AEP  >> Vol. 9 No. 5 (October 2019)

    季节对牛粪及牛粪有机肥中养分和重金属含量影响分析
    Impacts of Season on Nutrient and Heavy Metal Contents in Cow Dung and Organic Fertilizer

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作者:  

李树森,郑 磊,曹宇东,李 莹,田永兰,张化永:华北电力大学工程生态学与非线性科学研究中心,北京

关键词:
集约化农牧场季节养分含量重金属含量洋河流域Intensive Farms Seasons Content of Nutrient Content of Heavy Metals Yang River Valley

摘要:

有机肥的品质受到季节影响较大。为了解畜禽粪便及有机肥的基本理化性质、养分、重金属含量及活菌残留等有机肥指标的季节分布情况,对洋河流域的某典型养牛牧场、农场及葡萄园采集的不同季节的牛粪及牛粪有机肥中的氮(TN)、磷(P2O5)、钾(K2O)等养分指标,锌(Zn)、镍(Ni)、砷(As)、铅(Pb)、铬(Cr)、铜(Cu)的含量等重金属成分,以及蛔虫卵死亡率、粪大肠菌群数量等活菌残留情况进行室内试验分析。结果表明:1) 牛粪在秋季的pH值最大,为7.06~7.37;牛粪含水率各季均大于80%,有机肥含水率均小于30%,且在春季含水率最高。2) 牛粪及有机肥中养分含量由多到少均为K2O > TN > P2O5,总养分在秋季最高,有机肥的总养分在冬季、春季和夏季较低,不符合国家相关标准。3) 全部样本只有在秋季时Zn的含量在检测线以上,在四个季节内均未检测出Cu;牛粪中Ni的含量在夏季时最高;有机肥中Ni和Cr含量在秋季最高,As和Pb含量在四个季节均较小,所有样本的重金属含量均未超标。4) 所有样本的蛔虫卵死亡率均达到100%;两种有机肥中粪大肠菌群数量均小于70个/g,符合国家标准,泌乳牛粪在春季时的粪大肠菌群数量巨大,达到11,000个/g,需要处理才可以作为粪肥使用。综上所述,季节变化不仅影响牛粪中各成分的含量,还会影响有机肥的品质。本研究的结果可为不同季节有机肥生产工艺改进、作物种植的肥料选择提供参考。

The quality of organic fertilizer is greatly affected by seasons. In order to understand the distribu-tion of basic physical and chemical properties, nutrients, heavy metal content and bacterial resi-dues of livestock manure and organic manure in different seasons, the nutrient indices such as ni-trogen (TN), phosphorus (P2O5), potassium (K2O), the heavy metal components such as zinc (Zn), nickel (Ni), arsenic (As), lead (Pb), chromium (Cr), copper (Cu), the mortality rate of Ascaris eggs and the number of fecal coliform bacteria in cow manure and organic manure collected in different seasons from a typical cattle ranch, farm and vineyard in Yang River Valley were studied. The re-sults showed that: 1) The pH value of cow manure was highest in autumn, which was ranged from 7.06 to 7.37. The moisture content of cow manure was more than 80% in all seasons. The moisture content of organic manure was less than 30% and was highest in spring. 2) The nutrient contents of cow manure and organic manure were in the order of K2O > TN > P2O5. The total content of nutrient was highest in autumn. The total nutrient of organic manure was lower in winter, spring and sum-mer, which did not meet the relevant national standards. 3) The contents of Zn in all samples were above the detection limit only in autumn, and no Cu was detected in four seasons. The content of Ni in cow manure was highest in summer. The contents of Ni and Cr in organic manure were highest in autumn. The contents of As and Pb were low in all four seasons. The contents of heavy metals in all samples were not exceeded the standard. 4) The mortality rates of Ascaris eggs in all samples were 100%. The fecal coliforms in both organic manures were less than 70/g, which met the national standard. The fecal coliforms in cow manure in spring were huge, reaching 11,000/g, and needed to be treated before they could be used as manure. In conclusion, variations of seasons not only af-fected the content of components in cow manure, but also affected the quality of organic fertilizer. The results of this study provide references for the improvement of organic fertilizer production technology in different seasons and the selection of fertilizer for crop cultivation.

1. 引言

畜禽粪便是农业生产中常用的传统肥料,畜禽粪便有机肥在绿色农业、循环农业和有机农业中扮演着重要角色 [1] [2]。畜禽粪便有机肥不仅可以充分利用牛粪的肥效,还可以改善土壤,较少化肥施用对环境造成的危害 [3] [4]。但是在实际生产中,畜禽饲料中经常使用铜(Cu)、镉(Cd)、砷(As)、锌(Zn)等微量元素添加剂以增加经济效益 [5] ,而畜禽对微量元素较低的利用率导致其粪便中含有大量的重金属 [6] [7] [8]。含重金属的粪便制成的有机肥长期施用会造成土壤中重金属元素的富集积累,改变农田重金属的有效性,从而造成土壤重金属污染及潜在风险的加剧 [9] [10] [11] [12]。畜禽粪便重金属含量超标已成为普遍现象,威胁人类的身体健康 [13] [14] [15]。

重金属在畜禽粪便和有机肥成分的研究中受到普遍关注。一般情况下,对畜禽粪便及有机肥的重金属污染研究集中于As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni [16] [17] [18] [19]。李书田等 [14] 在对20个省市畜禽粪便养分含量的研究中发现牛粪Cu、Zn超标率为9.6%、3.8%王飞等 [1] 对华北地区畜禽粪便养分及重金属含量的研究中发现,畜禽粪便中TN、P2O5、K2O的含量较高,有机质含量较高,但Cu、Zn等重金属含量超标。同时畜禽粪便有机肥的重金属含量会受畜禽粪便来源、季节等因素的影响。覃丽霞 [20] 等在对浙江省畜禽有机肥重金属含量的研究中发现,春季牛粪的Pb和Cr含量比夏季的高。田雪力 [21] 在对天津市奶牛场的牛粪进行四个季节连续采样分析,发现Zn和Cr的含量在秋季时最高。

作为永定河上游的一级支流,洋河的污染控制是永定河综合治理的重要环节 [22]。洋河的水质也在很大程度上影响官厅水库的水质,影响对官厅水库恢复饮用水水源地计划 [23]。程鹏和李叙勇 [24] 在对洋河流域不同时空水体重金属污染的研究中发现,连续20年洋河流域Pb和Cd的含量均一直超过地表水质标准。王闯 [25] 在洋河沉积物重金属研究中发现洋河水系表层沉积物中重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量平均值分别是0.34、59.91、30.64、30.85、39.51和129.27 mg/kg,分析表明其中的Cd、Pb和Zn主要来源自人为活动,Cr、Cu和Ni主要来自于自然过程。其中,畜禽养殖是洋河流域污染的主要来源之一。通过生产有机肥削减养殖废弃物入河量,减少化肥施用量,是控制区域污染的重要手段。而受到技术水平的限制,洋河流域的有机肥生产多以自制为主,缺少成熟的工艺条件,因此有机肥的品质受到不同季节下温度和原料成分的影响较大。

调查分析不同季节牛粪及牛粪有机肥中的理化性质、养分、重金属以及活菌残留情况,有助于对牛粪进行更好的无害化处理和资源化利用,促进绿色农业、循环农业、有机农业的发展。本研究选取了洋河流域某典型养牛牧场的泌乳牛粪和储备牛粪、某典型农场的牛粪有机肥及某葡萄园的牛粪有机肥作为研究对象,通过分析不同季节牛粪及牛粪有机肥中的pH值、含水率、TN、P2O5、K2O、Zn、Ni、As、Pb、Cr、Cu的含量以及活菌残留情况,旨在了解洋河流域内,不同季节导致的牛粪和有机肥品质差异,以期为该地区畜牛粪及牛粪有机肥生产工艺的改进及有效利用提供参考依据。

2. 材料与方法

2.1. 样品采集与处理

本研究共4个采样点,分别是洋河流域某典型养牛牧场的泌乳牛粪和储备牛粪、某典型农场的牛粪有机肥及某葡萄园的牛粪有机肥,采样时间为秋季(2018年9月)、冬季(2018年12月)、春季(2019年3月)、夏季(2019年6月),取样前将取样部位表层铲除,根据粪堆高度选取上中下三个部位取样,混合后采用四分法进行最终取样。样品低温冷藏带回实验室后放入4℃冰箱中备用。

2.2. 样品测定与分析

畜禽粪便及有机肥的酸碱度(pH值)的测定采用电极法;含水率的测定采用烘干法;TN的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法,P2O5的测定采用钒钼黄比色法,K2O的测定采用火焰光度法;Zn、Ni、Cu的测定采用火焰原子吸收分光光度法,Pb、Cr的测定采用原子荧光光谱法,As的测定采用原子荧光光谱法 [26] [27] ;活菌残留的测定采用乳糖发酵试验和分离培养法 [28]。样品在测试过程中通过平行双样分析方式进行质量控制。

2.3. 数据分析与统计

文中数据均为3个平行样品的平均值,养分及重金属含量的描述性统计运用Excel软件进行处理。

3. 结果与分析

3.1. 牛粪及有机肥中pH值和含水率分析

pH值和含水率是畜禽粪便检测的重要物理指标 [12]。植物可在很宽的pH范围内正常生长,但各种植物有自己适宜的pH值,绝大多数植物正常生长的pH值在7.0左右,检测调控粪便及有机肥的pH值有利于提高肥效 [29]。如表1所示,牧场泌乳牛粪、储备牛粪、农场牛粪有机肥和葡萄园牛粪有机肥的平均pH值分别为6.68、7.22、8.20、7.97。两种牛粪pH值均大于6,但与其他研究相比数值较小 [30] [31]。陈芬和余高 [30] 在2019年关于畜禽粪便中养分含量分析研究中测得牛粪的pH值为7.82~8.85。Song [31] 等在2014年关于堆肥处理对畜禽粪便中养分含量影响的研究中测得牛粪的平均pH值为9.54。本研究中,两种牛粪有机肥的pH值均在5.5~8.5范围内,符合有机肥的国家标准《有机肥料》(NY525-2012) [32]。牧场泌乳牛粪、储备牛粪、农场牛粪有机肥在秋季时的pH值最高,分别是7.06、7.37、8.41,葡萄园牛粪有机肥的pH值在夏季最高,达到8.22。牛粪和牛粪有机肥的平均pH值分别为6.95、8.09,该牛粪有机肥的制备工艺能够显著提高牛粪的pH值,有利于改良酸性土壤。在秋季、冬季、春季、夏季,该地区有机肥制备工艺将牛粪的平均pH值分别从7.22、6.92、6.96、7.06提高至8.26、7.93、7.93、8.21,分别提高了1.04、1.01、0.97、1.15。其中,春季时的有机肥制备工艺对牛粪的pH提高效果最明显。

Table 1. pH value and water content of cow dung and cattle manure organic fertilizer

表1. 牛粪及牛粪有机肥的pH值和含水率

禽粪便堆肥过程中的含水率能够影响有机肥的腐熟度,牛粪在堆肥时的含水率为59.8%时达到最高腐熟度 [33]。牧场泌乳牛粪、储备牛粪、农场牛粪有机肥和葡萄园牛粪有机肥的平均含水率分别是82.49%、81.00%、1.71%、8.32%。两种牛粪含水率均大于80%,在堆肥前可进行相应处理,减少其含率,使含水率接近60%。Choi [34] 等在对不同季节荷斯坦母牛产肥量和特性研究中检测到牛粪的含水量为83.5%,与本实验接近。两种牛粪有机肥的含水率均小于30%,均符合有机肥的国家标准《有机肥料》 (NY525-2012) [32] ,即该牛粪有机肥的制备工艺对含水率的降低效果较好。农场牛粪有机肥和葡萄园牛粪有机肥在春季时的含水率较高,分别是27.29%、19.00%,在冬季和夏季的含水率较低,均在6%以下。考虑是降水、蒸发等气候因素的不同造成含水率在不同季节的差异。

3.2. 牛粪及有机肥中TN、P2O5、K2O含量分析

畜禽粪便及有机肥中含有丰富的TN、P2O5、K2O等元素,是植物生长发育所必需的营养元素,也是农业可持续发展的必要资源。如表2所示,不同季节的粪肥的TN、P2O5、K2O养分含量差异较大。牧场泌乳牛粪、储备牛粪、农场牛粪有机肥和葡萄园牛粪有机肥在秋季的总养分分别是7.40%、7.07%、6.84%、9.58%,均满足《有机肥料》(NY525-2012)规定的养分大于5%的标准 [32]。4种样品在冬季、春季、夏季的总养分均小于3%,不满足标准。在冬季、春季和夏季时,牧场储备牛粪的总养分均高于牧场泌乳牛粪,在制备有机肥时可通过提高牧场储备牛粪的添加比例进行调节。也可以通过添加适量的鸡粪和养分,来提高有机肥的养分含量 [35]。该牛粪有机肥的制备工艺对总养分的平均含量的提高效果在冬季时较为明显,从1.42%提高至2.43%;在秋季时总养分的平均含量从7.24%提高至8.21%;在春季和夏季时总养分的平均含量有所降低,分别从0.96%、1.79%降低至0.64%、0.98%。

Table 2. Contents of TN, P2O5 and K2O in cow dung and cattle manure organic fertilizer (unit%)

表2. 牛粪及牛粪有机肥中TN、P2O5、K2O含量(单位%)

注:TN、P2O5、K2O分别代表样品中氮、磷、钾的含量。

在秋季、冬季、春季、夏季,该地区有机肥制备工艺将牛粪中TN含量分别从0.25%、0.49%、0.3%、0.66%调整至0.29%、1.83%、0.12%、0.25%,其中,冬季时的有机肥制备工艺对牛粪TN含量的提高效果较为明显,春季和夏季时TN含量下降;在各个季节牛粪和牛粪有机肥中P2O5含量较低,在0.01%~0.08%之间,各季节P2O5含量变化不明显;在各个季节有机肥制备工艺将牛粪中K2O含量分别从6.96%、0.20%、0.37%、1.07%调整至7.89%、0.57%、0.50%、0.72%,其中,秋季、冬季、春季的有机肥中K2O含量相比牛粪中均有提高,秋季的提高效果最明显,夏季的有机肥中K2O含量有所下降。

在牛粪及有机肥中,三种营养元素的含量由多到少分别为K2O、TN、P2O5。田雪力 [21] 的TN平均含量超出P2O5平均含量的结论与本研究一致。K2O平均含量最高是由于牛属于反刍动物,秸秆等富含纤维的饲料中比籽粒富集更多的K2O元素,因此牛粪中含有更高的K2O元素 [12] [30]。牧场泌乳牛粪和储备牛粪的TN含量在冬季和夏季时最高。田雪力 [21] 在对天津市奶牛场的牛粪进行四个季节连续采样分

含量在夏季时含量最高;K2O含量在秋季时最高,夏季时略高。

3.3. 牛粪及有机肥中重金属含量分析

表3所示,牧场泌乳牛粪、储备牛粪、农场牛粪有机肥和葡萄园牛粪有机肥Zn的含量只有在秋季时在检测线以上,含量分别是209.8、83.6、86.0、98.6 mg/kg。全部样本在四个季节内均未检测出Cu。牧场泌乳牛粪和储备牛粪中Ni的含量在夏季时最高,分别是32.0、48.0 mg/kg;农场牛粪有机肥和葡萄园牛粪有机肥中Ni的含量在秋季时最高,分别是23.3、25.3 mg/kg,在夏季时Ni含量略高,分别是19.0、23.0 mg/kg。在四个季节内,两种有机肥的As和Pb含量均较小,含量在10.0 mg/kg以下,且夏季Pb的含量最小。农场牛粪有机肥和葡萄园牛粪有机肥Cr的含量在秋季时最高,分别是45.2、48.9 mg/kg,在其他三个季节Cr含量均在10 mg/kg以下,且Cr的含量在夏季时最小。在秋季、冬季、春季、夏季,该地区有机肥制备工艺将牛粪中Ni含量分别从11.2 mg/kg、11.0 mg/kg、5.0 mg/kg、40.0 mg/kg调整至24.3 mg/kg、10.0 mg/kg、14.0 mg/kg、21.0 mg/kg,其中,夏季时的有机肥制备工艺对牛粪Ni含量的降低效果较为明显,秋季和春季的有机肥中Ni含量相比牛粪中有所提高。

Table 3. Contents of heavy metals in cow dung and cattle manure organic fertilizer (mg/kg)

表3. 牛粪及牛粪有机肥中重金属元素含量(单位mg/kg)

注:*代表未检测该指标。

覃丽霞 [20] 等对浙江省畜禽有机肥重金属和养分含量研究中发现,春季牛粪Zn、Pb、Cr的含量分别为74.33~2229.08、3.45~39.98、8.77~70.50 mg/kg,夏季牛粪Zn、Pb、Cr的含量分别为97.83~1502.95、3.19~28.46、5.21~39.13 mg/kg。其中牛粪中春季的Pb和Cr含量比夏季高的结论与本研究结论一致。田雪力 [21] 在对天津市奶牛场的牛粪进行四个季节连续采样分析,发现Zn和Cr的含量在秋季时最高,与本研究的结果一致。李治宇 [36] 等在对塔里木大学动物科学学院养牛场的牛粪研究中,检测到牛粪中Cu含量为3~5 mg/kg,Zn含量为30~50 mg/kg。陈芬和余高 [30] 在对晋北地区规模化养殖场畜禽粪便养分和重金属含量分析研究中,发现由于畜禽饲料中添加大量Zn和Cu来减少细菌感染和促进畜禽发育,在牛粪中Zn和Cu的含量比其他重金属的含量更高。不同研究间重金属含量的差异推测是因为不同畜禽所使用的饲料添加剂不同 [14]。从当前的国内形势来看,国家对畜禽粪便中的重金属含量没有制定严格的国家标准 [16]。因此,在本次研究中,将《有机肥料》(NY525-2012)对As、Pb、Cd和Cr的含量限定以及《污泥农用污染物控制标准》(GB4284-1984)对Cu、Zn和Ni的含量限定作为评价依据 [37]。Cu、Zn、As、Pb、Cr、Ni等6种元素的施用临界值分别为250、500、75、300、600、100 mg/kg。所有样品的重金属含量远低于标准限值,说明该区域规模化农牧场的粪便及有机肥对环境污染较小,符合绿色农业、循环农业、有机农业的要求。

3.4. 牛粪及有机肥中活菌残留

粪大肠菌群数、蛔虫卵死亡率是评价有机肥品质的重要指标,由表4可以看出,所有样本的蛔虫卵死亡率均达到100%。农场牛粪有机肥和葡萄园牛粪有机肥的粪大肠菌群数量秋季和夏季较多,春季和冬季均在检测线以下。两种牛粪有机肥粪大肠菌群数量均小于70个/g,《生物有机肥》 (NY884-2012)中规定有机肥料中粪大肠菌群应小于100个/g,所有有机肥样品均符合标准 [38]。泌乳牛粪在春季时的粪大肠菌群数量巨大,达到11,000个/g,在堆肥时需要严格把控相关工艺流程,以确保在施用前达到相关标准。

Table 4. Residues of live bacteria in cow dung and cattle manure organic fertilizer

表4. 牛粪及牛粪有机肥中活菌残留

4. 结论

本研究分析了不同季节对牛粪及牛粪有机肥理化性质、养分、重金属含量以及活菌残留的影响。

1) 所有样品的pH值均在5.5~8.8范围内,符合有机肥的国家标准《有机肥料》(NY525-2012),泌乳牛粪、储备牛粪和农场牛粪有机肥在秋季的pH值最高,葡萄园牛粪有机肥在夏季的pH值最高,该牛粪有机肥的制备工艺能够显著提高牛粪的pH值。两种牛粪含水率均较高,该牛粪有机肥制备工艺对牛粪中的含水率降低效果显著,经过堆肥等处理后均满足国家标准《有机肥料》(NY525-2012)。两种牛粪有机肥含水率在春季较高,冬季和夏季较低。

2) 所有样品在秋季的总养分最高,符合《有机肥料》(NY525-2012)规定的标准;在冬季、春季和夏季时,不满足标准。牛粪及牛粪有机肥中各营养元素的含量高低顺序为K2O > TN > P2O5。该牛粪有机肥的制备工艺在冬季和秋季时对总养分的平均含量有提高的效果;在春季和夏季时总养分的平均含量有所降低。

3) 样品中只有秋季时Zn的含量在检测线之上。所有样本均未检测出Cu。两种牛粪在夏季时的Ni含量最高。两种有机肥在秋季时的Ni和Cr含量最高。所有样本的重金属均未超出相关标准,对环境的重金属污染较小。

4) 所有样品的蛔虫卵死亡率均为100%。有机肥样品的粪大肠菌群数量满足《生物有机肥》(NY884-2012)标准,泌乳牛粪在春季时的粪大肠菌群数量较大,需经过特殊处理制备成有机肥。

综上所述,根据四个季节牛粪及有机肥中的养分及重金属含量的分析结果进行评价,季节对牛粪及有机肥的含水率、养分、重金属含量及粪大肠菌群数量影响较大。从整体上看,冬季和夏季的有机肥品质较好,冬季和夏季的牛粪有机肥制备工艺能够有效的减少牛粪的含水率,同时,重金属含量和粪大肠菌群数较少,但冬夏两季的牛粪有机肥中总养分含量较秋季低。

基金项目

本研究受到国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07101003)、中央高校基本科研业务费专项资金(2018MS051)资助。

NOTES

*通讯作者。

文章引用:
李树森, 郑磊, 曹宇东, 李莹, 田永兰, 张化永. 季节对牛粪及牛粪有机肥中养分和重金属含量影响分析[J]. 环境保护前沿, 2019, 9(5): 697-705. https://doi.org/10.12677/AEP.2019.95093

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