水稻田对於猪粪尿氮污染涵容能力之分析

-1-水稻田對於豬糞尿氮污染涵容能力之分析NitrogenToleranceCapacityofSwineWasteinPaddyFields國立台灣大學生物環境系統工程學系教授農藝系教授農藝系教授農業化學系教授張文亮盧虎生朱鈞王明光ChangWen-LianLurHuu-shengChuChunWangMing-kuang生物環境系統工程學系研究助理農藝系研究助理農業化學系研究生王瑞君朱玲慧陳岳民WangJui-chunChuLing-huiChenYue-ming中文摘要在豬糞尿污染現場，進行水稻盆栽實驗，以含氮量低的地下水，不同比率稀釋受到養豬場排入的灌溉水，依照田間的水稻需水量灌溉與施肥量。盆栽土壤係用當地的砂質壤土，實驗進行中每星期排水一次。經過三年的實驗，發現在含氮較高的盆栽，水稻初期最易呈現的是缺水，而後呈現鹽害，呈現氮害的癥狀不如前兩者顯著。田間實驗影響的因子多，不同試驗重覆的變異量較大，影響統計分析的顯著性。不過經過六期的耕作，平均7mg/l的總氮量對於作物有顯著的影響。在平均灌溉16.4mg/l的含氮量，土壤滲漏水的含氮量始超過灌溉水標準3mg/l，證明約76％的氮都經脫氮作用溢至大氣，但是現場無論任何實驗處理，滲出水的電導度在1962-2230μS/cm之間，皆超過750μS/cm。污染現場之養豬場排放水的電導度與含氮量，無法用已受污水影響且超過灌溉水質標準的灌溉水稀釋，用當地地下水稀釋約需12.5-44.2倍的稀釋，3.2-717.8倍的稀釋方能符合灌溉水質電導度與總氮量的標準。在一般生育性狀上可影響各處理組之株高、分蘗數、葉綠素含量等，但是對於榖粒重及產量的影響不大。化學分析之粗蛋白含量部份，分析包括稻殼、糙米、莖稈、葉、根等五個部位，以糙米之粗蛋白含量最高，其次是稻殼、-2-葉、莖稈、根，顯示水稻植株的粗蛋白含量分佈以榖粒為主。在不同期作差異方面，九十一年高濃度含氮量之處理可影響稻殼或根部的粗蛋白含量；九十二年一期作，以澆灌地表水：地下水為1：1的處理方式，可提高水稻的葉、莖桿、根粗蛋白含量，惟各其他試驗處理組與對照組間沒有顯著的差異。高濃度的豬糞尿濃度可增加糙米內粗蛋白質含量。AbstractThisstudyisconductedbymixinggroundwaterandirrigationwaterpollutedbyswinewastewithdifferentratiostocultivatericeinthefield.Experimentalsoilsissandyloam.Experimentalpotsaredrainedonceaweek.Basedonthreeyears’experiments,irrigationwithhighernitrogenconcentrationfromswinepollutedwaterwouldcausericewater-deficitstressandthensalinity-stress,andnitrogenstressisnotsignificantinDuncan’smultiplerangetest.However,7mg/ltotalnitrogeninirrigationwouldhavenegativeeffectonthericegrowth.Irrigate16.4mg/laveragetotalnitrogeninpotswouldstarttoappeartotalnitrogenabove3.0mg/lindrainagewater.Thisresultshowsabout76%ofnitrogenisreleasedfromsoiltoatmospherebydenitrification.However,afterirrigating,ECisbetween1962to2230μS/cmindifferenttreatment,whicharehigherthan750μS/cm.ECandtotalnitrogencontenteffluentfromswinesitesweremuchhigherthanirrigationwaterstandard.Pollutedirrigationwatercouldnotdiluteeffluent.UsinggroundwatertodiluteECandtotalnitrogenstandard,itwillneedtobediluted12.5-44.2timeand3.2-717.8,respectively.Inagronomictraitsriceplantheight,tillernumberandchlorophyllcontentwereaffectedbytreatmentsofdifferentconcentrationsofdilutionoforiginalswinewastewater,buttheweightofgrainswasn’taffectedbythetreatments.Fiveplantpartswereusedforcrudeproteincontentanalysis,includingshell,brownrice,stem,leavesandroots.Rice-3-grainsshowedtobethemajornitrogensinkinharvestedplants.Brownricehasthehighestcrudeproteincontent,andfollowedbyhusks,leaves,stemandrootsinsequence.Thecrudeproteincontentsofleaf,stemandrootwereraisedbytreatmentof2Xdilutionofswinewastewater,buttherewasnosignificantdifferenceamongtheothertreatmentsandcontrol.一、前言(一)研究背景歐美在一九六○年代就進入畜牧工業化，因此排泄與廢污水的問題比台灣更早發生。由於灌溉方式與系統的不同，歐美的畜牧業廢污水很少直接排入灌溉渠道，而是直接以涵管排入農地，或是經過運輸搬運到農地上施放。所以首先引起注意的環境困擾，並非在地面水，而是在經過土壤滲漏到地下含水層，而再抽取使用的地下水。所以在一九六○年代，就有探討硝酸鹽、氯鹽等無機離子在土壤剖面移動的機制（NielsenandBiggar，1961）。到了一九七○年代，由於灌溉用水在水資源分配上的日漸不敷，於是開始對畜牧排放的廢污水，引起基本定義上的討論：畜牧污水到底是不是廢水？廢水是排到大海，人類無法再利用的水。污水是排出的水，未經過妥善管理與利用的水。如果能夠管理與利用污水，污水仍然是有其效益。例如Adrianoetal.（1971）提出將畜牧污水與糞便當作美國南加州6,900公頃農地的施灌，該處有12500頭牛，每日所排的固、液含生化需氧量約相當於九十萬人口的排泄物，以每公頃農地承受二十四隻牛的固、液排泄量來作設計，施用六年後，發現土壤的栽種作物種類不同，該區地下水硝酸鹽的含量不同。種植燕麥、玉米的區域，地下水中的硝酸鹽的含量低於牧草種植區的硝酸鹽量，更低於完全裸露未加種植的農地，所以栽種作物是重要的考慮。CoeandLaverty（1972）提出污水在農地可以增加水資源的再利用，比污水處理的花費更經濟與有利環境，祇是污水要經過地面水或地下水，依著水中總溶解固形物（TDS，即鹽份濃度）給予不同的稀釋，再施用於田間。Gilde（1973）提出大自然本身就是不斷排出廢污，但又不斷地能將廢污分解，植物或掉落在地的落葉，遠多於人類所生產的廢污，所以土壤處理有機性廢污的功能，是符合大自然的最佳程序。因此建議有機性廢污應施入土壤，而非水中，是減低有機污水最重要的方法。Lance（1975）認為廢水進入土壤，為了防止硝酸鹽在地下水累聚，可能對公共給水造成的毒害，最好的方法是讓土壤脫氮作用成為顯著機制，這包括用在高溫、土壤黏細質地、作物旺盛生長的農地，90%以上的氮可以藉由脫氮至空氣，而不致造成氮害。Wardetal.（1978）以家畜的排泄分解為研究的對象，他發現攝食飼料的牛，尿中含氮50%以上都是易被轉化分解的尿素（urea），因此在三個星期內，90%的尿素都轉換成氨氮，在三至四個月的施放，50%的氮與有機質都揮發消失。Guenzietal.（1978）以氮（15N）同位素追蹤牛隻排泄含氮量進入田間的分解與變化，發現土壤含水量超過60%，90%的含氮量在種植一作後，以脫氮作用揮發，因此建議土壤含水量在田間容量-4-（fieldcapacity），土壤孔隙中的氧氣高於體積的3.1%時，能夠保持土壤在90tons/ha的牛糞施用，而避免土壤與地下水造成氮量過高的污染。Oronetal.（1979）認為以滴灌的方式將污水少量施用在田間，並種植耐鹽性棉花，可以避免土壤遭受鹽害、鹼害，試驗中以電導度（EC）1100~2400μS/cm，鈉吸著率（SAR）1.1~2.3灌溉水於坋質壤土中施用，棉花未呈受害的徵狀，產量也未減少。Mugwira（1979）以八年的連續施用0、22.5、45、90、180、225ton/ha的畜牧堆肥施放在種植玉米的坋質黏壤土中，持續分析土壤鹽份與玉米的營養成份。他提出為了玉米的品質（尤其減少過多鋅的累聚）與土壤的維護，建議安全施用堆肥量是22.5ton/ha。Amoozegar-Fardetal.（1980）提出使用畜牧場排放水，或堆肥作為土壤肥料，仍需考慮電導度的問題，施加畜牧堆肥的土壤電導度呈顯著增加，增加的趨勢受施灌水量、堆肥團粒的大小、土壤質地、溫地與降雨等因素的影響。他也提出，新鮮的尿液電導度在8000至10000μS/cm，沒有任何作物能夠承受這麼高的鹽分，所以家畜新鮮的尿液不能直接進入土中。Smithetal.(1980)以八年的田間實驗調查施加-共施加28,700kg/ha於黏質壤土的農田。農田種植高梁，以Duncan’smultiplerangetest檢定後，發現土壤中的有機氮與碳/氮比，沒有顯著的增加。Kuo(1981)以施灌畜牧尿液二十年的玉米田為研究對象，提出每年施放10ton/ha（或施灌2.5cm/yr的尿液深），在土深45cm的土壤飽和抽出液的鹽分為600μS/cm，並不具鹽害。鹽分最高是在50-65cm深度，鹽分也只1200μS/cm，並未超過造成作物會開始減產的4000μS/cm。Cooperetal.（1984）以施加十二年畜牧堆肥與液體的玉米田，分析其氮的變化，並比較畜牧排泄與化學肥料的肥效。認為施加化學肥，36％的氮被作物吸收，作物吸收的氮低於10％而以脫氮作用溢至空氣，化學肥的部分約有6％，畜牧肥的部分為58％。其餘的部分，除了少部分被土壤吸收之外，都淋洗至地下水。FreezeandSommerfeldt(1985)以經濟效益分析，提以畜牧場的堆肥要藉著卡車運送，需要大於五百頭數以上，方可能運送到15公里以外的農田。畜牧場在五百頭數以下，即使堆肥具改善土壤的果效，也不足成本去承擔運送。SommerfeldtandChang（1985）提出堆肥可以改善土壤的團粒性結構，進而增加機耕翻土的效率。原因是增加作物根區的有機質含量，進而減低土壤假比重（bulkdensity），使土壤的結構更穩定，不易形成硬盤（hardpan）。但是Bergstom（1987）以滲漏計實驗提出土壤翻耕會增加畜牧堆肥的農地，硝酸鹽的滲漏會使地下水的含氮濃度增加，為此建議施加糞肥的農地不要常翻耕。NouteandBassers（1989）以豬糞尿經過厭氧分解後，方能以水生藻類進行水中氮、磷的回收，需再用乾淨的水稀釋到排泄物的0.6~3%濃度，其每日每克乾重藻類的氮、磷回收量分別為10.4mg與0.6mg。DhawanandToor（1