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.
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
收稿日期:2019年9月16日;录用日期:2019年10月2日;发布日期:2019年10月9日
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。
关键词 :集约化农牧场,季节,养分含量,重金属含量,洋河流域
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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 [
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 [
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 [
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。
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。
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 [
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。
pH值和含水率是畜禽粪便检测的重要物理指标 [
项目 | pH值 | 含水率(%) | |
---|---|---|---|
牧场泌乳牛粪 | 秋季 | 7.06 | 83.95 |
冬季 | 6.72 | 84.85 | |
春季 | 6.69 | 81.11 | |
夏季 | 6.97 | 80.03 | |
牧场储备牛粪 | 秋季 | 7.37 | 81.87 |
冬季 | 7.11 | 82.97 | |
春季 | 7.23 | 81.08 | |
夏季 | 7.15 | 78.06 | |
农场牛粪有机肥 | 秋季 | 8.41 | 10.88 |
冬季 | 8.05 | 5.50 | |
春季 | 8.12 | 27.29 | |
夏季 | 8.20 | 3.15 | |
葡萄园牛粪有机肥 | 秋季 | 8.11 | 7.64 |
冬季 | 7.81 | 3.44 | |
春季 | 7.74 | 19.00 | |
夏季 | 8.22 | 3.22 |
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 [
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 [
项目 | TN | P2O5 | K2O | 总和 | |
---|---|---|---|---|---|
牧场泌乳牛粪 | 秋季 | 0.25 | 0.03 | 7.12 | 7.40 |
冬季 | 0.36 | 0.03 | 0.14 | 0.53 | |
春季 | 0.25 | 0.02 | 0.30 | 0.57 | |
夏季 | 0.80 | 0.04 | 0.57 | 1.41 | |
牧场储备牛粪 | 秋季 | 0.25 | 0.03 | 6.79 | 7.07 |
冬季 | 0.61 | 0.03 | 0.25 | 0.89 | |
春季 | 0.35 | 0.02 | 0.44 | 0.81 | |
夏季 | 0.52 | 0.08 | 1.57 | 2.17 | |
农场牛粪有机肥 | 秋季 | 0.20 | 0.02 | 6.62 | 6.84 |
冬季 | 1.71 | 0.04 | 0.48 | 2.23 | |
春季 | 0.07 | 0.01 | 0.48 | 0.56 | |
夏季 | 0.41 | 0.02 | 0.67 | 1.10 | |
葡萄园牛粪有机肥 | 秋季 | 0.38 | 0.05 | 9.15 | 9.58 |
冬季 | 1.94 | 0.04 | 0.65 | 2.63 | |
春季 | 0.17 | 0.02 | 0.52 | 0.71 | |
夏季 | 0.08 | 0.01 | 0.76 | 0.85 |
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 [
含量在夏季时含量最高;K2O含量在秋季时最高,夏季时略高。
如表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。
项目 | Zn | Ni | As | Pb | Cr | Cu | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
牧场泌乳牛粪 | 秋季 | 209.8 | 1.5 | * | * | * | <0.01 |
冬季 | <0.01 | 13.0 | * | * | * | <0.01 | |
春季 | <0.01 | <5.0 | * | * | * | <0.01 | |
夏季 | <0.01 | 32.0 | * | * | * | <0.01 | |
牧场储备牛粪 | 秋季 | 83.6 | 20.8 | * | * | * | <0.01 |
冬季 | <0.01 | 9.0 | * | * | * | <0.01 | |
春季 | <0.01 | <5.0 | * | * | * | <0.01 | |
夏季 | <0.01 | 48.0 | * | * | * | <0.01 | |
农场牛粪有机肥 | 秋季 | 86.0 | 23.3 | 1.8 | 4.1 | 45.2 | <0.01 |
冬季 | <0.01 | 10.0 | 3.1 | 8.8 | 8.9 | <0.01 | |
春季 | <0.01 | 14.0 | 1.6 | 6.1 | 7.3 | <0.01 | |
夏季 | <0.01 | 19.0 | 0.1 | <0.01 | 3.4 | <0.01 | |
葡萄园牛粪有机肥 | 秋季 | 98.6 | 25.3 | 3.6 | 4.7 | 48.9 | <0.01 |
冬季 | <0.01 | 10.0 | 4.8 | 5.8 | 4.8 | <0.01 | |
春季 | <0.01 | 14.0 | 1.9 | 9.6 | 5.3 | <0.01 | |
夏季 | <0.01 | 23.0 | 2.3 | 4.8 | 15.5 | <0.01 |
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 [
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 [
项目 | 粪大肠菌群(个/g) | 蛔虫卵死亡率(%) | |
---|---|---|---|
牧场泌乳牛粪 | 秋季 | 1100 | 100 |
冬季 | 4600 | 100 | |
春季 | 11000 | 100 | |
夏季 | 4 | 100 | |
牧场储备牛粪 | 秋季 | 1100 | 100 |
冬季 | 430 | 100 | |
春季 | 20 | 100 | |
夏季 | 240 | 100 | |
农场牛粪有机肥 | 秋季 | 23 | 100 |
冬季 | <3 | 100 | |
春季 | <3 | 100 | |
夏季 | 64 | 100 | |
葡萄园牛粪有机肥 | 秋季 | 23 | 100 |
冬季 | <3 | 100 | |
春季 | <3 | 100 | |
夏季 | 4 | 100 |
表4. 牛粪及牛粪有机肥中活菌残留
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。
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。
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Impacts of Season on Nutrient and Heavy Metal Contents in Cow Dung and Organic Fertilizer[J]. 环境保护前沿, 2019, 09(05): 697-705. https://doi.org/10.12677/AEP.2019.95093