农业有机废弃物资源化利用潜力与安全性评价
2020-04-15谢英荷侯建伟谭杰斌
余 高，陈 芬，谢英荷，侯建伟，谭杰斌
(1.铜仁学院，贵州 铜仁 554300；2.山西农业大学，山西 太谷 030801；3.宁乡丰裕生物科技有限公司，湖南 宁乡 410600)
我国是农业生产大国，每年产生的农业有机废弃物资源约40亿t，且种类繁多[1-2]，其中，畜禽粪便类废弃物26亿t、秸秆类废弃物7亿t、农产品加工类废弃物2亿t、其他有机废弃物约有5亿t。大部分农业有机废弃物被直接丢弃或掩埋、焚烧，不仅造成了资源的严重浪费，而且污染了人类赖以生存的自然环境[3-4]。
农业有机废弃物被誉为放错位置的“宝贵资源”，其含有丰富的有机质及氮、磷、钾等营养元素[5]，可以成为优质的有机肥资源[6]。随着设施农业的不断发展，无土基质栽培成为国内外规模化、现代化、产业化的新型栽培模式[7-8]。将1种或多种农业有机废弃物按比例混合，经过堆肥或发酵处理后“变废为宝”，可以生产出相对稳定、营养均衡且酸碱适中的蔬菜栽培基质[9]。此外，将畜禽粪便、秸秆等农业废弃物在缺氧及低氧条件下高温热解，形成的生物炭具有改良土壤和降低土壤重金属有效性等性能，且最适宜的热解温度为450 ℃[10]。
因此，以贵州普遍存在的农业有机废弃物(玉米秸秆、烤烟秸秆、水稻秸秆、锯木屑、玉米芯粉、中药渣、猪粪、牛粪和鸡粪)为研究对象，分析其腐熟和低氧高温热解后的理化特性，对重金属含量进行安全性评价，同时在此基础上分析农业有机废弃物基质化、肥料化和生物炭化的利用潜力，以期为解决设施农业基质、有机肥料原料短缺问题和优化贵州农业有机废弃物的资源化利用路径提供参考。
1 材料和方法
1.1 试验材料
试验于2018年3—10月在贵州省铜仁学院乌江学院进行。供试材料为贵州境内取材方便、成本较低的农业有机废弃物，主要包括玉米秸秆、烤烟秸秆、水稻秸秆等秸秆类，锯木屑、玉米芯粉和中药渣等农产品加工类，猪粪、牛粪、鸡粪等畜禽粪便类，并以市场上常见的泥炭作为对照。
1.2 试验设计
1.2.1 试验材料预处理 玉米秸秆、烤烟秸秆、水稻秸秆：风干后切成1 cm长的碎段备用；锯木屑、玉米芯粉和中药渣：风干、去除杂质后粉碎成0.5～1.0 cm的颗粒备用；猪粪、牛粪、鸡粪：风干、去除杂质后粉碎并过筛(0.3 mm)备用。
1.2.2 堆肥发酵方案 对以上9种农业有机废弃物材料分别进行堆肥发酵处理(每种样品重复3次)，每种材料添加纯净水调节水分至60%，并按0.1%的比例在材料中加入EM菌剂，混匀后置于发酵装置中，堆成80 cm高的小山堆，覆盖塑料薄膜进行发酵。发酵过程中每隔5 d进行翻堆、通气，并确保发酵堆水分含量保持在50%以上。30 d后停止发酵，进行相关指标的测定。
1.2.3 生物炭的制备方案 将以上9种农业固体废弃物材料(每种重复3次)分别装入密闭的石英瓶中，塞满压实，称质量后置于马弗炉中，待温度上升至450 ℃后，保持2 h，取出后置于干燥器内冷却至室温，称质量，测定所得生物炭的pH值、有机碳含量、全N(TN)含量、全P(TP)含量、全K(TK)含量、比表面积等指标。
1.3 测定指标及方法
容重和孔隙度的测定：参照郭世荣[11]的测定方法。
酸碱度(pH值)、电导率(EC)的测定：将风干样品与蒸馏水按1∶5(体积比)混合后充分摇匀，静置后取上清液，使用pH计、电导率仪分别测定。
阳离子交换量(CEC)的测定[12]：使用乙酸铵交换法测定。
营养元素的测定[12]：采用重铬酸钾外加热法测定有机碳含量，凯氏定氮法测定TN含量，钼锑抗比色法测定TP含量，火焰光度法测定TK含量，使用原子吸收分光光度法测定Fe、Ca、Mg、Mn、Cu、Zn等矿质元素含量。
发芽指数(GI)的测定[13]：将腐熟过的基质用蒸馏水萃取后，取上清液2 mL加入放置有6粒黑麦草种子的培养皿中，同时用蒸馏水作为对照，在恒温培养箱(25 ℃)培养(定期补充蒸馏水)，每日观察黑麦草种子的发芽情况，记录种子发芽数，当芽长为种子长1/2时认定为发芽，8 d后测定发芽率和根长，计算发芽指数。GI=∑(Gt/Dt)(其中，Gt为日累积发芽种子数，Dt为相应的发芽天数)。参照黄玉茜等[13]使用的响应指数来判断物料毒性大小。即RI=1-C/T(T≥C)或RI=T/C-1(T
重金属元素含量的测定[14]：重金属Hg、As含量采用王水消解，原子荧光光度法进行测定；Pb、Cr、Cd含量采用 HF-HNO3-HClO4消解，原子吸收分光光度法进行测定。
有机废弃物重金属安全性评价(参照土壤重金属污染评价方法)：采用综合污染指数法评价基质重金属安全性[15]。
表1 有机肥料中重金属的限量标准(以烘干基计)Tab.1 Limitation standard of heavy metals in organic fertilizers(Based on drying) mg/kg
产炭率测定[17]：样品炭化后的质量和炭化前质量的比值。
生物炭比表面积测定[18]：采用比表面积测定法(BET)测定。
1.4 数据处理
试验数据利用Excel 2016进行整理和作图，并采用SPASS 20.0软件进行差异显著性分析、单因素方差分析和Duncan’s多重比较分析。
2 结果与分析
2.1 不同农业有机废弃物堆肥后主要物理特性分析
不同农业有机废弃物经过堆肥发酵后的物理特性见表2。各有机废弃物的容重和密度分别为0.24～0.38 g/cm3、0.27～0.42 g/cm3，均显著高于泥炭，较泥炭分别高0.5～1.4倍和0.4～1.2倍。其中，玉米芯粉和猪粪的容重最大，均达到0.38 g/cm3，较其他有机废弃物高8.57%～58.33%；猪粪的密度为0.42 g/cm3，较其他有机废弃物高2.44%～55.56%。
由表2还可以看出，泥炭的通气状况和保水性能均显著高于其他有机废弃物，有机废弃物中锯木屑的总孔隙度最大，达到77.52%，猪粪最低，为63.85%；玉米秸秆的持水孔隙度最大，达到53.24%，猪粪最低，为40.73%。通过不同有机废弃物气水比统计结果可知，锯木屑的气水比最大，达到0.79，而玉米秸秆的气水比最小，为0.36，烤烟秸秆、牛粪和鸡粪发酵后的气水比为0.43～0.46，与泥炭的气水比非常接近。
2.2 不同农业有机废弃物堆肥后的基本化学性状分析
表3数据显示，除中药渣外，堆肥后其他有机废弃物pH值均在7.00以下，玉米芯粉、猪粪、牛粪和鸡粪的pH值接近泥炭。不同有机废弃物EC值为0.51～3.66 mS/cm，其中，中药渣、猪粪、牛粪和鸡粪的EC值较泥炭高47.62%～190.48%，且差异达显著水平；玉米秸秆、烤烟秸秆、水稻秸秆和锯木屑的EC值远低于泥炭，表明这几种有机废弃物可以通过添加矿质元素或与其他有机废弃物配比发酵成为营养基质和肥料。由表3还可以看出，由于原材料的不同，有机废弃物CEC值差距较大，为9.59～90.21 cmol/kg，玉米秸秆、烤烟秸秆、水稻秸秆CEC值与泥炭非常接近。
表2 不同农业有机废弃物堆肥后主要物理特性Tab.2 The main physical characteristics of different agricultural organic wastes after decomposed
注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。
Note:Different lowercase letters in the table indicate significant differences between treatments(P<0.05),the same below.
表3 不同农业有机废弃物堆肥后的pH值、EC值和CEC值Tab.3 pH value,EC value and CEC value of different agricultural organic wastes after decomposed
2.3 不同农业有机废弃物堆肥后的养分含量分析
表4数据显示，发酵后有机废弃物有机碳含量高，营养元素丰富。各有机废弃物有机碳含量为37.67%～55.94%，玉米芯粉、水稻秸秆、中药渣、玉米秸秆有机碳含量较泥炭高26.08%～37.38%。鸡粪的TN、TK含量最高，较泥炭分别高95.24%、510.81%，且差异显著；不同有机废弃物TP含量差异较大，在0.04%～1.88%，其中，烤烟秸秆发酵后TP含量最高，达到1.88%，而锯木屑最低，为0.04%。
表4数据还表明，烤烟秸秆、中药渣、猪粪、鸡粪、牛粪Ca含量为2 152.81～12 075.69 mg/kg，显著高于泥炭；烤烟秸秆、中药渣Mg含量较高，分别为1 832.36、2 863.24 mg/kg，除了畜禽粪便外，其他有机废弃物与泥炭非常接近；中药渣、猪粪、牛粪和鸡粪Fe含量在846.25～1 423.11 mg/kg，较泥炭提高了298.69%～570.46%，锯木屑和烤烟秸秆Fe含量与泥炭接近；玉米秸秆、水稻秸秆和烤烟秸秆的Mn含量与泥炭相近；烤烟秸秆、水稻秸秆、锯木屑与泥炭Cu含量相近；除中药渣、猪粪和鸡粪Zn含量显著高于泥炭外，其他农业有机废弃物均低于泥炭。
表4 不同农业有机废弃物堆肥后养分含量Tab.4 Nutrient content of different agricultural organic wastes after decomposed
注：-表示未检出，下同。
Note：- indicates not detected,the same below.
2.4 不同农业有机废弃物堆肥后培养的黑麦草种子发芽指数分析
由表5可知，发酵后有机废弃物对黑麦草种子发芽均有一定程度的毒性作用。各有机废弃物发酵后培养的黑麦草种子发芽率为65%～96%，玉米秸秆、水稻秸秆、玉米芯粉和牛粪的发芽率接近泥炭。表5数据进一步显示，有机废弃物发酵后培养黑麦草种子发芽指数为0.55～0.98，均低于对照，玉米秸秆、水稻秸秆的发芽指数较泥炭分别高12.64%、11.49%，且差异显著。
表5 不同农业有机废弃物堆肥后培养的黑麦草种子发芽指数Tab.5 Rygrass seed germination index of different agricultural organic wastes after decomposed
2.5 不同农业有机废弃物堆肥后的重金属含量分析及污染评价
从表6可以看出，各有机废弃物发酵后的重金属含量均符合有机肥料NY525—2012的限量指标要求。其中，锯木屑总Hg、总As含量均较高，较泥炭分别高187.50%、210.12%，差异显著；猪粪中总Hg含量略低于泥炭；锯木屑、猪粪、鸡粪的总Pb含量较泥炭分别高32.36%、106.75%、69.68%；除水稻秸秆、中药渣和牛粪外，各有机废弃物总Cr含量均高于泥炭；除中药渣、牛粪和鸡粪外，各有机废弃物总Cd均高于泥炭，含量为0.86～2.01 mg/kg。
表6 不同农业有机废弃物堆肥后的重金属含量Tab.6 Content of heavy metals in different agricultural organic wastes after decomposed mg/kg
P值可以全面反映有机废弃物对植物或土壤的污染毒害情况，兼顾单因子污染指数平均值和最大值，突出有机废弃物对农业生产的安全性评价。不同有机废弃物堆肥发酵后重金属污染评价见表7，各有机废弃物Hg单因子污染指数在0.03～0.12；牛粪、水稻秸秆、中药渣Cr单因子污染指数低于泥炭；中药渣Cd单因子污染指数较泥炭低73.68%。表7数据还表明，除玉米芯粉外，各有机废弃物P值均低于0.7，表明为安全等级;玉米芯粉的P值最高，达到0.74，较泥炭高221.74%，为污染警戒线可控水平。
2.6 不同农业有机废弃物热解炭化后的理化特性分析
对生物炭物理和化学性质的8个指标进行测定，由表8可知，不同农业有机废弃物热解炭化后的理化特性差异较大，产炭率、C/N分别在29.33%～60.17%、11.84～57.60，畜禽粪便的产炭率、TP含量和C/N均显著高于秸秆类和农产品加工类。烤烟秸秆生物炭比表面积最大，达到102.16 m2/g，显著高于其他生物炭材料，牛粪生物炭最低，为13.36 m2/g。不同生物炭材料的pH值和有机碳含量分别为8.75～11.56和30.52%～48.98%。
表7 不同农业有机废弃物堆肥后重金属污染评价Tab.7 Heavy metal pollution assessment of different agricultural organic wastes after decomposed
表8 不同农业有机废弃物热解炭化后的理化特性Tab.8 Physical and chemical characteristics of different agricultural organic wastes after pyrolysis and carbonization
续表8 不同农业有机废弃物热解炭化后的理化特性Tab.8(Continued) Physical and chemical characteristics of different agricultural organic wastes after pyrolysis and carbonization
3 结论与讨论
3.1 不同农业有机废弃物基质化利用潜力与风险分析
泥炭作为传统的优质栽培基质原料，因其质地轻，结构好，持水性较强和化学性质稳定而广泛应用于设施园艺生产[19]，但其资源储量有限，价格偏高，不利于农业可持续发展，许多国家已禁止开采[20]。将农业有机废弃物进行基质化生产，不仅可以解决蔬菜栽培基质材料短缺、传统泥炭资源不可再生等问题，而且可以“变废为宝”，具有显著的经济和环境效益[21-22]。本研究结果表明，农业有机废弃物经堆肥发酵后，除中药渣外，其他有机废弃物的pH值均在7.00以下，适于大部分作物生长；各有机废弃物容重为0.24～0.38 g/cm3，质地较轻，便于运输；烤烟秸秆、牛粪和鸡粪发酵后的气水比为0.43～0.46，与泥炭的气水比非常接近，具有较好的通气性和持水性。
索琳娜[1]研究表明，当发芽指数大于0.5时，表示已经腐熟完成，大于0.8则可认为该基质对植物没有毒性。本研究结果表明，发酵后玉米秸秆、水稻秸秆、玉米芯粉和牛粪培养的黑麦草种子发芽指数为0.81～0.98，接近于泥炭。中药渣、猪粪、牛粪和鸡粪的EC值较泥炭高47.62%～190.48%，矿质营养丰富。除玉米芯粉外，各有机废弃物重金属P值均低于0.7，为安全等级。表明经过合理配比，发酵腐熟后的有机废弃物具有成为优质的育苗基质和蔬菜栽培基质的潜力。
3.2 不同农业有机废弃物肥料化利用潜力与风险评价分析
大量研究结果表明，农业有机废弃物含有丰富的有机质，氮、磷、钾以及多种微量营养元素[23-24]，经过发酵等无害化处理后，成为可利用的优质有机肥资源[6,25]。本研究结果表明，不同有机废弃物发酵后有机碳含量为37.67%～55.94%，除鸡粪和猪粪有机碳含量略低于泥炭外，其他有机废弃物均高于泥炭；此外，鸡粪、猪粪和牛粪的TN、TP、TK含量均高于泥炭。这些原料通过合理安全有效的肥料化利用，不仅可以培肥地力[26]，增加农产品产量，还能减少化肥施用量，降低农业面源污染，促进农业绿色健康可持续发展[27]。
本研究结果还表明，有机废弃物微量元素丰富，除玉米芯粉外，各有机废弃物发酵后重金属P值均为安全等级，可以为蔬菜、果树、花卉、粮食等提供其生长发育的营养元素，且能有效提高蔬菜等农产品的品质。因此，将农业有机废弃物进行安全、有效的无害化处理，通过科学配比，具有成为优质有机肥源的潜力。
3.3 不同农业有机废弃物热解生物炭品质分析
研究表明，化学性质指标是影响生物炭品质的最大因素，其关键指标主要为有机碳含量、C/N、pH值等[28]。本研究结果与其他研究结果基本一致，不同农业废弃物低氧高温热解后的理化特性不同，可以选择性地用在不同土壤类型和作物上；各材料生物炭pH值(8.75～11.56)和TN、TP、TK含量均普遍较高，可用于酸化土壤的调理与改良，且还有作为有机肥辅料的利用潜力。本研究还表明，畜禽粪便生物炭有机碳含量均低于秸秆类生物炭和农产品加工类生物炭，说明其具有低碳高灰分的特性，这与王煌平等[10]的研究结果一致。不同农业有机废弃物生物炭均具有较大的比表面积，其较好的吸附性能可用于污染土壤的重金属修复治理，提高农产品的安全生产能力。
