城市环境与城市生态
URBAN ENVIRONMENT & URBAN ECOLOGY
1999年 第12卷 第4期 Vol.12 No.4 1999



酿造污泥的农业利用对地下水的影响
台培东　郭书海　区自清　任丽萍　唐景春　殷　红　党秀芳
　　摘要：本文通过模拟渗滤实验对酿造残渣（NovoGro）在天津地区农业利用可能产生的环境影响-氮素对地下水的潜在污染——进行了比较系统的研究。结果表明，氮素（主要是NO3-）在土壤中的迁移和积累行为在不同作物和土壤条件下是有差异的。在水田中施用NovoGro，不会引起水体的氮素污染问题；旱田（小麦）表层土壤和下渗水中NO3－-N的含量则随NovoGro的施用量的增加而增加，当施用量达到45t/hm2时足以造成地表径流和地下水的NO3－-N污染。
　　关键词：NovoGro；酿造污泥；地下水；氮素污染；农业利用
　　中图分类号：X523　　文献标识码：A　　文章编号：1002-1264(1999)04-0036-04
Effects of Fermentation Sludge Application 
for Agriculture on Ground Water
TAI Pei-dong1,GUO Shu-hai1,OU Zi-qing1,REN Li-ping1,
TANG Jing-chun2,YIN Hong2,DANG Xiu-fang2
(1.Institute of Applied Ecology,Academia Sinica,Shenyang 110015)
(2.Tianjin Environmental Monitoring Center,Tianjin 300191)
Abstract：Study on the environmental impact of agrucultural use of fermentation sludge NovgGro by infiltration experiment was discussed in the paper.It is showed that there is no water pollution of nitrogen when used in paddy rice field.While the concentrations of NO3－-N in the surface soil and the leachate of upland (wheat) increase with the application amount of NovoGro NO3－-N in the run-off and ground water at a dosage of 45t/hm2.
Key words: NovoGro；　fermentation sludge；　ground water；　nitrogen contamination；　agricultural application
前言
　　有关NovoGro的农业利用，在丹麦、美国、巴西等国家已开展了多年的实验研究。证明NovoGro对作物有着显著的增产作用，可明显改善土壤理化性质和有机质含量［1］。但上述国家有关NovoGro农业利用研究，均没有涉及到NovoGro农业利用后对环境的影响问题。
　　天津地区的地下水位埋深在1m左右，这一深度是来自地表的NO3--N最容易发生积累的土层，有资料表明在等氮量的施肥条件下，有机污泥的施用比化肥更容易引起水体中NO3-含量的增加［2，3］。因此，NovoGro矿化后释放出的大量氮素进入土壤后，是否会造成地下水的氮素污染，是当地有关人士普遍关注的问题。本文采用Novo Nordisk（中国）生物技术有限公司在生产各种工业用酶制剂、胰岛素、青霉素等产品产生副产物—发酵残渣，进行模拟渗滤实验，探讨 NovoGro释放氮素对环境（地下水）的影响，为NovoGro的安全农用提供理论依据。
1　材料和方法
1.1 材料
1.1.1　实验装置
　　Φ100×1000mm的PVC柱内装供试土壤。
1.1.2 供试NovoGro
　　实验用生物发酵残渣或称“NovoGro（诺和肥）”为Novo公司提供的宏达酶制剂厂的NovoGro，其主要成分见表1。
表1　NovoGro主要成分

成分水分(%)干物质（%）有机质TNTPTPpH
含量（mg/kg）75.524.59.6812.212.42.0411.5

　　重金属和有毒有机污染物含量均低于农用污泥污染物控制标准(GB4284-84)
1.1.3　供试土壤
　　旱田土壤1996年4月23日取自天津市津南区双闸乡麦田。属重碳酸盐－氯化物盐化潮土,pH　8.0-8.5，盐分含量0.24%。质地粘重，容重1.5　g/cm3, 有机质含量1.5%。
　　水田土壤取自天津市津南区辛庄乡水田。属重碳酸盐－氯化物北方水稻土,是在长期种稻水耕及施肥利用和渍水灌溉影响下，形成的一种特殊土壤。pH 7.5-8.0, 含盐量0.13%。容重1.4　g/cm3, 有机质2.5%。
1.2　方法
1.2.1实验设计
　　土柱渗滤实验设三个氮肥［（NH4)2SO4］水平、五个NovoGro水平、三个重复。NovoGro设计投加梯度为0、11.25、22.5、33.75和45　t/hm2，分别相当于施入纯氮0、90、180、270和360　kg/hm2.根据实验研究的目的，采用非完全设计。实验设计见表2。
表2　土柱渗滤实验设计

处理号（NH4)2SO4kg　N/hm2
075150
NovoGro(t/hm2)01(0)2　(75)7(150)
　11.253　3　(165)*
　22.5　4　(255)
　33.75　5　(345)
　45　6　(435)

　　*注：括号内数据为施入总氮，单位：kg/hm2.
1.2.2　实验方法
　　将实验用土壤风干，过筛（5.0mm),按其容重分层装入Φ100×1000mm的渗滤柱中，将底肥［（NH4)2SO4、K2HPO4］和NovoGro按表2，拌施入表层土壤（0－20cm)。分别播种小麦（5株/柱）和插秧水稻（1穴/柱，5株/柱）。按时灌水保持旱田土壤一定湿度和水田水面一定的深度，记录灌水时间和灌水水量。定期采集渗滤水，每次500mL，分析NH4+-N和NO3--N含量。作物成熟后，收获并进行考种。 实验连续进行两年。实验结束后，分层取土柱中土壤样品，测定土壤中NH4+-N和NO3--N含量。
2　结果与讨论
2.1　可溶性氮素的淋溶实验
2.1.1　水田土柱实验
　　土柱渗滤实验在施肥后15天开始渗出水，共进行12次水田土柱渗滤水样的采集和测试。
　　水田土柱渗滤水中NH4+-N含量在低浓度水平呈递减趋势见图1。大部分NH4+-N的渗滤发生在实验开始的一年，说明NH4+-N的渗滤受土壤本底中NH4+-N的含量影响要高于施肥中NH4+-N补给。统计结果表明，不同处理间的NH4+-N渗滤总量次序是：N0NG0<N150NG0<N　75NG11.25<N75NG22.5<N75NG0<N75NG45<=N75NG33.75。各个处理间NH4+-N的累积渗滤量与NovoGro施用量的关系不明显，无规律。可见Novogro的连续施用不会增加水田土壤NH4+-N向地下水淋溶。


图1　水田土柱渗滤水中NH4＋-N的含量变化
　　水田土柱渗滤水中NO3--N浓度的年度差异与NH4+-N相似。在首次渗滤水样测定中含量最高见图2。这一方面与施入的肥料中含有形式和数量不同的氮素有关，更主要是因为在渗滤实验准备过程中，土壤风干过筛与空气接触，土壤中固有的氮素被硝化，产生NO3--N的残留。其余每次低于灌溉用水中NO3--N的含量（0.36　mg/L）。第二年实验开始又出现一个次高峰，也是由于填加新的肥料，以及水田土壤休闲过程中，硝化作用抑制解除，产生一定量的NO3--N所致［4］。未施用NovoGro的土柱，普遍高于施用NovoGro的土柱。说明化肥氮一次性施入水田土壤中，不能马上被作物吸收利用，可能很快造成NO3--N向下的淋溶。而Novogro的施用，由于增加了土壤有机质的含量，改善了土壤物理结构，可以将土壤中的部分可溶性氮素吸附起来，避免过量的氮素随水分向下淋溶。
　　从图2可以看出，一个实验周期（一个生长季）内，NO3--N的渗滤主要发生在灌水开始的两周内，这一期间的渗滤量在施用Novogro的土柱中，超过整个实验过程的95%，在未施用Novogro的土柱中也接近70%-80%。第二年连续施肥后，NO3--N渗滤量无明显的增加，说明水田土壤NO3--N的渗滤受施肥影响不大，更多受土壤本底NO3--N含量的制约。水田土柱NO3--N的渗滤总量大小次序是：N75NG45<N75NG11.25<N75NG33.75<N75NG22.5<N0NG0<N150NG0<N75NG0。施用Novogro后，水田土柱中NO3--N的渗滤量减少。表明，Novogro的施用不会增加氮素的向下淋溶的速率和总量。


图2　水田土柱渗滤水中NO3--N的含量变化
2.1.2　旱田土柱实验
　　由于旱田土壤硝化作用强烈,加入土壤或在土壤中产生的NH4+-N很快转化成NO3--N，所以，土壤渗滤水样中NH4+-N浓度水平不高于水田土柱。与水田土柱NH4+-N渗滤实验结果相似，NovoGro的施用不会增加下渗水中NH4+-N的浓度和总量，见图3。
　　就NO3--N渗滤在时间上的分布看，旱田土柱也与水田土柱明显不同，首次渗滤水中NO3--N浓度处于一个较低的水平，低于同期水田；随时间的推移，第二次采集渗滤水（施肥及灌水30天后）中NO3--N浓度达到最大值。其后由于没有任何形式的氮肥输入，渗滤水中的NO3--N浓度逐渐下降，但仍然高于首次渗滤水样中浓度。究其原因，一是由于旱田土柱的灌水强度远低于水田，而且旱田土壤的渗透性能不及水田，导致上层土壤中的NO3--N不能在短时间内穿透下部土层渗滤出来。第二由于氮肥的施入，如NovoGro的不断矿化和（NH4）2SO4的水解，释放出的NH4+-N经硝化不断产生NO3--N，使土壤中的NO3--N不断积累。所以在施肥及灌水达到一定时间后，表层土壤的NO3--N随水分开始渗出，使NO3--N浓度大幅度增加，并维持较长的时间，见图4。第三，地面作物对土壤中的氮素吸收能力有限，是旱田土柱NO3--N大量下渗的一个关键因素。盆栽实验和土柱产量实验（图5）都证明小麦对NovoGro的需求量低于水稻。


图3　旱田土柱渗滤水中NH4＋-N的含量变化


图4　旱田土柱渗滤水中NO3--N的含量变化
　　与水田土柱相比，旱田土柱NO3--N渗滤是一个相对均衡的持续累积过程。计算结果表明，不同施肥处理的NO3--N渗滤总量大小次序为：N0NG0<N75NG0<N75NG11.25<N150NG0<N75NG22.5<N75NG33.75<N75NG45 。这一次序与土柱中施肥的总氮量多少大致吻合，可见旱田土柱NO3--N的渗滤与Novogro施用量密切相关。
　　按常规施肥剂量投加Novogro,NO3--N的渗滤总量（39mg/柱）不会超过化肥正常施肥量（氮肥150kgN/hm2)的渗滤总量（42mg/柱），当Novogro施用量达到45<t/hm2（N75NG45)时,NO3--N渗滤总量达到53　mg/柱，比正常施肥量的渗滤高11　mg,NO3--N的平均浓度达到21　mg/L，对地下水有潜在的污染［5，6］。
2.2　氮素
