沈阿林，奚輝，姜銘北，安文浩，王云龍，陳喜靖

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.淳安縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 植保土肥站，浙江 淳安 311700)

我國(guó)是全球第一大豬肉生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，2018年生豬存欄42 817萬(wàn)頭，生豬出欄69 382萬(wàn)頭，雖然相較于高峰時(shí)期(2012—2014年)的存欄數(shù)和出欄數(shù)均有較大幅度下降，但養(yǎng)殖量依然龐大。按1個(gè)萬(wàn)頭豬場(chǎng)每天產(chǎn)生80～100 t養(yǎng)殖廢水估算，全國(guó)每年產(chǎn)生的總量達(dá)到550萬(wàn)～700萬(wàn)t。為使養(yǎng)殖排泄物得到能源化利用，國(guó)家大力發(fā)展沼氣工程，由此伴隨著大量沼液如何處置的問(wèn)題。由于沼液中含有大量氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，以及鐵、鋅、銅和氨基酸等微量元素，故可作為有機(jī)養(yǎng)分替代、化肥減量增效的重要原料，并通過(guò)農(nóng)田灌溉途徑得以利用。這種方式已成為當(dāng)前沼液資源化利用的重要方式，但隨著生豬養(yǎng)殖規(guī)?；潭鹊目焖偬嵘?，養(yǎng)殖產(chǎn)生的沼液量大且集中，使得養(yǎng)殖業(yè)周邊農(nóng)田難以安全消納。同時(shí)，人們對(duì)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的要求越來(lái)越高，沼液無(wú)害化處置與安全利用間的矛盾也日益突出。因此，研究探索沼液利用的新途徑和新模式就顯得尤為重要。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在沼液利用模式建立及其應(yīng)用方面已有不少案例，也取得較好效果[1-5]。本項(xiàng)目組通過(guò)3年的研究與示范，在傳統(tǒng)沼液利用方式的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了2個(gè)沼液生態(tài)循環(huán)利用的新模式，分別在嘉興稻麥輪作區(qū)和淳安茶園進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證與應(yīng)用。

1 沼液生態(tài)循環(huán)利用新模式

1.1 “林地-稻田定量灌溉+非灌溉期膜法濃縮+排出水凈化回用”種養(yǎng)耦合循環(huán)利用模式

在嘉興南湖區(qū)科皇牧業(yè)公司創(chuàng)建的種養(yǎng)耦合沼液循環(huán)利用模式，是充分依托該公司周邊賦存的生態(tài)條件(20 hm2農(nóng)田與近0.33 hm2樟樹(shù)林地)，同時(shí)考慮與當(dāng)?shù)噩F(xiàn)行的稻-麥和稻-油輪作體系有機(jī)結(jié)合?？苹誓翗I(yè)是一家中等規(guī)模(5 000頭存欄)的生豬養(yǎng)殖場(chǎng)，采用糞污混合的“水泡糞”清糞養(yǎng)殖技術(shù)，沼液富含作物所需各種養(yǎng)分。

項(xiàng)目組研發(fā)的沼液利用模式由3個(gè)模塊組合而成(圖1)。第一模塊是沼液直灌。在農(nóng)田和林地需要灌溉時(shí)進(jìn)行，灌溉前在農(nóng)田的田埂邊布設(shè)管道或利用已有可輸送沼液的水溝，在林地的林帶間開(kāi)溝確保沼液通過(guò)順暢且不積水；根據(jù)估算確定沼液灌溉量，沼液從沼液池中提取沿溝渠或布設(shè)的管道進(jìn)入農(nóng)田和林地；林地沒(méi)有吸收利用的沼液，可再排入稻田進(jìn)一步利用吸納。為了減少管道和溝渠堵塞的情況，可在灌溉前通過(guò)重力沉淀和電絮凝或化學(xué)絮凝方法去除部分懸浮有機(jī)物。第二模塊是沼液膜法濃縮?？紤]周邊農(nóng)田林地?zé)o法安全消納牧場(chǎng)全部的養(yǎng)殖沼液，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不能進(jìn)行沼液灌溉的季節(jié)，通過(guò)工廠化的沼液膜濃縮-配肥技術(shù)濃縮貯存外運(yùn)利用。第三模塊是膜濃縮尾水或農(nóng)田與林地的排出水通過(guò)凈化處置再循環(huán)利用。膜濃縮產(chǎn)生的尾水以及通過(guò)林地(樟樹(shù))和稻田利用后的排出水通過(guò)生態(tài)溝渠初級(jí)凈化和池塘沉水植物再凈化，進(jìn)入豬場(chǎng)回用或排入河道。

圖1 沼液林地稻田灌溉與膜濃縮沼液肥及尾水的循環(huán)利用

經(jīng)過(guò)上述3個(gè)模塊的運(yùn)行，不僅實(shí)現(xiàn)了沼液中養(yǎng)分和水分的全年資源化循環(huán)利用，而且保證了排出的尾水達(dá)標(biāo)排放或牧場(chǎng)回用，有利于水資源利用和環(huán)境水體的保護(hù)。

1.2 茶園“沼液配送+絮凝+水肥一體”噴滴灌的生態(tài)循環(huán)利用模式

利用淳安縣汾口強(qiáng)龍茶場(chǎng)地處低山丘陵的地貌特點(diǎn)，在茶園最高處興建50 m3的沼液儲(chǔ)存池，同時(shí)組裝沼液混凝沉淀一體化設(shè)備、加壓泵、自動(dòng)反沖洗疊片過(guò)濾器、比例施肥器、壓力補(bǔ)償式滴灌帶等，完成百畝沼液噴滴灌系統(tǒng)建設(shè)(圖2)。在具體生產(chǎn)管理中，將沼液作為有機(jī)替代化學(xué)肥料技術(shù)的重要部分，與有機(jī)肥和綠肥等利用有機(jī)結(jié)合，制定出有機(jī)茶生產(chǎn)的養(yǎng)分全程供應(yīng)和病蟲(chóng)綜合綠色防控技術(shù)解決方案，即在秋季茶園翻耕時(shí)施用以蠶沙為主要原料的茶葉專(zhuān)用有機(jī)肥；引進(jìn)白三葉和黑麥草綠肥品種混播茶園行間，進(jìn)行茶園土壤改良和生態(tài)培肥；利用沼液噴灌等設(shè)施，將發(fā)酵沼液勻追施到茶園；利用黃板-綠板(誘蟲(chóng)板)合理間作誘殺和壓制蚜蟲(chóng)、粉虱和小綠葉蟬蟲(chóng)口基數(shù)，采用苦參堿等植物源農(nóng)藥控害。通過(guò)全程施用有機(jī)養(yǎng)分和病蟲(chóng)綠色防控，使茶葉生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了向有機(jī)茶生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型和提質(zhì)增效。

圖2 養(yǎng)殖沼液在茶園資源化利用的模式

該模式的運(yùn)行步驟如下：1)由縣沼液配送中心通過(guò)專(zhuān)用槽罐車(chē)將經(jīng)發(fā)酵的沼液送達(dá)至茶園，存入沼液儲(chǔ)存池；2)沼液經(jīng)過(guò)化學(xué)絮凝裝置，絮凝去除懸浮在沼液中的細(xì)小有機(jī)物(SS)，以解決噴滴灌過(guò)程中堵塞噴頭問(wèn)題；3)根據(jù)茶園生長(zhǎng)需要設(shè)計(jì)灌溉量，并進(jìn)行噴灌或滴灌，必要時(shí)用清水調(diào)節(jié)沼液濃度，實(shí)現(xiàn)沼液的定量灌溉；4)完成沼液噴滴灌作業(yè)后及時(shí)清理管道，以免沼液對(duì)噴滴灌相關(guān)部件的腐蝕。

2 沼液利用新模式的運(yùn)行效果

2.1 沼液種養(yǎng)耦合循環(huán)利用模式的運(yùn)行效果

由表1可知，采用傳統(tǒng)生化方法處置沼液，處理成本在8～10元·m-3，年總處理成本達(dá)14.60萬(wàn)～18.25萬(wàn)元，但在冬季低溫條件下沼液生化處置無(wú)法達(dá)標(biāo)排放，必須進(jìn)入污水處理系統(tǒng)再處理。而采用“林地-稻田定量灌溉+非灌溉期膜濃縮+排出水凈化回用”的沼液循環(huán)利用模式，該牧場(chǎng)每年產(chǎn)生的1.825萬(wàn)t沼液中，約有70%可通過(guò)稻-麥輪作系統(tǒng)的農(nóng)田消納利用，剩余的30%通過(guò)膜法濃縮(濃縮5倍左右，濃縮成本約為20元·m-3)后運(yùn)至外地農(nóng)田進(jìn)行利用，也可通過(guò)配制水溶性復(fù)合液體肥將其商品化，可增值20%以上。同時(shí)，約有75%以上的尾水(排水)通過(guò)植物和微生物聯(lián)合生態(tài)凈化后在牧場(chǎng)內(nèi)得到回用(沖洗欄舍或牧場(chǎng)園林綠化)，從而通過(guò)沼液帶出的養(yǎng)分2 883 kg和1.8萬(wàn)m3水資源全部得到有效利用。

表1 沼液種養(yǎng)耦合循環(huán)利用模式效果

2.2 茶園一體噴滴灌生態(tài)循環(huán)利用模式的運(yùn)行效果

在淳安縣汾口強(qiáng)龍茶場(chǎng)的茶園設(shè)3個(gè)處理的大區(qū)示范性試驗(yàn)，以常規(guī)施用化肥為對(duì)照。設(shè)每年沼液噴(滴)灌4次，每次300 m3·hm-2的沼液利用處理(替代15.83%化學(xué)肥料)和沼液噴(滴)灌+有機(jī)肥施用+行間種植綠肥處理(替代53.3%化學(xué)肥料)。

由表2可知，沼液利用處理中，用沼液灌溉替代15.83%化學(xué)養(yǎng)分，節(jié)約化肥投入190 kg·hm-2，按6.0元·kg-1計(jì)算，節(jié)約化肥投入1 140元·hm-2；通過(guò)水肥一體化技術(shù)節(jié)約人工6 000元·hm-2；因沼液替代了部分化肥，提高了茶葉的品質(zhì)，3年茶葉的產(chǎn)值較常規(guī)對(duì)照平均增加6 000元·hm-2。三項(xiàng)共計(jì)節(jié)本增效達(dá)13 140元·hm-2。但由于沼液絮凝過(guò)濾工序增加了2元·m-3的成本，該工序增加的成本為2 400元·hm-2，因此，實(shí)際增加的直接經(jīng)濟(jì)效益為10 740元·hm-2。相較于常規(guī)對(duì)照處理(CK)，替代53.3%化學(xué)肥料的“沼液+有機(jī)肥+行間種植綠肥”處理，其經(jīng)濟(jì)效益增加12 540元·hm-2，效果更為顯著。

表2 “沼液配送+絮凝+水肥一體噴滴灌”的茶園生態(tài)循環(huán)利用模式效果

注：化學(xué)養(yǎng)分用量以(N+P2O5+K2O)kg·hm-2計(jì)。沼液利用處理：沼液中N、P2O5和K2O含量分別為1 000、80和500 mg·kg-1，總含量平均按0.015 8%計(jì)，折合氮磷鉀養(yǎng)分投入量為190 kg·hm-2；除沼液提供的養(yǎng)分外，其他養(yǎng)分(1 010 kg·hm-2)使用化學(xué)肥料。沼液由政府派送，不計(jì)成本，但絮凝過(guò)濾的成本2元·m-3計(jì)。沼液+有機(jī)肥+綠肥：沼肥用量與次數(shù)同沼液利用處理；商品有機(jī)肥氮磷鉀含量6%，每年秋冬季施用1次，用量6 t·hm-2；商品有機(jī)肥按照650元·t-1計(jì)價(jià)。綠肥平均每年可提供氮磷鉀90 kg·hm-2，種子按750元·hm-2計(jì)價(jià)。常規(guī)管理用肥：N、P2O5、K2O用量分別為900、45和135 kg·hm-2，總計(jì)1 200 kg·hm-2；化肥按基肥+2次追肥的施用方法進(jìn)行；平均養(yǎng)分的單價(jià)以6元·kg-1計(jì)。節(jié)約人工：沼液利用處理和沼液+有機(jī)肥+綠肥處理，由于追肥施用噴滴灌技術(shù)，每公頃可節(jié)約追肥2次的用工，即60個(gè)工作日(每日澆灌1 hm2·人-1)，按照100元·d-1的薪酬計(jì)算。

3年來(lái)，強(qiáng)龍茶園通過(guò)沼液追施及有機(jī)肥、綠肥應(yīng)用等有機(jī)替代技術(shù)，輔以茶園病蟲(chóng)綜合綠色防控技術(shù)的應(yīng)用，化肥用量和化學(xué)農(nóng)藥用量減少，累計(jì)增加經(jīng)濟(jì)效益100余萬(wàn)元。此外，連續(xù)3年利用沼液處理的茶園土壤有機(jī)質(zhì)為13.4～15.6 g·kg-1，而“沼液+有機(jī)肥+綠肥”處理的土壤有機(jī)質(zhì)增至23.5 g·kg-1，在變廢為寶、提升土壤肥力的同時(shí)，茶園生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。

2.3 2種沼液利用創(chuàng)新模式的應(yīng)用分析

2.3.1 2種沼液資源化利用模式應(yīng)用的條件與適用范圍

2種沼液資源化利用模式的適用條件與范圍不同?！傲值?果園)-稻田定量灌溉+非灌溉期膜法濃縮+排出水凈化回用”種養(yǎng)耦合循環(huán)利用模式適合牧場(chǎng)周邊具有較大農(nóng)田消納面積，且有種植林果和糧油作物輪作的生產(chǎn)系統(tǒng)，適用于養(yǎng)殖規(guī)模較大的牧場(chǎng)和配置有沼液膜濃縮裝備。為了尾水或排出水的資源化回用，還需要有一定面積的水塘或濕地，以確保凈化效果?！罢右号渌?絮凝+水肥一體噴滴灌”的生態(tài)循環(huán)利用模式適用于距離養(yǎng)殖場(chǎng)較遠(yuǎn)、地處丘陵低山的農(nóng)區(qū)，特別是種植茶葉、果園、設(shè)施蔬菜等經(jīng)濟(jì)效益較高的農(nóng)作體系，同時(shí)需要配備沼液運(yùn)輸車(chē)、沼液儲(chǔ)存池和絮凝設(shè)備設(shè)施。

表3列出了不同清糞工藝的沼液水質(zhì)狀況。由于水泡糞清糞方式的用水量較多，相較于干清糞方式而言，其沼液中CODcr、氨氮、總氮、總磷和鹽含量均較低；SS則視沼液儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)短和是否攪動(dòng)而變異較大。因此，在農(nóng)田灌溉時(shí)要充分考慮沼液來(lái)源(養(yǎng)分和鹽分的高低)，酌情調(diào)整單位面積的施用量。

表3 不同清糞工藝的沼液水質(zhì)指標(biāo) mg·L-1

2.3.2 沼液資源化利用過(guò)程中可能產(chǎn)生的氮磷、抗生素和重金屬積累污染的風(fēng)險(xiǎn)

為了促進(jìn)生豬快速生長(zhǎng)，養(yǎng)殖飼料中添加有各類(lèi)抗生素和銅、鋅等微量元素，因而沼液攜帶不同數(shù)量的重金屬和抗生素很可能會(huì)在利用過(guò)程中對(duì)土壤和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。衛(wèi)丹等[6]研究發(fā)現(xiàn)，沼液中10種抗生素的濃度最高達(dá)1 000 μg·L-1以上，超過(guò)歐盟水環(huán)境抗生素的閾值。施用沼液后土壤中抗生素類(lèi)獸藥殘留檢出率為41.7%，環(huán)丙沙星類(lèi)殘留量為9.66 mg·kg-1，均高于對(duì)照土壤[7]。筆者采集了浙江省部分市區(qū)養(yǎng)殖場(chǎng)的沼液，檢測(cè)了氨氮、T-N、T-P、SS、全鹽量、CODcr(以重鉻酸鉀(K2Cr2O7)作為氧化劑測(cè)定的化學(xué)耗氧量)、銅、鋅及土霉素、泰妙菌素等8種抗生素。

表4顯示，11個(gè)沼液樣品中，T-N、T-P、SS、全鹽量和CODcr均有較大差異；8種抗生素中土霉素的檢出量最高，泰妙菌素有9份檢出，磺胺噻唑、磺胺甲惡唑、磺胺地索辛、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲二唑、四環(huán)霉素等6種均未檢出。重金屬銅、鋅也有檢出，且含量有差異。因此，當(dāng)單次用量過(guò)大，或長(zhǎng)期高量使用沼液，可能會(huì)引起土壤含鹽量增加、氮磷養(yǎng)分淋失及抗生素和銅鋅積累的可能。建議在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)作物類(lèi)型、生態(tài)條件等進(jìn)行科學(xué)施用。

表4 浙江省2018年部分市區(qū)養(yǎng)殖場(chǎng)的沼液檢測(cè)結(jié)果

3 小結(jié)

傳統(tǒng)的沼液農(nóng)田灌溉模式只能在養(yǎng)殖場(chǎng)周邊農(nóng)田進(jìn)行推廣應(yīng)用，且存在抗生素、重金屬等對(duì)水體和農(nóng)田的污染風(fēng)險(xiǎn)。本文在傳統(tǒng)沼液利用方式基礎(chǔ)上，建立了2個(gè)沼液生態(tài)循環(huán)利用的新模式，分別在稻區(qū)和茶園進(jìn)行應(yīng)用。結(jié)果表明，采用“林地-稻田定量灌溉+非灌溉期膜濃縮+排出水凈化回用”的沼液循環(huán)利用模式，牧場(chǎng)產(chǎn)生的沼液可以在類(lèi)似(林)稻-麥生產(chǎn)系統(tǒng)的農(nóng)田土壤中消納和通過(guò)膜法濃縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)農(nóng)田的利用；濃縮沼液還可通過(guò)配制水溶性復(fù)合液體肥將其商品化進(jìn)一步增值，同時(shí)濃縮產(chǎn)生的尾水通過(guò)植物和微生物聯(lián)合生態(tài)凈化后用于沖洗欄舍或牧場(chǎng)園林綠化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)沼液中養(yǎng)分和水得到充分資源化利用。茶園采用“沼液配送+絮凝+水肥一體”噴滴灌的生態(tài)循環(huán)利用模式，通過(guò)自動(dòng)化噴滴灌技術(shù)實(shí)現(xiàn)沼液在茶園的高效應(yīng)用和化學(xué)肥料的部分替代，既提高茶葉產(chǎn)量與品質(zhì)，又提升茶園土壤肥力；特別是與綠肥和商品有機(jī)肥的結(jié)合應(yīng)用，可進(jìn)一步提升茶葉品質(zhì)，有望實(shí)現(xiàn)有機(jī)茶生產(chǎn)，產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)效益。開(kāi)發(fā)養(yǎng)殖沼液資源化利用新模式，對(duì)于最大限度利用消納養(yǎng)殖廢水，在抗生素、重金屬等對(duì)水體和農(nóng)田的污染風(fēng)險(xiǎn)可控的前提下使其變廢為寶，具有重要的生產(chǎn)指導(dǎo)意義。