规模化养猪场处理废水稻麦田利用技术研究

摘要

近十年来，随着农业产业结构不断优化升级以及规模化饲养技术的不断提高，我国规模化生猪养殖得到迅速地发展，导致畜禽粪便、冲洗用水的大量产生和随意排放，严重制约了畜牧业的健康持续发展。目前，国内规模化养殖场固体废弃物和废水处理技术已比较成熟，固体废弃物处理后生产的生物有机肥使用比较方便，而畜禽废水处理后因含水率高、数量大，使得其在运输和远距离施用都极不方便，从而出现了处理后的废水得不到及时利用和消纳。以循环农业理论为指导，将规模化养殖场从近城市区域转移至农区，根据农田资源条件建立养殖—农田作物生产复合系统，实现养殖粪便废水资源化利用和运行费用低廉化，促进农业两大产业的耦合发展和生态经济的双赢，是我国未来规模化养殖的发展方向，也是现代农业的发展方向。由于建立规模化“养猪场—农田”循环农业系统，需要较大的环境空间和匹配的农田，需要进行统一的规划、建设和管理，这在一般农区土地分散经营的情况下很难实施。江苏农场众多，具有发展规模化养猪和建立种养结合循环系统的有利条件，有可能成为现代循环农业的发展的优势区域。稻——麦复种一年两熟是江苏主体种植模式，研究养猪场处理废水在稻麦田的施用技术是发展规模养猪场—农田种养结合循环农业的基本需要。本研究针对江苏农场人工移栽稻、机插稻和直播稻三种模式并存的实际和三种种植方式水稻栽培对处理废水施用上的特殊要求，在农场规模生产条件下小麦田处理废水适合的施用时间要求，采用田间试验方法，系统研究了人工移栽稻、机插稻、直播稻和小麦田不同处理废水施用模式对稻麦养分吸收与利用、干物质生产、产量形成、品质和产品安全等的影响，明确了作物产量、废水承载量和食品安全三个目标兼顾的稻麦田处理废水施用技术，为“养猪场—农田”结合循环农业模式的推广应用提供依据。主要研究结果如下: 1、规模化养猪废水在人工移栽稻田利用技术研究 利用田间小区试验，以镇稻99和养猪场无害化处理的废水为供试材料，研究了养猪场处理废水替代化学氮肥模式对人工移栽稻养分、干物质生产、产量及构成因子和稻米主要品质性状的影响。结果表明:(1)施用210m3·hm-2废水最有利于水稻氮磷钾含量的提升，189 m3·hm-2废水+81kg·hm-2氮化肥处理籽粒中氮磷钾积累量最高。与常规施肥相比，废水与氮肥配施处理在拔节期、抽穗期、成熟期及籽粒中含氮率的增幅分别为:0.2％-8.4％、3.0％-4.1％、2.9％-8.8％、0.7％-1.9％，含磷率的增幅分别为:6.6％-23.7％、1.0％-21.9％、3.5％-27.7％、2.6％-5.6％，含钾率的增幅分别为:0.2％-8.0％，1.9％-4.1％、2.4％-10.2％、0.3％-1.6％;废水和氮肥配施处理在拔节期、抽穗期、成熟期及籽粒中累积吸氮量的增幅分别为:3.1％-9.2％、0.2％-11.0％、1.1％-12.7％、3.1％-7.4％;累积吸磷量的增幅分别为:3.1％-24.9％、0.3％-20.2％、3.1％-43.6％、1.8％-8.8％;累积吸钾量的增幅分别为:1.4％-10.5％、4.0％-14.1％、2.1％-17.2％、2.4％-7.2％。总体上讲，70％的替代比例有利于氮磷钾养分的吸收。(2)各生育期干物质积累与产量间呈二次曲线关系且极显著正相关。养猪场废水替代常规施氮量的40％、70％和100％均可实现常规施肥的产量，其中施用189 m3·hm-2废水替代常规施氮量70％氮化肥处理的产量最高，较空白对照和常规化肥处理分别提高28.38％～49.13％和3.1％～6.6％。(3)在籽粒品质方面，与常规施氮处理相比，施用养猪废水替代氮化肥可以提高稻米籽粒的糙米率、精米率、整精米率和蛋白质含量，同时直链淀粉含量下降。其中，糙米率和整精米率均以132 m3·hm-2废水+162kg·hm-2氮化肥处理最高，与常规施肥相比均提高了5.9％;籽粒蛋白质含量在替代比例为40％和70％时，随着废水施用量的减少而降低，在100％替代氮肥时，中量废水处理的蛋白质含量最高;籽粒直链淀粉含量在各替代比例下均表现出随着废水施用量的减少而增加。在本试验条件下，综合考虑产量、籽粒品质、废水承载量的适宜养猪废水替代氮化肥施用模式为189 m3·hm-2废水+81kg·hm-2氮化肥处理。 2、规模化养猪废水机插稻田利用技术研究 本研究试图探索出规模化养猪处理废水作为基肥和穗肥应用于机插稻栽培的可行性和理论依据。试验在江苏省大丰市进行，采用田间试验，试验处理为基肥期3个废水用量(45m3·hm-2、67.5m3·hm-2和90m3·hm-2)与穗肥3个废水用量(60m3·hm-2、90m3·hm-2和120m3·hm-2)形成9个废水处理，且每个处理均施入尿素187.5kg·hm-2的分蘖肥，另外设置1个常规施肥处理、1个空白处理和1个全部施用废水的处理以研究对机插稻产量、养分吸收利用、干物质积累特征、中微量及重金属元素动态和籽粒品质的影响，明确养猪废水在机插稻上施用的可行性。研究结果表明:(1)养猪废水与氮肥减量配施有利于水稻中后期养分吸收和干物质积累。与常规施肥相比，施用养猪处理废水能提高机插稻植株及籽粒中氮磷钾含量和积累量，且籽粒中氮磷钾含量分别提高0.07-0.49g·kg-1、0.08-0.39g·kg-1、0.01-0.05g·kg-1，籽粒中氮磷钾积累量分别提高了1.15-16.54kg·hm-2、1.52-6.73kg·hm-2、0.39-2.05kg·hm-2。与此相反，氮磷钾的收获指数、干物质生产效率和稻谷生产效率均以空白对照最高，且随着养猪处理废水施入量的增加而不断下降。(2)与常规施肥相比，废水与氮肥减量配施能够获得持平或更高的产量，产量提高在45-789kg·hm-2，基肥施入处理废水90m3·hm-2，穗期施入处理废水120m3·hm-2的处理产量最高，达10759.5kg·hm-2。(3) Pb、As、Ca、Mg和Fe元素含量均以基肥施入处理废水90m3·hm-2、穗期施入处理废水120m3·hm-2配施187.5kg·hm-2分蘖肥处理为最高;Cd、Hg、 Cr和Mn元素含量均以常规施肥处理为最高;Cu除籽粒外，以纯废水处理（基肥施入处理废水90m3·hm-2、穗期施入处理废水120m3·hm-2，不施入化肥）为最高，Zn除拔节期外，基肥施入处理废水90m3·hm-2、穗期施入处理废水120m3·hm-2配施187.5kg·hm-2分蘖肥处理最高。As、Pb、Mg、Ca、Zn、Fe、Mn和Cu于各生育期在基施处理废水量相同的情况下，均随着穗期处理废水施用量的增加而增加，但是Hg、 Cd和Cr与此相反。各处理中水稻籽粒Pb、Cd、Cr、As和Hg的含量均低于相应的污染物限量标准，而水稻植株和籽粒中Zn、Fe、Mn、Ca和Mg营养得到提高，特别是Fe和Ca的含量得到了强化。因此，与常规施肥处理相比，处理废水替代化肥能够提高水稻籽粒中的有益元素含量同时并未引起重金属元素含量的显著上升，且使Hg、 Cd和Cr含量的下降。(4)籽粒品质方面，与常规施肥相比，碾磨品质基本没有变化，但营养品质，尤其是蛋白质含量，和食味品质得到了提高。在本试验条件下，基肥施入处理废水90m3·hm-2、穗期施入处理废水120m3·hm-2配施187.5kg·hm-2分蘖肥肥处理为最大适宜用量，养猪废水在机插稻条件下作为基肥和穗肥施用是完全可行的。 3、规模化养猪废水直播稻田利用技术研究 为了研究规模猪场废水施用对直播稻产量、养分吸收、中微量元素、重金属元素动态及籽粒品质的影响，明确养猪废水直播稻利用的可行性和提出直播稻养猪废水适宜施用量，在江苏省大丰市进行田间小区试验，试验设置基肥施入处理废水60m3·hm-2、90m3·hm-2和120m3·hm-2，穗期施入处理废水60m3·hm-2、90m3·hm-2和120m3·hm-2，分蘖肥均为施入尿素225kg·hm-2，共9个处理废水与氮化肥配施处理。结果表明:(1)养猪废水与氮肥配施有利于提升直播稻养分吸收和干物质积累量。氮磷钾含量在基肥期施入等量废水时，随着穗期施入废水量的增加而增加，同时氮磷钾含量与废水施入量呈显著正相关。(2)基肥和穗肥分别施用废水120 m3·hm-2配施225kg·hm-2分蘖肥的处理的产量最高（8210.8kg·hm-2），超过CK2处理506.3 kg·hm-2。(3) Pb、Mg、S、Cu、Zn和Fe元素含量均以基肥和穗肥分别施用废水120 m3·hm-2配施分蘖肥225kg·hm-2尿素的处理为最高;Co、Ni、Cr和Mn元素含量均以常规施肥处理为最高。Pb、Mg、S、Cu、Zn、Fe和Mn元素含量在基肥等量废水量时，随着穗期废水量的增加而增加，同样，也随着废水施入总量的增加而增加，Cr、Ni和Co含量与此相反。说明养猪废水可以缓解某些重金属元素的毒害作用。(4)与常规施肥相比，废水处理的碾磨品质略有下降。但是废水处理的蛋白质含量得到了提高，同时，籽粒的RVA谱特征值得到了优化，总体上讲养猪废水在直播稻上应用有利于其籽粒品质的提升。本实验说明，养猪废水可以作为基肥和穗肥在直播稻上施用，且基肥施用90m3·hm-2、穗期施用90m3·hm-2和分蘖期配施225kg·hm-2尿素可以达到常规施肥水平。 4、规模化养猪废水小麦田利用技术研究 以扬麦18为供试材料，研究了越冬期不同用量养猪废水(30、60、90和120 m3·hm-2)和穗期不同施氮水平(0、30、60和90 kg·hm-2)对小麦养分吸收利用、干物质生产、产量及产量构成、生育期中微量元素动态以及籽粒品质形成特点的影响。结果表明:(1)废水对小麦具有较好的养分供应作用，氮磷钾含量、氮磷钾积累量均随着废水施用量而提高。越冬期施用废水60-120m3·hm-2替代穗期施氮30-60kg·hm-2可以满足不同时期小麦对营养的需求并且有较高的氮磷钾积累量和利用效率。(2)拔节期干物质积累量随着废水施用量增加而增加，抽穗期和成熟期的干物质积累量均以废水120m3·hm-2穗肥施氮90kg·hm-2为最高，但是只要在穗期施用60kg·hm-2氮肥配施废水均能达到常规施肥水平。而在产量方面，越冬期施用废水、穗期配施氮肥60kg·hm-2以上均能达到大田水平，废水120m3·hm-2穗肥施氮90m3·hm-2的处理产量最高，与常规施肥相比，废水与氮肥配施的增产幅度在20.26-337.78kg·hm-2。(3)小麦地上部植株Ca、Mg和Fe含量随着生育期的推进先下降后上升，Cu、Zn和Mn含量则呈不断下降趋势。Ca、Mg、Cu和Zn含量除拔节期以外，均以施用处理废水120m3·hm-2并穗期施氮90kg·hm-2为最高;各生育期Fe和Mn含量均以施用处理废水120m3·hm-2并穗期施氮90kg·hm-2为最高。Ca、Mg、Cu、Zn、Fe和Mn含量在各生育期均随着处理废水施用量的增加而增加。(4)在品质方面，施用处理废水90m3·hm-2并穗期施氮60kg·hm-2为最佳施肥模式。养猪处理废水通过厌氧无害化处理后与氮肥配施应用于小麦栽培，能促进小麦植株微量元素的提高并改善籽粒品质。整体而言，穗期施用60kg·hm-2以上氮肥，越冬期施用废水较为适宜。与常规施肥相比而言，施用废水与氮肥配施可以减少30-60kg·hm-2氮肥的施用量。

目录

摘要

第一章 文献综述

0 引言

1 文献综述

1．1 养殖废弃物污染与处理利用

1．2 养殖废水农田利用对作物与环境影响

2 研究的目的意义与方法

2．1 研究的目的和意义

2．2 研究方法

参考文献

第二章 规模化猪场废水人工移栽稻田利用技术研究

0 引言

1 材料与方法

1．1 试验地点

1．2 试验设计

1．3 试验材料

1．4 测定内容与方法

1．5 数据处理

2 结果与分析

2．1 废水不同施用量对人工移栽稻SPAD值的影响

2．2 废水不同施用量对人工移栽稻养分吸收利用的影响

2．3 废水不同施用量对人工移栽稻干物质生产的影响

2．4 废水不同施用量对人工移栽稻产量及构成的影响

2．5 废水不同施用量对人工移栽稻籽粒品质的影响

2．6 废水不同施用量对人工移栽稻籽粒RVA谱特性的影响

3 本章小结

参考文献

第三章 规模化猪场废水机插稻利用技术研究

0 引言

1 材料与方法

1．1 试验地点

1．2 试验材料

1．3 试验设计

1．4 测试项目及方法

1．5 数据分析

2 结果与分析

2．1 废水不同施用量对机插稻SPAD值的影响

2．2 废水不同施用量对机插稻养分吸收利用的影响

2．3 废水不同施用量对机插稻干物质生产的影响

2．4 废水不同施用量对机插稻产量及构成的影响

2．5 废水不同施用量对机插稻重金属元素和中微量元素的影响

2．6 废水不同施用量对机插稻籽粒品质的影响

2．7 废水不同施用量对机插稻籽粒RVA谱特性的影响

3 本章小结

参考文献

第四章 规模化猪场废水直播稻田利用技术研究

0 引言

1 材料与方法

1．1 试验地点

1．2 试验材料

1．3 试验设计

1．4 测试项目及方法

1．5 数据分析

2 结果与分析

2．1 废水不同施用量对直播稻SPAD值的影响

2．2 废水不同施用量对直播稻养分吸收利用的影响

2．3 废水不同施用量对直播稻干物质生产的影响

2．4 废水不同施用量对直播稻产量及构成的影响

2．5 废水不同施用量对直播稻重金属元素和中微量元素的影响

2．6 废水不同施用量对直播稻籽粒品质的影响

2．7 废水不同施用量对直播稻籽粒RVA谱特性的影响

3 本章小结

参考文献

第五章 规模化猪场废水小麦田利用技术研究

0 引言

1 材料与方法

1．1 试验地点

1．2 试验材料

1．3 试验设计

1．4 测定项目及方法

1．5 数据处理

2 结果与分析

2．1 废水不同施用量对小麦SPAD值的影响

2．2 废水不同施用量对小麦养分吸收利用的影响

2．3 废水不同施用量对小麦干物质积累量的影响

2．4 废水不同施用量对小麦产量及产量构成的影响

2．5 废水不同施用量对小麦中微量元素含量的影响

2．6 废水不同施用量对小麦籽粒品质的影响

2．7 废水不同施用量对小麦籽粒RVA谱特性的影响

3 本章小结

参考文献

第六章 结论与讨论

1 全文结论

2 讨论

2．1 养猪废水对稻麦养分吸收的影响

2．2 养猪废水对稻麦产量的影响

2．3 养猪废水对稻麦中重金属及中微量元素的影响

2．4 养猪废水对稻麦籽粒品质的影响

2．5 养猪废水周年利用优化运筹

3 本研究的创新点

4 本研究存在的问题与深入研究建议

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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