不同曝氣條件對滴灌用沼液養(yǎng)分和生物毒性的影響效果

孫巧萍， 張智燁， 李國學(xué)， 杜龍龍

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193)

項目來源： 國家自然基金資助項目(41275161)； 國家十二五科技支撐項目(2012BAD14B06; 2012BAD14B01)

不同曝氣條件對滴灌用沼液養(yǎng)分和生物毒性的影響效果

孫巧萍， 張智燁， 李國學(xué)， 杜龍龍

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193)

曝氣處理在沼液滴灌中發(fā)揮著防堵塞和提高施用效果的作用，然而目前我國缺乏以滴灌為目的的沼液曝氣研究。文章通過考察氨基酸含量、大量元素和GI指標(biāo)，研究不同水力停留時間(HRT)，氣水比(G∶W)，pH值條件對過120目篩沼液曝氣過程中養(yǎng)分和生物毒性的影響規(guī)律及作用強弱。結(jié)果表明，在HRT為1 h，G∶W 為30∶1，pH值 6.5的條件下沼液養(yǎng)分有效性最好，氨基酸含量提高10.45%、水溶性磷含量提高543.75%、總氮降低5.30%，并且生物毒性最低，GI從0%提高到147.3%。通過極差分析發(fā)現(xiàn)pH值是整個曝氣過程中影響各指標(biāo)的主要因素，且隨著pH值的降低，沼液中氨基酸含量、氮含量、水溶性磷含量以及GI都隨之升高。

沼液； 曝氣； 氨基酸； 生物毒性； 養(yǎng)分

隨著精準(zhǔn)化施肥的發(fā)展，滴灌成為設(shè)施農(nóng)業(yè)實現(xiàn)沼液資源再利用的主要研究方向，并對多種作物進行了研究[1-4]。初長江[5]等人通過曝氣地下滴灌提高了韭菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，孫欽平[6]等人采用曝氣和反沖洗等技術(shù)手段，實現(xiàn)沼液滴灌前的無堵塞過濾并對沼液養(yǎng)分總量做了分析。通過曝氣處理提高沼液滴灌效果是目前研究者比較關(guān)注的方向，然而目前缺乏曝氣處理對沼液養(yǎng)分的形態(tài)和對作物的毒害作用的影響研究。

沼液中氮素營養(yǎng)以銨態(tài)氮為主，約占總氮的69%～90%，施用量過多會造成燒苗和抑制作物生長[7-9]，曝氣量過大又會造成氮素?fù)p失嚴(yán)重[10]。沼液中磷主要存在固相中，水溶性磷含量較低，李洪剛[11]等人測得牛場沼液中水溶性磷僅占沼液總磷含量的24.35%，而厭氧轉(zhuǎn)化不徹底對可溶性磷含量影響較大，影響其農(nóng)用肥效。氨基酸作為能夠被植物直接吸收的分子態(tài)營養(yǎng)物質(zhì)，廣泛存在于沼液中[12]，大量研究表明氨基酸能提高種子的萌發(fā)速度，加快對作物養(yǎng)分吸收的速度、抑制硝態(tài)氮的吸收同時促進植物生長，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[13-16]。

沼液作為長期厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物，其中溶解的 H2S等有毒氣體、金屬離子會對蔬菜的根部造成損害，影響根系的正常生理功能，導(dǎo)致根部發(fā)育不良，不能有效吸收水分和養(yǎng)分，致使蔬菜死亡。靜置和按比例稀釋作為沼液農(nóng)用的主要前處理方式，可降低其總還原性物質(zhì)濃度，減輕其對植物的損傷[17-18]。伍金偉[19]等人發(fā)現(xiàn)給沼液曝氣可以去除沼液中的溶解的H2S等有毒有害氣體對作物根系的毒害作用，為解決沼液的生物毒害提供了新思路。

如何通過沼液滴灌前的預(yù)處理合理地保持氮素含量，提高沼液中氨基酸、水溶性磷含量并降低其對作物根系的毒害作用顯得尤為重要。筆者研究了不同的曝氣水力停留時間(HRT)、氣水比(G∶W)和pH值對滴灌用沼液中各種養(yǎng)分以及生物毒害作用的影響規(guī)律，以期尋找到最適宜的曝氣條件為沼液曝氣處理的實際應(yīng)用提供技術(shù)參數(shù)和指導(dǎo)。

1 材料方法

1.1 沼液樣品

沼液樣品取自北京市順義區(qū)某規(guī)模化養(yǎng)豬場沼氣站。樣品原液pH值為7.82，呈略堿性，EC值為15.35 mS·cm-1；過120目篩后沼液大量元素氮磷鉀含量分別為2230.20 mg·L-1，249.44 mg·L-1和1176.41 mg·L-1，其中銨態(tài)氮和可溶性磷分別為1733.20 mg·L-1，27.61 mg·L-1；中量元素鈣鎂含量分別為390.86 mg·L-1和179.80 mg·L-1；游離氨基酸含量為4931.31 mg·L-1。

1.2 試驗設(shè)計

以120目過篩后的沼液作為研究對象，選取pH值，HRT，G∶W作為試驗因素，設(shè)計三因素三水平正交試驗。通常，參與污水處理的微生物最適宜的pH值范圍介于6.5～8.5之間，試驗pH值選取6.50(HCl調(diào)節(jié))，7.5(參考原液pH值)，8.50(NaOH調(diào)節(jié))。綜合考慮吹脫和微生物分解作用，G∶W選擇20∶1，30∶1，40∶1，HRT選擇1 h，2 h，3 h[20-21]，具體方案見表1。穩(wěn)定出水后半小時取樣待測。試驗裝置及其流程如圖1所示。

表1 正交試驗方案設(shè)計

1.液瓶； 2.恒動蠕動泵； 3.曝氣泵； 4.接液瓶； 5.反應(yīng)箱圖1 試驗流程圖

1.3 測定項目與方法

pH值，EC： S-3C型pH計，直接測定

COD：快速消解分光光度法GB/T 11914-1989

銨態(tài)氮：連續(xù)流動分析儀(Seal AA3, Germany)

總氮：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)

可溶性磷、鉀、鈣、鎂：ICP-OES(Perkin Elmer Optima 3300DV，USA)

發(fā)芽指數(shù)GI：取稀釋5倍沼液5 mL于墊有濾紙的培養(yǎng)皿中，取10粒種子，然后放置在20℃±1℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，48 h測定發(fā)芽率、根長。并采用如下方程進行計算種子發(fā)芽率指數(shù)。

GI(%)=(試驗種子發(fā)芽率×根長)×100/(對照種子發(fā)芽率×根長)

氨基酸： NY/T 1975-2010 水溶肥料 游離氨基酸含量的測定。

2 試驗結(jié)果

2.1 氨基酸、總氮和銨態(tài)氮的效果

氨基酸、銨態(tài)氮作為植物能直接吸收利用的營養(yǎng)元素，對種子的萌發(fā)和作物的生長發(fā)育有促進作用，曝氣過程中銨態(tài)氮易以氨氣的形式揮發(fā)，通過總氮含量可以判斷曝氣過程中的氮損失，沼液中的蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸等物質(zhì)在曝氣過程中會發(fā)生氧化分解反應(yīng)影響氨基酸含量，對正交試驗結(jié)果進行極差分析得到表2，圖2，圖3和圖4。

因空列極差小于各因素極差，HRT，G∶W和pH值之間不存在交互作用。各因素對氨基酸和氮素含量的影響順序為pH值> G∶W >HRT，且氨基酸和氮含量隨pH的增加呈下降趨勢。G∶W的影響程度為氨基酸>總氮>銨態(tài)氮，在G∶W為30時氨基酸含量出現(xiàn)峰值，氮素?fù)p失趨緩，HRT對銨態(tài)氮的影響可以忽略。所以提高氨基酸、銨態(tài)氮含量，降低總氮損失的理論最優(yōu)方案即為試驗最優(yōu)方案A1B1C1，HRT為1 h，G∶W為30∶1，pH值為6.5。此條件下，氨基酸為5446.46 mg·L-1提高了10.45%，總氮損失了5.30%，銨態(tài)氮基本無變化。

表2 各指標(biāo)極差分析結(jié)果

2.2 水溶性磷的效果

溫帶地區(qū)，生長季短，施用高濃度水溶性磷肥，對于那些生長緩慢的作物十分有利。沼液中磷主要存在的固相中，李建勇[22]測得的水溶性磷僅占總磷的17%。曝氣過程會因為聚磷菌吸磷造成水溶性磷損失[23]，然而沼液中缺少碳源，會相應(yīng)的限制聚磷菌的吸磷速率[24]。對試驗結(jié)果進行極差分析得到表3和圖5，pH值是影響沼液中水溶性磷含量的最主要因素，HRT和G∶W對其結(jié)果影響不大，沼液中水溶性磷含量在試驗范圍內(nèi)隨pH值的增加而降低，在堿性環(huán)境下基本不變。提高沼液水溶性磷的試驗為最優(yōu)方案A2B3C1即為理論最優(yōu)方案，HRT為3 h，G∶W 為20∶1，pH值為6.5，此條件下水溶性磷含量為177.74 mg·L-1，與原液比增加了543.75%，可見合理條件下的曝氣處理可以增加沼液中水溶性磷含量。

圖2 氨基酸含量隨各因素水平的變化趨勢

圖3 總氮含量隨各因素水平的變化趨勢

圖4 銨態(tài)氮含量隨各因素水平的變化趨勢

極 差空 列ABCHRT/hG∶WpH值因素主次優(yōu)化方案試驗理論磷12.2914.7113.1132.39C>A>BA2B3C1A2B3C1

圖5 P隨各因素水平的變化趨勢

2.3 GI的變化

GI常作為堆肥腐熟度指標(biāo)，引用GI也可以間接指示沼液中還原性物質(zhì)對作物種子萌發(fā)和作物根系的毒害作用。表4極差分析發(fā)現(xiàn)，曝氣過程中pH值為主要因素，極差遠大于HRT和G∶W，對方案A1B1C1為最佳試驗方案也是理論最佳方案，即HRT為1 h，G∶W為30∶1，pH值為6.5，GI為147.3%。結(jié)合氨基酸含量隨pH值的變化規(guī)律分析，HCl的加入分解了沼液中還原性大分子物質(zhì)，將蛋白質(zhì)等分解為多肽、氨基酸，降低沼液毒性；曝氣過程中沼液中的還原性物質(zhì)被氧化，還原性氣體被降解或被釋出，從而進一步降低生物毒性，提高了GI。此試驗說明在酸性條件下對沼液曝氣既可以降低生物的毒性又可以促進種子的發(fā)芽。圖6可看出，GI隨pH值的增加而降低，在堿性環(huán)境為0，沼液在微酸性環(huán)境更適宜設(shè)施農(nóng)業(yè)。

表4 發(fā)芽率指數(shù)(GI)極差分析結(jié)果

圖6 GI隨各因素水平的變化趨勢

3 討論

(1)最優(yōu)曝氣方案

研究發(fā)現(xiàn)pH值對沼液中營養(yǎng)元素及生物毒性影響最大，且在pH值為6.5時效果最佳；曝氣量對氨基酸及氮素含量有顯著作用，氨基酸在G∶W為30時出現(xiàn)峰值，氮素隨G∶W的增加而降低。Pi[10]等人發(fā)現(xiàn)G∶W在3500時銨態(tài)氮損失高達88.6%，所以在實際施用中對氨基酸和氮素要求高時要注意曝氣的G∶W。HRT對沼液曝氣處理中養(yǎng)分和生物毒性的作用最小，極差近似于空列誤差，考慮實際生產(chǎn)的時效性HRT選取1h。因此滴灌用沼液曝氣預(yù)處理的最優(yōu)方案為HRT 1h，G∶W 30∶1，pH 值6.5。

(2)沼液pH值調(diào)節(jié)劑的選擇

沼液作為液體肥料呈弱堿性，筆者研究發(fā)現(xiàn)pH值是影響沼液曝氣過程中養(yǎng)分形態(tài)和生物毒害作用的主要因素，且微酸性更適合在設(shè)施農(nóng)業(yè)中使用，pH值過高會對植物根系造成損失，與伍金偉[18]等人研究一致。pH值調(diào)理劑的選擇從效果和經(jīng)濟性兩方面考慮。本研究采用成本低酸性強的HCl作為pH值調(diào)理劑；沼液中養(yǎng)分不平衡，10倍沼液稀釋液中磷含量較氮、鉀含量低于配方要求[18]，若目標(biāo)作物缺磷時可采用成本略高的磷酸作為酸調(diào)理劑，從外源補充水溶性磷肥；因沼液中水溶性氮素充足，為平衡水溶性氮磷含量，不建議實際生產(chǎn)中采用硝酸作為酸調(diào)理劑。

(3)養(yǎng)分配比

筆者研究中提高沼液速效養(yǎng)分降低生物毒性的最優(yōu)方案為HRT 1 h，G∶W 30∶1，pH值 6.5，此方案下氮素略有損失，水溶性磷含量增加，鉀含量基本不變，氨基酸含量提高10.45%，水溶性NPK比例(以N∶P2O5∶K2O計，kg·100kg-1，下同)為0.21∶0.07∶0.28，與120目過濾后的0.22∶0.01∶0.28相比，養(yǎng)分配比更合理，在實際生產(chǎn)中可以根據(jù)作物需求添加相應(yīng)元素制成配方肥料[25]。

4 結(jié)論

(1)沼液曝氣處理可以有效提高沼液中的速效養(yǎng)分及GI值，降低了其生物毒性。

(2)HRT，G∶W和pH值對沼液曝氣過程中養(yǎng)分含量及生物毒性的影響順序為pH值> G∶W >HRT，且pH值是影響沼液中養(yǎng)分的最主要因素。

(3)綜合考慮養(yǎng)分和生物毒性指標(biāo)，沼液滴灌前曝氣最佳條件為HRT 1 h，G∶W 30∶1，pH值 6.5。

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EffectoftheDifferentAerationonBiogasSlurryNutrientandBio-toxicityforDripIrrigation/

SUNQiao-ping,ZHANGZhi-ye,LIGuo-xue,DULong-long/

(CollegeofResourceandEnvironment,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China)

Aeration plays a role to prevent blockage and improve the effect of fertilization during the drip irrigation with biogas slurry. However, biogas slurry aeration study is seldom reported for the purpose of drip irrigation. This study was aimed to investigate the effect of HRT, gas-water ratio and pH on biogas slurry (120 mesh) nutrient and toxicity during the aeration process. The results showed that biogas slurry had the best available nutrient (amino acid increased 10.45%, soluble P increased 543.75%, TN decreased 5.30%) and the lowest biological toxicity (GI increased from 0% to 147.32%) under the condition of HRT 1 h, gas-water ratio 30∶1 and pH 6.5. And it was found that the pH was the main factor during the aeration of biogas slurry, and the content of amino acid, P, TN and GI increased as pH decreased.

biogas slurry; aeration; amino acid; toxicity; nutrients

2016-06-16

孫巧萍(1990-)，女，碩士，主要研究方向為固體廢棄物處理與資源化，E-mail:qiaoping1208@yeah.net

李國學(xué)，E-mail:ligx@cau.edu.cn

S216.4; X703.1

A

1000-1166(2017)04-0043-06