彭蘇怡,龐興翊,唐鄭康,王克書,尹 芳,張無敵
(云南師范大學(xué),云南 昆明 650500)
自20世紀(jì)40年代以來,外來物種紫莖澤蘭已入侵中國(guó)近50%的土地,其抗逆性強(qiáng)、毒性高、對(duì)土地養(yǎng)分吸收能力強(qiáng)、繁殖速度快,使得許多本土動(dòng)植物的生存遭到威脅,生物多樣性銳減。云南、四川、貴州等地受紫莖澤蘭入侵嚴(yán)重,多年來使用人工拔除、除草劑滅草等手段,不僅耗時(shí)耗力,不能根除,也會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成一定傷害。就目前而言,國(guó)內(nèi)防治紫莖澤蘭的手段并沒有成型,但其在農(nóng)業(yè)藥業(yè)方面的應(yīng)用已經(jīng)被不斷挖掘出來。
課題組前期實(shí)驗(yàn)獲得的一種新型生物農(nóng)殘降解劑[1],是由紫莖澤蘭切碎榨汁后,加入菌種振蕩培養(yǎng),并取上清液加入相應(yīng)試劑制成。這種制備農(nóng)殘降解劑的方法對(duì)紫莖澤蘭的利用率達(dá)到了70%,但其過濾后所得的殘?jiān)鼩埲~并未得到有效利用;紫莖澤蘭營(yíng)養(yǎng)元素豐富,經(jīng)測(cè)定,其有機(jī)物含量為83.18%,含全氮0.372%、全磷0.062%、全鉀0.58%、金屬元素42.329mg/kg[2],若將殘?jiān)鼩埲~完全棄去則會(huì)導(dǎo)致大量營(yíng)養(yǎng)成分流失,并未達(dá)到資源的充分利用。
厭氧消化又稱沼氣發(fā)酵,是一種有效處理此類殘?jiān)鼩埲~的方法。實(shí)驗(yàn)中,通過對(duì)原料固體含量(TS)的控制,將原料與接種物用水稀釋后放于反應(yīng)器中,以產(chǎn)氣量為依據(jù),獲得紫莖澤蘭適合發(fā)酵的最佳濃度,使發(fā)酵效益最大化。
市面上常見的腐殖酸復(fù)合肥料大多以秸稈為原料,通過微生物發(fā)酵工藝制作而成,并適當(dāng)添加氮、磷、鉀元素。紫莖澤蘭殘?jiān)鼩埲~通過厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)可以成為一種新的腐植酸肥料原料。腐殖酸富含氮、碳、氫、氧、硫等元素,具有促進(jìn)植物生長(zhǎng),改善土壤質(zhì)量的作用[3]。將沼渣制作成為肥料還田,充分體現(xiàn)了紫莖澤蘭的農(nóng)業(yè)價(jià)值。
本實(shí)驗(yàn)在制作農(nóng)業(yè)降解劑過程中,對(duì)剩余紫莖澤蘭殘?jiān)鼩埲~進(jìn)行厭氧發(fā)酵,并對(duì)發(fā)酵完成的沼渣進(jìn)行成分測(cè)定,為紫莖澤蘭發(fā)酵后的殘?jiān)谱鞲乘岱柿咸峁┮罁?jù)。
采摘野生紫莖澤蘭1.56kg切碎,并與3600mL水混合榨汁。于榨汁后的固液混合物中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的菌種,放在27℃振蕩器中振蕩3d。振蕩后過濾,濾液用于制作農(nóng)殘降解劑。
過濾后殘?jiān)鳛榘l(fā)酵產(chǎn)沼氣用。將發(fā)酵結(jié)束后的混合物使用紗布進(jìn)行簡(jiǎn)單過濾后,得到固體部分,經(jīng)測(cè)定TS為15.56%;活性接種物為經(jīng)過酸化處理的豬糞,其TS為12.58%。
海藻腐殖酸鉀肥料,金一諾生物技術(shù)有限公司。
本試驗(yàn)采用云南師范大學(xué)太陽能研究所自行設(shè)計(jì)的可控型恒溫發(fā)酵裝置,如圖1。主要由溫控儀①溫度傳感器②加熱器③發(fā)酵瓶④水箱⑤集氣瓶⑥集水瓶⑦組成,各裝置間由橡膠塞與橡膠管連接,并由密封膠密封。發(fā)酵罐為500mL的廣口瓶,集氣瓶為500mL的下排水錐形瓶,用500mL的塑料瓶進(jìn)行集水,每天用量筒測(cè)量。將連接好的裝置放入恒溫水箱檢漏一天,再加入原料進(jìn)行發(fā)酵,用溫控儀顯示、控制發(fā)酵溫度。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device
采用5套裝置同時(shí)進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)由兩個(gè)部分組成。首先探究紫莖澤蘭發(fā)酵的粗略范圍,再對(duì)其濃度進(jìn)行階梯性研究,每組配比重復(fù)兩次。每批樣品以36°C恒溫發(fā)酵,并定期對(duì)產(chǎn)氣的甲烷含量進(jìn)行測(cè)量。
對(duì)兩種常見TS濃度進(jìn)行預(yù)試驗(yàn),TS為6%時(shí)加入接種物120g,原料 57g,加水至總量為400mL;TS為12%時(shí)加入接種物 120g,原料211g,加水至總量為400mL。
得到粗略濃度后,進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。在每個(gè)發(fā)酵瓶?jī)?nèi)加入100g原料,以占總比20%、30%、40%、50%、60%的比例 (即50g、75g、100g、125g、150g的階梯濃度),加入接種物,最后加水至總量為250mL。經(jīng)測(cè)定,樣品的TS分別為8.74%、9.99%、11.26%、12.51%、13.77%。
發(fā)酵后的固體殘?jiān)庞诔叵旅芊獗4?,每次測(cè)試取適量樣品。
1.4.1 甲烷發(fā)酵實(shí)驗(yàn)檢測(cè)
1)TS、VS:檢測(cè)方法見參考文獻(xiàn)[4];2)產(chǎn)氣量:實(shí)驗(yàn)采用排水集氣法來確定當(dāng)日的產(chǎn)氣量;3)氣體中甲烷含量:檢測(cè)方法見參考文獻(xiàn)[4]。
1.4.2 發(fā)酵后沼渣含量測(cè)定
測(cè)定指標(biāo)與測(cè)定方法見表1所示。
圖2為預(yù)試驗(yàn)產(chǎn)氣量。從圖2看出,在不同TS濃度下,實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氣量產(chǎn)生不同變化。12%組整體水平明顯高于6%組,在紫莖澤蘭發(fā)酵前2天內(nèi),12%組產(chǎn)氣量不斷增加,并很快達(dá)到第一個(gè)峰值,在150mL到200mL之間,但是又很快下降至正常水平,直到9d時(shí),產(chǎn)氣量開始第二次快速上升,達(dá)到第二個(gè)峰值;此時(shí)6%組也達(dá)到了第一個(gè)峰值,日產(chǎn)氣量在80mL左右。在11d后,12%組產(chǎn)氣量不斷在100mL至150mL之間波動(dòng),在25d以后緩慢降低直至產(chǎn)氣結(jié)束。而6%組在23d達(dá)到整個(gè)周期的最高值,之后也緩慢結(jié)束產(chǎn)氣。
表1 測(cè)定指標(biāo)與測(cè)定方法Table 1 Measurement Indicators and Methods
預(yù)試驗(yàn)中,TS濃度為12%時(shí)產(chǎn)氣量較多。經(jīng)測(cè)定,甲烷平均含量為42.74%。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)選擇在TS濃度為12%附近進(jìn)行。
圖2 預(yù)測(cè)試驗(yàn)產(chǎn)氣量Fig.2 Prediction of experimental gas production
圖3為濃度梯度測(cè)試產(chǎn)氣量。從圖3看出,40%組整體水平明顯高于其他組,即TS為11.26%時(shí)發(fā)酵最佳。1d時(shí),40%組達(dá)到整個(gè)周期的最大值,在之后的6d中逐漸下降。在7d時(shí)開始緩慢上升,并達(dá)到第二個(gè)峰值,并在14d以后緩慢降低直至產(chǎn)氣結(jié)束。其甲烷平均含量為43.26%,與以豬糞為原料發(fā)酵實(shí)驗(yàn)相比略有不足[12]。
作為草本類有機(jī)物,紫莖澤蘭可以作為發(fā)酵原料進(jìn)行發(fā)酵,成為一種新的利用方式,緩解紫莖澤蘭泛濫帶來的危害。但鑒于紫莖澤蘭的毒性會(huì)抑制接種物中微生物的生長(zhǎng)繁殖,其發(fā)酵較為困難。因此,為使其發(fā)酵效率最大化,探究紫莖澤蘭的最適發(fā)酵濃度具有一定實(shí)際意義。
圖3 濃度梯度測(cè)試產(chǎn)氣量Fig.3 Concentration gradient test gas production
發(fā)酵沼渣各元素含量見表2。
表2 1g沼渣內(nèi)各元素含量Table 2 Contents of Elements in 1g Biogas residue
使用相同方法對(duì)海藻腐殖酸鉀肥料進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見表3。
由于紫莖澤蘭的解氮、解磷作用,氮、磷元素會(huì)以氣態(tài)或新陳代謝的形式脫出,使得紫莖澤蘭中總氮與總磷含量較少。同時(shí),厭氧發(fā)酵過程需要消耗氮源,反應(yīng)瓶中氮元素的不斷減少,最終導(dǎo)致了沼渣氮、磷元素含量較低、鉀元素含量較高的現(xiàn)象。
由沼渣與商品化海藻腐殖酸鉀肥料對(duì)比,可以得出:沼渣中腐殖酸含量略高;總磷、有機(jī)碳含量相近;但總氮、總鉀含量較低。
由沼渣與硝酸磷鉀化肥對(duì)比,可以得出:沼渣中氮、磷、有機(jī)碳含量都較低;鉀含量與化肥相近。
將紫莖澤蘭沼渣制成腐殖酸肥更具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。紫莖澤蘭發(fā)酵殘?jiān)?jīng)過簡(jiǎn)單處理,進(jìn)行氮、鉀元素等元素的添加后,可成為一種新型腐殖酸肥料,其前景十分寬廣。
表3 沼渣與海藻腐殖酸鉀肥料的對(duì)比Table 3 Comparison of Potassium Humate Fertilizer and Biogas residue
本試驗(yàn)探究了紫莖澤蘭在制備農(nóng)殘降解劑、殘?jiān)鼩埲~發(fā)酵、沼渣成分分析等方面的應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果表明:
1)1g紫莖澤蘭可以制作約2.31g農(nóng)殘降解劑,利用率達(dá)到70%。
2)將制作農(nóng)殘降解劑多余的固體部分以11.25%的TS濃度進(jìn)行發(fā)酵,獲得的效益最高,且發(fā)酵產(chǎn)氣量與甲烷含量均可達(dá)到其他發(fā)酵原料的50%。
3)發(fā)酵結(jié)束后沼渣的主要成分基本符合商品腐殖酸標(biāo)準(zhǔn),在添加氮、磷元素,增加含碳量后,可以成為腐殖酸肥料。
本實(shí)驗(yàn)為惡性雜草紫莖澤蘭的綜合開發(fā)利用開辟了一條新的道路;為有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥制作提供參考。