农业有机废弃物发酵CO2施肥在大棚生产上的应用及其环境效应

都韶婷,单英杰,张树生,章永松

(1浙江大学环境与资源学院,教育部环境修复与生态健康重点实验室,浙江省亚热带土壤与植物营养重点开发实验室,浙江杭州310029;2浙江工商大学环境科学与工程学院,浙江杭州310035;3浙江省农业厅,浙江杭州310020;4金华职业技术学院,浙江金华321007)

据国家统计年鉴,目前我国秸秆年产量为6×109吨[1],焚烧率占22%[2]。每年约有 5.5×107吨碳被释放至大气,并伴有大量有益元素(如氮素)的损失。另一方面,我国畜禽粪便年产出量也高达2.75×109吨[3]。然而,畜牧业及农户不合理的处置,导致大量氮、磷流入水体并成为水体富营养化的重要成因之一[4-6]。即使在一些规范化的大型农场,粪便的产出也往往高于当地农用所需[7]。因此,寻找一条有效解决上述问题的途径显得尤为迫切。

大棚蔬菜生产在我国已十分普遍,据统计,我国蔬菜总种植面积已达1.76×107公顷,大棚蔬菜占了其中的14.3%[8]。据报道,植物生长的最佳CO2浓度为800～ 1000 μ L/L。然而 ,白天大棚内 CO2浓度一般仅在 100～250 μ L/L内波动,远远低于植物生长所需[9]。为了解决棚室CO2亏缺问题,一系列解决方法应运而生。例如,通风换气、高压钢瓶施肥、深施碳铵、燃烧和化学反应施肥法等[9-10]。但是,这些方法都存在明显缺陷,如通风换气后大棚CO2浓度最高只能达到大气CO2浓度(350 μ L/L),若在冬天敞棚还会引起大棚温度急剧下降;其它几种方法虽然能基本满足作物生长的需求,但使用后的经济负担较重。利用有机物发酵产生的CO2来进行大棚CO2施肥[11],其效果明显优于上述提及的几种方法。为此,研制简易的农业有机废弃物(CRAM)发酵装置,并通过大棚CO2施肥进行农业生产,不仅能产生经济效益还可使相当一部分农业有机废弃物得到合理处置。本试验通过研制的一种简易发酵装置,考察该运行方式下大棚的蔬菜生产状况,并估算该方法推广的环境效益,以期为农业部门的规划及技术推广提供依据。

1 材料与方法

1.1 植株栽培

大棚试验位于浙江省金华市,每组试验都分别在2个土壤条件一致的相邻大棚(11 m×5.5 m×3 m)中进行,间距为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种较为常见的蔬菜品种:芹菜(Apium graveolens L.)、生菜(Lactuca virosa L.)、莴苣(Lactvca saiva L.)、油麦菜(Sonchus oleraceus L.)和青菜(Brassica chinensis L.)。每种蔬菜播种面积一致,且种植密度按常规(plant/m2):芹菜 20、生菜15、莴苣12、油麦菜70、青菜25。其它农艺措施(如水分管理)均一致。

1.2 发酵装置

大棚中心部位放置好氧发酵装置(图1)。该装置由4根高1.2 m、粗6 cm的木棍(或竹竿)作为支架围成正方形(离地约10 cm),支架外部套上由塑料彩条布加工而成的圆筒型外套(直径约1 m)。整个发酵装置的有效容积约为0.9 m3。为保持良好的通气条件,装置底部用6 cm宽的木条以10 cm间隔悬空,自然透风。发酵原料为约25 kg干稻秆和8 kg新鲜猪粪(表1),其C/N比正好为最佳CO2发酵条件,即40/1[12]。为了保持较好的发酵条件,在发酵初期加入约90 L水,发酵期间还需定期调节水分含量至70%左右。为提高发酵效率和延长发酵时间,在发酵混合物中添加了我们自行筛选的3种高效产气微生物。每隔2周,用酸性泡菜液(pH 3)调节发酵混合物pH至6.5～7.0[12]。为避免发酵过程中产生少量氨气对大棚蔬菜的毒害,我们在发酵装置顶部放入一块用2 mol/L H2SO4浸泡过的海绵,并在中央及周边两个小区域喷2.5 g/L甲基红指示剂。当指示剂区域变绿时,用2 mol/L H2SO4重新浸泡海绵。每隔20 d更换一次发酵填料,以保证蔬菜整个生育期所需的气肥,发酵残渣用于下季作物。

图1 大棚发酵装置图Fig.1 Diagram of the crop residues and animal manure composting unit used in the greenhouse

表1 发酵原料各组分碳、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监测及产量测定

用CO2/温度测定仪每天监测大棚内08:00和12:00点的CO2浓度(Telaire 7001,USA)。在第8 d,每隔2 h连续监测白天大棚内CO2浓度的变化。经2个月的栽培,采取随机收获的方式,每种蔬菜均取8株,称取地上部的生物量。

试验数据经DPS数据处理软件统计检验,差异比较采用t检验法(P＜0.05)。

2 结果分析

2.1 CRAM发酵对大棚内CO2浓度的影响

为明确CRAM发酵产气对增施大棚CO2的效果,分别于08:00和12:00对对照棚和处理棚内的CO2浓度进行了连续21 d的监测(图2)。结果表明,对照棚CO2浓度经植物夜间的呼吸,08:00时棚内的CO2的浓度基本在500 μ L/L左右。然而,中午12:00时CO2的浓度均降至250 μ L/L以下,植物处于严重的CO2饥饿状态。而有机废弃物发酵处理棚内CO2浓度则相对高得多。试验第8 d发酵大棚中CO2浓度高达720 μ L/L,比未发酵棚提高了 2倍左右(图2a)。

图2 发酵大棚与对照大棚内CO2浓度变化Fig.2 CO2fertilization in crop residues and animal manure compost greenhouse

由图2b、c可知,在发酵后的第7 d,CO2的释放达到了最高峰,在此后的2～3d内,CO2的释放速率开始下降。2周后,处理棚内中午CO2浓度低于400 μ L/L,此时调节堆料的pH值,2 d后处理棚的CO2浓度又逐渐上升,并保持棚内1周左右较高的CO2浓度。

2.2 CRAM发酵法对大棚蔬菜产量的影响

由于CO2是植物光合作用的主要原料,大棚内的CO2亏缺问题势必影响作物的产量。利用农业有机废弃物生物发酵进行CO2施肥后,发酵棚内各蔬菜品种的可食部分均大幅增加,尤其是芹菜和青菜,分别比对照大棚的蔬菜鲜重增加了260%和322%;生菜、莴苣、油麦菜也分别增加了135%、115%和140%(图3)。这一结果表明利用农业有机废弃物生物发酵进行CO2施肥可有效比较棚室内的CO2亏缺问题,并显著促进棚室蔬菜的增产。

3 讨论

3.1 CRAM发酵补偿大棚CO2亏缺

蔬菜大棚CO2亏缺已成为生产上的重要限制因子,尤其是作物光合作用旺盛时期,棚内CO2消耗也迅速增强,棚内CO2浓度急剧降低。因此,棚室中有限的CO2,也限制了大棚作物的生长[13-15]。本试验中,在微生物的作用下CRAM堆肥能产生大量CO2,因此发酵大棚的CO2浓度显著高于对照大棚。如第8 d,对照大棚内 CO2浓度在 240～250 μ L/L范围内波动,无法满足植物生长所需。相反,发酵大棚能维持 CO2浓度在 800～ 1000 μ L/L至少6～8 h,非常适合作物生长。而且,CRAM堆肥是一个动态过程,其产气速率受外界的温度影响。作物光合作用最强的阶段往往是一天中温度最高的时段,因此堆肥产气效率曲线恰好与作物所需吻合,即该CO2施肥法能全天候维持大棚较高的CO2浓度,而一般的化学产气法往往只能维持1～2 h。不仅如此,CRAM堆肥持效性强,通过pH调节,每次堆肥可持续3周左右,因而,省工省时,易被农民接受。

图3 CRAM发酵对大棚蔬菜可食部分单株鲜重的影响Fig.3 Edible shoot weight of vegetables grown in the CRAM compost treatment

3.2 CRAM发酵促进蔬菜增产

与对照大棚相比,发酵大棚中5种蔬菜产量都显著增加(图3),这应归因于农业有机废弃物发酵释放的CO2促进了植物的光合作用[16-19]。不仅如此,高CO2浓度同样也会提高 N和 P的利用效率[20],同样也有利于植物生长。Manuney等[21]指出,CO2浓度为550 μ L/L的处理能使棉花产量增加43%,浓度为700 μ L/L的处理能使甜菜生物量增加60%[22]。基于本试验的简易装置,在植物光合作用期间(白天),能使大棚的CO2维持在有利于植物最佳生长的浓度,即800～ 1000 μ L/L,且产气持续时间长,这可能是其增产效率远高于一般的CO2施肥方法的原因。因此,本试验蔬菜产量的增加可归功于作物生长期间棚内农业有机废弃物发酵产CO2的模式。

3.3 CRAM发酵模式的潜在环境效益

本试验中,面积为11 m×5.5 m的大棚每次堆肥约消耗8 kg粪便(干重2 kg)和25 kg干稻草,每季作物需再加料2次。因此,每公顷蔬菜大棚每季约消耗4吨粪便和12.4吨秸秆(表2)。由于气候的限制,在中国平均只有半年能进行大棚生产,相当于每年具有消耗粪便12.0 t/hm2及秸秆37.2 t/hm2的能力。因此,若全国2.5×106公顷的蔬菜大棚能进行农业有机废弃物发酵,那么每年就能合理处置约3×107吨粪便和9.3×107吨秸秆。据Gao等[2]的估计,每年共有 5.5×107～22×107吨粪便流入水体。因此,若能将有机废弃物发酵法推广,将预计减少总粪便排放的14%～54%,对降低秸秆燃烧的年贡献量达16%(表2)。

虽然上述计算是一个以小推大的过程,与实际存在一定出入,但其环境效益仍不容忽视。我国蔬菜大棚种植面积正大幅增加,尤其是北方。有利的气候条件,蔬菜大棚种植时间远大于估算的6个月[23]。此外,该生产模式的推广也能有效防止粪便病菌对人体健康的危害,减少粪便流失中对地表地下水的污染等[24-25]。同样,CRAM发酵模式还能解决目前中国的秸秆问题。众所周知,在中国及其他一些发展中国家,秸秆直接在田焚烧现象较为普遍[26-27],大量 CO2被释放到大气[28]。因此,若CRAM发酵法能在全国推广,促进农民对秸秆的合理使用,也可减缓秸秆燃烧带来的污染问题。

本研究设计的简易装置,不仅制作简单,而且基本材料多样化,可采用木头和竹子等,造价十分便宜,易于在我国推广。另外,若在加料时采用一层层加水的方式(或是先将秸秆在水中浸泡过夜),渗滤液非常少,可基本忽略。最重要的是,我们采用在发酵装置顶部放置H2SO4浸泡过的海绵以及指示剂(也可用试纸)的方法,可有效吸收堆肥过程中释放的氨气;但是尚未对大棚内硫化氢、硫醇、胺等污染物进行检测。农业废弃物发酵模式对作物的增产是毫无质疑的,其对作物品质影响的研究将在今后开展。另外,若能在农业生产中保持大棚的长期密闭状态,也无需担心CO2气肥外泄带来的二次污染。

表2 CRAM发酵法的环境效益评估Table 2 Assessment of the consumption of manure and crop residues by CRAM compost implementation

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