养猪污水浇灌对人工林集水区水质的影响

马兰涛

(漳州市速生丰产林基地管理中心，福建 漳州 363000)

养猪污水浇灌对人工林集水区水质的影响

马兰涛

(漳州市速生丰产林基地管理中心，福建 漳州 363000)

为了解养猪污水灌溉对人工林集水区水质的影响，分别采用开“弓”型浅沟引流、均匀浇灌2种方式将附近养猪污水引入木荷×杉木混交林16个月(试验点1)、尾巨桉套种皇竹草人工林7 a(试验点2)，并对集水区水质进行测定。结果表明：2个试验点森林集水区地表水环境质量总体良好，除微生物指标和试验点2锰含量超标外，2个试验点集水区地表水其它指标均符合生活饮用水卫生标准。试验点1污灌集水区地表水溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、硝酸盐和试验点2溶解性总固体、铝、硫酸盐等指标较灌溉前地表水有所升高，但均低于生活饮用水卫生标准；试验点1污灌后集水区地表水总氮含量明显增加，超过地表水环境质量标准规定的Ⅴ类。

人工林；养猪污水；灌溉；集水区；水质

随着社会经济的发展，人类对肉类产品的需求不断增长，养猪污染物不合理排放引发的环境问题也越来越引起社会的广泛关注，各地对养殖业污染的整治也花费了很大的人力、物力和财力，甚至出现整个行政区范围内清除养猪场的极端做法。目前我国对养殖、污染主要采取集中养殖集中处理污水，污水的处理主要是厌氧沼气池发酵+后期的好氧处理，对养殖污水的应用主要集中在农田、果蔬灌溉等方面。我国是人工林种植大国，人工林种植面积大且普遍存在地力衰退的问题[1]。人工林的生长需要大量养分，将含有大量有机物、N、P等养分的养猪污水引入灌溉人工林，可明显促进人工幼林的生长[2]，使废弃物资源化利用，并能同时解决养猪污水处理和人工林地力衰退2个问题，达到双赢的目标。福建素有八山一水一分田之称，利用森林生态系统吸收养殖污水、变废为宝前景广阔。基于这种思路在南方商品林区开展的“林畜复合经营生态治污技术研究”项目，通过在林地内开“弓”字形浅沟和人工均匀浇灌等方式将周边养猪场污水分别引入杉木(Cunninghamialanceolata)×木荷(SchimasuperbaGardn)混交林和套种皇竹草(PennisetumsineseRoxb)的尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)林内，通过自然蒸发、土壤下渗和森林植被吸收对污水进行处理，操作简单，成本低，林区分散经营的小型养猪场污水处理具有重要参考意义。为了解养猪污水灌溉对森林集水区水质的影响，本文选择引入露天储存污水浇灌16个月和沼气池污水浇灌7 a的2个人工林集水区进行水质测定和分析，以期为森林生态系统处理养猪污水提供参考。

1 试验地概况

研究点布设在长泰县岩溪镇，北纬24°33′—24°54′、东经117°36′—117°57′。气候属于南亚热带海洋性季风气候，冬无严寒，夏无酷暑，气候温暖，雨量充沛，年均气温21.1 ℃，最冷月均温12.4 ℃，最热月均温28.5 ℃，年均降水量1563 mm。农、牧、林业发达，林地土壤为花岗岩发育的红壤，土层厚度在80～100 cm。

2 材料与方法

2.1 试验设计

选择顶山村的叶福树养猪场和湖珠村岭上郑旭阳养猪场及周边林地为研究对象(以下分别简称试验点1、试验点2)，2个养猪场均先将部分猪粪清出晒干后作为有机肥销售，污水主要来源于猪尿、饮水撒漏和猪舍冲洗。

试验点1：养猪场试验期间平均存栏量294头，2014年8月起污水经简单过滤和露天蓄污池沉淀后，采用“晴天灌、雨天蓄”的方式引入开“弓”字形浅沟的杉木×木荷混交林内(林龄33 a，林分密度2860株·hm-2，郁闭度0.8，林下植被盖度20%)，确保开沟长度足够，试验期间丰水期内未见污水流出小沟以外的林地范围，在污水流经区域下方第一个有地表水的小山沟设置集水点，集水区面积约600 m2，污水浇灌量927 t·a-1，截止试验调查时浇灌16个月。

试验点2：养猪场试验期间平均存栏量259头，养猪污水经沼气池发酵后，采用“晴天灌、雨天蓄”的方法，对套种皇竹草的尾巨桉林(尾巨桉林龄7 a，林分密度1500株·hm-2，皇竹草盖度95%，作为猪青饲料反复收割)。进行人工均匀浇灌，污水浇灌量为392 t·a-1，浇灌时控制不产生地表径流，截止试验调查时已连续浇灌7 a，集水区面积约5800 m2。在污水流经区域下方有地表水的小山沟设置取水点。

2.2 取样与检验方法

2015年11月选择2个试验点的污水沉淀池和沼气池出水口取污水水样(取样时污水浇灌仍在继续)。污水水样委托厦门华测检测技术有限公司检测pH、金属元素、COD、BOD5、总氮、总磷、菌落等18项指标。pH测定采用玻璃电极法[3]，总硬度采用EDTA滴定法[4]，COD采用重铬酸盐法[5]，铁、锰、钾采用火焰原子吸收分光光度法[6-7]，Cu采用原子吸收分光光度法[8]，Hg采用冷原子吸收分光光度法[9]，硝酸盐、硫酸盐采用离子色谱法[10]，溶解性总固体采用重量法[11]，高锰酸盐指数测定参考国家标准[12]，氨氮采用纳氏试剂分光光度法[13]，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[14]，总磷采用钼酸铵分光光度法[15]，总大肠菌群采用多管发酵法[16]、耐热大肠菌群采用多管发酵法和滤膜法[17]。

同时，在2个试验点污水灌溉区上方(养猪场地表水进水口)和下方集雨区渗水点取水样，委托漳州市疾病预防控制中心检测感官性状指标、pH值、金属元素、COD、BOD5、总氮、总磷、菌落等33项指标，指标检测参照国家标准[18]。

3 结果与分析

3.1 养猪污水主要污染物含量

由表1可知，2个试验点污水pH值均大于7，呈弱碱性，这对当地的酸性土壤具有一定的改善作用。2个试验点污水主要污染物含量差异较大，试验点2养猪场污水硫酸盐、硝酸盐、COD、BOD5、高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷等指标均明显低于试验点1，最高相差20倍以上，总大肠菌群、耐热大肠菌群等微生物菌群数量也明显较低。这与沼气池对污水的减量化处理作用和不同养猪场用水习惯不同导致的污水浓度差异有关。利用沼气池厌氧发酵可以有效降低污水有机物浓度和菌群数量，但从林木生长需要肥料的角度看，有机物浓度的降低也意味着肥料的损失。

表1 养猪污水主要污染物含量

3.2 养猪污水与《禽畜养殖业污染物排放标准》比较

有机物、氮、磷和微生物指标是养猪污水中的主要污染成分，将2个试验点污水成分、浓度与GB 18596—2001禽畜养殖业污染物排放标准[19]中规定的限制因子进行比较(表2)，主要污染物含量均超标，倍数介于2.2～2399倍之间，各指标超标倍数顺序为：耐热大肠菌群>氨氮>总磷>COD>BOD5。试验点2养猪场的污水经沼气池发酵后污染物含量比试验点1低，但仍然超标严重，耐热大肠菌群超标达48倍，氨氮超标12.6倍，总磷、COD、BOD5分别超标4.6、2.3、2.2倍。利用厌氧发酵技术建设沼气池是当前养殖污水处理最常用的处理方式[20]，但从测定结果看，厌氧发酵后的污水仍具有较高的污染物含量，因此沼液如得不到有效的后续处理也同样会造成地表水污染。

表2 养猪污水主要污染物超标情况

3.3 养猪污水灌溉对森林集水区水质影响

3.3.1 对表观性状和理化指标的影响 森林土壤中的孔隙结构可以滤出除污水中的悬浮颗粒，从而达到净化污水色、味的目的。由表3可知，2个试验点经污水灌溉后森林集水区色度、浑浊度、臭味、肉眼可见物等表观性状指标未受到不良影响，pH也无明显变化。2个试验点集水区地表水溶解性总固体含量略有增加，试验点1集水区地表水总硬度也有所升高，但均远低于生活饮用水卫生标准的限制值，表明当前灌溉量和灌溉频度不会对森林集水区地表水表观性状和物理指标产生不良影响。

表3 污水灌溉前地表水与污水灌溉集水区地表水表观和理化指标

3.3.2 对重金属及矿物元素含量的影响 金属及矿物元素是养猪污水的污染成分之一，主要来源于饲料添加剂的使用[21]，金属及矿物元素在进入森林土壤后，由于胶体吸附、离子交换和螯合作用等过程可以固定在土壤中，或由森林植物吸收积累在植物体中。长期使用养猪污水灌溉农田，会引起部分金属及矿物元素在土壤中的积累[22]，从而影响地表水体环境质量。由表4可知，试验点1污水灌溉森林集水区地表水与污灌前地表水相比锰含量明显增加，超过生活饮用水卫生标准。2个试验点污水中均含有较高的锰含量，但试验点1污水中锰含量高达0.87 mg·L-1(表1)，是试验点2的3.5倍，而试验点1森林集水区面积仅为试验点2的10.3%，且试验点1树种组成为相对慢生的杉木和木荷混交林，林下植被又较为稀少，因此导致未吸收的过量锰元素进入地表水而超标，试验点2的污水浇灌水未引起集水区地表水锰含量增加。试验点2污灌集水区地表水铝含量较污灌前有所增加，虽然目前远低于生活饮用水卫生标准，但长期浇灌仍可能存在一定的风险，要注意查明来源和跟踪检测。

表4 污水灌溉前地表水与污水灌溉集水区地表水金属及矿物元素含量 mg·L-1

3.3.3 对有机物综合指标和无机非金属盐类含量的影响 有机物、氮、磷是养猪污水主要污染物，也是植物生长所必需的养分，2个试验点污水中COD、BOD5、总氮、总磷、氨氮等含量均很高，但大部分进入森林生态系统的有机物和氮磷等营养成分，都被森林土壤吸附和森林植被吸收利用，森林土壤微生物环境和森林植被状况不同导致森林生态系统处理污水能力产生明显差异。由表5可知，2个试验点污水灌溉均未导致集水区地表水耗氧量、COD、BOD5、氨氮等含量升高。试验点2污灌集水区地表水硫酸盐含量升高，试验点1硫酸盐、氯化物、硝酸盐、总氮含量升高，但2个试验点硫酸盐、氯化物、硝酸盐含量都低于生活饮用水卫生标准。2个试验点灌溉前地表水中总氮含量分别为0.35 mg·L-1和0.93 mg·L-1，符合Ⅱ类和Ⅲ类水质标准，试验点2灌溉集水区地表水总氮含量无明显变化，而试验点1则上升到7.22 mg·L-1，超过Ⅴ类水质量标准，可能与试验点1养猪场污水中总氮含量较高，而杉木、木荷生长较慢且林下植被稀少，集水区内森林生态系统未完全吸收有关，也可能为取样点森林枯枝落叶较多所致。

表5 污水灌溉前地表水与污水灌溉集水区地表水有机物综合指标和非金属盐类含量 mg·L-1

3.3.4 对大肠菌群等微生物含量的影响 大肠菌群是养猪污水的重要污染物，在一定程度上间接指示水体的卫生状况，但由于大肠菌群也普遍存在于特别是热带地区的自然环境中[23]，所以指示粪便污染有一定的局限性，为更准确地反映人类健康风险，发展了粪(耐热)大肠菌群这一指标[24]，在GB 3838—2002地表水环境质量标准[25]中，用耐热大肠菌群数量作为水质安全的控制指标。与总大肠菌群和耐热大肠菌群相比，大肠埃希氏菌具有粪源特异性，作为粪源污染指标更为准确[26]。由表6可知，试验点1污灌集水区地表水菌落总数较灌溉前地表水明显增加，试验点2总大肠菌群和耐热大肠菌群含量也有所上升，2个试验点大肠埃希氏菌数量均没有增加。菌落总数、总大肠菌群和耐热大肠菌群数量的变化主要考虑为取样点微生物小环境不同所致，森林环境对菌群数量的影响机制还有待进一步深入研究。2个试验点耐热大肠菌群含量总体符合地表水环境质量标准Ⅲ类水质要求，对照GB 5749—2006生活饮用水卫生标准[27]，2个试验点污水灌溉前和灌溉集水区地表水菌落总数、总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌群数等4项微生物指标均超标，如作为生活饮用水水源需进行杀菌处理。

表6 污水灌溉前地表水与污水灌溉集水区地表水微生物菌群含量

4 结论与讨论

业主用水习惯导致的用水量差异[28]和污水处理方法不同，使不同养猪场污水排放量和污染物含量差异明显。本文2个试验点养猪污水污染物浓度差异明显，总体为试验点1露天储存污水污染物浓度高于试验点2沼气池污水，但2个试验点养猪污水的COD、氨氮、总磷、耐热大肠菌群、BOD5等5项指标均超过GB 18596—2001禽畜养殖业污染物排放标准[19]，如果直接排放进入江河，必将引起水环境污染。将养猪污水引入人工森林生态系统后，绝大部分污染物被森林土壤和森林植被吸收、分解。本试验条件下，养猪污水引入套种牧草的桉树人工林7 a、引入杉木×木荷混交林16个月，森林集水区地表水环境质量总体良好，除微生物指标和试验点1锰含量超标外，其它指标均符合GB 5749—2006生活饮用水卫生标准[27]。

畜禽养殖业污水中污染成分复杂，主要包括营养物质、矿物元素、致病微生物、臭味气体、重金属和药物残留等几类，吴建敏等[29]对禽畜养殖废水污染因子监测评价分析发现，不同畜禽规模养殖废水的污染超标因子主要有总氮、氨氮、总磷、CODcr、铁、砷和锰等共性因子和猪铜个性污染因子，包含了有机物、矿质元素和重金属等污染物。养殖废水污染物中矿物元素、重金属和药物残留是由于养殖业饲料添加剂和不科学用药导致的，可以通过改变饲料配方和用药方式等进行污染的源头和过程控制[30-33]。臭味气体也可以通过在饲料中添加饲料酸化剂、微生态制剂等除臭剂而得到改善[34]。养殖污水末端处理的重要环节是营养物质的减量和致病微生物的消除，生物方法是养殖废水中重金属污染末端处理的重要方法之一[35]。森林生态系统在吸收养殖污水营养物质方面效果明显，同时又可以促进土壤肥力提高和植物的生长，从而达到双赢的目的。李阿池等[2]研究发现养猪污水灌溉可显著促进1.5年生桉树幼林的材积生长和生物量积累。开放性的林内开沟法可以使养殖污水在下渗的同时得到好氧微生物的分解，致病微生物也可通过阳光、微生物、森林植被等的综合作用逐步得到有效消除。植物对重金属元素有较好的吸收作用并消除对环境的污染，研究表明多种植物对养殖废水中的重金属污染物吸收和降解效果较好[36-37]，森林生态系统在重金属污染末端治理方面的潜力有待进一步研究。

我国人工林面积大且普遍存在地力衰退和森林质量不高的问题，人工林生态系统在养殖业污水处理方面具有很大的潜力和优势，养猪污水引入森林生态系统对森林土壤、植物和森林集水区水质等方面的研究还有待进一步深入，在更长时间尺度上进行养猪污水灌溉对森林土壤、植物、水质影响和风险评价，以及不同林分或不同经营模式对养猪污水的吸收速度及利用效率等方面也有待进一步跟踪研究。

[1]徐红梅，汤景明.人工林可持续经营研究进展[J].湖北林业科技，2013，42(1)：34-37.

[2]李阿池，马兰涛，洪嫦莉，等.养殖污水对尾巨桉幼林生长的影响[J].桉树科技，2015，32(3)：41-44.

[3]环境保护局.GB/T 6920—1986水质pH值的测定玻璃电极法[S].北京：中国标准出版社，1987.

[4]环境保护局.GB/T 7477—1987水质钙和镁总量的测定EDTA滴定法[S].北京：中国标准出版社，1987.

[5]环境保护局.GB/T 11914—1989水质化学需氧量的测定重铬酸盐法[S].北京：中国标准出版社，1989.

[6]环境保护局.GB/T 11911—1989水质铁、锰的测定火焰原子吸收分光光度法[S].北京：中国标准出版社，1989.

[7]环境保护局.GB/T 11904—1989水质钾和钠的测定火焰原子吸收分光光度法[S].北京：中国标准出版社，1989.

[8]环境保护局.GB/T 7475—1987水质铜、锌、铅、镉的测定原子吸收分光光度法[S].北京：中国标准出版社，1987.

[9]环境保护部.HJ 597—2011水质总汞的测定冷原子吸收分光光度法[S].北京：中国环境科学出版社，2011.

[10]环境保护总局.HJ/T 84—2001水质无机阴离子的测定离子色谱法[S].北京：中国环境科学出版社，2002.

[11]环境保护总局.HJ/T 51—1999水质全盐量的测定重量法[S].北京：中国环境科学出版社，2004.

[12]环境保护总局.GB/T 11892—1989水质高锰酸盐指数的测定[S].北京：中国标准出版社，1989.

[13]环境保护总局.HJ 535—2009水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法[S].北京：中国环境科学出版社，2010.

[14]环境保护总局.HJ 636—2012水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[S].北京：中国环境科学出版社，2012.

[15]环境保护总局.GB/T 11893—1989水质总磷的测定钼酸铵分光光度法[S].北京：中国环境科学出版社，1989.

[16]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].4版(增补版).北京：中国环境科学出版社，2002：697-700.

[17]环境保护总局.HJ/T 347—2007水质粪大肠菌群的测定多管发酵法和滤膜法(试行)[S].北京：中国环境科学出版社，2007.

[18]卫生部.GB/T 5750—2006生活饮用水标准检验方法[S].北京：中国标准出版社，2007.

[19]环境保护总局.GB 18596—2001畜禽养殖业污染物排放标准[S].北京：中国标准出版社，2001.

[20]戴南朗，邓秋纯，高凤仙.规模化猪场粪尿的危害及处理技术研究现状[J].湖南畜牧兽医，2013(4)：1-3.

[21]成西娟，徐楠，林启才.畜禽养殖业污染状况及其废水处理技术综述[D].南宁：中国环境科学学会学术年会论文集，2012：1696-1699.

[22]章明奎，刘丽君，黄超.养殖污水灌溉对蔬菜地土壤质量和蔬菜品质的影响[J].水土保持学报，2011，25(1)：87-91.

[23]CHAO K K，CHAO C C，CHAO W L.Suitability of the traditional microbial indicators and their enumerating methods in the assessment of fecal pollution of subtropical freshwater environments [J].J.Microbiol Immunol Infect，2003(36)：288-293.

[24]丁程成.欧美水质大肠菌群相关检验标准探究[J].环境科学，2010，23(1)：67-74.

[25]环境保护总局.GB 3838—2002地表水环境质量标准[S].北京：中国环境科学出版社，2002.

[26]FRANCY D S. Escherichia coli and fecal-coliform bacteria as indicators of recreational water quality [M].Columbus，Ohio US Dept of the Interior，US Geological Survey，1993，96.

[27]卫生部.GB 5749—2006生活饮用水卫生标准[S].北京：中国标准出版社，2007.

[28]Doug Small.猪场的耗水量与粪便排量[R]∥加拿大曼尼托巴省DGH工程有限公司农业-食品研究与发展带头项目98-251的项目报告，加拿大曼尼托巴省，2001.

[29]吴建敏，徐俊，翟云忠，等.畜禽规模养殖废水污染因子监测评价分析[J].家畜生态学报，2009，30(4)：8-51.

[30]葛汝方，霍永久，刘正旭，等.生猪环境友好型配合饲料生产关键技术[J].农业灾害研究，2015，5(1)：21-23.

[31]李振，王云建.畜禽养殖中抗生素使用的现状、问题及对策[J].今日畜牧兽医，2009(8)：1-3.

[32]万风，王海燕，周岳溪，等.养猪废水处理技术研究进展[J].农业灾害研究，2012，2(1)：25-29.

[33]段妮娜，董滨，何群彪，等.规模化养猪废水处理模式现状和发展趋势[J].净水技术，2008，27(4)：9-15.

[34]郭军蕊，刘国华，杨斌，等.畜禽养殖场除臭技术研究进展[J].动物营养学报，2013，25(8)：1708-1714.

[35]王天琪，章萍，周文斌.养猪废水中氮磷及重金属的处理方法[J].家畜生态学报，2013，34(11)：85-88.

[36]王光华，陈海生，刘进宝.生态沟渠中盘培牧草去除养猪场废水中重金属Cu、Zn和Cd效果的研究[J].江西农业学报，2010，22(6)：141-142.

[37]梅瑜，姚振锋，陈金峰，等.三种水生植物对人工养殖污水中主要污染物的影响[J].广州环境科学，2013，28(2)：7-10.

Effect of Sewage Irrigation on Water Quality in Plantation Watershed

MA Lantao

(ZhangzhouFast-growingForestManagementCenter，Zhangzhou363000，Fujian，China)

In order to find out the effect of sewage irrigation on water quality in forest catchments，we irrigated mixture plantation ofCunninghamialanceolata×SchimasuperbaGardn use swine wastewater by drainage ditch as ″弓″ for 16 months (the first point)，and sprinkling irrigatedEucalyptusurophylla×E.grandisintercropped withPennisetumsineseRoxb for two years (the sencond point).Water quality in plantation watershed was determined.The results showed that catchment surface water quality in both two points conformed to the standard for drinking water except microbial indicators in two points and manganese contents in the second point. Total dissolved solids，sulphate，chloride，nitrate of catchment surface water in the first point and total dissolved solids，aluminum，sulphate of catchment surface water in the second point more less than standard for drinking water，although higher than surface water without sewage irrigated.The total nitrogen of surface water in forest catchment increased significantly at the first point，and higher than V TN standard of Surface Water Environment Quality Standard.

plantation；swine wastewater；irrigation；watershed；water quality

10.13428/j.cnki.fjlk.2017.01.010

2016-11-17；

2017-01-13

漳州市科技局(林畜复合经营生态治污技术研究，ZZ2013039)

马兰涛(1982—)，女，河北唐县人，漳州市速生丰产林基地管理中心高级工程师，从事森林生态和森林培育研究。E-mail：malantao1198@163.com。

S753.53+3；S715.1

A

1002-7351(2017)01-0043-06