利用生物菌肥降低洱海流域農(nóng)業(yè)面源污染的實驗研究

趙 沖， 雷國元， 蔣金輝， 葉碧碧

(1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 武漢 430080； 2.華中師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 武漢 430079；

3.中國環(huán)境科學(xué)研究院， 北京 100012)

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利用生物菌肥降低洱海流域農(nóng)業(yè)面源污染的實驗研究

趙 沖1,2， 雷國元1*， 蔣金輝2， 葉碧碧3

(1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 武漢 430080； 2.華中師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 武漢 430079；

3.中國環(huán)境科學(xué)研究院， 北京 100012)

通過微生物工程技術(shù)將分離獲得的本土固氮菌和磷細(xì)菌進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)后制成生物菌肥，配合有機(jī)肥施用，以洱海流域常見農(nóng)作物玉米和蠶豆作為研究對象，在一個生長季的周期中監(jiān)測降雨徑流的水量和水質(zhì)(包括總氮、總磷和高錳酸鉀指數(shù))，計算氮磷的流失量及流失率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與傳統(tǒng)的施肥方式相比，生物菌肥與有機(jī)肥配合使用可以顯著減少氮、磷的流失，并減少徑流中的高錳酸鉀指數(shù)，在一個生長季中，可以使玉米和蠶豆田的氮的流失量分別減少11%和16%，流失率分別減少32%和38%；磷的流失量分別減少3%和9%，流失率分別減少10%和27%；高錳酸鹽指數(shù)流失量分別減少9%和19%.而作物產(chǎn)量則分別增加5%和14%.結(jié)果表明，生物菌肥的使用可以在促進(jìn)作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，減少因降雨徑流導(dǎo)致的農(nóng)田營養(yǎng)流失，從而減少農(nóng)業(yè)面源污染.

農(nóng)業(yè)面源污染； 生物菌肥； 氮磷流失

近年來，非點源污染尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動引起的面源污染，已經(jīng)成為世界水環(huán)境污染的重要來源[1].美國的農(nóng)業(yè)非點源污染占污染總量的50%左右[2].氮、磷營養(yǎng)元素是農(nóng)業(yè)非點源污染主要的污染物質(zhì).如荷蘭來自于農(nóng)業(yè)非點源污染的總氮、總磷分別占水環(huán)境污染總量的 60%和40%[3].白明英認(rèn)為，水體中的83%的氮、磷是由農(nóng)業(yè)面源污染貢獻(xiàn)的[4].馬永生則認(rèn)為，在面源污染中，35.7%的氮和24.7%的磷來自于農(nóng)田系統(tǒng)[5].根據(jù)2005年的調(diào)查結(jié)果，我國農(nóng)業(yè)非點源污染已占中國全部污染的1/3，并有繼續(xù)惡化的趨勢[6].據(jù)測算，到 2020 年，從農(nóng)業(yè)入河的氮將至少增加 25%[7].

農(nóng)田徑流導(dǎo)致的農(nóng)田面源污染是農(nóng)業(yè)面源污染的重要組成部分[8]，其原因與過量使用化肥及化肥利用率低有關(guān)[9].采用生物菌肥、改善施肥方式是提高肥料利用率、降低農(nóng)田面源污染的主要方式之一.生物菌肥的研究較多，但大多數(shù)集中在促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的方面，對其使用后農(nóng)田降雨徑流中的營養(yǎng)(氮、磷)流失變化關(guān)注較少[10-12].因此，本研究利用微生物工程技術(shù)研制生物菌肥，配合有機(jī)肥使用，比較傳統(tǒng)施肥方式下作物的產(chǎn)量及降雨徑流中氮磷流失情況，進(jìn)而分析生物菌肥是否可在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上減少農(nóng)田營養(yǎng)流失，從而減少農(nóng)業(yè)面源污染.

研究選擇在洱海流域，流域總面積為2 562 km2，農(nóng)業(yè)和農(nóng)村面源污染是洱海流域重要的污染源，約占污染總量的70%左右[7，13].研究對象為洱海流域常見的兩種作物玉米和蠶豆.生物菌肥則通過將菌種擴(kuò)大培養(yǎng)后，以菌體為主要物質(zhì)制成.

1 材料與方法

1.1 生物菌肥的制備及實驗材料

1.1.1 菌種培養(yǎng) 固氮菌的培養(yǎng):菌種采用本實驗室在洱海農(nóng)田中分離的自養(yǎng)固氮菌，接入200 L的發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為氯化鈉20 g，磷酸二氫鉀200 g，二水硫酸鈣100 g，硫酸鎂200 g，葡萄糖1 000 g，水100 L，發(fā)酵溫度設(shè)置為28℃，通氣量前12 h為80 L/min，12 h后為140 L/min，培養(yǎng)56 h.

磷細(xì)菌培養(yǎng) ：菌種采用本實驗室在洱海農(nóng)田中分離的磷細(xì)菌，接入200 L的發(fā)酵罐中進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為蔗糖200 g，葡糖糖200 g，氯化銨150 g，氯化鉀30 g，七水硫酸鎂40 g，氯化鈉0.1 g，磷酸鈣2 000 g，水100 L，發(fā)酵溫度設(shè)置為28℃，通氣量前12 h 80 L/min，12 h后140 L/min，培養(yǎng)56 h.

1.1.2 生物菌肥輔料 取湖泥約1 000 kg，牛糞2 000 kg， 稻糠粉1 000 kg，在自然條件下風(fēng)干3 d后，分別送入熱風(fēng)回轉(zhuǎn)筒式干燥器中烘干滅菌，待各種物料水分降到8%～12%后，送入冷風(fēng)回轉(zhuǎn)器中進(jìn)行冷卻到室溫，降到室溫后分別將3種輔料放入粉碎機(jī)粉碎，將粉碎的物料物徑控制在80目.1.1.3生物菌肥制備 取處理后的河泥300 kg，牛糞1 200 kg，稻糠粉900 kg，工業(yè)活性炭60 kg，放入混料機(jī)內(nèi)混勻，取出在發(fā)酵罐中培養(yǎng)56 h的固氮菌與磷細(xì)菌細(xì)菌液各50 L，混勻后，均勻的噴灑在混料機(jī)的輔料上，將上述混合后的材料在40℃以下含水量18%的條件下造粒，造粒后密封保存[14].

1.2 其他實驗材料

供試肥料：有機(jī)肥 (含N 4%，P2O52%，K2O 6%)；復(fù)合肥(含N 15%，P2O515%，K2O 15%)；尿素(含N 46%)；磷酸二氫鉀(含P2O524%，K2O 27%).

1.3 實驗設(shè)計

1.3.1 實驗地選取及設(shè)計 本實驗選取2片實驗地，均在云南省大理州，分別位于灣橋鎮(zhèn)的古生村(25°49′ N，100°07′ E)和喜州鎮(zhèn)的作邑村(25°48′ N，100°08′ E).各實驗地被分成4塊小實驗田，實驗田規(guī)格：長×寬為6 m×4 m，各實驗田相互獨立并配有獨立的加蓋集水池，集水池規(guī)格：長×寬×高為2 m×1.6 m×0.7 m.每當(dāng)降雨或灌溉產(chǎn)生徑流時，徑流水流入到集水池.

1.3.2 作物選取及施用肥料 采用當(dāng)?shù)胤N植的主要作物作為實驗對象，在作邑村實驗田種植玉米，古生村實驗田種植蠶豆.根據(jù)施用肥料的不同將每個實驗地的4塊小試驗田隨機(jī)編號為1～4號，其中1，2，3號為實驗組，1號實驗田施用肥料以生物菌肥+有機(jī)肥為主，2號實驗田施用肥料以有機(jī)肥為主，3號實驗田施用肥料是按照傳統(tǒng)的施肥方式及用量施肥.4號為對照組，種植與實驗組相同的作物，但不施用任何肥料.在保證每塊實驗田地肥料氮磷施用相同的情況下，通過使用不同種類的肥料及配比，來判斷生物菌肥和有機(jī)肥配合使用時，環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益相對于傳統(tǒng)耕作是否增加.各點施用的肥料如表1、表2，本次試驗始于2013年5月5日，結(jié)束于2013年10月6日.

表1 玉米種植實驗田肥料施用量/(kg/667m2)

表2 蠶豆種植實驗田肥料施用量/(kg/667m2)

1.3.3 樣品采集與分析 每次降雨或灌溉產(chǎn)生徑流后，記錄集水池中積水量并采集水樣1 L，裝入聚乙烯瓶中， 24 h內(nèi)進(jìn)行分析.檢測水樣的指標(biāo)包括總氮(TN)，總磷(TP)和高錳酸鹽指數(shù).每次采樣后將集水池內(nèi)的水放干，清洗集水池.

水樣中TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)的測定方法分別按照紫外分光光度法、鉬銻抗分光光度法、酸性法進(jìn)行檢測[15].

作物收獲時，將可收獲部分烘干后稱重.

1.4 數(shù)據(jù)的處理

各試驗點檢測指標(biāo)每次流失量為各指標(biāo)檢測濃度與徑流水體積的乘積，各指標(biāo)總的流失量如公式(1)[16]：

(1)

式中，Q為農(nóng)作物生長期間污染物的總的流失量，Cn為第n次徑流是水樣中檢測的指標(biāo)濃度，Vn為第n次徑流的水體積.

肥料氮磷流失率的計算如公式(2)：

(2)

式中，W為肥料的流失率，Q1，Q2，Q總分別代表同一指標(biāo)在實驗組、對照組的流失量，施用化肥中的總含量.

采用配對樣本t檢驗比較不同施肥方式下，徑流中TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)的差異.

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨徑流統(tǒng)計

本次實驗過程處于大理州的雨季，每次采樣均在雨后，共采集徑流水樣6次，每次采樣后統(tǒng)計水池的徑流積水量(表3).最大一次雨在9月29日，各實驗組采集的徑流積水量均在1 600 L左右，5～6月份雨勢較小，徑流積水量均小于50 L.總計各實驗組的徑流積水量均在5 500 L左右.

2.2 各實驗組徑流水樣水質(zhì)時間變化

每次采樣后檢測的徑流水樣的TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)，各水質(zhì)指標(biāo)在不同的施肥方式及降雨事件中變化較大(圖1).不施肥的對照田中，所有降雨后徑流中的TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)均顯著小于施肥組(p<0.05)，包括生物菌肥+有機(jī)肥、有機(jī)肥和傳統(tǒng)施肥組，表明農(nóng)田施肥會顯著提高降雨徑流中的營養(yǎng)，從而形成污染.不管是玉米實驗田還是蠶豆實驗田，生物菌肥+有機(jī)肥組的降雨徑流水體中，TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)均顯著小于傳統(tǒng)施肥組(p<0.05)，表明可以減少肥料中的營養(yǎng)流失.與有機(jī)肥組相比，生物菌肥的添加，還可以顯著減小降雨徑流中TN和高錳酸鹽指數(shù)的濃度(p<0.05)，但TP則與有機(jī)肥組沒有顯著差異(p>0.05).本次實驗處于大理州的雨季，在第一場降雨前有近3個月的時間無降雨，所以第一場雨的所有施肥實驗田徑流水樣中的水質(zhì)指標(biāo)均相對偏高.

表3 各實驗組徑流量統(tǒng)計

圖1 玉米(a)和蠶豆(b)實驗組徑流水樣水質(zhì)指標(biāo)值(2013年)

2.3 各實驗組營養(yǎng)流失量、流失率及產(chǎn)量

將玉米、蠶豆生長過程中有降雨徑流時的收集水樣檢測后，按照公式(1)、(2)計算各實驗組營養(yǎng)流失量、流失率和產(chǎn)量(表4).從數(shù)據(jù)可以看出，通過一個生長季，相對于施用傳統(tǒng)化肥的3號實驗田，生物菌肥+有機(jī)肥配合施用的玉米和蠶豆實驗田的氮的流失量分別減少11%和16%，流失率分別減少32%和38%；磷的流失量分別減少3%和9%，流失率分別減少10%和27%；高錳酸鹽指數(shù)流失量分別減少9%和19%.然而玉米和蠶豆的作物產(chǎn)量分別增加5%和14%.

只施用有機(jī)肥的施肥方式也可以相對降低降雨徑流中的營養(yǎng)鹽，但與生物菌肥+有機(jī)肥的配合施用方式相比，降低幅度較小(表4).有機(jī)肥組的作物產(chǎn)量也有增加，但仍比生物菌肥+有機(jī)肥組的增加量小.

表4 玉米和蠶豆各實驗田營養(yǎng)流失量/(kg/667m2)、流失率/%及產(chǎn)量/(kg/667m2)

3 討論

3.1 生物菌肥對環(huán)境的影響

已有研究表明，施用有機(jī)肥可以有效降低營養(yǎng)元素的流失，減少營養(yǎng)元素從土壤中滲漏損失的數(shù)量[17].所以，施用有機(jī)肥可以作為控制農(nóng)業(yè)面源污染的一種方法，此次的研究結(jié)果也證明了這點，在以有機(jī)肥為主的實驗田，不管是玉米田還是蠶豆田，其降雨徑流導(dǎo)致的氮磷的流失要明顯少于采用傳統(tǒng)施肥方式的實驗田.而在已有有機(jī)肥的基礎(chǔ)上施用生物菌肥后，降雨徑流導(dǎo)致的氮磷的流失又進(jìn)一步減少，同時也明顯減少徑流中高錳酸鹽指數(shù)的污染，這充分說明生物菌肥的施用，可有效減少農(nóng)田徑流過程中營養(yǎng)流失，從而減輕農(nóng)業(yè)面源污染.

生物菌肥是由生物菌劑及其他輔料復(fù)合而成.本研究的生物菌肥加入了活性炭等吸附力較強(qiáng)的物質(zhì)，增強(qiáng)了肥料對于營養(yǎng)元素的滯留能力，所以在降雨形成徑流時，減少了肥料中營養(yǎng)的流失.

與傳統(tǒng)化學(xué)肥料相比，生物菌肥具有保護(hù)生態(tài)、不污染環(huán)境、肥力持久和成本低廉等優(yōu)良特性[18].生物菌肥的使用，也可以減少化學(xué)肥料的使用[19].我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的化肥使用量巨大，據(jù)統(tǒng)計，2010年高達(dá)5561.7萬噸，且會繼續(xù)增加[20].據(jù)估計，以現(xiàn)在的增速，到2030年將達(dá)到或超過8000萬噸[21].較高的化學(xué)肥料使用量及較低的利用率是造成農(nóng)田面源污染的重要原因[22].所以，生物菌肥的使用，將十分利于減少農(nóng)田面源污染，具有很好的環(huán)境效應(yīng).

3.2 生物菌肥對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響

本次研究的結(jié)果表明，生物菌肥的使用可以增加玉米和蠶豆的產(chǎn)量，這與之前的報導(dǎo)結(jié)果相似.魯杰等發(fā)現(xiàn)，生物菌肥的使用可顯著促進(jìn)水稻產(chǎn)量[19].劉慧超和鄭軍偉的研究也表明生物菌肥對小白菜增產(chǎn)效果明顯[23].

生物菌肥是由菌劑配制而成，含有多種微生物菌群，可以提高土壤肥力、改善土壤環(huán)境[24].如一些真菌可以分解土壤中的有機(jī)質(zhì)，提高土壤養(yǎng)分的可利用性，促進(jìn)根系對土壤中營養(yǎng)的吸收和利用[25].有些微生物如菌根真菌施入土壤后，不僅利于作物根系的營養(yǎng)吸收，也可以增強(qiáng)根系對水分的吸收，從而利于作物的產(chǎn)量增加[25].本研究中，由于制作的生物菌肥中加入了固氮菌及磷細(xì)菌，提高了土壤中氮磷含量及其生物可利用性，所以作物產(chǎn)量也有明顯增加.配合有機(jī)肥的使用，進(jìn)一步加快了菌劑中微生物的生長，從而進(jìn)一步突出菌體在土壤生態(tài)中的作用，維持土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤營養(yǎng)，改善土壤水分條件，最終進(jìn)一步提高作物產(chǎn)量[26].

4 結(jié)論

1) 生物菌肥配合有機(jī)肥的施用可以提高洱海流域玉米和蠶豆的產(chǎn)量，其產(chǎn)量相對于傳統(tǒng)的施肥方式，分別提高5%和14%，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益.

2) 生物菌肥配合有機(jī)肥施用后，相對于傳統(tǒng)的施肥方式，可明顯減少農(nóng)田徑流中的營養(yǎng)流失，降低農(nóng)田面源污染.在一個生長季中，玉米和蠶豆田降雨徑流中氮的流失量分別減少11%和16%，流失率分別減少32%和38%；磷的流失量分別減少3%和9%，流失率分別減少10%和27%；高錳酸鹽指數(shù)流失量分別減少9%和19%，具有良好的環(huán)境效應(yīng).

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Agricultural non-point source pollution reduced by bacterial manure application in the Lake Erhai Basin

ZHAO Chong1,2， LEI Guoyuan1， JIANG Jinhui2， YE Bibi3

(1.Resources and Environmental Engineering at Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430080;2.School of Life Science， Central China Normal University， Wuhan 430079;3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012)

In order to test the effect of bacterial manure on reducing the agricultural non-point source pollution， one kind of bacterial manure made up with nitrogen-fixing bacteria and phosphate-solubilizing bacteria were applied to the crop fields like corn and bean， together with farm manure. Runoff volume， TN (total nitrogen)， TP (total phosphorus) and CODMnwere monitored after rain during one grown season. Loss of TN， TP and CODMnwas calculated. The results showed that bacterial manure can significantly reduce the loss of TN， TP and CODMnin runoff comparing with the traditional fertilization method. After one grown season， amount of TN， TP and CODMnloss in corn and bean fields were reduced by 11% and 16%， 3% and 9%， 9% and 19%， respectively. Rate of TN and TP loss were reduced by 32% and 38%， 10% and 27%， respectively. However， crop yield was increased by 5% and 14%， respectively. Altogether， bacterial manure application was an effective way to decrease the nutrient loss caused by runoff from the fields while increase the crop yield， and then decreased the agricultural non-point source pollution.

agricultural non-point source pollution; bacterial manure; loss of nitrogen and phosphorus

2014-03-26.

國家“十二五”水體污染控制與治理科技重大專項洱海項目(2013ZX07105-005);國家自然科學(xué)基金項目(31200399).

1000-1190(2015)01-0108-06

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