气雾栽培
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2016年9月25日 作者:xwz2367609 [返回]
有机沼液在蔬果气雾栽培上应用研究(参考)

伍金伟,汪诚文,宋楚雯

( 清华大学环境学院,北京 100084)

: 文章旨在研究沼液的资源化处理技术,将沼液应用到气雾栽培技术中,实现沼液减排与资源化的耦合。结果表明,沼液是一种较好的有机肥料,牛粪原料沼液中各种营养物质含量比例协调,适宜在气雾栽培技术中应用。沼液在经过 24 h 曝气、调节 p H 值至 6 0 8 0,调节 EC 值至 1 2 3 m S·cm 1等预处理工艺后,可有效应用于气雾栽培种植技术中。用沼液进行气雾栽培蔬菜可明显提高蔬菜品质,沼液-气雾栽培蔬菜中维生素 C,总糖等指标高于无机营养液-气雾栽培蔬菜,硝酸盐指标低于无机营养液-气雾栽培蔬菜。经济分析结果表明,与无机营养液-气雾栽培工艺相比,沼液-气雾栽培工艺种植蔬菜的亩运行成本可降低 2 4 万元。

关键词: 沼液; 资源化; 肥效特性; 气雾栽培

中图分类号: S216 4 文献标志码: A 文章编号: 1000 1166( 2013) 04 0007 05

Use of Biogas Slurry in Aeroponics / WU Jin-weiWANG Cheng-wenSONG Chu-wen / ( School of Environ-mentTsinghua UniversityBeijing 100084China)

Abstract: This paper is aimed at solving the pressing problem of biogas slurry pollution Applying biogas slurry as liquidfertilizer to aeroponics is an effective way to combine emission reduction with resource recovery Results showed that biogasslurry is a good organic fertilizer The biogas slurry from cow manure digestionwhich is relatively in proper nutrition com-positionwas chosen to be used in this study Before being applied to aeroponicsthe slurry was pre-treated with aerationfor 24 hadjusted the p H to 6 0 8 0and EC to 1 2 3 m S·cm 1 The vegetables planted by aeroponics with the bio-gas slurry were in high quality with higher contents of vitamin Ctotal sugarand other indexescomparing with the vegeta-bles planted by the aeroponics with inorganic nutrient solution And the content of nitrate was much lower Besidesthe e-conomic analysis showed that biogas slurry-aeroponics could save 24 000 Yuan of operation cost per Mu

Key words: Biogas Slurry; Resource Recovery; Fertilizer Characteristics; Aeroponics

近年来,我国沼气工程发展迅速,2009 年我国共建设大中型沼气工程 4464 处,建设数量为 2008年的 8 4 倍,2001 年的 92 9 倍[1]。“十二五”期间,国家更是准备投入 200 亿大力发展沼气工程。然而,在沼气工程蓬勃发展的同时,沼液、沼渣的产生量必然会大幅增加,如处置不善,将造成严重的土壤、地下水等环境污染问题[2 3]。作为厌氧发酵的残留物,沼液中含有大量的氮、磷、钾等作物生长所必需的元素,以及氨基酸、维生素和多种生物活性物质。沼液作为肥料应用于农业种植中,不仅可以提高作物产量,而且可以帮助改善土壤质量[4 7]。但随着研究的深入,沼液还田的问题也逐渐显露。由于沼液的产量大,储运设备不完善,很难进行大面积农田消解。此外,沼液成分复杂,不合理的连续过量使用极有可能造成对环境的污染。Paolo Mantovi 等[8]人研究表明,施用沼液后,沼液中的铵态氮会渗到地下水中,对水体造成污染。杨乐等[9]人的试验表明,连续五年施用沼液使得土壤中的 CuZnNi 等重金属含量分别增加 153 8% 45 4% 145 8% ,造成安全隐患。因此,有必要开辟沼液农用的新方法。

气雾栽培是一项新兴的无土栽培技术,与传统的栽培技术相比,有着作物生长不受土壤理化性质影响、养分吸收充足、生长速率快,对环境影响小和节约水分等诸多优点[10]。沼液中营养物质丰富,若能将沼液利用与气雾栽培技术结合起来,不仅可以提高气雾栽培作物的营养价值,而且可以帮助解决我国沼气工程的沼液二次污染问题。本文主要通过对比试验,确定沼液预处理工艺参数,并在此基础上进行中试试验,进行沼液-气雾栽培技术的应用研究。

1 材料与方法

1 1 沼液样品

在北京周边选取五个沼气站进行取样分析,沼液样品分别为: 海淀区猪粪原料沼液、平谷区猪粪和牛粪原料沼液、房山区牛粪原料沼液以及大兴区鸡粪原料沼液。取样后立即对沼液样品进行分析,测定其总氮、总磷、总钾、钙、镁、硫、铁、锌、锰、铜等指标。将测定结果与成熟营养液配方进行对比,分析沼液营养特性。

1 2 沼液应用小试试验

搭建小型气雾栽培装置,进行实验室种植试验。以平谷区牛粪原料沼液为原料,考察沼液中溶解气体、含盐量以及 p H 值对蔬菜种植的影响。试验分 3组进行: 1) 仅将沼液稀释 5 倍,不做其他处理; 2)沼液曝气处理 24 h,然后稀释 5 倍,用硝酸调节 p H值至 6 0 8 0; 3) 沼液曝气处理 24 h,然后稀释 10倍,用硝酸调节 p H 值至 6 0 8 0。建议将 3 种预处理方式编号、列表,以便与后面的试验结果相对应。

1 3 沼液-雾培蔬菜种植中试试验

沼液-气雾栽培技术蔬菜种植中试试验在北京市某农场气雾栽培温室(丽水市农科院承建)进行,该温室占地 1 7 亩,有两套气雾栽培设备,一套用无机营养液进行种植,另一套用沼液进行种植。蔬菜主要选取刚生根的幼苗进行定植,包括空心菜、紫色油菜和奶白菜等叶菜类蔬菜。沼液的预处理工艺根据小试实验结果确定。试验过程跟踪监测沼液中总氮、总磷、总钾等指标,记录雾化喷头喷雾量,并对比蔬菜品质,进行成本分析。

1 4 测定项目与方法

总氮: 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法( GB11894-89) ;总磷: 水杨酸分光光度法( HJ 536-2009) ;总钾、钙、镁、硫、铁、锌、锰、铜: 等离子发射光谱仪( Thermo IRIS) ;p H : 赛多利斯酸度计 PB-10;EC : HACH-HQ30d 单路输入多参数数字化分析仪;维生素 C: 蔬菜、水果及其制品中总抗坏血酸的测定( GB /T 5009 86-2003) ;蛋白质: 食品安全国家标准—食品中蛋白质的测定( GB 5009 5-2010) ; : ( GB /T 5009 8-2008) ;硝酸盐: 食品中亚硝酸盐和硝酸盐的测定( GB5009 33-2010)

2 结果与分析

2 1 沼液肥效分析

沼液中各营养物质含量检测结果见表 1。由表1 可知,不同发酵原料的沼液中总氮含量差异明显,鸡粪原料沼液总氮含量明显高于其他原料沼液的总氮含量,为猪粪原料沼液的 2 倍,牛粪原料沼液的 4 8 倍。不同发酵原料沼液总磷和总钾的含量差异没有总氮含量差异明显,总磷含量在 100 400 mg·L-1,总钾含量基本在 2000 mg·L-1左右。对于钙、镁含量,牛粪原料沼液明显高于猪粪和鸡粪原料沼液。铁、锰等元素含量差异并不明显。为达到沼液作为液态肥料应用到农业种植的目的,了解植物的营养需求,本研究选取华南农业大学叶菜营养液配方( 见表 2) 作为参考,对比沼液与营养液中氮、磷、钾的含量,分析不同发酵原料沼液的特点,对比结果如图 1 所示。

从图 1 可以看出,猪粪原料沼液中磷、钾的比例适宜,氮的含量相对较高,以总氮为标准达到华南农大配方浓度要求需稀释倍数约为总磷、总钾的 3 4倍。牛粪原料沼液中氮、磷、钾的比例相对适宜。而鸡粪原料沼液总氮的含量要明显高于总磷与总钾。故牛粪原料沼液是营养物质比例相对均衡的一种肥料; 猪粪原料沼液若要应用到气雾栽培中,需考虑补充磷肥和钾肥; 鸡粪原料沼液则较适合作为氮肥还田,不适宜应用到气雾栽培技术中。

2 2 沼液-气雾栽培蔬菜种植小试结果

试验一蔬菜在种植的第二天,便出现叶片变黄枯萎、根部变黑等不良症状,随后蔬菜均死亡; 试验二蔬菜存活天数较试验一有所增加,长势明显好于试验一,但数天后,大部分蔬菜出现长势缓慢,叶片枯萎脱落,根部逐渐变黑等现象,最终整株植物枯萎死亡; 试验三蔬菜长势良好,未出现明显生长不良症状。

2 2 1 曝气处理影响

沼液是长期厌氧发酵的产物,其中溶解有 H2S等有毒气体,这些气体的存在会对蔬菜的根部造成损害,影响根系的正常生理功能,导致根部发育不良,不能有效吸收水分和养分,致使蔬菜死亡。从试验一与试验二的对比结果可知,通过 24 h 的曝气预处理可有效减少沼液中有毒气体对作物根系的毒害作用。

2 2 2 p H 值影响

对沼液的 p H 值检测结果表明,沼液原液 p H 值超过 9,经稀释后 p H 值仍接近 9。然而,一般植物喜欢中性或偏酸性环境,p H 值过高一方面会对植物的根系造成损伤,影响根系对矿质元素的吸收; 另一方面也使沼液中钙、镁等离子容易生成氢氧化物,产生水垢加剧雾化喷头的堵塞情况。因此,使用前应将沼液 p H 值调节至 6 0 8 0

2 2 3 含盐量影响

经过曝气与 p H 调节预处理,试验二和试验三中蔬菜长势明显好于试验一,但试验二中蔬菜最终仍死亡,这主要与试验二中沼液的浓度过高有关。沼液成分复杂,含盐量大,而蔬菜根系对营养液的含盐量比较敏感。对于营养液 EC ( Electrical Con-ductible degree,电导度) ,从植物的幼苗期到成熟期应不断增加,控制在 1 2 3 m S·cm-1,不同种类蔬菜不同生长期对营养液 EC 值的要求见表 3

沼液原液、5 倍稀释液、10 倍稀释液及实验室自来水的 EC 值检测结果见表 4。从表 4 可以看出沼液 5 倍稀释液的 EC 值为 3 07 m S·cm1,对于叶菜类蔬菜幼苗来说,沼液稀释液 EC 值应控制在 1 2 1 4 m S·cm-1,而实测 EC 值约为要求值的 3 倍,离子浓度过大,因此产生烧苗现象。

虽然经 10 倍稀释后,沼液中总磷和总钾含量较华南农大配方少,但考虑到在沼液的实际生产应用中,应控制成本,并尽量简化工艺,因此,目前采用增大沼液稀释倍数的简单处理工艺来解决沼液 EC 值过高的问题,实际应用过程中如有缺肥现象可向沼液中加入适量的化肥,以解决磷肥与钾肥不足的问题。另外,需要注意的是不同发酵原料的沼液各元素含量不尽相同,使用前均应做元素含量分析。

2 3 沼液-雾培蔬菜种植中试结果

根据小试结果,选取牛粪 B1 沼液作为原料,经静置沉淀 24 h120 目网式过滤器处理进入储液池,按照沼液∶ = 1 9 的比例对沼液进行稀释,加入硝酸调节 p H 值在 6 0 8 0 之间,曝气 24 h,再经 120目叠片式过滤器过滤后,供试验使用。

2 3 1 雾化喷头堵塞性能试验

2012 5 6 日到 5 28 日的喷头流量检测结果见图 2。从图 2 可以看出,各喷头喷雾量相对稳定,基本维持在 46 s 内喷雾量在 500 1000 m L,喷雾量变化不大。但不同喷头之间的喷雾量差异较大,最大甚至相差近 1 倍,这与喷头所处位置有关。接近干管处水压大,喷雾量相对高,在支管末端,水流沿程水头损失较大,水压低,喷雾量相对较低。在检测时间内,雾化喷头的流量降低百分比可控制在15% 以内,近 18 ( 占总天数的 86% ) 流量降低百分比在 10% 以内。可见,沼液经 24 h 沉淀、120 目网式过滤器和 120 目叠片式过滤器处理后,可有效解决喷头堵塞问题。

2 3 2 沼液成分跟踪监测结果

为了解沼液肥效变化情况,跟踪监测了 2012 5 10 日到 5 25 日沼液 10 倍稀释液中的氮、磷、钾的含量,结果见图 3。图 3 中数据为沼液中氮、磷钾含量与华南农大配方相应元素含量的比值。

从图 3 可以看出沼液稀释液中总氮含量呈逐步上升趋势,这可能与调节 p H 值时加入的硝酸有关。总磷和总钾的含量相对稳定,总钾含量可达华南农大配方中总钾含量的 80% 90% ,,但总磷含量相对偏低,仅为要求值的 50% 左右,后续试验可改用磷酸作为 p H 调节剂,为沼液稀释液补充磷肥。

在跟踪监测沼液稀释液中各种营养元素的同时,也对沼液稀释液的 EC 值和 p H 值进行了监测。从图 4 可以看出,沼液稀释液 EC 值稳定在 1 5 1. 9 m S·cm-1,在适宜蔬菜生长的范围内。但由于对沼液中各种营养元素成分的分析结果表明,很多元素含量均偏低,可适当增加沼液浓度,将 EC 值控制在 2 m S·cm-1左右,以保证蔬菜的正常生长。

5 p H 值监测结果,可以看出沼液稀释液均处于弱碱性范围,由于沼液缓冲容量大,将其调至酸性范围所需的酸液量大,实际蔬菜种植试验表明p H 值在 7 5 8 0 范围内可以正常生长,故将沼液稀释液的 p H 值控制在 8 0 以下( 6 0 以上) 即可。

2 3 3 蔬菜品质分析

选取采用沼液-气雾栽培和无机营养液-气雾栽培种植得到的空心菜进行品质检测,结果见表 5

由表 5 可知,沼液-气雾栽培空心菜中维生素C,总糖均高于无机营养液-气雾栽培空心菜,其相应的物质含量分别高出 11% 50% 。但沼液-气雾栽培空心菜中蛋白质含量要比无机营养液-气雾栽培空心菜低 20% 。硝酸盐是蔬菜品质的一个重要指标,硝酸盐经人体新陈代谢会转化成毒性很强的亚硝酸盐和亚硝胺。蔬菜中硝酸盐限量( GB 19338-2003) 规定,叶菜类蔬菜中硝酸盐含量不得超过3000 mg·kg-1。沼液-气雾栽培空心菜中硝酸盐含量满足标准要求,但无机营养液-气雾栽培空心菜中硝酸盐含量高达 3270 mg·kg-1,稍超出标准。从以上分析可知,沼液-气雾栽培蔬菜的品质要优于无机营养液-气雾栽培蔬菜品质。

2 3 4 沼液-气雾栽培技术成本分析

沼液-气雾栽培技术种植蔬菜的成本主要包括基建成本和运行成本。现以北京市某有机农场占地1 7 气雾栽培温室种植为例进行分析。根据农场提供资料,气雾栽培系统的基础建设费用为 14 06 万元,设备年用电费约 0 32 万元。经测算,气雾栽培种植蔬菜年耗液量约为 1226 4 t,由于农场用水主要来自农场内部地下水井,故水费可忽略。若使用沼液,需添加硝酸调节 p H 值,年花费 0 07 万元。将沼液应用到气雾栽培技术中,为沼液的后处理问题提供了一条新途径,也可带来一定的环境效益。

3 结论

( 1) 沼气发酵原料对沼液成分影响较大。鸡粪原料沼液中总氮含量较其他原料沼液总氮含量高,但是磷、钾含量偏低,较适合直接作为氮肥; 猪粪原料沼液中总磷、总钾的含量与总氮含量比例虽然较鸡粪原料沼液高,但仍不适合直接作为复合肥使用,需外加磷肥、钾肥; 牛粪原料沼液中总氮、总磷、总钾含量的比例相对适宜,较适合直接作为液态肥应用到气雾栽培技术中。

( 2) 沼液的成分复杂,含盐量大,在沼液应用前,应通过 24 h 曝气去除溶解在沼液中的 H2S 等有毒有害气体; 通过加硝酸或磷酸调节沼液 p H 值至6 0 8 0 ( 同时可作为氮、磷的补充) ; 通过调节稀释倍数将 EC 值根据植物生长期调节至 1 2 3m S·cm-1             。处理后的沼液可代替无机营养液进行气雾栽培蔬菜种植。另外,不同发酵原料沼液的成分差异较大,使用前均应进行成分分析。

( 3) 将沼液应用于气雾栽培技术中,既可提高气雾栽培蔬菜的品质,又可降低运行成本,同时也能在一定程度上解决沼液不科学还田带来的潜在污染问题。因此,沼液-气雾栽培技术具有广阔的应用前景。

参考文献:

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