规模化养殖场肥水水质特征研究

农业资源与环境学报2019年7月·第36卷·第4期：487-493July2019·Vol.36·No.4：487-493JournalofAgriculturalResourcesandEnvironment付莉，张克强，高文萱，等.规模化养殖场肥水水质特征研究[J].农业资源与环境学报,2019,36（4）:487-493.FULi,ZHANGKe-qiang,GAOWen-xuan,etal.Characteristicsofnutrientsinanaerobiceffluentsfromlarge-scalelivestockfarmsinNorthChinaPlain[J].JournalofAgriculturalResourcesandEnvironment,2019,36（4）:487-493.Characteristicsofnutrientsinanaerobiceffluentsfromlarge-scalelivestockfarmsinNorthChinaPlainFULi,ZHANGKe-qiang,GAOWen-xuan,DUHui-ying*（Agro-environmentalProtectionInstitute,MinistryofAgricultureandRuralAffairs,Tianjin300191,China）Abstract：Inordertofurtherunderstandthecharacteristicsofnutrientsinanaerobiceffluentsfromlarge-scaleandintensivelivestockfarms,anexperimentusinglivestockfarmsastheresearchobject,wasconductedtoanalyzenitrogenandphosphorusforms,cationcontentsandheavymetalcontentsineffluentscollectedfromXushui,HebeiProvince,whichisatypicalplantingandbreedingareainNorthChinaPlain.Theresultsshowedthattheaveragetotalnitrogencontentofswinefarmsanddairyfarmswas804.6,137.5mg·L-1respectivelyand38.9,38.2mg·L-1respectivelyfortotalphosphorus.Moreover,theaveragecontentofammoniumnitrogenaccountedfor66.0%oftheaver⁃ageoftotalnitrogen,whereastheaveragecontentofdissolvedreactivephosphorusaccountedfor90.9%oftheaverageoftotalphosphorus.TheaveragecontentofK+、Na+、Ca2+andMg2+was568.5,299.5,33.5mg·L-1and50.5mg·L-1respectively.Ourresultsindicatedthattherewerehighconcentrationsofnitrogenandphosphorusnutrientsinlivestockanaerobiceffluentsmostofwhichwasinavailableforms.Inaddi⁃tion,therewaspositivecorrelationbetweenfourcationcontentsandelectricconductivity,andmultiplecorrelationcoefficientwas0.4.Fu⁃thermore,heavymetalcontentsineffluentsdidnotexceedthelimitsofStandardforIrrigationWaterQuality（GB5084—2005）.Keywords：livestockfarmeffluents;nitrogenandphosphorusforms;cation;heavymetal规模化养殖场肥水水质特征研究付莉，张克强，高文萱，杜会英*（农业农村部环境保护科研监测所，天津300191）收稿日期：2018-06-23录用日期：2018-09-30作者简介：付莉（1994—），山西忻州人，硕士研究生，从事农业资源利用研究。E-mail：[e-mail]*通信作者：杜会英E-mail：[e-mail]基金项目：公益性行业（农业）科研专项（201503106）；天津市现代奶牛产业技术体系创新团队建设专项（ITTCRS2018006）；2018年农业生态环境保护项目Projectsupported：TheSpecialScientificResearchFundoftheAgriculturalPublicWelfareProfessionofChina（201503106）；InnovationTeamofTian⁃jinCattleResearchSystem（ITTCRS2018006）；2018ProjectofAgro-EcologicalEnvironmentalProtection摘要：为深入了解规模化养殖场肥水水质特征，在华北典型种养结合区河北徐水，以规模化养殖场为研究对象，采集养殖场肥水水样，研究养殖肥水中氮磷形态分布、阳离子和重金属含量特征。结果表明，猪场肥水中总氮和总磷含量平均值分别为804.6mg·L-1和38.9mg·L-1，牛场肥水中总氮和总磷含量平均值分别为137.5mg·L-1和38.2mg·L-1。猪场和牛场肥水的铵态氮含量平均值占肥水中总氮含量平均值的66.0%，溶解性正磷酸盐含量平均值占总磷含量平均值的90.9%；肥水中K+、Na+、Ca2+和Mg2+含量平均值分别为568.5、299.5、33.5mg·L-1和50.5mg·L-1。研究表明，养殖肥水中含有大量氮磷养分，肥水中氮磷以速效养分为主，四种阳离子含量与电导率呈正相关关系，复相关系数0.4；肥水中重金属含量均未超出《GB5084—2005农田灌溉水质标准》的限值。关键词：养殖肥水；氮磷形态；阳离子；重金属中图分类号：X713文献标志码：A文章编号：2095-6819（2019）04-0487-07doi:10.13254/j.jare.2018.0165我国畜禽养殖业由分散养殖向集约化、规模化方向快速发展，2016年，年出栏1000头以上的规模化猪场为89388个，年存栏在100头以上的规模化牛场为40230个[1]。养殖粪污年产生量约38亿t，其中直接排泄的粪便约18亿t，养殖过程产生的污水量约20亿t，其中40%未被有效利用[2]，这些未被利用的粪污（尤其是养殖过程中产生的尿液、冲洗圈舍的水）随意排放，成为面源污染源。将养殖产生的污水经过处理后——487农业资源与环境学报·第36卷·第4期转变为水肥资源进行农田利用，可为作物提供生长所需的氮磷养分[3-4]，施用于小麦、水稻、玉米、牧草等作物具有明显的增产提质效应。而肥水中除了大量的氮磷养分，还有一些阳离子和重金属元素，还田后会影响土壤盐分，使重金属元素积累。因此，对养殖肥水水质特征的研究具有重要意义。近年来，国内外学者对粪污直接厌氧发酵产生的肥水开展了一系列研究。Mary等[5]研究表明，奶牛粪便与牧草、饲喂废弃物等进行厌氧发酵，奶牛粪便占干物质的69.2%，发酵产物中77.7%的氮和73.4%的磷来自于奶牛粪便，经粪污直接厌氧发酵产生的肥水中含有大量的营养元素。郑玉等[6]的研究表明，厌氧发酵后的肥水呈中性或微酸、微碱性，除碳素损失较大外，其他90%的营养物质均保留在肥水中，特别是氮、磷和钾含量很大。吴华山等[7]测得肥水中总氮（TN）含量为474.7mg·L-1，总磷（TP）含量为181.1mg·L-1。李祎雯等[8]研究证实，以猪粪、牛粪为发酵原料的肥水中TN质量分数分别为0.263%、0.163%。李裕荣等[9]通过研究发酵物养分含量的变化发现，在发酵过程中铵态氮（NH+4-N）浓度递增，而硝态氮（NO-3-N）浓度呈下降趋势，肥水中大多数氮以NH+4-N形式存在。Ye等[10]测得肥水中NH+4-N含量范围是48.1~88.3mg·L-1，NO-3-N含量范围是21.2~58.7mg·L-1。黎鑫林等[11]研究表明养殖肥水中含有多种重金属，且存在不同程度的超标现象。除粪污直接厌氧发酵外，干清粪固液分离后、液体厌氧发酵模式是当前我国畜禽粪污处理的主要模式之一[12]，但目前对肥水养分特征的研究多集中在粪污直接厌氧发酵产生的肥水（沼液）方面，而固液分离后液体厌氧发酵的肥水养分特征鲜见报道。因此，本研究从华北典型农牧结合地区收集41个厌氧肥水样品，研究厌氧肥水中氮磷养分形态分布、阳离子和重金属含量特征，以期为固液分离后液体厌氧发酵模式产生的肥水农田利用提供基础数据，为实现农牧循环、肥水管理提供科学依据。1材料与方法1.1样品采集2015年10月在河北省保定市徐水区内选取有代表性规模化养殖场41个，规模化养殖场饲喂所用饲料均满足《GB13078—2017饲料卫生标准》的规定，其中包括18个规模化生猪养殖场和23个规模化奶牛养殖场，收集每个养殖场贮存池中肥水样品，每个样品分三次混合取样1L，样品存放于4℃冰箱中备用。1.2测定方法肥水pH值用pH计（METTLERTOLEDO）测定；溶解氧（DO）采用膜电极法测定；化学需氧量（COD）、TN、TP、溶解性总磷（TDP）、溶解性正磷酸盐（DRP）和NH+4-N的测定参照文献[13]；NO-3-N采用连续流动分析仪（FA6000+）测定；钾离子（K+）、钠离子（Na+）、钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）采用原子吸收分光光度法测定；铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）、镉（Cd）、总铬（Cr）采用原子吸收分光光度法测定；总砷（As）、总汞（Hg）采用原子荧光光度法测定。1.3数据分析应用Excel2007进行最大值、最小值、平均值、标准差、标准误和变异系数分析，SAS（V8）软件进行统计分析。2结果与分析2.1养殖肥水中DO和COD的特征41个肥水样品中DO的含量范围为0.12~3.89mg·L-1，平均为0.97mg·L-1。其中猪场肥水中DO的含量范围为0.12~0.87mg·L-1，平均值为0.37mg·L-1，中位数为0.30mg·L-1；牛场肥水中DO的含量范围为0.15~3.89mg·L-1，平均值为1.43mg·L-1，中位数为0.95mg·L-1。图1为肥水中DO含量分布情况，由图1中可知，74.3%的肥水样品中DO含量小于1.0mg·L-1，8.6%的肥水样品中DO含量大于3.0mg·L-1。本研究所采集的养殖肥水样品中COD的含量范围较大。猪场肥水COD值的含量范围为680~7160mg·L-1，平均值为2084mg·L-1，中位数为1400mg·L-1，变异系数为0.49；牛场肥水COD值的含量范围是280~7040mg·L-1，平均值为2944mg·L-1，中位数为2620mg·L-1，变异系数为0.44。猪场肥水中COD值图1DO含量样本数分布情况Figure1ThedistributionofdifferentDOcontentofthesurveysampleDO含量样本数占调查样本数的比例TheproportionofdifferentDOcontentofthesurveysample/%1.0DO含量DOcontent