模擬降雨條件下不同堆放時間和方式畜禽糞便氮素流失特征

夏穎 黃美玲 張富林 吳茂前 范先鵬 劉冬碧 張志毅 孔祥瓊 熊佳林 程子珍 余延豐

摘要：通過模擬降雨方法，對自然條件下不同堆放時間的豬糞進(jìn)行降雨沖刷試驗，同時對比分析了秸稈、土壤、裸露3種覆蓋條件下，降雨對自然堆放條件下豬糞中不同氮形態(tài)徑流流失的影響及其面源污染風(fēng)險。結(jié)果表明，豬糞的氮素流失與降雨量密切相關(guān)，不同堆放時間豬糞徑流中的總氮、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度均隨著降雨量的增加而逐漸下降;新鮮豬糞堆放7 d和堆放30 d的豬糞徑流中氮素濃度和流失強度均較高，腐熟豬糞（堆放90 d）和堆放60 d的豬糞相比，其氮素更易通過徑流流失;豬糞中氮主要是以氨態(tài)氮的形式流失，氨態(tài)氮和硝態(tài)氮平均流失強度分別為78.1 g/t和54.9 g/t;覆蓋處理能顯著降低豬糞氮素的流失強度，且土壤覆蓋處理優(yōu)于秸稈覆蓋。

關(guān)鍵詞：分散式;畜禽糞便;模擬降雨;氮;流失特征

中圖分類號：S143.3;Q945.1 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）24-0101-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.24.024 ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（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，F(xiàn)AN 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

中國畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖比例不斷提高，但分散養(yǎng)殖仍是農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)的主要形式[1]。大部分的畜禽糞便在貯存過程中自然堆放，在4月和10月集中用于農(nóng)田施肥[2]。畜禽糞便產(chǎn)生與農(nóng)田利用時間的錯位、小型分散畜禽養(yǎng)殖戶缺乏經(jīng)濟有效的避雨設(shè)施，使得大部分的畜禽糞便露天堆放，經(jīng)過降雨沖刷后，畜禽糞便中的氮、磷會隨著徑流流入到水體中，是畜禽糞便造成污染的主要途徑[3-5]。因此，研究降雨對露天堆放畜禽糞便氮素流失的影響很有必要。

目前，一些學(xué)者主要集中研究畜禽糞便施入農(nóng)田后降雨對其氮、磷流失的影響[6-8]。有研究表明施肥后不久出現(xiàn)明顯降雨時期，會使得施加的畜禽糞便中氮、磷大量流失，對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[9]。人工模擬降雨不受自然的影響，又可以進(jìn)行多次試驗，節(jié)省人力和物力，常用于侵蝕過程中水土流失和養(yǎng)分流失的研究[10-12]，而降雨對露天堆放的畜禽糞便氮素流失特征的研究報道較少。因此，本研究采用野外模擬降雨方法，選取不同堆放時間和堆放方式的豬糞為供試材料，分析其在不同降雨強度下的氮素流失特征，以期用來分析和評估研究區(qū)域露天堆放豬糞中氮素流失現(xiàn)狀，同時為減少畜禽堆放過程中氮素流失、控制農(nóng)業(yè)面源污染提供研究思路。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

試驗在三峽庫區(qū)宜昌市興山縣長坪小流域農(nóng)業(yè)面源污染試驗示范基地內(nèi)進(jìn)行。湖北省三峽庫區(qū)生豬產(chǎn)生的糞便量占該區(qū)域畜禽糞便總量的85.2%[13-15]，因此取豬糞作為試驗材料。豬糞選取具有代表性的豬圈散養(yǎng)戶露天堆放的樣品，共取4種堆放時間的豬糞，從新鮮豬糞清掃出圈算起，露天堆放時間分別為7 d（M1），30 d（M2），60 d（M3），90 d（即腐熟豬糞，M4）。不同堆放方式分別為裸露處理（CK），秸稈覆蓋處理（CR），土壤覆蓋處理（CS）。每個處理重復(fù)3次。覆蓋的秸稈取當(dāng)季的玉米秸稈，剪成5 cm長一段，土壤為玉米田里的土壤。覆蓋時保證土壤與秸稈覆蓋厚度均為5 cm。堆放時間越長，堆放中的全氮、全磷和有機質(zhì)的含量增加，不同堆放時間的豬糞、試驗所需玉米秸稈和土壤的主要養(yǎng)分含量如表1所示。

1.2 ?試驗裝置

試驗槽是用水泥砌成的長方體，長0.6 m，寬0.5 m，高0.3 m，在試驗槽下方有個集水槽，通過小管道與試驗槽連接，用來承接徑流。降雨前將試驗槽清理干凈，將豬糞堆置于試驗槽中，上部呈饅頭狀，將底部壓實，堆放高度為20 cm，模擬自然堆放的豬糞。野外人工模擬降雨器由儲水罐、支架、壓力表、噴頭和雨量筒等部分組成，噴頭采用SPRACO錐形噴頭，距地面高度4.75 m。降雨區(qū)域為2 m×2 m，雨滴形態(tài)，降雨均勻度與自然降雨相似。模擬降雨器模擬降雨動能約為等雨強天然降雨的90%，均勻度為0.9，供水壓力為0.08 MPa，降雨強度由噴頭數(shù)和供水壓力共同控制[16]。

1.3 ?試驗過程與樣品測定

大雨或大暴雨是產(chǎn)生徑流的主要原因，試驗降雨強度設(shè)計為60 mm/h和120 mm/h。每一次降雨總量均為120 mm。在進(jìn)行一次模擬降雨時，記錄其產(chǎn)流時間和產(chǎn)流量。開始降雨后每30 mm的降雨量進(jìn)行采集徑流水樣以及豬糞樣。徑流水樣取混合均勻的水樣，而豬糞樣分別在堆糞的4邊取4個點和在堆糞中間取1個點后再混勻取樣。樣品收集后冷藏儲存，并盡快測定。

測定指標(biāo)采用常規(guī)方法進(jìn)行[17]，主要包括徑流量以及徑流水樣的總氮（TN）、銨態(tài)氮（AN）、硝態(tài)氮（NN），固體樣品包括采取的豬糞，以及用來進(jìn)行覆蓋的秸稈和土壤，主要檢測指標(biāo)包括全氮、全磷、有機質(zhì)以及水分含量。

利用Excel 2007和SPSS 19.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?不同堆放時間豬糞中全氮的流失情況

由圖1看出，4種堆放時間的豬糞全氮含量均隨著降雨量增加有明顯下降趨勢。經(jīng)過120 mm降雨量的沖刷后，M1在60 mm/h和120 mm/h降雨強度下的全氮量分別降低了5.3%和26.8%;M2的全氮含量分別下降了10.2%和22.9%;M3的全氮含量分別下降了12.8%和11.1%;M4的全氮含量分別下降了14.4%和22.7%。除M3在兩種降雨強度條件下全氮含量無明顯差別外，其他3種堆放時間豬糞中的全氮含量均隨降雨強度的增強，流失量也明顯增多。

2.2 ?不同堆放時間豬糞徑流中氮素濃度變化特征

由圖2可知，隨著降雨量的增加，徑流中TN的濃度總體上呈下降的趨勢。在相同降雨強度下，徑流TN濃度均隨著豬糞堆放時間的增加呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，具體表現(xiàn)為徑流濃度從M1到M3逐漸降低，豬糞腐熟后M4（90 d）的徑流氮素濃度高于堆放60 d的豬糞M3，其中，60 mm/h降雨強度下，M1、M2、M3、M4徑流中TN濃度平均分別為340.7、334.1、156.7、285.2 mg/L;120 mm/h降雨強度下，M1、M2、M3、M4徑流中TN濃度平均分別為334.4、231.9、127.5、242.5 mg/L，表明豬糞堆放60 d時降雨對TN流失濃度影響較小。降雨強度對豬糞徑流中TN的影響差異不大，表現(xiàn)為60 mm/h大于120 mm/h降雨強度下的TN濃度，在60 mm/h和120 mm/h降雨強度下不同堆放時間豬糞徑流中TN平均濃度分別為279.2 mg/L和234.1 mg/L。

4種堆放時間的豬糞徑流中AN的濃度隨著降雨量的增加呈下降的趨勢。在相同降雨強度下，豬糞M1、M2和M3徑流中AN平均濃度表現(xiàn)為M3

4種堆放時間的豬糞徑流中NN的濃度均隨著降雨量的增加而減少。在相同降雨強度下，豬糞M1、M2和M3徑流中NN平均濃度表現(xiàn)為M3

在60 mm/h降雨強度下，豬糞M1、M2、M3和M4徑流中AN和NN占TN的比例分別為46.1%、34.2%、50.8%、38.7%和27.8%、30.7%、32.4%、29.6%;在120 mm/h降雨強度下，M1、M2、M3和M4徑流中AN和NN占TN的比例分別為45.2%、38.9%、22.9%、45.0%和26.6%、39.1%、40.7%、24.9%。由此可知，豬糞中氮主要是以銨態(tài)氮的形式流失。

2.3 ?不同覆蓋方式豬糞徑流中氮素濃度變化特征

在60 mm/h降雨強度下，對豬糞M1和M4進(jìn)行模擬降雨，對比分析了秸稈覆蓋（CR）、土壤覆蓋（CS）和裸露堆放（CK）下豬糞中氮素濃度變化情況。由圖3可知，豬糞通過降雨沖刷后，徑流中的TN濃度均在最初時較高，隨著降雨量的增加而下降。降雨量在60 mm以下時，新鮮豬糞比腐熟豬糞的TN更容易流失，降雨量為90 mm和120 mm時，與M1秸稈覆蓋相比，M4秸稈覆蓋不能降低徑流中TN的流失，其中，秸稈覆蓋的M1徑流中TN濃度為139.3 mg/L，M4徑流中TN濃度為213.2 mg/L;兩種豬糞土壤覆蓋效果最好，M1和M4土壤覆蓋后其徑流TN平均濃度分別為143.8 mg/L和137.3 mg/L。

同樣，新鮮豬糞裸露堆放時M1（CK）與腐熟豬糞M4（CK）相比AN更容易流失，經(jīng)過120 mm降雨沖刷后，M1（CK）徑流中AN濃度由228.7 mg/L降到123.4 mg/L，M4（CK）徑流中AN濃度由137.4 mg/L降到76.7 mg/L;新鮮豬糞經(jīng)過土壤覆蓋后能夠降低AN流失，但是秸稈覆蓋不能降低新鮮豬糞AN的流失;而腐熟豬糞經(jīng)過土壤和秸稈覆蓋后，能較大程度降低AN流失。

裸露堆放的腐熟豬糞M4（CK）與新鮮豬糞M1（CK）相比，NN更容易流失，但是通過土壤覆蓋和秸稈覆蓋后，兩種不同堆放時期的豬糞都能夠有效降低NN的流失。新鮮豬糞M1的TN主要以AN的形式流失，而在腐熟豬糞M4中裸露堆放和土壤覆蓋的NN和AN的流失量相差不大，這可能是因為隨著堆放時間增加，豬糞中的銨態(tài)氮通過硝化作用轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮[18]。

2.4 ?不同堆放時間和覆蓋方式豬糞氮素流失強度

為了評估豬糞氮素的流失情況，采用堆糞流失強度概念，即單位質(zhì)量豬糞隨降雨所流失的氮的質(zhì)量[19]。首先根據(jù)流失濃度與相應(yīng)的觀測徑流量，計算徑流氮的流失質(zhì)量，然后根據(jù)堆糞的總質(zhì)量計算出單位質(zhì)量堆糞的流失強度（表2）。相同降雨強度下，豬糞氮素流失強度隨著降雨量的增加而增加。堆放時間不同，氮素的流失強度也不同，在60 mm/h降雨強度下，4種豬糞的TN、AN和NN的流失強度基本表現(xiàn)為M1>M2>M3，腐熟后的豬糞M4的流失強度大于M3，并且M1和M2的氮素流失強度顯著高于M3和M4，表明在60 mm/h降雨強度下，豬糞堆放時間越長氮素流失強度越小;在120 mm/h降雨強度下，M1和M4的氮素流失強度比其他兩種豬糞大。60 mm/h的氮素流失強度大于120 mm/h，其中，在60 mm/h和120 mm/h降雨強度下，不同堆放時間豬糞的TN平均流失強度分別為215.7 g/t和160.0 g/t，AN平均流失強度分別為82.5 g/t和63.8 g/t，NN平均流失強度分別為60.5 g/t和45.5 g/t。

在兩個降雨強度下，AN的流失強度大于NN的流失強度，AN和NN平均流失強度分別為73.2 g/t和53.0 g/t，表明豬糞的氮素主要以AN形式流失。

為了更好地比較秸稈覆蓋和土壤覆蓋對豬糞中氮素流失的影響，在60 mm/h降雨強度下，對比分析新鮮豬糞M1裸露堆放、秸稈覆蓋和土壤覆蓋處理的總氮流失強度。由表3可知，新鮮豬糞的TN流失強度表現(xiàn)為裸露堆放大于秸稈覆蓋和土壤覆蓋，且裸露處理中TN的流失強度約是土壤覆蓋處理流失強度的2倍。120 mm的降雨量下，裸露處理豬糞TN的流失強度為482.1 g/t，秸稈覆蓋和土壤覆蓋處理豬糞TN的流失強度分別為365.1 g/t和190.7 g/t，因此，通過估算1次120 mm的降雨量，裸露處理豬糞中TN的流失量占豬糞中TN的2.3%，秸稈和土壤覆蓋處理的豬糞中TN的流失量分別占豬糞TN的1.7%和0.9%。因此可以通過秸稈覆蓋或土壤覆蓋來減少畜禽糞便中的氮素流失，其中土壤覆蓋的效果比秸稈覆蓋好。

3 ?小結(jié)

1）豬糞徑流中的氮素濃度和流失強度受降雨量影響較大，受降雨強度的影響較小。

2）相同降雨強度下，新鮮豬糞堆放7 d和堆放30 d的豬糞徑流中氮素流失的較多，腐熟豬糞（堆放90 d）與堆放60 d的豬糞相比其氮素更容易通過徑流流失。

3）氨態(tài)氮的徑流濃度和流失強度基本高于硝態(tài)氮，表明豬糞氮素的流失形態(tài)以氨態(tài)氮為主。

4）通過秸稈覆蓋和土壤覆蓋，豬糞中氮流失量減少，因此，在豬糞露天堆放過程中，可以采取秸稈覆蓋和土壤覆蓋來防控氮素流失，并且土壤覆蓋的防控效果好于秸稈覆蓋。

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