中小規模養豬場沼氣發酵產物對土壤質量的影響

2011-12-31 00:00:00郭全忠黃長虹朱紀聰等

湖北農業科學 2011年20期

摘要：為解決中小規模養豬場沼氣發酵產物的合理利用，調查了安康市１０７個養豬場對沼氣發酵產物的利用現狀，并分別采集了１６家養豬場附近４種不同類型土壤，測定土壤養分及鹽分含量。結果表明，各養豬場對沼氣發酵產物中沼液和沼渣的利用率不足５０％，就近堆、排放較為普遍。堆、排放沼渣和沼液耕地土壤有機質、全氮、硝態氮、有效磷、速效鉀平均含量比未堆、排放耕地土壤分別增加了３８．４６％、１１．３９％、４．７５％、１１．０２％、１８．６９％，對全磷和全鉀含量影響不明顯；在設施菜地施用沼液和沼渣土壤有機質、有效磷、速效鉀平均含量比未施用的設施菜地土壤平均含量分別增加了１６．１６％、１２．３０％、６．２８％，全氮、全磷、全鉀及硝態氮含量變化不明顯；對４種不同土壤類型土壤鹽分含量及ｐＨ值均無明顯影響。養豬場沼氣發酵產物對提高土壤肥力，改善土壤性質有明顯作用，不合理利用引起的資源浪費，以及由此帶來的環境問題也值得關注。

關鍵詞：沼氣發酵產物；利用現狀；土壤質量；安康市

中圖分類號：Ｓ１４１．９文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）20－4166-04

Effect on Soil Quality of Biogas Fermentation Products in Small and Medium-scale Pig Farms

ＧＵＯＱｕａｎ－ｚｈｏｎｇ１，ＨUANG Ｃｈａｎｇ－ｈｏｎｇ２，ＺＨＵＪｉ－ｃｏｎｇ３，ＣＨＡＮＧＱｕａｎ－ｊｉ１

（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅａｎｄＬｉｆｅＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＡｎｋａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ａｎｋａｎｇ７２５０００，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ；

２．ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｘｔｅｎｓｉｏｎＳｔａｔｉｏｎｏｆＲｕｒａｌＥｎｅｒｇｙ，ＨａｎｂｉｎＤｉｓｔｒｉｃｔ，Ａｎｋａｎｇ７２５０００，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ；

３．ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＳｅｒｖｉｃｅＳｔａｔｉｏｎｓｏｆＳｈｉｔｉＴｏｗｎｓｈｉｐ，ＨａｎｂｉｎＤｉｓｔｒｉｃｔ，Ａｎｋａｎｇ７２５００７，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Tｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓｏｆｂｉｏｇａｓｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｓｉｎ１０７ｐｉｇｆａｒｍｓｉｎＡｎｋａｎｇ cｉｔｙ was surveyed．Ｆｏｕｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｓｏｉｌｓｎｅａｒ１６ｐｉｇｆａｒｍｓｗｅｒｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｎｕｔｒｉｅｎｔｓａｎｄａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓａｌｔｓｗｅｒｅａｌｓｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｓｕｒｖｅｙｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ there was ｌｅｓｓｔｈａｎ５０％ｏｆｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｂｉｏｇａｓｓｌｕｒｒｙａｎｄｂｉｏｇａｓｒｅｓｉｄｕｅｏｆｂｉｏｇａｓｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｉｎｐｉｇｆａｒｍｓ．Ｓｔａｃｋｉｎｇｏｒｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｎｅａｒｔｈｅｐｉｇｆａｒｍｓｗｅｒｅｕｓｕａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｔｈｅｓｅｐｒｏｄｕｃｔｓ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｎｓｏｉｌｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒ，ｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎ，ＮＯ３－Ｎ，ａｖａｉｌａｂｌｅｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓａｎｄａｖａｉｌａｂｌｅｐｏｔａｓｓｉｕｍｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ３８．４６％，１１．３９％，４．７５％，１１．０２％ａｎｄ１８．６９％ｉｎｓｏｉｌｓｓｔａｃｋｅｄｏｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｄｂｉｏｇａｓｓｌｕｒｒｙａｎｄｒｅｓｉｄｕｅ，ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｔｈｅｓｏｉｌｓｏｆｎｏｎｅｓｔａｃｋｅｄｏｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｏｔａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓａｎｄｔｏｔａｌｐｏｔａｓｓｉｕｍｈａｄｎｏｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｈａｎｇｅ．Ｉｎｔｈｅｓｏｉｌｏｆｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ，ｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒ，ａｖａｉｌａｂｌｅｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓａｎｄａｖａｉｌａｂｌｅｐｏｔａｓｓｉｕｍｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ１６．１６％，１２．３０％ａｎｄ６．２８％ｉｎｓｏｉｌｏｆｓｔａｃｋｅｄｏｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｄｂｉｏｇａｓｓｌｕｒｒｙａｎｄｒｅｓｉｄｕｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｔｈｅｓｏｉｌｓｏｆｎｏｔｂｅｅｎｓｔａｃｋｅｄｏｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎ，ｔｏｔａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ，ｔｏｔａｌｐｏｔａｓｓｉｕｍａｎｄＮＯ３－Ｎａｌｓｏｈａｄｎｏｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｈａｎｇｅ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｓａｌｔａｎｄｐＨｖａｌｕｅｏｆｔｈｅ４ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｉｌｓｄｉｄｎｏｔｃｈａｎｇｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｓｏｆｂｉｏｇａｓｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｉｎｐｉｇｆａｒｍｓｃｏｕｌｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｆｅｒｔｉｌｉｔｙａｎｄｑｕａｌｉｔｙｏｆｓｏｉｌ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅｐａｉｄｔｏｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｓｓｕｅｓａｎｄｗａｓｔｅｏｆｒｅｓｏｕｒｃｅｓｉｎｄｕｃｅｄｂｙｉｒｒａｔｉｏｎａｌｕｓｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｇａｓｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ；ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓ；ｓｏｉｌｑｕａｌｉｔｙ；Ａｎｋａｎｇｃｉｔｙ

規模養豬場是專業化、集約化生產方式，也是農業產業化經營的發展趨勢。但每年這些養豬場產生大量的糞便、污水等廢棄物，如果得不到妥善處置和充分利用，將對環境產生很大的危害，不僅惡化了畜牧業自身的生產環境，而且對周邊大氣、水、土壤等人類生存環境形成污染，嚴重威脅著城鄉的生態安全。目前國內外關于豬場廢棄物處理技術方面的研究報道較多［１－４］，其中以沼氣工程為核心的生態型養殖場建設是養豬業較為普遍的發展模式，為解決養殖場環境污染，提供生產生活用能和有機肥源等方面發揮了極大的作用。但在發展過程中也逐漸暴露出諸多問題，多數中小規模養殖場由于受到諸多條件的限制，不具備后續處理條件和設施，對沼氣發酵產物的綜合利用率非常低，糞便、污水等廢棄物經厭氧沼氣發酵處理后沼液中的ＣＯＤ、總氮、總磷等含量依然較高［５，６］，無法滿足直接排放的要求，如果直接排放又會給當地養殖業、農業環境帶來了新的難題。

中小規模養豬場由于種種條件的限制，對沼氣發酵產物很難做到高效綜合利用，作肥料應用于農業生產是目前較為理想的選擇。沼液和沼渣是很好的肥料，對用它們作肥料對作物產量和品質的影響報道也較多［７，８］，而對發酵產物在不同類型土壤中施用對土壤質量的影響卻鮮見報道。通過對安康市中小規模養豬場沼氣發酵產物綜合利用現狀調查，結合前人的研究，分析對土壤質量的影響效果，提出設想和建議，為減少環境污染、合理利用資源、提高養豬場經濟效益、保證養豬業的持續發展提供理論依據。

１材料與方法

２００９年５月至２０１０年９月，對安康市漢濱區、漢陰縣、石泉縣、旬陽縣的１０７戶建有沼氣池的養豬場沼氣發酵產物的利用情況進行現場調查，所調查養殖場大部分是建于２００５年左右、規模在２０００頭以下的中小型養豬場。從中挑選有代表性的１６家養豬場附近堆、排放沼液、沼渣時間在３年以上的耕地，及這些耕地鄰近未堆、排放沼液和沼渣的耕地，同時選擇經常用沼液和沼渣施肥的設施菜地以及附近從未用沼液和沼渣施肥的設施菜地共４種類型土壤，分別采集耕層（２０ｃｍ）土壤樣品，測定土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、硝態氮、有效磷、速效鉀、ｐＨ值、鹽分（以電導率表示）等含量。

土壤ｐＨ值測定采用電位法，水土比為２．５∶１；硝態氮用酚二磺酸比色法；鹽分含量采用電導率法，用ＤＤＳ－３０７型電導率儀測定，水土比為５∶１；土壤全氮、全磷、全鉀、有機質、有效磷、速效鉀的測定均采用常規方法［９］。

２結果與分析

２．１安康市中小規模養豬場沼氣發酵產物利用現狀

截至２００９年底，安康市共有規模養豬場１２０００余個，８０％以上屬２０００頭以下的中小型養豬場，５０％以上養豬場設有沼氣工程。這些沼氣工程設施能夠處理養豬場產生的４０％～７０％的糞便、污水等廢棄物，其產物中沼氣主要作為清潔能源應用，約５％用于設施蔬菜中，主要用于加溫或采光，多余的沼氣直接排放到大氣中；沼液和沼渣一部分作肥料（沼肥）用于設施蔬菜生產、農田或水產養殖，一部分就近堆、排放到荒地或水域中，對中小型養豬場沼氣發酵產物的利用情況見表１。由表１可知，各養殖場對產生的沼氣的利用率較高，達到７５％以上，４０％左右的養殖場能夠全部利用，主要用來作為炊事、取暖、加熱等的燃料，由于夏季高溫時期產生的沼氣量較大，５０％左右養殖場會將多余的沼氣直接排放到大氣中。沼液和沼渣的利用率普遍較低，作肥料應用于設施蔬菜生產不到１０％，普通農田小于５０％，且以就近堆、排放方式為主，約50%被就近堆、排放到荒地或水域中。由于沼氣工程一次性投資較大，運行成本較高，發酵產物如果不加以合理利用，不但會降低投資效果，影響企業的經濟效益，堆放于附近荒地和排放于附近水域還會對土壤、水、大氣等造成新的環境污染［１０，１１］。

２．２養豬場沼氣發酵產物對土壤質量的影響

２．２．１對土壤有機質和氮素含量的影響土壤有機質含量是反映土壤肥力的重要指標之一，在培肥地力、改善作物品質及食品風味、提高農產品國際市場的競爭力等方面具有重要作用。土壤全氮含量反映了土壤氮素供應情況，硝態氮含量可反映土壤對當季作物的供氮能力，也是評價土壤質量的重要指標。氮對植物生命活動以及作物產量和品質均有極其重要的影響，合理施用氮肥是獲得蔬菜高產的有效措施。

對幾種不同類型土壤有機質和氮素含量測定結果見表２，堆、排放沼渣沼液土壤類型Ａ有機質含量變化范圍１７．８６～３２．７７ｇ／ｋｇ，平均值２４．７３ｇ／ｋｇ，比附近未堆、排放沼渣、沼液耕地土壤類型Ｂ平均值１７．８６ｇ／ｋｇ高３８．４７％，施用沼液和沼渣的設施菜地土壤類型Ｄ比未施用沼液和沼渣的設施菜地土壤Ｃ有機質平均含量高１６．１６％，沼液和沼渣對提高土壤有機質含量有較明顯的效果。

設施菜地土壤類型Ｃ和Ｄ的全氮含量變化范圍分別為１．０６～１．５７、１．０２～１．６４ｇ／ｋｇ，平均值分別為１．２５、１．２６ｇ／ｋｇ，二者變化范圍和平均值均較接近，土壤類型Ａ全氮含量平均值為０．８８ｇ／ｋｇ，比Ｂ的平均值０．７９ｇ／ｋｇ高１１．３９％。從土壤硝態氮含量測定結果看，Ａ平均含量為８３．３３ mｇ／ｋｇ，Ｂ為７９．５５ mｇ／ｋｇ，Ａ比Ｂ高４．７５％，Ｃ與Ｄ的變化范圍和平均值間的差異均較小。

以上分析表明，沼液和沼渣無論是以何種方式進入土壤，均能提高土壤有機質含量，這與其自身有機質含量較高有關［１２］，但對不同土壤類型全氮和硝態氮含量影響差異較大，長期堆、排放的耕地土壤全氮含量增幅較大，ＮＯ３－Ｎ含量有小幅度增加；設施菜地土壤全氮和ＮＯ３－Ｎ含量均無明顯變化，這可能與設施菜地長期施用氮肥量較大有關［１３］。

２．２．２對不同土壤磷素含量的影響對不同類型土壤全磷和有效磷的測定結果（表３）表明，露地土壤類型Ａ和Ｂ的全磷含量變化范圍分別為０．５７～１．１３和０．５８～１．１９ｇ／ｋｇ，平均值分別為０．８２和０．７８ｇ／ｋｇ，變化范圍和平均值均較為接近；設施菜地土壤類型Ｃ和Ｄ全磷含量的變化范圍分別為０．８３～１．４９和０．８９～１．５５ｇ／ｋｇ，平均值分別為１．１４和１．１９ｇ／ｋｇ，二者之間的值較為接近，但其變化范圍和平均值均高于Ａ和Ｂ，其全磷含量高與設施菜地長期施磷量大，引起全磷量的累積有關。

從有效磷含量結果來看，設施菜地土壤類型Ｃ和Ｄ有效磷含量變化范圍和平均值均高于耕地土壤類型Ａ和Ｂ，這同樣與施用磷肥量有關。土壤類型Ａ和Ｂ的有效磷變化范圍分別為３５．５８～７２．７６和３４．８２～７１．０５ｍｇ／ｋｇ，也較為接近，但Ａ的平均值為５１．１９ｍｇ／ｋｇ，較Ｂ的平均值４６．１１ｍｇ／ｋｇ高１１．０２％。從測定數據分布情況看，Ａ的數值分布在變化范圍上限值附近的較多，而Ｂ的數值分布在變化范圍下限值附近的較多，初步可認為堆、排放沼渣、沼液對提高土壤有效磷含量有明顯的作用。從設施菜地Ｃ和Ｄ的結果看，Ｄ的變化范圍和平均值均高于Ｃ，Ｄ的平均值為１２３．４４ｍｇ／ｋｇ，比Ｃ的平均值１０９．９２ｍｇ／ｋｇ高１２．３０％，說明在設施菜地施用沼液和沼渣能提高其土壤有效磷含量。

２．２．３對不同土壤鉀素含量的影響土壤類型Ａ和Ｂ的全鉀含量變化范圍分別為６．９５～１０．１４和６．７７～９．６２ｇ／ｋｇ，Ａ的平均值為８．８８ｇ／ｋｇ，較Ｂ的平均值８．１５ｇ／ｋｇ高８．９６％，設施菜地土壤類型Ｃ和Ｄ的全鉀含量變化范圍分別為６．８９～１１．２６和７．０６～１１．５３ｇ／ｋｇ，較為接近，平均值分別為８．９１和９．０７ｇ／ｋｇ，平均含量也較為接近；土壤類型Ａ和Ｂ的速效鉀含量變化范圍分別為８２．９６～１８９．５２和８０．１１～１４１．６４ｍｇ／ｋｇ，Ａ的平均值為１３４．８７ｍｇ／ｋｇ，較Ｂ的平均值１１３．６３ｍｇ／ｋｇ高１８．６９％，設施菜地土壤類型Ｃ和Ｄ的速效鉀含量變化范圍分別為１０１．２２～２９２．９４和１０５．５４～２９６．７７ｍｇ／ｋｇ，Ｄ的平均含量為１８９．５８ｍｇ／ｋｇ，較Ｃ的平均含量１７８．３８ｍｇ／ｋｇ高６．２８％（表４）。對于耕層土壤有效鉀含量，國內外一般認為，菜地土壤速效鉀含量在１５０～２５０ｍｇ/ｋｇ之間為適宜范圍，大于３５０ｍｇ/ｋｇ為過量［１４］，如果按這一標準，所調查設施蔬菜地有７１．３％土壤速效鉀含量低于適宜范圍下限，處于偏低水平，說明當地設施蔬菜栽培鉀肥施用量不足。以上測定結果和分析結果表明，沼液和沼渣在土壤中合理施用對改善當地土壤鉀素含量有較好的作用。

２．２．４對不同土壤電導率和ｐＨ值的影響土壤的電導率反映了土壤鹽分含量狀況。由表５可以看出，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ各土壤類型的電導率變化范圍分別為０．２７～０．３５、０．２６～０．３７、０．３０～０．４２、０．２９～０．４１ｍＳ／ｃｍ之間，平均值分別為０．２９、０．２９、０．３５、０．３４ｍＳ／ｃｍ，設施菜地明顯高于露地土壤。由于設施蔬菜化肥施用量大，尤其是過量施用氮肥會導致土壤電導率升高［１５］；從測定結果看，沼液和沼渣無論是在露地堆、排放還是在設施蔬菜上施用均未對土壤電導率產生明顯的影響。

關于設施條件下土壤ｐＨ值變化及其原因的報道屢見不鮮。從ｐＨ值測定結果看，設施菜地Ｃ和Ｄ的土壤ｐＨ值變化范圍分別為５．７４～７．５２和５．８１～７．４６，平均值分別為６．６９和６．７５，低于露地土壤類型Ａ和Ｂ，但Ａ與Ｂ、Ｃ與Ｄ相比較土壤ｐＨ值的變化范圍和平均值均較為接近，沼液和沼渣對不同類型土壤ｐＨ值的影響不明顯。

３結論與討論

１）各養豬場由于種種條件限制，沼氣發酵產物中沼氣的利用率較高，超過７５％，而沼液和沼渣的利用率不足５０％，就近堆、排放于荒地或水域中情況較為普遍，不僅造成資源浪費，還會引起次生環境污染問題。

２）沼渣和沼液堆、排放于耕地中，耕地土壤有機質、全氮、硝態氮、有效磷、速效鉀平均含量比未堆、排放耕地土壤分別增加了３８．４７％、１１．３９％、４．７５％、１１．０２％、１８．６９％，對全磷和全鉀含量影響不明顯；在設施菜地施用沼液和沼渣土壤有機質、有效磷、速效鉀平均含量比未施用的設施菜地土壤平均含量分別增加了１６．１６％、１２．３０％、６．２８％，全氮、全磷、全鉀及硝態氮含量變化不明顯；未發現對４種不同土壤類型土壤鹽分含量及ｐＨ值的影響。

３）沼液和沼渣是很好的肥料，富含各種植物必需的營養元素和有機質，在農業生產中合理施用沼液和沼渣能提高土壤中有機質、速效Ｎ、Ｐ、Ｋ等養分的含量，改善土壤性質，故對沼氣發酵產物綜合應用于農業生產中的研究很有必要，應引起足夠的重視。

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