沼渣生產(chǎn)商品化有機肥料的可行性研究

夏玉秀，龐力豪，徐榕雪，王學(xué)芬，宋麗芬

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，山東 煙臺 264670)

隨著我國沼氣事業(yè)的快速發(fā)展，尤其是大中型沼氣工程的建設(shè)，沼渣、沼液無害化消納問題亟待解決[1]。沼氣工程運行中，連續(xù)、大量、集中的沼渣、沼液的處置已成為制約沼氣工程正常運行的瓶頸問題[2]。

厭氧發(fā)酵是指廢棄物在厭氧條件下通過微生物的代謝活動而被穩(wěn)定化，同時伴有CH4和CO2產(chǎn)生[3]?！队袡C肥料(NY525-2012)》[4]中要求有機肥料為“經(jīng)發(fā)酵腐熟后制成”，但標準中對于“腐熟”未做規(guī)定?！墩臃适┯眉夹g(shù)規(guī)范(NY/T2065-2011)》[5]中指出“沼渣宜作基肥”。 大量沼渣應(yīng)用試驗驗證了沼渣直接施用對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)具有促進作用：肖洋[6]等的研究表明連續(xù)2年施用沼渣以及沼渣與化肥配施均能夠增加玉米產(chǎn)量；秦文弟[7]等研究表明施用沼渣顯著提高了豇豆的產(chǎn)量；王思齊[8]等研究表明沼渣與化肥配施能提高果實的產(chǎn)量、糖度，維生素C(Vc)含量和硬度，降低果實的酸度。因此，沼渣不經(jīng)過好氧發(fā)酵直接生產(chǎn)商品有機肥料具有可行性。本研究旨在驗證木薯渣酒糟厭氧發(fā)酵后的沼渣不經(jīng)好氧發(fā)酵直接生產(chǎn)商品化有機肥料的可行性，為沼渣的消納和商品化提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

沼渣：酒精廠木薯酒糟厭氧發(fā)酵后的產(chǎn)物。

供試作物：上海青油菜(煙臺市種子公司購買)，市售。

復(fù)合生物菌劑：粉劑，有效活菌數(shù)200×108·g-1，市售，具有促進土壤養(yǎng)分釋放和刺激作物生長作用。

化學(xué)肥料：尿素(N-P2O5-K2O46-0-0)，磷酸一銨(N-P2O5-K2O11-44-0)，硫酸鉀(N-P2O5-K2O0-0-50)，市售。

1.2 試驗方法

1.2.1 沼渣的好氧堆肥

將沼渣、花生殼粉、尿素、發(fā)酵菌劑混合，調(diào)節(jié)物料含水量55%，碳氮比(C/N)調(diào)整為25∶1。采用條垛式翻堆堆肥，將混合后的發(fā)酵原料添加發(fā)酵菌種后放入長25 m，寬5 m，高0.8 m的發(fā)酵槽中，采用翻堆機翻堆，每天翻堆一次。

1.2.2 以沼渣和沼渣堆肥產(chǎn)物為原料的有機肥料的生產(chǎn)

本試驗的沼渣有機肥料包括以沼渣原料和以沼渣堆肥產(chǎn)物為原料的有機肥、生物有機肥料和復(fù)合微生物肥料，共6種。生產(chǎn)工藝如下：

(1)沼渣有機肥(Y0)：將沼渣烘干至含水量30%以下，經(jīng)烘干、粉碎、包裝生產(chǎn)粉狀有機肥料。

(2)沼渣堆肥產(chǎn)物有機肥(Y1)：將沼渣堆肥產(chǎn)物后腐熟3個月，然后經(jīng)過烘干、粉碎、包裝生產(chǎn)粉狀有機肥料。

(3)沼渣生物有機肥料(S0)：沼渣添加復(fù)合生物菌劑，然后經(jīng)過烘干、粉碎、包裝生產(chǎn)粉狀生物有機肥料。

(4)沼渣堆肥產(chǎn)物生物有機肥料(S1)：腐熟后的沼渣添加復(fù)合生物菌劑，然后經(jīng)過烘干、粉碎、包裝生產(chǎn)粉狀生物有機肥料。

(5)沼渣復(fù)合微生物肥料(F0)：沼渣添加化學(xué)肥料、復(fù)合生物菌劑混勻后，然后經(jīng)過烘干、粉碎、包裝生產(chǎn)粉狀復(fù)合微生物肥料。

(6)沼渣堆肥產(chǎn)物復(fù)合微生物肥料(F1)：腐熟后的沼渣添加化學(xué)肥料、復(fù)合生物菌劑混勻后，然后經(jīng)過烘干、粉碎、包裝生產(chǎn)粉狀復(fù)合微生物肥料。

1.2.3 種子發(fā)芽率

測定有機肥料的水提取液對植物種子發(fā)芽的生理毒性[9]：取樣品10 g，以樣品∶蒸餾水 = 1∶2比例配置，搖動5 min。紗布過濾，濾液3000 r·min-1離心10 min，上清液稀釋5倍。再取直徑9 cm培養(yǎng)皿，內(nèi)放二層濾紙，在濾紙上滴加10mL堆肥浸提稀釋液，均勻擺放20粒種子，放置在25 ℃恒溫箱中培養(yǎng)6 d，統(tǒng)計發(fā)芽率和發(fā)芽幼苗的根長，以清水處理為對照(CK)，每個處理3次重復(fù)。相對發(fā)芽指數(shù)計算公式為：

GI = (有機肥料提液處理種子發(fā)芽率×有機肥料處理平均根長) /(清水對照種子發(fā)芽率×清水對照平均根長) 。

1.2.4 盆栽試驗

有機肥、生物有機肥和復(fù)合微生物肥料施用量按每1 kg土配置50 g有機質(zhì)計算；化肥施用量按照N-P2O5-K2O(400-400-400)mg·kg-1施用；由于復(fù)合微生物肥料中添加了化學(xué)肥料，在計算施肥量時將此部分計算在內(nèi)。將通過2 mm篩的風(fēng)干土分別與6種肥料混勻后裝盆。每盆盛土7.5 kg。為防止土壤中的元素流失，將盆放置在塑料托盤上，下滲到托盤內(nèi)的水會灌到盆內(nèi)。每盆播種8粒飽滿均勻的種子，在盆內(nèi)播深0.5 cm。發(fā)芽后一周進行間苗處理，每盆保留生長較一致的幼苗3株。于第50 天時收獲。

1.2.5 測定方法

有機肥產(chǎn)品、生物有機肥、復(fù)合微生物肥料檢測與質(zhì)量控制標準分別參照《有機肥料(NY525-2012)》[4]、《生物有機肥(NY 884-2012)》[10]、《復(fù)合微生物肥料(NY/T 798-2015)》[11]。

測定POD活性參照張志良的方法[12]，葉綠素和類胡蘿卜素的含量參照趙世杰的方法[13]，利用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[13]，考馬斯亮藍染色法測定可溶性蛋白質(zhì)含量[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼渣好氧堆肥過程中溫度變化與堆肥產(chǎn)物理化性質(zhì)

堆肥過程的完成即堆肥達到穩(wěn)定化的指標一般以腐熟度表示，腐熟階段的外在體現(xiàn)可以通過溫度的變化來反映。物料腐熟過程中，溫度的變化需要經(jīng)歷升溫、恒溫以及降溫的過程，伴隨著降溫過程的結(jié)束，腐熟階段也基本已完成。《糞便無害化衛(wèi)生標準(GB 7959-2012)》[14]規(guī)定好氧發(fā)酵溫度要求：人工翻堆是堆溫≥50 ℃至少持續(xù)10 d或者堆溫≥60 ℃至少持續(xù)5 d，機械翻堆是堆溫≥50 ℃至少持續(xù)2 d。由圖1可知，本試驗發(fā)酵最高溫度為64 ℃，堆溫≥50 ℃為11 d，堆溫≥60 ℃為5 d，達到了《糞便無害化衛(wèi)生標準(GB7959-2012)》要求。

圖1 發(fā)酵溫度變化

沼渣和沼渣堆肥產(chǎn)物的總養(yǎng)分、有機質(zhì)、pH值、重金屬和病原菌含量符合《有機肥料(NY525-2012)》限定值；沼渣和沼渣堆肥產(chǎn)物的含水量為分別為75.89%和41.25%，超過了《有機肥料(NY525-2012)》限定值30%(見表1)。

表1 沼渣和沼渣好氧發(fā)酵產(chǎn)物理化性質(zhì)

堆肥過程中，在微生物降解含碳有機化合物，有機質(zhì)為CO2和H2O和低分子揮發(fā)性有機物而損失，因此物料的總質(zhì)量下降。堆肥結(jié)束時，物料的總質(zhì)量下降，而物料中重金屬并不會損失，或減少很少，導(dǎo)致堆肥中重金屬含量被相對濃縮而升高。邵淼[15]等以牛糞為原料和尹曉明[16]等以豬糞為原料的堆肥試驗表明，堆肥產(chǎn)物中重金屬總量上升。本試驗中沼渣好氧發(fā)酵產(chǎn)物中的砷、鉻、鉛含量高于沼渣。

2.2 以沼渣和沼渣堆肥產(chǎn)物為原料的有機肥料產(chǎn)品理化性質(zhì)

經(jīng)過檢測，試驗所生產(chǎn)的6個肥料樣品各項指標分別符合《有機肥料(NY525-2012)》《生物有機肥(NY 884-2012)》《復(fù)合微生物肥料(NY/T 798-2015)》(見表2)。

表2 以沼渣和沼渣堆肥產(chǎn)物為原料的有機肥料產(chǎn)品理化性質(zhì)

2.3 不同有機肥料對發(fā)芽率的影響

由表3可知，Y1和S1處理的發(fā)芽率與清水對照無差異，但是高于Y0和S0處理；清水對照處理的根長與Y1處理差異不顯著，但是高于Y0，S0，S1處理；Y1和S0處理的相對發(fā)芽指數(shù)(GI)無差異，但高于Y0和S0處理。F0和F1處理的發(fā)芽率、根長和相對發(fā)芽指數(shù)低于其它處理。

表3 堆肥產(chǎn)物的種子發(fā)芽率試驗結(jié)果

相對發(fā)芽指數(shù)(GI)是評價堆肥腐熟度的重要指標，通常認為GI > 50%時堆肥產(chǎn)物對植物生長基本沒有毒害作用，GI > 80%時則堆肥產(chǎn)物對植物生長完全沒有毒害作用[15]。Y0，S0，Y1，S1處理的GI大于90%，因此，Y0，S0，Y1，S1處理腐熟充分；F0和F1處理的GI小于45%，原因為：F0和F1處理為復(fù)合微生物肥料，含有約10%的化學(xué)肥料，因此抑制了種子的發(fā)芽與生長。

2.4 不同有機肥料對油菜生長的影響

由表4可知，S0，S1，F(xiàn)0，F(xiàn)1處理間油菜的鮮重差異不顯著，高于Y0和Y1處理，原因可能為：S0和S1處理施用生物有機肥料，F(xiàn)0和F1處理處理施用復(fù)合微生物肥料，生物有機肥料和復(fù)合微生物肥料在生產(chǎn)過程中添加了促進植物生長、活化土壤養(yǎng)分的微生物菌劑。

表4 不同有機肥料對菠菜生長的影響

Y0，Y1，S0，S1，F(xiàn)0，F(xiàn)1處理間油菜的維生素C(Vc)含量和葉綠素含量差異不顯著，但是高于CK。

3 討論與結(jié)論

3.1 沼渣好氧堆肥產(chǎn)物生產(chǎn)商品有機肥料的可行性

本試驗中沼渣經(jīng)好氧堆肥，發(fā)酵溫度達到了《糞便無害化衛(wèi)生標準(GB7959-2012)》的規(guī)定，堆肥產(chǎn)物中有機質(zhì)、養(yǎng)分和病原菌也符合《有機肥料(NY525-2012)》限量要求。以沼渣發(fā)酵產(chǎn)物為原料生產(chǎn)的商品有機肥料(有機肥、生物有機肥和復(fù)合微生物肥料)符合相關(guān)肥料標準。種子發(fā)芽率試驗表明，3種有機肥料的GI > 80%，堆肥產(chǎn)物對植物生長完全沒有毒害作用。

以沼渣發(fā)酵產(chǎn)物為原料生產(chǎn)有機肥、生物有機肥和復(fù)合微生物肥料三者間比較，有機肥料的生產(chǎn)工藝簡單，但產(chǎn)品附加值和銷售價格低、利潤低。并且本試驗中由于添加了促進土壤養(yǎng)分釋放和刺激作物生長的微生物菌劑，生物有機肥(S1)和復(fù)合微生物肥料(F1)處理的油菜產(chǎn)量顯著高于有機肥處理(Y1)。因此，為了提升產(chǎn)品的施用效果、提高企業(yè)的利潤率，生物有機肥和復(fù)合微生物肥料是沼渣有機肥料化的有效途徑。

3.2 沼渣直接生產(chǎn)商品有機肥料的可行性

相對于沼渣，沼渣好氧堆肥產(chǎn)物有機質(zhì)含量下降，但是由于干物質(zhì)的損失，總養(yǎng)分和重金屬(砷、鉻、鉛)含量上升。以沼渣和沼渣堆肥產(chǎn)物為原料生產(chǎn)的有機肥、生物有機肥和復(fù)合微生物肥料全部符合國家及行業(yè)相關(guān)標準。

大量研究證實了沼渣直接施用對作物的生長和品質(zhì)具有促進作用[1-2,6]，但也有很多關(guān)于沼渣好氧堆肥后生產(chǎn)有機肥的研究[17-19]。因此，對于沼渣可否不經(jīng)過好氧發(fā)酵直接生產(chǎn)有機肥料有必要進行進一步探討。本試驗中以沼渣好氧堆肥產(chǎn)物生產(chǎn)的有機肥(Y1)和生物有機肥(S1)的發(fā)芽率與清水對照無差異，但是高于以沼渣為原料生產(chǎn)的有機肥(Y0)和生物有機肥(S0)，并且前者的GI也高于后者。種子發(fā)芽率和GI用于衡量物料的腐熟程度，本試驗中沼渣好氧產(chǎn)物的腐熟度大于沼渣。但是對于有機肥、生物有機肥和復(fù)合微生物肥料，以沼渣和以沼渣堆肥產(chǎn)物為原料的兩者間比較，鮮重、Vc和葉綠素含量差異不顯著。

本試驗中以沼渣和沼渣好氧堆肥產(chǎn)物為原料生產(chǎn)的商品有機肥料間比較，兩者間的腐熟度存在差異，但GI都大于90%，施用后油菜的產(chǎn)量和品質(zhì)間差異不顯著。沼渣腐熟度影響作物的發(fā)芽、生長、產(chǎn)量，因此對于直接進行商品化有機肥料的沼渣，需要考慮原料品種、厭氧發(fā)酵工藝(TS，水力停留時間等)影響腐熟度的因素，通過種子發(fā)芽率試驗、盆栽試驗、大田試驗等驗證了沼渣直接生產(chǎn)商品化有機肥料的可行性。