利用生物菌肥降低洱海流域农业面源污染的实验研究

赵 冲， 雷国元， 蒋金辉， 叶碧碧

(1.武汉科技大学 资源与环境工程学院， 武汉 430080； 2.华中师范大学 生命科学学院， 武汉 430079；

3.中国环境科学研究院， 北京 100012)



利用生物菌肥降低洱海流域农业面源污染的实验研究

赵 冲1,2， 雷国元1*， 蒋金辉2， 叶碧碧3

(1.武汉科技大学 资源与环境工程学院， 武汉 430080； 2.华中师范大学 生命科学学院， 武汉 430079；

3.中国环境科学研究院， 北京 100012)

通过微生物工程技术将分离获得的本土固氮菌和磷细菌进行扩大培养后制成生物菌肥，配合有机肥施用，以洱海流域常见农作物玉米和蚕豆作为研究对象，在一个生长季的周期中监测降雨径流的水量和水质(包括总氮、总磷和高锰酸钾指数)，计算氮磷的流失量及流失率，结果发现：与传统的施肥方式相比，生物菌肥与有机肥配合使用可以显著减少氮、磷的流失，并减少径流中的高锰酸钾指数，在一个生长季中，可以使玉米和蚕豆田的氮的流失量分别减少11%和16%，流失率分别减少32%和38%；磷的流失量分别减少3%和9%，流失率分别减少10%和27%；高锰酸盐指数流失量分别减少9%和19%.而作物产量则分别增加5%和14%.结果表明，生物菌肥的使用可以在促进作物产量的基础上，减少因降雨径流导致的农田营养流失，从而减少农业面源污染.

农业面源污染； 生物菌肥； 氮磷流失

近年来，非点源污染尤其是农业生产活动引起的面源污染，已经成为世界水环境污染的重要来源[1].美国的农业非点源污染占污染总量的50%左右[2].氮、磷营养元素是农业非点源污染主要的污染物质.如荷兰来自于农业非点源污染的总氮、总磷分别占水环境污染总量的 60%和40%[3].白明英认为，水体中的83%的氮、磷是由农业面源污染贡献的[4].马永生则认为，在面源污染中，35.7%的氮和24.7%的磷来自于农田系统[5].根据2005年的调查结果，我国农业非点源污染已占中国全部污染的1/3，并有继续恶化的趋势[6].据测算，到 2020 年，从农业入河的氮将至少增加 25%[7].

农田径流导致的农田面源污染是农业面源污染的重要组成部分[8]，其原因与过量使用化肥及化肥利用率低有关[9].采用生物菌肥、改善施肥方式是提高肥料利用率、降低农田面源污染的主要方式之一.生物菌肥的研究较多，但大多数集中在促进农业增产的方面，对其使用后农田降雨径流中的营养(氮、磷)流失变化关注较少[10-12].因此，本研究利用微生物工程技术研制生物菌肥，配合有机肥使用，比较传统施肥方式下作物的产量及降雨径流中氮磷流失情况，进而分析生物菌肥是否可在保证产量的基础上减少农田营养流失，从而减少农业面源污染.

研究选择在洱海流域，流域总面积为2 562 km2，农业和农村面源污染是洱海流域重要的污染源，约占污染总量的70%左右[7，13].研究对象为洱海流域常见的两种作物玉米和蚕豆.生物菌肥则通过将菌种扩大培养后，以菌体为主要物质制成.

1 材料与方法

1.1 生物菌肥的制备及实验材料

1.1.1 菌种培养 固氮菌的培养:菌种采用本实验室在洱海农田中分离的自养固氮菌，接入200 L的发酵罐进行发酵培养，培养条件为氯化钠20 g，磷酸二氢钾200 g，二水硫酸钙100 g，硫酸镁200 g，葡萄糖1 000 g，水100 L，发酵温度设置为28℃，通气量前12 h为80 L/min，12 h后为140 L/min，培养56 h.

磷细菌培养 ：菌种采用本实验室在洱海农田中分离的磷细菌，接入200 L的发酵罐中进行发酵培养，培养条件为蔗糖200 g，葡糖糖200 g，氯化铵150 g，氯化钾30 g，七水硫酸镁40 g，氯化钠0.1 g，磷酸钙2 000 g，水100 L，发酵温度设置为28℃，通气量前12 h 80 L/min，12 h后140 L/min，培养56 h.

1.1.2 生物菌肥辅料 取湖泥约1 000 kg，牛粪2 000 kg， 稻糠粉1 000 kg，在自然条件下风干3 d后，分别送入热风回转筒式干燥器中烘干灭菌，待各种物料水分降到8%～12%后，送入冷风回转器中进行冷却到室温，降到室温后分别将3种辅料放入粉碎机粉碎，将粉碎的物料物径控制在80目.1.1.3生物菌肥制备 取处理后的河泥300 kg，牛粪1 200 kg，稻糠粉900 kg，工业活性炭60 kg，放入混料机内混匀，取出在发酵罐中培养56 h的固氮菌与磷细菌细菌液各50 L，混匀后，均匀的喷洒在混料机的辅料上，将上述混合后的材料在40℃以下含水量18%的条件下造粒，造粒后密封保存[14].

1.2 其他实验材料

供试肥料：有机肥 (含N 4%，P2O52%，K2O 6%)；复合肥(含N 15%，P2O515%，K2O 15%)；尿素(含N 46%)；磷酸二氢钾(含P2O524%，K2O 27%).

1.3 实验设计

1.3.1 实验地选取及设计 本实验选取2片实验地，均在云南省大理州，分别位于湾桥镇的古生村(25°49′ N，100°07′ E)和喜州镇的作邑村(25°48′ N，100°08′ E).各实验地被分成4块小实验田，实验田规格：长×宽为6 m×4 m，各实验田相互独立并配有独立的加盖集水池，集水池规格：长×宽×高为2 m×1.6 m×0.7 m.每当降雨或灌溉产生径流时，径流水流入到集水池.

1.3.2 作物选取及施用肥料 采用当地种植的主要作物作为实验对象，在作邑村实验田种植玉米，古生村实验田种植蚕豆.根据施用肥料的不同将每个实验地的4块小试验田随机编号为1～4号，其中1，2，3号为实验组，1号实验田施用肥料以生物菌肥+有机肥为主，2号实验田施用肥料以有机肥为主，3号实验田施用肥料是按照传统的施肥方式及用量施肥.4号为对照组，种植与实验组相同的作物，但不施用任何肥料.在保证每块实验田地肥料氮磷施用相同的情况下，通过使用不同种类的肥料及配比，来判断生物菌肥和有机肥配合使用时，环境效益和经济效益相对于传统耕作是否增加.各点施用的肥料如表1、表2，本次试验始于2013年5月5日，结束于2013年10月6日.

表1 玉米种植实验田肥料施用量/(kg/667m2)

表2 蚕豆种植实验田肥料施用量/(kg/667m2)

1.3.3 样品采集与分析 每次降雨或灌溉产生径流后，记录集水池中积水量并采集水样1 L，装入聚乙烯瓶中， 24 h内进行分析.检测水样的指标包括总氮(TN)，总磷(TP)和高锰酸盐指数.每次采样后将集水池内的水放干，清洗集水池.

水样中TN、TP和高锰酸盐指数的测定方法分别按照紫外分光光度法、钼锑抗分光光度法、酸性法进行检测[15].

作物收获时，将可收获部分烘干后称重.

1.4 数据的处理

各试验点检测指标每次流失量为各指标检测浓度与径流水体积的乘积，各指标总的流失量如公式(1)[16]：

(1)

式中，Q为农作物生长期间污染物的总的流失量，Cn为第n次径流是水样中检测的指标浓度，Vn为第n次径流的水体积.

肥料氮磷流失率的计算如公式(2)：

(2)

式中，W为肥料的流失率，Q1，Q2，Q总分别代表同一指标在实验组、对照组的流失量，施用化肥中的总含量.

采用配对样本t检验比较不同施肥方式下，径流中TN、TP和高锰酸盐指数的差异.

2 结果与分析

2.1 降雨径流统计

本次实验过程处于大理州的雨季，每次采样均在雨后，共采集径流水样6次，每次采样后统计水池的径流积水量(表3).最大一次雨在9月29日，各实验组采集的径流积水量均在1 600 L左右，5～6月份雨势较小，径流积水量均小于50 L.总计各实验组的径流积水量均在5 500 L左右.

2.2 各实验组径流水样水质时间变化

每次采样后检测的径流水样的TN、TP和高锰酸盐指数，各水质指标在不同的施肥方式及降雨事件中变化较大(图1).不施肥的对照田中，所有降雨后径流中的TN、TP和高锰酸盐指数均显著小于施肥组(p<0.05)，包括生物菌肥+有机肥、有机肥和传统施肥组，表明农田施肥会显著提高降雨径流中的营养，从而形成污染.不管是玉米实验田还是蚕豆实验田，生物菌肥+有机肥组的降雨径流水体中，TN、TP和高锰酸盐指数均显著小于传统施肥组(p<0.05)，表明可以减少肥料中的营养流失.与有机肥组相比，生物菌肥的添加，还可以显著减小降雨径流中TN和高锰酸盐指数的浓度(p<0.05)，但TP则与有机肥组没有显著差异(p>0.05).本次实验处于大理州的雨季，在第一场降雨前有近3个月的时间无降雨，所以第一场雨的所有施肥实验田径流水样中的水质指标均相对偏高.

表3 各实验组径流量统计

图1 玉米(a)和蚕豆(b)实验组径流水样水质指标值(2013年)

2.3 各实验组营养流失量、流失率及产量

将玉米、蚕豆生长过程中有降雨径流时的收集水样检测后，按照公式(1)、(2)计算各实验组营养流失量、流失率和产量(表4).从数据可以看出，通过一个生长季，相对于施用传统化肥的3号实验田，生物菌肥+有机肥配合施用的玉米和蚕豆实验田的氮的流失量分别减少11%和16%，流失率分别减少32%和38%；磷的流失量分别减少3%和9%，流失率分别减少10%和27%；高锰酸盐指数流失量分别减少9%和19%.然而玉米和蚕豆的作物产量分别增加5%和14%.

只施用有机肥的施肥方式也可以相对降低降雨径流中的营养盐，但与生物菌肥+有机肥的配合施用方式相比，降低幅度较小(表4).有机肥组的作物产量也有增加，但仍比生物菌肥+有机肥组的增加量小.

表4 玉米和蚕豆各实验田营养流失量/(kg/667m2)、流失率/%及产量/(kg/667m2)

3 讨论

3.1 生物菌肥对环境的影响

已有研究表明，施用有机肥可以有效降低营养元素的流失，减少营养元素从土壤中渗漏损失的数量[17].所以，施用有机肥可以作为控制农业面源污染的一种方法，此次的研究结果也证明了这点，在以有机肥为主的实验田，不管是玉米田还是蚕豆田，其降雨径流导致的氮磷的流失要明显少于采用传统施肥方式的实验田.而在已有有机肥的基础上施用生物菌肥后，降雨径流导致的氮磷的流失又进一步减少，同时也明显减少径流中高锰酸盐指数的污染，这充分说明生物菌肥的施用，可有效减少农田径流过程中营养流失，从而减轻农业面源污染.

生物菌肥是由生物菌剂及其他辅料复合而成.本研究的生物菌肥加入了活性炭等吸附力较强的物质，增强了肥料对于营养元素的滞留能力，所以在降雨形成径流时，减少了肥料中营养的流失.

与传统化学肥料相比，生物菌肥具有保护生态、不污染环境、肥力持久和成本低廉等优良特性[18].生物菌肥的使用，也可以减少化学肥料的使用[19].我国农业生产的化肥使用量巨大，据统计，2010年高达5561.7万吨，且会继续增加[20].据估计，以现在的增速，到2030年将达到或超过8000万吨[21].较高的化学肥料使用量及较低的利用率是造成农田面源污染的重要原因[22].所以，生物菌肥的使用，将十分利于减少农田面源污染，具有很好的环境效应.

3.2 生物菌肥对农作物产量的影响

本次研究的结果表明，生物菌肥的使用可以增加玉米和蚕豆的产量，这与之前的报导结果相似.鲁杰等发现，生物菌肥的使用可显著促进水稻产量[19].刘慧超和郑军伟的研究也表明生物菌肥对小白菜增产效果明显[23].

生物菌肥是由菌剂配制而成，含有多种微生物菌群，可以提高土壤肥力、改善土壤环境[24].如一些真菌可以分解土壤中的有机质，提高土壤养分的可利用性，促进根系对土壤中营养的吸收和利用[25].有些微生物如菌根真菌施入土壤后，不仅利于作物根系的营养吸收，也可以增强根系对水分的吸收，从而利于作物的产量增加[25].本研究中，由于制作的生物菌肥中加入了固氮菌及磷细菌，提高了土壤中氮磷含量及其生物可利用性，所以作物产量也有明显增加.配合有机肥的使用，进一步加快了菌剂中微生物的生长，从而进一步突出菌体在土壤生态中的作用，维持土壤结构，提高土壤营养，改善土壤水分条件，最终进一步提高作物产量[26].

4 结论

1) 生物菌肥配合有机肥的施用可以提高洱海流域玉米和蚕豆的产量，其产量相对于传统的施肥方式，分别提高5%和14%，具有很好的经济效益.

2) 生物菌肥配合有机肥施用后，相对于传统的施肥方式，可明显减少农田径流中的营养流失，降低农田面源污染.在一个生长季中，玉米和蚕豆田降雨径流中氮的流失量分别减少11%和16%，流失率分别减少32%和38%；磷的流失量分别减少3%和9%，流失率分别减少10%和27%；高锰酸盐指数流失量分别减少9%和19%，具有良好的环境效应.

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Agricultural non-point source pollution reduced by bacterial manure application in the Lake Erhai Basin

ZHAO Chong1,2， LEI Guoyuan1， JIANG Jinhui2， YE Bibi3

(1.Resources and Environmental Engineering at Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430080;2.School of Life Science， Central China Normal University， Wuhan 430079;3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012)

In order to test the effect of bacterial manure on reducing the agricultural non-point source pollution， one kind of bacterial manure made up with nitrogen-fixing bacteria and phosphate-solubilizing bacteria were applied to the crop fields like corn and bean， together with farm manure. Runoff volume， TN (total nitrogen)， TP (total phosphorus) and CODMnwere monitored after rain during one grown season. Loss of TN， TP and CODMnwas calculated. The results showed that bacterial manure can significantly reduce the loss of TN， TP and CODMnin runoff comparing with the traditional fertilization method. After one grown season， amount of TN， TP and CODMnloss in corn and bean fields were reduced by 11% and 16%， 3% and 9%， 9% and 19%， respectively. Rate of TN and TP loss were reduced by 32% and 38%， 10% and 27%， respectively. However， crop yield was increased by 5% and 14%， respectively. Altogether， bacterial manure application was an effective way to decrease the nutrient loss caused by runoff from the fields while increase the crop yield， and then decreased the agricultural non-point source pollution.

agricultural non-point source pollution; bacterial manure; loss of nitrogen and phosphorus

2014-03-26.

国家“十二五”水体污染控制与治理科技重大专项洱海项目(2013ZX07105-005);国家自然科学基金项目(31200399).

1000-1190(2015)01-0108-06

X501

A

*通讯联系人. E-mail: gyuanlei@163.com.