不同曝气条件对滴灌用沼液养分和生物毒性的影响效果

孙巧萍， 张智烨， 李国学， 杜龙龙

(中国农业大学 资源与环境学院， 北京 100193)

项目来源： 国家自然基金资助项目(41275161)； 国家十二五科技支撑项目(2012BAD14B06; 2012BAD14B01)

不同曝气条件对滴灌用沼液养分和生物毒性的影响效果

孙巧萍， 张智烨， 李国学， 杜龙龙

(中国农业大学 资源与环境学院， 北京 100193)

曝气处理在沼液滴灌中发挥着防堵塞和提高施用效果的作用，然而目前我国缺乏以滴灌为目的的沼液曝气研究。文章通过考察氨基酸含量、大量元素和GI指标，研究不同水力停留时间(HRT)，气水比(G∶W)，pH值条件对过120目筛沼液曝气过程中养分和生物毒性的影响规律及作用强弱。结果表明，在HRT为1 h，G∶W 为30∶1，pH值 6.5的条件下沼液养分有效性最好，氨基酸含量提高10.45%、水溶性磷含量提高543.75%、总氮降低5.30%，并且生物毒性最低，GI从0%提高到147.3%。通过极差分析发现pH值是整个曝气过程中影响各指标的主要因素，且随着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都随之升高。

沼液； 曝气； 氨基酸； 生物毒性； 养分

随着精准化施肥的发展，滴灌成为设施农业实现沼液资源再利用的主要研究方向，并对多种作物进行了研究[1-4]。初长江[5]等人通过曝气地下滴灌提高了韭菜的产量和品质，孙钦平[6]等人采用曝气和反冲洗等技术手段，实现沼液滴灌前的无堵塞过滤并对沼液养分总量做了分析。通过曝气处理提高沼液滴灌效果是目前研究者比较关注的方向，然而目前缺乏曝气处理对沼液养分的形态和对作物的毒害作用的影响研究。

沼液中氮素营养以铵态氮为主，约占总氮的69%～90%，施用量过多会造成烧苗和抑制作物生长[7-9]，曝气量过大又会造成氮素损失严重[10]。沼液中磷主要存在固相中，水溶性磷含量较低，李洪刚[11]等人测得牛场沼液中水溶性磷仅占沼液总磷含量的24.35%，而厌氧转化不彻底对可溶性磷含量影响较大，影响其农用肥效。氨基酸作为能够被植物直接吸收的分子态营养物质，广泛存在于沼液中[12]，大量研究表明氨基酸能提高种子的萌发速度，加快对作物养分吸收的速度、抑制硝态氮的吸收同时促进植物生长，提高作物的产量和品质[13-16]。

沼液作为长期厌氧发酵的产物，其中溶解的 H2S等有毒气体、金属离子会对蔬菜的根部造成损害，影响根系的正常生理功能，导致根部发育不良，不能有效吸收水分和养分，致使蔬菜死亡。静置和按比例稀释作为沼液农用的主要前处理方式，可降低其总还原性物质浓度，减轻其对植物的损伤[17-18]。伍金伟[19]等人发现给沼液曝气可以去除沼液中的溶解的H2S等有毒有害气体对作物根系的毒害作用，为解决沼液的生物毒害提供了新思路。

如何通过沼液滴灌前的预处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对作物根系的毒害作用显得尤为重要。笔者研究了不同的曝气水力停留时间(HRT)、气水比(G∶W)和pH值对滴灌用沼液中各种养分以及生物毒害作用的影响规律，以期寻找到最适宜的曝气条件为沼液曝气处理的实际应用提供技术参数和指导。

1 材料方法

1.1 沼液样品

沼液样品取自北京市顺义区某规模化养猪场沼气站。样品原液pH值为7.82，呈略碱性，EC值为15.35 mS·cm-1；过120目筛后沼液大量元素氮磷钾含量分别为2230.20 mg·L-1，249.44 mg·L-1和1176.41 mg·L-1，其中铵态氮和可溶性磷分别为1733.20 mg·L-1，27.61 mg·L-1；中量元素钙镁含量分别为390.86 mg·L-1和179.80 mg·L-1；游离氨基酸含量为4931.31 mg·L-1。

1.2 试验设计

以120目过筛后的沼液作为研究对象，选取pH值，HRT，G∶W作为试验因素，设计三因素三水平正交试验。通常，参与污水处理的微生物最适宜的pH值范围介于6.5～8.5之间，试验pH值选取6.50(HCl调节)，7.5(参考原液pH值)，8.50(NaOH调节)。综合考虑吹脱和微生物分解作用，G∶W选择20∶1，30∶1，40∶1，HRT选择1 h，2 h，3 h[20-21]，具体方案见表1。稳定出水后半小时取样待测。试验装置及其流程如图1所示。

表1 正交试验方案设计

1.液瓶； 2.恒动蠕动泵； 3.曝气泵； 4.接液瓶； 5.反应箱图1 试验流程图

1.3 测定项目与方法

pH值，EC： S-3C型pH计，直接测定

COD：快速消解分光光度法GB/T 11914-1989

铵态氮：连续流动分析仪(Seal AA3, Germany)

总氮：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-89)

可溶性磷、钾、钙、镁：ICP-OES(Perkin Elmer Optima 3300DV，USA)

发芽指数GI：取稀释5倍沼液5 mL于垫有滤纸的培养皿中，取10粒种子，然后放置在20℃±1℃的培养箱中培养，48 h测定发芽率、根长。并采用如下方程进行计算种子发芽率指数。

GI(%)=(试验种子发芽率×根长)×100/(对照种子发芽率×根长)

氨基酸： NY/T 1975-2010 水溶肥料 游离氨基酸含量的测定。

2 试验结果

2.1 氨基酸、总氮和铵态氮的效果

氨基酸、铵态氮作为植物能直接吸收利用的营养元素，对种子的萌发和作物的生长发育有促进作用，曝气过程中铵态氮易以氨气的形式挥发，通过总氮含量可以判断曝气过程中的氮损失，沼液中的蛋白质、多肽、氨基酸等物质在曝气过程中会发生氧化分解反应影响氨基酸含量，对正交试验结果进行极差分析得到表2，图2，图3和图4。

因空列极差小于各因素极差，HRT，G∶W和pH值之间不存在交互作用。各因素对氨基酸和氮素含量的影响顺序为pH值> G∶W >HRT，且氨基酸和氮含量随pH的增加呈下降趋势。G∶W的影响程度为氨基酸>总氮>铵态氮，在G∶W为30时氨基酸含量出现峰值，氮素损失趋缓，HRT对铵态氮的影响可以忽略。所以提高氨基酸、铵态氮含量，降低总氮损失的理论最优方案即为试验最优方案A1B1C1，HRT为1 h，G∶W为30∶1，pH值为6.5。此条件下，氨基酸为5446.46 mg·L-1提高了10.45%，总氮损失了5.30%，铵态氮基本无变化。

表2 各指标极差分析结果

2.2 水溶性磷的效果

温带地区，生长季短，施用高浓度水溶性磷肥，对于那些生长缓慢的作物十分有利。沼液中磷主要存在的固相中，李建勇[22]测得的水溶性磷仅占总磷的17%。曝气过程会因为聚磷菌吸磷造成水溶性磷损失[23]，然而沼液中缺少碳源，会相应的限制聚磷菌的吸磷速率[24]。对试验结果进行极差分析得到表3和图5，pH值是影响沼液中水溶性磷含量的最主要因素，HRT和G∶W对其结果影响不大，沼液中水溶性磷含量在试验范围内随pH值的增加而降低，在碱性环境下基本不变。提高沼液水溶性磷的试验为最优方案A2B3C1即为理论最优方案，HRT为3 h，G∶W 为20∶1，pH值为6.5，此条件下水溶性磷含量为177.74 mg·L-1，与原液比增加了543.75%，可见合理条件下的曝气处理可以增加沼液中水溶性磷含量。

图2 氨基酸含量随各因素水平的变化趋势

图3 总氮含量随各因素水平的变化趋势

图4 铵态氮含量随各因素水平的变化趋势

极 差空 列ABCHRT/hG∶WpH值因素主次优化方案试验理论磷12.2914.7113.1132.39C>A>BA2B3C1A2B3C1

图5 P随各因素水平的变化趋势

2.3 GI的变化

GI常作为堆肥腐熟度指标，引用GI也可以间接指示沼液中还原性物质对作物种子萌发和作物根系的毒害作用。表4极差分析发现，曝气过程中pH值为主要因素，极差远大于HRT和G∶W，对方案A1B1C1为最佳试验方案也是理论最佳方案，即HRT为1 h，G∶W为30∶1，pH值为6.5，GI为147.3%。结合氨基酸含量随pH值的变化规律分析，HCl的加入分解了沼液中还原性大分子物质，将蛋白质等分解为多肽、氨基酸，降低沼液毒性；曝气过程中沼液中的还原性物质被氧化，还原性气体被降解或被释出，从而进一步降低生物毒性，提高了GI。此试验说明在酸性条件下对沼液曝气既可以降低生物的毒性又可以促进种子的发芽。图6可看出，GI随pH值的增加而降低，在碱性环境为0，沼液在微酸性环境更适宜设施农业。

表4 发芽率指数(GI)极差分析结果

图6 GI随各因素水平的变化趋势

3 讨论

(1)最优曝气方案

研究发现pH值对沼液中营养元素及生物毒性影响最大，且在pH值为6.5时效果最佳；曝气量对氨基酸及氮素含量有显著作用，氨基酸在G∶W为30时出现峰值，氮素随G∶W的增加而降低。Pi[10]等人发现G∶W在3500时铵态氮损失高达88.6%，所以在实际施用中对氨基酸和氮素要求高时要注意曝气的G∶W。HRT对沼液曝气处理中养分和生物毒性的作用最小，极差近似于空列误差，考虑实际生产的时效性HRT选取1h。因此滴灌用沼液曝气预处理的最优方案为HRT 1h，G∶W 30∶1，pH 值6.5。

(2)沼液pH值调节剂的选择

沼液作为液体肥料呈弱碱性，笔者研究发现pH值是影响沼液曝气过程中养分形态和生物毒害作用的主要因素，且微酸性更适合在设施农业中使用，pH值过高会对植物根系造成损失，与伍金伟[18]等人研究一致。pH值调理剂的选择从效果和经济性两方面考虑。本研究采用成本低酸性强的HCl作为pH值调理剂；沼液中养分不平衡，10倍沼液稀释液中磷含量较氮、钾含量低于配方要求[18]，若目标作物缺磷时可采用成本略高的磷酸作为酸调理剂，从外源补充水溶性磷肥；因沼液中水溶性氮素充足，为平衡水溶性氮磷含量，不建议实际生产中采用硝酸作为酸调理剂。

(3)养分配比

笔者研究中提高沼液速效养分降低生物毒性的最优方案为HRT 1 h，G∶W 30∶1，pH值 6.5，此方案下氮素略有损失，水溶性磷含量增加，钾含量基本不变，氨基酸含量提高10.45%，水溶性NPK比例(以N∶P2O5∶K2O计，kg·100kg-1，下同)为0.21∶0.07∶0.28，与120目过滤后的0.22∶0.01∶0.28相比，养分配比更合理，在实际生产中可以根据作物需求添加相应元素制成配方肥料[25]。

4 结论

(1)沼液曝气处理可以有效提高沼液中的速效养分及GI值，降低了其生物毒性。

(2)HRT，G∶W和pH值对沼液曝气过程中养分含量及生物毒性的影响顺序为pH值> G∶W >HRT，且pH值是影响沼液中养分的最主要因素。

(3)综合考虑养分和生物毒性指标，沼液滴灌前曝气最佳条件为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

孙巧萍(1990-)，女，硕士，主要研究方向为固体废弃物处理与资源化，E-mail:qiaoping1208@yeah.net

李国学，E-mail:ligx@cau.edu.cn

S216.4; X703.1

A

1000-1166(2017)04-0043-06