生物质炭附着沼液对牧草生长的影响及其环境效益分析

刘元生， 陈祖拥， 刘 方， 蒲通达

(贵州大学 环境与资源研究所， 贵州 贵阳 550025)

当前微生物厌氧发酵技术在畜禽规模化养殖场的废物处理过程中得到广泛应用，厌氧发酵工程(沼气工程)对规模化养殖场污染物的去除率达85%以上，同时又能获得清洁能源[1-3]。然而，微生物厌氧发酵产生沼气同时伴随有大量的沼液及沼渣，沼液富含有机碳、氮、磷等营养成分[4]，其施入土壤对作物生长有明显的促进作用[5-7]。但是，在土地资源有限的城郊及山区，没有足够的耕地来消纳大量的沼液和沼渣，沼液的集中过量排放带来的环境污染问题比较突出[1-3]。目前沼液处理技术主要采用自然生态净化、工厂化处理和开发性处理等技术[8-13]，低成本的自然生态净化主要是利用人工湿地或土地处理系统及氧化塘的植物、微生物净化沼液中的COD，N，P，但生物生长及其代谢作用受温度影响大，冬季生物处理沼液效果差；高成本的工厂化处理主要是利用环保设施，采取高能耗的强化措施，降解沼液中大量的有机物以及脱氮除磷，使出水达到排放要求，但环保设施投资大、运行能耗高、维护费用高；而高附加值的开发性处理是将沼液资源化利用与达标排放进行耦合，使沼液中的营养物质得以回收利用，同时带来一定经济效益。因此，如何对沼液进行低成本的深度处理，并实现资源化利用，是规模化养殖场面临的一个亟待解决的主要问题。

生物质炭孔隙结构发达，比表面积大，表面官能团丰富，吸附能力强、化学性质稳定和再生能力强，发达的孔隙结构为微生物生长和繁殖提供有利空间，生物质炭广泛应用于农业生产及土壤改良[14～18]。利用生物质炭提取与截留养殖废水中高浓度的有机碳、氮、磷等营养物质，通过种植牧草作为链接畜禽养殖与饲料生产的纽带，是实现规模化养殖场物质、能量转换，提高养殖废物循环利用的一种有效方法。因此，本研究从农业废弃物资源化的角度，将生物质炭作为吸附剂，吸附回收沼液中高浓度的植物生长所需的C，N，P等营养元素，以附着沼液的生物质炭作为牧草种植基质，探讨生物质炭对沼液中C，N，P等营养元素的吸附效果以及生物质炭-牧草耦合系统对沼液的净化作用，为规模化养殖场建立高效生态循环农业模式提供科学依据。

1 材料与方法

沼液采集于贵阳市乌当区新天寨周边规模化养殖场的沼气池，经厌氧发酵的沼液呈棕黄色，较浑浊，悬浮物含量高，为了减小沼液水样中悬浮物对吸附试验的影响，将采集的原液过300目筛，并按一定倍数(10倍、5倍、2倍)进行稀释，获得试验沼液样品。生物质炭为木炭，烘干后研磨过20～40目筛，得到不同粒径大小(2 mm，5 mm)的颗粒炭备用。白云岩砂来源于白云岩矿山采砂场，将建筑用砂研磨过20目筛，得到2 mm的白云岩砂颗粒备用。同时测定木炭颗粒及白云岩砂颗粒的最大持水量。

1.1 生物质炭饱和吸附沼液种植牧草试验

试验设4个处理(2 mm木炭+沼液; 5 mm木炭+沼液;2 mm木炭+蒸馏水;5 mm木炭+蒸馏水)，分别称取粒径为2 mm，5 mm的木炭500 g各3份，其中2份置于过滤沼液原液中浸泡3 d，另1份用蒸馏水浸泡作为对照，过滤后的木炭颗粒分别装于塑料容器，作为牧草生长基质，分别种植三叶草、黑麦草，重复3次。将三叶草、黑麦草种子用蒸馏水浸泡1 d，分别选取300颗饱满的三叶草、黑麦草种子均匀地播于木炭颗粒表层以下约2 cm处，播种后采用喷雾式浇水器适时浇水保证种子正常发芽和植株正常生长，在自然光照和温度下定期观察黑麦草、三叶草的生长状况。播种15 d后，抽样测定各组草苗的株高；播种30 d后，将植株拔出，测定株高、鲜重及叶绿素含量，对牧草生长状况进行评价。

1.2 生物质炭基灌入沼液种植牧草试验

参考砂培法将过筛的2 mm木炭颗粒、2 mm白云岩砂颗粒10 kg分别装入塑料筐(150 cm)内，试验在二种基质上采用直接播种方式种植黑麦草。称取100 g黑麦草种子均匀铺洒在每种基质表层以下约2 cm处，再覆盖一部分基质。待黑麦草出苗(10天左右)后，采用间歇式进水法，以10 d为1个时期，隔天进同一浓度沼液水样2 L。根据植物生长的营养需求，沼液浓度从低到高(稀释倍数分别为10倍,5倍,2倍)分3个时期灌溉进水。每个时期隔天进水第2天采集1次出水水样，对5次采集水样进行混合均匀后测定出水及进水样品中氨氮、总磷、COD的浓度。30天后停止灌入沼液，改用清水灌溉，将黑麦草留在基质上继续观察植株生长状况。在黑麦草生长期间，定期抽样(100株)测定各基质上黑麦草的株高，鲜重及叶绿素，N，P含量，对植物生长状况进行评价。试验时间从2017月10月初持续到2018年2月底。

1.3 测定方法

2 结果与分析

2.1 饱和吸附沼液生物质炭基中牧草的生长状况

利用木炭颗粒饱和吸附沼液后种植黑麦草和三叶草，定期观测二者生长状况，主要生长指标测定值见表1。从表1可以看出，饱和吸附沼液后的木炭基质中黑麦草与三叶草的平均植株均显著地高于未吸附沼液的对照组。播种后15 d，黑麦草和三叶草的平均株高分别比对照高31.16%～41.37%，106.54%～117.58%，但不同粒径(2 mm，5 mm)木炭基质之间黑麦草和三叶草株高的差异性均不显著。

到播种后第30天，黑麦草、三叶草平均株高也显著地高于对照，黑麦草平均株高比对照高出97.51%～111.03%，而三叶草平均株高比对照高152.47%～162.36%。饱和吸附沼液后的木炭基质中黑麦草、三叶草的生物量(鲜重)、叶绿素含量均出现显著地增加，其中黑麦草平均生物量(鲜重)、叶绿素含量分别比对照提高34.02%～103.79%，19.94%～31.79%；且吸附沼液的小粒径(2 mm)炭基上生长的黑麦草生物量鲜重、叶绿素含量均显著高于大粒径(5 mm)炭基上生长的黑麦草。而对三叶草来说，其平均生物量(鲜重)、叶绿素含量分别比对照增加192.65%～330.09%，79.62%～80.54%；吸附沼液的小粒径(2 mm)炭基上生长的三叶草生物量(鲜重)显著高于大粒径(5 mm)炭基上生长的三叶草，但叶绿素含量未出现显著性的差异。试验结果表明木炭颗粒饱和吸附沼液后，吸附的营养物质能被牧草吸收利用，从而保证了牧草的正常生长；而且粒径小的木炭比表面积及孔隙度更大，2 mm木炭颗粒最大持水量达6.95 g·g-1，其高出5 mm木炭颗粒27.53%，其能吸附的沼液量大，附着的氮、磷、钾、有机质、腐植酸等营养物质较多，小粒径炭基种植牧草更有利于植株生长。

表1 不同粒径木炭基质中黑麦草和三叶草的生长变化

注：生物量鲜重和叶绿素为播种30天的测定值。同列不同小写字母表示处理间差异显著(p<0.05)

2.2 沼液灌入生物质炭基中牧草生长的状况

利用沼液作为营养液分时期输入木炭基质和白云岩砂基质中，在两种基质上种植黑麦草的生长状况见表2。试验结果表明，在木炭基质上生长的黑麦草株高、生物量鲜重、叶绿素含量以及氮、磷含量的平均值(3个时期测定值)分别比白云岩砂基质上生长的黑麦草提高4.71%，56.17%，18.92%，23.11%和7.77%。用3个时期的测定值进行多重比较分析，木炭基质上黑麦草的生物量(鲜重)(p=0.019)、叶绿素含量(p=0.035)显著地高于白云岩砂基质上生长的黑麦草。从黑麦草生长过程来看(表2)，在第1时期木炭基质上黑麦草株高比白云岩砂基质高出10.58%，但在第2、第3时期仅高4.11%～4.53%。然而，在3个时期木炭基质上生长的黑麦草生物量(鲜重)高出白云岩砂基质黑麦草的53.36%～59.90%。此外，木炭基质上黑麦草植株的叶绿素含量及N,P含量也均明显高于白云岩砂基质上生长的黑麦草，其植株的叶绿素含量及N,P含量分别比白云岩砂基质上生长的黑麦草高出10.86%～28.44%,10.61%～32.76%和9.69%～14.89%，特别是在第3个时期。因此，具有丰富多孔结构的木炭颗粒对沼液中营养物质的吸附性能明显优于表面相对光滑的白云岩砂颗粒，2mm木炭颗粒最大持水量(6.95 g·g-1)是白云岩砂粒(0.39 g·g-1)的16.8倍，木炭基质上黑麦草能吸收利用的营养物质多，在一定程度上促进了黑麦草的生长。

表2 不同生长基质下黑麦草生长的变化

注：测定时间分别于播种后第20，46天和61天的测定值。

灌溉沼液30天后，停止进沼液，改用清水灌入，继续观察两种基质中黑麦草植株生长的变化。停止进沼液半个月后，木炭基质上黑麦草长势保持良好，仍优于白云岩砂基质上的黑麦草，说明木炭基质中吸持的N,P,有机碳等营养物质较多，浇清水后能解吸释放出来维持黑麦草继续生长。继续维持1个月后，两种基质中黑麦草都能在冬季生长，但白云岩砂基质上黑麦草出现较明显的枯萎变黄现象，植株出现明显的营养缺乏、倒伏现象，而木炭基质上黑麦草植株能正常生长，出现抽穗现象，说明木炭附着沼液更有利于黑麦草的生长。唐华等试验研究表明[7]，沼液灌溉量为667 mL·kg-1时，黑麦草的分蘖数和地上生物量均增加140%以上，而植株全氮、全磷、全钾含量分别增加250%,16%和50%。吴涛等盆栽试验研究表明[14]，高用量(4%)的小麦秸秆生物质炭添加至太湖地区农田土壤中可以显著提高黑麦草生物量，主要归因于生物质炭改善了土壤养分水平，并显著增加了细菌、古菌和固氮菌等土壤主要类群功能菌的丰度。孙雪等盆栽试验结果表明[15]，猪粪生物质炭施用显著增加土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾的含量，而小白菜的产量提高26.50%～49.98%。因此，对规模化养殖场的固体废物进行炭化，利用生物质炭作为基质，种植黑麦草后定期灌溉沼液或废水，能保证既有利于植株的正常生长，生长的黑麦草可以作为饲料，从而实现养殖场废物的循环利用。

2.3 生物质炭-黑麦草耦合系统对沼液中氨氮、总磷、COD的去除效果

表3 不同基质上沼液中和TP的去除效果

注:数据为同一定期采集5次出水水样混合后的样品测定值。

以上3个阶段进水沼液中TP浓度在13.9～84.6 mg·L-1之间，木炭基质对TP的去除率在69.9～83.2%(平均去除率为76.3%)，而白云岩砂基质中沼液TP去除率在68.8～77.4%(平均去除率为73.2%)，两种基质之间也未出现显著性差异。沼液中磷主要以有机态磷和无机态磷形式存在，进水中的总磷一部分存在于沼液悬浮颗粒中，一部分则以正磷酸盐和偏磷酸盐的形式溶解在水中。在第1，2阶段进水沼液中磷的浓度相对较低，有机悬浮微粒较少，木炭基质通过多孔拦截及吸附作用去除部分有机磷和磷酸盐，而白云岩砂基质中存在的碳酸钙、碳酸镁对磷酸盐能产生化学固定作用，木炭基质除磷效果与白云岩砂基质相近；但到第3阶段木炭基质对沼液中磷的去除率比白云岩砂基质高出13.21%，在后期木炭基质对沼液中磷的去除效果明显高于白云岩砂基质。从表2看出，在第3阶段木炭基质上生长黑麦草的生物量比白云岩砂基质高54.31%，因而黑麦草生长对磷的吸收及根系拦截对沼液中磷的去除起到明显的作用。

3 小结

(1)饱和吸附沼液的木炭基质中黑麦草与三叶草的平均植株均显著地高于未吸附沼液的木炭基质，而饱和吸附沼液的木炭基质中黑麦草、三叶草的生物量(鲜重)、叶绿素含量也出现显著地增加。木炭附着沼液的营养物质能被牧草吸收利用，从而保证了牧草的正常生长；而且粒径小的木炭基质持水量更大，对沼液中利于植物生长的氮、磷、钾、有机质等营养物质的吸附量更多，小粒径炭基种植牧草更有利于植株生长。

(2)利用沼液作为营养液分期输入木炭基质和白云岩砂基质中，在木炭基质上生长的黑麦草株高、生物量(鲜重)、叶绿素含量以及氮、磷含量的平均值(3个时期测定值)分别比白云岩砂基质的黑麦草提高4.71%,56.17%,18.92%,23.11%和7.77%；木炭基质上黑麦草的生物量(鲜重)、叶绿素含量显著地高于白云岩砂基质上生长的黑麦草。此外，木炭基质上黑麦草能吸收利用的营养物质多，其植株中N、P含量也高于白云岩砂基质上生长的黑麦草。