紹興市豬糞沼液成分特征及其在農(nóng)田的安全利用分析

周健駒，金暉，丁少華*，李子川，柴彥君

(1.諸暨市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 紹興 311899；2.紹興市糧油作物技術(shù)推廣中心，浙江 紹興 312030；3.浙江科技學(xué)院環(huán)境與資源學(xué)院 浙江省廢棄生物質(zhì)循環(huán)利用與生態(tài)處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023)

豬糞沼液是生豬養(yǎng)殖場(chǎng)的糞污經(jīng)由沼氣工程產(chǎn)生的廢棄發(fā)酵液，干濕分離后獲得的液態(tài)副產(chǎn)物，具有產(chǎn)生量大、有機(jī)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素含量較高、化學(xué)需氧量高的特點(diǎn)，直接將其排放到環(huán)境中會(huì)造成土壤和下游水體的嚴(yán)重污染[1-3]。豬糞沼液中營(yíng)養(yǎng)元素的生物有效性很高，有效態(tài)氮、磷、鉀的含量占總量的75%以上[4]。因此，沼液部分替代化肥的農(nóng)田利用與消納是解決沼液資源化綠色綜合利用的重要方式。同時(shí)，沼液中的有機(jī)物質(zhì)還具有改良土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力的作用[5]，但其中的重金屬是重要的風(fēng)險(xiǎn)因素。

探明沼液中的養(yǎng)分、激素和重金屬含量及變化特征是沼液農(nóng)田利用的重要依據(jù)。由于不同沼氣工程產(chǎn)生的沼液養(yǎng)分、激素和重金屬含量差異很大[6-8]，而在實(shí)際農(nóng)田利用過程中極難做到實(shí)時(shí)檢測(cè)，經(jīng)常存在沼液施用量不足或過量等問題，影響肥效或?qū)е峦寥牢廴?。因此，本文?duì)紹興市43個(gè)有代表性生豬養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程產(chǎn)生的沼液進(jìn)行采樣調(diào)查工作，從田間利用的角度對(duì)沼液養(yǎng)分、激素和重金屬含量的變化特征進(jìn)行分析，為沼液養(yǎng)分和重金屬溯源分析，以及沼液部分替代化肥的安全性提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

紹興位于119°53′03″～121°13′38″E、29°13′35″～30°17′30″N，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，四季分明，水熱條件優(yōu)越，降雨豐沛但季節(jié)分配不均，每年3—6月為多雨季，年降雨量1 840 mm，年均溫17.1 ℃。截至2018年底，紹興市各縣區(qū)共有存欄生豬51.39萬(wàn)頭。

采樣調(diào)查時(shí)間為2018年8月，根據(jù)紹興市養(yǎng)豬場(chǎng)沼氣工程運(yùn)行狀況以及地理分布特點(diǎn)，共選取43家當(dāng)?shù)卮硇载i糞沼氣工程的沼液進(jìn)行取樣。沼氣工程發(fā)酵原料均為豬糞尿加沖洗水。沼液樣品采自厭氧反應(yīng)罐排放出或沼液池的沼渣液，每個(gè)采樣點(diǎn)集中在當(dāng)天的9：00—11：00，沼液池中沼液的采集根據(jù)距離進(jìn)料口遠(yuǎn)近進(jìn)行多點(diǎn)采樣并混合，所有采樣均取自液面下30 cm處，混合均勻后，分裝入3個(gè)500 mL的PVC瓶中帶回實(shí)驗(yàn)室。所有樣品的采集工作均在1周內(nèi)完成，保存至-20 ℃冰箱待測(cè)。

1.2 測(cè)定方法

沼液的pH采用甘汞電極pH計(jì)(METTLER TOLEDO，SevenCompactTM)進(jìn)行原液測(cè)定?；瘜W(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)的測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化法。電導(dǎo)率(electrical conductivity，EC)采用精密電導(dǎo)率儀(DDSJ-318，上海精科-上海雷磁)對(duì)原液進(jìn)行測(cè)定?？扇苄怨绦挝锖康臏y(cè)定使用濾膜(0.45 μm)過濾液，參照《廢水監(jiān)測(cè)分析方法》采用質(zhì)量法。鹽基陽(yáng)離子的測(cè)定采用原子吸收光譜法?？偟⒖偭缀涂傗浐康臏y(cè)定參照有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥料測(cè)定方法(GB/T 17767—2008)。氨基酸和植物激素濃度的測(cè)定采用0.45 μm濾膜過濾液，使用氨基酸測(cè)定儀測(cè)定氨基酸濃度，植物激素的測(cè)定采用SPE固相萃取柱前處理，高效液相色譜-電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(HPLC-ESI-MS/MS)進(jìn)行測(cè)定。重金屬(砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛、鋅)含量采用微波消解，電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)上機(jī)測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 23.0和Excel 2016軟件進(jìn)行分析。采用Origin 9.4繪制各養(yǎng)分指標(biāo)相關(guān)性散點(diǎn)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液原液理化性質(zhì)與養(yǎng)分含量

豬糞沼液原液總體偏堿性，變化幅度較小，pH在6.11～9.5，平均為7.95±0.61，變異系數(shù)為7.7%(表1)。沼液原液COD變異幅度非常大，為120～9 640 mg·L-1，平均(1 037±1 558)mg·L-1，變異系數(shù)高達(dá)150%。沼液原液中可溶性固形物(可溶性鹽+溶解性有機(jī)小分子)的變化幅度較大，為0.16～6.05 g·L-1，平均(1.64±1.44)g·L-1，變異系數(shù)為88.2%。沼液原液的EC變化幅度非常大，為369～10 207 μS·cm-1，平均(4 483±2 777)μS·cm-1，變異系數(shù)為61.9%。沼液原液中的全氮含量變化在0.15～1.15 g·L-1，平均(0.69±0.28)g·L-1，變異系數(shù)為41.3%。沼液原液中的全磷含量在0.01～0.78 g·L-1，平均(0.19±0.18)g·L-1，變異系數(shù)為93.4%。沼液原液中的全鉀含量在0.12～1.46 g·L-1，平均(0.39±0.24)g·L-1，變異系數(shù)為61.4%。

表1 紹興市各縣區(qū)豬糞沼液理化性質(zhì)與養(yǎng)分含量

豬糞沼液原液中含大量的氨基酸，但目前對(duì)不同沼液中氨基酸種類和含量的變化研究較少。本研究中發(fā)現(xiàn)，谷氨酸普遍存在于紹興市各縣區(qū)的豬糞沼液中，在所有的43個(gè)樣品中均被檢測(cè)到，但變化幅度非常大，濃度在2.9～82.6 mg·L-1，平均(15.8±16.8)mg·L-1，變異系數(shù)達(dá)107%(表2)。絲氨酸、甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸、精氨酸、蘇氨酸在38個(gè)樣品中被檢測(cè)到，其中脯氨酸的含量變化幅度極大，為0.2～4 504 mg·L-1，平均(357±1 021)mg·L-1，變異系數(shù)高達(dá)286%。酪氨酸、纈氨酸、亮氨酸在37個(gè)樣品中被檢測(cè)到，異亮氨酸和苯丙氨酸在36個(gè)樣品中被檢測(cè)到，賴氨酸和組氨酸在34個(gè)樣品中被檢測(cè)到，蛋氨酸在33個(gè)樣品中被檢測(cè)到，胱氨酸僅在4個(gè)樣品中被檢測(cè)到，其他氨基酸在所有沼液樣品中均未檢測(cè)到。出現(xiàn)檢測(cè)濃度最高的是脯氨酸，高達(dá)4 504 mg·L-1，其次是胱氨酸，最高檢測(cè)濃度為905.6 mg·L-1。

本研究中的鹽基陽(yáng)離子是指沼液中透過0.45 μm濾膜的溶解性堿基陽(yáng)離子，主要是K+、Na+、Mg2+、Ca2+。紹興市各縣區(qū)豬糞沼液中的鹽基陽(yáng)離子濃度變化較大(表3)，其中K+的含量在62.7～710.8 mg·L-1，平均(189.1±112.5)mg·L-1，變異系數(shù)為60.3%；Na+的含量在7.4～82.6 mg·L-1，平均(24.2±16.2)mg·L-1，變異系數(shù)為66.7%；Mg2+的含量在5.2～66.8 mg·L-1，平均(23.7±10.4)mg·L-1，變異系數(shù)為43.7%；Ca2+的含量在4.3～49.6 mg·L-1，平均(16.2±8.4)mg·L-1，變異系數(shù)為51.6%。

表2 豬糞沼液中氨基酸含量 單位：mg·L-1

表3 豬糞沼液中鹽基陽(yáng)離子含量 單位：mg·L-1

2.2 沼液中植物激素含量

沼液中含有大量的植物激素，本項(xiàng)研究對(duì)生長(zhǎng)素、茉莉酸、水楊酸和吲哚乙酸在紹興市各縣區(qū)豬糞沼液中的含量和分布進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，水楊酸在紹興市各縣區(qū)豬糞沼液中的存在比較普遍(43個(gè)樣品中有38個(gè)高出檢測(cè)限)，其次是茉莉酸和生長(zhǎng)素，沼液中的吲哚乙酸的含量和出現(xiàn)頻次都很低(表4)。其中，生長(zhǎng)素的含量在0.06～0.16 mmol·L-1，平均(0.11±0.03)mmol·L-1，變異系數(shù)為29.2%；茉莉酸的含量在10.8～21.0 μmol·L-1，平均(16.8±2.5)μmol·L-1，變異系數(shù)為14.8%；水楊酸的含量在0.01～105.9 mg·L-1，平均(66.6±28.9)mg·L-1，變異系數(shù)為43.33%；吲哚乙酸的含量在0.1～125.5 μg·L-1，平均(52.0±65.4)μg·L-1，變異系數(shù)為126%。

2.3 沼液中重金屬含量

本項(xiàng)研究結(jié)果表明，紹興市各縣區(qū)豬糞沼液中的重金屬種類和含量變化均存在較大的差異(表5)。其中，鎘(Cd)在所有豬糞沼液中出現(xiàn)的頻次最高(43個(gè)樣品中有38個(gè)被檢測(cè)到)，其次是鉻(Cr)、鎳(Ni)和鋅(Zn)(43個(gè)樣品中有38個(gè)被檢測(cè)到)，然后是鉛(Pb，32/43)和銅(Cu，25/43)，砷(As)和汞(Hg)均僅有1次被檢測(cè)到。沼液中濃度最高的重金屬是Zn，含量在0.17～21.90 mg·L-1，平均(1.40±3.89)mg·L-1，變異系數(shù)為278%。其次是Cu，含量在0.4～17 792 μg·L-1，平均(797.1±3 551)μg·L-1，變異系數(shù)為446%。Cr的含量在1.2～3 775 μg·L-1，平均(123.6±635.6)μg·L-1，變異系數(shù)為514%。Ni的含量在2.8～528.4 μg·L-1，平均(78.7±108.9)μg·L-1，變異系數(shù)為138%。Pb的含量在13.2～342 μg·L-1，平均(58.7±77.5)μg·L-1，變異系數(shù)為132%。Cd的含量在0.4～50.0 μg·L-1，平均(7.8±8.9)μg·L-1，變異系數(shù)為114%。僅有一個(gè)樣品被檢測(cè)到的As和Hg含量分別是9.6和26.8 μg·L-1。

表4 豬糞沼液中植物激素含量

表5 豬糞沼液中重金屬含量

3 討論

3.1 沼液中的養(yǎng)分含量及其農(nóng)田綠色綜合利用

紹興市各縣區(qū)生豬養(yǎng)殖場(chǎng)沼液養(yǎng)分含量存在較大的變異。沼液中的養(yǎng)分含量受進(jìn)料類型、發(fā)酵條件、存放方式和采樣時(shí)間的影響，存在極大的時(shí)空變異性[4]，是制約沼液農(nóng)田精準(zhǔn)利用的重要因素。實(shí)際應(yīng)用中可采用溯源分析技術(shù)分析造成沼液中養(yǎng)分含量差異的原因，利用沼液膜濃縮技術(shù)富集沼液中的養(yǎng)分，減少沼液的存儲(chǔ)需求空間并保持沼液中的養(yǎng)分種類和含量相對(duì)穩(wěn)定。本研究中沼液總氮、總磷、總鉀和鹽基陽(yáng)離子的變異系數(shù)為41.3%～93.4%，與靳紅梅等[9-10]對(duì)江蘇21個(gè)規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程的調(diào)查結(jié)果相似。此外，紹興市各縣區(qū)豬糞沼液中氨基酸的種類和含量也存在很大的空間變異性，各類氨基酸的濃度和出現(xiàn)頻次存在極大的不確定性[11]，這可能跟進(jìn)料類型和發(fā)酵條件有關(guān)。沼液的某些理化性質(zhì)之間及與養(yǎng)分含量之間存在顯著的相關(guān)性(圖1)，COD與谷氨酸的含量和可溶性固形物的含量顯著正相關(guān)，其中，COD與谷氨酸含量擬合曲線呈現(xiàn)一次線性關(guān)系，而COD與可溶性固形物含量呈現(xiàn)冪次小于1的指數(shù)關(guān)系，隨著COD的增加，可溶性固形物含量增長(zhǎng)越來(lái)越慢，這表明可溶性固形物成分由化學(xué)需氧量低的可溶性鹽逐漸變?yōu)榛瘜W(xué)需氧量高的小分子有機(jī)物。

沼液中的氨基酸種類和含量變化極大，部分氨基酸含量之間存在較好的線性關(guān)系。谷氨酸與蘇氨酸和組氨酸存在顯著正相關(guān)關(guān)系(圖2)，這說(shuō)明3種氨基酸在豬糞沼液蛋白質(zhì)組成中存在較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。脯氨酸的含量變化幅度極大，根據(jù)Wu[12]的研究結(jié)果顯示，脯氨酸在為新生豬仔和斷奶豬仔提供精氨酸方面起到非常重要的作用，因此，源自仔豬糞便的沼液是脯氨酸變異系數(shù)很高的重要原因。電導(dǎo)率與鹽基陽(yáng)離子總量和可溶性固形物含量同樣呈顯著正相關(guān)，但其他指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系較弱。

3.2 沼液中的植物激素及其農(nóng)田綠色綜合利用的安全性

沼液中4種植物激素的含量和可檢測(cè)頻次存在較大的差異，生長(zhǎng)素和水楊酸的含量和出現(xiàn)頻次較高；茉莉酸含量的出現(xiàn)頻次較高，但含量較低，吲哚乙酸的含量和出現(xiàn)頻次都很低。沼液中生長(zhǎng)素含量結(jié)果表明，沼液農(nóng)田利用可以極大地促進(jìn)作物根系發(fā)育和植株生長(zhǎng)[20]。茉莉酸和水楊酸具有很好的殺菌作用，可以在植物病蟲害防控方面發(fā)揮重要作用。沼液中的吲哚乙酸的含量和出現(xiàn)頻次都很低，表明沼液施用沒有導(dǎo)致作物早熟的副作用[21]。此外，沼液中還含有大量的赤霉素、細(xì)胞分裂素[22]，這些激素可以刺激作物生長(zhǎng)，對(duì)提高作物抗逆性、促進(jìn)生根、?；ū９加幸欢ǖ拇龠M(jìn)作用，但會(huì)導(dǎo)致植物激素在土壤中的積累。Lu等[23]的研究表明，沼液長(zhǎng)期施用會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)素和抗性基因在土壤中的積累，其對(duì)植物生長(zhǎng)和糧食健康的影響尚不明確，有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，可利用分子溯源技術(shù)探明沼液中植物激素的來(lái)源，通過田間試驗(yàn)分析這些植物激素的土壤行為及其生態(tài)效應(yīng)。

3.3 沼液中的重金屬及其農(nóng)田綠色綜合利用的安全性

重金屬在不同沼液中的分布和含量都存在極大的差異。進(jìn)料類型、發(fā)酵設(shè)備和存儲(chǔ)條件都會(huì)影響沼液中的重金屬類型和含量。本研究中，鎘、鉻、鎳、鉛、鋅、銅在沼液中較為普遍，但它們的含量在不同樣品中的差異極大，變異系數(shù)高達(dá)114%～514%。沼液中砷和汞極少被檢測(cè)到，而鉻、鎳、鉛、鋅、銅的最高檢測(cè)濃度都超過3 00 μg·L-1。這可能是由于生豬養(yǎng)殖過程中的飼料添加劑和藥物中攜帶的重金屬[24]，隨生豬的排泄物進(jìn)入到沼氣工程的發(fā)酵罐中。此外，廢棄的沼氣工程發(fā)酵液在進(jìn)行干濕分離時(shí)，重金屬在沼液中的分配比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于沼渣[3,25]。因此，若檢測(cè)到沼液中重金屬含量過高，在進(jìn)行硫添加共沉淀[26]和膜分離降低沼液中重金屬含量的同時(shí)，對(duì)沼渣中重金屬的移除和安全處理應(yīng)更加重視。本研究中，砷和汞的含量?jī)H在1份沼液樣品中被檢測(cè)到，說(shuō)明這2種重金屬可能跟當(dāng)?shù)厮吹刂猩?、汞含量過高和大氣汞沉降[27]有關(guān)。未來(lái)可利用同位素分析技術(shù)和源頭物料中的重金屬含量分析，探明沼液重金屬含量存在極大差異的原因，找出控制沼液重金屬含量的有效方法，從源頭上、全鏈條管控重金屬進(jìn)入生豬養(yǎng)殖場(chǎng)和沼氣工程的通量。

重金屬在紹興各縣區(qū)沼液樣品中出現(xiàn)的普遍性，說(shuō)明沼液農(nóng)田利用存在極大的土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，這跟其他地區(qū)的調(diào)查結(jié)果一致[2]，長(zhǎng)期使用沼液灌溉，土壤中銅、鋅、鉛、鎘等重金屬會(huì)累積。然而，沼液中重金屬種類和含量存在的極大的差異性，說(shuō)明可以通過控制進(jìn)料路徑和發(fā)酵工藝降低沼液中重金屬含量。因此，對(duì)沼液中的重金屬進(jìn)行溯源解析將為有效控制沼氣工程廢棄發(fā)酵液中重金屬含量提供科學(xué)依據(jù)。此外，沼液膜濃縮與重金屬阻控技術(shù)已有部分研究，未來(lái)可以通過膜濃縮技術(shù)[28]將沼液養(yǎng)分控制技術(shù)與重金屬阻控技術(shù)[28-29]進(jìn)行融合，為沼液綠色綜合利用提供技術(shù)保障。