沼渣堆肥過程中水溶性有機(jī)物的穩(wěn)定化研究*

潘德龍 宋彩紅,2 陳志茹 高云祥 齊 輝

(1.聊城大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山東 聊城 252000;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150030;3.聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,山東 聊城 252000)

沼渣是有機(jī)物發(fā)酵后剩余的固形物質(zhì),富含腐殖質(zhì)、腐殖酸、微量營養(yǎng)元素等多種營養(yǎng)物質(zhì),可以作為良好的土壤改良劑[1-3]。隨著農(nóng)村沼氣池的普及,沼渣產(chǎn)量越來越大,預(yù)計(jì)2030年我國的沼氣年產(chǎn)量將超過3.0×1028m3,沼渣年產(chǎn)量將達(dá)到3.6×1023t[4],因此沼渣處置成了亟待解決的環(huán)境問題[5]。沼渣還田是目前沼渣資源化的主要方式,然而未充分腐熟的沼渣存在致病菌,而且會在土壤中繼續(xù)發(fā)酵消耗氧氣而產(chǎn)生較多熱量和有毒有害氣體,因此未充分腐熟的沼渣還田會對農(nóng)作物生長產(chǎn)生抑制作用,如抑制種子發(fā)芽、導(dǎo)致幼苗黃化、致使農(nóng)作物生長速率低下甚至死亡等[6]。沼渣堆肥處理可以穩(wěn)定有機(jī)物并抑制致病菌[7]。目前,沼渣堆肥效率低是普遍性問題[8]。本研究通過分析沼渣堆肥的微生境因子與沼渣堆肥的水溶性有機(jī)物(DOM)穩(wěn)定化指標(biāo)的相互關(guān)系構(gòu)建沼渣堆肥穩(wěn)定化調(diào)控技術(shù),用以加速腐殖質(zhì)向腐殖酸轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)沼渣堆肥的快速穩(wěn)定化。

1 材料與方法

1.1 堆肥原料

沼渣取自北京順義某農(nóng)戶家庭,豬糞和雞糞取自河北樂亭某實(shí)驗(yàn)基地,堆肥前將這3種堆肥原料晾干,其中豬糞碳含量較高,雞糞氮含量較高,而沼渣纖維含量較高。玉米秸稈也取自河北樂亭某實(shí)驗(yàn)基地,用于調(diào)整堆肥原料的碳氮比(C/N),使用前粉碎至粒徑為0.1～0.5 cm。

1.2 堆肥設(shè)備

堆肥設(shè)備主體部分為盛放堆料的圓柱形反應(yīng)箱,由不銹鋼罐體構(gòu)成,高度和底面直徑分別為0.40、0.33 m,容積為34 L,位于恒溫箱中,通過溫差控制裝置監(jiān)測和控制溫度,上方有氣體測定裝置,可在線監(jiān)測O2、H2S、CO2等氣體,同時(shí)配備有氣泵、氣體流量計(jì)、溫差控制裝置、氣體過濾裝置等,試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

1—?dú)獗?2—?dú)怏w流量計(jì);3—反應(yīng)箱;4—溫差控制裝置;5—恒溫箱;6—?dú)怏w測定裝置;7—?dú)怏w過濾裝置

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1設(shè)計(jì)了堆肥原料沼渣、豬糞、雞糞的三因素兩水平正交試驗(yàn)[9]3013,通過玉米秸稈調(diào)整堆肥原料C/N后得到T1～T4不同堆肥處理物料的理化性質(zhì),如表2所示,堆肥過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度和含水率變化,分別在第0天(升溫期)、第6天(高溫期)、第14天(降溫期)和第30天(腐熟期)各采兩份約100 g的樣品,一份4 ℃保存用于監(jiān)測理化指標(biāo),另一份-20 ℃保存用于監(jiān)測生物學(xué)指標(biāo)。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Design for orthogonal test

表2 不同堆肥處理物料的理化性質(zhì)1)Table 2 Physical and chemical characteristics of composting materials of different treatments

1.4 指標(biāo)監(jiān)測方法

含水率采用差重法[9]3013測定;有機(jī)質(zhì)采用燒失量法[10]測定;總氮采用堿性過硫酸鉀消解/紫外分光光度法[11]測定;氨氮(AN)用納氏試劑光度法[12]測定;pH用梅特勒FE28-Standard pH計(jì)測定;總碳用耶拿multi N/C 2100總有機(jī)碳測定儀測定;纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的測定參照《飼料中粗纖維的含量測定》(GB/T 6434—2022);C/N為總碳與總氮的質(zhì)量比。

種子發(fā)芽指數(shù)(GI)用油菜種子發(fā)芽試驗(yàn)法[13]進(jìn)行測定。

用DP336土壤脫氧核糖核酸(DNA)試劑盒提取堆肥樣品中的總DNA,通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA提取質(zhì)量后,以提取的DNA為模板,以534R和357F為特異性引物,進(jìn)行聚合酶鏈反應(yīng)(PCR),PCR產(chǎn)物用變性梯度凝膠電泳(DGGE)鑒定[14],最后通過計(jì)算香農(nóng)指數(shù)(SWI)[15]解釋不同堆肥樣品的細(xì)菌群落多樣性。

DOM樣品的前處理方法參照文獻(xiàn)[16],使用總有機(jī)碳測定儀測定DOM濾液的溶解有機(jī)碳(DOC),然后用UNICO UV-4802 雙光束紫外可見分光光度計(jì)掃描DOM紫外吸收光譜[17],掃描波長為200～700 nm,掃描間隔為1 nm。測定254、280 nm的吸光度,并分別計(jì)算與DOC的比值,分別記為SUVA254、SUVA280,分別用來表征腐殖酸的腐殖化程度和不飽和度、有機(jī)質(zhì)的芳構(gòu)化程度和分子量[18-19]。測定250、365 nm的吸光度(分別記為E250和E365),并計(jì)算E250/E365,也可用來表征DOM的芳香性和分子量[20]。測定253、203 nm的吸光度(分別記為E253和E203),并計(jì)算E253/E203,用來表征極性官能團(tuán)[21]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用IBM SPSS Statistics 22.0軟件進(jìn)行光譜學(xué)指標(biāo)的單因素方差分析;用Canoco 5.0軟件進(jìn)行冗余分析(RDA),揭示微生境因子對DOM光譜學(xué)指標(biāo)變化的貢獻(xiàn)率;用IBM SPSS Amos 26.0軟件構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型,識別微生境因子的作用途徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 細(xì)菌群落演替與多樣性變化

DGGE是分析細(xì)菌群落多樣性的有效方法,能有效反映不同生態(tài)環(huán)境中細(xì)菌群落的演替[22]。由圖2可見,16S rRNA基因片段的條帶1、2、3、5、7幾乎存在于各個(gè)處理的整個(gè)堆肥過程中,這些細(xì)菌可能在堆肥過程中降解有機(jī)物方面起重要作用。4個(gè)處理的細(xì)菌群落多樣性在高溫期和降溫期發(fā)生了明顯變化,說明原料配比不同導(dǎo)致堆肥理化性質(zhì)不同,進(jìn)而影響細(xì)菌群落多樣性。T2和T3沼渣含量低,雞糞、豬糞的相對含量高,更易于復(fù)雜有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化為腐殖酸,從而提高了細(xì)菌群落的多樣性[23]。

注:氣泡大小反映細(xì)菌的相對豐度。

2.2 沼渣堆肥DOM穩(wěn)定化表征

用DOM的4種光譜學(xué)指標(biāo)(SUVA254、SUVA280、E253/E203、E250/E365)表征堆肥腐熟度,結(jié)果如圖3所示。4個(gè)處理中SUVA254、SUVA280、E253/E203在堆肥過程中總體呈上升趨勢,而E250/E365總體呈下降趨勢,由此說明隨著堆肥進(jìn)行,DOM分子量、分子結(jié)構(gòu)的縮合度和不飽和度逐漸變大,DOM腐殖化程度加深[24-25]。單因素方差分析結(jié)果顯示,各個(gè)處理的4種DOM光譜學(xué)指標(biāo)從升溫期到腐熟期均差異顯著,結(jié)合細(xì)菌群落DGGE氣泡圖(見圖2),可以說明堆肥從開始到結(jié)束由于有機(jī)質(zhì)構(gòu)成發(fā)生變化導(dǎo)致細(xì)菌群落發(fā)生變化[26]。升溫期的DOM光譜學(xué)指標(biāo)排序發(fā)現(xiàn),SUVA254、SUVA280、E253/E203排序均為T4

圖3 不同堆肥處理的光譜學(xué)指標(biāo)變化Fig.3 Spectroscopic index changes of different composting treatments

2.3 影響DOM穩(wěn)定化的關(guān)鍵微生境因子識別

RDA通過原始變量與解釋變量之間的相關(guān)性分析引起原始變量差異的原因[27]。本研究通過RDA來探究堆肥微生境因子與DOM光譜學(xué)指標(biāo)之間的響應(yīng)關(guān)系,結(jié)果如圖4所示,前兩軸的特征值占到了總特征值的99.02%。原始變量為DOM光譜學(xué)指標(biāo),用實(shí)心箭頭連線表示;解釋變量為微生境因子,用空心箭頭連線表示。解釋變量連線在DOM光譜學(xué)指標(biāo)連線上的投影(即余弦值)表示微生境因子對DOM光譜學(xué)指標(biāo)的方差貢獻(xiàn)率大小[28]。連線間的夾角反映了變量間的相關(guān)性,夾角越接近0°表示越呈正相關(guān)性,越接近180°表示越呈負(fù)相關(guān)性,越接近90°表示越不相關(guān)。由圖4可以看出,SUVA254、SUVA280、E253/E203與GI、pH、SWI呈正相關(guān)性,與AN呈負(fù)相關(guān)性;而E250/E365與GI、pH、SWI呈負(fù)相關(guān)性,與AN呈正相關(guān)性。綜合分析表明,GI對DOM光譜學(xué)指標(biāo)方差貢獻(xiàn)率最大。

圖4 堆肥微生境因子與DOM光譜學(xué)指標(biāo)的RDA響應(yīng)關(guān)系Fig.4 RDA response relationship between composting microhabitat factors and DOM spectroscopic indexes

2.4 微生境因子的作用途徑分析

為了更深入地探究堆肥微生境因子對DOM光譜學(xué)指標(biāo)的作用途徑,采用能夠直觀表示生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的結(jié)構(gòu)方程模型進(jìn)行分析[29]。圖5展示了4種微生境因子和4種DOM光譜學(xué)指標(biāo)之間的因果關(guān)系。其中,pH與GI呈顯著正相關(guān)性,AN與GI呈顯著負(fù)相關(guān)性,GI與DOM穩(wěn)定化指標(biāo)SUVA254、SUVA280、E253/E203均存在顯著正相關(guān)性,與E250/E365存在顯著負(fù)相關(guān)性,這與KONG等[30]的研究結(jié)果一致。由此可以得出,pH、AN通過影響GI間接作用于DOM光譜學(xué)指標(biāo),因此GI是作用路徑的關(guān)鍵。由圖5(b)還可以發(fā)現(xiàn),SWI與SUVA280存在顯著正相關(guān)性,表明SWI在堆肥進(jìn)程中對芳香族化合物含量升高具有促進(jìn)作用,可能與微生物的芳香性代謝物有關(guān)[31]。由圖5(d)發(fā)現(xiàn),AN與E253/E203存在顯著負(fù)相關(guān)性,這與閆彩紅等[32]的研究結(jié)果一致。綜上,GI是DOM穩(wěn)定化過程的關(guān)鍵微生境因子,pH、AN、SWI或直接或間接地也可影響堆肥穩(wěn)定化過程。

注：單線表示指標(biāo)間呈正相關(guān)性,雙線表示指標(biāo)間呈負(fù)相關(guān)性,線上數(shù)字表示路徑系數(shù)。實(shí)線表示p<0.05水平下相關(guān)關(guān)系顯著,虛線則表示不顯著。χ2=0.313,自由度=1。

3 結(jié) 論

(1) 沼渣堆肥過程中,原料配比不同導(dǎo)致堆肥理化性質(zhì)不同,細(xì)菌群落多樣性各異,從而改變堆肥穩(wěn)定化進(jìn)程,按沼渣5.85 kg、豬糞8.490 kg、雞糞8.190 kg的原料配比,堆肥腐熟程度最好,穩(wěn)定化程度最高,最有利于沼渣堆肥的DOM穩(wěn)定化。

(2) GI對DOM光譜學(xué)指標(biāo)方差貢獻(xiàn)率最大,是作用路徑的關(guān)鍵樞紐,直接作用于DOM穩(wěn)定化。pH、AN也可通過影響GI間接作用于DOM穩(wěn)定化,SWI在堆肥進(jìn)程中對芳香族化合物含量升高具有促進(jìn)作用。

(3) 可以通過調(diào)控堆肥微生境因子(升高pH、GI、SWI,降低AN)來加速腐殖質(zhì)向腐殖酸轉(zhuǎn)化,達(dá)到提高DOM穩(wěn)定化程度的目的。