浙江省規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣液養(yǎng)分特征和農(nóng)田利用適宜性分析

王 強(qiáng)，劉銀秀，邊武英，聶新軍，金 娟，陳照明

（1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021；2.浙江省農(nóng)業(yè)生態(tài)與能源辦公室，杭州 310012；3.浙江省耕地質(zhì)量與肥料管理局，杭州 310020）

沼液是沼氣工程發(fā)酵的產(chǎn)物，含有豐富的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)元素，以及各種氨基酸、有機(jī)酸等生物活性物質(zhì)[1]。沼液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可利用率高，平均約3/4的氮為生物有效態(tài)氮，生物有效態(tài)磷含量占全磷含量的85%左右，生物有效態(tài)鉀含量占全鉀含量的81%[2]。沼液所含的有機(jī)質(zhì)和小分子腐殖質(zhì)還可以起到改良土壤、提高土壤肥力的作用，并且減少農(nóng)作物的病蟲害[3-6]。因此農(nóng)田利用成為沼液利用和消納的重要方式。

沼液養(yǎng)分含量是農(nóng)田利用中沼液施用量的依據(jù)。沼液具有氮、磷、鉀等大量元素含量偏低，不同沼氣工程間養(yǎng)分含量變異大等特點(diǎn)。由于農(nóng)田利用中難以做到實(shí)時(shí)檢測(cè)，經(jīng)常存在沼液施用量不足或過(guò)量等問(wèn)題，影響作物產(chǎn)量或?qū)е露挝廴?。研究表明沼液養(yǎng)分含量受到發(fā)酵原料、沼氣工程類型和運(yùn)行時(shí)間等多種因素的影響[7-8]。以牛糞、雞糞和豬糞作為發(fā)酵原料的沼液中養(yǎng)分含量有明顯的差異[9-10]。不同進(jìn)料濃度、不同發(fā)酵池池型、發(fā)酵時(shí)間以及發(fā)酵溫度都會(huì)影響沼液的養(yǎng)分含量[7]。沼液養(yǎng)分含量還受到沼氣工程運(yùn)行時(shí)間的影響，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好，沼液養(yǎng)分變異越小[11]。已有沼液調(diào)查普遍存在樣本數(shù)量偏少的特點(diǎn)，對(duì)于調(diào)查結(jié)果的分析主要以養(yǎng)分含量特征以及影響因素為主，缺少?gòu)霓r(nóng)田利用角度的分析結(jié)果，對(duì)于區(qū)域沼液農(nóng)田利用難以提出合理性的建議。另一方面，由于養(yǎng)殖場(chǎng)和農(nóng)田匹配性較差，沼液農(nóng)田利用經(jīng)常通過(guò)槽罐車運(yùn)輸實(shí)行異地還田。由于槽罐車抽取沼液過(guò)程中的擾動(dòng)，沼液中通常含有一定的沼渣，增加了沼液養(yǎng)分的變異性[12]。因此現(xiàn)有研究結(jié)果中沼液養(yǎng)分含量與農(nóng)田實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍有較大的差異。

為此，本研究室針對(duì)浙江省11個(gè)市共62家規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)的沼氣工程進(jìn)行調(diào)查，包括養(yǎng)豬場(chǎng)規(guī)模、發(fā)酵工藝、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)，并針對(duì)原液、沼液和沼渣的養(yǎng)分及重金屬含量進(jìn)行了分析。本文作為調(diào)查工作的一部分，從農(nóng)田利用的角度對(duì)沼液營(yíng)養(yǎng)成分含量和變異特征進(jìn)行分析，擬為沼液農(nóng)田利用和養(yǎng)分管理提供依據(jù)。為了準(zhǔn)確反應(yīng)沼液農(nóng)田利用時(shí)的狀況，沼液樣品取自氧化塘或沼氣工程排放口，含有一定的沼渣，本文中稱為沼渣液。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查采樣方法

調(diào)查取樣的規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)來(lái)自于浙江省的11個(gè)地級(jí)市（表1）。不同養(yǎng)豬場(chǎng)的沼氣工程有一定的差異（表2），其中清糞工藝基本以干清糞和水泡糞為主，沼氣工程發(fā)酵工藝包括了CSTR、UASB和USR等不同方式。沼氣工程發(fā)酵原料都為豬糞尿加沖洗水。供試樣品取自厭氧反應(yīng)罐排放的沼液或氧化塘內(nèi)的沼渣液。每個(gè)采樣點(diǎn)分別在取樣當(dāng)天的9：00—10：00、11：30—12：30、14：00—15：00分別采集3份樣品，每次取樣量基本相等，經(jīng)混合均勻后，取500 mL，裝入PVC瓶中，所有樣品的采樣均在1周內(nèi)完成。各區(qū)域采樣人員將樣品預(yù)先冷凍后，統(tǒng)一寄往檢測(cè)單位，測(cè)定沼液pH、總有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、全鹽和銨態(tài)氮等指標(biāo)。養(yǎng)分指標(biāo)無(wú)法一次性測(cè)完的樣品加入濃硫酸酸化，并于0～4℃條件下保存。

表2 浙江省規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)沼氣工程主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 The main technical specifications of biogas projects

表1 浙江省規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)沼氣工程調(diào)查區(qū)域分布Table 1 Locations of investigative large-scale pig farms in Zhejiang Province

1.2 測(cè)定方法

沼渣液樣品在室溫下解凍，pH采用精密pH計(jì)（PHS-2F，上海精科-上海雷磁）進(jìn)行原液測(cè)定。銨態(tài)氮和含鹽量的測(cè)定取上清液，參照《廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[13]。測(cè)定其他指標(biāo)時(shí)將樣品搖勻，取均勻的沼液、沼渣混合液進(jìn)行分析測(cè)試。其中總有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定[14]，沼渣液總氮、總磷和總鉀的測(cè)定參照有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥料的測(cè)定方法（GB/T 17767—2008）。沼液總養(yǎng)分含量（N+P2O5+K2O）為沼液中全氮、全磷和全鉀含量的總和，其中全磷和全鉀含量分別乘以系數(shù)2.291和1.205，換算成P2O5和K2O的含量。

1.3 箱式圖

采用Origin 8繪制各養(yǎng)分指標(biāo)的箱式圖。將單個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的含量按從小到大的數(shù)據(jù)排列，處于所有樣本中間的數(shù)值為中位數(shù)，最小值和中位值中間的數(shù)據(jù)根據(jù)同樣方法計(jì)算中位值，為上四分位值（Q1），最大值和中位值之間的中位值為下四分位（Q3），Q1和Q3之間的差值為四分位間距（IQR），不在（Q1-1.5IQR～Q3+1.5IQR）范圍內(nèi)的數(shù)為異常值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel處理后，采用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。不同區(qū)域間沼渣液養(yǎng)分含量的差異采用單因素分析方法，均值比較采用最小顯著差法，顯著性水平P=0.05。不同取樣時(shí)間沼渣液中變量的差異采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 浙江省規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣液養(yǎng)分含量

浙江省規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣液養(yǎng)分含量見(jiàn)表3。5月和8月沼渣液樣品平均pH值分別為7.39和7.47，都呈中性至微堿性。5月和8月沼渣液樣品總有機(jī)碳平均含量分別為 5.01 g·L-1和4.79 g·L-1，全氮平均含量分別為 0.99 g·L-1和 1.52 g·L-1，全磷平均含量分別為0.34 g·L-1和 0.47 g·L-1，全鉀平均含量分別為0.57 g·L-1和0.81 g·L-1。2個(gè)批次供試沼渣液樣品中總氮、總磷、總鉀含量都為全氮＞全鉀＞全磷。銨態(tài)氮是沼渣液中主要的氮形態(tài)，5月和8月沼渣液樣品銨態(tài)氮平均含量分別為689.2 mg·L-1和1 235.5 mg·L-1，分別占沼渣液全氮含量的69.6%和81.2%。2批樣品全鹽含量分別為3.06 g·L-1和1.76 g·L-1。

2.2 浙江省規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣液養(yǎng)分變異特征

全省沼渣液樣品pH值的變異幅度較小，2個(gè)批次沼渣液樣品的變異系數(shù)分別為4.6%和4.8%（表3）。全省沼渣液樣品養(yǎng)分指標(biāo)中總有機(jī)碳含量變異幅度最大，5月和8月樣品的總有機(jī)碳含量分別為1.1～38.9 mg·L-1和0.1～43.0 mg·L-1，變異系數(shù)分別為126.2%和182.1%。由于沼渣液測(cè)定時(shí)采用的是混合均勻的沼液、沼渣混合物，樣品中沼渣含量的差異可能是造成總有機(jī)碳含量變異大的主要原因。沼渣液全磷含量的變異幅度在2個(gè)批次間有明顯的差異，5月份沼渣液樣品全磷的變異幅度為86.7%，而8月份則達(dá)到了244.0%，主要是部分沼渣液樣品全磷含量較低，有14.5%的樣品全磷含量低于檢測(cè)限。沼渣液全氮、全鉀、銨態(tài)氮和全鹽的變異幅度比較接近，為44.5%～87.8%。

表3 浙江省規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣液養(yǎng)分含量描述性統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical parameters of nutrient contents in biogas slurry of large-scale pig farms in Zhejiang Province

圖1中各養(yǎng)分指標(biāo)的中位值總體偏下，表明調(diào)查樣品中養(yǎng)分含量較低的樣本居多。各養(yǎng)分指標(biāo)中都有一定數(shù)量的異常值，而且異常值基本表現(xiàn)為數(shù)據(jù)偏高。異常值的存在不但增加了沼渣液養(yǎng)分指標(biāo)變異幅度，而且使平均養(yǎng)分指標(biāo)結(jié)果偏高。以總有機(jī)碳為例，5月沼渣液樣品總有機(jī)碳含量的上四分位（Q1）和下四分位（Q3）分別為2.37 g·L-1和4.98 g·L-1，8月份沼渣液樣品總有機(jī)碳含量的上四分位（Q1）和下四分位（Q3）分別為1.00 g·L-1和3.00 g·L-1，表明5月和8月沼渣液樣品中75%的樣本總有機(jī)碳含量為2.37～4.98 g·L-1和 1.00～3.00 g·L-1，遠(yuǎn)小于總樣本1.1～38.9 g·L-1和0.1～43.0 g·L-1的范圍。5月和8月沼渣液樣品總有機(jī)碳含量的四分位間距分別為2.83 g·L-1和2.00 g·L-1，也遠(yuǎn)低于總樣本的極差。

2.3 取樣時(shí)間對(duì)沼渣液養(yǎng)分含量的影響

8月沼渣液樣品的全氮、全磷、全鉀和銨態(tài)氮的四分位距和最大值都大于5月樣品，除了全磷外，其他養(yǎng)分指標(biāo)中值也大于5月樣品（圖1），表明8月沼渣液樣品的變異幅度大于5月樣品。8月沼渣液樣品的全氮、全鉀和銨態(tài)氮含量明顯高于5月樣品，全鹽含量則低于5月樣品（表3）。2個(gè)批次間沼渣液pH、總有機(jī)碳含量和全磷含量間沒(méi)有顯著性差異。不同批次間沼渣液樣品養(yǎng)分含量的差異表明不同取樣時(shí)間主要影響沼渣液全氮、全磷、全鉀、銨態(tài)氮和全鹽含量，這可能是由于不同季節(jié)沼氣工程運(yùn)行狀況的差異所造成的。

圖1 浙江省規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣液養(yǎng)分匯總統(tǒng)計(jì)圖Figure 1 TOC，TN，TP，TK，ammonium-N and TS concentrations in BS from 62 large-scale pig farms in Zhejiang Province

2.4 養(yǎng)殖區(qū)域?qū)φ釉吼B(yǎng)分含量的影響

分區(qū)域沼渣液樣品含量差異的顯著性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表4。各養(yǎng)分指標(biāo)中除了8月份全鉀含量在不同區(qū)域間有明顯差異外，其他養(yǎng)分指標(biāo)在不同區(qū)域間都沒(méi)有顯著性差異，而且5月和8月沼渣液樣品的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。表明沼渣液養(yǎng)分含量的差異主要受養(yǎng)豬場(chǎng)沼氣工程的影響，與取樣區(qū)域間沒(méi)有明顯的相關(guān)性。

2.5 沼渣液養(yǎng)分指標(biāo)相關(guān)性分析

不同養(yǎng)分指標(biāo)間相關(guān)性分析表明（表5），各沼渣液養(yǎng)分指標(biāo)間具有一定的相關(guān)性，但部分指標(biāo)在2個(gè)批次間相關(guān)性差異較大。5月份沼渣液樣品pH與全氮、全鉀、銨態(tài)氮含量間都具有顯著的相關(guān)性，但8月份沼渣液樣品中pH與全氮、全鉀的相關(guān)性則不顯著?？傆袡C(jī)碳與全氮、全磷、全鉀、銨態(tài)氮、全鹽等指標(biāo)間基本都呈極顯著線性相關(guān)。而全鹽含量除了與pH相關(guān)性不顯著外，與其他指標(biāo)間都表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。作為沼渣液農(nóng)田利用中主要的養(yǎng)分指標(biāo)，銨態(tài)氮含量與全氮、總有機(jī)碳、全磷、全鉀、含鹽量等指標(biāo)間都表現(xiàn)出極顯著線性相關(guān)。

表4 取樣時(shí)間對(duì)沼渣液理化性狀影響的統(tǒng)計(jì)分析Table 4 Effects of sampling time on characteristics of biogas slurry in large-scale pig farms in Zhejiang Province

沼渣液氮、磷、鉀等養(yǎng)分指標(biāo)間的比例特征見(jiàn)表6。5月和8月沼渣液樣品的總養(yǎng)分含量（N+P2O5+K2O）分別為 1.91 g·L-1和 2.81 g·L-1，差異極顯著。5月和8月沼渣液中磷含量分別為氮含量的31%和35%，鉀含量分別為氮含量的60%和59%，2個(gè)批次間沒(méi)有顯著性差異。N∶P2O5∶K2O分別為1∶0.31∶0.6和1∶0.35∶0.59。

3 討論

沼液養(yǎng)分含量差異大是影響沼液農(nóng)田利用的重要因素。靳紅梅等[11]對(duì)江蘇21個(gè)規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程的調(diào)查表明，沼液總有機(jī)碳、總氮、總磷和總鉀的變異系數(shù)在44.8%～94.3%?？滤{(lán)婷等[15]的調(diào)查結(jié)果表明不同原料的家庭戶用沼氣池的沼液銨態(tài)氮含量在450～1800 mg·L-1。本文中2次沼液樣品全氮和全鉀含量的變異系數(shù)在44.6%～87.8%，與靳紅梅等的研究結(jié)果相似，但總有機(jī)碳含量變異系數(shù)達(dá)到126.6%～182.1%，全磷含量變異幅度也較大。由箱式圖中可以看出，沼液樣品中各養(yǎng)分指標(biāo)均存在一定數(shù)量的異常值，是增加沼液養(yǎng)分變異系數(shù)的主要原因。沼液取樣方式可能也是影響沼液養(yǎng)分含量的重要因素。曲明山等[16]的研究表明沼液經(jīng)模擬過(guò)濾粉粒后，有機(jī)碳和全磷含量降幅較大，全氮和全鉀含量變化不大。沼液實(shí)際應(yīng)用時(shí)受到沼液抽取擾動(dòng)的影響，實(shí)際養(yǎng)分含量與研究結(jié)果間存在一定的偏差，本研究中在沼液池自然存儲(chǔ)狀態(tài)時(shí)取樣，樣品中沼渣含量的差異可能是造成總有機(jī)碳和全磷含量差異較大的原因。

表6 浙江省規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣液養(yǎng)分比例特征Table 6 Characteristics of nutrients ratio in large-scale pig farms in Zhejiang Province

表5 沼渣液養(yǎng)分指標(biāo)間相關(guān)性分析Table 5 Pearson′correlation analysis among nutrient indexes in biogas slurry

沼液養(yǎng)分含量雖然變異較大，但不同養(yǎng)分指標(biāo)間具有明顯的相關(guān)性，特別是總養(yǎng)分含量和全鉀含量、全鉀含量與電導(dǎo)率尤為顯著[12]。因此根據(jù)沼液養(yǎng)分含量特征指導(dǎo)沼液農(nóng)田利用具有重要意義。本文研究表明銨態(tài)氮是沼液中主要的氮素形態(tài)，與全氮含量具有良好的相關(guān)性，沼液中全氮含量與全磷、全鉀之間也具有明顯的線性相關(guān)，與前人的研究基本一致[2，11]。沼液農(nóng)田利用中氮素?fù)p失是重要的環(huán)境污染源，而氨揮發(fā)是主要的氮素?fù)p失形態(tài)，可占沼液中氮素的16.4%[17]，因此可以將沼液中銨態(tài)氮含量作為沼液推薦施用量的依據(jù)，從而減少農(nóng)田利用中沼液檢測(cè)的工作量。本研究中2個(gè)批次樣品中養(yǎng)分含量有一定的差異，但氮、磷、鉀的養(yǎng)分比例基本一致，在1∶0.3∶0.6左右，與作物養(yǎng)分需求特性基本吻合。但調(diào)查結(jié)果表明沼液全磷含量變異較大，因此農(nóng)田利用中應(yīng)在沼液養(yǎng)分檢測(cè)基礎(chǔ)上適當(dāng)增加磷肥的投入。

本研究中沼液樣品全鹽含量較高，長(zhǎng)期施用后可能會(huì)增加土壤鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)。以往沼液調(diào)查結(jié)果均表明沼液中存在重金屬和抗生素成分[18-19]，雖然重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估均屬于較低水平[20-21]，但沼液農(nóng)田利用時(shí)的農(nóng)產(chǎn)品安全和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)仍然值得關(guān)注。基于盆栽試驗(yàn)的研究結(jié)果表明沼液農(nóng)田利用時(shí)土壤和作物中重金屬有增加的趨勢(shì)[22-23]，但水稻定位試驗(yàn)中以常規(guī)施肥的氮素投入量為基準(zhǔn)，以2倍氮投入量的沼液連續(xù)施用3年后，沒(méi)有增加稻谷中鎘、鉛、汞、砷等重金屬的含量[24]?？梢?jiàn)沼液農(nóng)田利用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)受到沼液中污染物含量、施用量和作物類型等因素的影響，應(yīng)加強(qiáng)沼液農(nóng)田利用長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究，明確不同作物的適宜沼液施用量，降低沼液農(nóng)田利用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

（1）浙江省規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣液養(yǎng)分含量變異較大，5月份和8月份沼液總養(yǎng)分含量（N+P2O5+K2O）分別為 1.91 g·L-1和 2.81 g·L-1，差異極顯著。但 2次取樣的沼渣液樣品N∶P2O5∶K2O分別為1∶0.31∶0.6和1∶0.35∶0.59，差異不顯著。

（2）沼渣液養(yǎng)分含量受到取樣時(shí)間的影響，不同區(qū)域間沼渣液養(yǎng)分含量沒(méi)有明顯差異。

（3）銨態(tài)氮是沼液中主要的氮素形態(tài)，占全氮的70%以上，與沼渣液全氮、總有機(jī)碳、全磷、全鉀、含鹽量等指標(biāo)間都表現(xiàn)為顯著線性相關(guān)，可以作為沼渣液農(nóng)田利用時(shí)的施用量控制指標(biāo)。