沼液灌溉的環境負效應研究進展

重慶市生態環境監測中心 田雋

沼氣發酵是畜禽養殖糞污的主流治理技術，但其排放的大量沼液逐漸成為沼氣工程成敗的關鍵點，也是畜禽養殖健康發展的瓶頸之一。以前沼液的消納與處置大多是農用灌溉，過分地強調了沼液提供氮磷養分的營養作用。殊不知，沼液中也含有重金屬、抗生素、激素等有害物質，這些有害物質以及沼液的不合理使用帶來的過量氮磷物質進入土壤，通過土壤生態系統的遷移轉化，也會對土壤、作物、大氣、地表水、地下水等環境因素帶來負面效應。本文分析了我國沼液灌溉的環境負面效應研究現狀，重點闡述了沼液負面效應的作用過程，并針對這些負面效應，提出了相應的削減對策。

一、沼液灌溉負面效應的作用過程

沼液灌溉對環境負面效應的作用過程主要有以下幾個方面（見表1）。（1）重金屬和抗生素是在沼液灌溉中最受人們關注的污染因子，①隨著沼液進入土壤環境中導致土壤中重金屬和抗生素累積，含量超過國家相關標準；②通過地表徑流和淋溶遷移的方式進入水環境；③植物對重金屬和抗生素有富集作用，土壤中的重金屬和抗生素進入作物體內引起作物品質和產量的下降。（2）氮、磷元素是沼液中的主要營養成分，但是過多的沼液灌溉將引起①土壤中氮、磷元素含量的增加；②通過淋溶作用或地表徑流的方式進入水環境中，對水環境造成負面效應；③氮在一定條件下可轉化為N2O、NH3等氣體進入大氣環境，影響大氣環境質量；④可供植物吸收的營養過剩，反而造成植物的產量和品質造成不利影響。

表1 沼液灌溉對環境負面影響作用過程

二、沼液灌溉的土壤環境負效應

（一）沼液重金屬的土壤環境負效應

沼液中常見的重金屬包括As、Cu、Zn、Cd、Cr等，且不同來源的沼液中重金屬的含量有所不同。周揚等[1]發現，長三角郊區沼液中As、Cu、Zn、Cr的平均含量分別為5.82、8.68、0.92、0.72mg·kg-1，且豬場沼液>牛場沼液>戶用沼液。沼液灌溉勢必引起土壤重金屬積累。張利[2]認為土壤中Pb、As、Hg含量隨著沼液施用量增加而增加，尤其以Hg最為顯著。積累于土壤中的重金屬可能帶來二次環境風險：（1）影響土壤微生物。如長期大量施用沼液所引起的土壤重金屬將對微生物代謝活性和群落多樣性造成嚴重影響。（2）影響深層土壤乃至地下水。重金屬隨沼液灌溉向深層土壤遷移，對地下水帶來一定風險。王靜雯[3]發現，盡管0-20cm土壤是重金屬主要累積層，但深層黃壤性水稻土Zn、Cd、Cr、As、Hg等重金屬含量隨施用量的增加而增大。不同重金屬在土壤中的遷移程度不同。豬場沼液噴灌竹林時，Cu、Zn、Pb、Cr含量有不同程度的增加，其垂直遷移程度依次為Pb>Cu>Cr>Zn。

（二）沼液抗生素的土壤環境負效應

畜禽動物對抗生素的吸收率較低，其大部分將以原樣的形式隨著排泄物排出體外。在畜禽糞便發酵后，抗生素雖然略有降解，但仍然存在于沼液之中。且大多數沼液抗生素普遍超標，長期施用沼液具有潛在的生態環境危害。衛丹等[4]研究了嘉興市10家大規模的養豬場沼液水質，發現10種抗生素總濃度范圍為10.1-1090μg·L-1，遠高于歐盟的水環境抗生素閾值。段然等[5]認為施用沼肥與對應土壤獸藥殘留量具有顯著的相關性，土壤中抗生素類獸藥殘留檢出率為41.7%，環丙沙星類殘留量為9.66mg·kg-1。“豬糞-沼液”配施的土壤金霉素含量高于單施豬糞。過高含量的土壤抗生素將抑制土壤微生物活性、降低微生物群落結構多樣性。

三、沼液灌溉的水環境負效應

高負荷的沼液灌溉和高強度的降水將明顯提高沼液中氮素的淋失風險和徑流污染風險。有研究表明，施用沼液的處理田面水氮磷濃度呈先迅速開高后緩慢下降的趨勢，因此前3-5天的迅速開高時期是氮磷徑流污染的關鍵時期。張馨蔚[6]發現沼液施用對下滲水有明顯的影響，在水稻盆栽試驗中，高負荷組存在嚴重的養分淋溶現象，沼液施用量已經超出水稻生態系統承受范圍；萵筍、黑麥草在高負荷的情況下也出現了下滲水養分含量明顯高于對照組的情況。喬小珊等[7]有相似結論。與化肥相比，施用沼液原液灌溉將明顯增加土壤滲濾液中重金屬的濃度，將沼液稀釋30倍后進行灌溉，土壤滲濾液中的Cd、Cu濃度將會增加。夏紅霞[8]等發現與化肥相比，沼液中氮素淋失率超過化肥30%以上，在紫色土中會造成氮素淋失風險。在模擬徑流和小區徑流實驗中，等磷量的沼液施用，將引起速效磷徑流損失。對于含沙量較高的土壤，沼液灌溉將引起土壤中氮、磷、Cu、Zn快速向底層遷移，對地下水污染風險較大。雖然土壤對沼液中的污染物存在一定的凈化作用，但這種能力是有限的，沼液灌溉必須嚴格控制灌溉量，不宜連續灌溉。

四、沼液灌溉的大氣環境負效應

沼液施用在一定條件下將引起NH3、CH4、N2O、CO2等氣體揮發。姜麗娜等[9]發現，施用2倍氮沼液用量下將引起水田消解時氨揮發量占總氮投入量的13%，高于全化肥含量10倍以上；0-10cm土層土壤溫度、水分含量、可溶性有機碳含量、氮素水平及形態、微生物生物量及活性都與菜地氨揮發有較強的聯系。控制施肥深度能有效減少沼肥中的氨揮發。王忠江等[10認為氨揮發累積量隨沼肥施用深度的增加而減少，當施用深度為10cm時即可有效減少沼肥中的氨揮發。施用沼液后的48h內，菜地的氨揮發量會激增，沼液中的氮素以氨揮發的方式快速損失。N2O是沼液施用后產生的溫室氣體之一。與100%施用化肥相比，100%施用豬糞沼液的處理N2O累積排放量顯著升高。N2O、CH4、CO2排放通量隨沼液灌溉量的增加而增加，同時土壤N2O排放通量隨土壤溫度的提高而增加，與土壤水分呈極顯著相關性，與土壤硝態氮質量分數顯著相關；但CH4、CO2排放通量與土壤溫度無顯著的相關性，土壤CH4排放通量與土壤水分顯著相關。靳紅梅等[11]發現與單施化肥相比，追施沼液能顯著增加N2O、CH4的排放速率，同時pH對N2O、CH4排放有重要影響，在施用沼液時應注意土壤的pH值，若土壤呈堿性，則其氮素揮發以及環境污染風險將增大。

五、沼液灌溉的植物負效應

沼液灌溉對植物生長發育的負面效應主要通過“土壤-植物”系統進行傳遞。作物對土壤中重金屬有一定的富集作用，不合理的沼液施用可能會導致農產品重金屬超標、產量和品質下降。黃界潁等[12]試驗發現，過量施用沼液將引起，小白菜中的Cd超標；高紅莉試驗發現過量施用沼液將引起青菜Pb含量超出國家標準，應謹慎使用沼液對青菜進行灌溉。以沼液完全代替化學肥料施用不利于水稻生長。隨著沼液施用量的提高，稻米堊白度率、透明度級上升，膠稠度下降，表明外觀米質及口感度隨沼液施用量提高而變劣，雖然蛋白質含量有所增加，但過量使用沼液并不利于米質綜合指標的提高。由于某些重金屬之間存在一定的協同作用，可進一步促進植物對重金屬的吸收。施用沼液帶入土壤中的Cu、Zn可以促進大蒜對Cr的吸收，從而導致大蒜中Cr超標。植物對土壤中抗生素具有一定的富集作用，富集過高則將抑制植物（如煙草）生長。

六、討論

（1）我國沼液負面效應的研究進展可分為三個階段，即2000-2008年、2008-2011年、2012年以后，與我國農業環境保護的重視程度吻合。（2）沼液負面效應“源”因子主要集中是重金屬、氮、磷、抗生素、溫室氣體等，目前關注度較高的“匯”因子是土壤環境。（3）重金屬和抗生素隨著沼液進入土壤環境中會導致其含量超過國家相關標準，對土壤微生物活性和作物產量、質量均有不利影響，通過地表徑流和淋溶的方式對水環境產生負面效應。過多的沼液灌溉將引起土壤中氮、磷等營養元素含量的增加，通過淋溶作用或地表徑流的方式進入水環境中，氮素在一定條件下將轉化為N2O、NH3等進入大氣環境，土壤營養過剩對植物生長和品質存在一定的不利影響。