中小规模养猪场沼气发酵产物对土壤质量的影响

中小规模养猪场沼气发酵产物对土壤质量的影响

摘要：为解决中小规模养猪场沼气发酵产物的合理利用，调查了安康市１０７个养猪场对沼气发酵产物的利用现状，并分别采集了１６家养猪场附近４种不同类型土壤，测定土壤养分及盐分含量。结果表明，各养猪场对沼气发酵产物中沼液和沼渣的利用率不足５０％，就近堆、排放较为普遍。堆、排放沼渣和沼液耕地土壤有机质、全氮、硝态氮、有效磷、速效钾平均含量比未堆、排放耕地土壤分别增加了３８．４６％、１１．３９％、４．７５％、１１．０２％、１８．６９％，对全磷和全钾含量影响不明显；在设施菜地施用沼液和沼渣土壤有机质、有效磷、速效钾平均含量比未施用的设施菜地土壤平均含量分别增加了１６．１６％、１２．３０％、６．２８％，全氮、全磷、全钾及硝态氮含量变化不明显；对４种不同土壤类型土壤盐分含量及ｐＨ值均无明显影响。养猪场沼气发酵产物对提高土壤肥力，改善土壤性质有明显作用，不合理利用引起的资源浪费，以及由此带来的环境问题也值得关注。

关键词：沼气发酵产物；利用现状；土壤质量；安康市

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

ＧＵＯ Ｑｕａｎ－ｚｈｏｎｇ１，ＨUANG Ｃｈａｎｇ－ｈｏｎｇ２，ＺＨＵ Ｊｉ－ｃｏｎｇ３，ＣＨＡＮＧ Ｑｕａｎ－ｊｉ１

（１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ａｎｋａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ａｎｋａｎｇ ７２５０００， Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｕｒａｌ Ｅｎｅｒｇｙ， Ｈａｎｂｉｎ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ， Ａｎｋａｎｇ ７２５０００， Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ；

３． Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓｔａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｓｈｉｔｉ Ｔｏｗｎｓｈｉｐ， Ｈａｎｂｉｎ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ， Ａｎｋａｎｇ ７２５００７， Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Tｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｂｉｏｇａｓ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｉｎ １０７ ｐｉｇ ｆａｒｍｓ ｉｎ Ａｎｋａｎｇ cｉｔｙ was surveyed． Ｆｏｕｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓｏｉｌｓ ｎｅａｒ １６ ｐｉｇ ｆａｒｍｓ ｗｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ ａｎｄ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｌｔｓ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｓｕｒｖｅｙ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ there was ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ５０％ ｏｆ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｂｉｏｇａｓ ｓｌｕｒｒｙ ａｎｄ ｂｉｏｇａｓ ｒｅｓｉｄｕｅ ｏｆ ｂｉｏｇａｓ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｉｇ ｆａｒｍｓ． Ｓｔａｃｋｉｎｇ ｏｒ ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｐｉｇ ｆａｒｍｓ ｗｅｒｅ ｕｓｕａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅｓｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ． Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｎ ｓｏｉｌ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ， ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ， ＮＯ３－Ｎ， ａｖａｉｌａｂｌｅ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ａｎｄ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ３８．４６％， １１．３９％， ４．７５％， １１．０２％ ａｎｄ １８．６９％ ｉｎ ｓｏｉｌｓ ｓｔａｃｋｅｄ ｏｒ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ ｂｉｏｇａｓ ｓｌｕｒｒｙ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｕｅ， ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｏｉｌｓ ｏｆ ｎｏｎｅ ｓｔａｃｋｅｄ ｏｒ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ， ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｈａｄ ｎｏ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｃｈａｎｇｅ． Ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ， ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ， ａｖａｉｌａｂｌｅ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ａｎｄ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ １６．１６％， １２．３０％ ａｎｄ ６．２８％ ｉｎ ｓｏｉｌ ｏｆ ｓｔａｃｋｅｄ ｏｒ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ ｂｉｏｇａｓ ｓｌｕｒｒｙ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｕｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｏｉｌｓ ｏｆ ｎｏｔ ｂｅｅｎ ｓｔａｃｋｅｄ ｏｒ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ， ｔｏｔａｌ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ， ｔｏｔａｌ ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ａｎｄ ＮＯ３－Ｎ ａｌｓｏ ｈａｄ ｎｏ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｃｈａｎｇｅ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｓａｌｔ ａｎｄ ｐＨ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ４ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｏｉｌｓ ｄｉｄ ｎｏｔ ｃｈａｎｇｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ． Ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｏｆ ｂｉｏｇａｓ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｉｇ ｆａｒｍｓ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ， ｈｏｗｅｖｅｒ， ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐａｉｄ ｔｏ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｉｓｓｕｅｓ ａｎｄ ｗａｓｔｅ ｏｆ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｉｒｒａｔｉｏｎａｌ ｕｓｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｂｉｏｇａｓ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ； ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｔａｔｕｓ； ｓｏｉｌ ｑｕａｌｉｔｙ； Ａｎｋａｎｇ ｃｉｔｙ

规模养猪场是专业化、集约化生产方式，也是农业产业化经营的发展趋势。但每年这些养猪场产生大量的粪便、污水等废弃物，如果得不到妥善处置和充分利用，将对环境产生很大的危害，不仅恶化了畜牧业自身的生产环境，而且对周边大气、水、土壤等人类生存环境形成污染，严重威胁着城乡的生态安全。目前国内外关于猪场废弃物处理技术方面的研究报道较多［１－４］，其中以沼气工程为核心的生态型养殖场建设是养猪业较为普遍的发展模式，为解决养殖场环境污染，提供生产生活用能和有机肥源等方面发挥了极大的作用。但在发展过程中也逐渐暴露出诸多问题，多数中小规模养殖场由于受到诸多条件www.LWlm.cOm的限制，不具备后续处理条件和设施，对沼气发酵产物的综合利用率非常低，粪便、污水等废弃物经厌氧沼气发酵处理后沼液中的ＣＯＤ、总氮、总磷等含量依然较高［５，６］，无法满足直接排放的要求，如果直接排放又会给当地养殖业、农业环境带来了新的难题。

中小规模养猪场由于种种条件的限制，对沼气发酵产物很难做到高效综合利用，作肥料应用于农业生产是目前较为理想的选择。沼液和沼渣是很好的肥料，对用它们作肥料对作物产量和品质的影响报道也较多［７，８］，而对发酵产物在不同类型土壤中施用对土壤质量的影响却鲜见报道。通过对安康市中小规模养猪场沼气发酵产物综合利用现状调查，结合前人的研究，分析对土壤质量的影响效果，提出设想和建议，为减少环境污染、合理利用资源、提高养猪场经济效益、保证养猪业的持续发展提供理论依据。

１ 材料与方法

２００９年５月至２０１０年９月，对安康市汉滨区、汉阴县、石泉县、旬阳县的１０７户建有沼气池的养猪场沼气发酵产物的利用情况进行现场调查，所调查养殖场大部分是建于２００５年左右、规模在２ ０００头以下的中小型养猪场。从中挑选有代表性的１６家养猪场附近堆、排放沼液、沼渣时间在３年以上的耕地，及这些耕地邻近未堆、排放沼液和沼渣的耕地，同时选择经常用沼液和沼渣施肥的设施菜地以及附近从未用沼液和沼渣施肥的设施菜地共４种类型土壤，分别采集耕层（２０ ｃｍ）土壤样品，测定土壤有机质、全氮、全磷、全钾、硝态氮、有效磷、速效钾、ｐＨ值、盐分（以电导率表示）等含量。

土壤ｐＨ值测定采用电位法，水土比为２．５ １；硝态氮用酚二磺酸比色法；盐分含量采用电导率法，用ＤＤＳ－３０７型电导率仪测定，水土比为５ １；土壤全氮、全磷、全钾、有机质、有效磷、速效钾的测定均采用常规方法［９］。

２结果与分析

２．１安康市中小规模养猪场沼气发酵产物利用现状

截至２００９年底，安康市共有规模养猪场１２ ０００余个，８０％以上属２ ０００头以下的中小型养猪场，５０％以上养猪场设有沼www.LWlm.cOm气工程。这些沼气工程设施能够处理养猪场产生的４０％ ７０％的粪便、污水等废弃物，其产物中沼气主要作为清洁能源应用，约５％用于设施蔬菜中，主要用于加温或采光，多余的沼气直接排放到大气中；沼液和沼渣一部分作肥料（沼肥）用于设施蔬菜生产、农田或水产养殖，一部分就近堆、排放到荒地或水域中，对中小型养猪场沼气发酵产物的利用情况见表１。由表１可知，各养殖场对产生的沼气的利用率较高，达到７５％以上，４０％左右的养殖场能够全部利用，主要用来作为炊事、取暖、加热等的燃料，由于夏季高温时期产生的沼气量较大，５０％左右养殖场会将多余的沼气直接排放到大气中。沼液和沼渣的利用率普遍较低，作肥料应用于设施蔬菜生产不到１０％，普通农田小于５０％，且以就近堆、排放方式为主，约50%被就近堆、排放到荒地或水域中。由于沼气工程一次性投资较大，运行成本较高，发酵产物如果不加以合理利用，不但会降低投资效果，影响企业的经济效益，堆放于附近荒地和排放于附近水域还会对土壤、水、大气等造成新的环境污染［１０，１１］。

２．２养猪场沼气发酵产物对土壤质量的影响

２．２．１对土壤有机质和氮素含量的影响土壤有机质含量是反映土壤肥力的重要指标之一，在培肥地力、改善作物品质及食品风味、提高农产品国际市场的竞争力等方面具有重要作用。土壤全氮含量反映了土壤氮素供应情况，硝态氮含量可反映土壤对当季作物的供氮能力，也是评价土壤质量的重要指标。氮对植物生命活动以及作物产量和品质均有极其重要的影响，合理施用氮肥是获得蔬菜高产的有效措施。

对几种不同类型土壤有机质和氮素含量测定结果见表２，堆、排放沼渣沼液土壤类型Ａ有机质含量变化范围１７．８６ ３２．７７ ｇ／ｋｇ，平均值２４．７３ ｇ／ｋｇ，比附近未堆、排放沼渣、沼液耕地土壤类型Ｂ平均值１７．８６ ｇ／ｋｇ高３８．４７％，施用沼液和沼渣的设施菜地土壤类型Ｄ比未施用沼液和沼渣的设施菜地土壤Ｃ有机质平均含量高１６．１６％，沼液和沼渣对提高土壤有机质含量有较明显的效果。

设施菜地土壤类型Ｃ和Ｄ的全氮含量变化范围分别为１．０６ １．５７、１．０２ １．６４ ｇ／ｋｇ，平均值分别为１．２５、１．２６ ｇ／ｋｇ，二者变化范围和平均值均较接近，土壤类型Ａ全氮含量平均值为０．８８ ｇ／ｋｇ，比Ｂ的平均值０．７９ ｇ／ｋｇ高１１．３９％。从土壤硝态氮含量测定结果看，Ａ平均含量为８３．３３ mｇ／ｋｇ，Ｂ为７９．５５ mｇ／ｋｇ，Ａ比Ｂ高４．７５％，Ｃ与Ｄ的变化范围和平均值间的差异均较小。

以上分析表明，沼液和沼渣无论是以何种方式进入土壤，均能提高土壤有机质含量，这与其自身有机质含量较高有关［１２］，但对不同土壤类型全氮和硝态氮含量影响差异较大，长期堆、排放的耕地土壤全氮含量增幅较大，ＮＯ３－Ｎ含量有小幅度增加；设施菜地土壤全氮和ＮＯ３－Ｎ含量均无明显变化，这可能与设施菜地长期施用氮肥量较大有关［１３］。

２．２．２对不同土壤磷素含量的影响对不同类型土壤全磷和有效磷的测定结果（表３）表明，露地土壤类型Ａ和Ｂ的全磷含量变化范围分别为０．５７ １．１３和０．５８ １．１９ ｇ／ｋｇ，平均值分别为０．８２和０．７８ ｇ／ｋｇ，变化范围和平均值均较为接近；设施菜地土壤类型Ｃ和Ｄ全磷含量的变化范围分别为０．８３ １．４９ 和０．８９ １．５５ ｇ／ｋｇ，平均值分别为１．１４和１．１９ ｇ／ｋｇ，二者之间的值较为接近，但其变化范围和平均值均高于Ａ和Ｂ，其全磷含量高与设施菜地长期施磷量大，引起全磷量的累积有关。

从有效磷含量结果来看，设施菜地土壤类型Ｃ和Ｄ有效磷含量变化范围和平均值均高于耕地土壤类型Ａ和Ｂ，这同样与施用磷肥量有关。土壤类型Ａ和Ｂ的有效磷变化范围分别为３５．５８ ７２．７６ 和３４．８２ ７１．０５ ｍｇ／ｋｇ，也较为接近，但Ａ的平均值为５１．１９ ｍｇ／ｋｇ，较Ｂ的平均值４６．１１ ｍｇ／ｋｇ高１１．０２％。从测定数据分布情况看，Ａ的数值分布在变化范围上限值附近的较多，而Ｂ的数值分布在变化范围下限值附近的较多，初步可认为堆、排放沼渣、沼液对提高土壤有效磷含量有明显的作用。从设施菜地Ｃ和Ｄ的结果看，Ｄ的变化范围和平均值均高于Ｃ，Ｄ的平均值为１２３．４４ ｍｇ／ｋｇ，比Ｃ的平均值１０９．９２ ｍｇ／ｋｇ高１２．３０％，说明在设施菜地施用沼液和沼渣能提高其土壤有效磷含量。

２．２．３对不同土壤钾素含量的影响土壤类型Ａ和Ｂ的全钾含量变化范围分别为６．９５ １０．１４和６．７７ ９．６２ ｇ／ｋｇ，Ａ的平均值为８．８８ ｇ／ｋｇ，较Ｂ的平均值８．１５ ｇ／ｋｇ高８．９６％，设施菜地土壤类型Ｃ和Ｄ的全钾含量变化范围分别为６．８９ １１．２６和７．０６ １１．５３ ｇ／ｋｇ，较为接近，平均值分别为８．９１和９．０７ ｇ／ｋｇ，平均含量也较为接近；土壤类型Ａ和Ｂ的速效钾含量变化范围分别为８２．９６ １８９．５２和８０．１１ １４１．６４ ｍｇ／ｋｇ，Ａ的平均值为１３４．８７ ｍｇ／ｋｇ，较Ｂ的平均值１１３．６３ ｍｇ／ｋｇ高１８．６９％，设施菜地土壤类型Ｃ和Ｄ的速效钾含量变化范围分别为１０１．２２ ２９２．９４和１０５．５４ ２９６．７７ ｍｇ／ｋｇ，Ｄ的平均含量为１８９．５８ ｍｇ／ｋｇ，较Ｃ的平均含量１７８．３８ ｍｇ／ｋｇ高６．２８％（表４）。对于耕层土壤有效钾含量，国内外一般认为，菜地土壤速效钾含量在１５０ ２５０ ｍｇ/ｋｇ之间为适宜范围，大于３５０ ｍｇ/ｋｇ为过量［１４］，如果按这一标准，所调查设施蔬菜地有７１．３％土壤速效钾含量低于适宜范围下限，处于偏低水平，说明当地设施蔬菜栽培钾肥施用量不足。以上测定结果和分析结果表明，沼液和沼渣在土壤中合理施用对改善当地土壤钾素含量有较好的作用。

２．２．４对不同土壤电导率和ｐＨ值的影响土壤的电导率反映了土壤盐分含量状况。由表５可以看出， Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ各土壤类型的电导率变化范围分别为０．２７ ０．３５、０．２６ ０．３７、０．３０ ０．４２、０．２９ ０．４１ ｍＳ／ｃｍ之间，平均值分别为０．２９、０．２９、０．３５、０．３４ ｍＳ／ｃｍ，设施菜地明显高于露地土壤。由于设施蔬菜化肥施用量大，尤其是过量施用氮肥会导致土壤电导率升高［１５］；从测定结果看，沼液和沼渣无论是在露地堆、排放还是在设施蔬菜上施用均未对土壤电导率产生明显的影响。

关于设施条件下土壤ｐＨ值变化及其原因的报道屡见不鲜。从ｐＨ值测定结果看，设施菜地Ｃ和Ｄ的土壤ｐＨ值变化范围分别为５．７４ ７．５２和５．８１ ７．４６，平均值分别为６．６９和６．７５，低于露地土壤类型Ａ和Ｂ，但Ａ与Ｂ、Ｃ与Ｄ相比较土壤ｐＨ值的变化范围和平均值均较为接近，沼液和沼渣对不同类型土壤ｐＨ值的影响不明显。

３结论与讨论

１）各养猪场由于种种条件限制，沼气发酵产物中沼气的利用率较高，超过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况较为普遍，不仅造成资源浪费，还会引起次生环境污染问题。

２）沼渣和沼液堆、排放于耕地中，耕地土壤有机质、全氮、硝态氮、有效磷、速效钾平均含量比未堆、排放耕地土壤分别增加了３８．４７％、１１．３９％、４．７５％、１１．０２％、１８．６９％，对全磷和全钾含量影响不明显；在设施菜地施用沼液和沼渣土壤有机质、有效磷、速效钾平均含量比未施用的设施菜地土壤平均含量分别增加了１６．１６％、１２．３０％、６．２８％，全氮、全磷、全钾及硝态氮含量变化不明显；未发现对４种不同土壤类型土壤盐分含量及ｐＨ值的影响。

３）沼液和沼渣是很好的肥料，富含各种植物必需的营养元素和有机质，在农业生产中合理施用沼液和沼渣能提高土壤中有机质、速效Ｎ、Ｐ、Ｋ等养分的含量，改善土壤性质，故对沼气发酵产物综合应用于农业生产中的研究很有必要，应引起足够的重视。

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