随着畜禽养殖业规模化发展,畜禽粪便及冲洗用水的排放过度集中,且产生量迅速增加,对周边环境构成严重威胁,尤其是水环境的污染问题日益凸现。利用沼气发酵工艺处理畜禽粪污,同时产生生物质能,是畜禽养殖废弃物众多处理途径中最具经济、社会和环境效益的方法之一。但是,沼气工程迅速发展,其发酵尾产物沼液产生量迅猛增加,据估计我国年产沼液2亿多吨,沼液作为肥料等传统利用模式已无法满足日益增加的沼液处理需求。本文立足于沼液作为一种优质的有机肥在水稻生产上取得良好效果的基础上,提出应用稻田人工湿地生态系统处理高铵氮含量沼液(平均约600 mg·L-1)。全文以氮素为研究对象,系统地分析了水稻移栽后一个月内分三次施灌沼液(270～1080 KgNH4+-N·hm-2)的条件下,稻田田面水中氮素降解动态,包括每个施灌周期(10天)内、烤田前及烤田覆水期的稻田氨挥发、氧化亚氮排放、耕层土壤氮素含量、地下水氮素浓度变化及水稻生长和产量的影响。主要结论有：
1.在稻田淹水条件下,大量施灌高铵氮浓度的沼液,田面水中TN、DN、NH4+-N在施灌当天浓度最高,施灌后的前3天是其浓度显著降低的时期,因此,沼液施灌后的前3天是稻田生态系统消解沼液中氮素的关键时期,也是控制稻田径流氮污染的关键时期；田面水中NO3--N浓度经历了下降—上升—下降的变化过程,施灌后的第6天NO3--N浓度达到峰值,且峰值浓度显著高于施灌当天的浓度；随沼液施灌量的增加,田面水中TN、DN、NH4+-N浓度相应增大,降解到空白处理浓度水平所需时间相对延长。本研究最大沼液用量(4N处理,施灌量为1080 Kg NH4+-N·hm-2)条件下,TN、DN、NH4+-N、NO3--N浓度在施灌后的第12天均达到不施肥处理的浓度水平。
2.施灌沼液后,稻田氨挥发日均速率在施灌后的1天内即达到峰值,其后迅速降低,直至第6天趋于平缓；氨挥发速率随沼液施灌量的增加而增加。前6天的氨挥发是稻田氮素损失的关键时期；烤田及烤田覆水对稻田氨挥发无明显影响。本研究中,处理1N沼液(270 Kg NH4+-N·hm-2)、2N沼液(540 KgNH4+-N·hm-2)和4N沼液(1080 Kg NH4+-N·hm-2)施灌量稻田氨挥发总量分别为15.48、22.86和43.36 kg·hm-2,对应施灌入田的氮素的损失率分别为5.73%、4.23%和4.01%；增大沼液用量氨挥发损失总量增加,但损失率降低。
3.本研究在土壤氮素背景值较高和田面有水条件下,施灌沼液后氧化亚氮日均排放通量随时间的变化规律不明显；沼液施灌量对氧化亚氮日均排放通量变化的影响亦不明显。1N、2N和4N沼液施灌处理的氧化亚氮累积排放总量分‘别为5.63、4.44和4.83 kg·hm-2(不施肥处理,5.88 kg·hm-2)；施灌沼液降低了稻田N20的排放,且氧化亚氮排放总量不随沼液施用量的增加而增加。
4.本研究土壤类型、质地和结构下,试验监测期内未发现施灌沼液导致地下水氮素各浓度指标的超标(生活饮用水卫生标准GB/5749-2006)而造成的地下水氮污染。同时,地下水TN、NH4+-N、N03--N浓度并未随沼液施用量的增加而增大。
5.本试验高土壤氮素背景值条件下,不施肥处理分蘖期耕层土壤各层次氮素含量均有所下降,下降幅度为0-2 cm土层>2-10 cm土层>10-20 cm土层；而沼液处理的0-2 cm土层和2-10 cm土层全氮含量上升,10-20 cm土层氮素含量下降；收获期相对于分蘖期来说,不施肥处理土壤全氮呈下降趋势,沼液处理各层次全氮含量较分蘖期也均有所下降,而且各层次土壤全氮含量大小为0-2 cm土层>10-20 cm土层>2-10 cm土层。
6.稻田田面淹水条件下,随着施灌沼液量的增加,水稻植株分蘖数和株高显著增加,稻谷结实率及千粒重显著降低；分蘖期和收获期水稻植株以及稻谷籽粒中的含氮量与沼液用量之间的关系复杂；水稻产量整体趋势为4N处理>2N处理>1N处理,但是处理之间差异不显著,现有最大沼液用量(1080 KgNH4+-N·hm-2)不会对水稻产量的形成造成影响。分蘖期和收获期植株及稻谷含氮量整体上随沼液用量增加而增加,其中55.70～66.19%的氮素吸收发生在水稻移栽至分蘖期,随着沼液用量增加,沼液中氮素利用率明显下降。
