基于猪粪资源利用的稻田径流污染物排放特征

李凯益，沈根祥，王振旗，赵晓祥，钱晓雍，付 侃，徐 昶，何忠虎

(1.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620；2.上海市环境科学研究院，上海 200233；3.上海沁侬牧业科技有限公司，上海 202177)

近年来，我国畜禽养殖集约化发展迅猛，其中生猪2017年出栏量达70 202.1万头，是我国最主要畜禽养殖类型[1]。“十二五”期间，国家首次将农业纳入主要污染物总量减排控制范围，并将资源化利用确定为规模化畜禽场污染治理的主要路径，约4万余家规模化养殖场建设了粪污还田利用设施[2-4]，有效缓解了畜禽养殖污染问题。研究[5]表明，全国单位面积耕地承载畜禽粪尿氮养分量约150.0 kg·hm-2，远小于最大环境容量，可供应水稻生长50%的氮需求量。但由于缺乏可操作性好的粪污还田技术规程，养殖场在实施粪污还田过程中，配套农田类型、粪肥形式和施用水平不同的情况普遍存在，污染物排放方式已由过去直接排放逐步转变为农田排放[6]。

国内外针对农业面源污染的研究多集中于化肥施用农田，而畜禽粪污还田造成的面源污染特征却鲜有报道[7-11]。当前，我国农作物种植化肥平均施用量达346.5 kg·hm-2，是美国的2.6倍，欧盟的2.5倍[12]，由化肥引起的TN和TP贡献量约占农业源的80%以上[13]；而粪污还田污染物排放受制于地理、土壤、气候和水文等自然条件以及种养模式、粪肥形式和使用水平等农业生产方式，粪便前处理不当或还田方式不合理将会加剧地表径流排放风险[14]，这在南方平原河网地区问题更加突出[15]。

因此，以南方典型猪场及其配套水稻田为研究对象，采用大田小区径流监测方法，基于当地习惯性肥料配施方式，对ρ(TN)、ρ(NH4+-N)和ρ(TP)3种常见粪污类型还田后的面源污染物排放规律及负荷进行试验研究，旨在得到不同猪粪还田利用类型的氮磷污染物流失特征及排放系数，在国家大力提倡种养结合的大背景下，为环境主管部门监督指导农业面源污染治理提供数据支持和决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验基地位于上海市金山区亭林镇后岗村(30°50′55.39″ N、121°14′43.32″ E)，以年出栏量1.4万头的某规模化猪场及其配套农田为研究对象。该区域属亚热带季风气候区，地势平坦，年降水量为1 000～1 200 mm[16]，年平均气温为16 ℃，全年降水主要集中在5—10月。区域土壤类型为青紫土，土壤理化性质：pH值为7.36，w(全氮)为1.003 g·kg-1，w(全磷)为0.561 g·kg-1，w(有机碳)为16.7 g·kg-1，w(速效磷)为10.5 mg·kg-1，w(速效氮)为101.5 mg·kg-1。供试水稻品种为秋优金丰。

1.2 试验方法

在猪场配套水稻田中，分割出12个小区，每个小区面积为390 m2，设4个处理，每个处理设3次重复，各监测小区交错布置。将监测小区田埂筑高至田面以上35 cm，并用防渗膜包裹，防渗膜两侧均埋入田面50 cm以下，防止田面水侧渗和串流。监测

小区采用单端进水、单口排水方式，排水口高于田面土壤10 cm，发生降水时将排水口封闭，降水结束后通过开闸放水至正常淹水水深。施肥量参照当地农民施用习惯确定。分别于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)处理基肥以及第1和第2次追肥分别为沼液70 512、70 512和88 718 kg·hm-2，总施氮量为293 kg·hm-2；有机肥+化肥(C2)处理3次施肥分别为有机肥3 743 kg·hm-2、有机肥3 743 kg·hm-2和尿素564 kg·hm-2，总施氮量为342 kg·hm-2；鲜粪+化肥(C3)处理3次施肥分别为猪粪4 128 kg·hm-2、猪粪4 128 kg·hm-2和尿素564 kg·hm-2，总施氮量为299 kg·hm-2；纯化肥(CK)处理3次施肥分别为尿素256 kg·hm-2、尿素256 kg·hm-2和复合肥316 kg·hm-2，总施氮量为316 kg·hm-2。猪粪、有机肥和沼液均以鲜重计。猪粪中w(N)为0.44%，w(P)为1.39%，w(总有机碳)为22.10%；有机肥为以试验猪粪为原料生产的商品有机肥，其中w(N)为1.05%，w(P)为1.40%，w(总有机碳)为15.70%；沼液中w(N)为0.13%，w(P)为0.01%，w(总有机碳)为4.80%；尿素中w(N)为46.70%，不含P和有机碳；复合肥中w(N)为15.00%，w(P)为15.00%，w(K)为15.00%，不含有机碳。

1.3 样品采集与污染负荷计算

1.3.1水样采集与指标测定

各试验小区出水端设置1个单向径流排水口，并安装径流收集装置，包括滤水器、径流管和集水桶3个部分(图1)。其中，集水桶中溢流管高度根据水稻不同生长阶段所需淹水水位调节，集水桶容积为10 L，安放在出水管外侧。当产生暴雨径流和人工排水时，通过田间安置的水位标尺计算径流排水量，将径流收集桶内水样混合均匀采集后，清空桶内剩余积水，并在24 h内送回实验室测定。遇到连续降水时，仅在降雨结束时采集1次径流排水样品，降水量统计为累积降水量。试验期间降水监测数据来自金山区生态环境局。

径流水样氨氮浓度采用HJ 535—2009《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》测定，总氮浓度采用HJ 636—2012《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》测定，总磷浓度采用GB/T 11893—1989《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》测定，化学需氧量(COD)采用HJ 828—2017《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》测定。

图1 试验小区径流排水收集装置

1.3.2污染排放负荷计算方法

每个小区径流污染物排放总量和面源污染物排放负荷计算公式为

(1)

L=M/(S×100)。

(2)

式(1)～(2)中，M为小区径流排放污染物流失量，g；ρi为第i次排水污染物浓度，mg·L-1；S为小区面积，m2；Δh为排水前后标杆尺读数差，cm；L为径流污染物总负荷，kg·hm-2。

2 结果与分析

2.1 试验田排水特征分析

2018年5—10月水稻生长期间共发生降水38次，累积降水量为853.7 mm。针对12次产流降雨，全部采集径流排水水样(表1)。经计算得到每块农田平均排水量为1 305.5 m3·hm-2，平均径流比为21.3%，其中排水集中在5月，这与降水趋势一致。由于10月降水较少且已晾田，导致该月无径流排水。

2.2 稻田径流污染物排放特征分析

2.2.1稻田径流氮素排放特征

水稻田径流排水ρ(TN)随时间变化见图2。由图2可知，各小区径流排水ρ(TN)在施肥后7 d迅速上升，C1、C2和C3处理峰值分别为3.35、3.76和4.69 mg·L-1，在最后一次施用肥料后29～42 d，排水浓度维持在0.56～0.71 mg·L-1，浓度下降至峰值的11.8%～23.3%。监测期内，C1、C2和C3处理平均ρ(TN)分别为1.26、1.44和1.57 mg·L-1，分别为CK的56.0%、64.1%和69.9%，说明粪污还田部分替代化肥可减少农田面源污染氮素流失。对于3种粪污还田方式，C3和C2处理田块中径流排水ρ(TN)变化趋势相近，施肥期内TN排放浓度峰值总体高于C1处理，这与固体粪肥以有机氮形式赋存并缓慢释放的特点有关。

表1 采样期内累积降水量及农田径流排水统计

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

采样日期累积降水量/mm农田平均径流排水量/(m3·hm-2)平均径流比/%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合计587.51 305.5321.3

图2 2018年水稻田径流排水中总氮与氨氮浓度变化

径流排水中ρ(NH4+-N)的动态变化趋势见图2，C1、C2和C3处理径流排水ρ(NH4+-N)变化趋势与ρ(TN)趋势基本相同。CK处理径流排水中ρ(NH4+-N)在监测期内均波动不大，为0.51～1.02 mg·L-1，处于较高水平，至9月初下降至0.32 mg·L-1，说明化肥中氨氮在水稻田内残余时间较久[17]。整个监测期内，3种粪污还田模式径流排水ρ(TN)和ρ(NH4+-N)与CK处理无显著差异(P>0.05)，表明猪场粪污施用农田N素流失浓度变化特征与纯化肥施用模式总体差异不大，说明针对稻田猪粪施用产生的氮素污染排放控制，可参照常规农田种植条件下主要监控月份及采用的技术手段执行。

2.2.2稻田径流磷素排放特征

监测期内试验田块径流排水中ρ(TP)浓度变化见图3。由图3可知，C1处理ρ(TP)变化趋势与CK处理基本一致，仅在最后一次施肥后7 d达到峰值，分别为1.63和1.02 mg·L-1，并在之后21 d内逐渐下降至平稳，在42 d后下降至峰值的6.4%～6.8%。C2和C3处理则在每次施肥后均有峰值，C3处理田块径流排水ρ(TP)总体上高于C2处理，在峰值出现后7 d内迅速下降，并在21 d后降至峰值的8.4%～10.2%。不同施肥处理径流排水中TP排放峰值均出现在施肥后7 d内。整个监测周期内，3种粪污还田模式中，C1处理与纯化肥模式ρ(TP)无显著差异(P>0.05)，C2和C3处理与CK处理ρ(TP)存在显著性差异(P<0.05)，表明在降雨冲刷条件下，因固体粪肥中颗粒态磷素含量高，其流失风险高于无机肥料[18-19]，而C1处理磷与CK处理磷素流失特征相似，说明固体缓释粪肥不宜采用表施方式。

图3 2018年水稻田径流排水中总磷浓度变化Fig.3 Changes of total phosphorus concentrations in runoff water in paddy field in 2018

2.2.3稻田径流COD排放特征

监测期内ρ(COD)变化见图4。由图4可知，整个水稻季内，C2和C3处理ρ(COD)峰值出现在施肥后7 d内，分别为89.0和99.4 mg·L-1，且在之后21 d内迅速下降，逐渐降至峰值的25.1%～25.2%。施肥(6月22日)后，粪污还田模式下平均ρ(COD)从高到低依次为49.2 mg·L-1(C3)、42.6 mg·L-1(C2)和40.9 mg·L-1(C1)，分别为CK处理的2.0、1.7和1.7倍。C1处理虽然施入更多的有机碳，但流失较C2、C3处理小，这可能是因为沼液经厌氧发酵后更易被利用。相较于CK处理，粪污还田尽管可以大大提高土壤中有机质含量[20]，但增加了农田径流COD排放风险，这与粪肥富含有机物质有关。

图4 2018年水稻田径流排水中COD浓度变化

2.3 稻田径流污染物排放负荷分析

2.3.1径流污染物月排放负荷

监测期内各处理小区污染物月排放负荷见图5。尽管5月无施肥记录，但受水稻种植前绿肥翻耕影响，5月各处理小区间排放负荷差异不大，而6—9月受施肥影响引起的径流污染物排放负荷差异明显。分析结果显示，各小区7和8月污染物排放总量明显高于6和9月，这与7和8月集中施肥有关。其中，C1、C2和C3处理8月TN排放负荷分别为6和9月的219.5%、255.2%和357.7%以及349.1%、316.0%和611.2%，这与CK处理田块径流污染物月排放负荷特征相似，其对周边区域河道水质的瞬时影响不容忽视，是农田周边地表水在夏季易发生富营养化的主要原因[21-22]。

2.3.2径流污染物总排放负荷

综合分析水稻生长期(5—10月)径流排放及污染物含量，得出不同处理田块污染物总排放负荷(表2)。结果显示，基于水稻生长所需养分正常供给，猪粪还田可削减总氮排放，削减率达到24.5%～35.1%。但粪污还田模式下氨氮排放有所增加，尤其是C3处理，增加33.3%的氨氮排放，这与粪污中氨氮占比高有关[23]。在磷素污染物排放方面，C1处理可以明显减少磷的排放，相较于CK处理，减少35.9%的磷排放，而C2处理与CK处理无明显差异，C3处理甚至增加25.8%的磷排放。这说明在猪场粪污处理工艺中，磷污染物主要集中在固体粪污中。由于粪污含有较多有机物，3种粪污还田模式均不同程度地增加COD排放，增加幅度为8.8%～24.2%。

图5 2018年水稻田径流排水污染物月负荷变化

表2 2018年水稻田径流污染物总负荷

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

指标排放负荷/(kg·hm-2)与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为沼液处理，C2为有机肥+化肥处理，C3为鲜粪+化肥处理，CK为纯化肥处理。

2.4 水稻产量及肥料利用率分析

监测期C1、C2、C3和CK处理水稻产量分别为674、679、702和711 kg·hm-2。尽管C1、C2和C3处理水稻产量略低于CK处理，但经检验发现并无显著差异(P>0.05)，故推断猪场粪污还田对水稻产量影响不大。参照刘红江等[24]研究计算不同肥料的氮肥偏生产力(水稻氮肥偏生产力为水稻产量与氮施用量的比值)，氮肥偏生产力值越大，说明肥料中氮利用率越高。C1、C2、C3和CK处理氮肥偏生产力分别为2.40、1.98、2.25和2.25 kg·kg-1，沼液的氮肥偏生产力高于化肥，这说明沼液中氮属于易利用类型；鲜粪的氮肥偏生产力与化肥相同；而有机肥氮肥偏生产力最低，说明有机肥中氮素较难被作物吸收。

综上，有机肥替代23%(以氮计)的化肥和沼液替代全部化肥条件下径流排水TN和TP排放负荷可分别减少35.1%和33.9%以及3.1%和35.9%，在氨氮排放负荷上无明显差异，说明降雨情况、施肥方式和土地类型等均会影响径流污染物流失[25-27]，以有机肥料部分替代化肥，可在不同程度上减少污染物排放。而鲜粪替代12%的化肥施用，尽管总氮排放负荷减少24.5%，但总磷和氨氮排放负荷分别增加25.8%和33.3%。同时，有机肥替代23%的化肥、沼液替代全部化肥、鲜粪替代12%的化肥施用的水稻产量虽略低于纯施化肥，但并无显著差异，与相关研究结论[28-30]相似，说明有机肥料与化肥配施可增加肥料N的利用率，合理配施有机肥与化肥还可提高水稻产量。

3 结论

(1)采用有机肥替代部分化肥、沼液替代全部化肥施用，径流排水总氮和总磷排放分别减少35.1%和33.9%以及3.1%和35.9%，在控制种植业面源污染方面具有正面效应，可以推荐作为猪场粪污处理方式。

(2)鲜粪替代部分化肥施用，尽管总氮排放总量减少24.5%，但总磷和氨氮排放总量分别增加25.8%和33.3%，最高排放质量浓度分别达0.995和1.371 mg·L-1，高于地表水劣Ⅴ类水体水质，说明鲜粪不宜直接还田。

(3)鲜粪、有机肥替代部分化肥和沼液替代全部化肥3种粪污还田方式均增加农田有机物排放风险，与纯施化肥相比，COD排放负荷分别增加24.2%、8.8%和22.2%。建议今后需要从农田面积匹配和均匀适量施用等方面进一步完善相关还田技术规范。