降雨沖刷造成的畜禽糞便氮磷流失規(guī)律及蚯蚓強化降解堆漚池氮磷流失控制作用研究

尹 琴，瞿廣飛，黃 凱，楊龍譽(.貴州省環(huán)境監(jiān)測站，貴州貴陽55008;.昆明理工大學(xué)，云南昆明650504)

大量的畜禽養(yǎng)殖使得我國每年都有大量的畜禽糞便產(chǎn)生。據(jù)朱建春等研究表明，1978～2011年我國畜禽糞便的產(chǎn)生量及其中氮磷產(chǎn)生量均呈上升趨勢，分別增加了1.35、1.39和1.66 倍，至2011年分別達(dá)到25.45 億、1 419.76 萬和247.98萬t［1］。大量產(chǎn)生的畜禽糞便增加了附近水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險，但目前我國對畜禽糞便的處理技術(shù)卻難以同步發(fā)展［2］。洱海附近發(fā)達(dá)的奶牛養(yǎng)殖業(yè)致使該地區(qū)的糞便產(chǎn)生量不斷上升，由于缺乏有效控制措施，再加上畜禽糞便產(chǎn)生與農(nóng)田利用時間的錯位，隨意堆置的畜禽糞便在降雨沖刷下隨徑流進(jìn)入水體，對洱海環(huán)境造成了巨大的危害。據(jù)相關(guān)部門資料和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，洱海流域農(nóng)村與農(nóng)田面源氮磷污染負(fù)荷占洱海入湖污染負(fù)荷總量的70%以上［3］。

目前針對降雨沖刷造成氮磷流失的研究主要集中在糞肥還田以后降雨沖刷農(nóng)田形成徑流造成的流失上［4－5］。筆者利用模擬裝置對堆置狀態(tài)下的畜禽糞便在受到雨水沖刷時的流失狀況、規(guī)律和元素流失形態(tài)進(jìn)行研究，并以此為依據(jù)提出采用蚯蚓強化降解堆漚池的方法來控制畜禽糞便氮磷流失。

1 試驗裝置與方法

為了試驗流程的可控性，試驗采取了自然降雨與模擬降雨相結(jié)合的方式進(jìn)行，模擬降雨依靠自行設(shè)計的模擬裝置完成。圖1a為模擬的降雨沖刷裝置，裝置主體內(nèi)填裝畜禽糞便，利用蓬頭模擬降雨進(jìn)行沖刷試驗，滲濾液通過集水槽收集。有自然降雨時采樣分析，并通過控制時長來控制降雨強度，無自然降雨時2 d進(jìn)行一次模擬降雨沖刷，總共監(jiān)測10次。圖1b為改良過后的蚯蚓降解堆漚池。在接種大平2號蚯蚓進(jìn)行糞便降解堆漚的同時，在堆漚池上方養(yǎng)殖生雞，以蚯蚓為雞飼料，雞糞直接進(jìn)入下方與牛糞共同堆漚。堆置時為方便研究，采用新鮮糞便與經(jīng)高溫發(fā)酵過的糞便進(jìn)行對照試驗，一個月不定期采樣分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨造成的畜禽糞便氮磷流失規(guī)律研究

2.1.1 降雨沖刷對各種形態(tài)氮磷流失的影響。通常畜禽糞便中的氮磷元素會通過滲透、沖刷、揮發(fā)等途徑流失，降雨還會造成磷元素的持續(xù)流失。畜禽糞便在堆置過程中的各種隨意性使得流失的元素很難通過徑流直接進(jìn)入水體，因此其流失過程具有與農(nóng)田沖刷不同的特點。

從圖2可知，畜禽糞便經(jīng)8次降雨后，全氮與全磷流失率分別達(dá)65%和53%，且流失主要集中在降雨初期，隨著堆置時間的延長，畜禽糞便中氮磷的流失逐漸趨于平緩。在降雨過程中，硝態(tài)氮含量基本處于平穩(wěn)的狀態(tài)，銨態(tài)氮含量起伏較大，說明降雨沖刷流失的主要是銨態(tài)氮和部分顆粒態(tài)的有機氮。這與文獻(xiàn)資料是相符的［6－7］。而全磷含量雖然減少幅度比速效磷減少幅度快，但是兩者之間的差值不斷減小，說明磷除了速效磷形態(tài)外，還流失了部分顆粒態(tài)磷。

2.1.2 不同堆層的全氮全磷含量變化。從圖3可知，位于50 cm處與表層處的全氮全磷含量都呈減少趨勢，特別是底層處的全氮流失最為嚴(yán)重，而全磷在表層和50 cm處的流失趨勢比較一致，說明氮磷主要是從堆體的表層和底層流失。而30 cm處含量變化都比較平緩，且有一定的富集趨勢，說明經(jīng)雨水沖刷流失的氮磷在堆體內(nèi)是從上至下傳遞的，即采用高堆的方式可使得堆體內(nèi)的氮磷有一定富集，對其流失有一定的控制作用。

2.1.3 降雨量和流失率的關(guān)系。由圖4可知，每次降雨后氮磷元素的流失率與該次降雨量關(guān)系不大，影響流失率的主要是堆置時間。堆置前期含水率高、可流失元素量大，少量降雨就可以造成大量的元素流失。隨著堆置時間加長，堆體表層變得干燥，對降雨沖刷有一定阻礙作用，且元素在堆體中層有富集趨勢，因此即使后面降雨量加大，流失率也不會變大。可見要控制畜禽糞便氮磷元素的流失，關(guān)鍵是在糞便產(chǎn)生初期加以有效控制，避免雨水的沖刷。

2.2 蚯蚓強化降解堆漚池對氮磷流失的控制作用

2.2.1 牛糞養(yǎng)殖蚯蚓環(huán)境條件分析。從日本引進(jìn)的大平2號蚯蚓，主要以牛糞為飼料，具有較強的吞食有機廢物的能力［8］，同時通過與微生物協(xié)同作用使有機質(zhì)的發(fā)酵分解速度達(dá)到平時的3～4倍，并能促進(jìn)碳氮比穩(wěn)定［9］。蚯蚓適宜生長的環(huán)境條件:溫度18～25℃，基料含水率30% ～50%，pH 6～8。

而有關(guān)學(xué)者在實際研究中卻發(fā)現(xiàn)，在牛糞堆漚中接種的蚯蚓，含水率達(dá)到70%時生長最好［10］，因此在研究分析時應(yīng)結(jié)合實際檢測結(jié)果進(jìn)行分析。

從圖5可知，隨著環(huán)境溫度的改變，鮮糞與陳糞堆體溫度變化都很小，并且都在適宜蚯蚓生長范圍內(nèi)(15～25℃)，說明在糞肥堆置過程中堆體本身有一定的保溫作用，不需要添加額外的保溫措施。而對比鮮糞堆體與陳糞堆體發(fā)現(xiàn)，陳糞堆體保溫效果更好。

在無人工調(diào)節(jié)的情況下，對堆置過程中堆體pH和含水率的監(jiān)測結(jié)果顯示(圖6)，鮮糞和陳糞的pH都較為穩(wěn)定，基本維持在7.8～8.5之間，適合蚯蚓生長。就含水率而言(圖7)，前期鮮糞堆體明顯高于陳糞堆體，后期兩者逐漸接近，說明糞堆的含水率在堆漚過程中會隨時間降低。

通過對比發(fā)現(xiàn)，蚯蚓在陳糞堆體中比鮮糞堆體中長勢更好，這說明陳糞堆體的溫度(20～25 ℃)、pH(8.0～8.5)與含水率(65% ～75%)更適宜蚯蚓生長。

2.2.2 堆漚池內(nèi)氮磷遷移規(guī)律。從圖8可知，陳糞堆體中全磷與全氮含量都呈下降趨勢，鮮糞堆體中全氮與全磷都出現(xiàn)了一定的富集趨勢。這說明堆漚池確實能起到阻礙元素流失的作用。因為蚯蚓主要是以牛糞中的腐殖質(zhì)為食，所以會造成全氮與全磷含量降低，但是其產(chǎn)生的蚯蚓糞便中全氮與全磷含量比牛糞高，采樣過程中不可避免采到一定的蚯蚓糞便，所以造成了圖中出現(xiàn)的全氮與全磷含量的波動。

圖9反映的是堆體內(nèi)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化趨勢。在堆置期間微生物活動劇烈，硝化和反硝化同時進(jìn)行，因此兩種堆體中的硝態(tài)氮含量波動都很劇烈。銨態(tài)氮會以氨氣的形式揮發(fā)，但兩種堆體中的銨態(tài)氮都出現(xiàn)了富集的狀態(tài)，而硝態(tài)氮的含量總體上也沒有減少，說明銨態(tài)氮富集的主要原因不是因為反硝化作用，而是因為蚯蚓食用牛糞后將其中的有機氮轉(zhuǎn)化為了銨態(tài)氮。而銨態(tài)氮肥效快，可供作物直接吸收，說明蚯蚓的降解堆漚增加了堆肥的肥效。

2.2.3 蚯蚓對堆體腐熟的影響。加拿大政府根據(jù)Bernal等的研究規(guī)定，當(dāng)氨氮硝氮比(NH4-N/NO3-N)＜0.5或硝氮氨氮比(NO3-N/NH4-N)＞2時，可認(rèn)為堆肥已經(jīng)腐熟［11］。從圖10a可知，鮮糞堆體中NO3-N/NH4-N在第25天＞2。而陳糞堆體內(nèi)的NO3-N/NH4-N從堆置的第14天就開始＞2(圖10b)，可以認(rèn)為已經(jīng)腐熟。而一般堆漚方式需要49～65 d才能達(dá)到腐熟，由此可見，接種蚯蚓強化降解的堆漚方式對糞肥具有明顯的加快腐熟的作用。

3 結(jié)論與建議

(1)降雨可造成大量氮磷流失，經(jīng)過8次降雨沖刷就可造成畜禽糞便中約65%的氮和55%的磷就流失，流失率與單次降雨量關(guān)系不大。氮主要從堆體底層流失，磷主要從堆體表層和底層流失，在堆體中層氮磷都會出現(xiàn)富集趨勢，而且在8次降雨沖刷后，糞肥堆體中的可流失氮磷已基本流失完，說明流失率主要與堆置時間和堆體高度有關(guān)。因此為了保證畜禽糞便肥效，一是適宜采取加高堆體的堆置方式;二是需要做好前期的收集儲存工作，避免雨水沖刷。

(2)蚯蚓強化降解堆漚技術(shù)對控制堆肥氮磷流失有較好作用，一是在保證硝態(tài)氮總體含量不變的情況下，可促進(jìn)銨態(tài)氮富集，有一定增加堆肥肥效作用;二是可以加快堆漚的腐熟進(jìn)程，普通堆漚需要49～65 d才能腐熟，在接種蚯蚓的情況下，只需20 d左右NH4-N/NO3-N的指標(biāo)就能達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，極大縮短了堆肥腐熟所需時間，滿足糞肥的及時利用。

蚯蚓強化降解堆漚池對氮磷流失污染具有良好的控制作用，適宜在流域范圍內(nèi)推廣。

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