基于豬糞資源利用的稻田徑流污染物排放特征

李凱益，沈根祥，王振旗，趙曉祥，錢曉雍，付 侃，徐 昶，何忠虎

(1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233；3.上海沁儂牧業(yè)科技有限公司，上海 202177)

近年來，我國畜禽養(yǎng)殖集約化發(fā)展迅猛，其中生豬2017年出欄量達(dá)70 202.1萬頭，是我國最主要畜禽養(yǎng)殖類型[1]?！笆濉逼陂g，國家首次將農(nóng)業(yè)納入主要污染物總量減排控制范圍，并將資源化利用確定為規(guī)?；笄輬鑫廴局卫淼闹饕窂?，約4萬余家規(guī)?；B(yǎng)殖場建設(shè)了糞污還田利用設(shè)施[2-4]，有效緩解了畜禽養(yǎng)殖污染問題。研究[5]表明，全國單位面積耕地承載畜禽糞尿氮養(yǎng)分量約150.0 kg·hm-2，遠(yuǎn)小于最大環(huán)境容量，可供應(yīng)水稻生長50%的氮需求量。但由于缺乏可操作性好的糞污還田技術(shù)規(guī)程，養(yǎng)殖場在實(shí)施糞污還田過程中，配套農(nóng)田類型、糞肥形式和施用水平不同的情況普遍存在，污染物排放方式已由過去直接排放逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田排放[6]。

國內(nèi)外針對農(nóng)業(yè)面源污染的研究多集中于化肥施用農(nóng)田，而畜禽糞污還田造成的面源污染特征卻鮮有報(bào)道[7-11]。當(dāng)前，我國農(nóng)作物種植化肥平均施用量達(dá)346.5 kg·hm-2，是美國的2.6倍，歐盟的2.5倍[12]，由化肥引起的TN和TP貢獻(xiàn)量約占農(nóng)業(yè)源的80%以上[13]；而糞污還田污染物排放受制于地理、土壤、氣候和水文等自然條件以及種養(yǎng)模式、糞肥形式和使用水平等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，糞便前處理不當(dāng)或還田方式不合理將會(huì)加劇地表徑流排放風(fēng)險(xiǎn)[14]，這在南方平原河網(wǎng)地區(qū)問題更加突出[15]。

因此，以南方典型豬場及其配套水稻田為研究對象，采用大田小區(qū)徑流監(jiān)測方法，基于當(dāng)?shù)亓?xí)慣性肥料配施方式，對ρ(TN)、ρ(NH4+-N)和ρ(TP)3種常見糞污類型還田后的面源污染物排放規(guī)律及負(fù)荷進(jìn)行試驗(yàn)研究，旨在得到不同豬糞還田利用類型的氮磷污染物流失特征及排放系數(shù)，在國家大力提倡種養(yǎng)結(jié)合的大背景下，為環(huán)境主管部門監(jiān)督指導(dǎo)農(nóng)業(yè)面源污染治理提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)基地位于上海市金山區(qū)亭林鎮(zhèn)后崗村(30°50′55.39″ N、121°14′43.32″ E)，以年出欄量1.4萬頭的某規(guī)?；i場及其配套農(nóng)田為研究對象。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，地勢平坦，年降水量為1 000～1 200 mm[16]，年平均氣溫為16 ℃，全年降水主要集中在5—10月。區(qū)域土壤類型為青紫土，土壤理化性質(zhì)：pH值為7.36，w(全氮)為1.003 g·kg-1，w(全磷)為0.561 g·kg-1，w(有機(jī)碳)為16.7 g·kg-1，w(速效磷)為10.5 mg·kg-1，w(速效氮)為101.5 mg·kg-1。供試水稻品種為秋優(yōu)金豐。

1.2 試驗(yàn)方法

在豬場配套水稻田中，分割出12個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為390 m2，設(shè)4個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，各監(jiān)測小區(qū)交錯(cuò)布置。將監(jiān)測小區(qū)田埂筑高至田面以上35 cm，并用防滲膜包裹，防滲膜兩側(cè)均埋入田面50 cm以下，防止田面水側(cè)滲和串流。監(jiān)測

小區(qū)采用單端進(jìn)水、單口排水方式，排水口高于田面土壤10 cm，發(fā)生降水時(shí)將排水口封閉，降水結(jié)束后通過開閘放水至正常淹水水深。施肥量參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民施用習(xí)慣確定。分別于2018年6月22日施基肥，7月13日第1次追肥，8月9日第2次追肥。沼液(C1)處理基肥以及第1和第2次追肥分別為沼液70 512、70 512和88 718 kg·hm-2，總施氮量為293 kg·hm-2；有機(jī)肥+化肥(C2)處理3次施肥分別為有機(jī)肥3 743 kg·hm-2、有機(jī)肥3 743 kg·hm-2和尿素564 kg·hm-2，總施氮量為342 kg·hm-2；鮮糞+化肥(C3)處理3次施肥分別為豬糞4 128 kg·hm-2、豬糞4 128 kg·hm-2和尿素564 kg·hm-2，總施氮量為299 kg·hm-2；純化肥(CK)處理3次施肥分別為尿素256 kg·hm-2、尿素256 kg·hm-2和復(fù)合肥316 kg·hm-2，總施氮量為316 kg·hm-2。豬糞、有機(jī)肥和沼液均以鮮重計(jì)。豬糞中w(N)為0.44%，w(P)為1.39%，w(總有機(jī)碳)為22.10%；有機(jī)肥為以試驗(yàn)豬糞為原料生產(chǎn)的商品有機(jī)肥，其中w(N)為1.05%，w(P)為1.40%，w(總有機(jī)碳)為15.70%；沼液中w(N)為0.13%，w(P)為0.01%，w(總有機(jī)碳)為4.80%；尿素中w(N)為46.70%，不含P和有機(jī)碳；復(fù)合肥中w(N)為15.00%，w(P)為15.00%，w(K)為15.00%，不含有機(jī)碳。

1.3 樣品采集與污染負(fù)荷計(jì)算

1.3.1水樣采集與指標(biāo)測定

各試驗(yàn)小區(qū)出水端設(shè)置1個(gè)單向徑流排水口，并安裝徑流收集裝置，包括濾水器、徑流管和集水桶3個(gè)部分(圖1)。其中，集水桶中溢流管高度根據(jù)水稻不同生長階段所需淹水水位調(diào)節(jié)，集水桶容積為10 L，安放在出水管外側(cè)。當(dāng)產(chǎn)生暴雨徑流和人工排水時(shí)，通過田間安置的水位標(biāo)尺計(jì)算徑流排水量，將徑流收集桶內(nèi)水樣混合均勻采集后，清空桶內(nèi)剩余積水，并在24 h內(nèi)送回實(shí)驗(yàn)室測定。遇到連續(xù)降水時(shí)，僅在降雨結(jié)束時(shí)采集1次徑流排水樣品，降水量統(tǒng)計(jì)為累積降水量。試驗(yàn)期間降水監(jiān)測數(shù)據(jù)來自金山區(qū)生態(tài)環(huán)境局。

徑流水樣氨氮濃度采用HJ 535—2009《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》測定，總氮濃度采用HJ 636—2012《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》測定，總磷濃度采用GB/T 11893—1989《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》測定，化學(xué)需氧量(COD)采用HJ 828—2017《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法》測定。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)徑流排水收集裝置

1.3.2污染排放負(fù)荷計(jì)算方法

每個(gè)小區(qū)徑流污染物排放總量和面源污染物排放負(fù)荷計(jì)算公式為

(1)

L=M/(S×100)。

(2)

式(1)～(2)中，M為小區(qū)徑流排放污染物流失量，g；ρi為第i次排水污染物濃度，mg·L-1；S為小區(qū)面積，m2；Δh為排水前后標(biāo)桿尺讀數(shù)差，cm；L為徑流污染物總負(fù)荷，kg·hm-2。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)田排水特征分析

2018年5—10月水稻生長期間共發(fā)生降水38次，累積降水量為853.7 mm。針對12次產(chǎn)流降雨，全部采集徑流排水水樣(表1)。經(jīng)計(jì)算得到每塊農(nóng)田平均排水量為1 305.5 m3·hm-2，平均徑流比為21.3%，其中排水集中在5月，這與降水趨勢一致。由于10月降水較少且已晾田，導(dǎo)致該月無徑流排水。

2.2 稻田徑流污染物排放特征分析

2.2.1稻田徑流氮素排放特征

水稻田徑流排水ρ(TN)隨時(shí)間變化見圖2。由圖2可知，各小區(qū)徑流排水ρ(TN)在施肥后7 d迅速上升，C1、C2和C3處理峰值分別為3.35、3.76和4.69 mg·L-1，在最后一次施用肥料后29～42 d，排水濃度維持在0.56～0.71 mg·L-1，濃度下降至峰值的11.8%～23.3%。監(jiān)測期內(nèi)，C1、C2和C3處理平均ρ(TN)分別為1.26、1.44和1.57 mg·L-1，分別為CK的56.0%、64.1%和69.9%，說明糞污還田部分替代化肥可減少農(nóng)田面源污染氮素流失。對于3種糞污還田方式，C3和C2處理田塊中徑流排水ρ(TN)變化趨勢相近，施肥期內(nèi)TN排放濃度峰值總體高于C1處理，這與固體糞肥以有機(jī)氮形式賦存并緩慢釋放的特點(diǎn)有關(guān)。

表1 采樣期內(nèi)累積降水量及農(nóng)田徑流排水統(tǒng)計(jì)

Table 1 The amount of rainfall and runoff water during sampling period

采樣日期累積降水量/mm農(nóng)田平均徑流排水量/(m3·hm-2)平均徑流比/%5月9日39.386.2822.05月20日121.6344.0728.35月27日69.1163.7923.76月11日46.1117.3725.56月24日40.598.4024.37月2日33.771.9321.37月6日22.947.9020.97月26日7.513.5218.08月2日59.6103.2417.38月16日58.178.9513.69月7日37.878.5120.89月20日51.3101.5720.0合計(jì)587.51 305.5321.3

圖2 2018年水稻田徑流排水中總氮與氨氮濃度變化

徑流排水中ρ(NH4+-N)的動(dòng)態(tài)變化趨勢見圖2，C1、C2和C3處理徑流排水ρ(NH4+-N)變化趨勢與ρ(TN)趨勢基本相同。CK處理徑流排水中ρ(NH4+-N)在監(jiān)測期內(nèi)均波動(dòng)不大，為0.51～1.02 mg·L-1，處于較高水平，至9月初下降至0.32 mg·L-1，說明化肥中氨氮在水稻田內(nèi)殘余時(shí)間較久[17]。整個(gè)監(jiān)測期內(nèi)，3種糞污還田模式徑流排水ρ(TN)和ρ(NH4+-N)與CK處理無顯著差異(P>0.05)，表明豬場糞污施用農(nóng)田N素流失濃度變化特征與純化肥施用模式總體差異不大，說明針對稻田豬糞施用產(chǎn)生的氮素污染排放控制，可參照常規(guī)農(nóng)田種植條件下主要監(jiān)控月份及采用的技術(shù)手段執(zhí)行。

2.2.2稻田徑流磷素排放特征

監(jiān)測期內(nèi)試驗(yàn)田塊徑流排水中ρ(TP)濃度變化見圖3。由圖3可知，C1處理ρ(TP)變化趨勢與CK處理基本一致，僅在最后一次施肥后7 d達(dá)到峰值，分別為1.63和1.02 mg·L-1，并在之后21 d內(nèi)逐漸下降至平穩(wěn)，在42 d后下降至峰值的6.4%～6.8%。C2和C3處理則在每次施肥后均有峰值，C3處理田塊徑流排水ρ(TP)總體上高于C2處理，在峰值出現(xiàn)后7 d內(nèi)迅速下降，并在21 d后降至峰值的8.4%～10.2%。不同施肥處理徑流排水中TP排放峰值均出現(xiàn)在施肥后7 d內(nèi)。整個(gè)監(jiān)測周期內(nèi)，3種糞污還田模式中，C1處理與純化肥模式ρ(TP)無顯著差異(P>0.05)，C2和C3處理與CK處理ρ(TP)存在顯著性差異(P<0.05)，表明在降雨沖刷條件下，因固體糞肥中顆粒態(tài)磷素含量高，其流失風(fēng)險(xiǎn)高于無機(jī)肥料[18-19]，而C1處理磷與CK處理磷素流失特征相似，說明固體緩釋糞肥不宜采用表施方式。

圖3 2018年水稻田徑流排水中總磷濃度變化Fig.3 Changes of total phosphorus concentrations in runoff water in paddy field in 2018

2.2.3稻田徑流COD排放特征

監(jiān)測期內(nèi)ρ(COD)變化見圖4。由圖4可知，整個(gè)水稻季內(nèi)，C2和C3處理ρ(COD)峰值出現(xiàn)在施肥后7 d內(nèi)，分別為89.0和99.4 mg·L-1，且在之后21 d內(nèi)迅速下降，逐漸降至峰值的25.1%～25.2%。施肥(6月22日)后，糞污還田模式下平均ρ(COD)從高到低依次為49.2 mg·L-1(C3)、42.6 mg·L-1(C2)和40.9 mg·L-1(C1)，分別為CK處理的2.0、1.7和1.7倍。C1處理雖然施入更多的有機(jī)碳，但流失較C2、C3處理小，這可能是因?yàn)檎右航?jīng)厭氧發(fā)酵后更易被利用。相較于CK處理，糞污還田盡管可以大大提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量[20]，但增加了農(nóng)田徑流COD排放風(fēng)險(xiǎn)，這與糞肥富含有機(jī)物質(zhì)有關(guān)。

圖4 2018年水稻田徑流排水中COD濃度變化

2.3 稻田徑流污染物排放負(fù)荷分析

2.3.1徑流污染物月排放負(fù)荷

監(jiān)測期內(nèi)各處理小區(qū)污染物月排放負(fù)荷見圖5。盡管5月無施肥記錄，但受水稻種植前綠肥翻耕影響，5月各處理小區(qū)間排放負(fù)荷差異不大，而6—9月受施肥影響引起的徑流污染物排放負(fù)荷差異明顯。分析結(jié)果顯示，各小區(qū)7和8月污染物排放總量明顯高于6和9月，這與7和8月集中施肥有關(guān)。其中，C1、C2和C3處理8月TN排放負(fù)荷分別為6和9月的219.5%、255.2%和357.7%以及349.1%、316.0%和611.2%，這與CK處理田塊徑流污染物月排放負(fù)荷特征相似，其對周邊區(qū)域河道水質(zhì)的瞬時(shí)影響不容忽視，是農(nóng)田周邊地表水在夏季易發(fā)生富營養(yǎng)化的主要原因[21-22]。

2.3.2徑流污染物總排放負(fù)荷

綜合分析水稻生長期(5—10月)徑流排放及污染物含量，得出不同處理田塊污染物總排放負(fù)荷(表2)。結(jié)果顯示，基于水稻生長所需養(yǎng)分正常供給，豬糞還田可削減總氮排放，削減率達(dá)到24.5%～35.1%。但糞污還田模式下氨氮排放有所增加，尤其是C3處理，增加33.3%的氨氮排放，這與糞污中氨氮占比高有關(guān)[23]。在磷素污染物排放方面，C1處理可以明顯減少磷的排放，相較于CK處理，減少35.9%的磷排放，而C2處理與CK處理無明顯差異，C3處理甚至增加25.8%的磷排放。這說明在豬場糞污處理工藝中，磷污染物主要集中在固體糞污中。由于糞污含有較多有機(jī)物，3種糞污還田模式均不同程度地增加COD排放，增加幅度為8.8%～24.2%。

圖5 2018年水稻田徑流排水污染物月負(fù)荷變化

表2 2018年水稻田徑流污染物總負(fù)荷

Table 2 Total load of pollutants in runoff from paddy field in 2018

指標(biāo)排放負(fù)荷/(kg·hm-2)與CK相比/%C1C2C3CKC1C2C3TP0.21±0.010.32±0.010.42±0.010.33±0.01-35.9-3.125.8NH4+-N0.41±0.010.41±0.010.54±0.010.41±0.011.20.533.3TN1.41±0.011.38±0.011.61±0.012.13±0.02-33.9-35.1-24.5COD39.12±0.3334.81±0.1239.75±0.1632.01±0.2122.28.824.2

C1為沼液處理，C2為有機(jī)肥+化肥處理，C3為鮮糞+化肥處理，CK為純化肥處理。

2.4 水稻產(chǎn)量及肥料利用率分析

監(jiān)測期C1、C2、C3和CK處理水稻產(chǎn)量分別為674、679、702和711 kg·hm-2。盡管C1、C2和C3處理水稻產(chǎn)量略低于CK處理，但經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并無顯著差異(P>0.05)，故推斷豬場糞污還田對水稻產(chǎn)量影響不大。參照劉紅江等[24]研究計(jì)算不同肥料的氮肥偏生產(chǎn)力(水稻氮肥偏生產(chǎn)力為水稻產(chǎn)量與氮施用量的比值)，氮肥偏生產(chǎn)力值越大，說明肥料中氮利用率越高。C1、C2、C3和CK處理氮肥偏生產(chǎn)力分別為2.40、1.98、2.25和2.25 kg·kg-1，沼液的氮肥偏生產(chǎn)力高于化肥，這說明沼液中氮屬于易利用類型；鮮糞的氮肥偏生產(chǎn)力與化肥相同；而有機(jī)肥氮肥偏生產(chǎn)力最低，說明有機(jī)肥中氮素較難被作物吸收。

綜上，有機(jī)肥替代23%(以氮計(jì))的化肥和沼液替代全部化肥條件下徑流排水TN和TP排放負(fù)荷可分別減少35.1%和33.9%以及3.1%和35.9%，在氨氮排放負(fù)荷上無明顯差異，說明降雨情況、施肥方式和土地類型等均會(huì)影響徑流污染物流失[25-27]，以有機(jī)肥料部分替代化肥，可在不同程度上減少污染物排放。而鮮糞替代12%的化肥施用，盡管總氮排放負(fù)荷減少24.5%，但總磷和氨氮排放負(fù)荷分別增加25.8%和33.3%。同時(shí)，有機(jī)肥替代23%的化肥、沼液替代全部化肥、鮮糞替代12%的化肥施用的水稻產(chǎn)量雖略低于純施化肥，但并無顯著差異，與相關(guān)研究結(jié)論[28-30]相似，說明有機(jī)肥料與化肥配施可增加肥料N的利用率，合理配施有機(jī)肥與化肥還可提高水稻產(chǎn)量。

3 結(jié)論

(1)采用有機(jī)肥替代部分化肥、沼液替代全部化肥施用，徑流排水總氮和總磷排放分別減少35.1%和33.9%以及3.1%和35.9%，在控制種植業(yè)面源污染方面具有正面效應(yīng)，可以推薦作為豬場糞污處理方式。

(2)鮮糞替代部分化肥施用，盡管總氮排放總量減少24.5%，但總磷和氨氮排放總量分別增加25.8%和33.3%，最高排放質(zhì)量濃度分別達(dá)0.995和1.371 mg·L-1，高于地表水劣Ⅴ類水體水質(zhì)，說明鮮糞不宜直接還田。

(3)鮮糞、有機(jī)肥替代部分化肥和沼液替代全部化肥3種糞污還田方式均增加農(nóng)田有機(jī)物排放風(fēng)險(xiǎn)，與純施化肥相比，COD排放負(fù)荷分別增加24.2%、8.8%和22.2%。建議今后需要從農(nóng)田面積匹配和均勻適量施用等方面進(jìn)一步完善相關(guān)還田技術(shù)規(guī)范。