以紫莖澤蘭沼渣制作腐殖酸肥料的實驗研究

彭蘇怡，龐興翊，唐鄭康，王克書，尹 芳，張無敵

（云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500）

自20世紀(jì)40年代以來，外來物種紫莖澤蘭已入侵中國近50%的土地，其抗逆性強(qiáng)、毒性高、對土地養(yǎng)分吸收能力強(qiáng)、繁殖速度快，使得許多本土動植物的生存遭到威脅，生物多樣性銳減。云南、四川、貴州等地受紫莖澤蘭入侵嚴(yán)重，多年來使用人工拔除、除草劑滅草等手段，不僅耗時耗力，不能根除，也會對自然環(huán)境造成一定傷害。就目前而言，國內(nèi)防治紫莖澤蘭的手段并沒有成型，但其在農(nóng)業(yè)藥業(yè)方面的應(yīng)用已經(jīng)被不斷挖掘出來。

課題組前期實驗獲得的一種新型生物農(nóng)殘降解劑[1]，是由紫莖澤蘭切碎榨汁后，加入菌種振蕩培養(yǎng)，并取上清液加入相應(yīng)試劑制成。這種制備農(nóng)殘降解劑的方法對紫莖澤蘭的利用率達(dá)到了70%，但其過濾后所得的殘渣殘葉并未得到有效利用；紫莖澤蘭營養(yǎng)元素豐富，經(jīng)測定，其有機(jī)物含量為83.18%，含全氮0.372%、全磷0.062%、全鉀0.58%、金屬元素42.329mg/kg[2]，若將殘渣殘葉完全棄去則會導(dǎo)致大量營養(yǎng)成分流失，并未達(dá)到資源的充分利用。

厭氧消化又稱沼氣發(fā)酵，是一種有效處理此類殘渣殘葉的方法。實驗中，通過對原料固體含量（TS）的控制，將原料與接種物用水稀釋后放于反應(yīng)器中，以產(chǎn)氣量為依據(jù)，獲得紫莖澤蘭適合發(fā)酵的最佳濃度，使發(fā)酵效益最大化。

市面上常見的腐殖酸復(fù)合肥料大多以秸稈為原料，通過微生物發(fā)酵工藝制作而成，并適當(dāng)添加氮、磷、鉀元素。紫莖澤蘭殘渣殘葉通過厭氧發(fā)酵實驗可以成為一種新的腐植酸肥料原料。腐殖酸富含氮、碳、氫、氧、硫等元素，具有促進(jìn)植物生長，改善土壤質(zhì)量的作用[3]。將沼渣制作成為肥料還田，充分體現(xiàn)了紫莖澤蘭的農(nóng)業(yè)價值。

本實驗在制作農(nóng)業(yè)降解劑過程中，對剩余紫莖澤蘭殘渣殘葉進(jìn)行厭氧發(fā)酵，并對發(fā)酵完成的沼渣進(jìn)行成分測定，為紫莖澤蘭發(fā)酵后的殘渣制作腐殖酸肥料提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采摘野生紫莖澤蘭1.56kg切碎，并與3600mL水混合榨汁。于榨汁后的固液混合物中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的菌種，放在27℃振蕩器中振蕩3d。振蕩后過濾，濾液用于制作農(nóng)殘降解劑。

過濾后殘渣作為發(fā)酵產(chǎn)沼氣用。將發(fā)酵結(jié)束后的混合物使用紗布進(jìn)行簡單過濾后，得到固體部分，經(jīng)測定TS為15.56%；活性接種物為經(jīng)過酸化處理的豬糞，其TS為12.58%。

海藻腐殖酸鉀肥料,金一諾生物技術(shù)有限公司。

1.2 試驗裝置

本試驗采用云南師范大學(xué)太陽能研究所自行設(shè)計的可控型恒溫發(fā)酵裝置，如圖1。主要由溫控儀①溫度傳感器②加熱器③發(fā)酵瓶④水箱⑤集氣瓶⑥集水瓶⑦組成，各裝置間由橡膠塞與橡膠管連接，并由密封膠密封。發(fā)酵罐為500mL的廣口瓶，集氣瓶為500mL的下排水錐形瓶，用500mL的塑料瓶進(jìn)行集水，每天用量筒測量。將連接好的裝置放入恒溫水箱檢漏一天，再加入原料進(jìn)行發(fā)酵，用溫控儀顯示、控制發(fā)酵溫度。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

1.3 試驗設(shè)計

采用5套裝置同時進(jìn)行，實驗由兩個部分組成。首先探究紫莖澤蘭發(fā)酵的粗略范圍，再對其濃度進(jìn)行階梯性研究，每組配比重復(fù)兩次。每批樣品以36°C恒溫發(fā)酵，并定期對產(chǎn)氣的甲烷含量進(jìn)行測量。

對兩種常見TS濃度進(jìn)行預(yù)試驗，TS為6%時加入接種物120g，原料 57g，加水至總量為400mL；TS為12%時加入接種物 120g，原料211g，加水至總量為400mL。

得到粗略濃度后，進(jìn)行分組實驗。在每個發(fā)酵瓶內(nèi)加入100g原料，以占總比20%、30%、40%、50%、60%的比例 （即50g、75g、100g、125g、150g的階梯濃度），加入接種物，最后加水至總量為250mL。經(jīng)測定，樣品的TS分別為8.74%、9.99%、11.26%、12.51%、13.77%。

發(fā)酵后的固體殘渣放于常溫下密封保存，每次測試取適量樣品。

1.4 測定內(nèi)容和方法

1.4.1 甲烷發(fā)酵實驗檢測

1）TS、VS：檢測方法見參考文獻(xiàn)[4]；2）產(chǎn)氣量:實驗采用排水集氣法來確定當(dāng)日的產(chǎn)氣量；3）氣體中甲烷含量：檢測方法見參考文獻(xiàn)[4]。

1.4.2 發(fā)酵后沼渣含量測定

測定指標(biāo)與測定方法見表1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵產(chǎn)氣狀況

圖2為預(yù)試驗產(chǎn)氣量。從圖2看出，在不同TS濃度下，實驗組產(chǎn)氣量產(chǎn)生不同變化。12%組整體水平明顯高于6%組，在紫莖澤蘭發(fā)酵前2天內(nèi)，12%組產(chǎn)氣量不斷增加，并很快達(dá)到第一個峰值，在150mL到200mL之間，但是又很快下降至正常水平，直到9d時，產(chǎn)氣量開始第二次快速上升，達(dá)到第二個峰值；此時6%組也達(dá)到了第一個峰值，日產(chǎn)氣量在80mL左右。在11d后，12%組產(chǎn)氣量不斷在100mL至150mL之間波動，在25d以后緩慢降低直至產(chǎn)氣結(jié)束。而6%組在23d達(dá)到整個周期的最高值，之后也緩慢結(jié)束產(chǎn)氣。

表1 測定指標(biāo)與測定方法Table 1 Measurement Indicators and Methods

預(yù)試驗中，TS濃度為12%時產(chǎn)氣量較多。經(jīng)測定，甲烷平均含量為42.74%。后續(xù)的實驗選擇在TS濃度為12%附近進(jìn)行。

圖2 預(yù)測試驗產(chǎn)氣量Fig.2 Prediction of experimental gas production

2.2 紫莖澤蘭的最適發(fā)酵區(qū)間

圖3為濃度梯度測試產(chǎn)氣量。從圖3看出，40%組整體水平明顯高于其他組，即TS為11.26%時發(fā)酵最佳。1d時，40%組達(dá)到整個周期的最大值，在之后的6d中逐漸下降。在7d時開始緩慢上升，并達(dá)到第二個峰值，并在14d以后緩慢降低直至產(chǎn)氣結(jié)束。其甲烷平均含量為43.26%，與以豬糞為原料發(fā)酵實驗相比略有不足[12]。

作為草本類有機(jī)物，紫莖澤蘭可以作為發(fā)酵原料進(jìn)行發(fā)酵，成為一種新的利用方式，緩解紫莖澤蘭泛濫帶來的危害。但鑒于紫莖澤蘭的毒性會抑制接種物中微生物的生長繁殖，其發(fā)酵較為困難。因此，為使其發(fā)酵效率最大化，探究紫莖澤蘭的最適發(fā)酵濃度具有一定實際意義。

圖3 濃度梯度測試產(chǎn)氣量Fig.3 Concentration gradient test gas production

2.3 發(fā)酵沼渣與海藻腐殖酸鉀肥料、硝酸磷鉀化肥的對比

發(fā)酵沼渣各元素含量見表2。

表2 1g沼渣內(nèi)各元素含量Table 2 Contents of Elements in 1g Biogas residue

使用相同方法對海藻腐殖酸鉀肥料進(jìn)行測定，結(jié)果見表3。

由于紫莖澤蘭的解氮、解磷作用，氮、磷元素會以氣態(tài)或新陳代謝的形式脫出，使得紫莖澤蘭中總氮與總磷含量較少。同時，厭氧發(fā)酵過程需要消耗氮源，反應(yīng)瓶中氮元素的不斷減少，最終導(dǎo)致了沼渣氮、磷元素含量較低、鉀元素含量較高的現(xiàn)象。

由沼渣與商品化海藻腐殖酸鉀肥料對比，可以得出：沼渣中腐殖酸含量略高；總磷、有機(jī)碳含量相近；但總氮、總鉀含量較低。

由沼渣與硝酸磷鉀化肥對比，可以得出：沼渣中氮、磷、有機(jī)碳含量都較低；鉀含量與化肥相近。

將紫莖澤蘭沼渣制成腐殖酸肥更具有經(jīng)濟(jì)價值。紫莖澤蘭發(fā)酵殘渣經(jīng)過簡單處理，進(jìn)行氮、鉀元素等元素的添加后，可成為一種新型腐殖酸肥料，其前景十分寬廣。

表3 沼渣與海藻腐殖酸鉀肥料的對比Table 3 Comparison of Potassium Humate Fertilizer and Biogas residue

3 結(jié)論

本試驗探究了紫莖澤蘭在制備農(nóng)殘降解劑、殘渣殘葉發(fā)酵、沼渣成分分析等方面的應(yīng)用。試驗結(jié)果表明：

1）1g紫莖澤蘭可以制作約2.31g農(nóng)殘降解劑，利用率達(dá)到70%。

2）將制作農(nóng)殘降解劑多余的固體部分以11.25%的TS濃度進(jìn)行發(fā)酵，獲得的效益最高，且發(fā)酵產(chǎn)氣量與甲烷含量均可達(dá)到其他發(fā)酵原料的50%。

3）發(fā)酵結(jié)束后沼渣的主要成分基本符合商品腐殖酸標(biāo)準(zhǔn)，在添加氮、磷元素，增加含碳量后，可以成為腐殖酸肥料。

本實驗為惡性雜草紫莖澤蘭的綜合開發(fā)利用開辟了一條新的道路；為有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥制作提供參考。