紹興市豬糞沼液成分特征及其在農田的安全利用分析

周健駒，金暉，丁少華*，李子川，柴彥君

(1.諸暨市農業技術推廣中心，浙江 紹興 311899；2.紹興市糧油作物技術推廣中心，浙江 紹興 312030；3.浙江科技學院環境與資源學院 浙江省廢棄生物質循環利用與生態處理技術重點實驗室，浙江 杭州 310023)

豬糞沼液是生豬養殖場的糞污經由沼氣工程產生的廢棄發酵液，干濕分離后獲得的液態副產物，具有產生量大、有機物質和營養元素含量較高、化學需氧量高的特點，直接將其排放到環境中會造成土壤和下游水體的嚴重污染[1-3]。豬糞沼液中營養元素的生物有效性很高，有效態氮、磷、鉀的含量占總量的75%以上[4]。因此，沼液部分替代化肥的農田利用與消納是解決沼液資源化綠色綜合利用的重要方式。同時，沼液中的有機物質還具有改良土壤物理結構，提高土壤肥力的作用[5]，但其中的重金屬是重要的風險因素。

探明沼液中的養分、激素和重金屬含量及變化特征是沼液農田利用的重要依據。由于不同沼氣工程產生的沼液養分、激素和重金屬含量差異很大[6-8]，而在實際農田利用過程中極難做到實時檢測，經常存在沼液施用量不足或過量等問題，影響肥效或導致土壤污染。因此，本文對紹興市43個有代表性生豬養殖場沼氣工程產生的沼液進行采樣調查工作，從田間利用的角度對沼液養分、激素和重金屬含量的變化特征進行分析，為沼液養分和重金屬溯源分析，以及沼液部分替代化肥的安全性提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

紹興位于119°53′03″～121°13′38″E、29°13′35″～30°17′30″N，屬于亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，四季分明，水熱條件優越，降雨豐沛但季節分配不均，每年3—6月為多雨季，年降雨量1 840 mm，年均溫17.1 ℃。截至2018年底，紹興市各縣區共有存欄生豬51.39萬頭。

采樣調查時間為2018年8月，根據紹興市養豬場沼氣工程運行狀況以及地理分布特點，共選取43家當地代表性豬糞沼氣工程的沼液進行取樣。沼氣工程發酵原料均為豬糞尿加沖洗水。沼液樣品采自厭氧反應罐排放出或沼液池的沼渣液，每個采樣點集中在當天的9：00—11：00，沼液池中沼液的采集根據距離進料口遠近進行多點采樣并混合，所有采樣均取自液面下30 cm處，混合均勻后，分裝入3個500 mL的PVC瓶中帶回實驗室。所有樣品的采集工作均在1周內完成，保存至-20 ℃冰箱待測。

1.2 測定方法

沼液的pH采用甘汞電極pH計(METTLER TOLEDO，SevenCompactTM)進行原液測定。化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)的測定采用重鉻酸鉀氧化法。電導率(electrical conductivity，EC)采用精密電導率儀(DDSJ-318，上海精科-上海雷磁)對原液進行測定。可溶性固形物含量的測定使用濾膜(0.45 μm)過濾液，參照《廢水監測分析方法》采用質量法。鹽基陽離子的測定采用原子吸收光譜法。總氮、總磷和總鉀含量的測定參照有機-無機復混肥料測定方法(GB/T 17767—2008)。氨基酸和植物激素濃度的測定采用0.45 μm濾膜過濾液，使用氨基酸測定儀測定氨基酸濃度，植物激素的測定采用SPE固相萃取柱前處理，高效液相色譜-電噴霧串聯質譜聯用技術(HPLC-ESI-MS/MS)進行測定。重金屬(砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛、鋅)含量采用微波消解，電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)上機測定。

1.3 數據分析

數據采用SPSS 23.0和Excel 2016軟件進行分析。采用Origin 9.4繪制各養分指標相關性散點圖。

2 結果與分析

2.1 沼液原液理化性質與養分含量

豬糞沼液原液總體偏堿性，變化幅度較小，pH在6.11～9.5，平均為7.95±0.61，變異系數為7.7%(表1)。沼液原液COD變異幅度非常大，為120～9 640 mg·L-1，平均(1 037±1 558)mg·L-1，變異系數高達150%。沼液原液中可溶性固形物(可溶性鹽+溶解性有機小分子)的變化幅度較大，為0.16～6.05 g·L-1，平均(1.64±1.44)g·L-1，變異系數為88.2%。沼液原液的EC變化幅度非常大，為369～10 207 μS·cm-1，平均(4 483±2 777)μS·cm-1，變異系數為61.9%。沼液原液中的全氮含量變化在0.15～1.15 g·L-1，平均(0.69±0.28)g·L-1，變異系數為41.3%。沼液原液中的全磷含量在0.01～0.78 g·L-1，平均(0.19±0.18)g·L-1，變異系數為93.4%。沼液原液中的全鉀含量在0.12～1.46 g·L-1，平均(0.39±0.24)g·L-1，變異系數為61.4%。

表1 紹興市各縣區豬糞沼液理化性質與養分含量

豬糞沼液原液中含大量的氨基酸，但目前對不同沼液中氨基酸種類和含量的變化研究較少。本研究中發現，谷氨酸普遍存在于紹興市各縣區的豬糞沼液中，在所有的43個樣品中均被檢測到，但變化幅度非常大，濃度在2.9～82.6 mg·L-1，平均(15.8±16.8)mg·L-1，變異系數達107%(表2)。絲氨酸、甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸、精氨酸、蘇氨酸在38個樣品中被檢測到，其中脯氨酸的含量變化幅度極大，為0.2～4 504 mg·L-1，平均(357±1 021)mg·L-1，變異系數高達286%。酪氨酸、纈氨酸、亮氨酸在37個樣品中被檢測到，異亮氨酸和苯丙氨酸在36個樣品中被檢測到，賴氨酸和組氨酸在34個樣品中被檢測到，蛋氨酸在33個樣品中被檢測到，胱氨酸僅在4個樣品中被檢測到，其他氨基酸在所有沼液樣品中均未檢測到。出現檢測濃度最高的是脯氨酸，高達4 504 mg·L-1，其次是胱氨酸，最高檢測濃度為905.6 mg·L-1。

本研究中的鹽基陽離子是指沼液中透過0.45 μm濾膜的溶解性堿基陽離子，主要是K+、Na+、Mg2+、Ca2+。紹興市各縣區豬糞沼液中的鹽基陽離子濃度變化較大(表3)，其中K+的含量在62.7～710.8 mg·L-1，平均(189.1±112.5)mg·L-1，變異系數為60.3%；Na+的含量在7.4～82.6 mg·L-1，平均(24.2±16.2)mg·L-1，變異系數為66.7%；Mg2+的含量在5.2～66.8 mg·L-1，平均(23.7±10.4)mg·L-1，變異系數為43.7%；Ca2+的含量在4.3～49.6 mg·L-1，平均(16.2±8.4)mg·L-1，變異系數為51.6%。

表2 豬糞沼液中氨基酸含量 單位：mg·L-1

表3 豬糞沼液中鹽基陽離子含量 單位：mg·L-1

2.2 沼液中植物激素含量

沼液中含有大量的植物激素，本項研究對生長素、茉莉酸、水楊酸和吲哚乙酸在紹興市各縣區豬糞沼液中的含量和分布進行了分析。結果表明，水楊酸在紹興市各縣區豬糞沼液中的存在比較普遍(43個樣品中有38個高出檢測限)，其次是茉莉酸和生長素，沼液中的吲哚乙酸的含量和出現頻次都很低(表4)。其中，生長素的含量在0.06～0.16 mmol·L-1，平均(0.11±0.03)mmol·L-1，變異系數為29.2%；茉莉酸的含量在10.8～21.0 μmol·L-1，平均(16.8±2.5)μmol·L-1，變異系數為14.8%；水楊酸的含量在0.01～105.9 mg·L-1，平均(66.6±28.9)mg·L-1，變異系數為43.33%；吲哚乙酸的含量在0.1～125.5 μg·L-1，平均(52.0±65.4)μg·L-1，變異系數為126%。

2.3 沼液中重金屬含量

本項研究結果表明，紹興市各縣區豬糞沼液中的重金屬種類和含量變化均存在較大的差異(表5)。其中，鎘(Cd)在所有豬糞沼液中出現的頻次最高(43個樣品中有38個被檢測到)，其次是鉻(Cr)、鎳(Ni)和鋅(Zn)(43個樣品中有38個被檢測到)，然后是鉛(Pb，32/43)和銅(Cu，25/43)，砷(As)和汞(Hg)均僅有1次被檢測到。沼液中濃度最高的重金屬是Zn，含量在0.17～21.90 mg·L-1，平均(1.40±3.89)mg·L-1，變異系數為278%。其次是Cu，含量在0.4～17 792 μg·L-1，平均(797.1±3 551)μg·L-1，變異系數為446%。Cr的含量在1.2～3 775 μg·L-1，平均(123.6±635.6)μg·L-1，變異系數為514%。Ni的含量在2.8～528.4 μg·L-1，平均(78.7±108.9)μg·L-1，變異系數為138%。Pb的含量在13.2～342 μg·L-1，平均(58.7±77.5)μg·L-1，變異系數為132%。Cd的含量在0.4～50.0 μg·L-1，平均(7.8±8.9)μg·L-1，變異系數為114%。僅有一個樣品被檢測到的As和Hg含量分別是9.6和26.8 μg·L-1。

表4 豬糞沼液中植物激素含量

表5 豬糞沼液中重金屬含量

3 討論

3.1 沼液中的養分含量及其農田綠色綜合利用

紹興市各縣區生豬養殖場沼液養分含量存在較大的變異。沼液中的養分含量受進料類型、發酵條件、存放方式和采樣時間的影響，存在極大的時空變異性[4]，是制約沼液農田精準利用的重要因素。實際應用中可采用溯源分析技術分析造成沼液中養分含量差異的原因，利用沼液膜濃縮技術富集沼液中的養分，減少沼液的存儲需求空間并保持沼液中的養分種類和含量相對穩定。本研究中沼液總氮、總磷、總鉀和鹽基陽離子的變異系數為41.3%～93.4%，與靳紅梅等[9-10]對江蘇21個規模養殖場沼氣工程的調查結果相似。此外，紹興市各縣區豬糞沼液中氨基酸的種類和含量也存在很大的空間變異性，各類氨基酸的濃度和出現頻次存在極大的不確定性[11]，這可能跟進料類型和發酵條件有關。沼液的某些理化性質之間及與養分含量之間存在顯著的相關性(圖1)，COD與谷氨酸的含量和可溶性固形物的含量顯著正相關，其中，COD與谷氨酸含量擬合曲線呈現一次線性關系，而COD與可溶性固形物含量呈現冪次小于1的指數關系，隨著COD的增加，可溶性固形物含量增長越來越慢，這表明可溶性固形物成分由化學需氧量低的可溶性鹽逐漸變為化學需氧量高的小分子有機物。

沼液中的氨基酸種類和含量變化極大，部分氨基酸含量之間存在較好的線性關系。谷氨酸與蘇氨酸和組氨酸存在顯著正相關關系(圖2)，這說明3種氨基酸在豬糞沼液蛋白質組成中存在較強關聯性。脯氨酸的含量變化幅度極大，根據Wu[12]的研究結果顯示，脯氨酸在為新生豬仔和斷奶豬仔提供精氨酸方面起到非常重要的作用，因此，源自仔豬糞便的沼液是脯氨酸變異系數很高的重要原因。電導率與鹽基陽離子總量和可溶性固形物含量同樣呈顯著正相關，但其他指標之間的相關關系較弱。

3.2 沼液中的植物激素及其農田綠色綜合利用的安全性

沼液中4種植物激素的含量和可檢測頻次存在較大的差異，生長素和水楊酸的含量和出現頻次較高；茉莉酸含量的出現頻次較高，但含量較低，吲哚乙酸的含量和出現頻次都很低。沼液中生長素含量結果表明，沼液農田利用可以極大地促進作物根系發育和植株生長[20]。茉莉酸和水楊酸具有很好的殺菌作用，可以在植物病蟲害防控方面發揮重要作用。沼液中的吲哚乙酸的含量和出現頻次都很低，表明沼液施用沒有導致作物早熟的副作用[21]。此外，沼液中還含有大量的赤霉素、細胞分裂素[22]，這些激素可以刺激作物生長，對提高作物抗逆性、促進生根、保花保果都有一定的促進作用，但會導致植物激素在土壤中的積累。Lu等[23]的研究表明，沼液長期施用會導致生長素和抗性基因在土壤中的積累，其對植物生長和糧食健康的影響尚不明確，有待進一步研究。同時，可利用分子溯源技術探明沼液中植物激素的來源，通過田間試驗分析這些植物激素的土壤行為及其生態效應。

3.3 沼液中的重金屬及其農田綠色綜合利用的安全性

重金屬在不同沼液中的分布和含量都存在極大的差異。進料類型、發酵設備和存儲條件都會影響沼液中的重金屬類型和含量。本研究中，鎘、鉻、鎳、鉛、鋅、銅在沼液中較為普遍，但它們的含量在不同樣品中的差異極大，變異系數高達114%～514%。沼液中砷和汞極少被檢測到，而鉻、鎳、鉛、鋅、銅的最高檢測濃度都超過3 00 μg·L-1。這可能是由于生豬養殖過程中的飼料添加劑和藥物中攜帶的重金屬[24]，隨生豬的排泄物進入到沼氣工程的發酵罐中。此外，廢棄的沼氣工程發酵液在進行干濕分離時，重金屬在沼液中的分配比例遠遠低于沼渣[3,25]。因此，若檢測到沼液中重金屬含量過高，在進行硫添加共沉淀[26]和膜分離降低沼液中重金屬含量的同時，對沼渣中重金屬的移除和安全處理應更加重視。本研究中，砷和汞的含量僅在1份沼液樣品中被檢測到，說明這2種重金屬可能跟當地水源地中砷、汞含量過高和大氣汞沉降[27]有關。未來可利用同位素分析技術和源頭物料中的重金屬含量分析，探明沼液重金屬含量存在極大差異的原因，找出控制沼液重金屬含量的有效方法，從源頭上、全鏈條管控重金屬進入生豬養殖場和沼氣工程的通量。

重金屬在紹興各縣區沼液樣品中出現的普遍性，說明沼液農田利用存在極大的土壤重金屬污染風險，這跟其他地區的調查結果一致[2]，長期使用沼液灌溉，土壤中銅、鋅、鉛、鎘等重金屬會累積。然而，沼液中重金屬種類和含量存在的極大的差異性，說明可以通過控制進料路徑和發酵工藝降低沼液中重金屬含量。因此，對沼液中的重金屬進行溯源解析將為有效控制沼氣工程廢棄發酵液中重金屬含量提供科學依據。此外，沼液膜濃縮與重金屬阻控技術已有部分研究，未來可以通過膜濃縮技術[28]將沼液養分控制技術與重金屬阻控技術[28-29]進行融合，為沼液綠色綜合利用提供技術保障。