沼液灌溉的环境负效应研究进展

重庆市生态环境监测中心 田隽

沼气发酵是畜禽养殖粪污的主流治理技术，但其排放的大量沼液逐渐成为沼气工程成败的关键点，也是畜禽养殖健康发展的瓶颈之一。以前沼液的消纳与处置大多是农用灌溉，过分地强调了沼液提供氮磷养分的营养作用。殊不知，沼液中也含有重金属、抗生素、激素等有害物质，这些有害物质以及沼液的不合理使用带来的过量氮磷物质进入土壤，通过土壤生态系统的迁移转化，也会对土壤、作物、大气、地表水、地下水等环境因素带来负面效应。本文分析了我国沼液灌溉的环境负面效应研究现状，重点阐述了沼液负面效应的作用过程，并针对这些负面效应，提出了相应的削减对策。

一、沼液灌溉负面效应的作用过程

沼液灌溉对环境负面效应的作用过程主要有以下几个方面（见表1）。（1）重金属和抗生素是在沼液灌溉中最受人们关注的污染因子，①随着沼液进入土壤环境中导致土壤中重金属和抗生素累积，含量超过国家相关标准；②通过地表径流和淋溶迁移的方式进入水环境；③植物对重金属和抗生素有富集作用，土壤中的重金属和抗生素进入作物体内引起作物品质和产量的下降。（2）氮、磷元素是沼液中的主要营养成分，但是过多的沼液灌溉将引起①土壤中氮、磷元素含量的增加；②通过淋溶作用或地表径流的方式进入水环境中，对水环境造成负面效应；③氮在一定条件下可转化为N2O、NH3等气体进入大气环境，影响大气环境质量；④可供植物吸收的营养过剩，反而造成植物的产量和品质造成不利影响。

表1 沼液灌溉对环境负面影响作用过程

二、沼液灌溉的土壤环境负效应

（一）沼液重金属的土壤环境负效应

沼液中常见的重金属包括As、Cu、Zn、Cd、Cr等，且不同来源的沼液中重金属的含量有所不同。周扬等[1]发现，长三角郊区沼液中As、Cu、Zn、Cr的平均含量分别为5.82、8.68、0.92、0.72mg·kg-1，且猪场沼液>牛场沼液>户用沼液。沼液灌溉势必引起土壤重金属积累。张利[2]认为土壤中Pb、As、Hg含量随着沼液施用量增加而增加，尤其以Hg最为显著。积累于土壤中的重金属可能带来二次环境风险：（1）影响土壤微生物。如长期大量施用沼液所引起的土壤重金属将对微生物代谢活性和群落多样性造成严重影响。（2）影响深层土壤乃至地下水。重金属随沼液灌溉向深层土壤迁移，对地下水带来一定风险。王静雯[3]发现，尽管0-20cm土壤是重金属主要累积层，但深层黄壤性水稻土Zn、Cd、Cr、As、Hg等重金属含量随施用量的增加而增大。不同重金属在土壤中的迁移程度不同。猪场沼液喷灌竹林时，Cu、Zn、Pb、Cr含量有不同程度的增加，其垂直迁移程度依次为Pb>Cu>Cr>Zn。

（二）沼液抗生素的土壤环境负效应

畜禽动物对抗生素的吸收率较低，其大部分将以原样的形式随着排泄物排出体外。在畜禽粪便发酵后，抗生素虽然略有降解，但仍然存在于沼液之中。且大多数沼液抗生素普遍超标，长期施用沼液具有潜在的生态环境危害。卫丹等[4]研究了嘉兴市10家大规模的养猪场沼液水质，发现10种抗生素总浓度范围为10.1-1090μg·L-1，远高于欧盟的水环境抗生素阈值。段然等[5]认为施用沼肥与对应土壤兽药残留量具有显著的相关性，土壤中抗生素类兽药残留检出率为41.7%，环丙沙星类残留量为9.66mg·kg-1。“猪粪-沼液”配施的土壤金霉素含量高于单施猪粪。过高含量的土壤抗生素将抑制土壤微生物活性、降低微生物群落结构多样性。

三、沼液灌溉的水环境负效应

高负荷的沼液灌溉和高强度的降水将明显提高沼液中氮素的淋失风险和径流污染风险。有研究表明，施用沼液的处理田面水氮磷浓度呈先迅速开高后缓慢下降的趋势，因此前3-5天的迅速开高时期是氮磷径流污染的关键时期。张馨蔚[6]发现沼液施用对下渗水有明显的影响，在水稻盆栽试验中，高负荷组存在严重的养分淋溶现象，沼液施用量已经超出水稻生态系统承受范围；莴笋、黑麦草在高负荷的情况下也出现了下渗水养分含量明显高于对照组的情况。乔小珊等[7]有相似结论。与化肥相比，施用沼液原液灌溉将明显增加土壤渗滤液中重金属的浓度，将沼液稀释30倍后进行灌溉，土壤渗滤液中的Cd、Cu浓度将会增加。夏红霞[8]等发现与化肥相比，沼液中氮素淋失率超过化肥30%以上，在紫色土中会造成氮素淋失风险。在模拟径流和小区径流实验中，等磷量的沼液施用，将引起速效磷径流损失。对于含沙量较高的土壤，沼液灌溉将引起土壤中氮、磷、Cu、Zn快速向底层迁移，对地下水污染风险较大。虽然土壤对沼液中的污染物存在一定的净化作用，但这种能力是有限的，沼液灌溉必须严格控制灌溉量，不宜连续灌溉。

四、沼液灌溉的大气环境负效应

沼液施用在一定条件下将引起NH3、CH4、N2O、CO2等气体挥发。姜丽娜等[9]发现，施用2倍氮沼液用量下将引起水田消解时氨挥发量占总氮投入量的13%，高于全化肥含量10倍以上；0-10cm土层土壤温度、水分含量、可溶性有机碳含量、氮素水平及形态、微生物生物量及活性都与菜地氨挥发有较强的联系。控制施肥深度能有效减少沼肥中的氨挥发。王忠江等[10认为氨挥发累积量随沼肥施用深度的增加而减少，当施用深度为10cm时即可有效减少沼肥中的氨挥发。施用沼液后的48h内，菜地的氨挥发量会激增，沼液中的氮素以氨挥发的方式快速损失。N2O是沼液施用后产生的温室气体之一。与100%施用化肥相比，100%施用猪粪沼液的处理N2O累积排放量显著升高。N2O、CH4、CO2排放通量随沼液灌溉量的增加而增加，同时土壤N2O排放通量随土壤温度的提高而增加，与土壤水分呈极显著相关性，与土壤硝态氮质量分数显著相关；但CH4、CO2排放通量与土壤温度无显著的相关性，土壤CH4排放通量与土壤水分显著相关。靳红梅等[11]发现与单施化肥相比，追施沼液能显著增加N2O、CH4的排放速率，同时pH对N2O、CH4排放有重要影响，在施用沼液时应注意土壤的pH值，若土壤呈碱性，则其氮素挥发以及环境污染风险将增大。

五、沼液灌溉的植物负效应

沼液灌溉对植物生长发育的负面效应主要通过“土壤-植物”系统进行传递。作物对土壤中重金属有一定的富集作用，不合理的沼液施用可能会导致农产品重金属超标、产量和品质下降。黄界颍等[12]试验发现，过量施用沼液将引起，小白菜中的Cd超标；高红莉试验发现过量施用沼液将引起青菜Pb含量超出国家标准，应谨慎使用沼液对青菜进行灌溉。以沼液完全代替化学肥料施用不利于水稻生长。随着沼液施用量的提高，稻米垩白度率、透明度级上升，胶稠度下降，表明外观米质及口感度随沼液施用量提高而变劣，虽然蛋白质含量有所增加，但过量使用沼液并不利于米质综合指标的提高。由于某些重金属之间存在一定的协同作用，可进一步促进植物对重金属的吸收。施用沼液带入土壤中的Cu、Zn可以促进大蒜对Cr的吸收，从而导致大蒜中Cr超标。植物对土壤中抗生素具有一定的富集作用，富集过高则将抑制植物（如烟草）生长。

六、讨论

（1）我国沼液负面效应的研究进展可分为三个阶段，即2000-2008年、2008-2011年、2012年以后，与我国农业环境保护的重视程度吻合。（2）沼液负面效应“源”因子主要集中是重金属、氮、磷、抗生素、温室气体等，目前关注度较高的“汇”因子是土壤环境。（3）重金属和抗生素随着沼液进入土壤环境中会导致其含量超过国家相关标准，对土壤微生物活性和作物产量、质量均有不利影响，通过地表径流和淋溶的方式对水环境产生负面效应。过多的沼液灌溉将引起土壤中氮、磷等营养元素含量的增加，通过淋溶作用或地表径流的方式进入水环境中，氮素在一定条件下将转化为N2O、NH3等进入大气环境，土壤营养过剩对植物生长和品质存在一定的不利影响。