武漢市畜禽養(yǎng)殖沼液土地消納后氮、磷流失污染影響分析及對(duì)策
——以茶果林地為例

張 俊，趙 泉

（武漢智匯元環(huán)?？萍加邢薰?，武漢 430000）

畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)快速增長(zhǎng)且以市場(chǎng)導(dǎo)向?yàn)橹?，缺乏科學(xué)的規(guī)劃與引導(dǎo)，存在增長(zhǎng)方式粗放、產(chǎn)業(yè)布局不均衡、種養(yǎng)脫節(jié)等問(wèn)題，導(dǎo)致畜禽養(yǎng)殖污染已成為中國(guó)繼工業(yè)污染后的第二大污染源。為加快推進(jìn)畜禽糞肥資源化利用，促進(jìn)農(nóng)牧結(jié)合、種養(yǎng)循環(huán)發(fā)展，國(guó)家相繼出臺(tái)一系列關(guān)于推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用及畜禽糞肥還田利用的政策法規(guī)，明確以畜禽糞肥還田利用作為資源化利用的主要途徑。畜禽糞肥還田利用就是利用土地消納氮、磷的能力對(duì)糞肥進(jìn)行肥料化利用，主要依靠土壤吸附、植被吸收和微生物分解作用對(duì)糞肥進(jìn)行消納，但在糞肥施用量超過(guò)土地承載力和降水作用下，糞肥中的氮、磷易隨地表徑流流失造成環(huán)境污染。畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物會(huì)隨著糞肥土地消納轉(zhuǎn)移至種植業(yè)中，最終以農(nóng)業(yè)面源污染的形式排入環(huán)境中。武漢市農(nóng)業(yè)源排放的總氮和總磷分別占全市排放總量的20.5%和54.7%，排污比重僅次于生活源成為該市第二大水污染源［1］，農(nóng)業(yè)面源污染治理已迫在眉睫。已有研究表明，農(nóng)田氮、磷流失負(fù)荷受降雨、施肥狀況、土壤條件、坡度、作物覆蓋度及農(nóng)藝管理措施等因素的影響［2，3］。本研究以2 家生豬養(yǎng)殖場(chǎng)沼液消納場(chǎng)地為研究對(duì)象，采用地表徑流實(shí)地監(jiān)測(cè)方式，總結(jié)武漢市畜禽沼液土地消納后氮、磷的流失規(guī)律，歸納沼液土地消納過(guò)程中影響氮、磷流失的因素，以期為進(jìn)一步科學(xué)指導(dǎo)武漢市的畜禽糞肥土地消納利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在武漢市2 個(gè)生豬養(yǎng)殖場(chǎng)沼液消納場(chǎng)地（以茶果林地為主）開(kāi)展，其中1 號(hào)養(yǎng)殖場(chǎng)30°13′2″N，114°25′49″E；2 號(hào)養(yǎng)殖場(chǎng)30°57′25″N，114°42′58″E。坡耕地，坡度15°～25°，年均降水量1 253.7 mm，年平均氣溫15.8～17.5 ℃，無(wú)霜期211～272 d，年日照總時(shí)數(shù)1 810～2 100 h，土壤為黃棕壤，質(zhì)地較黏，屬重壤。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取2 個(gè)生豬養(yǎng)殖場(chǎng)，每個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)各選擇1處沼液消納場(chǎng)地作為試驗(yàn)組，選取1 處鄰近區(qū)域自然荒草坡地作為對(duì)照組，其中1 號(hào)養(yǎng)殖場(chǎng)設(shè)置試驗(yàn)組（T1）和對(duì)照組（CK1），2 號(hào)養(yǎng)殖場(chǎng)設(shè)置試驗(yàn)組（T2）和對(duì)照組（CK2）。在自然降水條件下對(duì)地表徑流進(jìn)行取樣檢測(cè)，2 次重復(fù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 樣品采集與分析

2022 年2—5 月對(duì)試驗(yàn)組和對(duì)照組場(chǎng)地地表徑流進(jìn)行2 次取樣檢測(cè)，主要檢測(cè)化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）和總磷（TP）4 項(xiàng)污染物濃度指標(biāo)，水樣的保存、管理和檢測(cè)均按照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

1.4 總氮、總磷流失量及流失系數(shù)計(jì)算方法

地表徑流流失的總氮、總磷量等于監(jiān)測(cè)周期中各次徑流水中氮、磷平均濃度與徑流水體積乘積之和。流失系數(shù)用流失率表示，以總氮為例，計(jì)算式為總氮流失率＝（總氮流失量/施用沼液中總氮量）×100%。數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)及圖表制作采用Microsoft、Excel 2010 軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染物流失相關(guān)性分析

采用差值百分比法對(duì)2 個(gè)典型養(yǎng)殖場(chǎng)的污染物濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（表2），發(fā)現(xiàn)除化學(xué)需氧量表現(xiàn)不明顯外（2組差值百分比分別為-6.7%、50.0%），試驗(yàn)組的氨氮、總氮和總磷濃度均不同程度高于對(duì)照組。表明在不考慮土地利用類型、植被類型等因素的情況下，2 個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)沼液土地消納后徑流中氨氮、總氮、總磷濃度均高于未進(jìn)行沼液消納的徑流，即畜禽沼液土地消納處理后存在一定程度的污染物流失，其中流失污染物主要為氨氮、總氮和總磷。

表2 養(yǎng)殖場(chǎng)污染物檢測(cè)結(jié)果

由表2 可知，T1 氨氮、總氮和總磷濃度差值百分比為T2 的5.0～14.5 倍，明顯高于T2。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，T1 采用拖管漫灌施肥，沼液施用量為75.0 t/（hm2·次）；T2 采用噴頭噴灌施肥，沼液施用量為7.5 t/（hm2·次），可知，T1 施肥量更高，施肥方式更粗放。在不考慮2 個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)沼液組分、消納土地作物類型、土壤特性等因素的情況下，沼液施用方式和施用量差異是導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果差異的主要原因，對(duì)于消納土地，沼液施用量越大，施用方式越粗放，則隨地表徑流流失的氨氮、總氮、總磷會(huì)越多，造成的區(qū)域農(nóng)業(yè)面源氮、磷污染負(fù)荷越高，與試驗(yàn)結(jié)果中T1氨氮、總氮和總磷等污染物濃度差值百分比明顯高于T2 相符合。同時(shí)經(jīng)比對(duì)試驗(yàn)組與對(duì)照組結(jié)果，相比未施肥土地，糞肥消納后土地的地表徑流中TN、TP 濃度和污染輸出負(fù)荷成倍增加，其中總氮為2.4～9.9 倍，總磷為1.4～2.8 倍。

綜上，畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼液土地消納后氨氮、總氮、總磷等污染物流失量受施用量及施用方式等因素影響較明顯，沼液施用量越高，施用方式越粗放，沼液土地消納后氨氮、總氮、總磷等污染物流失風(fēng)險(xiǎn)越大。

2.2 污染物流失影響分析

試驗(yàn)組總氮、總磷流失量和流失率的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 可知，2 個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)畜禽沼液土地消納后總氮和總磷均有流失，說(shuō)明畜禽沼液土地消納后總氮、總磷等污染物未能完全消納，在降水時(shí)會(huì)隨地表徑流以面源的形式排入水環(huán)境。在不考慮2 個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)沼液成分、降水量差異等因素的前提下，T1沼液土地消納后總氮、總磷流失率分別為43.7%和38.9%，T2 沼液土地消納后總氮、總磷流失率分別為37.4%、24.5%。

表3 沼液土地消納后總氮、總磷流失情況

結(jié)果表明，T1 總氮和總磷的產(chǎn)生量、流失量、流失率均遠(yuǎn)高于T2。對(duì)比2 個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)的沼液施用情況，發(fā)現(xiàn)在沼液的施用前處理、施肥方式及施肥強(qiáng)度等方面存在明顯差異，T1 沼液采用漫灌的施肥方式，施肥量為75.0 t/（hm2·次），而T2 沼液采用噴灌的施肥方式，施肥量為7.5 t/（hm2·次），說(shuō)明施肥量越低，糞肥中氮、磷被土壤及其植被吸收消納越充分，殘留在土壤中的氮、磷隨地表徑流流失的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)更低，因此合理控制糞肥施肥量能有效促進(jìn)糞肥土地消納效果。同時(shí)，施肥方式的不同也是造成流失率差異的原因，相較T2 的噴灌施肥方式，T1 采用的漫灌施肥因受消納土地地形、土壤結(jié)構(gòu)及工作人員操作等因素的影響，會(huì)存在施肥空間不均勻、局部土地施肥過(guò)量等問(wèn)題，在降水條件下，施肥過(guò)量區(qū)域的氮、磷易隨地表徑流流失，影響糞肥土地的消納效果。另外，因試驗(yàn)需降水形成地表徑流等條件，采樣連續(xù)性不強(qiáng)，監(jiān)測(cè)結(jié)果存在偶然性，且2 個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)的監(jiān)測(cè)采樣時(shí)間與上次施肥時(shí)間間隔時(shí)長(zhǎng)的差異也是影響結(jié)果較為重要的因素。

綜上分析可知，養(yǎng)殖場(chǎng)沼液土地消納后污染物的流失率與施肥強(qiáng)度、施肥方式等因素有關(guān)，施肥強(qiáng)度越合理、施肥方式越精準(zhǔn)，沼液土地消納的效果越好，土地消納后糞肥中的總氮、總磷等污染物的流失風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)越低，進(jìn)而畜禽養(yǎng)殖沼液土地消納后對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的影響就會(huì)越小。

2.3 數(shù)據(jù)可信性分析

2.3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可信性分析 2 個(gè)典型養(yǎng)殖場(chǎng)試驗(yàn)組中的氨氮、總氮和總磷濃度均不同程度高于對(duì)照組（氨氮差值百分比分別為675.5%和44.2%，總氮差值百分比分別為887.6%和142.1%，總磷差值百分比分別為182.7%和36.4%），化學(xué)需氧量表現(xiàn)不明顯。經(jīng)分析，畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼液中氮、磷經(jīng)消納土地土壤吸附、地表植被吸收及微生物分解等作用后，未吸收降解部分可能隨地表徑流流失，而對(duì)照?qǐng)龅匚词┯玫?、磷等肥料，土壤背景中氮、磷等在植物吸收等作用下濃度較低，故試驗(yàn)組氨氮、總氮和總磷濃度均不同程度高于對(duì)照組。而化學(xué)需氧量主要是表觀污染物被氧化劑氧化所消耗的氧氣量，只與物質(zhì)的可氧化性有關(guān)。段小麗［4］研究發(fā)現(xiàn)，氮流失的主要形態(tài)是硝態(tài)氮，其流失量占氮流失量的80%以上，其次是顆粒態(tài)氮，以銨態(tài)氮形式流失的只是很小一部分，由此可推測(cè)出污染物的氧化反應(yīng)在土壤吸附、地表植被吸收及微生物分解等土地消納過(guò)程中已基本完成，徑流中污染物可被氧化組分較少，這可能就是造成試驗(yàn)組化學(xué)需氧量與對(duì)照組化學(xué)需氧量差異不明顯的原因。參考生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《農(nóng)業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》，種植業(yè)排污指標(biāo)中無(wú)化學(xué)需氧量相關(guān)系數(shù)，這亦可佐證化學(xué)需氧量不是種植業(yè)重要的污染指標(biāo)。由此，本研究試驗(yàn)結(jié)果基本符合客觀事實(shí)，數(shù)據(jù)可信。

2.3.2 結(jié)果數(shù)據(jù)可信性分析 韋鶴平［5］研究發(fā)現(xiàn)，在土壤-作物系統(tǒng)中，氮、磷的作物利用率僅為20%～35%，大部分被土壤吸附、累積，部分逐漸供作物吸收利用，當(dāng)季施用的氮、磷肥的20%～35%隨降水徑流和滲漏排出農(nóng)田。據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究報(bào)道，降雨導(dǎo)致的磷流失可能占年流失量的80%～90%［6］。曾招兵等［7］、王誼［8］、蔣曉輝［9］研究發(fā)現(xiàn)，菜地氮素徑流流失負(fù)荷占氮素投入總量的10%～15%。夏穎等［10］在關(guān)于湖北省油菜-棉花輪作系統(tǒng)地表徑流氮、磷流失特征的研究中表明，不同土地的利用方式和氮、磷流失規(guī)律也不相同，水田、平旱地、菜地和坡旱地的肥料流失率分別為10%、10%、13%和26%。

段永惠等［11］研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田徑流氮、磷的流失量與肥料投入水平呈正相關(guān)，同時(shí)與土地利用方式、水肥管理及種植制度有關(guān)；采用不同肥料品種組合可調(diào)控地表徑流氮、磷流失量，合理的氮、磷肥配施既可以提高作物產(chǎn)量，又可以降低徑流中氮、磷的流失量；施肥后土壤地表徑流中總磷濃度和污染輸出負(fù)荷比未施肥前成倍增加，深施或穴施比表施可顯著降低徑流中氮、磷的流失量。同時(shí)，地表徑流氮、磷的流失量也受農(nóng)田地形坡度影響，何曉玲［12］研究發(fā)現(xiàn)，各坡度坡耕地泥沙中有效磷流失量隨降雨時(shí)間的延續(xù)呈增加趨勢(shì)，有效磷流失總量隨坡度的增加成倍增加，20°坡面有效磷流失總量為10°的6.2～12.7 倍，為15°的3.1～3.7 倍。

綜上可知，土壤-作物系統(tǒng)中氮、磷徑流流失量占氮、磷施用量的10%～32%。本研究養(yǎng)殖場(chǎng)沼液消納土地均為坡耕地，坡度在15°～25°，沼液土地消納后T1、T2 總氮流失率分別為43.7%、37.4%，總磷流失率分別為38.9%、24.5%，考慮到氮、磷徑流流失量受土地地形、土地利用方式、水肥管理、種植制度等諸多因素的影響呈不同的流失規(guī)律，本研究試驗(yàn)結(jié)果與其他研究者基本符合，研究結(jié)論基本可信。

3 對(duì)策建議

消納土地在施用畜禽糞肥后，糞肥中氮、磷隨地表徑流在流失路徑經(jīng)過(guò)土壤截留、植物吸收、微生物分解等過(guò)程，最終匯入受納水體形成水環(huán)境污染負(fù)荷，故地表流失路徑的空間距離及路徑沿線的土地利用類型、植被類型、坡度等諸多因素均是影響氮、磷流失的重要因素。因此，針對(duì)畜禽糞肥土地消納后農(nóng)業(yè)面源污染防治，可采取延長(zhǎng)流失路徑空間距離和在流失路徑設(shè)置生態(tài)攔截等措施。

在畜禽糞肥土地消納方面，為進(jìn)一步降低因畜禽養(yǎng)殖帶來(lái)的農(nóng)業(yè)面源污染影響，控制糞肥的施用量與施用方式是較有效的手段。而其通常與養(yǎng)殖戶（或土地消納種植第三方）制定的計(jì)劃、落實(shí)情況有關(guān)，因此主要通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)落實(shí)。一是根據(jù)糞肥施肥前處理方式或熟化程度，以及糞肥消納土地的面積、坡度、土壤類型及結(jié)構(gòu)、種植作物類型、作物產(chǎn)量及當(dāng)?shù)貧夂驓庀髼l件等制定合適的糞肥施用計(jì)劃，并選擇適宜的輸送方式和澆灌方式，盡可能地保證施肥均勻，如對(duì)沼液進(jìn)行對(duì)水配比后施用、優(yōu)先選用“管道+噴灌或滴灌”等精細(xì)化施肥方式，逐步淘汰漫灌等粗放的施肥方式；二是嚴(yán)格落實(shí)制定的糞肥施用計(jì)劃，加強(qiáng)糞肥的施用管理水平，選派專人定崗定責(zé)，并做好日常施肥臺(tái)賬管理，有條件的鼓勵(lì)提高糞肥施用的機(jī)械化、信息化管理水平；三是合理布局養(yǎng)殖場(chǎng)及其消納土地，盡量避免選擇在臨近重點(diǎn)河流及湖庫(kù)沿岸，對(duì)于消納土地較集中的區(qū)域，可在消納土地匯流區(qū)邊界及下游區(qū)域一側(cè)設(shè)置生態(tài)緩沖帶、生態(tài)攔截溝、生態(tài)消納塘等農(nóng)業(yè)面源污染治理工程。

為進(jìn)一步降低武漢市畜禽糞肥土地消納后對(duì)環(huán)境的污染負(fù)荷影響，應(yīng)盡量?jī)?yōu)化全市種養(yǎng)布局，推廣種養(yǎng)結(jié)合的模式，合理調(diào)控區(qū)域養(yǎng)殖量，加強(qiáng)養(yǎng)殖的污染綜合整治，科學(xué)規(guī)劃和布局養(yǎng)殖場(chǎng)，增加其匯流區(qū)下游生態(tài)攔截溝或生態(tài)緩沖帶等面源污染治理設(shè)施，強(qiáng)化環(huán)境監(jiān)管執(zhí)法，加強(qiáng)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)防范。對(duì)于畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)戶，應(yīng)提升、完善其糞肥資源化利用水平和處理利用設(shè)施，合理配套糞肥消納土地，加強(qiáng)精細(xì)化管理，減少漫灌等粗放施肥方式，鼓勵(lì)采用“管道+噴灌或滴灌”灌溉系統(tǒng)等田間配套設(shè)施，并加強(qiáng)消納土地糞肥施用與臺(tái)賬管理，防止過(guò)量施肥等現(xiàn)象發(fā)生。

4 小結(jié)與討論

1）畜禽糞肥經(jīng)土地消納后，會(huì)增加土地地表徑流中氮、磷的流失量，其中1 號(hào)、2 號(hào)養(yǎng)殖場(chǎng)沼液土地消納后總氮流失率分別為43.7%、37.4%，總磷流失率分別為38.9%、24.5%。而畜禽糞肥土地消納后地表徑流氮、磷的流失量與肥料投入水平呈正相關(guān)［10］，同時(shí)與土地利用方式、土地坡度、降雨強(qiáng)度、水肥管理及種植制度等因素有關(guān)。

2）相比未施肥土地，糞肥消納后土地的地表徑流中總氮、總磷濃度和污染輸出負(fù)荷成倍增加，其中總氮為2.4～9.9 倍，總磷為1.4～2.8 倍。同時(shí)，畜禽糞肥土地消納后地表徑流氮、磷的流失量受施肥強(qiáng)度、施肥方式影響明顯，施肥強(qiáng)度越高，施肥方式越粗放，則消納土地所承載污染負(fù)荷越大，在降水條件下，消納土地中的總氮、總磷等污染物隨地表徑流流失的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)越高。

3）糞肥土地消納應(yīng)通過(guò)合理布局養(yǎng)殖場(chǎng)及消納場(chǎng)地、制定并落實(shí)科學(xué)合理的糞肥施用計(jì)劃等措施，進(jìn)一步降低畜禽養(yǎng)殖糞肥土地消納造成的面源污染影響。