处理和对照农田间某指标差异显著(P<0.05)。

同一幅图中直方柱上方*表示处理和对照农田间某指标差异显著(P<0.05)。

同一幅图中直方柱上方*表示处理、对照农田土壤和初始土壤间某指标差异显著(P<0.05)。

2.3养猪场厌氧污水还田对作物产量的影响

处理和对照农田水稻和小麦产量如表2所示。处理和对照农田水稻和小麦产量无显著差异(P>0.05),均能达到水稻8～9 t·hm-2、小麦3～4 t·hm-2的正常产量。

表2处理和对照农田作物产量

Table 2Crop yields in SMC and CKC

农田类型水稻产量/(kg·hm-2)水稻产量小麦产量/(kg·hm-2)小麦产量平行1平行2平行3平均值变异系数/%平行1平行2平行3平均值变异系数/%对照86128473965389137.2440173958365138755.07处理84109375812286367.6038894156391839883.67

3讨论

3.1养猪场厌氧污水还田水环境污染风险

畜禽粪污还田利用的一个主要风险在于畜禽粪污中的污染物流失进入地表水,众多研究也表明畜禽固体粪或污水还田可能导致表层土壤“封闭”或“板结”,短时间内会降低雨水浸润，增加地表径流,长期则会对土壤有保护作用,包括粪污颗粒物对表层土壤孔隙免受雨滴冲击的物理保护以及土壤团粒稳定性的改善[15-16]。畜禽粪污还田利用的另一个主要风险在于硝态氮(NO3--N)和磷(P)淋溶对地下水的污染。由于 NO3-属于不易被黏土矿物或土壤有机质所吸附的离子,因而较易在降雨充沛的条件下发生淋溶;P虽然不如NO3-那样容易发生迁移,但当土壤P饱和而失去P保持能力时也会发生淋溶[17]。

在该研究中,地表径流主要产生在水稻种植季节,且主要受水稻生长期间的水肥管理方式驱动。污水还田农田地表径流氨氮流失负荷显著低于常规施肥农田,主要与常规施肥农田大量的尿素、碳铵等速效化肥有关,COD流失负荷显著高于常规施肥农田则是由于畜禽污水中较高的COD引起的,而总磷和可溶性磷流失负荷显著高于常规施肥农田,可能与畜禽污水还田后的土壤封闭效应以及基于氮素平衡施肥情况下污水还田农田过量磷素投入有关。畜禽污水还田农田地下水硝氮、总磷和可溶性磷浓度显著高于常规施肥农田,主要还是由于崇明岛砂质土壤较低的保肥能力和较差的抗淋溶性引起的[18],同时由于畜禽污水中较高的COD导致污水还田农田地下水COD显著高于常规施肥农田。

3.2养猪场厌氧污水长期还田潜在环境风险

参照上海市规模化畜禽养殖场污染减排鼓励模式[19],该研究主要侧重于水污染物控制效果的监测评估,且监测时间仅为1 a。若考虑长期还田效果,除了对地表水和地下水的污染风险以外,还需要同时考虑畜禽污水尤其是高浓度沼液中含有的重金属、抗生素和激素等其他污染物对土壤环境质量和农产品安全的潜在影响。曲明山等[20]的研究表明沼液与化肥长期配施会加剧深层土壤的酸化和盐渍化;刘思辰等[21]、张馨蔚[22]的研究说明沼液灌溉存在一定风险,主要发酵原料对沼液中重金属含量的影响较大,猪场沼液重金属含量均高于牛场;石先罗等[23]、王玮等[24]的研究则总结了国内外沼液沼渣农用过程中存在的氮磷养分过剩、重金属超标、抗生素和激素危害及微生物含量超标等生态环境风险。因此,在畜禽养殖场通过厌氧污水还田利用解决水污染物问题并通过长期跟踪监测评估以有效监控水土环境污染风险的同时,应更加关注重金属、抗生素和激素等物质对水体、土壤和作物的潜在环境风险。

3.3养猪场厌氧污水适宜还田量

针对不同农田类型确定畜禽粪污适宜还田量一直是研究重点,畜禽粪污高用量条件下可能导致地表水污染和地下水水质退化[16-17]。基于该研究的监测结果,畜禽污水还田虽然能够保持作物产量和减少地表径流氨氮流失,但也不能忽视COD、硝态氮、总磷和可溶性磷地表径流流失负荷和地下水中浓度的增加。此外,更不能忽视畜禽污水还田所带来的重金属、抗生素和激素等物质对土壤环境质量、农产品安全的潜在风险。因此,研究养猪场厌氧污水还田结合化肥施用的适宜投入量,还需要综合考虑各类污染物的环境风险及其控制措施,并通过长期试验进一步深入研究。

4结论

在规模化养猪场厌氧污水还田与化肥配施条件下,农田地表径流COD、总磷和可溶性磷流失负荷以及地下水COD、硝态氮、总磷、可溶性磷浓度显著增加,地表径流氨氮流失负荷显著减少,同时促进作物氮吸收和保持土壤磷含量。在该研究采用的猪场污水与化肥配施的投入量情况下仍对水环境存在一定的污染风险,需要根据养分平衡情况和污染风险程度对畜禽污水还田量进行适当调整。

参考文献：

[1]全国畜牧总站.中国畜牧业统计年鉴[M].北京:中国农业出版社,2012:153-154.

[2]BEST P.Global Trends in Pig Production:Present and Future[J].The Pig Journal,2001,47:42-50.

[3]QIAN X Y,SHEN G X,YAO Z,etal.Town-Based Spatial Heterogeneity of Nutrient Balance and Potential Pollution Risk of Land Application of Animal Manure and Fertilizer in Shanghai,China[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems,2012,92(1):67-77.

[4]沈根祥,钱晓雍,梁丹涛,等.基于氮磷养分管理的畜禽场粪便匹配农田面积[J].农业工程学报,2007,12(增刊2):268-271.

[5]KAUR T,BRAR B S,DHILLON N S.Soil Organic Matter Dynamics as Affected by Long Term Use of Organic and Inorganic Fertilizers Under Maize-Wheat Cropping System[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems,2008,81(1):59-69.

[6]MAERERE A P,KIMBI G G,NONGA D L M.Comparative Effectiveness of Animal Manures on Soil Chemical Properties,Yield and Root Growth of Amaranthus (AmaranthuscruentusL.)[J].African Journal of Science and Technology,2001,1(4):14-21.

[7]MHLONTLO S,MUCHAONYERWA P, MNKENI P N S.Effects of Sheep Kraal Manure on Growth,Dry Matter Yield and Leaf Nutrient Composition of a Local Amaranthus Accession in the Central Region of the Eastern Cape Province,South Africa[J].Water SA,2001,33(3):363-368.

[8]AZEEZ J O,VAN AVERVEJE W,OKOROGBONA A O M.Differential Responses in Yield of Pumpkin (CucurbitamaximaL.) and Nightshade (SolanumretroflexumDun.) to the Application of Three Animal Manures[J].Bioresource Technology,2010,101(7):2499-2505.

[9]CABRERA V E,STAVAST L J,BAKER T T,etal.Soil and Runoff Response to Dairy Manure Application on New Mexico Rangeland[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2009,131(3/4):255-262.

[10]SWEENEY D W,PIERZYNSKIB G M,BARNESC P L.Nutrient Losses in Field-Scale Surface Runoff From Claypan Soil Receiving Turkey Litter and Fertilizer[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2012,150:19-26.

[11]ALIYU L.Effect of Organic and Mineral Fertilizers on Growth,Yield and Composition of Pepper (CapsicumamumL.)[J].Biological Agriculture and Horticulture,2000,18(1):29-36.

[12]CHIEZEY U F,ODUNZE A C.Soybean Response to Application of Poultry Manure and Phosphorus Fertilizer in the Sub-Humid Savanna of Nigeria[J].Journal of Ecology and the Natural Environment,2009,1(2):25-31.

[13]王莹,梁劲爽,杨志敏,等.淋溶对畜禽粪便释放氮磷面源污染物的影响[J].西南大学学报(自然科学版),2012,34(1):92-98.

[14]史瑞和,鲍士旦.土壤农化分析[M].2版.北京:农业出版社,1992:101-137.

[15]SMITH K A,JACKSON D R,PEPPER T J.Nutrient Losses by Surface Run-off Following the Application of Organic Manures to Arable land：1.Nitrogen[J].Environmental Pollution,2001,112(1):41-51.

[16]SMITH K A,JACKSON D R,WITHERS P J A.Nutrient Losses by Surface Run-off Following the Application of Organic Manures to Arable Land：2.Phosphorus[J].Environmental Pollution,2001,112(1):53-60.

[17]LONG G Q,SUN B.Nitrogen Leaching Under Corn Cultivation Stabilized After Four Years Application of Pig Manure to Red Soil in Subtropical China[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2012,146:73-80.

[18]钱晓雍,沈根祥,黄丽华,等.崇明东滩旱作农田土壤磷素流失及其影响因素[J].生态与农村环境学报,2010,26(4):334-338.

[19]王振旗,钱晓雍,沈根祥.上海市规模化畜禽场污染减排模式分析与应用[J].农业环境科学学报,2014,33(10):2030-2035.

[20]曲明山,郭宁,陈保华,等.沼液与化肥长期配施对蔬菜生产和土壤肥力的影响[J].中国沼气,2013,31(1):44-47.

[21]刘思辰,王莉玮,李希希,等.沼液灌溉中的重金属潜在风险评估[J].植物营养与肥料学报,2014,20(6):1517-1524.

[22]张馨蔚.沼液还田对植物及其水土环境的影响研究[D].重庆:西南大学,2012.

[23]石先罗,张卫东,王风,等.沼液沼渣农用生态环境风险研究进展[J].生态经济(学术版),2014(1):12-19.

[24]王玮,孙岩斌,周祺,等.国内畜禽厌氧消化沼液还田研究进展[J].中国沼气,2015,33(2):51-56.

(责任编辑： 陈昕)

收稿日期：2015-07-24

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07602);上海市环境保护局重大科研项目(沪环科2015-8)

中图分类号：S19;X713

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)04-0645-06

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.020

作者简介：张心良(1966—),男,上海市人,高级工程师,本科,主要从事环境工程设计方面的研究。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