菜地追施猪粪沼液后NH3和N2O排放特征及氮损失率

靳红梅， 常志州， 吴华山， 郭德杰， 黄红英， 马 艳， 徐跃定， 张建英

(江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏省农业废弃物资源化工程技术中心，南京 210014)

菜地追施猪粪沼液后NH3和N2O排放特征及氮损失率

靳红梅， 常志州*， 吴华山， 郭德杰， 黄红英， 马 艳， 徐跃定， 张建英

(江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏省农业废弃物资源化工程技术中心，南京 210014)

猪粪沼液； NH3挥发； N2O排放； 氮损失率； 菜地

随着我国畜禽养殖业的快速发展，畜禽粪便年产生量已超过2.43亿吨[1]，成为影响我国环境的重要污染源之一[2]。厌氧发酵产沼气技术是粪便等废弃物无害化处理的有效手段，它不仅是一项提供清洁能源的生物质工程[3-5]，而且是减轻环境污染、发展生态农业的重要纽带[6-7]。截至2010年7月底，中国大中型养殖场沼气工程近5000处，年产沼液和沼渣量已超过1.3亿吨[2]。但绝大部分沼液被随意排放，亟待有效处理及合理利用，否则将产生二次污染，并制约沼气工程的发展。

畜禽粪便经厌氧发酵后，除了碳素大量转化为CH4和CO2，氮、磷等元素更多地保留在沼液和沼渣中[3]。作为肥料还田利用是沼液和沼渣消纳和资源化利用的有效方式[8]。相对于沼液而言，固体沼渣的产生量较少，处理较为容易，主要用于堆肥或直接还田。而沼液产生量大，贮存、施用及处理过程对设备和技术的要求更高、花费也高、处理效率低，其无害化处理和营养元素的循环利用存在较大的困难[3]。对于沼液的农田施用，国内外一般采取漫灌、沟灌、表施等方式，极易导致其中的氮素通过NH3挥发[8-9]、温室气体排放(如N2O、NO和N2)及淋溶等[7]方式损失，大大降低了沼肥的养分利用率。在施用过程中，沼液的运筹方式必须充分考虑，这对避免类似物质(如污水)还田可能带来的环境问题也有重要的参考价值。

尽管理论上沼液还田可能存在风险，但目前国内外对沼液还田后的实际温室气体排放及氮肥效率等相关研究较少[10]。本研究拟以猪粪沼液为研究对象，通过菜地微区试验，采用地表追施沼液肥，评价在此过程中NH3和N2O的排放及其影响因子。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

微区试验在江苏省农业科学院六合动物科学基地的无公害蔬菜大棚内进行。大棚2008年投入使用，面积为360 m2(36 m × 10 m)，前茬蔬菜为叶用莴苣(LactucasativaL.)，2009年10月5日收获后土地休闲。每季蔬菜种植前大棚施入的基肥量为堆肥740 kg(按25 000 kg/hm2的用量施入)和复合肥(N ∶P ∶K = 18 ∶18 ∶18)25 kg。堆肥为六合基地堆肥厂的腐熟猪粪、兔粪和秸秆混合物，其有机质(OM)含量242 g/kg、 全氮28.2 g/kg、 全磷36.7 g/kg、 全钾17.8 g/kg。试验地土壤为黄马肝土，0—10 cm土层土壤pH 6.49、 容重1.15 g/cm3、 土壤有机碳(SOC)10.84 g/kg、 全氮1.47 g/kg、 碳氮比7.37。

表1 蔬菜种植情况及追肥时间Table 1 Detail of vegetables planting and topdressing time of the experiment

注(Note): 水芹移栽时高度约为7 cm Cress plants were 7 cm high when planting.

图1 生长季内蔬菜大棚气温和0—10 cm土层温度Fig.1 Air and 0-10 cm soil layer temperatures during the growing periods of vegetables in winter and summer

图2 生长季内0—10 cm土层的体积含水量 Fig.2 Water contents at the 0-10 cm soil layer during the growing periods of vegetables in winter and summer

1.2 供试沼液

沼液取自六合基地沼气工程的贮液池，发酵原料为猪粪尿及冲圈水，反应器类型为连续搅拌反应器系统(Continuous stirred-tank reactor，CSTR)，已正常运行1年。沼液于试验开始前2天一次性取出，置于PVC桶内贮存，其基本养分含量见表2。

1.3 试验处理

每种蔬菜设3个追肥处理，分别为完全施用沼液(DPS)、完全施用化肥(CF)以及空白处理(CK)。每个处理重复3次，9个小区完全随机排列。小区面积为2.5 m × 1.5 m，各小区间设置1 m宽的保护行。

根据蔬菜养分需求，冬季和夏季每次追施的氮量分别为18 kg/hm2和21 kg/hm2，折算后每个小区施用的沼液量为20 L。由于沼液中还含有大量的磷和钾(表2)，因此CF处理还添加了磷酸氢二钾(K2HPO4·3H2O)和硫酸钾(K2SO4)作为磷和钾的补充。各处理肥料添加量详见表3。肥料用喷壶洒施均匀，追肥时间详见表1。各处理的其他田间管理措施相同。

1.4 样品采集与测定

1.4.1 NH3挥发的测定 挥发的氨采用密闭法进行捕获[11]。装置由内径15 cm、高15 cm的硬质PVC管底座和管盖制成。在蔬菜种植后24 h(冬季)或48 h(夏季)内将PVC管无底的一端插入土壤5 cm深处，植物。不测定时将管盖打开使空气正常流通。具体测定时间及方法见文献[9]。此方法测定的氨排放速率的计算公式为：

在整个生长期内保持位置不变并保持管内无 表2 供试猪粪沼液的理化特性Table 2 Physical and chemical properties of the used biogas liquid from anaerobic digested pig slurry

注(Note): COD—化学需氧量 Chemical oxidation demand; BOD—生物需氧量 Biological oxidation demand; DOC—可溶性有机碳 Dissolved organic carbon.

表3 各处理肥料施加量Table 3 Application rate of the treatment in this study

注(Note): DPS—沼液Digested pig slurry；CF—化肥 Chemical fertilizers；CT—空白对照 Blank control.

NH3-N[mg/(m2·d)]=C×V×14/A

式中:C为[H+]浓度;V为滴定用去标准酸的体积;14为N的摩尔质量;A为密闭装置的底面积。

1.4.2 N2O的测定 N2O气体采用静态箱方法收集[12]。测定时间为芹菜种植后第12、 13、 15、 18、 25、 27、 29、 34、 43、 50、 54、 68、 81和90 d，萝卜种植后第12、 13、 15、 18、 25、 27、 29、 34、 43、 50、 54和68 d，小白菜种植后第8、 14、 17、 19、 24和26 d，茼蒿种植后第8、 14、 17、 19、 24、 26、 30、 35、 37和41 d。

F=ρ·h·dc/dt·273/(273+T)

式中:F为气体排放通量，单位为 μg/(m2·h)；ρ为标准状态下N2O气体的密度，单位为1.25 kg/m3；h为采样箱顶部至所覆盖土壤表面的高度，单位为m；dc/dt为单位时间采样箱内N2O浓度的变化，单位为mmol/(L·h)；T为采样箱内温度，单位为K。

1.5 数据分析

N2O气体的累积排放量是将3个重复的排放速率按时间间隔加权，计算公式如下：

式中:T为N2O季节排放总量，单位为kg/hm2；Fi和Fi+1分别为第i和i+1次采样时的N2O或CH4平均排放通量，单位为g/(m2·h)；Di和Di+1分别为第i和i+1次采样时间，单位为d； 24为1天的小时数； 105为单位转换系数。

木棉花具有非常广泛的应用前景，随着对木棉花功效认识的加深，其食用人群逐渐扩大，应用的范围也越来越广。但木棉花的研究水平严重滞后，目前对于木棉花化学成分的研究不够系统深入，药效物质基础尚未明确，没有化学成分和药理作用研究报道，缺乏严格、系统的毒理学作用和安全性评价资料。为保证木棉花的食用安全，对其进行毒理学研究与食品安全风险评估刻不容缓。通过毒理学试验，可以更加系统地了解和评价木棉花的食用安全性，完善木棉花的基础研究资料。

2 结果与分析

2.1 NH3挥发

图3 生长季内菜地NH3挥发速率Fig.3 Dynamics of NH3 volatilization rates during the growing periods of vegetables [注(Note): 箭头表示追肥时间 Arrow indicating topdressing date.]

图4 生长季内累积NH3和N2O排放量Fig.4 Total emission of NH3 and N2O over the growing seasons

蔬菜品种Vegetabletype处理TreatmentNH3N2O水芹CressCT——DPS11．74．71CF5．32．26扬花萝卜RadishCT——DPS17．75．47CF9．71．59小白菜PakchoiCT——DPS23．31．40CF21．91．62大叶茼蒿CrowndaisyCT——DPS26．80．67CF23．11．16

注(Note): DPS—沼液Digested pig slurry；CF—化肥 Chemical fertilizers；CT—空白对照 Blank control.

2.2 N2O排放

2.3 NH3和N2O排放的影响因子

图5 生长季内菜地N2O排放速率Fig.5 Dynamics of N2O emission rates during the growing periods of vegetables [注(Note): 箭头表示追肥时间 Arrow indicating topdressing date]

逐步回归分析结果表明，DPS处理中0—10 cm土层土壤温度和pH可以解释65.1%的NH3挥发变异，而0—10 cm土层土壤温度和土壤水分含量能解释35.5%的N2O排放变异。

图6 施沼液处理中NH3挥发速率与0—10 cm土层土壤理化指标的相关性Fig.6 Correlations between NH3 volatilization rate and soil variables at the 0-10 cm soil layer for the DPS treatment during the growing periods of vegetables [注(Note): *, **和***分别表示相关性显著水平P<0.05， P<0.01和P<0.001. *, ** and *** represent correlation significant levels P< 0.05， P<0.01 and P<0.001.]

图7 施沼液处理中N2 O排放速率与0—10 cm土层土壤理化指标的相关性Fig.7 Correlations between N2O emission rate and soil variables at the 0-10 cm depth for the DPS treatment during the growing periods of vegetables [注(Note): *和**分别表示相关性显著水平P< 0.05、 P< 0.01. * and ** represent correlation significant levels P< 0.05 and P< 0.01.]

3 讨论

厌氧发酵产沼气技术是畜禽养殖场粪污处理的有效手段[2-3]。但由于目前普遍采用湿法发酵技术，在产沼气的同时会产生大量的沼液[3]。作为肥料还田是目前沼液资源化利用的有效途径之一。但厌氧发酵后氮素等速效养分含量增加[3]，施入农田后极有可能通过NH3挥发和N2O排放而降低其肥料利用率[7-8,13]。

本研究所选蔬菜的生长周期较短，且主要选择叶菜类蔬菜，对茄果类和根茎类的蔬菜研究较少。此外，研究中没有定量测定沼液施用后NO和N2，而这两者在反硝化过程中也可能被大量生成，导致研究结果中氮素的损失率可能被低估。因此，在今后的研究中应加强沼液在茄果类和根茎类蔬菜上运筹方式的研究，并系统考虑施用过程中氮素可能的损失途径，及作为气体肥料应用的可行性。

4 结论

2)首次追施沼液后土壤N2O排放激增，随后逐步趋于稳定，但只有冬季生长季内平均N2O排放速率显著高于施用化肥的处理。

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NH3andN2Oemissionandnitrogenlossratefrombiogasliquidproducedbypigslurryaftertopdressingonvegetablefields

JIN Hong-mei, CHANG Zhi-zhou1*, WU Hua-shan, GUO De-jie, HUANG Hong-ying, MA Yan, XU Yue-ding, ZHANG Jian-ying

(InstituteofAgriculturalResourcesandEnvironment,JiangsuAcademyofAgriculturalSciences,JiangsuAgriculturalWasteTreatmentandRecycleEngineeringResearchCenter,Nanjing210014,China)

biogas liquid from digested pig slurry; NH3volatilization; N2O emission; nitrogen loss rate; vegetable field

2013-01-07接受日期2013-05-21

公益性行业(农业)科研专项(200903011-01)资助。

靳红梅(1982—)，女，河北吴桥人， 副研究员， 主要从事农业废弃物资源化利用方面的研究。E-mail： jinhm1201@hotmail.com * 通信作者 Tel： 025-84390238， E-mail： czhizhou@hotmail.com

S141.2

A

1008-505X(2013)05-1155-11