厕所粪尿制备有机肥与磷酸铵镁对茼蒿生产的影响

刘 闯,王超军,马兴冠,姜 悦,吴志博,张 黎,傅金祥

(沈阳建筑大学 市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 110168)

新中国成立以来,农业施肥结构发生重大转变,有机肥已逐渐被商业化肥所取代,人畜粪尿的土壤消纳量不断减少[1]。农村厕所粪污既是污染源,也是重要的有机肥资源。2015年农业部印发的《到2020年化肥使用量零增长行动方案》提出,在农业种植等方面要提高有机肥的利用率。2021年的中央一号文件提出,要“实施农村人居环境整治提升五年行动”,“分类有序推进农村厕所革命”。在农村改厕过程中,粪尿治理是农业清洁生产体系建设和农村环境综合整治的先行工程,是构建“粪尿收集-肥料生产-农田施用-食物转化-人类利用”的物质循环体系的基础[2]。

尿液、粪便中含有很多可供作物利用的营养物质。研究显示,人均每年的排泄物为尿液500 kg、粪便50 kg,其中含有的N、P、K营养元素总量分别为5.7、0.6、1.2 kg[3]。当下,源分离厕所技术已经渐趋成熟,集中收集农村厕所的尿液和粪便成为可能。将尿液和粪便中的营养物质进行转化,实现资源化利用是当前研究的热点。

适用于农村厕所粪污处理的技术较多,其中,好氧发酵与厌氧消化技术较为成熟[4]。但传统的好氧发酵过程中堆体温度较低,有机物并不能完全分解,发酵时间较长,且存在发酵产物不能完全腐熟、无害化不彻底等问题。针对上述弊端,近年来研究人员提出了超高温菌好氧发酵工艺。该工艺可加快好氧发酵的进程,缩短发酵周期,且在高温状态下可有效去除堆体中的病原微生物,发酵产物腐熟度高。适用于尿液的处理技术主要有电化学、离子交换吸附、磷酸铵镁沉淀等,其中,磷酸铵镁沉淀技术较为成熟,可同时回收尿液中大部分的磷和氨氮,且磷酸铵镁有做肥料的潜质[5-9]。

我国是世界上蔬菜种植面积最大的国家,据统计,2021年我国仅大棚蔬菜的栽培面积就达到413.33万hm2[10]。随着人们生活水平的提高,目前蔬菜生产的目标已经由“提高产量”向“重视品质”转变,如何降低蔬菜的硝酸盐含量等已成为相关研究的热点[11]。茼蒿作为叶菜类蔬菜的典型代表,生长周期短[12],对肥料的依赖性较高且十分敏感,需要充足的肥料来提供养分[13-14]。本研究将粪便经超高温菌发酵的产物与由尿液制备的磷酸铵镁配施,作用于茼蒿,采用盆栽试验的方式,探究其对茼蒿生物量、品质等方面的影响,旨在为提高人粪尿的资源化利用水平、改善农村地区生态环境、发展农业绿色生产等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2022年3月至2022年6月在沈阳建筑大学实验室内进行。供试土壤系采自沈阳建筑大学校内的黑色土,经测定,土壤pH值为6.63,有机质含量22.8 g·kg-1,全氮含量1.78 g·kg-1,全磷含量0.96 g·kg-1,全钾含量15.43 g·kg-1,铵态氮含量37.8 mg·kg-1,有效磷含量89.6 mg·kg-1,速效钾含量143.56 mg·kg-1。

供试茼蒿品种为光杆,种子购自沈阳金富友种子有限公司。

供试复合肥(N、P2O5、K2O的质量分数分别为13%、15%、17%)由辽宁宇恒肥业科技有限公司生产。

用尿液制备磷酸铵镁,基本工艺参数简述如下:沉淀剂组合为MgCl2·6H2O、Na2HPO4·12H2O,pH值为9,Mg、N质量比为1.2∶1.0,P、N质量比为1.1∶1.0,搅拌速率为340 r·min-1,搅拌时间为20 min。经X射线衍射(XRD)测定,制得的磷酸铵镁晶体的纯度为93.5%。对由尿液制备的磷酸铵镁进行包膜(制作过程主要包括对桐油进行加热、控温、拌和、干燥4个部分),制成包膜缓释肥,制备的磷酸铵镁和包膜缓释肥的氮、磷元素含量比均为5∶12。

粪便在超高温菌好氧发酵工艺的作用下制备有机肥,制备过程中无需外加热源,最高发酵温度即可达到90 ℃以上,发酵周期仅为10 d,较传统的好氧发酵效率更高。经测定,制备的有机肥的理化性质如下:pH值7.52,有机质含量46.77%,全氮含量3.92 g·kg-1,铵态氮含量1 450 mg·kg-1,有效磷含量194 mg·kg-1,含水率28.13%,种子发芽指数97.78%,粪大肠菌群未检出,Cd、Pb、Cr含量分别为1.65、8.54、3.03 mg·kg-1,各项指标符合NY/T 525-2021《有机肥料》的要求,确定粪便超高温菌发酵产物可以作为有机肥应用于农作物种植。

试验仪器主要包括:S20 SevenEasyTMpH酸度计,瑞士METTLER TOLEDO;日立z-5000原子吸收分光光度计,日本Hitachi;SR-721可见分光光度计,上海光谱仪器有限公司;EMS-19A六头加热磁力搅拌器,天津市欧诺仪器仪表有限公司;DHG9140电热恒温鼓风干燥箱,上海予英仪器有限公司;THZ-A气浴恒温振荡器,常州诺基仪器有限公司;HH-8数显电热恒温水浴锅,上海保玲仪器设备有限公司;SKML电热板,北京中兴伟业仪器有限公司。

1.2 试验设计

依照使用的肥料品种的差异,试验共设复合肥(T1)、复合肥+有机肥(T2)、包膜缓释肥(T3)、包膜缓释肥+有机肥(T4)、磷酸铵镁(T5)、磷酸铵镁+有机肥(T6)、有机肥(T7)和不施肥的对照(CK)共8个处理,每个处理重复3次,随机排列。

采用盆栽方式种植茼蒿,花盆直径为22 cm,每盆装土2 kg。查阅相关资料[15]后,确定各处理下每盆的有机肥施用量为40 g,无机肥(含复合肥、包膜缓释肥、磷酸铵镁)的每盆施用量为2.35 g。包膜缓释肥和有机肥均一次性基施;磷酸铵镁和复合肥除基施50%外,分别于生长15、30 d时各追肥一次,各次的肥料施用比例为50%∶25%∶25%。基肥施入后与土壤混匀,将浸泡好的茼蒿种子投加到土壤中,每盆10株,每株间距2～3 cm,覆土1 cm,定期定量浇水。供试茼蒿在15～25 ℃生长[16],整个生长周期为60 d。

1.3 样品采集与指标测定

茼蒿生长60 d后进行破坏性采收,测定成活率,采用米尺测量株高,用游标卡尺测量茎粗和根系长度。使用无菌水清洗茼蒿植株,待其干燥后,以每盆中随机取的5株作为一个整体,统计鲜重(含地上部和地下部),折算产量。取部分植株的鲜样,采用2,6二氯靛酚滴定法[17]测定植物样品的维生素C(VC)含量,采用铜还原碘量法[18]测定植物样品的可溶性糖含量,采用紫外分光光度法[19]测定植物样品的硝酸盐含量。剩余部分样品先于105 ℃杀青15 min,然后在60 ℃烘至质量恒定,用于测定N、P含量,以及折算干重和N、P积累量。植物样品经硫酸和过氧化氢消煮后,采用凯氏定氮法测定植株氮含量,采用钼锑抗分光光度法测定植株磷含量。

1.4 数据处理

采用Excel 2010软件整理数据。运用SPSS 19.0软件进行方差分析,对有显著(P<0.05)差异的,采用最小显著差数法(LSD)进行多重比较。采用Origin 2017软件制图。

2 结果与分析

2.1 对茼蒿生长的影响

各处理相比,CK的茼蒿成活率最低,显著低于其他处理(图1);T3、T4、T6处理的茼蒿成活率无显著差异,但均显著高于其他处理,较CK高出15%左右。添加有机肥与不添加有机肥的处理相比,T2的茼蒿成活率显著高于T1,T6的茼蒿成活率显著高于T5,说明在本试验条件下,除包膜缓释肥外,在复合肥或磷酸铵镁的基础上配施有机肥可进一步提高茼蒿的成活率。

柱上无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters in the same column indicate significant difference at P<0.05. The same as below.图1 不同处理对茼蒿成活率、株高、茎粗的影响Fig.1 Effects of treatments on the survival rate, plant height and stem thickness of Chrysanthemum coronarium

与CK相比,各施肥处理的茼蒿株高均显著增加,其中,T2、T4处理的茼蒿株高最高,显著高于除T1外的其他处理,说明复合肥(无论是否搭配有机肥)或包膜缓释肥配施有机肥,在试验条件下最有助于促进茼蒿的株高增加。

与株高类似,同CK处理相比,各施肥处理的茼蒿茎粗均显著增加,其中,T1、T2处理的茼蒿茎粗最大,显著高于其他处理。添加有机肥与不添加有机肥的处理相比,T4处理的茎粗较T3显著增加,T6处理的茎粗较T5显著增加,说明有机肥的配施,可进一步发挥磷酸铵镁或包膜缓释肥的肥效,更好地促进茼蒿植株的生长。

2.2 对茼蒿生物量的影响

从茼蒿鲜重来看,CK最小,显著低于其他处理(图2)。各施肥处理中,以T2、T4处理的鲜重最大,且显著高于其他处理。与不添加有机肥的处理相比,在无机肥的基础上配施有机肥的各处理的鲜重均显著增大(T2处理的鲜重显著大于T1,T4处理的鲜重显著大于T3,T6处理的鲜重显著大于T5)。

在测定鲜重和干重时,以5株茼蒿为一整体进行测算,结果为5株茼蒿生物量的总和。For the measurement of fresh weight and dry weight, 5 plants were taken as a whole, and the data in the above figures reflect the overall biomass of 5 plants.图2 不同处理对茼蒿鲜重、干重、根系长度和产量的影响Fig.2 Effects of treatments on the fresh weight, dry weight, root length and yield of Chrysanthemum coronarium

从茼蒿的干重来看,同样以CK最小,显著低于其他处理,T2处理的茼蒿干重最大,显著高于其他处理,T4处理次之。与不添加有机肥的处理相比,在复合肥、包膜缓释肥的基础上配施有机肥的处理的干重显著增大,具体表现为T2处理的茼蒿干重显著高于T1,T4处理的茼蒿干重显著高于T3。

在茼蒿的根系长度上,同样以CK最小,显著低于其他处理。各施肥处理的茼蒿根系长度均有显著差异,由大到小依次为T4>T2>T6>T1>T5>T3>T7,未施加有机肥的T1、T3、T5处理与相应的施加有机肥的T2、T4、T6处理对比,差异显著,说明在供试无机肥的基础上配施有机肥可促进根系伸长。

从茼蒿的产量上看,与不添加有机肥的处理相比,在无机肥的基础上配施有机肥的各处理的产量均显著增大(T2处理的产量显著大于T1,T4处理的产量显著大于T3,T6处理的产量显著大于T5)。不施有机肥的各处理中,T1处理的产量最高,达24.83 t·hm-2;施用有机肥的各处理中,T4处理的产量最高。

综上,从鲜重、干重、根系长度和产量上判断,在包膜缓释肥的基础上配施有机肥的效果最好。对比同一处理的干重、鲜重数据,在环境相同并控制浇水量相同的情况下,有机肥与包膜缓释肥、磷酸铵镁配施的茼蒿的含水率较高,更有助于茼蒿对水分的吸收。

2.3 对茼蒿N、P累积的影响

各处理相比,CK的N、P累积量均最低,且显著低于其他处理(图3)。各施肥处理的茼蒿N累积量均差异显著,从高到低依次为T2>T6>T4>T1>T3>T5>T7。不施用有机肥的各处理中,T1处理的N累积量最高,为2.15 g·kg-1;施用有机肥的各处理中,T2处理的N累积量最高,为3.64 g·kg-1。与不添加有机肥的处理相比,在无机肥的基础上配施有机肥的各处理的N累积量均显著增大。在有机肥的作用下,磷酸铵镁较包膜缓释肥更有利于茼蒿对N的吸收。

图3 不同处理对茼蒿N、P累积量的影响Fig.3 Effects of treatments on N, P accumulation of Chrysanthemum coronarium

在茼蒿的P累积量上,未添加有机肥的T1、T3、T5处理差异显著,以T5处理的P累积量最高,为1.47 g·kg-1,T1处理次之;施加有机肥的T2、T4、T6处理差异显著,以T6处理的P累积量最高,为1.68 g·kg-1,T4处理次之。与不添加有机肥的处理相比,在无机肥的基础上配施有机肥的各处理的P累积量均显著增大,表明在试验条件下,在供试无机肥的基础上配施有机肥可促进茼蒿对P的累积。

2.4 对茼蒿品质的影响

各处理下,茼蒿的可溶性糖含量以CK最低,且显著低于其他处理(图4)。不添加有机肥的各处理差异显著,从高到低依次为T5>T3>T1,T5处理的可溶性糖含量最高,为4.96%;添加有机肥的各处理同样差异显著,从高到低依次为T6>T4>T2,T6处理可溶性糖含量最高,为5.49%。上述结果说明,配施有机肥后,磷酸铵镁、包膜缓释肥对茼蒿的效果更好。这可能是因为,磷肥可以促进茼蒿内部可溶性糖的运输和积累,有机肥可促进磷酸铵镁、包膜缓释肥中磷的释放,进而提高茼蒿的可溶性糖含量。

图4 不同处理对茼蒿营养品质的影响Fig.4 Effects of treatments on the nutrional qualties of Chrysanthemum coronarium

各处理相比,CK的VC含量最低,显著低于其他处理。不添加有机肥的各处理中,T1处理的茼蒿VC含量最高,为80 g·kg-1,显著高于T3、T5处理(T3与T5处理差异不显著);添加有机肥的各处理中,T2、T4处理的VC含量无显著差异,均显著高于T6处理。与不添加有机肥的处理相比,在无机肥的基础上配施有机肥的各处理的茼蒿VC含量均显著增大,说明在供试无机肥的基础上配施有机肥可进一步提高茼蒿的VC含量。

硝酸盐含量是衡量蔬菜质量的重要指标,其含量主要与土壤肥力、肥料用量有关,过高的硝酸盐含量可能会对食用后的人体健康产生潜在威胁。各处理相比,CK的硝酸盐含量最低,显著低于其他处理。与不添加有机肥的处理相比,在无机肥的基础上配施有机肥的各处理的茼蒿硝酸盐含量均显著增大。不配施有机肥的处理中,T1处理的硝酸盐含量最高,T3最低,且二者均与T5处理差异显著;配施有机肥的处理中,T2处理的硝酸盐含量最高,T4最低,且二者均与T6处理差异显著。上述结果说明,在配施有机肥的情况下,包膜缓释肥或磷酸铵镁较复合肥更有助于保证茼蒿的品质。

3 讨论

在环境一致的条件下,不同肥料处理下的茼蒿成活率不尽相同。不配施有机肥时,单独施用磷酸铵镁或磷酸铵镁包膜缓释肥的茼蒿成活率要显著高于商品复合肥。在复合肥或磷酸铵镁的基础上配施有机肥后,茼蒿的成活率进一步显著提高。主要原因是,相较于养分释放较迅速的复合肥,磷酸铵镁或包膜缓释肥的肥效释放相对缓慢,在茼蒿生长前期不会产生烧苗现象,施加的有机肥在提供肥力的同时也改善了土壤的理化性状,从而更利于种子的萌发和幼苗成活。这与古今等[20]发现有机肥配施有利于灯盏花种子萌发的结果类似。

不配施有机肥时,从茼蒿的株高、茎粗上来看,包膜缓释肥的效果要逊于复合肥和磷酸铵镁。包膜缓释肥前期的养分释放较缓慢,可能会因养分释放量不足而影响茼蒿的生长。在包膜缓释肥的基础上配施有机肥后,茼蒿的株高、茎粗均显著增加。这可能是因为,有机肥不仅含有有机质和营养元素,还含有多种活性物质,有助于缓解单独施用包膜缓释肥前期养分释放较少的问题,从而加快茼蒿生长发育的进程。这与张红梅等[21]发现适量施加有机肥可以提高黄瓜株高的结果类似。

施用有机肥可以提高土壤的有机质含量,改善土壤的理化性质,提高土壤的微生物含量,促进作物根系的伸展和对养分的吸收。马忠明等[22]研究了配施有机肥对酿酒葡萄的影响,发现配施有机肥后葡萄产量明显提升。Gezahegn等[23]研究发现,有机肥与无机肥配施可有效提高后茬玉米的产量。Love等[24]研究发现,75%有机氮与25%无机氮的组合下,籽粒苋的籽粒产量最高。本研究发现,在各供试无机肥的基础上配施有机肥均可显著提高茼蒿的产量。相较于复合肥,包膜缓释肥的养分含量低、施肥次数较少。单独施用包膜缓释肥时,茼蒿的产量显著低于单独施用复合肥的处理;但当二者都与有机肥配施后,茼蒿产量并无显著差异。这说明,在本试验条件下,包膜缓释肥配施有机肥可满足茼蒿在整个生长周期的养分需求。这与丁文娟等[25]研究发现生物有机肥可以促进香蕉的生长,并提高香蕉产量的结果类似。

提高肥料利用效率是实现蔬菜高效生产的重要途径。黄国弟[26]认为,提高肥料利用率的途径包括推广使用长效肥、缓释肥,提倡使用生物有机肥和有机无机复混肥。廖义善等[27]研究发现,在适宜用量水平下,化肥配施有机肥可有效减少稻田的氮、磷损失,氮、磷肥的农学效率分别增长24.6%～84.4%、12.8%～78.9%。本研究中,不配施有机肥时,包膜缓释肥因养分释放速率要慢于复合肥,茼蒿内部的N、P累积量较低。包膜缓释肥配施有机肥后,茼蒿的N、P累积量均显著提高。其他无机肥与有机肥配施后,茼蒿的N、P累积量亦显著增加。推测其主要原因是,常规化肥具有养分高、肥效快的特点,但持效期短,有机肥养分全面,肥效长,并且可以改良土壤,两者配合,能更好地发挥肥效,提高养分的有效性和利用率。这与许晶晶等[28]发现的化肥配施有机肥能提高小麦肥料利用率的结论类似。

研究表明,适量施用有机肥可显著提高作物的品质。邓妍等[29]研究发现,生物菌肥与无机肥配施有利于提高藜麦的品质。何翠等[30]研究了无机肥配施有机肥对番茄的影响,发现适量增施有机肥能提高番茄果实中的Vc含量,并降低硝酸盐含量。本研究发现,与不施肥的CK相比,各施肥处理均能显著增加茼蒿的VC、可溶性糖含量。在供试无机肥的基础上,配施有机肥后,茼蒿的可溶性糖、VC含量均进一步显著增加。这与赵征宇等[31]关于有机肥与无机肥配施对番茄品质影响的结论相符。

综合茼蒿的成活率、产量、营养品质等指标判断,在试验条件下,将由尿液制备的磷酸铵镁包膜缓释肥与由粪便在超高温菌好氧发酵工艺下制备的有机肥配合施用,有利于茼蒿的种植与品质改善。二者的配合施用,可克服常规肥料养分释放快和单独施用包膜缓释肥养分释放慢的弊端,提高肥料的利用效率,利于蔬菜生产,同时也实现了对粪污的资源再利用。