生物質炭附著沼液對牧草生長的影響及其環境效益分析

劉元生， 陳祖擁， 劉 方， 蒲通達

(貴州大學 環境與資源研究所， 貴州 貴陽 550025)

當前微生物厭氧發酵技術在畜禽規模化養殖場的廢物處理過程中得到廣泛應用，厭氧發酵工程(沼氣工程)對規模化養殖場污染物的去除率達85%以上，同時又能獲得清潔能源[1-3]。然而，微生物厭氧發酵產生沼氣同時伴隨有大量的沼液及沼渣，沼液富含有機碳、氮、磷等營養成分[4]，其施入土壤對作物生長有明顯的促進作用[5-7]。但是，在土地資源有限的城郊及山區，沒有足夠的耕地來消納大量的沼液和沼渣，沼液的集中過量排放帶來的環境污染問題比較突出[1-3]。目前沼液處理技術主要采用自然生態凈化、工廠化處理和開發性處理等技術[8-13]，低成本的自然生態凈化主要是利用人工濕地或土地處理系統及氧化塘的植物、微生物凈化沼液中的COD，N，P，但生物生長及其代謝作用受溫度影響大，冬季生物處理沼液效果差；高成本的工廠化處理主要是利用環保設施，采取高能耗的強化措施，降解沼液中大量的有機物以及脫氮除磷，使出水達到排放要求，但環保設施投資大、運行能耗高、維護費用高；而高附加值的開發性處理是將沼液資源化利用與達標排放進行耦合，使沼液中的營養物質得以回收利用，同時帶來一定經濟效益。因此，如何對沼液進行低成本的深度處理，并實現資源化利用，是規模化養殖場面臨的一個亟待解決的主要問題。

生物質炭孔隙結構發達，比表面積大，表面官能團豐富，吸附能力強、化學性質穩定和再生能力強，發達的孔隙結構為微生物生長和繁殖提供有利空間，生物質炭廣泛應用于農業生產及土壤改良[14～18]。利用生物質炭提取與截留養殖廢水中高濃度的有機碳、氮、磷等營養物質，通過種植牧草作為鏈接畜禽養殖與飼料生產的紐帶，是實現規模化養殖場物質、能量轉換，提高養殖廢物循環利用的一種有效方法。因此，本研究從農業廢棄物資源化的角度，將生物質炭作為吸附劑，吸附回收沼液中高濃度的植物生長所需的C，N，P等營養元素，以附著沼液的生物質炭作為牧草種植基質，探討生物質炭對沼液中C，N，P等營養元素的吸附效果以及生物質炭-牧草耦合系統對沼液的凈化作用，為規模化養殖場建立高效生態循環農業模式提供科學依據。

1 材料與方法

沼液采集于貴陽市烏當區新天寨周邊規模化養殖場的沼氣池，經厭氧發酵的沼液呈棕黃色，較渾濁，懸浮物含量高，為了減小沼液水樣中懸浮物對吸附試驗的影響，將采集的原液過300目篩，并按一定倍數(10倍、5倍、2倍)進行稀釋，獲得試驗沼液樣品。生物質炭為木炭，烘干后研磨過20～40目篩，得到不同粒徑大小(2 mm，5 mm)的顆粒炭備用。白云巖砂來源于白云巖礦山采砂場，將建筑用砂研磨過20目篩，得到2 mm的白云巖砂顆粒備用。同時測定木炭顆粒及白云巖砂顆粒的最大持水量。

1.1 生物質炭飽和吸附沼液種植牧草試驗

試驗設4個處理(2 mm木炭+沼液; 5 mm木炭+沼液;2 mm木炭+蒸餾水;5 mm木炭+蒸餾水)，分別稱取粒徑為2 mm，5 mm的木炭500 g各3份，其中2份置于過濾沼液原液中浸泡3 d，另1份用蒸餾水浸泡作為對照，過濾后的木炭顆粒分別裝于塑料容器，作為牧草生長基質，分別種植三葉草、黑麥草，重復3次。將三葉草、黑麥草種子用蒸餾水浸泡1 d，分別選取300顆飽滿的三葉草、黑麥草種子均勻地播于木炭顆粒表層以下約2 cm處，播種后采用噴霧式澆水器適時澆水保證種子正常發芽和植株正常生長，在自然光照和溫度下定期觀察黑麥草、三葉草的生長狀況。播種15 d后，抽樣測定各組草苗的株高；播種30 d后，將植株拔出，測定株高、鮮重及葉綠素含量，對牧草生長狀況進行評價。

1.2 生物質炭基灌入沼液種植牧草試驗

參考砂培法將過篩的2 mm木炭顆粒、2 mm白云巖砂顆粒10 kg分別裝入塑料筐(150 cm)內，試驗在二種基質上采用直接播種方式種植黑麥草。稱取100 g黑麥草種子均勻鋪灑在每種基質表層以下約2 cm處，再覆蓋一部分基質。待黑麥草出苗(10天左右)后，采用間歇式進水法，以10 d為1個時期，隔天進同一濃度沼液水樣2 L。根據植物生長的營養需求，沼液濃度從低到高(稀釋倍數分別為10倍,5倍,2倍)分3個時期灌溉進水。每個時期隔天進水第2天采集1次出水水樣，對5次采集水樣進行混合均勻后測定出水及進水樣品中氨氮、總磷、COD的濃度。30天后停止灌入沼液，改用清水灌溉，將黑麥草留在基質上繼續觀察植株生長狀況。在黑麥草生長期間，定期抽樣(100株)測定各基質上黑麥草的株高，鮮重及葉綠素，N，P含量，對植物生長狀況進行評價。試驗時間從2017月10月初持續到2018年2月底。

1.3 測定方法

2 結果與分析

2.1 飽和吸附沼液生物質炭基中牧草的生長狀況

利用木炭顆粒飽和吸附沼液后種植黑麥草和三葉草，定期觀測二者生長狀況，主要生長指標測定值見表1。從表1可以看出，飽和吸附沼液后的木炭基質中黑麥草與三葉草的平均植株均顯著地高于未吸附沼液的對照組。播種后15 d，黑麥草和三葉草的平均株高分別比對照高31.16%～41.37%，106.54%～117.58%，但不同粒徑(2 mm，5 mm)木炭基質之間黑麥草和三葉草株高的差異性均不顯著。

到播種后第30天，黑麥草、三葉草平均株高也顯著地高于對照，黑麥草平均株高比對照高出97.51%～111.03%，而三葉草平均株高比對照高152.47%～162.36%。飽和吸附沼液后的木炭基質中黑麥草、三葉草的生物量(鮮重)、葉綠素含量均出現顯著地增加，其中黑麥草平均生物量(鮮重)、葉綠素含量分別比對照提高34.02%～103.79%，19.94%～31.79%；且吸附沼液的小粒徑(2 mm)炭基上生長的黑麥草生物量鮮重、葉綠素含量均顯著高于大粒徑(5 mm)炭基上生長的黑麥草。而對三葉草來說，其平均生物量(鮮重)、葉綠素含量分別比對照增加192.65%～330.09%，79.62%～80.54%；吸附沼液的小粒徑(2 mm)炭基上生長的三葉草生物量(鮮重)顯著高于大粒徑(5 mm)炭基上生長的三葉草，但葉綠素含量未出現顯著性的差異。試驗結果表明木炭顆粒飽和吸附沼液后，吸附的營養物質能被牧草吸收利用，從而保證了牧草的正常生長；而且粒徑小的木炭比表面積及孔隙度更大，2 mm木炭顆粒最大持水量達6.95 g·g-1，其高出5 mm木炭顆粒27.53%，其能吸附的沼液量大，附著的氮、磷、鉀、有機質、腐植酸等營養物質較多，小粒徑炭基種植牧草更有利于植株生長。

表1 不同粒徑木炭基質中黑麥草和三葉草的生長變化

注：生物量鮮重和葉綠素為播種30天的測定值。同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)

2.2 沼液灌入生物質炭基中牧草生長的狀況

利用沼液作為營養液分時期輸入木炭基質和白云巖砂基質中，在兩種基質上種植黑麥草的生長狀況見表2。試驗結果表明，在木炭基質上生長的黑麥草株高、生物量鮮重、葉綠素含量以及氮、磷含量的平均值(3個時期測定值)分別比白云巖砂基質上生長的黑麥草提高4.71%，56.17%，18.92%，23.11%和7.77%。用3個時期的測定值進行多重比較分析，木炭基質上黑麥草的生物量(鮮重)(p=0.019)、葉綠素含量(p=0.035)顯著地高于白云巖砂基質上生長的黑麥草。從黑麥草生長過程來看(表2)，在第1時期木炭基質上黑麥草株高比白云巖砂基質高出10.58%，但在第2、第3時期僅高4.11%～4.53%。然而，在3個時期木炭基質上生長的黑麥草生物量(鮮重)高出白云巖砂基質黑麥草的53.36%～59.90%。此外，木炭基質上黑麥草植株的葉綠素含量及N,P含量也均明顯高于白云巖砂基質上生長的黑麥草，其植株的葉綠素含量及N,P含量分別比白云巖砂基質上生長的黑麥草高出10.86%～28.44%,10.61%～32.76%和9.69%～14.89%，特別是在第3個時期。因此，具有豐富多孔結構的木炭顆粒對沼液中營養物質的吸附性能明顯優于表面相對光滑的白云巖砂顆粒，2mm木炭顆粒最大持水量(6.95 g·g-1)是白云巖砂粒(0.39 g·g-1)的16.8倍，木炭基質上黑麥草能吸收利用的營養物質多，在一定程度上促進了黑麥草的生長。

表2 不同生長基質下黑麥草生長的變化

注：測定時間分別于播種后第20，46天和61天的測定值。

灌溉沼液30天后，停止進沼液，改用清水灌入，繼續觀察兩種基質中黑麥草植株生長的變化。停止進沼液半個月后，木炭基質上黑麥草長勢保持良好，仍優于白云巖砂基質上的黑麥草，說明木炭基質中吸持的N,P,有機碳等營養物質較多，澆清水后能解吸釋放出來維持黑麥草繼續生長。繼續維持1個月后，兩種基質中黑麥草都能在冬季生長，但白云巖砂基質上黑麥草出現較明顯的枯萎變黃現象，植株出現明顯的營養缺乏、倒伏現象，而木炭基質上黑麥草植株能正常生長，出現抽穗現象，說明木炭附著沼液更有利于黑麥草的生長。唐華等試驗研究表明[7]，沼液灌溉量為667 mL·kg-1時，黑麥草的分蘗數和地上生物量均增加140%以上，而植株全氮、全磷、全鉀含量分別增加250%,16%和50%。吳濤等盆栽試驗研究表明[14]，高用量(4%)的小麥秸稈生物質炭添加至太湖地區農田土壤中可以顯著提高黑麥草生物量，主要歸因于生物質炭改善了土壤養分水平，并顯著增加了細菌、古菌和固氮菌等土壤主要類群功能菌的豐度。孫雪等盆栽試驗結果表明[15]，豬糞生物質炭施用顯著增加土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀的含量，而小白菜的產量提高26.50%～49.98%。因此，對規模化養殖場的固體廢物進行炭化，利用生物質炭作為基質，種植黑麥草后定期灌溉沼液或廢水，能保證既有利于植株的正常生長，生長的黑麥草可以作為飼料，從而實現養殖場廢物的循環利用。

2.3 生物質炭-黑麥草耦合系統對沼液中氨氮、總磷、COD的去除效果

表3 不同基質上沼液中和TP的去除效果

注:數據為同一定期采集5次出水水樣混合后的樣品測定值。

以上3個階段進水沼液中TP濃度在13.9～84.6 mg·L-1之間，木炭基質對TP的去除率在69.9～83.2%(平均去除率為76.3%)，而白云巖砂基質中沼液TP去除率在68.8～77.4%(平均去除率為73.2%)，兩種基質之間也未出現顯著性差異。沼液中磷主要以有機態磷和無機態磷形式存在，進水中的總磷一部分存在于沼液懸浮顆粒中，一部分則以正磷酸鹽和偏磷酸鹽的形式溶解在水中。在第1，2階段進水沼液中磷的濃度相對較低，有機懸浮微粒較少，木炭基質通過多孔攔截及吸附作用去除部分有機磷和磷酸鹽，而白云巖砂基質中存在的碳酸鈣、碳酸鎂對磷酸鹽能產生化學固定作用，木炭基質除磷效果與白云巖砂基質相近；但到第3階段木炭基質對沼液中磷的去除率比白云巖砂基質高出13.21%，在后期木炭基質對沼液中磷的去除效果明顯高于白云巖砂基質。從表2看出，在第3階段木炭基質上生長黑麥草的生物量比白云巖砂基質高54.31%，因而黑麥草生長對磷的吸收及根系攔截對沼液中磷的去除起到明顯的作用。

3 小結

(1)飽和吸附沼液的木炭基質中黑麥草與三葉草的平均植株均顯著地高于未吸附沼液的木炭基質，而飽和吸附沼液的木炭基質中黑麥草、三葉草的生物量(鮮重)、葉綠素含量也出現顯著地增加。木炭附著沼液的營養物質能被牧草吸收利用，從而保證了牧草的正常生長；而且粒徑小的木炭基質持水量更大，對沼液中利于植物生長的氮、磷、鉀、有機質等營養物質的吸附量更多，小粒徑炭基種植牧草更有利于植株生長。

(2)利用沼液作為營養液分期輸入木炭基質和白云巖砂基質中，在木炭基質上生長的黑麥草株高、生物量(鮮重)、葉綠素含量以及氮、磷含量的平均值(3個時期測定值)分別比白云巖砂基質的黑麥草提高4.71%,56.17%,18.92%,23.11%和7.77%；木炭基質上黑麥草的生物量(鮮重)、葉綠素含量顯著地高于白云巖砂基質上生長的黑麥草。此外，木炭基質上黑麥草能吸收利用的營養物質多，其植株中N、P含量也高于白云巖砂基質上生長的黑麥草。