水泡粪猪场粪污养分及风险因子季节性变化分析

杨智青，丁海荣*，陈应江，金崇富，时 凯，侯福银，陈长宽，封功能

(1.江苏沿海地区农业科学研究所，江苏 盐城 224002；2.江苏省盐城市畜牧养殖装备工程技术研究中心，江苏 盐城 224002；3.盐城工学院，江苏 盐城 224002)

据统计，2015年我国生猪出栏数和猪肉消费量均占世界总量的50%左右[1]，是世界上最大的生猪养殖和猪肉消耗国。当前我国养猪业正快速向规模化、集约化饲养模式转变，规模化养殖比例不断扩大，生猪年出栏500头以上的规模养殖比例为44.0%。规模化养殖的快速发展造成畜禽养殖废弃物产生量突增，我国畜禽粪便产生量已达到60亿t[2]，成为“公认”的面源污染大户。随着江苏省内养殖业北移、东移，苏北沿海地区已成为温氏、中粮、光明等多个大型养殖企业的生猪养殖基地，年养殖生猪数百万头以上，而养殖粪污成为必须解决的首要问题。本课题组针对上述养殖企业主要采用的水泡粪养殖模式，对其工艺下收集的粪污的基本情况进行季节性检测分析，从而为后续的粪污资源化利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验猪场基本情况

试验猪场位于江苏省盐城市大丰区G228四岔河段东5 km，该场采用水泡粪生产工艺，设计年出栏生猪5万头，配套10000 m3沼气包工程、氧化塘,以及沼液、沼渣输送工程和666.7 hm2耕地，产生的沼气全部发电用于猪场生产，为沿海地区典型的规模化水泡粪养猪企业。

1.2 样品采集及保存

试验选取养猪圈舍粪、尿、废水等集中的集粪池作为采样点，每月15日取表层下的猪粪污作为样品，用新纯净水瓶包装，低温密封保存于实验室，用于试验检测。

1.3 试验设计

试验设置春、夏、秋、冬4个季节的粪污样品采集分组，并设计3个方面的指标检测：一是粪污理化特征；二是粪污养分指标；三是粪污风险因子。对4个季节的检测结果进行比较分析，研究其变化规律。

1.4 检测指标及方法

检测指标及方法见表1。

表1 粪污检测指标及方法

1.5 统计分析

对试验数据采用SPSS 13.0软件进行统计分析，用Excel 2007制作数据图表。

2 结果与分析

2.1 粪污理化性状周年变化

由表2可知，猪场收集的粪污pH值高于7.0，呈弱碱性，夏季最高，与其余3季差异显著(P<0.05)；粪污中总固体含量秋季最低，与其他3季差异显著(P<0.05)，夏季与冬季间差异不显著(P>0.05)；其中水溶性有机碳含量4个季节在1.5%～2.0%之间，变化不大，且相互间差异不显著(P>0.05)；粪污的电导率均值高于3.6 ms/cm，其中春、秋2个季节间差异显著(P<0.05)，但与夏、冬2个季节的电导率差异不显著(P>0.05)；粪污的盐分含量从春到冬，平均值呈递增趋势，冬季最高，且与其他季节间差异显著(P<0.05)，其余3个季节的盐分含量相互间差异不显著(P>0.05)。

表2 猪场集粪池猪粪四季理化指标特征统计

注：同行小写字母表示在0.05水平上的差异显著性，字母相同则差异不显著，不同则显著。

2.2 粪污养分组成四季变化

2.2.1 总氮含量的四季变化 由图1可知，粪污中总氮含量从春季到冬季呈递增趋势，其中冬季和秋季较高，两者间无显著差异(P>0.05)，与春、夏2季粪污的总氮含量有显著差异(P<0.05)。

图1 粪污中总氮含量的四季变化

2.2.2 总磷含量的四季变化 由图2可知，粪污中总磷含量以夏季最高，与其余3个季节的差异显著(P<0.05)；春、秋、冬3个季节粪污总磷含量间无显著差异(P>0.05)。

图2 粪污中总磷含量的四季变化

2.2.3 总钾含量的四季变化 由图3可知,粪污中总钾含量变化较大,春季最高，与其余3个季节差异显著(P<0.05);秋季最低,与其余3个季节差异显著(P<0.05);夏、冬2个季节间的总钾含量无显著差异(P>0.05)。

2.2.4 铵态氮含量的四季变化 由图4可知,冬季粪污氨氮含量最高,与其余3个季节差异显著(P<0.05)；而春、夏、秋3个季节间的氨氮含量无显著差异(P>0.05)。

图3 粪污中总钾含量的四季变化

图4 粪污中氨氮含量的四季变化

2.2.5 速效钾含量的四季变化 由图5可知，猪场粪污中的速效钾存在明显差异，其中冬季含量最高，与其他季节存在显著差异(P<0.05)；秋季最低，与其他季节存在显著差异(P<0.05)；春、夏2季的速效钾含量无显著差异(P>0.05)。

图5 粪污中速效钾含量的四季变化

2.2.6 速效磷含量的四季变化 由图6可知,速效磷在粪污中的含量4个季节均有变化，夏季略高，与冬季速效磷含量存在显著差异(P<0.05)；春、秋2个季粪污的速效磷含量居中，与其余两季间无显著差异(P>0.05)。

图6 粪污中速效磷含量的四季变化

2.2.7 腐植酸含量的四季变化 由图7可知,粪污中腐植酸含量均值从春、夏季开始上升至秋冬季回落,秋季最高，与其他3个季节差异显著(P<0.05)；春季最低,与其他3个季节差异显著(P<0.05)；夏、冬季节间的腐植酸含量无显著差异(P>0.05)。

图7 粪污中腐植酸含量的四季变化

2.2.8 有机质含量的四季变化 由图8可知,在粪污中的有机质含量在4个季节之间差异不显著(P>0.05)，含量相对稳定。

图8 粪污中有机质含量的四季变化

2.3 粪污中环境风险因子周年变化

2.3.1 粪污中COD、BOD的周年变化 由图9可知,粪污中COD含量除夏季外,3个季节间差异不显著(P>0.05);夏季最低,且与其他季节差异显著(P<0.05)。

图9 粪污中COD含量的四季变化

由图10可知,粪污中BOD含量以春季最高,与其他3个季节差异显著(P<0.05);夏、秋、冬3个季节间的粪污BOD含量差异不显著(P>0.05)。

图10 粪污中BOD含量的四季变化

2.3.2 粪污中重金属含量的周年变化 由图11可知,粪污中Cu含量在季节间存在明显的变化,夏季均值最高,与春、冬季差异显著(P<0.05);冬季最低,与其他季节间差异显著(P<0.05)；春、秋2个季节间差异不显著(P>0.05)。

图11 粪污中Cu含量的四季变化

由图12可知,粪污中Zn含量在养猪4个季节的变化不大,其中夏季均值最大,与秋季差异显著(P<0.05),与春冬季差异不显著(P>0.05);春冬季的Zn含量均值居中,与夏、秋2季的含量差异不显著(P>0.05)。

图12 粪污中Zn含量的四季变化

3 讨论

3.1 水泡粪工艺对粪污理化性质的影响

科学解决畜禽粪便污染问题是养殖业可持续健康发展的关键。猪场粪污清理方式的合理选择，可为生猪生长提供良好的环境，并为后续粪污转化利用提供适宜的原料[4]。我国养殖场的清粪工艺包括水泡粪、水冲粪和干清粪3种。采用不同清粪工艺，沼气工程发酵原料中各成分的含量差异性较大，从而影响沼液的稳定性，不利于沼液的利用，制约了资源的有效循环利用，也不利于农业的可持续发展[5]。

关于清粪方式对粪污的影响报道主要集中在对养殖环境、粪便成分、沼液养分等方面[5-8]，且部分研究明确指出：在中国劳动力资源比较丰富的条件下,干清粪工艺是较为理想的清粪工艺[9]。水泡粪因其可以提高劳动效率、减轻劳动强度，被规模猪场大量采用，但是由于该工艺中粪便与大量的水混合后处理，严重影响了粪污的组成。本文对此进行了研究测定，结果显示：水泡粪粪污的pH值、水溶性有机碳、电导率和盐分在4个季节相对比较稳定(个别差异应与采样有关)；总固体含量差异较大，4个季节间存在显著差异(P<0.05)，秋季最低。规模化的养殖场应用水泡粪工艺，饲养管理稳定，产生的粪污的理化性质相对稳定，有利于后期干湿分离以及沼气工程等资源化工作的开展。

3.2 粪污中养分的四季变化规律

规模化猪场猪粪中的养分含量,在不同季节、不同猪群之间不尽相同，且表现出一定的变化规律，这主要是由于各季节猪场的猪群结构、饲料类型、气候变化等不同所致[10]。本研究主要检测4个季节粪污中的总氮、总磷、总钾、铵态氮、速效钾、速效磷、腐植酸、有机质等8个主要养分指标，其中总氮、铵态氮含量4个季节呈递增趋势，总磷、速效磷、腐植酸含量呈夏秋高、冬春低的趋势，总钾、速效钾、有机质含量呈冬春高、夏秋低的趋势。上述结果应与饲料配方季节性调整和猪场用水量有关。

3.3 粪污中风险因子的四季变化规律

据统计，2014年我国生猪粪污COD总排放量1955.84万t，BOD总排放量1909.91万t，比1998年分别增长了619.8万t、605.25万t[11]。畜禽饲料中重金属约95%以上随畜禽粪便排泄而进入环境，我国每年使用的微量元素添加剂有15万～18万t，有10万t左右未被动物利用而随粪便排出体外，进而污染环境[12]。在养猪过程中，为了预防疾病和促进生长，Cu、Zn等重金属元素往往作为饲料添加剂大量使用且添加量多超正常饲养标准。此外，由于肉猪对饲料中Cu、Zn等元素吸收率较低，致使大部分Cu、Zn等元素积累在猪粪中，导致猪粪和以其作为主要原料生产的有机肥料中重金属含量显著提高，增加了农田应用的环境风险[13-14]。本文对水泡粪粪污的风险因子COD、BOD，以及Cu、Zn等重金属的4个季节含量进行了检测分析，粪污中COD含量春、秋、冬三季较为稳定，夏季较低，与夏季用水量大相关；BOD则是春季较大，而夏、秋、冬三季总体含量较为稳定；Cu含量夏季最高；Zn含量四季相对均衡。结果显示：规模养猪场水泡粪工艺中粪污影响环境的4种风险因子含量在4个季节间虽有差异，但总体稳定，亟需采用科学的技术方法进行减量，以符合国家排放或农田施用标准。

3.4 水泡粪工艺的粪污资源化潜力评估

近几年饲养员劳动成本迅速提高，5～6年间，饲养员的工资和管理费用几乎翻了一番，同时80后、90后喜欢养猪的人少了，猪场招聘饲养员越来越困难。猪场水泡粪清粪工艺具有节省人力的优点，许多猪场都在推广和探索水泡粪工艺[15]。水泡粪工艺优点很明显，但是从养殖环境、成本等角度考虑，并非最佳生产模式[9,16]。但是，沿海地区集约化规模养殖场基于生产管理、成本以及工艺成熟度等方面考虑，水泡粪是最为经济、实用的生产工艺，但是从本文研究结果可知，该工艺条件下提供的基肥四季的养分含量、理化性质较为均一，是稳定的有机肥原料，同时产生的大量废水须经过沼气工程等配套设施的降污处理后资源化利用。

4 小结

水泡粪养猪工艺作为被大量推广应用的技术，能够为农业生产提供稳定的有机肥原料，但是其含有的环境风险因子亦须受到生产方的大力重视，配套降污、减量的技术设施，从而保障安全生产，保护环境。