仇學(xué)峰， 王紹新， 王建東*， 王海濤，3， 孫越超

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081; 2.京藍(lán)科技股份有限公司， 北京 100015； 3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083； 4.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院， 河北 邯鄲 056000)

中國是養(yǎng)殖大國。2017年畜禽糞污排泄總量就達(dá)38億t[1]，一旦處理不當(dāng)，將會(huì)造成水體富營養(yǎng)化、氨揮發(fā)、病原體傳播等二次污染[2-3]。近年來，習(xí)近平總書記提出的“兩山理論”高度彰顯了國家對生態(tài)環(huán)境發(fā)展的重視，養(yǎng)殖業(yè)畜禽糞污的高效清潔處理關(guān)乎到國家鄉(xiāng)村振興和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的重要戰(zhàn)略布局。我國農(nóng)業(yè)的集約化程度尚處于起步階段，無法像歐洲等國將畜禽糞污集中還田處理[4]，如何高效、清潔、經(jīng)濟(jì)地處理畜禽廢棄物就成為限制農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

沼液作為畜禽糞污資源主要的體現(xiàn)形式之一，被視為畜禽糞污處理的難點(diǎn)[4]。目前沼液的處理方式主要包括工藝性達(dá)標(biāo)處理、自然生態(tài)凈化和資源化利用[5]。近年來，越來越多的學(xué)者指出，沼液營養(yǎng)豐富，處理得當(dāng)可成為可再生能源生產(chǎn)的寶貴資源和農(nóng)業(yè)養(yǎng)分來源[6-7]。不僅可以提升作物品質(zhì)和產(chǎn)量[8]，還有助于改善土壤結(jié)構(gòu)[9]，增加生物活性物質(zhì)[10]。因此，與達(dá)標(biāo)處理和生態(tài)凈化相比，沼液的資源化利用不僅響應(yīng)了我國化肥減量增效和有機(jī)肥替代化肥的號召，也為解決畜禽糞污的超負(fù)荷堆積問題提出了變廢為寶的新思路。

現(xiàn)狀下，國內(nèi)沼液還田施用方式較為粗放[11]，沼液多伴隨傳統(tǒng)的漫灌方式進(jìn)行還田利用，這種方式不僅會(huì)導(dǎo)致面源污染、養(yǎng)分淋失和土壤鹽化板結(jié)等風(fēng)險(xiǎn)，而且需要花費(fèi)大量運(yùn)輸成本。國外的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明，結(jié)合農(nóng)田高效灌溉管網(wǎng)及其工程設(shè)施，實(shí)現(xiàn)沼液、清水和其他肥料混合下的水肥一體化技術(shù)運(yùn)行，是實(shí)現(xiàn)沼液高效還田利用的重要途徑。滴灌作為省工高效、精量可控的灌水方式，是沼液實(shí)現(xiàn)還田高效利用過程中最具潛力的技術(shù)和工程載體[12]。然而由于沼液中復(fù)雜的成分組成，灌水器堵塞問題是制約沼液滴灌技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸，及時(shí)分析沼液滴灌技術(shù)的優(yōu)勢性，并總結(jié)分析沼液滴灌系統(tǒng)抗堵塞研究亟需關(guān)注的方面，有助于進(jìn)一步明晰沼液滴灌存在的技術(shù)難點(diǎn)，找準(zhǔn)沼液滴灌技術(shù)研究的切入點(diǎn)，促進(jìn)沼液滴灌技術(shù)科學(xué)高效的推廣應(yīng)用。

1 沼液滴灌技術(shù)優(yōu)勢性分析

1.1 沼液滴灌符合我國集約化、規(guī)?；F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展方向

我國的農(nóng)田還處于由散戶經(jīng)營向合作社經(jīng)營轉(zhuǎn)變的階段[2]，但歐洲國家，如丹麥、奧地利、德國等都已經(jīng)完成了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)型，在處理畜禽糞污的問題上，不需要過多的考慮沼液高成本的儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)葐栴}[13]。滴灌是適應(yīng)我國農(nóng)業(yè)集約化、規(guī)?；l(fā)展的重要技術(shù)，單個(gè)滴灌系統(tǒng)可以控制600～1500畝農(nóng)田，最大可達(dá)數(shù)萬畝[14]。多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，滴灌技術(shù)具有明顯的節(jié)水增產(chǎn)、省工高效和精量可控等優(yōu)勢，伴隨著我國農(nóng)業(yè)集約化和規(guī)?；?jīng)營管理的發(fā)展趨勢，借助滴灌技術(shù)實(shí)施沼液還田將有廣闊的推廣與應(yīng)用前景。

1.2 沼液滴灌是解決沼液大量過剩的重要技術(shù)和工程載體

目前，沼液還田施用方式主要是葉面噴施和根施，雖然很多學(xué)者通過葉面噴施的方式實(shí)現(xiàn)了作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，甚至增加了經(jīng)濟(jì)收益，但考慮沼液中病原體的傳播風(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)為噴施的施用方式存在一定風(fēng)險(xiǎn)；在根施方式中，包括沼液穴貯、與無機(jī)肥配施、與秸稈配施、作為無土栽培營養(yǎng)液等，作用方式多通過“水肥穴”或作為基肥施用[15]。作為基肥根施雖能消耗一部分沼液，但使用時(shí)間過于集中，很難解決養(yǎng)殖場沼液大量過剩的矛盾，滴灌可以實(shí)現(xiàn)水、沼液以及其它肥料的水肥一體化應(yīng)用，通過合理的預(yù)處理、水肥匹配模式，結(jié)合安全的系統(tǒng)運(yùn)行管護(hù)模式，可適時(shí)適量地將沼液肥高效施入田間。

1.3 沼液滴灌可減少沼液中病原體的傳播

沼液中含有對人體和動(dòng)物健康構(gòu)成威脅的致病菌[16]，如沙門氏菌、李斯特菌、大腸桿菌、彎曲桿菌、梭狀芽孢桿菌和耶爾森氏菌。這些細(xì)菌都是人畜共患病原體，且大多來自患病動(dòng)物的糞便和尿液，其中，沙門氏菌是最有可能通過動(dòng)物糞便和污水污泥在環(huán)境中傳播的病原體之一[17]。相比地面灌水方式，滴灌可以減少病原體在空中的傳播，從而最大限度地減少病原體與人類和動(dòng)物的直接接觸[18]。此外，沼液還可作為抑菌劑應(yīng)用于農(nóng)田病蟲害防治，新鮮牛沼液對番茄灰霉病菌、番茄早疫病菌、辣椒疫病菌、辣椒綿腐病菌、黃瓜炭疽病菌以及茄子灰霉病菌均表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制作用[19]。

1.4 沼液滴灌在實(shí)際應(yīng)用中呈現(xiàn)良好效益

沼液營養(yǎng)成分豐富、可做速效養(yǎng)分供作物吸收利用[20]。隋好林[21]等研究了沼液滴灌對日光溫室番茄和土壤理化性狀的影響，12～14 t·0.0667hm-2的沼液處理下番茄的產(chǎn)量和單果重分別提高了20.7%、18.4%，番茄的部分品質(zhì)也有所提升。且土壤中堿解氮含量提高了25.4%，速效磷含量提高了13.4%，速效鉀、有機(jī)質(zhì)的含量分別提高了 49.6%和30.7%；沼液滴灌還增加了土壤放線菌和真菌數(shù)量，降低了土壤中細(xì)菌的數(shù)量。劉鵬翔[22]等研究發(fā)現(xiàn)在沙化土壤中應(yīng)用沼液滴灌系統(tǒng)使獼猴桃水肥利用效率提高63%，生產(chǎn)成本降低42%，經(jīng)濟(jì)效益提高45%以上，降低了生產(chǎn)費(fèi)用和勞動(dòng)強(qiáng)度，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

總體而言，從資源節(jié)約型社會(huì)、農(nóng)業(yè)規(guī)?；途G色循環(huán)發(fā)展等國家發(fā)展需求出發(fā)，沼液滴灌技術(shù)都將具有顯著的優(yōu)勢和推廣應(yīng)用前景，也必將是養(yǎng)殖業(yè)糞污資源化高效利用的重要實(shí)現(xiàn)途徑和技術(shù)載體。

2 沼液滴灌抗堵塞研究需重點(diǎn)關(guān)注的方面

2.1 沼液滴灌預(yù)處理與物理堵塞控制方法研究

滴灌系統(tǒng)能否持久運(yùn)行與水源的水質(zhì)狀況密不可分，相比傳統(tǒng)水肥一體化滴灌技術(shù)，沼液進(jìn)入滴灌系統(tǒng)之前，需要進(jìn)行嚴(yán)格的預(yù)處理和過濾措施。目前，圍繞沼液滴灌物理堵塞控制方法的研究還未形成系統(tǒng)的成果，學(xué)者大多通過深度預(yù)處理的方法來降低沼液進(jìn)入滴灌系統(tǒng)后造成灌水器堵塞的概率，常見的沼液預(yù)處理方法用于沼液滴灌系統(tǒng)抗物理堵塞時(shí)的優(yōu)點(diǎn)及局限性如表1所示。這些方法主要包括臭氧氧化、真空紫外線光降解處理[23]、電場預(yù)處理[24]、絮凝和曝氣[25]等，這些處理措施能夠顯著降低沼液化學(xué)需氧量和濁度，進(jìn)而減少沼液有機(jī)物和懸浮物的含量。一些學(xué)者建立了沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞預(yù)測模型，并提出影響堵塞因素的主次順序[26]。有些學(xué)者通過電磁場[3]、微納米氣泡[27]控制沼液滴灌系統(tǒng)物理堵塞的發(fā)生，取得了較為顯著的效果。此外，一些研究發(fā)現(xiàn)，已堵塞的沼液滴灌系統(tǒng)經(jīng)過長時(shí)間擱置，又出現(xiàn)水力性能恢復(fù)如初的現(xiàn)象[28]，但針對灌溉停歇周期對沼液滴灌系統(tǒng)水力性能恢復(fù)的影響依然鮮有定量報(bào)道。

針對沼液滴灌物理堵塞控制方法的研究方向，未來的研究亟需聚焦如下方面：物理堵塞類物質(zhì)形成過程及隨毛管沖洗遷移沉降機(jī)理；沼液預(yù)處理措施和過濾器組合模式下沼液滴灌系統(tǒng)抗堵塞性能提升機(jī)理與調(diào)控機(jī)制；不同停歇周期及毛管末端沖洗對滴灌系統(tǒng)抗物理堵塞性能恢復(fù)的影響等。

表1 沼液預(yù)處理方法用于沼液滴灌系統(tǒng)抗物理堵塞的優(yōu)點(diǎn)及局限性

2.2 沼液滴灌化學(xué)堵塞控制方法研究

沼液的堿性環(huán)境為很多化學(xué)堵塞物的形成提供了有利條件，極易形成二氧化硅、硅酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽等無機(jī)化合物[34]。此外，沼液濃度較大時(shí)，滴灌系統(tǒng)更易發(fā)生堵塞，原因在于沼液中多數(shù)陽離子與帶負(fù)電的懸浮物結(jié)合形成更大的絮狀團(tuán)聚體[24]。目前主要通過pH值為5.5～6.0的酸液沖洗達(dá)到緩解化學(xué)堵塞物形成或加速其分解的作用，同時(shí)，絮狀團(tuán)聚體的含水率較高，加酸處理能夠促進(jìn)絮狀團(tuán)聚體的脫水過程[35]，從而降低團(tuán)聚體內(nèi)部粘附性。但加酸處理對沼液絮狀團(tuán)聚體的脫水程度以及配合毛管沖洗的運(yùn)行效果有待研究。有學(xué)者通過微納米氣泡[27]控制的方式能夠顯著降低化學(xué)堵塞物質(zhì)的含量，但作用機(jī)理尚不明晰。此外，沼液滴灌系統(tǒng)化學(xué)堵塞物的形成過程也尚不明確?；瘜W(xué)堵塞控制方法用于沼液滴灌系統(tǒng)抗化學(xué)堵塞時(shí)的優(yōu)點(diǎn)及局限性如表2所示，對于沼液滴灌系統(tǒng)而言，相關(guān)方法的實(shí)施技術(shù)參數(shù)需要進(jìn)一步明晰。

表2 化學(xué)堵塞控制方法用于沼液滴灌系統(tǒng)抗化學(xué)堵塞的優(yōu)點(diǎn)及局限性

針對沼液滴灌堿性條件容易生成化學(xué)堵塞物的特點(diǎn)，未來的研究亟需聚焦如下方面：化學(xué)堵塞物質(zhì)在沼液滴灌系統(tǒng)中的形成過程；加酸處理對化學(xué)堵塞物生成與降解變化過程的影響機(jī)理；加酸處理對沼液絮狀團(tuán)聚體脫水性能及其粘附性變化過程的影響；化學(xué)處理配合毛管末端沖洗對堵塞物質(zhì)的運(yùn)移情況以及對滴灌系統(tǒng)水力性能維護(hù)的影響等。

2.3 沼液滴灌微生物菌群控制方法研究

沼液中微生物菌群極易黏附在滴灌系統(tǒng)中，并從沼液中不斷吸收營養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)會(huì)黏附沼液中其它物理、化學(xué)雜質(zhì)，形成更加復(fù)雜的堵塞物質(zhì)，此外，部分微生物會(huì)隨滴灌系統(tǒng)水力作用向下游繼續(xù)擴(kuò)散[36]，造成滴灌系統(tǒng)更大范圍堵塞。微生物菌群控制方法用于沼液滴灌系統(tǒng)抗生物堵塞時(shí)的優(yōu)點(diǎn)及局限性如表3所示，一些學(xué)者的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過在沼液滴灌系統(tǒng)中培養(yǎng)拮抗菌群可達(dá)到控制滴灌系統(tǒng)生物堵塞的效果[37]，也有些學(xué)者通過電磁場[34]、微納米氣泡[27]控制的措施干擾胞外聚合物的分泌，進(jìn)而影響沼液微生物的黏附過程，較好的實(shí)現(xiàn)了對生物堵塞的控制。再生水滴灌系統(tǒng)采取加入酸液和氯液的方式破壞胞外聚合物的生長實(shí)現(xiàn)對生物堵塞的控制[38]，但在沼液滴灌系統(tǒng)中，加酸加氯對微生物生長及對團(tuán)聚體的作用機(jī)理尚未明晰，且關(guān)于加酸加氯處理對緩解沼液滴灌生物堵塞效果的研究還鮮有報(bào)道。此外，在材料改性方面，有學(xué)者提出引入超疏水涂層的方法減少微生物在滴灌系統(tǒng)中的附著[33]，但相關(guān)定型產(chǎn)品及其性能測試結(jié)果未見有報(bào)道。

圍繞沼液滴灌系統(tǒng)緩解或控制生物堵塞的研究方向，未來的研究亟需聚焦如下方面：沼液滴灌系統(tǒng)優(yōu)勢菌群時(shí)空變化特征及不同菌群間粘附性特征差異；加酸加氯處理對沼液滴灌系統(tǒng)團(tuán)聚類堵塞物質(zhì)的破壞機(jī)理及對滴灌帶管壁及流道內(nèi)粘附性沼液脫落的作用機(jī)制；改性材料抑制微生物附著管壁的作用機(jī)理等。

表3 微生物菌群控制方法用于沼液滴灌系統(tǒng)抗生物堵塞的優(yōu)點(diǎn)及局限性

2.4 沼液滴灌系統(tǒng)高效抗堵專用產(chǎn)品研發(fā)

相比傳統(tǒng)灌溉水源，沼液和清水混配后的水質(zhì)成分較為復(fù)雜，且沼液每次隨水滴灌時(shí)吸入量較大，常規(guī)的滴灌設(shè)備在一定程度上很難滿足沼液滴灌系統(tǒng)的正常運(yùn)行。關(guān)乎沼液滴灌系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備包括施肥裝置、過濾裝置、灌水器和尾部沖洗裝置等。有些學(xué)者針對沼液易引起堵塞的特點(diǎn)，提出了實(shí)現(xiàn)粘稠分離的自清洗智能過濾設(shè)備，能夠滿足滴灌的用水要求[40]，但仍需一定過濾周期，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線過濾。針對沼液滴灌系統(tǒng)每次灌水施肥過程中較大沼液吸入量的需求(沼液與清水的配比一般處于1∶5～1∶10)，研發(fā)具有大吸肥量性能的施肥裝置也極為迫切。此外，對于沼液滴灌系統(tǒng)而言，如何解決自動(dòng)定期沖洗的問題也尤為重要，沼液滴灌系統(tǒng)中的堵塞物需要通過定期沖洗的方式排出[41]，現(xiàn)有尾部沖洗閥大多不能配合滴灌系統(tǒng)在任意時(shí)間實(shí)現(xiàn)毛管自動(dòng)沖洗，且成本較高，多為國外產(chǎn)品。

針對沼液滴灌系統(tǒng)極為特殊的灌溉水質(zhì)成分，亟需研發(fā)沼液滴灌系統(tǒng)高效抗堵專用產(chǎn)品，重點(diǎn)應(yīng)聚焦于高效自清潔功能的沼液滴灌專用過濾器、大吸肥量經(jīng)濟(jì)型文丘里施肥器及施肥機(jī)系統(tǒng)、大流量高抗堵滴灌灌水器、毛管末端自動(dòng)沖洗閥等產(chǎn)品。

3 小結(jié)

從以上文獻(xiàn)綜述結(jié)果分析來看，沼液滴灌技術(shù)是養(yǎng)殖業(yè)糞污資源化高效利用的重要實(shí)現(xiàn)途徑和技術(shù)載體，具有廣闊的應(yīng)用前景。能否有效解決沼液滴灌下灌水器的堵塞問題是沼液滴灌技術(shù)能否成功推廣應(yīng)用的關(guān)鍵，現(xiàn)有灌水器堵塞控制方法的研究成果主要針對高含沙水、再生水和其它常規(guī)水源，未見系統(tǒng)性關(guān)于沼液滴灌系統(tǒng)堵塞控制方法，尤其在生物堵塞方面，目前還未見較為系統(tǒng)和詳實(shí)的堵塞機(jī)理方面的報(bào)道。沼液成分復(fù)雜，沼液中胞外聚合物與懸浮物之間的作用機(jī)理以及對滴灌系統(tǒng)堵塞的影響尚不清晰。此外，現(xiàn)有灌水器、過濾器等滴灌關(guān)鍵設(shè)備較難滿足沼液滴灌系統(tǒng)的工作需求，研發(fā)沼液滴灌高抗堵專用系列產(chǎn)品極為迫切。通過相關(guān)文獻(xiàn)的分析和總結(jié)，剖析了沼液滴灌系統(tǒng)在物理堵塞、化學(xué)堵塞以及生物堵塞控制方法研究與沼液滴灌專用產(chǎn)品研發(fā)等方面的研發(fā)現(xiàn)狀和不足，提出了沼液滴灌系統(tǒng)抗堵塞機(jī)理研究和專用產(chǎn)品研發(fā)亟需重點(diǎn)關(guān)注的方面，相關(guān)結(jié)論可為沼液滴灌技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)提供一定參考和借鑒。但總體而言，沼液滴灌技術(shù)在我國還處于探索和起步階段，圍繞沼液滴灌灌水器堵塞控制方法研究、專用設(shè)備研發(fā)、系統(tǒng)安全高效運(yùn)行管護(hù)技術(shù)模式等還需要開展大量的科學(xué)研究，以最終支撐沼液作為有機(jī)液態(tài)肥實(shí)現(xiàn)資源化高效還田利用。