有機肥中氨基酸廢料添加量的安全閾值研究

喬艷 胡誠 張智 劉東海 陳云峰 李雙來

摘要：氨基酸廢料因其價格低廉、富含氨基酸與養分資源等特征，是有機肥的優質添加劑，評估氨基酸廢料添加量的安全閾值是研制生物有機肥的重要依據。將氨基酸廢料溶解于水，從0到15%共設置7個添加量，噴至有機肥成品，分析不同添加量下有機肥酸堿度、電導率、氯離子含量和種子發芽指數的變化特征。研究結果表明，氨基酸廢料添加量在3%范圍內，pH呈現較為平穩的趨勢，當添加量進一步增加，pH則逐漸降低。電導率隨著氨基酸廢料添加量的升高呈現同步增加的趨勢，有機肥中鹽分含量逐漸增加，Cl-含量同樣是穩步上升，當添加量在10%范圍內，Cl-含量均低于3%。當氨基酸廢料添加量≤1%時，種子發芽指數可達到75%以上，但添加量增至3%時，種子發芽指數驟降，出現明顯的毒害現象。因此，氨基酸廢料添加量需控制在3%以內，本研究推薦1%為研制生物有機肥的安全閾值。

關鍵詞：有機肥；氨基酸廢料；氯離子含量；種子發芽指數；閾值

中圖分類號：S144.1文獻標志碼：A論文編號：cjas20200200026

The Threshold Value of the Addition Amount of Amino Acid Waste in Manure

Qiao Yan， Hu Cheng， Zhang Zhi， Liu Donghai， Chen Yunfeng， Li Shuanglai

（Key Laboratory of Fertilization from Agricultural Wastes， Ministry of Agriculture and Rural Affairs，

Institute of Plant Protection and Soil Fertilizer， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， Hubei， China）

Abstract： The amino acid waste is a good additive for manure because of its low cost and rich in nutrients. Estimating the threshold addition amount of amino acid waste will provide an important evidence for the development of bio-organic fertilizer. This study evaluated the safety of the manure which has been added with liquid amino acid waste. The addition amount included seven levels from 0 to 15%. The simulation experiment was conducted to analyze pH， EC， Cl-concentration， and seed germination index （GI）. The results showed that pH was steady within 3% and decreased with the increasing addition amount. The EC and Cl-concentration showed an improving trend， and the Cl-concentration was lower than 3% at the 10% addition level. The GI could be more than 75% at 1% addition level， however， the GI plunged at the 3% addition level. Therefore， the addition level of amino acid waste in manure could be controlled at 3% ， the safety threshold value for developing bio-organic fertilizer is recommended at 1%.

Keywords： Manure； Amino Acid Waste； Cl-Concentration； Germination Index； Threshold Value

0引言

化肥的不合理施用引起了一系列的生態環境問題[1]，在化肥使用量零增長的背景下，有機肥替代化肥成為農業綠色發展工作要點之一[2]，在作物增產、改善品質、培肥土壤等方面發揮著重要作用。傳統有機肥具有豐富的營養元素和有益微生物，然而隨著現代農業的發展，生物有機肥的研制備受關注[3]。從目前來看，生物有機肥的產業發展還存在種類繁多、概念易混、產品不穩定等問題，生產工藝和技術的改善將會促進其成為更優質的農資產品[4]。同樣是以動物糞便、作物秸稈等為原料，生物有機肥因其具有大量的特定功能微生物而優于其他肥料[3]，更有一些高端有機肥產品，在此原料的基礎上添加一定的蛋白源，如氨基酸材料，以促進堆肥發酵和提高肥料品質[5]。添加外源氨基酸是生產高效生物有機肥的主要手段，常用的氨基酸材料有菜粕、羽毛粉等[6]。氨基酸也是多種經濟作物的重要品質指標，如烤煙、茶葉、紫花苜蓿等[7]。氨基酸有機肥盡管肥效好[8]，但是由于生產成本的原因，大規模生產仍存在許多現實問題，因此，挖掘廉價蛋白源成為氨基酸生物有機肥產業發展的限制因素。

工業生產中，氨基酸可通過酸解禽類羽毛或病死動物而獲得，其廢棄物的處理和利用為氨基酸有機肥開辟了新的途徑。將氨基酸工業廢棄物添加到有機肥的生產工藝中，不僅避免了環境污染風險，還能實現蛋白資源的循環利用[9-10]。酸水解法是工業氨基酸轉化率較高的工藝，其水解廢棄液含有較為豐富的養分和氨基酸，以此作為外源氨基酸研制生物有機肥是節約成本和資源化利用的有效途徑[11]。添加外源氨基酸的生物有機肥具有有機肥的優點和生物學特性[12]，如促進作物生長發育、產量形成和土壤養分有效性[13-14]；但同時還會帶來一定的安全性風險[15]，其風險主要來源于物料的物質組成及其添加量，如過量的鹽分離子會出現燒苗、抑制幼苗生長等。以廉價的酸解氨基酸廢料作為外源氨基酸研制生物有機肥具有較大的開發潛力，為降低安全風險，明確氨基酸廢料添加量將為生物有機肥產業的安全、快速發展提供技術保障。本研究設置了不同氨基酸廢料添加量，分析有機肥的化學、生物特性，明確氨基酸廢料添加量的安全閾值，以期為氨基酸生物有機肥的研制提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試有機肥為發酵成品商用有機肥料，氨基酸廢料為工業氨基酸提取后產生的廢棄物，其氨基酸含量為12.0%，其他相關屬性如表1所示。

1.2試驗設計

試驗將氨基酸廢料溶于水，用噴壺噴于有機肥中，共設置7個氨基酸廢料添加量，分別為：0、1%、3%、5%、7%、10%和15%，各處理水分和有機肥用量均保持一致。

1.3測定指標及方法

將添加氨基酸廢料的有機肥風干，研磨，過1 mm篩，用于測試分析。酸堿度采用pH計法測定[16]，電導率采用電導儀法測定[17]，種子發芽指數采用小白菜種子發芽試驗法測定[17]，Cl-含量氯化銀沉淀法測定[18]。

2結果與分析

2.1氨基酸廢料添加量對pH和電導率的影響

氨基酸廢料添加量對有機肥pH和電導率的影響如圖1所示。隨著氨基酸廢料添加量的增加，有機肥pH呈現先平穩后降低的趨勢；當添加量在3%范圍內，有機肥pH可維持在一個較為穩定的水平，介于pH 7.67～7.75；當添加量進一步提高到15%時，有機肥酸堿度逐漸降至pH 6.91。電導率能夠反映有機物料的含鹽水平，及其對作物生長的抑制作用；隨著氨基酸廢料添加量的增加，有機肥電導率表現出明顯上升的趨勢；氨基酸廢料添加量為0的對照處理電導率為3.27 mS/cm，當添加量為3%時，有機肥電導率增加到6.08 mS/cm，對作物生長存在一定的生物毒性風險。

2.2氨基酸廢料添加量對Cl-含量的影響

有機肥中Cl-含量的變化如圖2所示，不添加氨基酸廢料時，有機肥中Cl-含量為0.49%；與電導率變化規律相同，隨著氨基酸廢料添加量的增加，Cl-含量呈現逐漸升高的趨勢；當添加量為10%時，Cl-含量為2.36%，仍然低于3%（未標含氯肥料產品標準）；當添加量達到15%時，Cl-含量為3.45%，可能會影響Cl-敏感類作物的產量和品質。

2.3氨基酸廢料添加量對種子發芽指數的影響

種子發芽指數綜合考慮了毒性物質對種子發芽率和種子生根的影響，如圖3所示，不添加氨基酸廢料種子發芽指數為75.6%，添加量為1%時種子發芽指數為79.5%，較不添加無明顯變化，隨著氨基酸廢料的進一步增加，種子發芽指數驟降到10.5%，已產生明顯的生物毒害，當添加量達到7%時，種子發芽指數為0，根系生長幾乎停止。

3討論

3.1添加氨基酸廢料對有機肥性質的影響

添加外源氨基酸是提升有機肥品質的一種途徑，目前常采用菜粕、藻泥、羽毛粉、病死動物等為氨基酸原料[5，19]，為節約氨基酸有機肥成本，本研究以氨基酸廢料為對象作為外源蛋白添加劑，開辟了研制氨基酸生物有機肥的新途徑，不僅提供了廢料物處理的有效途徑，還能滿足作物對蛋白和養分資源的需求[20-21]。本研究中，外源氨基酸廢料含氮量達到12.64%，但其來源是經過硫酸酸解禽類羽毛所產生，導致其酸性較強（pH 3.11）；當氨基酸廢料添加量控制在3%范圍內，有機肥pH基本可維持在原有的水平；當氨基酸廢料添加量達到15%時，降至pH 6.91，雖處于有機肥安全pH范圍內，但酸性增強加大了抑制功能微生物繁殖的風險[22-23]。電導率（EC）反映了有機肥中的鹽分含量及其對作物生長的毒性[24-25]，其中Cl-是作物必需的微量養分之一，同時也是土壤鹽害的主要體現[26]，但不同作物對Cl-的敏感性差異較大，因此肥料產品需標識含氯、低氯、中氯等[18]。有機肥添加氨基酸廢料在一定程度上增加了Cl-含量，當氨基酸廢料添加量低于10%時，Cl-含量均在3%范圍內，可不做含氯標識。另外，植物生長指標可有效的反應有機肥的毒性大小，進而評價有機肥研制的安全性[27-28]。本研究中，當氨基酸廢料添加量從1%提高到3%時，種子發芽指數從79.5%驟降到10.5%，說明氨基酸廢料具有一定的生物毒性，添加量需嚴格控制在3%以下，以保證有機肥的安全穩定性。

3.2氨基酸廢料添加量安全閾值的應用

在牛糞堆肥起始階段添加外源蛋白，發現菜粕、羽毛粉和藻泥添加量分別為5%、8%和12%時，生物有機肥的提升效果最佳[5]；在腐熟堆肥中添加了氨基酸水解液，同時接種微生物菌劑，以再次發酵的方式明確了酸解氨基酸水解液的最佳添加量為20%[19]；以病死動物酸解液為氨基酸源，發現固態發酵功能菌增加量最多的氨基酸水解液添加量為20%[10]；以酸解羽毛粉為氨基酸源，發現固體發酵功能菌增殖效果最佳的羽毛粉添加量為50 g/kg[9]。以上研究均是將外源氨基酸添加后進行發酵或二次發酵，而本研究則是將氨基酸廢棄物溶于水后直接噴灑到成品有機肥中，風干后可直接應用，相對較少了發酵時間，因此最適添加量較低。為探索更好的添加方式和添加量，今后的研究可聚焦在堆肥初試階段、高溫期后和腐熟階段添加不同用量氨基酸廢棄物，以期為氨基酸生物有機肥的研制提供更全面的技術支撐，也為氨基酸廢棄物的資源化利用提供科學有效的依據。

4結論

當氨基酸廢料添加量為3%時，有機肥基本維持在pH 7.7左右，電導率和Cl-含量分別增加到6.08 mS/cm和1.2%，而種子發芽指數已驟降至10.5%；隨著氨基酸用量的進一步增加，有機肥電導率和Cl-含量呈現繼續增加的趨勢，而種子發芽指數則下降至0。因此成品有機肥中添加氨基酸廢料需控制在3%以內，本研究推薦添加量為1%，不僅為廢棄物的安全利用提供了途徑，還能為作物生長提供有效的氨基酸和養分來源。

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