沼液膜浓缩液复配肥对小白菜的肥效及安全性研究

祁步凡，王 虹，李 俊，蒋小妹，李 锐，王文国*

(1. 成都大学药学与生物工程学院，四川 成都 610106；2．农业农村部沼气科学研究所，四川 成都 610041)

【研究意义】我国畜牧业快速发展，畜禽粪污的污染问题日益突出[1]。沼气技术是畜禽粪污无害化处理和资源化利用的重要技术手段[2]，但是沼液的问题正成为限制其发展的重要因素[3-4]。沼液含有氮、磷等营养物质，同时还含有腐植酸、氨基酸等植物所需的生物活性物质，具有肥料属性[5-6]。但相对于成品的液体肥料而言，沼液营养物质的含量处于一个较低的水平，价值密度较低，运输成本高[7]。如何提高沼液的价值密度是实现沼液高效利用的技术难点。【前人研究进展】膜分离技术以其占地面积小、操作便捷、处理效率高的特点成为实现沼液处理与利用的重要途径[8-9]。但是由于沼液中浊度和氨氮含量较高，利用反渗透膜(RO)处理沼液时会导致膜污染和透过液氨氮浓度过高等问题[10-11]。膜生物反应器(MBR)与RO膜分离技术的组合可以将沼液的处理与资源利用相结合，解决上述问题，但是关于其浓缩液的肥料化利用研究较少。【本研究切入点】对MBR+RO系统的沼液膜浓缩液为基质根据国家相关肥料标准进行复配，以小白菜(BrassicachinensisL.)为供试作物评价其肥效与安全性。【拟解决的关键问题】探究沼液MBR+RO系统浓缩液肥料利用的潜力，为沼液的处理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试作物：从某种子公司购买的四季小白菜种子，育苗盘育苗，出苗后移栽至花钵中(市售营养土)。

供试肥料：固体复合肥为市场购买某品牌复合肥(TN:26.39 mg/g、TP:0.13 mg/g、TK:17.45 mg/g)；浓缩营养液为市售某品牌园艺浓缩营养液(TN:1.54 g/L、TP:0.19 g/L、TK:3.53 g/L)；沼液膜浓缩液复配肥为本试验室利用MBR+RO系统产出的10倍浓缩液添加尿素，磷酸氢二钾，氯化钾等后符合国家农业行业标准《含腐植酸水溶肥料》(NY 1106-2010)的技术指标的液体肥料，其TN、TP和TK的含量分别为75.97、66.75、58.15 g/L。

1.2 试验方法

1.2.1 小白菜盆栽试验 将播种10 d后的小白菜幼苗定植于花钵中，每钵3株，每钵装风干土样1.0 kg，施用固体复合肥1 g做基肥。待小白菜第4片真叶长出时开始第1次追肥，每7 d施肥1次，共施用5次，施肥方式为同时进行土壤追肥和喷施叶面肥。

实验设3个处理组，1个对照组，各组的总施氮量(追肥+叶面肥)为均为0.12 g/(kg土壤)。T1处理组：土壤追肥为沼液膜浓缩液复配肥稀释500倍后每次施入150 mL，5次共施氮0.11 g/(kg土壤)，叶面肥为浓缩营养液稀释20倍后每次喷施15 mL，5次共施氮0.01 g/(kg土壤)；T2处理组：土壤追肥为沼液膜浓缩液复配肥稀释500倍后每次施入150 mL，5次共施氮0.11 g/(kg土壤)，叶面肥为沼液膜浓缩液复配肥稀释1000倍后每次喷施15 mL，5次共施氮0.01 g/(kg土壤)；T3处理组：土壤追肥为浓缩营养液稀释10倍每次施入150 mL，5次共施氮0.11 g/(kg土壤)，叶面肥为浓缩营养液稀释20倍后每次喷施15 mL，5次共施氮0.01 g/(kg土壤)。对照组(CK)为施入等氮量的固体复合肥。

1.2.2 样品的采收与生理指标测定 小白菜样品于第5次施肥1周后进行采收，采收后测定地上可食部分鲜重、干重等指标。

叶绿素含量、硝酸盐含量和维生素C含量均采用分光光度计法测定[12-14]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[15]；待测植物样品经 H2SO4-H2O2消解后采用电感耦合等离子光谱发生仪(ICP-OES，Plasma Quant PQ9000)测定金属铬(Cr)、砷(As)、铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)、锌(Zn)、铜(Cu)的含量[15]。

1.2.3 数据分析 采用 Microsoft Excel 2013 进行数据的记录与初步分析，利用 Origin 2017 进行数据分析和绘图，采用 SPSS 20. 0 进行数据的显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 沼液膜浓缩液复配肥对小白菜产量的影响

如图1所示，以沼液膜浓缩液复配肥为土壤追肥和叶面肥的处理组(T2)小白菜地上部鲜重和干重最高，分别为26.91和2.53 g/株，显著高于对照组(20.43和0.63 g/株)，也高于沼液膜浓缩液复配肥土壤追肥与浓缩营养液叶面肥组合(T1，22.69 和2.03 g/株)及浓缩营养液土壤追肥和叶面肥的处理组(T3，17.7和1.02 g/株)。这表明对照组的含水量较高，达96 %，其次是T3的94 %，而T1和T2最低，仅为91 %，这说明沼液膜浓缩液复配肥更利于小白菜干物质的积累。本研究的4个处理施氮量均为0.12 g/(kg土壤)，其他营养成分的差异导致了4个处理间小白菜产量的差异。T1和T2均为以沼液膜浓缩液为土壤追肥，二者磷施用量均为0.1 g/(kg土壤)，钾的施用量差异仅有0.008 g/(kg土壤)，但是T2的产量仍比T1提高了18.59 %。说明沼液膜浓缩液复配肥作为叶面肥对小白菜有增产效果。

不同处理间不同字母表示某指标组间差异显著(P<0. 05)，下图同图1 不同施肥处理对小白菜产量的影响Fig.1 Effects of different fertilization treatments on pakchoi yield

叶绿素是植物光合作用的物质基础，叶绿素含量在很大程度上反映了叶片的光合能力。如图2所示，叶绿素a和叶绿素b的含量变化与小白菜产量的变化趋势相同，均以T2处理组最高，分别为0.85和0.36 mg/g，相比CK提高了44 %和64 %，也高于T1的0.81和0.18 mg/g及T3的0.49和0.20 mg/g。说明沼液膜浓缩液复配肥有利于提高小白菜叶绿素含量，以提高光合能力，这可能是导致其产量提高的重要因素。

图2 不同施肥处理对小白菜叶绿素含量的影响Fig.2 Effects of different fertilization treatments on chlorophyll content of pakchoi

2.2 沼液膜浓缩液复配肥对小白菜可溶性糖与维生素C含量的影响

蔬菜中可溶性糖和维生素 C含量不仅与其抗逆性相关也与品质相关[12]。如图3所示，T2处理组中可溶性糖和维生素C的含量分别达到368.68、178.25 mg/kg，均为4个处理组的最高水平，分别比CK对照组提高了25 %和138 %。T1及T3处理组中可溶性糖和维生素C的含量分别为318.75、139.14 和308.12、157.80 mg/kg，T2处理组分别比T1及T3处理组提高了16 %、28 %和20 %、13 %。研究表明施用沼液及沼液膜浓缩液复配肥可明显提高小白菜的可溶性糖和维生素C含量, 提高其品质[16-17]。本研究采用的MBR+RO浓缩液配制的肥料也表现出相同的效果。

图3 不同施肥处理对小白菜可溶性糖和维生素C含量的影响Fig.3 Effects of different fertilization treatments on soluble sugar and vitamin C content in pakchoi

2.3 沼液膜浓缩液复配肥对小白菜硝酸盐及重金属含量的影响

蔬菜中过量的硝酸盐被人体摄入会危害人体健康[13]，《蔬菜中硝酸盐限量标准》(GB 19338-2003)中叶菜类硝酸盐限量为3000 mg/kg。如图4所示，4个处理组的小白菜硝酸盐含量都低于国家标准，但其中施用浓缩营养液的T3处理组小白菜硝酸盐含量最高为157.67 mg/kg，显著高于其他处理组。CK与T1处理组的小白菜硝酸盐含量分别为103.68和107.73 mg/kg，较T3处理组白菜硝酸盐含量分别降低了34.24 %和31.67 %。仅施用沼液膜浓缩液复配肥的T2处理组小白菜硝酸盐含量最低为72.89 mg/kg，相比CK处理组降低30 %。这表明沼液膜浓缩液复配肥没有引起小白菜中硝酸盐的积累。

图4 不同施肥处理对小白菜硝酸盐含量的影响Fig.4 Effects of different fertilization treatments on the content of nitrate in pakchoi

重金属是对公众健康构成较大风险的污染物，食用重金属含量超标的食品会对人体健康造成影响[18]。本研究中不同施肥处理的小白菜Cr、As、Pb、Cd和Hg的含量均未超过《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762-2017)中蔬菜及其制品的限量指标(表1)。其中Cr含量范围为0.441～0.487 mg/kg，施用沼液膜浓缩液复配肥的T1和T2显著低于对照组和浓缩营养液的T3。As、Pb、Cd和Hg在4个处理中的含量都较低，Hg含量甚至低于仪器检测范围，所以4个处理组间差异不明显。以上结果表明沼液膜浓缩液复配肥不会引起小白菜重金属的风险，并且与其他肥料相比更为安全。

表1 不同施肥处理对小白菜重金属含量的影响Table 1 Effects of different fertilization treatments on heavy metal content in pakchoi (mg/kg)

Zn和Cu虽然也属于重金属，但是也是人体所需的微量元素，GB 2762-2017并未对其作限量。本研究沼液膜浓缩液复配肥为土壤追肥和叶面肥的处理组(T2)小白菜中Zn、Cu含量最高，分别为0.80和0.13 mg/kg，相比CK提高了81 %和44 %，也显著高于T1、T3处理组，相比T1、T3分别提高了18 %、30 %和7 %、30 %。表明沼液膜浓缩液复配肥对Zn和Cu的积累有促进作用。

2.4 沼液膜浓缩液复配肥对土壤中锌和铜积累风险的影响

沼液中含量较高的Zn、Cu对土壤的污染问题备受关注，也是影响其肥料化利用的重要因素[18-19]。本研究分析了施肥后土壤中Zn、Cu含量，如图5所示，4个处理组土壤Zn含量范围在108.62～136.79 mg/kg，均低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)中农用地土壤污染风险筛选值。4个处理组中以T2的Zn、Cu含量最低，分别为108.62和15.46 mg/kg。相较CK和T3处理组土壤中Zn、Cu含量分别降低了21 %、20 %和16 %、1 %。结合小白菜中Zn、Cu含量分析，施用沼液膜浓缩液复配肥可能促进小白菜吸收土壤中Zn、Cu元素，从而降低土壤中Zn、Cu含量，减少Zn、Cu对土壤的污染。沼液膜浓缩液复配肥与其他肥料相比不会引起土壤重金属的积累。

图5 不同施肥处理对土壤锌和铜含量的影响Fig.5 Effects of different fertilization treatments on soil zinc and copper content

3 讨 论

沼液含有的营养元素以水溶性形态为主，在作物土壤追肥和叶面肥方面具有良好的效果[20]。沼液中还含有氨基酸、腐殖酸等对植物生长有促进作用生物活性物质，有提升作物产量方的效果[5, 21]。虽然本研究所用的沼液膜浓缩液经过MBR处理后会大量的有机物被降解，但是腐殖酸等难降解物质仍处于较高的水平，在补充大量元素后的沼液膜浓缩液复配肥仍对小白菜有明显的产量提升效果。另外，叶绿素是含氮化合物，作物中的叶绿素含量与氮肥的施用量成正比[22]。但是本研究在相同施氮量的情况下，施用沼液膜浓缩液复配肥与其他肥料相比仍可以提高小白菜的叶绿素含量，说明沼液膜浓缩液复配肥中可能有其他物质促进了叶绿素含量的增加。沼液中含有作物所需的生物活性物质(如腐殖酸、赤霉素、吲哚乙酸和维生素B12等)，有利于促进作物的生长，提高作物的品质[23]。本研究中沼液膜浓缩液复配肥有效提升小白菜可溶性糖和维生素C含量，提高了小白菜的品质。说明MBR+RO的浓缩液中仍含有一定的促进小白菜产量和品质提升的物质，可以作为肥料进行进一步应用。

由于沼液中的氮形态以铵态氮为主，硝态氮含量较低，施用沼液有利于降低蔬菜中的硝酸盐含量[20]。本研究所用的沼液膜浓缩液虽然来自于沼液，但是在MBR中会有一部分铵态氮转化为硝态氮，所以硝酸盐积累的风险是影响其利用的重要因素。但是从研究结果来看，沼液膜浓缩液复配肥并没有引起小白菜中硝酸盐的积累，而且相对于其他肥料风险更低，同样也说明了MBR+RO的浓缩液进一步肥料利用的潜力。重金属风险也影响沼液的肥料化利用[24]。本研究所用的沼液要经过MBR的预处理，MBR中活性污泥对沼液中的重金属元素产生一定的吸附作用，从而降低沼液膜浓缩液复配肥中重金属含量，并且从研究结果来看，沼液膜浓缩液复配肥没有引起小白菜和土壤中重金属元素的积累，风险较低。

目前高Zn、Cu饲料添加剂的使用会使猪场沼液Zn、Cu含量较高，影响其肥料化利用。但是Zn、Cu都是植物和人体所需的微量元素，我国有40 %左右土壤缺锌，适当施用锌肥可以提高作物产量，降低硝酸盐含量，提高维生素C含量[25]。另外，全球有近20 %的人存在缺锌问题，植物体内的锌比无机的锌更容易、更安全地为人体所吸收利用，富锌蔬菜正成为研究热点[26]。有研究表明富Zn叶面肥能够增加谷物产量和籽粒的锌富集[27]。本研究中沼液膜浓缩液复配肥用作追肥和叶面肥提高了小白菜的Zn含量，并且叶面肥的效果更为明显。适量Cu的可以促进叶绿素的形成，促进光合作用，进而促进植物生长；过量的Cu则会对植物造成毒害，使植物生长缓慢[28]。本研究中施用沼液膜浓缩液复配肥的小白菜产量最高，品质最好，说明沼液膜浓缩液复配肥中的Cu含量并未对小白菜的生长造成影响。沼液膜浓缩液复配肥虽然会使小白菜中的Cu含量有提升，但仍远低于无公害蔬菜10 mg/kg的Cu限量值[29]。这表明沼液膜浓缩液中的Cu和Zn含量不会影响其肥料化利用。

4 结 论

本研究通过小白菜盆栽试验，验证了MBR+RO系统的沼液膜浓缩液复配肥的肥效和安全性，以MBR+RO系统的沼液膜浓缩液配制的肥料可以提高小白菜的产量，提升小白菜品质，并降低小白菜硝酸盐、重金属累积和土壤重金属积累的风险。MBR+RO系统的沼液膜浓缩液可以作为配方肥的基质进行肥料化利用，进一步进行大田实验研究有助于其推广利用。