養(yǎng)殖沼液生態(tài)循環(huán)利用模式的建立與運行效果

沈阿林，奚輝，姜銘北，安文浩，王云龍，陳喜靖

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.淳安縣農(nóng)業(yè)技術推廣中心 植保土肥站，浙江 淳安 311700)

我國是全球第一大豬肉生產(chǎn)和消費大國，2018年生豬存欄42 817萬頭，生豬出欄69 382萬頭，雖然相較于高峰時期(2012—2014年)的存欄數(shù)和出欄數(shù)均有較大幅度下降，但養(yǎng)殖量依然龐大。按1個萬頭豬場每天產(chǎn)生80～100 t養(yǎng)殖廢水估算，全國每年產(chǎn)生的總量達到550萬～700萬t。為使養(yǎng)殖排泄物得到能源化利用，國家大力發(fā)展沼氣工程，由此伴隨著大量沼液如何處置的問題。由于沼液中含有大量氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，以及鐵、鋅、銅和氨基酸等微量元素，故可作為有機養(yǎng)分替代、化肥減量增效的重要原料，并通過農(nóng)田灌溉途徑得以利用。這種方式已成為當前沼液資源化利用的重要方式，但隨著生豬養(yǎng)殖規(guī)?；潭鹊目焖偬嵘?，養(yǎng)殖產(chǎn)生的沼液量大且集中，使得養(yǎng)殖業(yè)周邊農(nóng)田難以安全消納。同時，人們對農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的要求越來越高，沼液無害化處置與安全利用間的矛盾也日益突出。因此，研究探索沼液利用的新途徑和新模式就顯得尤為重要。近年來，國內(nèi)在沼液利用模式建立及其應用方面已有不少案例，也取得較好效果[1-5]。本項目組通過3年的研究與示范，在傳統(tǒng)沼液利用方式的基礎上，創(chuàng)建了2個沼液生態(tài)循環(huán)利用的新模式，分別在嘉興稻麥輪作區(qū)和淳安茶園進行了生產(chǎn)驗證與應用。

1 沼液生態(tài)循環(huán)利用新模式

1.1 “林地-稻田定量灌溉+非灌溉期膜法濃縮+排出水凈化回用”種養(yǎng)耦合循環(huán)利用模式

在嘉興南湖區(qū)科皇牧業(yè)公司創(chuàng)建的種養(yǎng)耦合沼液循環(huán)利用模式，是充分依托該公司周邊賦存的生態(tài)條件(20 hm2農(nóng)田與近0.33 hm2樟樹林地)，同時考慮與當?shù)噩F(xiàn)行的稻-麥和稻-油輪作體系有機結合?？苹誓翗I(yè)是一家中等規(guī)模(5 000頭存欄)的生豬養(yǎng)殖場，采用糞污混合的“水泡糞”清糞養(yǎng)殖技術，沼液富含作物所需各種養(yǎng)分。

項目組研發(fā)的沼液利用模式由3個模塊組合而成(圖1)。第一模塊是沼液直灌。在農(nóng)田和林地需要灌溉時進行，灌溉前在農(nóng)田的田埂邊布設管道或利用已有可輸送沼液的水溝，在林地的林帶間開溝確保沼液通過順暢且不積水；根據(jù)估算確定沼液灌溉量，沼液從沼液池中提取沿溝渠或布設的管道進入農(nóng)田和林地；林地沒有吸收利用的沼液，可再排入稻田進一步利用吸納。為了減少管道和溝渠堵塞的情況，可在灌溉前通過重力沉淀和電絮凝或化學絮凝方法去除部分懸浮有機物。第二模塊是沼液膜法濃縮?？紤]周邊農(nóng)田林地無法安全消納牧場全部的養(yǎng)殖沼液，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不能進行沼液灌溉的季節(jié)，通過工廠化的沼液膜濃縮-配肥技術濃縮貯存外運利用。第三模塊是膜濃縮尾水或農(nóng)田與林地的排出水通過凈化處置再循環(huán)利用。膜濃縮產(chǎn)生的尾水以及通過林地(樟樹)和稻田利用后的排出水通過生態(tài)溝渠初級凈化和池塘沉水植物再凈化，進入豬場回用或排入河道。

圖1 沼液林地稻田灌溉與膜濃縮沼液肥及尾水的循環(huán)利用

經(jīng)過上述3個模塊的運行，不僅實現(xiàn)了沼液中養(yǎng)分和水分的全年資源化循環(huán)利用，而且保證了排出的尾水達標排放或牧場回用，有利于水資源利用和環(huán)境水體的保護。

1.2 茶園“沼液配送+絮凝+水肥一體”噴滴灌的生態(tài)循環(huán)利用模式

利用淳安縣汾口強龍茶場地處低山丘陵的地貌特點，在茶園最高處興建50 m3的沼液儲存池，同時組裝沼液混凝沉淀一體化設備、加壓泵、自動反沖洗疊片過濾器、比例施肥器、壓力補償式滴灌帶等，完成百畝沼液噴滴灌系統(tǒng)建設(圖2)。在具體生產(chǎn)管理中，將沼液作為有機替代化學肥料技術的重要部分，與有機肥和綠肥等利用有機結合，制定出有機茶生產(chǎn)的養(yǎng)分全程供應和病蟲綜合綠色防控技術解決方案，即在秋季茶園翻耕時施用以蠶沙為主要原料的茶葉專用有機肥；引進白三葉和黑麥草綠肥品種混播茶園行間，進行茶園土壤改良和生態(tài)培肥；利用沼液噴灌等設施，將發(fā)酵沼液勻追施到茶園；利用黃板-綠板(誘蟲板)合理間作誘殺和壓制蚜蟲、粉虱和小綠葉蟬蟲口基數(shù)，采用苦參堿等植物源農(nóng)藥控害。通過全程施用有機養(yǎng)分和病蟲綠色防控，使茶葉生產(chǎn)實現(xiàn)了向有機茶生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型和提質(zhì)增效。

圖2 養(yǎng)殖沼液在茶園資源化利用的模式

該模式的運行步驟如下：1)由縣沼液配送中心通過專用槽罐車將經(jīng)發(fā)酵的沼液送達至茶園，存入沼液儲存池；2)沼液經(jīng)過化學絮凝裝置，絮凝去除懸浮在沼液中的細小有機物(SS)，以解決噴滴灌過程中堵塞噴頭問題；3)根據(jù)茶園生長需要設計灌溉量，并進行噴灌或滴灌，必要時用清水調(diào)節(jié)沼液濃度，實現(xiàn)沼液的定量灌溉；4)完成沼液噴滴灌作業(yè)后及時清理管道，以免沼液對噴滴灌相關部件的腐蝕。

2 沼液利用新模式的運行效果

2.1 沼液種養(yǎng)耦合循環(huán)利用模式的運行效果

由表1可知，采用傳統(tǒng)生化方法處置沼液，處理成本在8～10元·m-3，年總處理成本達14.60萬～18.25萬元，但在冬季低溫條件下沼液生化處置無法達標排放，必須進入污水處理系統(tǒng)再處理。而采用“林地-稻田定量灌溉+非灌溉期膜濃縮+排出水凈化回用”的沼液循環(huán)利用模式，該牧場每年產(chǎn)生的1.825萬t沼液中，約有70%可通過稻-麥輪作系統(tǒng)的農(nóng)田消納利用，剩余的30%通過膜法濃縮(濃縮5倍左右，濃縮成本約為20元·m-3)后運至外地農(nóng)田進行利用，也可通過配制水溶性復合液體肥將其商品化，可增值20%以上。同時，約有75%以上的尾水(排水)通過植物和微生物聯(lián)合生態(tài)凈化后在牧場內(nèi)得到回用(沖洗欄舍或牧場園林綠化)，從而通過沼液帶出的養(yǎng)分2 883 kg和1.8萬m3水資源全部得到有效利用。

表1 沼液種養(yǎng)耦合循環(huán)利用模式效果

2.2 茶園一體噴滴灌生態(tài)循環(huán)利用模式的運行效果

在淳安縣汾口強龍茶場的茶園設3個處理的大區(qū)示范性試驗，以常規(guī)施用化肥為對照。設每年沼液噴(滴)灌4次，每次300 m3·hm-2的沼液利用處理(替代15.83%化學肥料)和沼液噴(滴)灌+有機肥施用+行間種植綠肥處理(替代53.3%化學肥料)。

由表2可知，沼液利用處理中，用沼液灌溉替代15.83%化學養(yǎng)分，節(jié)約化肥投入190 kg·hm-2，按6.0元·kg-1計算，節(jié)約化肥投入1 140元·hm-2；通過水肥一體化技術節(jié)約人工6 000元·hm-2；因沼液替代了部分化肥，提高了茶葉的品質(zhì)，3年茶葉的產(chǎn)值較常規(guī)對照平均增加6 000元·hm-2。三項共計節(jié)本增效達13 140元·hm-2。但由于沼液絮凝過濾工序增加了2元·m-3的成本，該工序增加的成本為2 400元·hm-2，因此，實際增加的直接經(jīng)濟效益為10 740元·hm-2。相較于常規(guī)對照處理(CK)，替代53.3%化學肥料的“沼液+有機肥+行間種植綠肥”處理，其經(jīng)濟效益增加12 540元·hm-2，效果更為顯著。

表2 “沼液配送+絮凝+水肥一體噴滴灌”的茶園生態(tài)循環(huán)利用模式效果

注：化學養(yǎng)分用量以(N+P2O5+K2O)kg·hm-2計。沼液利用處理：沼液中N、P2O5和K2O含量分別為1 000、80和500 mg·kg-1，總含量平均按0.015 8%計，折合氮磷鉀養(yǎng)分投入量為190 kg·hm-2；除沼液提供的養(yǎng)分外，其他養(yǎng)分(1 010 kg·hm-2)使用化學肥料。沼液由政府派送，不計成本，但絮凝過濾的成本2元·m-3計。沼液+有機肥+綠肥：沼肥用量與次數(shù)同沼液利用處理；商品有機肥氮磷鉀含量6%，每年秋冬季施用1次，用量6 t·hm-2；商品有機肥按照650元·t-1計價。綠肥平均每年可提供氮磷鉀90 kg·hm-2，種子按750元·hm-2計價。常規(guī)管理用肥：N、P2O5、K2O用量分別為900、45和135 kg·hm-2，總計1 200 kg·hm-2；化肥按基肥+2次追肥的施用方法進行；平均養(yǎng)分的單價以6元·kg-1計。節(jié)約人工：沼液利用處理和沼液+有機肥+綠肥處理，由于追肥施用噴滴灌技術，每公頃可節(jié)約追肥2次的用工，即60個工作日(每日澆灌1 hm2·人-1)，按照100元·d-1的薪酬計算。

3年來，強龍茶園通過沼液追施及有機肥、綠肥應用等有機替代技術，輔以茶園病蟲綜合綠色防控技術的應用，化肥用量和化學農(nóng)藥用量減少，累計增加經(jīng)濟效益100余萬元。此外，連續(xù)3年利用沼液處理的茶園土壤有機質(zhì)為13.4～15.6 g·kg-1，而“沼液+有機肥+綠肥”處理的土壤有機質(zhì)增至23.5 g·kg-1，在變廢為寶、提升土壤肥力的同時，茶園生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。

2.3 2種沼液利用創(chuàng)新模式的應用分析

2.3.1 2種沼液資源化利用模式應用的條件與適用范圍

2種沼液資源化利用模式的適用條件與范圍不同?！傲值?果園)-稻田定量灌溉+非灌溉期膜法濃縮+排出水凈化回用”種養(yǎng)耦合循環(huán)利用模式適合牧場周邊具有較大農(nóng)田消納面積，且有種植林果和糧油作物輪作的生產(chǎn)系統(tǒng)，適用于養(yǎng)殖規(guī)模較大的牧場和配置有沼液膜濃縮裝備。為了尾水或排出水的資源化回用，還需要有一定面積的水塘或濕地，以確保凈化效果?！罢右号渌?絮凝+水肥一體噴滴灌”的生態(tài)循環(huán)利用模式適用于距離養(yǎng)殖場較遠、地處丘陵低山的農(nóng)區(qū)，特別是種植茶葉、果園、設施蔬菜等經(jīng)濟效益較高的農(nóng)作體系，同時需要配備沼液運輸車、沼液儲存池和絮凝設備設施。

表3列出了不同清糞工藝的沼液水質(zhì)狀況。由于水泡糞清糞方式的用水量較多，相較于干清糞方式而言，其沼液中CODcr、氨氮、總氮、總磷和鹽含量均較低；SS則視沼液儲存時間長短和是否攪動而變異較大。因此，在農(nóng)田灌溉時要充分考慮沼液來源(養(yǎng)分和鹽分的高低)，酌情調(diào)整單位面積的施用量。

表3 不同清糞工藝的沼液水質(zhì)指標 mg·L-1

2.3.2 沼液資源化利用過程中可能產(chǎn)生的氮磷、抗生素和重金屬積累污染的風險

為了促進生豬快速生長，養(yǎng)殖飼料中添加有各類抗生素和銅、鋅等微量元素，因而沼液攜帶不同數(shù)量的重金屬和抗生素很可能會在利用過程中對土壤和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生風險。衛(wèi)丹等[6]研究發(fā)現(xiàn)，沼液中10種抗生素的濃度最高達1 000 μg·L-1以上，超過歐盟水環(huán)境抗生素的閾值。施用沼液后土壤中抗生素類獸藥殘留檢出率為41.7%，環(huán)丙沙星類殘留量為9.66 mg·kg-1，均高于對照土壤[7]。筆者采集了浙江省部分市區(qū)養(yǎng)殖場的沼液，檢測了氨氮、T-N、T-P、SS、全鹽量、CODcr(以重鉻酸鉀(K2Cr2O7)作為氧化劑測定的化學耗氧量)、銅、鋅及土霉素、泰妙菌素等8種抗生素。

表4顯示，11個沼液樣品中，T-N、T-P、SS、全鹽量和CODcr均有較大差異；8種抗生素中土霉素的檢出量最高，泰妙菌素有9份檢出，磺胺噻唑、磺胺甲惡唑、磺胺地索辛、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲二唑、四環(huán)霉素等6種均未檢出。重金屬銅、鋅也有檢出，且含量有差異。因此，當單次用量過大，或長期高量使用沼液，可能會引起土壤含鹽量增加、氮磷養(yǎng)分淋失及抗生素和銅鋅積累的可能。建議在實際應用中應根據(jù)作物類型、生態(tài)條件等進行科學施用。

表4 浙江省2018年部分市區(qū)養(yǎng)殖場的沼液檢測結果

3 小結

傳統(tǒng)的沼液農(nóng)田灌溉模式只能在養(yǎng)殖場周邊農(nóng)田進行推廣應用，且存在抗生素、重金屬等對水體和農(nóng)田的污染風險。本文在傳統(tǒng)沼液利用方式基礎上，建立了2個沼液生態(tài)循環(huán)利用的新模式，分別在稻區(qū)和茶園進行應用。結果表明，采用“林地-稻田定量灌溉+非灌溉期膜濃縮+排出水凈化回用”的沼液循環(huán)利用模式，牧場產(chǎn)生的沼液可以在類似(林)稻-麥生產(chǎn)系統(tǒng)的農(nóng)田土壤中消納和通過膜法濃縮技術實現(xiàn)更遠農(nóng)田的利用；濃縮沼液還可通過配制水溶性復合液體肥將其商品化進一步增值，同時濃縮產(chǎn)生的尾水通過植物和微生物聯(lián)合生態(tài)凈化后用于沖洗欄舍或牧場園林綠化，進而實現(xiàn)沼液中養(yǎng)分和水得到充分資源化利用。茶園采用“沼液配送+絮凝+水肥一體”噴滴灌的生態(tài)循環(huán)利用模式，通過自動化噴滴灌技術實現(xiàn)沼液在茶園的高效應用和化學肥料的部分替代，既提高茶葉產(chǎn)量與品質(zhì)，又提升茶園土壤肥力；特別是與綠肥和商品有機肥的結合應用，可進一步提升茶葉品質(zhì)，有望實現(xiàn)有機茶生產(chǎn)，產(chǎn)生更好的經(jīng)濟、環(huán)境和生態(tài)效益。開發(fā)養(yǎng)殖沼液資源化利用新模式，對于最大限度利用消納養(yǎng)殖廢水，在抗生素、重金屬等對水體和農(nóng)田的污染風險可控的前提下使其變廢為寶，具有重要的生產(chǎn)指導意義。