菜地追施豬糞沼液后NH3和N2O排放特征及氮損失率

靳紅梅， 常志州， 吳華山， 郭德杰， 黃紅英， 馬 艷， 徐躍定， 張建英

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇省農(nóng)業(yè)廢棄物資源化工程技術(shù)中心，南京 210014)

菜地追施豬糞沼液后NH3和N2O排放特征及氮損失率

靳紅梅， 常志州*， 吳華山， 郭德杰， 黃紅英， 馬 艷， 徐躍定， 張建英

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇省農(nóng)業(yè)廢棄物資源化工程技術(shù)中心，南京 210014)

豬糞沼液； NH3揮發(fā)； N2O排放； 氮損失率； 菜地

隨著我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便年產(chǎn)生量已超過(guò)2.43億噸[1]，成為影響我國(guó)環(huán)境的重要污染源之一[2]。厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)是糞便等廢棄物無(wú)害化處理的有效手段，它不僅是一項(xiàng)提供清潔能源的生物質(zhì)工程[3-5]，而且是減輕環(huán)境污染、發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要紐帶[6-7]。截至2010年7月底，中國(guó)大中型養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程近5000處，年產(chǎn)沼液和沼渣量已超過(guò)1.3億噸[2]。但絕大部分沼液被隨意排放，亟待有效處理及合理利用，否則將產(chǎn)生二次污染，并制約沼氣工程的發(fā)展。

畜禽糞便經(jīng)厭氧發(fā)酵后，除了碳素大量轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，氮、磷等元素更多地保留在沼液和沼渣中[3]。作為肥料還田利用是沼液和沼渣消納和資源化利用的有效方式[8]。相對(duì)于沼液而言，固體沼渣的產(chǎn)生量較少，處理較為容易，主要用于堆肥或直接還田。而沼液產(chǎn)生量大，貯存、施用及處理過(guò)程對(duì)設(shè)備和技術(shù)的要求更高、花費(fèi)也高、處理效率低，其無(wú)害化處理和營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)利用存在較大的困難[3]。對(duì)于沼液的農(nóng)田施用，國(guó)內(nèi)外一般采取漫灌、溝灌、表施等方式，極易導(dǎo)致其中的氮素通過(guò)NH3揮發(fā)[8-9]、溫室氣體排放(如N2O、NO和N2)及淋溶等[7]方式損失，大大降低了沼肥的養(yǎng)分利用率。在施用過(guò)程中，沼液的運(yùn)籌方式必須充分考慮，這對(duì)避免類似物質(zhì)(如污水)還田可能帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也有重要的參考價(jià)值。

盡管理論上沼液還田可能存在風(fēng)險(xiǎn)，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)沼液還田后的實(shí)際溫室氣體排放及氮肥效率等相關(guān)研究較少[10]。本研究擬以豬糞沼液為研究對(duì)象，通過(guò)菜地微區(qū)試驗(yàn)，采用地表追施沼液肥，評(píng)價(jià)在此過(guò)程中NH3和N2O的排放及其影響因子。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

微區(qū)試驗(yàn)在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動(dòng)物科學(xué)基地的無(wú)公害蔬菜大棚內(nèi)進(jìn)行。大棚2008年投入使用，面積為360 m2(36 m × 10 m)，前茬蔬菜為葉用萵苣(LactucasativaL.)，2009年10月5日收獲后土地休閑。每季蔬菜種植前大棚施入的基肥量為堆肥740 kg(按25 000 kg/hm2的用量施入)和復(fù)合肥(N ∶P ∶K = 18 ∶18 ∶18)25 kg。堆肥為六合基地堆肥廠的腐熟豬糞、兔糞和秸稈混合物，其有機(jī)質(zhì)(OM)含量242 g/kg、 全氮28.2 g/kg、 全磷36.7 g/kg、 全鉀17.8 g/kg。試驗(yàn)地土壤為黃馬肝土，0—10 cm土層土壤pH 6.49、 容重1.15 g/cm3、 土壤有機(jī)碳(SOC)10.84 g/kg、 全氮1.47 g/kg、 碳氮比7.37。

表1 蔬菜種植情況及追肥時(shí)間Table 1 Detail of vegetables planting and topdressing time of the experiment

注(Note): 水芹移栽時(shí)高度約為7 cm Cress plants were 7 cm high when planting.

圖1 生長(zhǎng)季內(nèi)蔬菜大棚氣溫和0—10 cm土層溫度Fig.1 Air and 0-10 cm soil layer temperatures during the growing periods of vegetables in winter and summer

圖2 生長(zhǎng)季內(nèi)0—10 cm土層的體積含水量 Fig.2 Water contents at the 0-10 cm soil layer during the growing periods of vegetables in winter and summer

1.2 供試沼液

沼液取自六合基地沼氣工程的貯液池，發(fā)酵原料為豬糞尿及沖圈水，反應(yīng)器類型為連續(xù)攪拌反應(yīng)器系統(tǒng)(Continuous stirred-tank reactor，CSTR)，已正常運(yùn)行1年。沼液于試驗(yàn)開(kāi)始前2天一次性取出，置于PVC桶內(nèi)貯存，其基本養(yǎng)分含量見(jiàn)表2。

1.3 試驗(yàn)處理

每種蔬菜設(shè)3個(gè)追肥處理，分別為完全施用沼液(DPS)、完全施用化肥(CF)以及空白處理(CK)。每個(gè)處理重復(fù)3次，9個(gè)小區(qū)完全隨機(jī)排列。小區(qū)面積為2.5 m × 1.5 m，各小區(qū)間設(shè)置1 m寬的保護(hù)行。

根據(jù)蔬菜養(yǎng)分需求，冬季和夏季每次追施的氮量分別為18 kg/hm2和21 kg/hm2，折算后每個(gè)小區(qū)施用的沼液量為20 L。由于沼液中還含有大量的磷和鉀(表2)，因此CF處理還添加了磷酸氫二鉀(K2HPO4·3H2O)和硫酸鉀(K2SO4)作為磷和鉀的補(bǔ)充。各處理肥料添加量詳見(jiàn)表3。肥料用噴壺灑施均勻，追肥時(shí)間詳見(jiàn)表1。各處理的其他田間管理措施相同。

1.4 樣品采集與測(cè)定

1.4.1 NH3揮發(fā)的測(cè)定 揮發(fā)的氨采用密閉法進(jìn)行捕獲[11]。裝置由內(nèi)徑15 cm、高15 cm的硬質(zhì)PVC管底座和管蓋制成。在蔬菜種植后24 h(冬季)或48 h(夏季)內(nèi)將PVC管無(wú)底的一端插入土壤5 cm深處，植物。不測(cè)定時(shí)將管蓋打開(kāi)使空氣正常流通。具體測(cè)定時(shí)間及方法見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。此方法測(cè)定的氨排放速率的計(jì)算公式為：

在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)保持位置不變并保持管內(nèi)無(wú) 表2 供試豬糞沼液的理化特性Table 2 Physical and chemical properties of the used biogas liquid from anaerobic digested pig slurry

注(Note): COD—化學(xué)需氧量 Chemical oxidation demand; BOD—生物需氧量 Biological oxidation demand; DOC—可溶性有機(jī)碳 Dissolved organic carbon.

表3 各處理肥料施加量Table 3 Application rate of the treatment in this study

注(Note): DPS—沼液Digested pig slurry；CF—化肥 Chemical fertilizers；CT—空白對(duì)照 Blank control.

NH3-N[mg/(m2·d)]=C×V×14/A

式中:C為[H+]濃度;V為滴定用去標(biāo)準(zhǔn)酸的體積;14為N的摩爾質(zhì)量;A為密閉裝置的底面積。

1.4.2 N2O的測(cè)定 N2O氣體采用靜態(tài)箱方法收集[12]。測(cè)定時(shí)間為芹菜種植后第12、 13、 15、 18、 25、 27、 29、 34、 43、 50、 54、 68、 81和90 d，蘿卜種植后第12、 13、 15、 18、 25、 27、 29、 34、 43、 50、 54和68 d，小白菜種植后第8、 14、 17、 19、 24和26 d，茼蒿種植后第8、 14、 17、 19、 24、 26、 30、 35、 37和41 d。

F=ρ·h·dc/dt·273/(273+T)

式中:F為氣體排放通量，單位為 μg/(m2·h)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O氣體的密度，單位為1.25 kg/m3；h為采樣箱頂部至所覆蓋土壤表面的高度，單位為m；dc/dt為單位時(shí)間采樣箱內(nèi)N2O濃度的變化，單位為mmol/(L·h)；T為采樣箱內(nèi)溫度，單位為K。

1.5 數(shù)據(jù)分析

N2O氣體的累積排放量是將3個(gè)重復(fù)的排放速率按時(shí)間間隔加權(quán)，計(jì)算公式如下：

式中:T為N2O季節(jié)排放總量，單位為kg/hm2；Fi和Fi+1分別為第i和i+1次采樣時(shí)的N2O或CH4平均排放通量，單位為g/(m2·h)；Di和Di+1分別為第i和i+1次采樣時(shí)間，單位為d； 24為1天的小時(shí)數(shù)； 105為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

木棉花具有非常廣泛的應(yīng)用前景，隨著對(duì)木棉花功效認(rèn)識(shí)的加深，其食用人群逐漸擴(kuò)大，應(yīng)用的范圍也越來(lái)越廣。但木棉花的研究水平嚴(yán)重滯后，目前對(duì)于木棉花化學(xué)成分的研究不夠系統(tǒng)深入，藥效物質(zhì)基礎(chǔ)尚未明確，沒(méi)有化學(xué)成分和藥理作用研究報(bào)道，缺乏嚴(yán)格、系統(tǒng)的毒理學(xué)作用和安全性評(píng)價(jià)資料。為保證木棉花的食用安全，對(duì)其進(jìn)行毒理學(xué)研究與食品安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估刻不容緩。通過(guò)毒理學(xué)試驗(yàn)，可以更加系統(tǒng)地了解和評(píng)價(jià)木棉花的食用安全性，完善木棉花的基礎(chǔ)研究資料。

2 結(jié)果與分析

2.1 NH3揮發(fā)

圖3 生長(zhǎng)季內(nèi)菜地NH3揮發(fā)速率Fig.3 Dynamics of NH3 volatilization rates during the growing periods of vegetables [注(Note): 箭頭表示追肥時(shí)間 Arrow indicating topdressing date.]

圖4 生長(zhǎng)季內(nèi)累積NH3和N2O排放量Fig.4 Total emission of NH3 and N2O over the growing seasons

蔬菜品種Vegetabletype處理TreatmentNH3N2O水芹CressCT——DPS11．74．71CF5．32．26揚(yáng)花蘿卜RadishCT——DPS17．75．47CF9．71．59小白菜PakchoiCT——DPS23．31．40CF21．91．62大葉茼蒿CrowndaisyCT——DPS26．80．67CF23．11．16

注(Note): DPS—沼液Digested pig slurry；CF—化肥 Chemical fertilizers；CT—空白對(duì)照 Blank control.

2.2 N2O排放

2.3 NH3和N2O排放的影響因子

圖5 生長(zhǎng)季內(nèi)菜地N2O排放速率Fig.5 Dynamics of N2O emission rates during the growing periods of vegetables [注(Note): 箭頭表示追肥時(shí)間 Arrow indicating topdressing date]

逐步回歸分析結(jié)果表明，DPS處理中0—10 cm土層土壤溫度和pH可以解釋65.1%的NH3揮發(fā)變異，而0—10 cm土層土壤溫度和土壤水分含量能解釋35.5%的N2O排放變異。

圖6 施沼液處理中NH3揮發(fā)速率與0—10 cm土層土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性Fig.6 Correlations between NH3 volatilization rate and soil variables at the 0-10 cm soil layer for the DPS treatment during the growing periods of vegetables [注(Note): *, **和***分別表示相關(guān)性顯著水平P<0.05， P<0.01和P<0.001. *, ** and *** represent correlation significant levels P< 0.05， P<0.01 and P<0.001.]

圖7 施沼液處理中N2 O排放速率與0—10 cm土層土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性Fig.7 Correlations between N2O emission rate and soil variables at the 0-10 cm depth for the DPS treatment during the growing periods of vegetables [注(Note): *和**分別表示相關(guān)性顯著水平P< 0.05、 P< 0.01. * and ** represent correlation significant levels P< 0.05 and P< 0.01.]

3 討論

厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)是畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理的有效手段[2-3]。但由于目前普遍采用濕法發(fā)酵技術(shù)，在產(chǎn)沼氣的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的沼液[3]。作為肥料還田是目前沼液資源化利用的有效途徑之一。但厭氧發(fā)酵后氮素等速效養(yǎng)分含量增加[3]，施入農(nóng)田后極有可能通過(guò)NH3揮發(fā)和N2O排放而降低其肥料利用率[7-8,13]。

本研究所選蔬菜的生長(zhǎng)周期較短，且主要選擇葉菜類蔬菜，對(duì)茄果類和根莖類的蔬菜研究較少。此外，研究中沒(méi)有定量測(cè)定沼液施用后NO和N2，而這兩者在反硝化過(guò)程中也可能被大量生成，導(dǎo)致研究結(jié)果中氮素的損失率可能被低估。因此，在今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)沼液在茄果類和根莖類蔬菜上運(yùn)籌方式的研究，并系統(tǒng)考慮施用過(guò)程中氮素可能的損失途徑，及作為氣體肥料應(yīng)用的可行性。

4 結(jié)論

2)首次追施沼液后土壤N2O排放激增，隨后逐步趨于穩(wěn)定，但只有冬季生長(zhǎng)季內(nèi)平均N2O排放速率顯著高于施用化肥的處理。

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NH3andN2Oemissionandnitrogenlossratefrombiogasliquidproducedbypigslurryaftertopdressingonvegetablefields

JIN Hong-mei, CHANG Zhi-zhou1*, WU Hua-shan, GUO De-jie, HUANG Hong-ying, MA Yan, XU Yue-ding, ZHANG Jian-ying

(InstituteofAgriculturalResourcesandEnvironment,JiangsuAcademyofAgriculturalSciences,JiangsuAgriculturalWasteTreatmentandRecycleEngineeringResearchCenter,Nanjing210014,China)

biogas liquid from digested pig slurry; NH3volatilization; N2O emission; nitrogen loss rate; vegetable field

2013-01-07接受日期2013-05-21

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(200903011-01)資助。

靳紅梅(1982—)，女，河北吳橋人， 副研究員， 主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用方面的研究。E-mail： jinhm1201@hotmail.com * 通信作者 Tel： 025-84390238， E-mail： czhizhou@hotmail.com

S141.2

A

1008-505X(2013)05-1155-11