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摘要采用模拟装置对畜禽粪便在雨水冲刷下的氮磷流失规律进行了研究，为了试验结果可控性，采用人工降雨与模拟降雨相结合的方式，分别采集畜禽粪便堆体表层、30、50 cm处的样本。分析结果发现，降雨冲刷可导致畜禽粪便中65%的氮和55%的磷流失，且流失率主要与畜禽粪便的堆置时间和堆体高度有关，与单次降雨量关系不大。并结合流失规律开展了蚯蚓强化降解堆沤池的研究和蚯蚓生长条件的动力学优化，结果表明，堆沤池对堆体中的氮磷元素的流失有明显的控制作用。
关键词畜禽粪便；降雨冲刷；氮磷流失；蚯蚓降解
中图分类号S181文献标识码A文章编号0517-6611（2015）25-265-04
AbstractIt adopted analog devices to investigate N&P loss of animal manure in the rain erosion. To the controllability of the experimental process， the experiment has taken a combination of artificial rainfall and simulated rainfall， the samples were collected for analysis from the surface， 30， 50 cm of livestock and poultry manure. The results showed that 65% loss of nitrogen and 55% loss of the phosphorus can by the way of rainfall erosion， wastage rates of nutrient elements mainly related to stacking time and the pile height， little relationship with singlerainfall. Combined with the loss rules to carry out the studies of the earthworms to strengthen the degradation of composting pool and dynamic optimization of earthworm growth conditions. Studies have shown that degradation of composting pool has significant role in control the loss of nitrogen and phosphorus elements.
Key wordsLivestock and poultry manure； Rainfall erosion； Nitrogen and phosphorus loss； Earthworm degradation
大量的畜禽养殖使得我国每年都有大量的畜禽粪便产生。据朱建春等研究表明，1978～2011年我国畜禽粪便的产生量及其中氮磷产生量均呈上升趋势，分别增加了1.35、1.39和1.66倍，至2011年分别达到25.45亿、1 419.76万和247.98万t[1]。大量产生的畜禽粪便增加了附近水体富营养化的风险，但目前我国对畜禽粪便的处理技术却难以同步发展[2]。洱海附近发达的奶牛养殖业致使该地区的粪便产生量不断上升，由于缺乏有效控制措施，再加上畜禽粪便产生与农田利用时间的错位，随意堆置的畜禽粪便在降雨冲刷下随径流进入水体，对洱海环境造成了巨大的危害。据相关部门资料和监测数据分析，洱海流域农村与农田面源氮磷污染负荷占洱海入湖污染负荷总量的70%以上[3]。
目前针对降雨冲刷造成氮磷流失的研究主要集中在粪肥还田以后降雨冲刷农田形成径流造成的流失上[4-5]。笔者利用模拟装置对堆置状态下的畜禽粪便在受到雨水冲刷时的流失状况、规律和元素流失形态进行研究，并以此为依据提出采用蚯蚓强化降解堆沤池的方法来控制畜禽粪便氮磷流失。
1试验装置与方法
为了试验流程的可控性，试验采取了自然降雨与模拟降雨相结合的方式进行，模拟降雨依靠自行设计的模拟装置完成。图1a为模拟的降雨冲刷装置，装置主体内填装畜禽粪便，利用蓬头模拟降雨进行冲刷试验，渗滤液通过集水槽收集。
有自然降雨时采样分析，并通过控制时长来控制降雨强度，无自然降雨时2 d进行一次模拟降雨冲刷，总共监测10次。图1b为改良过后的蚯蚓降解堆沤池。在接种大平2号蚯蚓进行粪便降解堆沤的同时，在堆沤池上方养殖生鸡，以蚯蚓为鸡饲料，鸡粪直接进入下方与牛粪共同堆沤。堆置时为方便研究，采用新鲜粪便与经高温发酵过的粪便进行对照试验，一个月不定期采样分析。
2结果与分析
2.1降雨造成的畜禽粪便氮磷流失规律研究
2.1.1降雨冲刷对各种形态氮磷流失的影响。
通常畜禽粪便中的氮磷元素会通过渗透、冲刷、挥发等途径流失，降雨还会造成磷元素的持续流失。畜禽粪便在堆置过程中的各种随意性使得流失的元素很难通过径流直接进入水体，因此其流失过程具有与农田冲刷不同的特点。
从图2可知，畜禽粪便经8次降雨后，全氮与全磷流失率分别达65%和53%，且流失主要集中在降雨初期，随着堆置时间的延长，畜禽粪便中氮磷的流失逐渐趋于平缓。在降雨过程中，硝态氮含量基本处于平稳的状态，铵态氮含量起伏较大，说明降雨冲刷流失的主要是铵态氮和部分颗粒态的有机氮。这与文献资料是相符的[6-7]。而全磷含量虽然减少幅度比速效磷减少幅度快，但是两者之间的差值不断减小，说明磷除了速效磷形态外，还流失了部分颗粒态磷。 2.1.2不同堆层的全氮全磷含量变化。从图3可知，位于50 cm处与表层处的全氮全磷含量都呈减少趋势，特别是底层处的全氮流失最为严重，而全磷在表层和50 cm处的流失趋势比较一致，说明氮磷主要是从堆体的表层和底层流失。而30 cm处含量变化都比较平缓，且有一定的富集趋势，说明经雨水冲刷流失的氮磷在堆体内是从上至下传递的，即采用高堆的方式可使得堆体内的氮磷有一定富集，对其流失有一定的控制作用。
2.1.3降雨量和流失率的关系。
由图4可知，每次降雨后氮磷元素的流失率与该次降雨量关系不大，影响流失率的主要是堆置时间。堆置前期含水率高、可流失元素量大，少量降雨就可以造成大量的元素流失。随着堆置时间加长，堆体表层变得干燥，对降雨冲刷有一定阻碍作用，且元素在堆体中层有富集趋势，因此即使后面降雨量加大，流失率也不会变大。可见要控制畜禽粪便氮磷元素的流失，关键是在粪便产生初期加以有效控制，避免雨水的冲刷。
2.2蚯蚓强化降解堆沤池对氮磷流失的控制作用
2.2.1牛粪养殖蚯蚓环境条件分析。
从日本引进的大平2号蚯蚓，主要以牛粪为饲料，具有较强的吞食有机废物的能力[8]，同时通过与微生物协同作用使有机质的发酵分解速度达到平时的3～4倍，并能促进碳氮比稳定[9]。蚯蚓适宜生长的环境条件：温度18～25 ℃，基料含水率30%～50%，pH 6～8。
而有关学者在实际研究中却发现，在牛粪堆沤中接种的蚯蚓，含水率达到70%时生长最好[10]，因此在研究分析时应结合实际检测结果进行分析。
从图5可知，随着环境温度的改变，鲜粪与陈粪堆体温度变化都很小，并且都在适宜蚯蚓生长范围内（15～25 ℃），说明在粪肥堆置过程中堆体本身有一定的保温作用，不需要添加额外的保温措施。而对比鲜粪堆体与陈粪堆体发现，陈粪堆体保温效果更好。
在无人工调节的情况下，对堆置过程中堆体pH和含水率的监测结果显示（图6），鲜粪和陈粪的pH都较为稳定，基本维持在7.8～8.5之间，适合蚯蚓生长。就含水率而言（图7），前期鲜粪堆体明显高于陈粪堆体，后期两者逐渐接近，说明粪堆的含水率在堆沤过程中会随时间降低。
通过对比发现，蚯蚓在陈粪堆体中比鲜粪堆体中长势更好，这说明陈粪堆体的温度（20～25 ℃）、pH（8.0～8.5）与含水率（65%～75%）更适宜蚯蚓生长。
2.2.2堆沤池内氮磷迁移规律。从图8可知，陈粪堆体中全磷与全氮含量都呈下降趋势，鲜粪堆体中全氮与全磷都出现了一定的富集趋势。这说明堆沤池确实能起到阻碍元素流失的作用。因为蚯蚓主要是以牛粪中的腐殖质为食，所以会造成全氮与全磷含量降低，但是其产生的蚯蚓粪便中全氮与全磷含量比牛粪高，采样过程中不可避免采到一定的蚯蚓粪便，所以造成了图中出现的全氮与全磷含量的波动。
图9反映的是堆体内铵态氮和硝态氮的变化趋势。在堆置期间微生物活动剧烈，硝化和反硝化同时进行，因此两种堆体中的硝态氮含量波动都很剧烈。铵态氮会以氨气的形式挥发，但两种堆体中的铵态氮都出现了富集的状态，而硝态氮的含量总体上也没有减少，说明铵态氮富集的主要原因不是因为反硝化作用，而是因为蚯蚓食用牛粪后将其中的
有机氮转化为了铵态氮。而铵态氮肥效快，可供作物直接吸收，说明蚯蚓的降解堆沤增加了堆肥的肥效。
2.2.3蚯蚓对堆体腐熟的影响。
加拿大政府根据Bernal等的研究规定，当氨氮硝氮比（NH4N/NO3N）<0.5或硝氮氨氮比（NO3N/NH4N）>2时，可认为堆肥已经腐熟[11]。从图10a可知，鲜粪堆体中NO3N/NH4N在第25天>2。而陈粪堆体内的NO3N/NH4N从堆置的第14天就开始>2（图10b），可以认为已经腐熟。而一般堆沤方式需要49～65 d才能达到腐熟，由此可见，接种蚯蚓强化降解的堆沤方式对粪肥具有明显的加快腐熟的作用。
3结论与建议
（1）降雨可造成大量氮磷流失，经过8次降雨冲刷就可造成畜禽粪便中约65%的氮和55%的磷就流失，流失率与单次降雨量关系不大。氮主要从堆体底层流失，磷主要从堆体表层和底层流失，在堆体中层氮磷都会出现富集趋势，而且在8次降雨冲刷后，粪肥堆体中的可流失氮磷已基本流失完，说明流失率主要与堆置时间和堆体高度有关。因此为了保证畜禽粪便肥效，一是适宜采取加高堆体的堆置方式；二是需要做好前期的收集储存工作，避免雨水冲刷。
（2）蚯蚓强化降解堆沤技术对控制堆肥氮磷流失有较好作用，一是在保证硝态氮总体含量不变的情况下，可促进铵态氮富集，有一定增加堆肥肥效作用；二是可以加快堆沤的腐熟进程，普通堆沤需要49～65 d才能腐熟，在接种蚯蚓的情况下，只需20 d左右NH4N/NO3N的指标就能达到腐熟标准，极大缩短了堆肥腐熟所需时间，满足粪肥的及时利用。 蚯蚓强化降解堆沤池对氮磷流失污染具有良好的控制作用，适宜在流域范围内推广。
参考文献
[1] 朱建春，张增强，樊志明，等.中国畜禽粪便的能源潜力与氮磷耕地负荷及总量控制[J].农业环境科学学报，2014，33（3）：435-445.
[2] 李文哲，徐名汉，李晶宇.畜禽养殖废弃物资源化利用技术发展分析[J].农业机械学报，2013，44（5）：135-142.
[3] 黄凯.洱源农村畜禽粪便氮磷流失规律及控制方案研究[D].昆明：昆明理工大学，2011.
[4] 杜会英，程波，张爱.控制畜禽粪便磷流失措施探讨[J].农业环境科学学报，2007，26（S2）：476-478.
[5] 窦培谦，王晓燕，秦福来，等.农业非点源氮磷流失规律研究[J].安徽农学通报，2005，11（4）：151-153.
[6] 沈生元，柳敏，周虹杰，等.水稻生长期间氮磷流失形态的研究[J].上海农业科技，2009（2）：21-23.
[7] 陈志良，程炯，刘平，等.暴雨径流对流域不跳土地利用土壤氮磷流失的影响[J].水土保持学报，2008，22（5）：30-34.
[8] 徐轶群，封克，王子波，等.城市生活污泥蚯蚓处理过程中相关酶活性的动态变化特征[J].农业环境科学学报，2010，29（5）：995-999.
[9] 许第发.蚯蚓和微生物的协同作用对有机质降解和肥效的影响[D].杭州：浙江大学，2005.
[10] 王晓凤，成杰民，王志凤.赤子爱胜蚓处理鲜牛粪的适宜条件研究[J].环境科学与技术，2009，32（1）：170-173.
[11] 黄国锋，钟流举，张振钿，等.有机固体废弃物堆肥的物质变化及腐熟度评价[J].应用生态学报，2003，14（5）：813-818.
关键词畜禽粪便；降雨冲刷；氮磷流失；蚯蚓降解
中图分类号S181文献标识码A文章编号0517-6611（2015）25-265-04
AbstractIt adopted analog devices to investigate N&P loss of animal manure in the rain erosion. To the controllability of the experimental process， the experiment has taken a combination of artificial rainfall and simulated rainfall， the samples were collected for analysis from the surface， 30， 50 cm of livestock and poultry manure. The results showed that 65% loss of nitrogen and 55% loss of the phosphorus can by the way of rainfall erosion， wastage rates of nutrient elements mainly related to stacking time and the pile height， little relationship with singlerainfall. Combined with the loss rules to carry out the studies of the earthworms to strengthen the degradation of composting pool and dynamic optimization of earthworm growth conditions. Studies have shown that degradation of composting pool has significant role in control the loss of nitrogen and phosphorus elements.
Key wordsLivestock and poultry manure； Rainfall erosion； Nitrogen and phosphorus loss； Earthworm degradation
大量的畜禽养殖使得我国每年都有大量的畜禽粪便产生。据朱建春等研究表明，1978～2011年我国畜禽粪便的产生量及其中氮磷产生量均呈上升趋势，分别增加了1.35、1.39和1.66倍，至2011年分别达到25.45亿、1 419.76万和247.98万t[1]。大量产生的畜禽粪便增加了附近水体富营养化的风险，但目前我国对畜禽粪便的处理技术却难以同步发展[2]。洱海附近发达的奶牛养殖业致使该地区的粪便产生量不断上升，由于缺乏有效控制措施，再加上畜禽粪便产生与农田利用时间的错位，随意堆置的畜禽粪便在降雨冲刷下随径流进入水体，对洱海环境造成了巨大的危害。据相关部门资料和监测数据分析，洱海流域农村与农田面源氮磷污染负荷占洱海入湖污染负荷总量的70%以上[3]。
目前针对降雨冲刷造成氮磷流失的研究主要集中在粪肥还田以后降雨冲刷农田形成径流造成的流失上[4-5]。笔者利用模拟装置对堆置状态下的畜禽粪便在受到雨水冲刷时的流失状况、规律和元素流失形态进行研究，并以此为依据提出采用蚯蚓强化降解堆沤池的方法来控制畜禽粪便氮磷流失。
1试验装置与方法
为了试验流程的可控性，试验采取了自然降雨与模拟降雨相结合的方式进行，模拟降雨依靠自行设计的模拟装置完成。图1a为模拟的降雨冲刷装置，装置主体内填装畜禽粪便，利用蓬头模拟降雨进行冲刷试验，渗滤液通过集水槽收集。
有自然降雨时采样分析，并通过控制时长来控制降雨强度，无自然降雨时2 d进行一次模拟降雨冲刷，总共监测10次。图1b为改良过后的蚯蚓降解堆沤池。在接种大平2号蚯蚓进行粪便降解堆沤的同时，在堆沤池上方养殖生鸡，以蚯蚓为鸡饲料，鸡粪直接进入下方与牛粪共同堆沤。堆置时为方便研究，采用新鲜粪便与经高温发酵过的粪便进行对照试验，一个月不定期采样分析。
2结果与分析
2.1降雨造成的畜禽粪便氮磷流失规律研究
2.1.1降雨冲刷对各种形态氮磷流失的影响。
通常畜禽粪便中的氮磷元素会通过渗透、冲刷、挥发等途径流失，降雨还会造成磷元素的持续流失。畜禽粪便在堆置过程中的各种随意性使得流失的元素很难通过径流直接进入水体，因此其流失过程具有与农田冲刷不同的特点。
从图2可知，畜禽粪便经8次降雨后，全氮与全磷流失率分别达65%和53%，且流失主要集中在降雨初期，随着堆置时间的延长，畜禽粪便中氮磷的流失逐渐趋于平缓。在降雨过程中，硝态氮含量基本处于平稳的状态，铵态氮含量起伏较大，说明降雨冲刷流失的主要是铵态氮和部分颗粒态的有机氮。这与文献资料是相符的[6-7]。而全磷含量虽然减少幅度比速效磷减少幅度快，但是两者之间的差值不断减小，说明磷除了速效磷形态外，还流失了部分颗粒态磷。 2.1.2不同堆层的全氮全磷含量变化。从图3可知，位于50 cm处与表层处的全氮全磷含量都呈减少趋势，特别是底层处的全氮流失最为严重，而全磷在表层和50 cm处的流失趋势比较一致，说明氮磷主要是从堆体的表层和底层流失。而30 cm处含量变化都比较平缓，且有一定的富集趋势，说明经雨水冲刷流失的氮磷在堆体内是从上至下传递的，即采用高堆的方式可使得堆体内的氮磷有一定富集，对其流失有一定的控制作用。
2.1.3降雨量和流失率的关系。
由图4可知，每次降雨后氮磷元素的流失率与该次降雨量关系不大，影响流失率的主要是堆置时间。堆置前期含水率高、可流失元素量大，少量降雨就可以造成大量的元素流失。随着堆置时间加长，堆体表层变得干燥，对降雨冲刷有一定阻碍作用，且元素在堆体中层有富集趋势，因此即使后面降雨量加大，流失率也不会变大。可见要控制畜禽粪便氮磷元素的流失，关键是在粪便产生初期加以有效控制，避免雨水的冲刷。
2.2蚯蚓强化降解堆沤池对氮磷流失的控制作用
2.2.1牛粪养殖蚯蚓环境条件分析。
从日本引进的大平2号蚯蚓，主要以牛粪为饲料，具有较强的吞食有机废物的能力[8]，同时通过与微生物协同作用使有机质的发酵分解速度达到平时的3～4倍，并能促进碳氮比稳定[9]。蚯蚓适宜生长的环境条件：温度18～25 ℃，基料含水率30%～50%，pH 6～8。
而有关学者在实际研究中却发现，在牛粪堆沤中接种的蚯蚓，含水率达到70%时生长最好[10]，因此在研究分析时应结合实际检测结果进行分析。
从图5可知，随着环境温度的改变，鲜粪与陈粪堆体温度变化都很小，并且都在适宜蚯蚓生长范围内（15～25 ℃），说明在粪肥堆置过程中堆体本身有一定的保温作用，不需要添加额外的保温措施。而对比鲜粪堆体与陈粪堆体发现，陈粪堆体保温效果更好。
在无人工调节的情况下，对堆置过程中堆体pH和含水率的监测结果显示（图6），鲜粪和陈粪的pH都较为稳定，基本维持在7.8～8.5之间，适合蚯蚓生长。就含水率而言（图7），前期鲜粪堆体明显高于陈粪堆体，后期两者逐渐接近，说明粪堆的含水率在堆沤过程中会随时间降低。
通过对比发现，蚯蚓在陈粪堆体中比鲜粪堆体中长势更好，这说明陈粪堆体的温度（20～25 ℃）、pH（8.0～8.5）与含水率（65%～75%）更适宜蚯蚓生长。
2.2.2堆沤池内氮磷迁移规律。从图8可知，陈粪堆体中全磷与全氮含量都呈下降趋势，鲜粪堆体中全氮与全磷都出现了一定的富集趋势。这说明堆沤池确实能起到阻碍元素流失的作用。因为蚯蚓主要是以牛粪中的腐殖质为食，所以会造成全氮与全磷含量降低，但是其产生的蚯蚓粪便中全氮与全磷含量比牛粪高，采样过程中不可避免采到一定的蚯蚓粪便，所以造成了图中出现的全氮与全磷含量的波动。
图9反映的是堆体内铵态氮和硝态氮的变化趋势。在堆置期间微生物活动剧烈，硝化和反硝化同时进行，因此两种堆体中的硝态氮含量波动都很剧烈。铵态氮会以氨气的形式挥发，但两种堆体中的铵态氮都出现了富集的状态，而硝态氮的含量总体上也没有减少，说明铵态氮富集的主要原因不是因为反硝化作用，而是因为蚯蚓食用牛粪后将其中的
有机氮转化为了铵态氮。而铵态氮肥效快，可供作物直接吸收，说明蚯蚓的降解堆沤增加了堆肥的肥效。
2.2.3蚯蚓对堆体腐熟的影响。
加拿大政府根据Bernal等的研究规定，当氨氮硝氮比（NH4N/NO3N）<0.5或硝氮氨氮比（NO3N/NH4N）>2时，可认为堆肥已经腐熟[11]。从图10a可知，鲜粪堆体中NO3N/NH4N在第25天>2。而陈粪堆体内的NO3N/NH4N从堆置的第14天就开始>2（图10b），可以认为已经腐熟。而一般堆沤方式需要49～65 d才能达到腐熟，由此可见，接种蚯蚓强化降解的堆沤方式对粪肥具有明显的加快腐熟的作用。
3结论与建议
（1）降雨可造成大量氮磷流失，经过8次降雨冲刷就可造成畜禽粪便中约65%的氮和55%的磷就流失，流失率与单次降雨量关系不大。氮主要从堆体底层流失，磷主要从堆体表层和底层流失，在堆体中层氮磷都会出现富集趋势，而且在8次降雨冲刷后，粪肥堆体中的可流失氮磷已基本流失完，说明流失率主要与堆置时间和堆体高度有关。因此为了保证畜禽粪便肥效，一是适宜采取加高堆体的堆置方式；二是需要做好前期的收集储存工作，避免雨水冲刷。
（2）蚯蚓强化降解堆沤技术对控制堆肥氮磷流失有较好作用，一是在保证硝态氮总体含量不变的情况下，可促进铵态氮富集，有一定增加堆肥肥效作用；二是可以加快堆沤的腐熟进程，普通堆沤需要49～65 d才能腐熟，在接种蚯蚓的情况下，只需20 d左右NH4N/NO3N的指标就能达到腐熟标准，极大缩短了堆肥腐熟所需时间，满足粪肥的及时利用。 蚯蚓强化降解堆沤池对氮磷流失污染具有良好的控制作用，适宜在流域范围内推广。
参考文献
[1] 朱建春，张增强，樊志明，等.中国畜禽粪便的能源潜力与氮磷耕地负荷及总量控制[J].农业环境科学学报，2014，33（3）：435-445.
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[7] 陈志良，程炯，刘平，等.暴雨径流对流域不跳土地利用土壤氮磷流失的影响[J].水土保持学报，2008，22（5）：30-34.
[8] 徐轶群，封克，王子波，等.城市生活污泥蚯蚓处理过程中相关酶活性的动态变化特征[J].农业环境科学学报，2010，29（5）：995-999.
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[10] 王晓凤，成杰民，王志凤.赤子爱胜蚓处理鲜牛粪的适宜条件研究[J].环境科学与技术，2009，32（1）：170-173.
[11] 黄国锋，钟流举，张振钿，等.有机固体废弃物堆肥的物质变化及腐熟度评价[J].应用生态学报，2003，14（5）：813-818.