農業有機廢棄物發酵CO2施肥在大棚生產上的應用及其環境效應

都韶婷,單英杰,張樹生,章永松

(1浙江大學環境與資源學院,教育部環境修復與生態健康重點實驗室,浙江省亞熱帶土壤與植物營養重點開發實驗室,浙江杭州310029;2浙江工商大學環境科學與工程學院,浙江杭州310035;3浙江省農業廳,浙江杭州310020;4金華職業技術學院,浙江金華321007)

據國家統計年鑒,目前我國秸稈年產量為6×109噸[1],焚燒率占22%[2]。每年約有 5.5×107噸碳被釋放至大氣,并伴有大量有益元素(如氮素)的損失。另一方面,我國畜禽糞便年產出量也高達2.75×109噸[3]。然而,畜牧業及農戶不合理的處置,導致大量氮、磷流入水體并成為水體富營養化的重要成因之一[4-6]。即使在一些規范化的大型農場,糞便的產出也往往高于當地農用所需[7]。因此,尋找一條有效解決上述問題的途徑顯得尤為迫切。

大棚蔬菜生產在我國已十分普遍,據統計,我國蔬菜總種植面積已達1.76×107公頃,大棚蔬菜占了其中的14.3%[8]。據報道,植物生長的最佳CO2濃度為800～ 1000 μ L/L。然而 ,白天大棚內 CO2濃度一般僅在 100～250 μ L/L內波動,遠遠低于植物生長所需[9]。為了解決棚室CO2虧缺問題,一系列解決方法應運而生。例如,通風換氣、高壓鋼瓶施肥、深施碳銨、燃燒和化學反應施肥法等[9-10]。但是,這些方法都存在明顯缺陷,如通風換氣后大棚CO2濃度最高只能達到大氣CO2濃度(350 μ L/L),若在冬天敞棚還會引起大棚溫度急劇下降;其它幾種方法雖然能基本滿足作物生長的需求,但使用后的經濟負擔較重。利用有機物發酵產生的CO2來進行大棚CO2施肥[11],其效果明顯優于上述提及的幾種方法。為此,研制簡易的農業有機廢棄物(CRAM)發酵裝置,并通過大棚CO2施肥進行農業生產,不僅能產生經濟效益還可使相當一部分農業有機廢棄物得到合理處置。本試驗通過研制的一種簡易發酵裝置,考察該運行方式下大棚的蔬菜生產狀況,并估算該方法推廣的環境效益,以期為農業部門的規劃及技術推廣提供依據。

1 材料與方法

1.1 植株栽培

大棚試驗位于浙江省金華市,每組試驗都分別在2個土壤條件一致的相鄰大棚(11 m×5.5 m×3 m)中進行,間距為40 cm。按以下配方施肥(g/m2):N 21[CO(NH2)2]、K 11(K2SO4)、 P 21[Ca(H2PO4)2]。5種較為常見的蔬菜品種:芹菜(Apium graveolens L.)、生菜(Lactuca virosa L.)、萵苣(Lactvca saiva L.)、油麥菜(Sonchus oleraceus L.)和青菜(Brassica chinensis L.)。每種蔬菜播種面積一致,且種植密度按常規(plant/m2):芹菜 20、生菜15、萵苣12、油麥菜70、青菜25。其它農藝措施(如水分管理)均一致。

1.2 發酵裝置

大棚中心部位放置好氧發酵裝置(圖1)。該裝置由4根高1.2 m、粗6 cm的木棍(或竹竿)作為支架圍成正方形(離地約10 cm),支架外部套上由塑料彩條布加工而成的圓筒型外套(直徑約1 m)。整個發酵裝置的有效容積約為0.9 m3。為保持良好的通氣條件,裝置底部用6 cm寬的木條以10 cm間隔懸空,自然透風。發酵原料為約25 kg干稻稈和8 kg新鮮豬糞(表1),其C/N比正好為最佳CO2發酵條件,即40/1[12]。為了保持較好的發酵條件,在發酵初期加入約90 L水,發酵期間還需定期調節水分含量至70%左右。為提高發酵效率和延長發酵時間,在發酵混合物中添加了我們自行篩選的3種高效產氣微生物。每隔2周,用酸性泡菜液(pH 3)調節發酵混合物pH至6.5～7.0[12]。為避免發酵過程中產生少量氨氣對大棚蔬菜的毒害,我們在發酵裝置頂部放入一塊用2 mol/L H2SO4浸泡過的海綿,并在中央及周邊兩個小區域噴2.5 g/L甲基紅指示劑。當指示劑區域變綠時,用2 mol/L H2SO4重新浸泡海綿。每隔20 d更換一次發酵填料,以保證蔬菜整個生育期所需的氣肥,發酵殘渣用于下季作物。

圖1 大棚發酵裝置圖Fig.1 Diagram of the crop residues and animal manure composting unit used in the greenhouse

表1 發酵原料各組分碳、氮、磷及水分含量Table 1 Contents of carbon,nitrogen and phosphorus,and C/N ratio of agricultural organic wastes used in present research

1.3 CO2監測及產量測定

用CO2/溫度測定儀每天監測大棚內08:00和12:00點的CO2濃度(Telaire 7001,USA)。在第8 d,每隔2 h連續監測白天大棚內CO2濃度的變化。經2個月的栽培,采取隨機收獲的方式,每種蔬菜均取8株,稱取地上部的生物量。

試驗數據經DPS數據處理軟件統計檢驗,差異比較采用t檢驗法(P＜0.05)。

2 結果分析

2.1 CRAM發酵對大棚內CO2濃度的影響

為明確CRAM發酵產氣對增施大棚CO2的效果,分別于08:00和12:00對對照棚和處理棚內的CO2濃度進行了連續21 d的監測(圖2)。結果表明,對照棚CO2濃度經植物夜間的呼吸,08:00時棚內的CO2的濃度基本在500 μ L/L左右。然而,中午12:00時CO2的濃度均降至250 μ L/L以下,植物處于嚴重的CO2饑餓狀態。而有機廢棄物發酵處理棚內CO2濃度則相對高得多。試驗第8 d發酵大棚中CO2濃度高達720 μ L/L,比未發酵棚提高了 2倍左右(圖2a)。

圖2 發酵大棚與對照大棚內CO2濃度變化Fig.2 CO2fertilization in crop residues and animal manure compost greenhouse

由圖2b、c可知,在發酵后的第7 d,CO2的釋放達到了最高峰,在此后的2～3d內,CO2的釋放速率開始下降。2周后,處理棚內中午CO2濃度低于400 μ L/L,此時調節堆料的pH值,2 d后處理棚的CO2濃度又逐漸上升,并保持棚內1周左右較高的CO2濃度。

2.2 CRAM發酵法對大棚蔬菜產量的影響

由于CO2是植物光合作用的主要原料,大棚內的CO2虧缺問題勢必影響作物的產量。利用農業有機廢棄物生物發酵進行CO2施肥后,發酵棚內各蔬菜品種的可食部分均大幅增加,尤其是芹菜和青菜,分別比對照大棚的蔬菜鮮重增加了260%和322%;生菜、萵苣、油麥菜也分別增加了135%、115%和140%(圖3)。這一結果表明利用農業有機廢棄物生物發酵進行CO2施肥可有效比較棚室內的CO2虧缺問題,并顯著促進棚室蔬菜的增產。

3 討論

3.1 CRAM發酵補償大棚CO2虧缺

蔬菜大棚CO2虧缺已成為生產上的重要限制因子,尤其是作物光合作用旺盛時期,棚內CO2消耗也迅速增強,棚內CO2濃度急劇降低。因此,棚室中有限的CO2,也限制了大棚作物的生長[13-15]。本試驗中,在微生物的作用下CRAM堆肥能產生大量CO2,因此發酵大棚的CO2濃度顯著高于對照大棚。如第8 d,對照大棚內 CO2濃度在 240～250 μ L/L范圍內波動,無法滿足植物生長所需。相反,發酵大棚能維持 CO2濃度在 800～ 1000 μ L/L至少6～8 h,非常適合作物生長。而且,CRAM堆肥是一個動態過程,其產氣速率受外界的溫度影響。作物光合作用最強的階段往往是一天中溫度最高的時段,因此堆肥產氣效率曲線恰好與作物所需吻合,即該CO2施肥法能全天候維持大棚較高的CO2濃度,而一般的化學產氣法往往只能維持1～2 h。不僅如此,CRAM堆肥持效性強,通過pH調節,每次堆肥可持續3周左右,因而,省工省時,易被農民接受。

圖3 CRAM發酵對大棚蔬菜可食部分單株鮮重的影響Fig.3 Edible shoot weight of vegetables grown in the CRAM compost treatment

3.2 CRAM發酵促進蔬菜增產

與對照大棚相比,發酵大棚中5種蔬菜產量都顯著增加(圖3),這應歸因于農業有機廢棄物發酵釋放的CO2促進了植物的光合作用[16-19]。不僅如此,高CO2濃度同樣也會提高 N和 P的利用效率[20],同樣也有利于植物生長。Manuney等[21]指出,CO2濃度為550 μ L/L的處理能使棉花產量增加43%,濃度為700 μ L/L的處理能使甜菜生物量增加60%[22]。基于本試驗的簡易裝置,在植物光合作用期間(白天),能使大棚的CO2維持在有利于植物最佳生長的濃度,即800～ 1000 μ L/L,且產氣持續時間長,這可能是其增產效率遠高于一般的CO2施肥方法的原因。因此,本試驗蔬菜產量的增加可歸功于作物生長期間棚內農業有機廢棄物發酵產CO2的模式。

3.3 CRAM發酵模式的潛在環境效益

本試驗中,面積為11 m×5.5 m的大棚每次堆肥約消耗8 kg糞便(干重2 kg)和25 kg干稻草,每季作物需再加料2次。因此,每公頃蔬菜大棚每季約消耗4噸糞便和12.4噸秸稈(表2)。由于氣候的限制,在中國平均只有半年能進行大棚生產,相當于每年具有消耗糞便12.0 t/hm2及秸稈37.2 t/hm2的能力。因此,若全國2.5×106公頃的蔬菜大棚能進行農業有機廢棄物發酵,那么每年就能合理處置約3×107噸糞便和9.3×107噸秸稈。據Gao等[2]的估計,每年共有 5.5×107～22×107噸糞便流入水體。因此,若能將有機廢棄物發酵法推廣,將預計減少總糞便排放的14%～54%,對降低秸稈燃燒的年貢獻量達16%(表2)。

雖然上述計算是一個以小推大的過程,與實際存在一定出入,但其環境效益仍不容忽視。我國蔬菜大棚種植面積正大幅增加,尤其是北方。有利的氣候條件,蔬菜大棚種植時間遠大于估算的6個月[23]。此外,該生產模式的推廣也能有效防止糞便病菌對人體健康的危害,減少糞便流失中對地表地下水的污染等[24-25]。同樣,CRAM發酵模式還能解決目前中國的秸稈問題。眾所周知,在中國及其他一些發展中國家,秸稈直接在田焚燒現象較為普遍[26-27],大量 CO2被釋放到大氣[28]。因此,若CRAM發酵法能在全國推廣,促進農民對秸稈的合理使用,也可減緩秸稈燃燒帶來的污染問題。

本研究設計的簡易裝置,不僅制作簡單,而且基本材料多樣化,可采用木頭和竹子等,造價十分便宜,易于在我國推廣。另外,若在加料時采用一層層加水的方式(或是先將秸稈在水中浸泡過夜),滲濾液非常少,可基本忽略。最重要的是,我們采用在發酵裝置頂部放置H2SO4浸泡過的海綿以及指示劑(也可用試紙)的方法,可有效吸收堆肥過程中釋放的氨氣;但是尚未對大棚內硫化氫、硫醇、胺等污染物進行檢測。農業廢棄物發酵模式對作物的增產是毫無質疑的,其對作物品質影響的研究將在今后開展。另外,若能在農業生產中保持大棚的長期密閉狀態,也無需擔心CO2氣肥外泄帶來的二次污染。

表2 CRAM發酵法的環境效益評估Table 2 Assessment of the consumption of manure and crop residues by CRAM compost implementation

[1]國家統計總局.中國統計年鑒[M].北京:中國統計出版社,2005.National Bureau of Statistics of China.China statistical yearbook[M].Beijing:China Statistics Press,2005.

[2]曹國良,張小曳,鄭方成,王亞強.中國大陸秸稈露天燃燒清單[J].資源科學,2006,28(1):9-13.Cao G L,Zhang X Y,Zheng F C,Wang X Q.Estimating the quantity of crop residues burnt in open field in China[J].Resour.Sci.,2006,28:9-13.

[3]高定,陳同斌,劉斌,等.我國畜禽養殖業糞便污染風險與控制策略[J].地理研究,2006,25(2):312-319.Gao D,Chen T B,Liu B et al.Releases of pollutants from poultry manure in China and recommendned strategies for the pollution prevention[J].Geogr.Res.,2006,25(2):312-319.

[4]Zvomuya F,Helgason B L,Larney F J et al.Predicting phosphorus availability from soil-applied composted and non-composted cattle feedlot manure[J].J.Environ.Qual.,2006,35:928-937.

[5]Kleinman P J A,Sharpley A N.Effect of broadcast manure on runoff phosphorus concentrations over successive rainfall events[J].J.Environ.Qual.,2003,32:1072-1081.

[6]Tabbara H.Phosphorus loss to runoff water twenty-four hours after application of liquid swine manure or fertilizer[J].J.Environ.Qual.,2003,32:1044-1052.

[7]Carpenter S R,Caraco N F,Correll D L et al.Nonpoint pollution of surface waters with phosphorus and nitrogen[J].Ecol.Appl.,1998,8(3):559-568.

[8]李天來.我國設施園藝發展的方向[J].新農業,2005,(5):4-5.Li T L.Prospect of establishment agriculture in China[J].New Agric,2005,(5):4-5.

[9]Kl? ring H P,Hauschild C,Heiβner A,Bar-Yosef B.Model-based control of CO2concentration in greenhouses at ambient levels increases cucumber yield[J].Agric.For.Meteorol,2007,143:208-216.

[10]Linker R,Gutman P O,Seginer I.Robust controllers for simultaneous control of temperature and CO2concentration in greenhouses[J].Contr.Engin.Pract.,1999,7(7):851-862.

[11]Kelleher B P,Leahy J J,Henihan A M et al.Advances in poultry litter disposal technology—A review[J].Biores.Techn.,2002,83:27-36.

[12]杜靜,林咸永,章永松.農業廢棄物分解產生CO2的影響因素研究[J].應用生態學報,2004,15(3):501-505.Du J,Lin X Y,Zhang Y S.Affecting factors of CO2evolution from biodegradation of agricultural organic wastes[J].Chin.J.Appl.Ecol.,2004,15(3):501-505.

[13]Hikosaka K,Onoda Y,Kinugasa T et al.Plant responses to elevated CO2concentration at different scales:leaf,whole plant,canopy,and population[J].Ecol.Res.,2005,20:243-253.

[14]Fierro A,Tremblay N,Gosselin A.Supplemental carbon dioxide and light improved tomato and pepper seeding growth and yield[J].Hortsci.,1994,29(3):152-154.

[15]Buddendorf-Joosten J M C P,Woltering E J P.Components of the gaseous environment and their effects on plant growth and development in vitro[J].Plant Growth Regul.,1994,15:1-16.

[16]den Hertog J,Stulen I,Posthumus F,Poorter H.Interactive effects of growth-limiting N supply and elevated atmospheric CO2concentration on growth and carbon balance of Plantage major[J].Physiol.Plant.,1998,103:451-460.

[17]Poorter H.Interspecific variation in the growth response of plants to an elevated ambient CO2concentration[J].Plant Ecol.,1993,104:77-97.

[18]Heineke D,Kauder F,Frommer W et al.Application of transgenic plants in understanding responses to atmospheric change[J].Plant Cell Environ.,1999,22:623-628.

[19]Vorne V,Ojanpera K,De Temmerman L et al.Effects of elevated carbon dioxide and ozone on potato tuberquality in the European multiple-site experiment“CHIP project” [J].Eur.J.Agron.,2000,17:369-381.

[20]Conroy J P.Influence of elevated atmospheric CO2concentrations on plant nutrition[J].Aust.J.Bot.,1992,40:445-456.

[21]Manuney J R,Kimball B A,Pinter P J et al.Growth and yield of cottonin response to a free-air carbon dioxide enrichment(FACE)environment[J].Agric.For.Meteorol.,1994,70:49-67.

[22]Kohen A E,Venet L,MousseauM.Growth and photosynthesis of two deciduous forest species at elevated carbon dioxide[J].Funct.Ecol.,1993,7:480-486.

[23]Zheng L,Yu F Z,Kai S.Augmentative biological control in greenhouses:experiences from China[C].Switzerland:International Symposium on Biological Control of Arthropods,2005.

[24]Malik Y S,Randall G W,Goyal S M.Fate of salmonella following application of swine manure to tile-drained clay loam soil[J].J.Water Health,2004,2:97-101.

[25]Daszak P,Cunningham A A,Hyatt A D.Emerging infectious diseases of wildlife-threats to biodiversity and human health[J].Science,2000,287(5452):443-449.

[26]Raison R J.Modification of the soil environment by vegetation fires,with particular reference to nitrogen transformations:a review[J].Plant Soil,1979,51:73-108.

[27]Graham M H,Haynes R J,Meyer J H.Soil organic matter content and quality:effects of fertilizer applications,buring and trash retention on a long-term sugarcane experiment in South Africa[J].Soil Biol.Biochem.,2002,34:93-102.

[28]Friedlingstein P,SolomonS.Contributions of past and present human generations to committed warming caused by carbon dioxide[J].PNAS,2005,102(31):10832-10836.