沼气发酵系统在农业面源污染治理中的地位和作用

2022-03-31 10:19:38| 浏览次数：

文章编号 1007-5739（2013）16-0221-02

农业面源污染（agricultural non-point source pollution）具有随机性、隐蔽性、分散性、广泛性、监测难、量化难等特点，具体是指农业生产活动中，无机或有机的污染物质通过农田渗漏及地表径流造成的水环境污染[1-3]。农业面源污染是我国农业环境污染的突出表现之一[4]，如不采取有效的防治控制措施，将会带来巨大的经济、社会和环境损失。治理农业面源污染需要有效地解决农业生产中的农药、化肥、畜禽粪便和农作物秸秆等问题，而沼气发酵正好可将畜禽粪便和农作物秸秆厌氧发酵制成清洁的沼气和沼肥，解决燃料问题，且沼肥农用又能替代农药和化肥，可提高农产品质量，促进农业循环经济发展，是目前治理农业面源污染的有效途径。为促进农业生态的良性循环，改善农村环境卫生，大力发展农村经济，可将沼气发酵系统作为治理农业面源污染的枢纽，在回收农业废弃物的同时，也解决了诸多问题。

1 沼气发酵系统在农业面源污染治理中的地位

养殖业污染、化肥农药的不合理施用、农村生活污水及垃圾污染及农作物秸秆的无序利用是我国农业面源污染的主要成因。因此，解决我国农业面源污染问题的核心是有效解决农业生产中的农药、化肥、畜禽粪便和农作物秸秆问题。同时，当前我国农村面临能源匮乏的局面，沼气发酵系统恰能解决这2个问题。

据统计，若将我国农村每年所产生的生物质包括人畜粪便、农作物秸秆等（5.7亿t）的1/2用于制取沼气，不仅可以满足农村的生活用能需求，还可有60亿m3沼气剩余[5]。由此可见，利用畜禽粪便、秸秆和生活污水、垃圾发酵生产沼气这一转化方式不仅能够完全解决农村生活用能问题，并且若将发酵后的沼液代替或者部分代替化肥和农药，还能有效地缓解由化肥、农药所造成的农业面源污染问题。

沼气发酵系统在正确合理处理畜禽养殖业和水产养殖业的粪便、农田秸秆和农村生活污水、垃圾的同时，对治理和防治由于化肥、农药的不合理使用所造成的农业面源污染也起着重要的作用。沼气发酵系统的这一纽带作用见图1。

2 沼气发酵系统在治理农业面源污染中的作用

2.1 可以减少养殖业和种植业面源污染

目前，我国有大中型畜禽养殖场1.4万家左右，其中5 000头以上的养猪场逾1 500家，400头以上的养牛场逾400家，30万只以上的养鸡场逾420家[6]，畜禽养殖业集约化发展迅速，每年均以超过10%的速率进行递增。畜禽粪便是养殖业产生的重要污染源，其有机污染物含量很高[7]，如果进行无序堆积，不仅可产生有害气体影响空气质量，而且其高度淋溶性会使其对地表及地下水造成污染，同时会使土质过肥造成土壤生产能力降低或消失[8]。

我国种植业每年可产生秸秆7.9亿t，其主要的利用方式为饲料、燃料、工业原料和肥料，其他剩余部分则乱堆乱弃或直接焚烧[9-10]，不仅造成资源浪费，同时对环境造成污染。

针对上述养殖业和种植业造成的农业面源污染问题，考虑资源化利用的原则，若通过沼气发酵系统将其转化为清洁能源，不仅可解决秸秆和畜禽粪便造成的农业面源污染，还可向农业生产提供优质能源。据调查，截至2011年底，我国户用沼气池保有量4 169.7万户，年产沼气138.4亿m3，处理农业废弃物的沼气工程数量为8.07万处，总池容1 106万m3，年产沼气14.4亿m3 [11]。为达到沼气发酵的最佳碳氮比（20～30∶1），当分别用秸秆和畜禽粪便作原料进行沼气发酵时，由于农作物秸秆富碳少氮和畜禽粪便富氮少碳，可向沼气池中投入适量氮或碳。若将两者同时投入，通过调节投加量即可达到良好的发酵效果[12]。

此外，沼气发酵是一个厌氧过程，病原微生物会在此过程中被消灭。据检测，沼气发酵后的人畜粪便平均寄生虫卵数量发酵后与发酵前相比减少了98.8%[11]，沼气发酵后的猪粪中人畜寄生虫卵消灭量达90.6%，大肠杆菌消灭量达99.9%，细菌消灭量达99.6%[13]；谢秀兰[14]的研究表明：沼气发酵对金黄色葡萄球菌、乙型溶血性链球菌和伤寒沙门氏菌都有很好的杀灭效果。因此，沼气发酵后产生的沼液和沼渣可直接作为作物肥料，或用于浸种，不会产生二次污染。

2.2 沼肥代替化肥减少化肥面源污染

现代农业生产中，化肥施用量过大导致的农业生态环境破坏不容小觑。据统计，我国因施用化肥所带来的农作物增量每年仅以算术级数增长，而化肥施用量却以几何级数增长。化肥流失对水体、土壤以及大气的污染是化肥所造成的面源污染的突出表现。我国耕地面积不到世界的10%，但氮肥施用量却占世界的30%[11]。虽然施用量较大，但利用率却不高，我国氮、磷、钾肥利用率分别为30%～35%、10%～20%、35%～50%，剩余养分则通过径流、淋溶、泥沙、反硝化、吸附和侵蚀等方式进行环境当中[15]。由此导致的环境问题主要有以下几个方面：一是造成土壤板结和有机质减少；二是导致水体富营养化，藻类迅速生长繁殖；三是化肥中的重金属成分富集到农作物中对人体健康造成损害[16]，从而造成立体污染[15]。而厌氧发酵后的沼液和沼渣中含丰富的营养元素、微量元素及氨基酸、腐植酸、维生素等物质，连续施于土壤中不仅可以提高土壤有机质含量，改善团粒结构，并利于恢复土壤生态系统[17]。据计算，来自10 m3沼气池一年提供的沼肥，相当于50 kg硫酸铵、15 kg氯化钾和40 kg过磷酸钙[18]。沼肥农用不但可增收、降低经济成本，还可减少因其带来的水体营养化和重金属超标等环境问题。李轶等[19]通过试验证明：施用沼渣、沼液在提高土壤有机质含量方面的效果优于化肥，沼渣与沼液配合施用在提高土壤有机质含量方面明显优于化肥；沼渣与沼液配合施用有利于提高土壤磷酸酶活性，优于化肥，施用沼渣比施用化肥有利于提高土壤呼吸强度[20]。史雅娟等[21]研究表明，适量施用沼肥比施用化肥可明显减少蔬菜内硝酸盐的积累。王植等[22]研究表明，农田底施沼渣、追施沼液可明显增加玉米产量，而且施用沼肥比施用化肥增产7.64%～10.34%。农田施用沼肥比施用化肥减少了土壤总磷、总氮及硝酸盐氮的流失量，改善了水质。由此可见，如果用沼肥代替化肥，不仅可增加土壤的肥力以及提高作物产量，还可减轻由施用化肥带来的农业面源污染。

2.3 沼液代替化学农药减少农药面源污染

我国农药产量及使用量均居世界前列，虽然农药的使用可在一定程度上控制病虫害的发生，但其残留于农产品中会导致品质下降。我国农药使用还存在利用率低的问题，总体有效利用率不足30%，喷施的粉剂农药仅有10%左右附着在植物体上，液体农药仅有20%左右附着在植物体上，仅有1%～4%的药剂接触到目标害虫[15]。

据报道，厌氧发酵后的沼液含丰富的生物活性物质，可用于处理种子或进行叶面喷施、根施，不仅可增加农作物的抗旱、抗冻及抗病虫害能力，而且能够提高农产品的品质，不会在环境中造成残留。由此表明，用沼气发酵产生的沼液代替化学农药，可有效杀灭病菌和虫卵，促进作物高产稳产，同时在一定程度上减轻了由农药造成的面源污染[23-24]。

3 展望

随着农村经济的发展及对生态农业的重视，防治和解决农业面源污染已势在必行。沼气发酵系统以禽畜粪便和农作物秸秆为原料，在提供大量清洁能源的同时，还可为农业生产提供全部或者部分的化肥和农药，通过改善土壤的结构和对病虫害的防治和杀灭为作物的稳产高产打下基础；同时在治理由于农药、化肥、畜禽粪便和农作物秸秆所造成的农业面源污染中起着重大的作用。因此，发展沼气发酵系统是治理农业面源污染的有效途径。

4 参考文献

[1] 黄晶晶，林超文，陈一兵，等.中国农业面源污染的现状及对策[J].安徽农学通报，2006，12（12）：47-48.

[2] 崔键，马友华，赵艳萍，等.农业面源污染的特性及防治对策[J].中国农学通报，2006，22（1）：335-340.

[3] 张宏艳.发展有机农业遏制农业面源污染[J].乡镇经济，2003（8）：12-13.

[4] 2007年中国环境状况公报[EB/OL].（2008-08-25）[2013-06-20].http：///plan/zkgb/2007zkgb/.

[5] 張无敌，宗德彬，宋洪川.沼气发酵系统在生态农业中的地位和作用[J].生态农业研究，1994，2（1）：56-61.

[6] 曹利荣，张晨.治理禽畜养殖污染势在必行[J].河北环境科学，2003，11（1）：20-22.

[7] 燕惠民，谭济才.新时期农业环境监督管理探讨——以湖南省为例[J].农业环境与发展，2004，21（1）：36-38.

[8] 杨丽霞，苑韶峰.养殖业与非点源污染及其治理方法探讨[J].饲料工业，2002，23（7）：20-22.

[9] 陈百明，陈安宁，张正峰，等.秸秆气化商业化发展的驱动与制约因素分析[J].自然资源学报，2007，22（1）：62-69.

[10] 钟华平，岳燕珍，樊江文.中国作物秸秆资源及其利用[J].资源科学，2003，25（4）：62-67.

[11] 田宜水.2012年中国农村能源发展现状与未来趋势[J].中国能源，2013，35（3）：11-15.