淡江华,冯燕平,牛晋国 ,王树华,李文刚*,穆秀梅,程晓亮
(1. 山西农业大学 动物科学学院,山西 太原 030031;2. 山西省农业广播电视学校,山西 太原 030000)
我国生猪饲养量和猪肉消费量为世界第一。分散型养殖的猪场粪污主要通过就地还田处理,集约型的猪场产生了大量的粪尿及污水,目前还缺少有效的处理和利用措施,对土壤、环境、空气造成了污染,对人类的健康也存在影响。目前大中型的养殖场一般都配套了粪污处理设施设备,但对于畜禽粪便的收集率、粪便中总氮、总磷等数据还很不完善,尤其是不同的季节畜禽粪便排泄量及成分是否存在差异还不十分清楚。本试验以规模化育肥猪场为例,在2018-2019年间按季节分4次采集粪尿样品,对其中的主要成分进行了测定分析,并计算产污系数,旨在为规模化养猪场环境评价提供理论参考。
试验在山西省介休市某养殖公司进行,该公司共有生猪育肥舍6栋,猪舍(25 m×8 m)东西走向,南北墙对称排列各有窗户(1.5 m×1 m)5个,猪舍靠北墙有宽1.2 m的过道,靠南墙设有5个围栏,每个围栏长5 m,宽3 m,屋顶设有通风口3个。猪栏由北到南设有一定的坡度,靠南墙有排污水系统,设有两条水线,固定料槽。
育肥猪舍单栋饲养量为115头,饲养“杜长大”育肥猪,从65日龄开始入舍,体重25 kg,日采食量0.7 kg;180日龄出栏,体重为90~100 kg,日采食量为(2.5±0.08)kg。采用乳头式自动饮水器饮水,料槽自由采食,每天饲喂3次;人工干清粪,每天清粪两次;尿液污水经地沟流入污水处理池。猪舍采用自然通风,半封闭养殖,饲养管理程序按照正大公司建议程序执行。采样猪饲喂玉米-豆粕型基础日粮,营养水平参照我国行业标准NY-T 65-2004,饲粮与营养水平见表1。
2018年4月~2019年3月,按春夏秋冬4个季节,每个季节对采样单元进行连续3 d的采样监测。每季采样选用体重为70 kg左右的育肥猪5头,采样前将供试猪放在单独的定位栏进行7 d的预试验,然后用自制的扇形粪污收集器(粪便在扇形盘内,尿液流入下方桶内),收集每头育肥猪24 h排泄粪便与尿液,上下午各收集1次,并称重连续采样3 d,记录每头采样猪每日体重、日采食量、日排粪量、日排尿量。
表1 基础日粮组成及营养水平(风干基础)Table 1 Composition and nutritional levelof basal diet(air-dry basis)
1.3.1 粪便处理 将每天上午和下午分别收集的猪鲜粪称重记录后,混合均匀,用四分法采集2份样品,每份样品500 g,其中1份样品烘干后测定含水率,另1份样品按每100 g添加4.5 mol/L硫酸5 mL现场处理后,送山西省农业科学院资环所实验室检测。
1.3.2 尿液处理 将每天上午和下午分别收集的猪的尿液称重记录后,混合均匀,采集样品2份,每份样品250 mL,现场测尿液pH,按每100 mL加入4.5 mol/L硫酸2 mL和4滴甲苯,搅拌均匀,1份送山西京诚科技有限公司检测,1份备用。
1.3.3 饲料处理 每天用四分法采集饲料样本2份,每份样品250 g,混合均匀,1份送青岛华测检测技术有限公司检测,1份备用。
1.4.1 饲料测定 含水量采用 GB/T 6435-2014 中饲料水分测定方法,粗蛋白采用GB/T 6432-2018 中饲料粗蛋白测定方法,总磷(TP)采用 GB/T 6437-2018 中饲料总磷检测分光光度法,总氮(TN)采用凯氏氮的测定。
1.4.2 粪便测定 含水率、有机物含量、总氮、总磷采用 NY 525-2012 有机肥测定方法,氨态氮采用GB/T 3600-2000中的测定甲醛法。
1.4.3 尿液测定 化学需氧量(COD)采用 HJ 828-2017 重铬酸盐法,氨氮采用 HJ 665-2013 蒸馏中和滴定法,TP 采用 GB11893-89 钼酸铵分光光度法,TN 采用 GB/T 609-2018 分光光度法测定。
1.4.4 产污系数计算方法 育肥猪的产污系数是指在正常的生产和饲养管理条件下,单个育肥猪在单位时间内产生的原始污染物量。包括育肥猪的产粪量、产尿量,以及粪尿中各种污染物的产生量。计算方法参照2009 年农业部发布《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》,公式如下:
污染物产污系数 = 单猪日产粪量 × 粪中污染物浓度 + 单猪尿日产生量 × 尿中污染物浓度。
采用Excel进行数据处理,SPSS 软件进行方差分析,<0.05 为差异显著,结果以“平均值 ± 标准差”表示。
由表2可知,饲料样本各项指标的平均值各个季节之间没有显著性差异(>0.05)。
表2 育肥猪不同季节饲料样本各项指标测定结果Table 2 Determination results of feed samples of fatteningpigs in different seasons %
2.2.1 育肥猪粪便日产生量 表3表明,采样猪的平均体重与日采食量没有明显差异,粪日产量均值春季>冬季>秋季>夏季,春冬季极显著高于夏秋季(<0.01),其他季节间差异不显著(>0.05),说明育肥猪在天气较冷的冬春季节产生的粪便比夏秋季增多。
2.2.2 不同季节育肥猪粪便主要指标测定结果 由表4可知,不同季节育肥猪粪便含水率夏季>秋季>春季>冬季,平均值变化范围在67.18%~72.24%之间,平均含水率为70.69%,不同季节粪便的含水率没有太大的变化,差异不显著(>0.05)。不同季节有机质的平均值变化范围在56.49%~78.83%之间,春季>冬季>秋季>夏季,冬春季极显著高于夏秋季节(<0.01)。不同季节的粪便检测的总氮,冬季>春季>夏季>秋季,冬季极显著高于春夏秋季(<0.01),春季极显著高于夏秋季(<0.01);总磷,春季>冬季>秋季>夏季,春冬季节极显著高于夏秋季节(<0.01);氨态氮,冬季>秋季>夏季>春季,各季节差异不显著(>0.05)。说明粪便中有机质、总氮、总磷在温度较低的冬春季含量较多,而含水率正好相反。
表3 育肥猪粪便日产生量的测定结果Table 3 Measurement result of daily productionof solid manure for fattening pigs kg/头
由表5可知,日产尿量秋季最高,与其他季节相比差异极显著(<0.01),春夏冬季之间差异不显著(>0.05);尿液中COD值春季最高,秋季最低,冬春季极显著高于秋季(<0.01),春季显著高于夏季(<0.05);尿液中氨态氮值和总磷值都是冬季最低,与其他三季相比差异极显著(<0.01),其他三个季节间差异不显著(>0.05);总氮值秋季极显著低于其他季节(<0.01),春夏季间差异显著(<0.05)。
表4 不同季节育肥猪粪便主要指标测定结果Table 4 Determination of main fecal indexes of fattening pigs in different seasons %
表5 不同季节育肥猪尿液样本各项指标测定值Table 5 Determination value of urine samples of fattening pigs in different seasons
不同季节育肥猪产污系数各项指标值见表6。由表6可知,育肥猪COD产污系数秋季最高,夏季最低,各季节间差异不显著(>0.05);有机质、总磷的产污系数,秋季极显著高于其他季节(<0.01),夏季极显著低于其他季节(<0.01),春季和冬季差异不显著(>0.05);总氮的产污系数,夏季极显著低于其他季节(<0.01),秋季显著高于春季和冬季(<0.05),春季和冬季间差异不显著(>0.05);氨氮的产污系数,春季极显著高于其他季节(<0.01),其他季节间差异不显著(>0.05)。
表6 不同季节育肥猪产污系数各项指标平均值比较Table 6 Comparison of average values of pollution production coefficient of finishing pigs in different seasons
生猪养殖粪便污染主要成分为化学需氧量(COD)、全氮、全磷、铜和锌等,可以造成耕地地力下降、污染地下水以及导致周边水域富集营养化,粪便污染是生猪养殖造成的重要污染之一,已经成为全球性的问题。据报道2013年我国养猪业产生猪粪1.21×10t和猪尿3.10×10t,其中COD、全氮、全磷、氨态氮分别为36.28×10t、0.33×10t、51.63×10t、73.55×10t,给周边生态环境带来了巨大的污染压力。山西省省级空间单元2001年以来,生猪养殖量逐年上升,生猪污染物产量也随之大幅度增加逐年上升,2013年达到10.79×10t,比2001年增长38.33% 。2016年山西畜禽粪尿总排放量达3410.97×10t,猪粪便的排放量占23.2%,2018年占比达到33.9%,生猪产业污染物产量在全省畜禽养殖业中占比逐年快速上升。
畜禽产排污系数是畜牧环境研究和粪便处理工程设计的基础指标,我国畜牧业环境研究与发达国家相比起步较晚,当前我国畜禽采用的产排污系数,仅仅是在宏观的层面进行核算,无法体现同一畜种间不同品种、不同地域、不同养殖方式、不同气候等条件下的差异性。考虑到不同季节,动物的生长情况、饲养条件、饲料特性及粪污清理方式等都是影响产污系数的主要参数,本研究选取具有山西代表性的育肥猪场进行产污系数四季原位监测,该研究成果对山西省育肥猪污染物产污系数的测算提供有价值的参考。
山西省属于温带季风气候,四季特色分明,气候条件决定了不同季节饲养管理方式的不同,污染物的产生量和及相关系数含量也不同。本研究中,粪日产生量冬春季高于夏秋两季,而含水率正好相反,这与鲜明气候特点有关,直接导致粪中有机质、总氮、总磷冬春季也高于夏秋,说明温度低时,粪中污染物浓度较大;尿日产生量秋季最大,春、夏、冬差异不显著,COD春季最高,秋季最低,冬春季显著高于秋季,而氨态氮、总磷,冬季最低,其他三个季节差异不显著,总氮秋季显著低于其他季节,春夏季间差异显著。说明粪尿产生量及其中污染物浓度四季有差异,产污系数进行四季监测具有准确性、科学性,这也与全国第一、二次污染普查中畜禽养殖业产排污系数监测方案相符。
从四季平均值来看,山西省“杜长大”育肥猪粪便平均产生量为1.30 kg/(d·h),尿产生量2.59 L/(d·h),这与第一次全国污染普查公布的华北地区70 kg育肥猪产污系数中的产粪量1.81 kg/(d·h),产尿量2.14 L/(d·h)相比粪便产生量下降,产尿量增加。与朱志平等报道的粪便收集系数为0.75 kg/(d·h)相比偏高,可能与品种和粪便的收集方式有关,与2019年颁布的《排污许可证申请与核发技术规范 畜禽养殖业》中生猪粪便产生量1.24 kg/(d·h),相比略微高,这可能与本研究的操作有关。粪便中含水率和有机质值分别为70.69%和67.79%,与前人研究基本一致;育肥猪粪便中总氮、氨态氮和总磷约为31.0 g/kg、9.6 g/kg和14.1 g/kg,这在正常范围内。
本研究的育肥猪产污系数COD值极大地低于第一次污染普查公布值419.56 g/(h·d),主要是由于本次仅仅检测了尿液中的COD值而没有检测粪便中的,另一方面也可能是由于粪污中有机物的减少;产污系数全氮值比“一污普”降低了11.04%,全磷值与“一污普”比升高了38%;氨态氮值由“一污普”的4.49 g/(h·d)升高到了11.32 g/(h·d),可能是由于粪便中的氨态氮比较容易挥发,不容易检测到全部而造成。本研究对育肥猪的粪便和尿液中的产污系数与主要成分进行了研究,由于经费等原因还缺少对铜和锌等金属污染物浓度的检测,需要进一步的研究。随着我国各界对畜禽养殖粪便污染工作重视程度的增强,以及政府政策与资金的大力支持,养殖场粪污处理相关设施设备的配套,我国畜禽粪便造成的环境污染会越来越少。