以紫茎泽兰沼渣制作腐殖酸肥料的实验研究

彭苏怡，庞兴翊，唐郑康，王克书，尹 芳，张无敌

（云南师范大学，云南 昆明 650500）

自20世纪40年代以来，外来物种紫茎泽兰已入侵中国近50%的土地，其抗逆性强、毒性高、对土地养分吸收能力强、繁殖速度快，使得许多本土动植物的生存遭到威胁，生物多样性锐减。云南、四川、贵州等地受紫茎泽兰入侵严重，多年来使用人工拔除、除草剂灭草等手段，不仅耗时耗力，不能根除，也会对自然环境造成一定伤害。就目前而言，国内防治紫茎泽兰的手段并没有成型，但其在农业药业方面的应用已经被不断挖掘出来。

课题组前期实验获得的一种新型生物农残降解剂[1]，是由紫茎泽兰切碎榨汁后，加入菌种振荡培养，并取上清液加入相应试剂制成。这种制备农残降解剂的方法对紫茎泽兰的利用率达到了70%，但其过滤后所得的残渣残叶并未得到有效利用；紫茎泽兰营养元素丰富，经测定，其有机物含量为83.18%，含全氮0.372%、全磷0.062%、全钾0.58%、金属元素42.329mg/kg[2]，若将残渣残叶完全弃去则会导致大量营养成分流失，并未达到资源的充分利用。

厌氧消化又称沼气发酵，是一种有效处理此类残渣残叶的方法。实验中，通过对原料固体含量（TS）的控制，将原料与接种物用水稀释后放于反应器中，以产气量为依据，获得紫茎泽兰适合发酵的最佳浓度，使发酵效益最大化。

市面上常见的腐殖酸复合肥料大多以秸秆为原料，通过微生物发酵工艺制作而成，并适当添加氮、磷、钾元素。紫茎泽兰残渣残叶通过厌氧发酵实验可以成为一种新的腐植酸肥料原料。腐殖酸富含氮、碳、氢、氧、硫等元素，具有促进植物生长，改善土壤质量的作用[3]。将沼渣制作成为肥料还田，充分体现了紫茎泽兰的农业价值。

本实验在制作农业降解剂过程中，对剩余紫茎泽兰残渣残叶进行厌氧发酵，并对发酵完成的沼渣进行成分测定，为紫茎泽兰发酵后的残渣制作腐殖酸肥料提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采摘野生紫茎泽兰1.56kg切碎，并与3600mL水混合榨汁。于榨汁后的固液混合物中加入质量分数为4%的菌种，放在27℃振荡器中振荡3d。振荡后过滤，滤液用于制作农残降解剂。

过滤后残渣作为发酵产沼气用。将发酵结束后的混合物使用纱布进行简单过滤后，得到固体部分，经测定TS为15.56%；活性接种物为经过酸化处理的猪粪，其TS为12.58%。

海藻腐殖酸钾肥料,金一诺生物技术有限公司。

1.2 试验装置

本试验采用云南师范大学太阳能研究所自行设计的可控型恒温发酵装置，如图1。主要由温控仪①温度传感器②加热器③发酵瓶④水箱⑤集气瓶⑥集水瓶⑦组成，各装置间由橡胶塞与橡胶管连接，并由密封胶密封。发酵罐为500mL的广口瓶，集气瓶为500mL的下排水锥形瓶，用500mL的塑料瓶进行集水，每天用量筒测量。将连接好的装置放入恒温水箱检漏一天，再加入原料进行发酵，用温控仪显示、控制发酵温度。

图1 实验装置Fig.1 Experimental device

1.3 试验设计

采用5套装置同时进行，实验由两个部分组成。首先探究紫茎泽兰发酵的粗略范围，再对其浓度进行阶梯性研究，每组配比重复两次。每批样品以36°C恒温发酵，并定期对产气的甲烷含量进行测量。

对两种常见TS浓度进行预试验，TS为6%时加入接种物120g，原料 57g，加水至总量为400mL；TS为12%时加入接种物 120g，原料211g，加水至总量为400mL。

得到粗略浓度后，进行分组实验。在每个发酵瓶内加入100g原料，以占总比20%、30%、40%、50%、60%的比例 （即50g、75g、100g、125g、150g的阶梯浓度），加入接种物，最后加水至总量为250mL。经测定，样品的TS分别为8.74%、9.99%、11.26%、12.51%、13.77%。

发酵后的固体残渣放于常温下密封保存，每次测试取适量样品。

1.4 测定内容和方法

1.4.1 甲烷发酵实验检测

1）TS、VS：检测方法见参考文献[4]；2）产气量:实验采用排水集气法来确定当日的产气量；3）气体中甲烷含量：检测方法见参考文献[4]。

1.4.2 发酵后沼渣含量测定

测定指标与测定方法见表1所示。

2 结果与分析

2.1 发酵产气状况

图2为预试验产气量。从图2看出，在不同TS浓度下，实验组产气量产生不同变化。12%组整体水平明显高于6%组，在紫茎泽兰发酵前2天内，12%组产气量不断增加，并很快达到第一个峰值，在150mL到200mL之间，但是又很快下降至正常水平，直到9d时，产气量开始第二次快速上升，达到第二个峰值；此时6%组也达到了第一个峰值，日产气量在80mL左右。在11d后，12%组产气量不断在100mL至150mL之间波动，在25d以后缓慢降低直至产气结束。而6%组在23d达到整个周期的最高值，之后也缓慢结束产气。

表1 测定指标与测定方法Table 1 Measurement Indicators and Methods

预试验中，TS浓度为12%时产气量较多。经测定，甲烷平均含量为42.74%。后续的实验选择在TS浓度为12%附近进行。

图2 预测试验产气量Fig.2 Prediction of experimental gas production

2.2 紫茎泽兰的最适发酵区间

图3为浓度梯度测试产气量。从图3看出，40%组整体水平明显高于其他组，即TS为11.26%时发酵最佳。1d时，40%组达到整个周期的最大值，在之后的6d中逐渐下降。在7d时开始缓慢上升，并达到第二个峰值，并在14d以后缓慢降低直至产气结束。其甲烷平均含量为43.26%，与以猪粪为原料发酵实验相比略有不足[12]。

作为草本类有机物，紫茎泽兰可以作为发酵原料进行发酵，成为一种新的利用方式，缓解紫茎泽兰泛滥带来的危害。但鉴于紫茎泽兰的毒性会抑制接种物中微生物的生长繁殖，其发酵较为困难。因此，为使其发酵效率最大化，探究紫茎泽兰的最适发酵浓度具有一定实际意义。

图3 浓度梯度测试产气量Fig.3 Concentration gradient test gas production

2.3 发酵沼渣与海藻腐殖酸钾肥料、硝酸磷钾化肥的对比

发酵沼渣各元素含量见表2。

表2 1g沼渣内各元素含量Table 2 Contents of Elements in 1g Biogas residue

使用相同方法对海藻腐殖酸钾肥料进行测定，结果见表3。

由于紫茎泽兰的解氮、解磷作用，氮、磷元素会以气态或新陈代谢的形式脱出，使得紫茎泽兰中总氮与总磷含量较少。同时，厌氧发酵过程需要消耗氮源，反应瓶中氮元素的不断减少，最终导致了沼渣氮、磷元素含量较低、钾元素含量较高的现象。

由沼渣与商品化海藻腐殖酸钾肥料对比，可以得出：沼渣中腐殖酸含量略高；总磷、有机碳含量相近；但总氮、总钾含量较低。

由沼渣与硝酸磷钾化肥对比，可以得出：沼渣中氮、磷、有机碳含量都较低；钾含量与化肥相近。

将紫茎泽兰沼渣制成腐殖酸肥更具有经济价值。紫茎泽兰发酵残渣经过简单处理，进行氮、钾元素等元素的添加后，可成为一种新型腐殖酸肥料，其前景十分宽广。

表3 沼渣与海藻腐殖酸钾肥料的对比Table 3 Comparison of Potassium Humate Fertilizer and Biogas residue

3 结论

本试验探究了紫茎泽兰在制备农残降解剂、残渣残叶发酵、沼渣成分分析等方面的应用。试验结果表明：

1）1g紫茎泽兰可以制作约2.31g农残降解剂，利用率达到70%。

2）将制作农残降解剂多余的固体部分以11.25%的TS浓度进行发酵，获得的效益最高，且发酵产气量与甲烷含量均可达到其他发酵原料的50%。

3）发酵结束后沼渣的主要成分基本符合商品腐殖酸标准，在添加氮、磷元素，增加含碳量后，可以成为腐殖酸肥料。

本实验为恶性杂草紫茎泽兰的综合开发利用开辟了一条新的道路；为有机无机复混肥制作提供参考。