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沼氣工程中沼液中水還田對土壤、水環境和農作物產量和品質的影響分析

中國是世界上大的農業生產國，隨著產業結構的轉變，畜牧業的綜合生產能力顯著增強。同時，隨著畜禽養殖場數量與規模的不斷擴大，畜禽糞便的產生量逐年增加，對環境造成了嚴重的污染。截至2009年底，中國規模化養殖場畜禽糞便排放總量約8.37億t，其主要來源為生豬、奶牛和肉牛養殖。厭氧消化工藝是一種處理禽畜糞便的方式，產生的沼氣是一種清潔能源，綜合利用價值較高。沼液是厭氧消化的產物，其處理處置是沼氣工程需解決的關鍵問題之一。目前，國內外對沼液的處理處置大致分為還田利用型和達標治理型，其中我國主要采用沼液（中水）還田技術。然而經濟、社會的發展,行業結構轉型與技術革新等，使當前的生物質廢物與過去存在較大的差別。例如，集約化畜禽養殖行業，抗生素的大量使用，使得畜禽糞便理化性質發生了變化，重金屬以及抗生素類有機污染物可能會影響沼液中水還田的安全性。因此，系統地分析和評價目前沼液中水還田的安全性，并采用適宜技術對沼液進行無害化處理變得十分重要。

1 沼液中水還田現狀

畜禽糞便厭氧消化產生的沼液因其含有豐富的營養物質，是一種優質的有機肥料，在農業生產上具有良好的應用前景。與普通有機肥相比，畜禽糞便厭氧消化沼液中含有的氮、磷、鉀分別高出22.1%,17.5%,20.1%，同時含有多種微量元素如鐵、鋅、錳等，氨基酸，B族生素，腐殖酸，植物生長激素和數十種防止作物病蟲害的活性物質。沼液的養分多，且不帶活病菌和蟲卵，容易被吸收。

1.1 沼液中水還田對土壤肥效的影響

長期施用化肥會導致土壤pH值降低，土壤酸性增加，產生板結，降低土壤肥力。沼液以肥料的方式進入土壤后，會對土壤進行改良。土壤中的有機質可以吸附陽離子，使土壤具有的保肥力和緩沖性，促進土壤微生物的均衡生長，同時還能疏松土壤，改善土壤的物理性狀。針對不同地區土壤的研究表明，沼液對于土壤中的有機質含量提升有一定的促進作用，使用沼液后，土壤中TN,N,P,K均有提高。另外，沼液中的腐殖酸對土壤團粒結構的形成也有重要的作用。有研究顯示，沼液與化肥配合使用，不但可以均衡土壤所需的營養元素，增強土壤的肥效，而且可以疏松土壤，增加土壤的透氣性。將沼液用于還田，結果表明土壤中有機質，N,P及K的含量較施用化肥的土壤分別高 1.6%, 122 x 10-6g . kg-1, 171 x 10_6g . kg-1 和 43 xl0-8g . kg-1,土壤孔隙度提高9.7%。與施用豬糞、化肥相比，施用沼液有利于促進土壤中微生物的均衡生長，土壤中有機質與堿解氮含量顯著提高。

1.2 沼液中水還田對農作物產量的影響

沼液對不同農作物產量的影響如表1所示，通過對比不同發酵原料的沼液施用效果及沼液與化肥配合施用、沼液灌溉和葉面噴施的效果，農作物產量較對照組分別提高了8.59%~98%，顯示出沼液對于提高農作物產量具有普遍意義，但是不同發酵原料的沼液對于不同種類農作物的增長原理需深入研究。

進作用。

1.3 沼液中水還田對農作物品質的影響

農作物中的維生素、糖分、蛋白質、硝酸鹽和礦物質等都是評價農作物品質的因素，是農作物中的物質，人體不能合成，需要從果蔬中攝入，因此的含量是評價作物的重要指標。糖分和可溶性糖是影響口感的主要因素，這對果蔬非常重要，也是后續營養變化的重要影響因素。蛋白質含量也是評價谷物的重要因素之蛋白質高的谷物營養價值也隨之升高。

表2是不同農作物施用沼液后的品質變化，可以看出施加沼液后大部分作物的品質有所提升，稻谷和玉米的蛋白質含量均有提高，果蔬中的含量也有不同程度的提升，糖分含量也分別提高了0.60% ~ 17.71%，其中追肥和施加葉面肥對農作物的品質提升有很好的作用。然而，沼液施用存在一定的閾值，不同農作物對沼液的耐受值也不相同，在合理范圍內施用沼液時，對農作物的各類營養成分均有促進作用。

2 沼液中水還田安全風險評價

2.1 土壤和農作物

沼液中含有豐富的養分，灌溉土壤后會提高土壤整體的養分含量和肥力，但畜禽養殖廢水中含有重金屬和抗生素，厭氧發酵后會殘留在沼液中。沼液作為液體肥料是否會污染土壤是沼液資源利用的關鍵。

沼液進入土壤后使得土壤中重金屬的含量增加。隨著pH值，時間，DOC和eh的變化，沼液作為有機肥進入土壤后會不斷分解，會將重金屬離子分離下來，形成易被植物吸收的形態，對土壤和農作物的質量產生影響。

沼液中水還田過程中，Cu, Zn的含量明顯升高，其他重金屬含量也有增加。過量的沼液施用會造成土壤中的重金屬積累。有研究表明，沼液處理后的水稻重金屬含量與空白對照組相差不大，在高沼液用量時，小白菜中的重金屬含量相對于低沼液用量時有顯著提高，但并未超標。與化肥相比，雖然沼液中的重金屬含量較低，但沼液的施灌量往往要大于化肥用量，從而帶入土壤—農作物系統中的重金屬含量略高。由此看出，適量的沼液灌溉對作物安全沒有太大影響，但高強度的施灌水平仍存在重金屬在作物中累積的風險。以上重金屬含量的結果與養殖類型、方式、飼料、沼液的發酵原料和土壤的自凈能力有關，雖然并未顯示沼液灌溉會對土壤產生明確的重金屬沉積,但仍存在污染風險。

2.2 水環境

厭氧發酵后的沼液中存在氨氮和磷酸鹽，沼液中水還田后通過土壤中水分的轉移，對周邊的地表水和地下水都有潛在的污染風險。沼液中的氨氮在土壤的硝化細菌作用下會形成硝態氮，硝態氮會隨土壤中的滲濾液流入下部水層，對地下水造成污染，引起水體的富營養化。同時如果硝化反應不時，會產生亞硝酸鹽，會對動物和人體產生不良影響。有研究指出，土壤中積累的N03在降水或灌溉的作用下，會不斷向下淋洗，直至污染地下水。

稻田進行沼液消解，范圍為135 ~540 kg ? hm2，田面水中的氨氮含量升高，但土壤滲濾液中氮含量變化很小，年安全容量為540kghm3。采用雜交狼尾草盆栽實驗發現，沼液灌溉的適宜強度為沼液的質量分數不超過50%，此時滲濾液中的總氮、氨氮和硝態氮的含量均在安全范圍。

沼液的合理灌溉強度與沼液的養分含量、土壤、氣候和植被等因素相關，應根據不同的情況施以不用強度的沼液肥料，避免造成水體的富營養化和亞硝酸鹽的產生。

3 結語

沼液含有豐富的養分，N,P,K的含量很高，有利于農作物的吸收。沼液可以在一定程度上改善土壤的理化性質，增強土壤肥力。對于不同品種的農作物，沼液施肥有不同的效果。

由于沼液中存在豐富的N和P等元素，以及一定量的重金屬和抗生素，使沼液中水還田存在安全風險。目前的研究大多針對于沼液施用的安全風險分析，而專門針對沼液的處理技術研究不多。沼液在一定程度上屬于污水的一種，可借鑒污水處理的方法，在沼液中水還田前對其進行無害化處理。生物-生態法或組合工藝處理沼液是未來研究沼液無害化處理研究的熱點。