模拟降雨条件下不同堆放时间和方式畜禽粪便氮素流失特征

夏颖 黄美玲 张富林 吴茂前 范先鹏 刘冬碧 张志毅 孔祥琼 熊佳林 程子珍 余延丰

摘要：通过模拟降雨方法，对自然条件下不同堆放时间的猪粪进行降雨冲刷试验，同时对比分析了秸秆、土壤、裸露3种覆盖条件下，降雨对自然堆放条件下猪粪中不同氮形态径流流失的影响及其面源污染风险。结果表明，猪粪的氮素流失与降雨量密切相关，不同堆放时间猪粪径流中的总氮、氨态氮和硝态氮的浓度均随着降雨量的增加而逐渐下降;新鲜猪粪堆放7 d和堆放30 d的猪粪径流中氮素浓度和流失强度均较高，腐熟猪粪（堆放90 d）和堆放60 d的猪粪相比，其氮素更易通过径流流失;猪粪中氮主要是以氨态氮的形式流失，氨态氮和硝态氮平均流失强度分别为78.1 g/t和54.9 g/t;覆盖处理能显著降低猪粪氮素的流失强度，且土壤覆盖处理优于秸秆覆盖。

关键词：分散式;畜禽粪便;模拟降雨;氮;流失特征

中图分类号：S143.3;Q945.1         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）24-0101-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.24.024           開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Nitrogen loss characteristics of livestock manure in different stacking time

and mode under simulated rainfall conditions

XIA Ying1，HUANG Mei-ling2，ZHANG Fu-lin1，WU Mao-qian1，FAN Xian-peng1，LIU Dong-bi1，

ZHANG Zhi-yi1，KONG Xiang-qiong3，XIONG Jia-lin4，CHENG Zi-zhen1，YU Yan-feng1

（1.Institute of Plant Protection and Soil Fertilizer， Hubei Academy of Agricultural Sciences/Hubei Engineering Research Center for Agricultural Non-point Source Pollution Control/Qianjiang Scientific Observing and Experimental Station of Agro-Environment and Arable Land Conservation， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， China/Hubei Engineering Research Center of Agricultural Environmental Governance，Wuhan 430064，China;2.College of Resource and Environment Engineering， Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China;3.Xingshan Agricultural Ecology Environmental Protection Station，Xingshan 443700，Hubei，China;4.Yichang Agricultural Ecology and Resource Protection Station，Yichang 443000，Hubei，China）

Abstract： By simulating the rainfall method， the rainfall test of pig manure with different stacking time under natural conditions was carried out. At the same time， the loss of different nitrogen form runoff in pig manure under natural storage conditions under the conditions of straw， soil and bare cover were compared and analyzed. The results showed that the nitrogen loss of pig manure was closely related to rainfall， the concentrations of total nitrogen， ammonia nitrogen and nitrate nitrogen in pig manure runoff decreased with the increase of rainfall; Nitrogen concentration and loss intensity of the fresh pig manure runoff piled for 7 days and pig manure runoff piled for 30 days were higher， nitrogen of runoff piled for 90 days was more easily lost through runoff compared with runoff piled for 60 days. The nitrogen in pig manure was mainly lost in the form of ammonia nitrogen， the average loss intensity of ammonia nitrogen and nitrate nitrogen was 78.1 g/t and 54.9 g/t， respectively; The coverage treatment can significantly reduce the loss of pig manure nitrogen， and the soil cover treatment was better than the straw cover treatment.

Key words： decentralized; livestock manure; simulated rainfall; nitrogen; loss characteristics

中国畜禽规模化养殖比例不断提高，但分散养殖仍是农村畜禽养殖生产的主要形式[1]。大部分的畜禽粪便在贮存过程中自然堆放，在4月和10月集中用于农田施肥[2]。畜禽粪便产生与农田利用时间的错位、小型分散畜禽养殖户缺乏经济有效的避雨设施，使得大部分的畜禽粪便露天堆放，经过降雨冲刷后，畜禽粪便中的氮、磷会随着径流流入到水体中，是畜禽粪便造成污染的主要途径[3-5]。因此，研究降雨对露天堆放畜禽粪便氮素流失的影响很有必要。

目前，一些学者主要集中研究畜禽粪便施入农田后降雨对其氮、磷流失的影响[6-8]。有研究表明施肥后不久出现明显降雨时期，会使得施加的畜禽粪便中氮、磷大量流失，对环境造成严重的污染[9]。人工模拟降雨不受自然的影响，又可以进行多次试验，节省人力和物力，常用于侵蚀过程中水土流失和养分流失的研究[10-12]，而降雨對露天堆放的畜禽粪便氮素流失特征的研究报道较少。因此，本研究采用野外模拟降雨方法，选取不同堆放时间和堆放方式的猪粪为供试材料，分析其在不同降雨强度下的氮素流失特征，以期用来分析和评估研究区域露天堆放猪粪中氮素流失现状，同时为减少畜禽堆放过程中氮素流失、控制农业面源污染提供研究思路。

1  材料与方法

1.1  材料

试验在三峡库区宜昌市兴山县长坪小流域农业面源污染试验示范基地内进行。湖北省三峡库区生猪产生的粪便量占该区域畜禽粪便总量的85.2%[13-15]，因此取猪粪作为试验材料。猪粪选取具有代表性的猪圈散养户露天堆放的样品，共取4种堆放时间的猪粪，从新鲜猪粪清扫出圈算起，露天堆放时间分别为7 d（M1），30 d（M2），60 d（M3），90 d（即腐熟猪粪，M4）。不同堆放方式分别为裸露处理（CK），秸秆覆盖处理（CR），土壤覆盖处理（CS）。每个处理重复3次。覆盖的秸秆取当季的玉米秸秆，剪成5 cm长一段，土壤为玉米田里的土壤。覆盖时保证土壤与秸秆覆盖厚度均为5 cm。堆放时间越长，堆放中的全氮、全磷和有机质的含量增加，不同堆放时间的猪粪、试验所需玉米秸秆和土壤的主要养分含量如表1所示。

1.2  试验装置

试验槽是用水泥砌成的长方体，长0.6 m，宽0.5 m，高0.3 m，在试验槽下方有个集水槽，通过小管道与试验槽连接，用来承接径流。降雨前将试验槽清理干净，将猪粪堆置于试验槽中，上部呈馒头状，将底部压实，堆放高度为20 cm，模拟自然堆放的猪粪。野外人工模拟降雨器由储水罐、支架、压力表、喷头和雨量筒等部分组成，喷头采用SPRACO锥形喷头，距地面高度4.75 m。降雨区域为2 m×2 m，雨滴形态，降雨均匀度与自然降雨相似。模拟降雨器模拟降雨动能约为等雨强天然降雨的90%，均匀度为0.9，供水压力为0.08 MPa，降雨强度由喷头数和供水压力共同控制[16]。

1.3  试验过程与样品测定

大雨或大暴雨是产生径流的主要原因，试验降雨强度设计为60 mm/h和120 mm/h。每一次降雨总量均为120 mm。在进行一次模拟降雨时，记录其产流时间和产流量。开始降雨后每30 mm的降雨量进行采集径流水样以及猪粪样。径流水样取混合均匀的水样，而猪粪样分别在堆粪的4边取4个点和在堆粪中间取1个点后再混匀取样。样品收集后冷藏储存，并尽快测定。

测定指标采用常规方法进行[17]，主要包括径流量以及径流水样的总氮（TN）、铵态氮（AN）、硝态氮（NN），固体样品包括采取的猪粪，以及用来进行覆盖的秸秆和土壤，主要检测指标包括全氮、全磷、有机质以及水分含量。

利用Excel 2007和SPSS 19.0软件对试验数据进行分析处理。

2  结果与分析

2.1  不同堆放时间猪粪中全氮的流失情况

由图1看出，4种堆放时间的猪粪全氮含量均随着降雨量增加有明显下降趋势。经过120 mm降雨量的冲刷后，M1在60 mm/h和120 mm/h降雨强度下的全氮量分别降低了5.3%和26.8%;M2的全氮含量分别下降了10.2%和22.9%;M3的全氮含量分别下降了12.8%和11.1%;M4的全氮含量分别下降了14.4%和22.7%。除M3在两种降雨强度条件下全氮含量无明显差别外，其他3种堆放时间猪粪中的全氮含量均随降雨强度的增强，流失量也明显增多。

2.2  不同堆放时间猪粪径流中氮素浓度变化特征

由图2可知，随着降雨量的增加，径流中TN的浓度总体上呈下降的趋势。在相同降雨强度下，径流TN浓度均随着猪粪堆放时间的增加呈现先降低后上升的趋势，具体表现为径流浓度从M1到M3逐渐降低，猪粪腐熟后M4（90 d）的径流氮素浓度高于堆放60 d的猪粪M3，其中，60 mm/h降雨强度下，M1、M2、M3、M4径流中TN浓度平均分别为340.7、334.1、156.7、285.2 mg/L;120 mm/h降雨强度下，M1、M2、M3、M4径流中TN浓度平均分别为334.4、231.9、127.5、242.5 mg/L，表明猪粪堆放60 d时降雨对TN流失浓度影响较小。降雨强度对猪粪径流中TN的影响差异不大，表现为60 mm/h大于120 mm/h降雨强度下的TN浓度，在60 mm/h和120 mm/h降雨强度下不同堆放时间猪粪径流中TN平均浓度分别为279.2 mg/L和234.1 mg/L。

4种堆放时间的猪粪径流中AN的浓度随着降雨量的增加呈下降的趋势。在相同降雨强度下，猪粪M1、M2和M3径流中AN平均浓度表现为M3

4种堆放时间的猪粪径流中NN的浓度均随着降雨量的增加而减少。在相同降雨强度下，猪粪M1、M2和M3径流中NN平均浓度表现为M3

在60 mm/h降雨强度下，猪粪M1、M2、M3和M4径流中AN和NN占TN的比例分别为46.1%、34.2%、50.8%、38.7%和27.8%、30.7%、32.4%、29.6%;在120 mm/h降雨强度下，M1、M2、M3和M4径流中AN和NN占TN的比例分别为45.2%、38.9%、22.9%、45.0%和26.6%、39.1%、40.7%、24.9%。由此可知，猪粪中氮主要是以铵态氮的形式流失。

2.3  不同覆盖方式猪粪径流中氮素浓度变化特征

在60 mm/h降雨强度下，对猪粪M1和M4进行模拟降雨，对比分析了秸秆覆盖（CR）、土壤覆盖（CS）和裸露堆放（CK）下猪粪中氮素浓度变化情况。由图3可知，猪粪通过降雨冲刷后，径流中的TN浓度均在最初时较高，随着降雨量的增加而下降。降雨量在60 mm以下时，新鲜猪粪比腐熟猪粪的TN更容易流失，降雨量为90 mm和120 mm时，与M1秸秆覆盖相比，M4秸秆覆盖不能降低径流中TN的流失，其中，秸秆覆盖的M1径流中TN浓度为139.3 mg/L，M4径流中TN浓度为213.2 mg/L;两种猪粪土壤覆盖效果最好，M1和M4土壤覆盖后其径流TN平均浓度分别为143.8 mg/L和137.3 mg/L。

同样，新鲜猪粪裸露堆放时M1（CK）与腐熟猪粪M4（CK）相比AN更容易流失，经过120 mm降雨冲刷后，M1（CK）径流中AN浓度由228.7 mg/L降到123.4 mg/L，M4（CK）径流中AN浓度由137.4 mg/L降到76.7 mg/L;新鲜猪粪经过土壤覆盖后能够降低AN流失，但是秸秆覆盖不能降低新鲜猪粪AN的流失;而腐熟猪粪经过土壤和秸秆覆盖后，能较大程度降低AN流失。

裸露堆放的腐熟猪粪M4（CK）与新鲜猪粪M1（CK）相比，NN更容易流失，但是通过土壤覆盖和秸秆覆盖后，两种不同堆放时期的猪粪都能够有效降低NN的流失。新鲜猪粪M1的TN主要以AN的形式流失，而在腐熟猪粪M4中裸露堆放和土壤覆盖的NN和AN的流失量相差不大，这可能是因为随着堆放时间增加，猪粪中的铵态氮通过硝化作用转化成硝态氮[18]。

2.4  不同堆放时间和覆盖方式猪粪氮素流失强度

为了评估猪粪氮素的流失情况，采用堆粪流失强度概念，即单位质量猪粪随降雨所流失的氮的质量[19]。首先根据流失浓度与相应的观测径流量，计算径流氮的流失质量，然后根据堆粪的总质量计算出单位质量堆粪的流失强度（表2）。相同降雨强度下，猪粪氮素流失强度随着降雨量的增加而增加。堆放时间不同，氮素的流失强度也不同，在60 mm/h降雨强度下，4种猪粪的TN、AN和NN的流失强度基本表现为M1>M2>M3，腐熟后的猪粪M4的流失强度大于M3，并且M1和M2的氮素流失强度显著高于M3和M4，表明在60 mm/h降雨强度下，猪粪堆放时间越长氮素流失强度越小;在120 mm/h降雨强度下，M1和M4的氮素流失强度比其他两种猪粪大。60 mm/h的氮素流失强度大于120 mm/h，其中，在60 mm/h和120 mm/h降雨强度下，不同堆放时间猪粪的TN平均流失强度分别为215.7 g/t和160.0 g/t，AN平均流失强度分别为82.5 g/t和63.8 g/t，NN平均流失强度分别为60.5 g/t和45.5 g/t。

在两个降雨强度下，AN的流失强度大于NN的流失强度，AN和NN平均流失强度分别为73.2 g/t和53.0 g/t，表明猪粪的氮素主要以AN形式流失。

为了更好地比较秸秆覆盖和土壤覆盖对猪粪中氮素流失的影响，在60 mm/h降雨强度下，对比分析新鲜猪粪M1裸露堆放、秸秆覆盖和土壤覆盖处理的总氮流失强度。由表3可知，新鲜猪粪的TN流失强度表现为裸露堆放大于秸秆覆盖和土壤覆盖，且裸露处理中TN的流失强度约是土壤覆盖处理流失强度的2倍。120 mm的降雨量下，裸露處理猪粪TN的流失强度为482.1 g/t，秸秆覆盖和土壤覆盖处理猪粪TN的流失强度分别为365.1 g/t和190.7 g/t，因此，通过估算1次120 mm的降雨量，裸露处理猪粪中TN的流失量占猪粪中TN的2.3%，秸秆和土壤覆盖处理的猪粪中TN的流失量分别占猪粪TN的1.7%和0.9%。因此可以通过秸秆覆盖或土壤覆盖来减少畜禽粪便中的氮素流失，其中土壤覆盖的效果比秸秆覆盖好。

3  小结

1）猪粪径流中的氮素浓度和流失强度受降雨量影响较大，受降雨强度的影响较小。

2）相同降雨强度下，新鲜猪粪堆放7 d和堆放30 d的猪粪径流中氮素流失的较多，腐熟猪粪（堆放90 d）与堆放60 d的猪粪相比其氮素更容易通过径流流失。

3）氨态氮的径流浓度和流失强度基本高于硝态氮，表明猪粪氮素的流失形态以氨态氮为主。

4）通过秸秆覆盖和土壤覆盖，猪粪中氮流失量减少，因此，在猪粪露天堆放过程中，可以采取秸秆覆盖和土壤覆盖来防控氮素流失，并且土壤覆盖的防控效果好于秸秆覆盖。

参考文献：

[1] 朱丽娜，姜  海，诸东海，等.分散养殖污染治理中政府定位及公共服务供给研究[J].农业环境与发展，2013，30（2）：7-10.

[2] 王子臣，沈建宁，管永祥，等.小型分散畜禽场粪污综合治理思路探讨—以武进区礼嘉—洛阳片区畜禽养殖业为例[J].农业环境与发展，2013，30（2）：11-14.

[3] 尹  琴，瞿广飞，黄  凯，等.降雨冲刷造成的畜禽粪便氮磷流失规律及蚯蚓强化降解堆沤池氮磷流失控制作用研究[J].安徽农业科学，2015，43（25）：265-268.

[4] 李  远，单正军，徐德徽.我国畜禽养殖业的环境影响与管理政策初探[J].中国生态农业学报，2002，10（2）：136-138.

[5] 莫海霞，仇焕广，王金霞，等.我国畜禽排泄物处理方式及其影响因素[J].农业环境与发展，2011，28（6）：59-64.

[6] SMITH D R，OWENS P R，LEYTEM A B，et al. Nutrient losses from manure and fertilizer applications as impacted by time to first runoff event[J].Environmental pollution，2007，147（1）：131-137.

[7] 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.

[8] 饶雄飞，金怡平，胡红青，等.动物粪便堆肥的养分淋溶特征模拟研究[J].环境化学，2007，26（6）：774-778.

[9] EDWARDS D R，DANIEL T C. Runoff quality impacts of swine manure applied to fescue plots[J].American society of agricultural engineers，1993，36（1）：81-86.

[10] 高  杨，宋付朋，马富亮，等.模拟降雨条件下3种类型土壤氮磷钾养分流失量的比较[J].水土保持学报，2011，25（2）：15-18.

[11] 郭新送，宋付朋，高  杨，等.模拟降雨下3种类型土壤坡面的泥沙流失特征及其养分富集效应[J].水土保持学报，2014，28（3）：23-28.

[12] 杨丽霞，杨桂山，苑韶峰，等.不同降雨强度条件下太湖流域典型蔬菜地土壤磷素的径流特征[J].环境科学，2007，28（8）：1763-1769.

[13] 蔡庆华，胡征宇.三峡水库富营养化问题与对策研究[J].水生生物学报，2006，30（1）：7-11.

[14] 邱光胜，胡  圣，叶  丹，等.三峡库区支流富营养化及水华现状研究[J].长江流域资源与环境，2011，20（3）：311-316.

[15] 蔡金洲，范先鹏，黄  敏，等.湖北省三峡库区农业面源污染解析[J].农业环境科学学报，2012，31（7）：1421-1430.

[16] LUK S H，ABRAHAMS A D，PARSON A J. A simple rainfall simulator and trickle system for hydro-geomorphic experiments[J].Journal of physical geography，2013，7（4）：344-356.

[17] 鮑士旦.土壤农化分析[M].第3版.北京：中国农业出版社，2008.

[18] 黄向东，韩志英，石德智，等.畜禽粪便堆肥过程中氮素的损失与控制[J].应用生态学报，2010，21（1）：247-254.

[19] 彭  莉，王莉玮，杨志敏，等.降雨对农家堆肥氮磷流失的影响及其面源污染风险分析[J].环境科学，2012，33（2）：407-411.