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沼气工程中沼液中水还田对土壤、水环境和农作物产量和品质的影响分析

来源: http://www.huiguo.net.cn/    发表日期:2015-07-13    浏览:5329

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中国是世界上最大的农业生产国,随着产业结构的转变,畜牧业的综合生产能力显著增强。同时,随着畜禽养殖场数量与规模的不断扩大,畜禽粪便的产生量逐年增加,对环境造成了严重的污染。截至2009年底,中国规模化养殖场畜禽粪便排放总量约8.37亿t,其主要来源为生猪、奶牛和肉牛养殖。厌氧消化工艺是一种高效处理禽畜粪便的方式,产生的沼气是一种清洁能源,综合利用价值较高。沼液是厌氧消化的产物,其处理处置是沼气工程需解决的关键问题之一。目前,国内外对沼液的处理处置大致分为还田利用型和达标治理型,其中我国主要采用沼液(中水)还田技术。然而经济、社会的发展,行业结构转型与技术革新等,使当前的生物质废物与过去存在较大的差别。例如,集约化畜禽养殖行业,抗生素的大量使用,使得畜禽粪便理化性质发生了变化,重金属以及抗生素类有机污染物可能会影响沼液中水还田的安全性。因此,系统地分析和评价目前沼液中水还田的安全性,并采用适宜技术对沼液进行无害化处理变得十分重要。

1 沼液中水还田现状

畜禽粪便厌氧消化产生的沼液因其含有丰富的营养物质,是一种优质的有机肥料,在农业生产上具有良好的应用前景。与普通有机肥相比,畜禽粪便厌氧消化沼液中含有的氮、磷、钾分别高出22.1%,17.5%,20.1%,同时含有多种微量元素如铁、锌、锰等,氨基酸,B族生素,腐殖酸,植物生长激素和数十种防止作物病虫害的活性物质。沼液的速效养分多,且不带活病菌和虫卵,容易被吸收。

1.1 沼液中水还田对土壤肥效的影响

长期施用化肥会导致土壤pH值降低,土壤酸性增加,产生板结,降低土壤肥力。沼液以肥料的方式进入土壤后,会对土壤进行改良。土壤中的有机质可以吸附阳离子,使土壤具有高效的保肥力和缓冲性,促进土壤微生物的均衡生长,同时还能疏松土壤,改善土壤的物理性状。针对不同地区土壤的研究表明,沼液对于土壤中的有机质含量提升有一定的促进作用,使用沼液后,土壤中TN,速效N,速效P,速效K均有提高。另外,沼液中的腐殖酸对土壤团粒结构的形成也有重要的作用。有研究显示,沼液与化肥配合使用,不但可以均衡土壤所需的营养元素,增强土壤的肥效,而且可以疏松土壤,增加土壤的透气性。将沼液用于还田,结果表明土壤中有机质,速效N,速效P及速效K的含量较施用化肥的土壤分别高 1.6%, 122 x 10-6g . kg-1, 171 x 10_6g . kg-1 和 43 xl0-8g . kg-1,土壤孔隙度提高9.7%。与施用猪粪、化肥相比,施用沼液有利于促进土壤中微生物的均衡生长,土壤中有机质与碱解氮含量显著提高。

1.2 沼液中水还田对农作物产量的影响

沼液对不同农作物产量的影响如表1所示,通过对比不同发酵原料的沼液施用效果及沼液与化肥配合施用、沼液灌溉和叶面喷施的效果,农作物产量较对照组分别提高了8.59%~98%,显示出沼液对于提高农作物产量具有普遍意义,但是不同发酵原料的沼液对于不同种类农作物的增长原理需深入研究。

由表1可知,沼液与化肥搭配使用增产效果较好,原因可能是搭配使用后,营养元素更加均衡,尤其是氮素供应充足后产量明显增加。同时,随着沼液量的增加,增产效果也趋于上升,可能是因为氮素会挥发和融入水分下渗流失,及时补充沼液会弥补氮素含量。沼液中的微量元素和生长激素也会对农作物的生长有促进作用。

1.3 沼液中水还田对农作物品质的影响

农作物中的维生素、糖分、蛋白质、硝酸盐和矿物质等都是评价农作物品质的因素,维生素C是农作物中特有的物质,人体不能合成,需要从果蔬中摄入,因此维生素C的含量是评价作物的重要指标。糖分和可溶性糖是影响口感的主要因素,这对果蔬非常重要,也是后续营养变化的重要影响因素。蛋白质含量也是评价谷物的重要因素之蛋白质高的谷物营养价值也随之升高。

表2是不同农作物施用沼液后的品质变化,可以看出施加沼液后大部分作物的品质有所提升,稻谷和玉米的蛋白质含量均有提高,果蔬中的维生素C含量也有不同程度的提升,糖分含量也分别提高了0.60% ~ 17.71%,其中追肥和施加叶面肥对农作物的品质提升有很好的作用。然而,沼液施用存在一定的阈值,不同农作物对沼液的耐受值也不相同,在合理范围内施用沼液时,对农作物的各类营养成分均有促进作用。

2 沼液中水还田安全风险评价

2.1 土壤和农作物

沼液中含有丰富的养分,灌溉土壤后会提高土壤整体的养分含量和肥力,但畜禽养殖废水中含有重金属和抗生素,厌氧发酵后会残留在沼液中。沼液作为液体肥料是否会污染土壤是沼液资源利用的关键。

沼液进入土壤后使得土壤中重金属的含量增加。随着pH值,时间,DOC和eh的变化,沼液作为有机肥进入土壤后会不断分解,会将重金属离子分离下来,形成易被植物吸收的形态,对土壤和农作物的质量产生影响。

沼液中水还田过程中,Cu, Zn的含量明显升高,其他重金属含量也有增加。过量的沼液施用会造成土壤中的重金属积累。有研究表明,沼液处理后的水稻重金属含量与空白对照组相差不大,在高沼液用量时,小白菜中的重金属含量相对于低沼液用量时有显著提高,但并未超标。与化肥相比,虽然沼液中的重金属含量较低,但沼液的施灌量往往要大于化肥用量,从而带入土壤—农作物系统中的重金属含量略高。由此看出,适量的沼液灌溉对作物安全没有太大影响,但高强度的施灌水平仍存在重金属在作物中累积的风险。以上重金属含量的结果与养殖类型、方式、饲料、沼液的发酵原料和土壤的自净能力有关,虽然并未显示沼液灌溉会对土壤产生明确的重金属沉积,但仍存在污染风险。

2.2 水环境

厌氧发酵后的沼液中存在氨氮和磷酸盐,沼液中水还田后通过土壤中水分的转移,对周边的地表水和地下水都有潜在的污染风险。沼液中的氨氮在土壤的硝化细菌作用下会形成硝态氮,硝态氮会随土壤中的渗滤液流入下部水层,对地下水造成污染,引起水体的富营养化。同时如果硝化反应不完全时,会产生亚硝酸盐,会对动物和人体产生不良影响。有研究指出,土壤中积累的N03在降水或灌溉的作用下,会不断向下淋洗,直至污染地下水。

稻田进行沼液消解,范围为135 ~540 kg • hm2,田面水中的氨氮含量升高,但土壤渗滤液中氮含量变化很小,年安全容量为540kghm3。采用杂交狼尾草盆栽实验发现,沼液灌溉的适宜强度为沼液的质量分数不超过50%,此时渗滤液中的总氮、氨氮和硝态氮的含量均在安全范围。

沼液的合理灌溉强度与沼液的养分含量、土壤、气候和植被等因素相关,应根据不同的情况施以不用强度的沼液肥料,避免造成水体的富营养化和亚硝酸盐的产生。

3 结语

沼液含有丰富的养分,速效N,速效P,速效K的含量很高,有利于农作物的吸收。沼液可以在一定程度上改善土壤的理化性质,增强土壤肥力。对于不同品种的农作物,沼液施肥有不同的效果。

由于沼液中存在丰富的N和P等元素,以及一定量的重金属和抗生素,使沼液中水还田存在安全风险。目前的研究大多针对于沼液施用的安全风险分析,而专门针对沼液的处理技术研究不多。沼液在一定程度上属于污水的一种,可借鉴污水处理的方法,在沼液中水还田前对其进行无害化处理。生物-生态法或组合工艺处理沼液是未来研究沼液无害化处理研究的热点。

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