绍兴市猪粪沼液成分特征及其在农田的安全利用分析

周健驹，金晖，丁少华*，李子川，柴彦君

(1.诸暨市农业技术推广中心，浙江 绍兴 311899；2.绍兴市粮油作物技术推广中心，浙江 绍兴 312030；3.浙江科技学院环境与资源学院 浙江省废弃生物质循环利用与生态处理技术重点实验室，浙江 杭州 310023)

猪粪沼液是生猪养殖场的粪污经由沼气工程产生的废弃发酵液，干湿分离后获得的液态副产物，具有产生量大、有机物质和营养元素含量较高、化学需氧量高的特点，直接将其排放到环境中会造成土壤和下游水体的严重污染[1-3]。猪粪沼液中营养元素的生物有效性很高，有效态氮、磷、钾的含量占总量的75%以上[4]。因此，沼液部分替代化肥的农田利用与消纳是解决沼液资源化绿色综合利用的重要方式。同时，沼液中的有机物质还具有改良土壤物理结构，提高土壤肥力的作用[5]，但其中的重金属是重要的风险因素。

探明沼液中的养分、激素和重金属含量及变化特征是沼液农田利用的重要依据。由于不同沼气工程产生的沼液养分、激素和重金属含量差异很大[6-8]，而在实际农田利用过程中极难做到实时检测，经常存在沼液施用量不足或过量等问题，影响肥效或导致土壤污染。因此，本文对绍兴市43个有代表性生猪养殖场沼气工程产生的沼液进行采样调查工作，从田间利用的角度对沼液养分、激素和重金属含量的变化特征进行分析，为沼液养分和重金属溯源分析，以及沼液部分替代化肥的安全性提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

绍兴位于119°53′03″～121°13′38″E、29°13′35″～30°17′30″N，属于亚热带季风气候，温暖湿润，四季分明，水热条件优越，降雨丰沛但季节分配不均，每年3—6月为多雨季，年降雨量1 840 mm，年均温17.1 ℃。截至2018年底，绍兴市各县区共有存栏生猪51.39万头。

采样调查时间为2018年8月，根据绍兴市养猪场沼气工程运行状况以及地理分布特点，共选取43家当地代表性猪粪沼气工程的沼液进行取样。沼气工程发酵原料均为猪粪尿加冲洗水。沼液样品采自厌氧反应罐排放出或沼液池的沼渣液，每个采样点集中在当天的9：00—11：00，沼液池中沼液的采集根据距离进料口远近进行多点采样并混合，所有采样均取自液面下30 cm处，混合均匀后，分装入3个500 mL的PVC瓶中带回实验室。所有样品的采集工作均在1周内完成，保存至-20 ℃冰箱待测。

1.2 测定方法

沼液的pH采用甘汞电极pH计(METTLER TOLEDO，SevenCompactTM)进行原液测定。化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)的测定采用重铬酸钾氧化法。电导率(electrical conductivity，EC)采用精密电导率仪(DDSJ-318，上海精科-上海雷磁)对原液进行测定。可溶性固形物含量的测定使用滤膜(0.45 μm)过滤液，参照《废水监测分析方法》采用质量法。盐基阳离子的测定采用原子吸收光谱法。总氮、总磷和总钾含量的测定参照有机-无机复混肥料测定方法(GB/T 17767—2008)。氨基酸和植物激素浓度的测定采用0.45 μm滤膜过滤液，使用氨基酸测定仪测定氨基酸浓度，植物激素的测定采用SPE固相萃取柱前处理，高效液相色谱-电喷雾串联质谱联用技术(HPLC-ESI-MS/MS)进行测定。重金属(砷、镉、铬、铜、汞、镍、铅、锌)含量采用微波消解，电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)上机测定。

1.3 数据分析

数据采用SPSS 23.0和Excel 2016软件进行分析。采用Origin 9.4绘制各养分指标相关性散点图。

2 结果与分析

2.1 沼液原液理化性质与养分含量

猪粪沼液原液总体偏碱性，变化幅度较小，pH在6.11～9.5，平均为7.95±0.61，变异系数为7.7%(表1)。沼液原液COD变异幅度非常大，为120～9 640 mg·L-1，平均(1 037±1 558)mg·L-1，变异系数高达150%。沼液原液中可溶性固形物(可溶性盐+溶解性有机小分子)的变化幅度较大，为0.16～6.05 g·L-1，平均(1.64±1.44)g·L-1，变异系数为88.2%。沼液原液的EC变化幅度非常大，为369～10 207 μS·cm-1，平均(4 483±2 777)μS·cm-1，变异系数为61.9%。沼液原液中的全氮含量变化在0.15～1.15 g·L-1，平均(0.69±0.28)g·L-1，变异系数为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，变异系数为93.4%。沼液原液中的全钾含量在0.12～1.46 g·L-1，平均(0.39±0.24)g·L-1，变异系数为61.4%。

表1 绍兴市各县区猪粪沼液理化性质与养分含量

猪粪沼液原液中含大量的氨基酸，但目前对不同沼液中氨基酸种类和含量的变化研究较少。本研究中发现，谷氨酸普遍存在于绍兴市各县区的猪粪沼液中，在所有的43个样品中均被检测到，但变化幅度非常大，浓度在2.9～82.6 mg·L-1，平均(15.8±16.8)mg·L-1，变异系数达107%(表2)。丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸、精氨酸、苏氨酸在38个样品中被检测到，其中脯氨酸的含量变化幅度极大，为0.2～4 504 mg·L-1，平均(357±1 021)mg·L-1，变异系数高达286%。酪氨酸、缬氨酸、亮氨酸在37个样品中被检测到，异亮氨酸和苯丙氨酸在36个样品中被检测到，赖氨酸和组氨酸在34个样品中被检测到，蛋氨酸在33个样品中被检测到，胱氨酸仅在4个样品中被检测到，其他氨基酸在所有沼液样品中均未检测到。出现检测浓度最高的是脯氨酸，高达4 504 mg·L-1，其次是胱氨酸，最高检测浓度为905.6 mg·L-1。

本研究中的盐基阳离子是指沼液中透过0.45 μm滤膜的溶解性碱基阳离子，主要是K+、Na+、Mg2+、Ca2+。绍兴市各县区猪粪沼液中的盐基阳离子浓度变化较大(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，变异系数为60.3%；Na+的含量在7.4～82.6 mg·L-1，平均(24.2±16.2)mg·L-1，变异系数为66.7%；Mg2+的含量在5.2～66.8 mg·L-1，平均(23.7±10.4)mg·L-1，变异系数为43.7%；Ca2+的含量在4.3～49.6 mg·L-1，平均(16.2±8.4)mg·L-1，变异系数为51.6%。

表2 猪粪沼液中氨基酸含量 单位：mg·L-1

表3 猪粪沼液中盐基阳离子含量 单位：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，本项研究对生长素、茉莉酸、水杨酸和吲哚乙酸在绍兴市各县区猪粪沼液中的含量和分布进行了分析。结果表明，水杨酸在绍兴市各县区猪粪沼液中的存在比较普遍(43个样品中有38个高出检测限)，其次是茉莉酸和生长素，沼液中的吲哚乙酸的含量和出现频次都很低(表4)。其中，生长素的含量在0.06～0.16 mmol·L-1，平均(0.11±0.03)mmol·L-1，变异系数为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，变异系数为14.8%；水杨酸的含量在0.01～105.9 mg·L-1，平均(66.6±28.9)mg·L-1，变异系数为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，变异系数为126%。

2.3 沼液中重金属含量

本项研究结果表明，绍兴市各县区猪粪沼液中的重金属种类和含量变化均存在较大的差异(表5)。其中，镉(Cd)在所有猪粪沼液中出现的频次最高(43个样品中有38个被检测到)，其次是铬(Cr)、镍(Ni)和锌(Zn)(43个样品中有38个被检测到)，然后是铅(Pb，32/43)和铜(Cu，25/43)，砷(As)和汞(Hg)均仅有1次被检测到。沼液中浓度最高的重金属是Zn，含量在0.17～21.90 mg·L-1，平均(1.40±3.89)mg·L-1，变异系数为278%。其次是Cu，含量在0.4～17 792 μg·L-1，平均(797.1±3 551)μg·L-1，变异系数为446%。Cr的含量在1.2～3 775 μg·L-1，平均(123.6±635.6)μg·L-1，变异系数为514%。Ni的含量在2.8～528.4 μg·L-1，平均(78.7±108.9)μg·L-1，变异系数为138%。Pb的含量在13.2～342 μg·L-1，平均(58.7±77.5)μg·L-1，变异系数为132%。Cd的含量在0.4～50.0 μg·L-1，平均(7.8±8.9)μg·L-1，变异系数为114%。仅有一个样品被检测到的As和Hg含量分别是9.6和26.8 μg·L-1。

表4 猪粪沼液中植物激素含量

表5 猪粪沼液中重金属含量

3 讨论

3.1 沼液中的养分含量及其农田绿色综合利用

绍兴市各县区生猪养殖场沼液养分含量存在较大的变异。沼液中的养分含量受进料类型、发酵条件、存放方式和采样时间的影响，存在极大的时空变异性[4]，是制约沼液农田精准利用的重要因素。实际应用中可采用溯源分析技术分析造成沼液中养分含量差异的原因，利用沼液膜浓缩技术富集沼液中的养分，减少沼液的存储需求空间并保持沼液中的养分种类和含量相对稳定。本研究中沼液总氮、总磷、总钾和盐基阳离子的变异系数为41.3%～93.4%，与靳红梅等[9-10]对江苏21个规模养殖场沼气工程的调查结果相似。此外，绍兴市各县区猪粪沼液中氨基酸的种类和含量也存在很大的空间变异性，各类氨基酸的浓度和出现频次存在极大的不确定性[11]，这可能跟进料类型和发酵条件有关。沼液的某些理化性质之间及与养分含量之间存在显著的相关性(图1)，COD与谷氨酸的含量和可溶性固形物的含量显著正相关，其中，COD与谷氨酸含量拟合曲线呈现一次线性关系，而COD与可溶性固形物含量呈现幂次小于1的指数关系，随着COD的增加，可溶性固形物含量增长越来越慢，这表明可溶性固形物成分由化学需氧量低的可溶性盐逐渐变为化学需氧量高的小分子有机物。

沼液中的氨基酸种类和含量变化极大，部分氨基酸含量之间存在较好的线性关系。谷氨酸与苏氨酸和组氨酸存在显著正相关关系(图2)，这说明3种氨基酸在猪粪沼液蛋白质组成中存在较强关联性。脯氨酸的含量变化幅度极大，根据Wu[12]的研究结果显示，脯氨酸在为新生猪仔和断奶猪仔提供精氨酸方面起到非常重要的作用，因此，源自仔猪粪便的沼液是脯氨酸变异系数很高的重要原因。电导率与盐基阳离子总量和可溶性固形物含量同样呈显著正相关，但其他指标之间的相关关系较弱。

3.2 沼液中的植物激素及其农田绿色综合利用的安全性

沼液中4种植物激素的含量和可检测频次存在较大的差异，生长素和水杨酸的含量和出现频次较高；茉莉酸含量的出现频次较高，但含量较低，吲哚乙酸的含量和出现频次都很低。沼液中生长素含量结果表明，沼液农田利用可以极大地促进作物根系发育和植株生长[20]。茉莉酸和水杨酸具有很好的杀菌作用，可以在植物病虫害防控方面发挥重要作用。沼液中的吲哚乙酸的含量和出现频次都很低，表明沼液施用没有导致作物早熟的副作用[21]。此外，沼液中还含有大量的赤霉素、细胞分裂素[22]，这些激素可以刺激作物生长，对提高作物抗逆性、促进生根、保花保果都有一定的促进作用，但会导致植物激素在土壤中的积累。Lu等[23]的研究表明，沼液长期施用会导致生长素和抗性基因在土壤中的积累，其对植物生长和粮食健康的影响尚不明确，有待进一步研究。同时，可利用分子溯源技术探明沼液中植物激素的来源，通过田间试验分析这些植物激素的土壤行为及其生态效应。

3.3 沼液中的重金属及其农田绿色综合利用的安全性

重金属在不同沼液中的分布和含量都存在极大的差异。进料类型、发酵设备和存储条件都会影响沼液中的重金属类型和含量。本研究中，镉、铬、镍、铅、锌、铜在沼液中较为普遍，但它们的含量在不同样品中的差异极大，变异系数高达114%～514%。沼液中砷和汞极少被检测到，而铬、镍、铅、锌、铜的最高检测浓度都超过3 00 μg·L-1。这可能是由于生猪养殖过程中的饲料添加剂和药物中携带的重金属[24]，随生猪的排泄物进入到沼气工程的发酵罐中。此外，废弃的沼气工程发酵液在进行干湿分离时，重金属在沼液中的分配比例远远低于沼渣[3,25]。因此，若检测到沼液中重金属含量过高，在进行硫添加共沉淀[26]和膜分离降低沼液中重金属含量的同时，对沼渣中重金属的移除和安全处理应更加重视。本研究中，砷和汞的含量仅在1份沼液样品中被检测到，说明这2种重金属可能跟当地水源地中砷、汞含量过高和大气汞沉降[27]有关。未来可利用同位素分析技术和源头物料中的重金属含量分析，探明沼液重金属含量存在极大差异的原因，找出控制沼液重金属含量的有效方法，从源头上、全链条管控重金属进入生猪养殖场和沼气工程的通量。

重金属在绍兴各县区沼液样品中出现的普遍性，说明沼液农田利用存在极大的土壤重金属污染风险，这跟其他地区的调查结果一致[2]，长期使用沼液灌溉，土壤中铜、锌、铅、镉等重金属会累积。然而，沼液中重金属种类和含量存在的极大的差异性，说明可以通过控制进料路径和发酵工艺降低沼液中重金属含量。因此，对沼液中的重金属进行溯源解析将为有效控制沼气工程废弃发酵液中重金属含量提供科学依据。此外，沼液膜浓缩与重金属阻控技术已有部分研究，未来可以通过膜浓缩技术[28]将沼液养分控制技术与重金属阻控技术[28-29]进行融合，为沼液绿色综合利用提供技术保障。