武汉市畜禽养殖沼液土地消纳后氮、磷流失污染影响分析及对策——以茶果林地为例

张 俊，赵 泉

（武汉智汇元环保科技有限公司，武汉 430000）

畜禽养殖产业快速增长且以市场导向为主，缺乏科学的规划与引导，存在增长方式粗放、产业布局不均衡、种养脱节等问题，导致畜禽养殖污染已成为中国继工业污染后的第二大污染源。为加快推进畜禽粪肥资源化利用，促进农牧结合、种养循环发展，国家相继出台一系列关于推进畜禽养殖废弃物资源化利用及畜禽粪肥还田利用的政策法规，明确以畜禽粪肥还田利用作为资源化利用的主要途径。畜禽粪肥还田利用就是利用土地消纳氮、磷的能力对粪肥进行肥料化利用，主要依靠土壤吸附、植被吸收和微生物分解作用对粪肥进行消纳，但在粪肥施用量超过土地承载力和降水作用下，粪肥中的氮、磷易随地表径流流失造成环境污染。畜禽养殖业污染物会随着粪肥土地消纳转移至种植业中，最终以农业面源污染的形式排入环境中。武汉市农业源排放的总氮和总磷分别占全市排放总量的20.5%和54.7%，排污比重仅次于生活源成为该市第二大水污染源［1］，农业面源污染治理已迫在眉睫。已有研究表明，农田氮、磷流失负荷受降雨、施肥状况、土壤条件、坡度、作物覆盖度及农艺管理措施等因素的影响［2，3］。本研究以2 家生猪养殖场沼液消纳场地为研究对象，采用地表径流实地监测方式，总结武汉市畜禽沼液土地消纳后氮、磷的流失规律，归纳沼液土地消纳过程中影响氮、磷流失的因素，以期为进一步科学指导武汉市的畜禽粪肥土地消纳利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在武汉市2 个生猪养殖场沼液消纳场地（以茶果林地为主）开展，其中1 号养殖场30°13′2″N，114°25′49″E；2 号养殖场30°57′25″N，114°42′58″E。坡耕地，坡度15°～25°，年均降水量1 253.7 mm，年平均气温15.8～17.5 ℃，无霜期211～272 d，年日照总时数1 810～2 100 h，土壤为黄棕壤，质地较黏，属重壤。

1.2 试验设计

试验选取2 个生猪养殖场，每个养殖场各选择1处沼液消纳场地作为试验组，选取1 处邻近区域自然荒草坡地作为对照组，其中1 号养殖场设置试验组（T1）和对照组（CK1），2 号养殖场设置试验组（T2）和对照组（CK2）。在自然降水条件下对地表径流进行取样检测，2 次重复。试验设计见表1。

表1 试验设计

1.3 样品采集与分析

2022 年2—5 月对试验组和对照组场地地表径流进行2 次取样检测，主要检测化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）和总磷（TP）4 项污染物浓度指标，水样的保存、管理和检测均按照相关规范执行。

1.4 总氮、总磷流失量及流失系数计算方法

地表径流流失的总氮、总磷量等于监测周期中各次径流水中氮、磷平均浓度与径流水体积乘积之和。流失系数用流失率表示，以总氮为例，计算式为总氮流失率＝（总氮流失量/施用沼液中总氮量）×100%。数据分析统计及图表制作采用Microsoft、Excel 2010 软件处理。

2 结果与分析

2.1 污染物流失相关性分析

采用差值百分比法对2 个典型养殖场的污染物浓度检测数据进行分析（表2），发现除化学需氧量表现不明显外（2组差值百分比分别为-6.7%、50.0%），试验组的氨氮、总氮和总磷浓度均不同程度高于对照组。表明在不考虑土地利用类型、植被类型等因素的情况下，2 个养殖场沼液土地消纳后径流中氨氮、总氮、总磷浓度均高于未进行沼液消纳的径流，即畜禽沼液土地消纳处理后存在一定程度的污染物流失，其中流失污染物主要为氨氮、总氮和总磷。

表2 养殖场污染物检测结果

由表2 可知，T1 氨氮、总氮和总磷浓度差值百分比为T2 的5.0～14.5 倍，明显高于T2。根据试验设计，T1 采用拖管漫灌施肥，沼液施用量为75.0 t/（hm2·次）；T2 采用喷头喷灌施肥，沼液施用量为7.5 t/（hm2·次），可知，T1 施肥量更高，施肥方式更粗放。在不考虑2 个养殖场沼液组分、消纳土地作物类型、土壤特性等因素的情况下，沼液施用方式和施用量差异是导致试验结果差异的主要原因，对于消纳土地，沼液施用量越大，施用方式越粗放，则随地表径流流失的氨氮、总氮、总磷会越多，造成的区域农业面源氮、磷污染负荷越高，与试验结果中T1氨氮、总氮和总磷等污染物浓度差值百分比明显高于T2 相符合。同时经比对试验组与对照组结果，相比未施肥土地，粪肥消纳后土地的地表径流中TN、TP 浓度和污染输出负荷成倍增加，其中总氮为2.4～9.9 倍，总磷为1.4～2.8 倍。

综上，畜禽养殖场沼液土地消纳后氨氮、总氮、总磷等污染物流失量受施用量及施用方式等因素影响较明显，沼液施用量越高，施用方式越粗放，沼液土地消纳后氨氮、总氮、总磷等污染物流失风险越大。

2.2 污染物流失影响分析

试验组总氮、总磷流失量和流失率的计算结果见表3。由表3 可知，2 个养殖场畜禽沼液土地消纳后总氮和总磷均有流失，说明畜禽沼液土地消纳后总氮、总磷等污染物未能完全消纳，在降水时会随地表径流以面源的形式排入水环境。在不考虑2 个养殖场沼液成分、降水量差异等因素的前提下，T1沼液土地消纳后总氮、总磷流失率分别为43.7%和38.9%，T2 沼液土地消纳后总氮、总磷流失率分别为37.4%、24.5%。

表3 沼液土地消纳后总氮、总磷流失情况

结果表明，T1 总氮和总磷的产生量、流失量、流失率均远高于T2。对比2 个养殖场的沼液施用情况，发现在沼液的施用前处理、施肥方式及施肥强度等方面存在明显差异，T1 沼液采用漫灌的施肥方式，施肥量为75.0 t/（hm2·次），而T2 沼液采用喷灌的施肥方式，施肥量为7.5 t/（hm2·次），说明施肥量越低，粪肥中氮、磷被土壤及其植被吸收消纳越充分，残留在土壤中的氮、磷随地表径流流失的风险也会更低，因此合理控制粪肥施肥量能有效促进粪肥土地消纳效果。同时，施肥方式的不同也是造成流失率差异的原因，相较T2 的喷灌施肥方式，T1 采用的漫灌施肥因受消纳土地地形、土壤结构及工作人员操作等因素的影响，会存在施肥空间不均匀、局部土地施肥过量等问题，在降水条件下，施肥过量区域的氮、磷易随地表径流流失，影响粪肥土地的消纳效果。另外，因试验需降水形成地表径流等条件，采样连续性不强，监测结果存在偶然性，且2 个养殖场的监测采样时间与上次施肥时间间隔时长的差异也是影响结果较为重要的因素。

综上分析可知，养殖场沼液土地消纳后污染物的流失率与施肥强度、施肥方式等因素有关，施肥强度越合理、施肥方式越精准，沼液土地消纳的效果越好，土地消纳后粪肥中的总氮、总磷等污染物的流失风险也会越低，进而畜禽养殖沼液土地消纳后对农业面源污染的影响就会越小。

2.3 数据可信性分析

2.3.1 试验数据可信性分析 2 个典型养殖场试验组中的氨氮、总氮和总磷浓度均不同程度高于对照组（氨氮差值百分比分别为675.5%和44.2%，总氮差值百分比分别为887.6%和142.1%，总磷差值百分比分别为182.7%和36.4%），化学需氧量表现不明显。经分析，畜禽养殖场沼液中氮、磷经消纳土地土壤吸附、地表植被吸收及微生物分解等作用后，未吸收降解部分可能随地表径流流失，而对照场地未施用氮、磷等肥料，土壤背景中氮、磷等在植物吸收等作用下浓度较低，故试验组氨氮、总氮和总磷浓度均不同程度高于对照组。而化学需氧量主要是表观污染物被氧化剂氧化所消耗的氧气量，只与物质的可氧化性有关。段小丽［4］研究发现，氮流失的主要形态是硝态氮，其流失量占氮流失量的80%以上，其次是颗粒态氮，以铵态氮形式流失的只是很小一部分，由此可推测出污染物的氧化反应在土壤吸附、地表植被吸收及微生物分解等土地消纳过程中已基本完成，径流中污染物可被氧化组分较少，这可能就是造成试验组化学需氧量与对照组化学需氧量差异不明显的原因。参考生态环境部发布的《农业污染源产排污系数手册》，种植业排污指标中无化学需氧量相关系数，这亦可佐证化学需氧量不是种植业重要的污染指标。由此，本研究试验结果基本符合客观事实，数据可信。

2.3.2 结果数据可信性分析 韦鹤平［5］研究发现，在土壤-作物系统中，氮、磷的作物利用率仅为20%～35%，大部分被土壤吸附、累积，部分逐渐供作物吸收利用，当季施用的氮、磷肥的20%～35%随降水径流和渗漏排出农田。据国内外学者研究报道，降雨导致的磷流失可能占年流失量的80%～90%［6］。曾招兵等［7］、王谊［8］、蒋晓辉［9］研究发现，菜地氮素径流流失负荷占氮素投入总量的10%～15%。夏颖等［10］在关于湖北省油菜-棉花轮作系统地表径流氮、磷流失特征的研究中表明，不同土地的利用方式和氮、磷流失规律也不相同，水田、平旱地、菜地和坡旱地的肥料流失率分别为10%、10%、13%和26%。

段永惠等［11］研究发现，农田径流氮、磷的流失量与肥料投入水平呈正相关，同时与土地利用方式、水肥管理及种植制度有关；采用不同肥料品种组合可调控地表径流氮、磷流失量，合理的氮、磷肥配施既可以提高作物产量，又可以降低径流中氮、磷的流失量；施肥后土壤地表径流中总磷浓度和污染输出负荷比未施肥前成倍增加，深施或穴施比表施可显著降低径流中氮、磷的流失量。同时，地表径流氮、磷的流失量也受农田地形坡度影响，何晓玲［12］研究发现，各坡度坡耕地泥沙中有效磷流失量随降雨时间的延续呈增加趋势，有效磷流失总量随坡度的增加成倍增加，20°坡面有效磷流失总量为10°的6.2～12.7 倍，为15°的3.1～3.7 倍。

综上可知，土壤-作物系统中氮、磷径流流失量占氮、磷施用量的10%～32%。本研究养殖场沼液消纳土地均为坡耕地，坡度在15°～25°，沼液土地消纳后T1、T2 总氮流失率分别为43.7%、37.4%，总磷流失率分别为38.9%、24.5%，考虑到氮、磷径流流失量受土地地形、土地利用方式、水肥管理、种植制度等诸多因素的影响呈不同的流失规律，本研究试验结果与其他研究者基本符合，研究结论基本可信。

3 对策建议

消纳土地在施用畜禽粪肥后，粪肥中氮、磷随地表径流在流失路径经过土壤截留、植物吸收、微生物分解等过程，最终汇入受纳水体形成水环境污染负荷，故地表流失路径的空间距离及路径沿线的土地利用类型、植被类型、坡度等诸多因素均是影响氮、磷流失的重要因素。因此，针对畜禽粪肥土地消纳后农业面源污染防治，可采取延长流失路径空间距离和在流失路径设置生态拦截等措施。

在畜禽粪肥土地消纳方面，为进一步降低因畜禽养殖带来的农业面源污染影响，控制粪肥的施用量与施用方式是较有效的手段。而其通常与养殖户（或土地消纳种植第三方）制定的计划、落实情况有关，因此主要通过以下几个方面来落实。一是根据粪肥施肥前处理方式或熟化程度，以及粪肥消纳土地的面积、坡度、土壤类型及结构、种植作物类型、作物产量及当地气候气象条件等制定合适的粪肥施用计划，并选择适宜的输送方式和浇灌方式，尽可能地保证施肥均匀，如对沼液进行对水配比后施用、优先选用“管道+喷灌或滴灌”等精细化施肥方式，逐步淘汰漫灌等粗放的施肥方式；二是严格落实制定的粪肥施用计划，加强粪肥的施用管理水平，选派专人定岗定责，并做好日常施肥台账管理，有条件的鼓励提高粪肥施用的机械化、信息化管理水平；三是合理布局养殖场及其消纳土地，尽量避免选择在临近重点河流及湖库沿岸，对于消纳土地较集中的区域，可在消纳土地汇流区边界及下游区域一侧设置生态缓冲带、生态拦截沟、生态消纳塘等农业面源污染治理工程。

为进一步降低武汉市畜禽粪肥土地消纳后对环境的污染负荷影响，应尽量优化全市种养布局，推广种养结合的模式，合理调控区域养殖量，加强养殖的污染综合整治，科学规划和布局养殖场，增加其汇流区下游生态拦截沟或生态缓冲带等面源污染治理设施，强化环境监管执法，加强环境污染风险防范。对于畜禽养殖场户，应提升、完善其粪肥资源化利用水平和处理利用设施，合理配套粪肥消纳土地，加强精细化管理，减少漫灌等粗放施肥方式，鼓励采用“管道+喷灌或滴灌”灌溉系统等田间配套设施，并加强消纳土地粪肥施用与台账管理，防止过量施肥等现象发生。

4 小结与讨论

1）畜禽粪肥经土地消纳后，会增加土地地表径流中氮、磷的流失量，其中1 号、2 号养殖场沼液土地消纳后总氮流失率分别为43.7%、37.4%，总磷流失率分别为38.9%、24.5%。而畜禽粪肥土地消纳后地表径流氮、磷的流失量与肥料投入水平呈正相关［10］，同时与土地利用方式、土地坡度、降雨强度、水肥管理及种植制度等因素有关。

2）相比未施肥土地，粪肥消纳后土地的地表径流中总氮、总磷浓度和污染输出负荷成倍增加，其中总氮为2.4～9.9 倍，总磷为1.4～2.8 倍。同时，畜禽粪肥土地消纳后地表径流氮、磷的流失量受施肥强度、施肥方式影响明显，施肥强度越高，施肥方式越粗放，则消纳土地所承载污染负荷越大，在降水条件下，消纳土地中的总氮、总磷等污染物随地表径流流失的风险也会越高。

3）粪肥土地消纳应通过合理布局养殖场及消纳场地、制定并落实科学合理的粪肥施用计划等措施，进一步降低畜禽养殖粪肥土地消纳造成的面源污染影响。