農(nóng)業(yè)有機廢棄物發(fā)酵CO2施肥在大棚生產(chǎn)上的應用及其環(huán)境效應

都韶婷,單英杰,張樹生,章永松

(1浙江大學環(huán)境與資源學院,教育部環(huán)境修復與生態(tài)健康重點實驗室,浙江省亞熱帶土壤與植物營養(yǎng)重點開發(fā)實驗室,浙江杭州310029;2浙江工商大學環(huán)境科學與工程學院,浙江杭州310035;3浙江省農(nóng)業(yè)廳,浙江杭州310020;4金華職業(yè)技術學院,浙江金華321007)

據(jù)國家統(tǒng)計年鑒,目前我國秸稈年產(chǎn)量為6×109噸[1],焚燒率占22%[2]。每年約有 5.5×107噸碳被釋放至大氣,并伴有大量有益元素(如氮素)的損失。另一方面,我國畜禽糞便年產(chǎn)出量也高達2.75×109噸[3]。然而,畜牧業(yè)及農(nóng)戶不合理的處置,導致大量氮、磷流入水體并成為水體富營養(yǎng)化的重要成因之一[4-6]。即使在一些規(guī)范化的大型農(nóng)場,糞便的產(chǎn)出也往往高于當?shù)剞r(nóng)用所需[7]。因此,尋找一條有效解決上述問題的途徑顯得尤為迫切。

大棚蔬菜生產(chǎn)在我國已十分普遍,據(jù)統(tǒng)計,我國蔬菜總種植面積已達1.76×107公頃,大棚蔬菜占了其中的14.3%[8]。據(jù)報道,植物生長的最佳CO2濃度為800～ 1000 μ L/L。然而 ,白天大棚內(nèi) CO2濃度一般僅在 100～250 μ L/L內(nèi)波動,遠遠低于植物生長所需[9]。為了解決棚室CO2虧缺問題,一系列解決方法應運而生。例如,通風換氣、高壓鋼瓶施肥、深施碳銨、燃燒和化學反應施肥法等[9-10]。但是,這些方法都存在明顯缺陷,如通風換氣后大棚CO2濃度最高只能達到大氣CO2濃度(350 μ L/L),若在冬天敞棚還會引起大棚溫度急劇下降;其它幾種方法雖然能基本滿足作物生長的需求,但使用后的經(jīng)濟負擔較重。利用有機物發(fā)酵產(chǎn)生的CO2來進行大棚CO2施肥[11],其效果明顯優(yōu)于上述提及的幾種方法。為此,研制簡易的農(nóng)業(yè)有機廢棄物(CRAM)發(fā)酵裝置,并通過大棚CO2施肥進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn),不僅能產(chǎn)生經(jīng)濟效益還可使相當一部分農(nóng)業(yè)有機廢棄物得到合理處置。本試驗通過研制的一種簡易發(fā)酵裝置,考察該運行方式下大棚的蔬菜生產(chǎn)狀況,并估算該方法推廣的環(huán)境效益,以期為農(nóng)業(yè)部門的規(guī)劃及技術推廣提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植株栽培

大棚試驗位于浙江省金華市,每組試驗都分別在2個土壤條件一致的相鄰大棚(11 m×5.5 m×3 m)中進行,間距為40 cm。按以下配方施肥(g/m2):N 21[CO(NH2)2]、K 11(K2SO4)、 P 21[Ca(H2PO4)2]。5種較為常見的蔬菜品種:芹菜(Apium graveolens L.)、生菜(Lactuca virosa L.)、萵苣(Lactvca saiva L.)、油麥菜(Sonchus oleraceus L.)和青菜(Brassica chinensis L.)。每種蔬菜播種面積一致,且種植密度按常規(guī)(plant/m2):芹菜 20、生菜15、萵苣12、油麥菜70、青菜25。其它農(nóng)藝措施(如水分管理)均一致。

1.2 發(fā)酵裝置

大棚中心部位放置好氧發(fā)酵裝置(圖1)。該裝置由4根高1.2 m、粗6 cm的木棍(或竹竿)作為支架圍成正方形(離地約10 cm),支架外部套上由塑料彩條布加工而成的圓筒型外套(直徑約1 m)。整個發(fā)酵裝置的有效容積約為0.9 m3。為保持良好的通氣條件,裝置底部用6 cm寬的木條以10 cm間隔懸空,自然透風。發(fā)酵原料為約25 kg干稻稈和8 kg新鮮豬糞(表1),其C/N比正好為最佳CO2發(fā)酵條件,即40/1[12]。為了保持較好的發(fā)酵條件,在發(fā)酵初期加入約90 L水,發(fā)酵期間還需定期調(diào)節(jié)水分含量至70%左右。為提高發(fā)酵效率和延長發(fā)酵時間,在發(fā)酵混合物中添加了我們自行篩選的3種高效產(chǎn)氣微生物。每隔2周,用酸性泡菜液(pH 3)調(diào)節(jié)發(fā)酵混合物pH至6.5～7.0[12]。為避免發(fā)酵過程中產(chǎn)生少量氨氣對大棚蔬菜的毒害,我們在發(fā)酵裝置頂部放入一塊用2 mol/L H2SO4浸泡過的海綿,并在中央及周邊兩個小區(qū)域噴2.5 g/L甲基紅指示劑。當指示劑區(qū)域變綠時,用2 mol/L H2SO4重新浸泡海綿。每隔20 d更換一次發(fā)酵填料,以保證蔬菜整個生育期所需的氣肥,發(fā)酵殘渣用于下季作物。

圖1 大棚發(fā)酵裝置圖Fig.1 Diagram of the crop residues and animal manure composting unit used in the greenhouse

表1 發(fā)酵原料各組分碳、氮、磷及水分含量Table 1 Contents of carbon,nitrogen and phosphorus,and C/N ratio of agricultural organic wastes used in present research

1.3 CO2監(jiān)測及產(chǎn)量測定

用CO2/溫度測定儀每天監(jiān)測大棚內(nèi)08:00和12:00點的CO2濃度(Telaire 7001,USA)。在第8 d,每隔2 h連續(xù)監(jiān)測白天大棚內(nèi)CO2濃度的變化。經(jīng)2個月的栽培,采取隨機收獲的方式,每種蔬菜均取8株,稱取地上部的生物量。

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)DPS數(shù)據(jù)處理軟件統(tǒng)計檢驗,差異比較采用t檢驗法(P＜0.05)。

2 結果分析

2.1 CRAM發(fā)酵對大棚內(nèi)CO2濃度的影響

為明確CRAM發(fā)酵產(chǎn)氣對增施大棚CO2的效果,分別于08:00和12:00對對照棚和處理棚內(nèi)的CO2濃度進行了連續(xù)21 d的監(jiān)測(圖2)。結果表明,對照棚CO2濃度經(jīng)植物夜間的呼吸,08:00時棚內(nèi)的CO2的濃度基本在500 μ L/L左右。然而,中午12:00時CO2的濃度均降至250 μ L/L以下,植物處于嚴重的CO2饑餓狀態(tài)。而有機廢棄物發(fā)酵處理棚內(nèi)CO2濃度則相對高得多。試驗第8 d發(fā)酵大棚中CO2濃度高達720 μ L/L,比未發(fā)酵棚提高了 2倍左右(圖2a)。

圖2 發(fā)酵大棚與對照大棚內(nèi)CO2濃度變化Fig.2 CO2fertilization in crop residues and animal manure compost greenhouse

由圖2b、c可知,在發(fā)酵后的第7 d,CO2的釋放達到了最高峰,在此后的2～3d內(nèi),CO2的釋放速率開始下降。2周后,處理棚內(nèi)中午CO2濃度低于400 μ L/L,此時調(diào)節(jié)堆料的pH值,2 d后處理棚的CO2濃度又逐漸上升,并保持棚內(nèi)1周左右較高的CO2濃度。

2.2 CRAM發(fā)酵法對大棚蔬菜產(chǎn)量的影響

由于CO2是植物光合作用的主要原料,大棚內(nèi)的CO2虧缺問題勢必影響作物的產(chǎn)量。利用農(nóng)業(yè)有機廢棄物生物發(fā)酵進行CO2施肥后,發(fā)酵棚內(nèi)各蔬菜品種的可食部分均大幅增加,尤其是芹菜和青菜,分別比對照大棚的蔬菜鮮重增加了260%和322%;生菜、萵苣、油麥菜也分別增加了135%、115%和140%(圖3)。這一結果表明利用農(nóng)業(yè)有機廢棄物生物發(fā)酵進行CO2施肥可有效比較棚室內(nèi)的CO2虧缺問題,并顯著促進棚室蔬菜的增產(chǎn)。

3 討論

3.1 CRAM發(fā)酵補償大棚CO2虧缺

蔬菜大棚CO2虧缺已成為生產(chǎn)上的重要限制因子,尤其是作物光合作用旺盛時期,棚內(nèi)CO2消耗也迅速增強,棚內(nèi)CO2濃度急劇降低。因此,棚室中有限的CO2,也限制了大棚作物的生長[13-15]。本試驗中,在微生物的作用下CRAM堆肥能產(chǎn)生大量CO2,因此發(fā)酵大棚的CO2濃度顯著高于對照大棚。如第8 d,對照大棚內(nèi) CO2濃度在 240～250 μ L/L范圍內(nèi)波動,無法滿足植物生長所需。相反,發(fā)酵大棚能維持 CO2濃度在 800～ 1000 μ L/L至少6～8 h,非常適合作物生長。而且,CRAM堆肥是一個動態(tài)過程,其產(chǎn)氣速率受外界的溫度影響。作物光合作用最強的階段往往是一天中溫度最高的時段,因此堆肥產(chǎn)氣效率曲線恰好與作物所需吻合,即該CO2施肥法能全天候維持大棚較高的CO2濃度,而一般的化學產(chǎn)氣法往往只能維持1～2 h。不僅如此,CRAM堆肥持效性強,通過pH調(diào)節(jié),每次堆肥可持續(xù)3周左右,因而,省工省時,易被農(nóng)民接受。

圖3 CRAM發(fā)酵對大棚蔬菜可食部分單株鮮重的影響Fig.3 Edible shoot weight of vegetables grown in the CRAM compost treatment

3.2 CRAM發(fā)酵促進蔬菜增產(chǎn)

與對照大棚相比,發(fā)酵大棚中5種蔬菜產(chǎn)量都顯著增加(圖3),這應歸因于農(nóng)業(yè)有機廢棄物發(fā)酵釋放的CO2促進了植物的光合作用[16-19]。不僅如此,高CO2濃度同樣也會提高 N和 P的利用效率[20],同樣也有利于植物生長。Manuney等[21]指出,CO2濃度為550 μ L/L的處理能使棉花產(chǎn)量增加43%,濃度為700 μ L/L的處理能使甜菜生物量增加60%[22]。基于本試驗的簡易裝置,在植物光合作用期間(白天),能使大棚的CO2維持在有利于植物最佳生長的濃度,即800～ 1000 μ L/L,且產(chǎn)氣持續(xù)時間長,這可能是其增產(chǎn)效率遠高于一般的CO2施肥方法的原因。因此,本試驗蔬菜產(chǎn)量的增加可歸功于作物生長期間棚內(nèi)農(nóng)業(yè)有機廢棄物發(fā)酵產(chǎn)CO2的模式。

3.3 CRAM發(fā)酵模式的潛在環(huán)境效益

本試驗中,面積為11 m×5.5 m的大棚每次堆肥約消耗8 kg糞便(干重2 kg)和25 kg干稻草,每季作物需再加料2次。因此,每公頃蔬菜大棚每季約消耗4噸糞便和12.4噸秸稈(表2)。由于氣候的限制,在中國平均只有半年能進行大棚生產(chǎn),相當于每年具有消耗糞便12.0 t/hm2及秸稈37.2 t/hm2的能力。因此,若全國2.5×106公頃的蔬菜大棚能進行農(nóng)業(yè)有機廢棄物發(fā)酵,那么每年就能合理處置約3×107噸糞便和9.3×107噸秸稈。據(jù)Gao等[2]的估計,每年共有 5.5×107～22×107噸糞便流入水體。因此,若能將有機廢棄物發(fā)酵法推廣,將預計減少總糞便排放的14%～54%,對降低秸稈燃燒的年貢獻量達16%(表2)。

雖然上述計算是一個以小推大的過程,與實際存在一定出入,但其環(huán)境效益仍不容忽視。我國蔬菜大棚種植面積正大幅增加,尤其是北方。有利的氣候條件,蔬菜大棚種植時間遠大于估算的6個月[23]。此外,該生產(chǎn)模式的推廣也能有效防止糞便病菌對人體健康的危害,減少糞便流失中對地表地下水的污染等[24-25]。同樣,CRAM發(fā)酵模式還能解決目前中國的秸稈問題。眾所周知,在中國及其他一些發(fā)展中國家,秸稈直接在田焚燒現(xiàn)象較為普遍[26-27],大量 CO2被釋放到大氣[28]。因此,若CRAM發(fā)酵法能在全國推廣,促進農(nóng)民對秸稈的合理使用,也可減緩秸稈燃燒帶來的污染問題。

本研究設計的簡易裝置,不僅制作簡單,而且基本材料多樣化,可采用木頭和竹子等,造價十分便宜,易于在我國推廣。另外,若在加料時采用一層層加水的方式(或是先將秸稈在水中浸泡過夜),滲濾液非常少,可基本忽略。最重要的是,我們采用在發(fā)酵裝置頂部放置H2SO4浸泡過的海綿以及指示劑(也可用試紙)的方法,可有效吸收堆肥過程中釋放的氨氣;但是尚未對大棚內(nèi)硫化氫、硫醇、胺等污染物進行檢測。農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵模式對作物的增產(chǎn)是毫無質(zhì)疑的,其對作物品質(zhì)影響的研究將在今后開展。另外,若能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中保持大棚的長期密閉狀態(tài),也無需擔心CO2氣肥外泄帶來的二次污染。

表2 CRAM發(fā)酵法的環(huán)境效益評估Table 2 Assessment of the consumption of manure and crop residues by CRAM compost implementation

[1]國家統(tǒng)計總局.中國統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2005.National Bureau of Statistics of China.China statistical yearbook[M].Beijing:China Statistics Press,2005.

[2]曹國良,張小曳,鄭方成,王亞強.中國大陸秸稈露天燃燒清單[J].資源科學,2006,28(1):9-13.Cao G L,Zhang X Y,Zheng F C,Wang X Q.Estimating the quantity of crop residues burnt in open field in China[J].Resour.Sci.,2006,28:9-13.

[3]高定,陳同斌,劉斌,等.我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便污染風險與控制策略[J].地理研究,2006,25(2):312-319.Gao D,Chen T B,Liu B et al.Releases of pollutants from poultry manure in China and recommendned strategies for the pollution prevention[J].Geogr.Res.,2006,25(2):312-319.

[4]Zvomuya F,Helgason B L,Larney F J et al.Predicting phosphorus availability from soil-applied composted and non-composted cattle feedlot manure[J].J.Environ.Qual.,2006,35:928-937.

[5]Kleinman P J A,Sharpley A N.Effect of broadcast manure on runoff phosphorus concentrations over successive rainfall events[J].J.Environ.Qual.,2003,32:1072-1081.

[6]Tabbara H.Phosphorus loss to runoff water twenty-four hours after application of liquid swine manure or fertilizer[J].J.Environ.Qual.,2003,32:1044-1052.

[7]Carpenter S R,Caraco N F,Correll D L et al.Nonpoint pollution of surface waters with phosphorus and nitrogen[J].Ecol.Appl.,1998,8(3):559-568.

[8]李天來.我國設施園藝發(fā)展的方向[J].新農(nóng)業(yè),2005,(5):4-5.Li T L.Prospect of establishment agriculture in China[J].New Agric,2005,(5):4-5.

[9]Kl? ring H P,Hauschild C,Heiβner A,Bar-Yosef B.Model-based control of CO2concentration in greenhouses at ambient levels increases cucumber yield[J].Agric.For.Meteorol,2007,143:208-216.

[10]Linker R,Gutman P O,Seginer I.Robust controllers for simultaneous control of temperature and CO2concentration in greenhouses[J].Contr.Engin.Pract.,1999,7(7):851-862.

[11]Kelleher B P,Leahy J J,Henihan A M et al.Advances in poultry litter disposal technology—A review[J].Biores.Techn.,2002,83:27-36.

[12]杜靜,林咸永,章永松.農(nóng)業(yè)廢棄物分解產(chǎn)生CO2的影響因素研究[J].應用生態(tài)學報,2004,15(3):501-505.Du J,Lin X Y,Zhang Y S.Affecting factors of CO2evolution from biodegradation of agricultural organic wastes[J].Chin.J.Appl.Ecol.,2004,15(3):501-505.

[13]Hikosaka K,Onoda Y,Kinugasa T et al.Plant responses to elevated CO2concentration at different scales:leaf,whole plant,canopy,and population[J].Ecol.Res.,2005,20:243-253.

[14]Fierro A,Tremblay N,Gosselin A.Supplemental carbon dioxide and light improved tomato and pepper seeding growth and yield[J].Hortsci.,1994,29(3):152-154.

[15]Buddendorf-Joosten J M C P,Woltering E J P.Components of the gaseous environment and their effects on plant growth and development in vitro[J].Plant Growth Regul.,1994,15:1-16.

[16]den Hertog J,Stulen I,Posthumus F,Poorter H.Interactive effects of growth-limiting N supply and elevated atmospheric CO2concentration on growth and carbon balance of Plantage major[J].Physiol.Plant.,1998,103:451-460.

[17]Poorter H.Interspecific variation in the growth response of plants to an elevated ambient CO2concentration[J].Plant Ecol.,1993,104:77-97.

[18]Heineke D,Kauder F,Frommer W et al.Application of transgenic plants in understanding responses to atmospheric change[J].Plant Cell Environ.,1999,22:623-628.

[19]Vorne V,Ojanpera K,De Temmerman L et al.Effects of elevated carbon dioxide and ozone on potato tuberquality in the European multiple-site experiment“CHIP project” [J].Eur.J.Agron.,2000,17:369-381.

[20]Conroy J P.Influence of elevated atmospheric CO2concentrations on plant nutrition[J].Aust.J.Bot.,1992,40:445-456.

[21]Manuney J R,Kimball B A,Pinter P J et al.Growth and yield of cottonin response to a free-air carbon dioxide enrichment(FACE)environment[J].Agric.For.Meteorol.,1994,70:49-67.

[22]Kohen A E,Venet L,MousseauM.Growth and photosynthesis of two deciduous forest species at elevated carbon dioxide[J].Funct.Ecol.,1993,7:480-486.

[23]Zheng L,Yu F Z,Kai S.Augmentative biological control in greenhouses:experiences from China[C].Switzerland:International Symposium on Biological Control of Arthropods,2005.

[24]Malik Y S,Randall G W,Goyal S M.Fate of salmonella following application of swine manure to tile-drained clay loam soil[J].J.Water Health,2004,2:97-101.

[25]Daszak P,Cunningham A A,Hyatt A D.Emerging infectious diseases of wildlife-threats to biodiversity and human health[J].Science,2000,287(5452):443-449.

[26]Raison R J.Modification of the soil environment by vegetation fires,with particular reference to nitrogen transformations:a review[J].Plant Soil,1979,51:73-108.

[27]Graham M H,Haynes R J,Meyer J H.Soil organic matter content and quality:effects of fertilizer applications,buring and trash retention on a long-term sugarcane experiment in South Africa[J].Soil Biol.Biochem.,2002,34:93-102.

[28]Friedlingstein P,SolomonS.Contributions of past and present human generations to committed warming caused by carbon dioxide[J].PNAS,2005,102(31):10832-10836.