張　穎，劉益均，姜　昭（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱　150030）

張穎,劉益均,姜昭.沼渣養(yǎng)分分析及其農(nóng)用可行性分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,47(3):59-63.

Zhang Ying,Liu Yijun,Jiang Zhao.Analysis of nutrient analysis and the feasibility of agricultural residue[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(3):59-63.(in Chinese with English abstract)

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沼渣養(yǎng)分及其農(nóng)用可行性分析

張穎，劉益均，姜昭
（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱150030）

張穎,劉益均,姜昭.沼渣養(yǎng)分分析及其農(nóng)用可行性分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,47(3):59-63.

Zhang Ying,Liu Yijun,Jiang Zhao.Analysis of nutrient analysis and the feasibility of agricultural residue[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(3):59-63.(in Chinese with English abstract)

摘要：以牛糞和秸稈為基質(zhì)沼氣池沼渣為研究對象，測定固液分離并自然風(fēng)干后沼渣主要營養(yǎng)成分含量，通過測量沼渣中總鎘（以Cd計）、總汞（以Hg計）、總鉛（以Pb計）、總鉻（以Cr計）、總砷（以As計）含量探討沼渣農(nóng)用安全性。結(jié)果表明，沼渣中全氮含量21.12 g·kg(-1)、全磷含量19.22 g·kg(-1)、全鉀含量18.52 g·kg(-1)、有機質(zhì)含量495.3 g·kg(-1)、堿解氮495.2 mg·kg(-1)、有效磷427.3 mg·kg(-1)、有效鉀531.9 mg·kg(-1)、粗纖維含量60.4%、微量元素鋅207 mg·kg(-1)、微量元素銅245.2 mg·kg(-1)、微量元素錳298.2 mg·kg(-1)，沼渣中總鎘（以Cd計）、總汞（以Hg計）、總鉛（以Pb計）、總鉻（以Cr計）、總砷（以As計）含量分別為0.437、0.264、5.143、1.22、7.9 mg·kg(-1)。比較沼渣及其原料（牛糞和秸稈）上述指標(biāo)間差異情況，分析厭氧發(fā)酵過程對牛糞和秸稈中典型養(yǎng)分物質(zhì)影響，為牛糞和秸稈基質(zhì)沼渣處理提供參考。

關(guān)鍵詞：沼渣；生態(tài)風(fēng)險；養(yǎng)分分析；牛糞；重金屬

有機物質(zhì)經(jīng)特定微生物厭氧發(fā)酵，形成混合可燃?xì)怏w沼氣，己成為我國可再生能源利用模式[1-2]。隨著沼氣工程推廣，沼氣發(fā)酵產(chǎn)生殘余物多，沼渣由部分未完全分解固體有機物和微生物組成，含有豐富有機質(zhì)、腐殖酸、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，可作為新型土壤改良劑施入農(nóng)田，可有效改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤中有機質(zhì)含量，增強土壤保肥性能和耐沖擊能力等[3]。沼渣中營養(yǎng)含量及重金屬污染物含量與發(fā)酵原料密切相關(guān)。在規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖過程中，為加快畜禽生長速度、提高飼料利用率和防止畜禽疾病，在飼料添加劑中大量使用銅、鋅、鐵、砷等中微量元素[4-5]。通常畜禽對重金屬利用率較低，大部分重金屬會隨糞便排出體外。我國沼氣發(fā)酵原料多由畜禽糞便及農(nóng)業(yè)廢棄物構(gòu)成，增加沼渣等沼肥農(nóng)用環(huán)境污染風(fēng)險[6]。張繼方等對不同類型和濃度沼液進行種子發(fā)芽試驗，研究物料類型及配比、堿液預(yù)處理均對沼液成分和性質(zhì)產(chǎn)生影響，進行沼液農(nóng)用安全性分析[7]。黃惠珠進行不同類型沼氣工程沼肥檢測分析，沼液中各種營養(yǎng)成分明顯低于沼渣；沼液中各衛(wèi)生指標(biāo)明顯優(yōu)于沼渣，有毒有害成分明顯低于沼渣[8]。陳為等通過檢測大型沼氣工程產(chǎn)生沼渣、沼液，根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)作對比分析，得出沼渣、沼液養(yǎng)分情況和安全情況[9]。但對于沼渣組成成分及沼渣中營養(yǎng)元素、重金屬含量對比分析鮮有報道。

本研究以沼氣池基質(zhì)為牛糞與秸稈沼渣、秸稈和牛糞為研究對象，通過測定發(fā)酵前牛糞、秸稈養(yǎng)分和重金屬含量，研究發(fā)酵后沼渣營養(yǎng)含量及重金屬含量變化特征，探討沼渣農(nóng)用安全性，為沼渣后續(xù)還田處理提供參考。

1　材料與方法

1.1材料

沼渣取自哈爾濱良大集團發(fā)酵池，其發(fā)酵原料為牛糞與秸稈、稻草等植物殘體，發(fā)酵時間為3個月以上。發(fā)酵原料（牛糞、秸稈）取自哈爾濱市雙城區(qū)順利鎮(zhèn)杏山村農(nóng)戶。

1.2方法

1.2.1試驗材料預(yù)處理

取固液分離沼渣、牛糞，室溫下自然風(fēng)干，剔除干草等雜質(zhì)，過100目篩，測定基本理化性質(zhì)。將秸稈通過機器粉碎，過100目篩，測定基本營養(yǎng)成分。

1.2.2試驗方法

對沼渣、牛糞、秸稈樣品中全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、有效鉀、有機質(zhì)、粗纖維、pH等理化指標(biāo)采用常規(guī)方法測定[10]，對沼渣中重金屬元素總鎘（以Cd計）、總汞（以Hg計）、總鉛（以Pb計)、總鉻（以Cr計）、總砷（以As計）含量用原子吸收法測定[11]，對沼渣等樣品中微量元素采用濃硫酸-雙氧水消化，ICP-AES等離子發(fā)射光譜法測定[12]。每個樣品同時做三組平行試驗。

2　結(jié)果與分析

2.1沼渣、牛糞及秸稈基礎(chǔ)理化性質(zhì)及養(yǎng)分含量

2.1.1沼渣、牛糞及秸稈基礎(chǔ)理化性質(zhì)概況

由表1可知，沼渣pH 7.71，顯中性偏堿性，在自然風(fēng)干后測定含水率為7.7%，沼渣中粗纖維含量為60.4%。秸稈經(jīng)測量粗纖維含量53.5%，牛糞pH 8.93，顯堿性，含水率9.4%，粗纖維含量為64.2%。經(jīng)分析可見經(jīng)過厭氧發(fā)酵后沼渣中纖維素含量低于牛糞中纖維素含量，經(jīng)微生物分解作用，使部分纖維素降解，但下降不明顯，應(yīng)為缺乏纖維素降解菌作用導(dǎo)致，沼渣在后續(xù)農(nóng)用處理困難。沼渣pH由偏堿性趨于中性，含水率下降，達到國家標(biāo)準(zhǔn)有機肥料NY884-2012[13]要求，可作為有機肥料直接應(yīng)用。

2.1.2沼渣、牛糞及秸稈養(yǎng)分含量概況

由表2可知，沼渣、秸稈、牛糞中有機質(zhì)分別為495.30%、429.40%和546.28 g·kg-1。經(jīng)微生物分解，牛糞中有機質(zhì)含量下降，最終達495.30 g·kg-1，達到國家標(biāo)準(zhǔn)NY884-2012[13]要求，可作為有機肥料施入田中改善土壤肥力，具有增加土壤中有機質(zhì)含量功能。沼渣全量氮磷鉀分別為21.12、19.22和18.52 g·kg- 1，秸稈全量氮磷鉀分別為10.8、16.8和9.1 g·kg-1，牛糞全量氮磷鉀分別為17.03、14.23和17.89 g·kg-1。分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)過厭氧發(fā)酵后沼渣全量氮磷鉀含量相對于牛糞分別增加19.37%，25.96%，3.40%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)NY884-2012[13]有機肥料中規(guī)定全量氮磷鉀≥5.0。沼渣495.2、 427.3和531.9 mg·kg-1；牛糞中堿解氮、有效磷、有效鉀含量分別為459.77、293.55和619.47 mg·kg-1。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)沼渣中堿解氮含量比牛糞增加7.15%，有效磷含量比牛糞增加31.3%，有效磷含量比牛糞中增加21.14%。過厭氧發(fā)酵后沼渣中堿解氮與有效鉀含量增加，有效磷增幅小。

表1　沼渣、牛糞及秸稈基礎(chǔ)理化性質(zhì)概況Table 1 Basic physical and chemical properties of biogas residue,cattle manure and straw

表2　沼渣、牛糞及秸稈養(yǎng)分含量概況Table 2 Nutrient content of biogas residue,cattle manure and straw

2.2沼渣、牛糞及秸稈微量元素及重金屬含量

2.2.1沼渣、牛糞及秸稈微量元素概況

由表3可知，沼渣中Zn、Cu、Mn含量分別為207、245.2的298.2 mg·kg-1；秸稈中Zn、Cu、Mn含量分別為25.10、9.26和86.88 mg·kg-1；牛糞中Zn、Cu、Mn含量分別為118、113和85.45 mg·kg-1。由于國家標(biāo)準(zhǔn)NY884-2012[13]對有機肥料中微量元素Zn、Cu、Mn無具體要求，比照國家標(biāo)準(zhǔn)CJ/ T309-2009[14]城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用污泥中限量，沼渣中微量元素含量低于國家標(biāo)準(zhǔn)要求，可作為農(nóng)用有機肥料施用。在厭氧發(fā)酵過程中鋅、銅和錳含量分別比牛糞中含量增加43.01%、53.92%、71.34%。鋅作為植物必需微量營養(yǎng)元素，與作物產(chǎn)量有重要關(guān)系。施木田通過研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)施硫酸鋅，苦瓜產(chǎn)量隨鋅肥增加而增加。鋅還能改善作物品質(zhì)[15]。謝建治等研究表明，低量鋅對白菜生長有促進作用[8]。微量元素銅在植物正常生長發(fā)育過程中起重要作用，但過量會對植物產(chǎn)生毒害，使植物根生長受阻、根莖生產(chǎn)量減少[16]。微量元素錳對農(nóng)作物光合作用有促進作用，沼渣中微量元素需適量增加。

2.2.2沼渣、牛糞及秸稈重金屬含量概況

由表4可知，沼渣中重金屬總鎘、總汞、總鉛、總鉻、總砷含量分別為0.437、0.264、5.143、1.22和7.9 mg·kg-1；秸稈中重金屬總鎘、總汞、總鉛、總鉻、總砷含量分別為0.04、0.23、2.15、0.07 和0.08 mg·kg-1；牛糞中重金屬總鎘、總汞、總鉛、總鉻、總砷含量分別為0.174、0.163、2.79、1.33 和5.42 mg·kg-1。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)總鎘、總鉛、總汞、總砷含量分別增加60.18%、45.75%、38.26%、31.39%?？傘t含量下降9.02%。所有樣品重金屬含量均低于國家標(biāo)準(zhǔn)NY884-2012[13]有機肥料中極限值。微量重金屬可滿足植物生長需要，但肥料中重金屬含量超過一定閾值會影響作物生長，甚至通過生物積累作用影響農(nóng)作物品質(zhì)[17]。數(shù)據(jù)表明，在牛飼養(yǎng)中重金屬通過飼料添加劑在牛糞中富集，在用牛糞與秸稈厭氧發(fā)酵過程中，重金屬含量逐漸增加。在沼渣農(nóng)用過程中應(yīng)進行重金屬遷移持續(xù)監(jiān)測，避免重金屬在沼渣農(nóng)用過程中造成二次污染。

表3　沼渣、牛糞及秸稈微量元素概況Table 3 Trace elements of biogas residue,cattle manure and straw(mg·kg-1)

表4　沼渣、牛糞及秸稈重金屬含量概況Table 4 Heavy metal content of biogas residue,cattle manure and straw(mg·kg-1)

3　討　論

通過測量沼渣中相關(guān)營養(yǎng)元素含量，對比牛糞與秸稈中原來含有營養(yǎng)元素發(fā)現(xiàn)，沼渣中纖維素含量較秸稈及牛糞中纖維含量無太大變化，由于纖維素是大分子物質(zhì)，在厭氧發(fā)酵過程中如不能正確添加此類微生物源，厭氧發(fā)酵后產(chǎn)物中纖維素含量變化不大。在厭氧發(fā)酵過程中應(yīng)適當(dāng)添加纖維素降解微生物，使厭氧發(fā)酵過程更充分。通過比對含水量及pH變化發(fā)現(xiàn)，在厭氧發(fā)酵過程中，厭氧細(xì)菌通過分解有機物產(chǎn)生酸性物質(zhì)，在厭氧發(fā)酵過程中適當(dāng)調(diào)節(jié)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)pH，為厭氧菌提供最佳生長環(huán)境，提高厭氧發(fā)酵效率及調(diào)節(jié)沼渣質(zhì)量，以利沼渣后續(xù)農(nóng)用。

通過比對厭氧發(fā)酵后沼渣與牛糞、秸稈中相關(guān)營養(yǎng)元素含量，可發(fā)現(xiàn)在厭氧發(fā)酵之前牛糞中有機質(zhì)含量率高于發(fā)酵后沼渣，而發(fā)酵后沼渣中其他營養(yǎng)元素含量均高于牛糞中響應(yīng)營養(yǎng)元素含量，推測在發(fā)酵過程中微生物通過分解有機物，產(chǎn)生大量營養(yǎng)元素使沼渣成為一種環(huán)保有機肥料。吳群通過研究發(fā)現(xiàn)沼渣中有機質(zhì)含量豐富，其他養(yǎng)分含量較高，作底肥，可用于培肥改土，提高土壤肥力水平[18]。如需提高沼渣中營養(yǎng)元素含量，使發(fā)酵后沼渣更適合作農(nóng)用肥施用，需提高發(fā)酵原料中有機質(zhì)含量，研究如何調(diào)節(jié)發(fā)酵原料配比，提高沼渣營養(yǎng)元素含量。

通過測量沼渣中微量元素含量并對比牛糞、秸稈中原有微量元素含量發(fā)現(xiàn)，在厭氧發(fā)酵過程中，微生物對于牛糞和秸稈中微量元素?zé)o大量富集，使其減少。在沼渣農(nóng)用過程中，由于微量元素不會被植物全部吸收，會有部分微量元素留在土壤中，段然研究表明，連續(xù)施用沼渣土壤如不能及時處理或注意沼渣施用量，會造成微量元素在土壤中富集，產(chǎn)生重金屬污染[19]。如何控制微量元素在土壤中富集需深入研究。

通過測量沼渣中重金屬元素含量，對比牛糞、秸稈中原有重金屬含量可發(fā)現(xiàn)在厭氧發(fā)酵過程中，重金屬元素在沼渣中大量富集。在沼渣農(nóng)用過程中如不能很好控制重金屬施用量會造成土壤重金屬污染。劉研萍研究表明，牛糞中含有較多重金屬，在進料中比例增大將提高沼渣中重金屬含量[20]。厭氧發(fā)酵進料類型、進料比例、預(yù)處理方式均會對沼查中重金屬含量產(chǎn)生影響。

4　結(jié)論

沼渣pH為7.71，有機質(zhì)含量為495.3 g·kg-1，全量氮磷鉀分別為21.12、19.22和18.52 g·kg-1，達到有機肥料標(biāo)準(zhǔn)，可直接利用。沼渣中Zn、Cu、Mn含量分別為207、245.2和298.2 mg·kg-1，達到有機肥料農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)；沼渣中重金屬總鎘、總汞、總鉛、總鉻、總砷含量分別為0.437、0.264、5.143、1.22、7.9 mg·kg-1，低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有機肥料中限定值，可作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有機肥料來源。

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Analysis of nutrient analysis and the feasibility of agricultural residue/

ZHANG Ying,LIU Yijun,JIANG Zhao(School of Resources and Environmental Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Abstract:Study on the biogas residue made from cattle manure and straw residue,determination of solid-liquid separation and natural dried residue content of major nutrients,and through the measurement of biogas residue in total cadmium(Cd),total mercury(Hg),total lead(Pb)and total chromium(Cr),total arsenic(As)to determine the content of the residue of agricultural safety.The results showed that,the content of total nitrogen in the residue for 21.12 g·kg(- 1),the content of total phosphorus was 19.22 g·kg(- 1),the content of total potassium was 18.52 g·kg(- 1),organic matter content for 495.3 g·kg(- 1),alkali solution nitrogen 4 952 mg·kg(- 1),available P as the 427.3 mg·kg(- 1),available potassium 531.9 mg·kg(- 1),crude fiber content was 60.4% and trace elements of zinc to 207 mg·kg(- 1),trace elements copper 245.2 mg·kg(- 1),trace elements manganese 298.2 mg·kg(- 1).Biogas residue in total cadmium(Cd),total mercury(Hg),total lead(Pb)and total chromium(Cr),total arsenic(As)concentrations were 0.437 mg·kg(- 1)and 0.264,5.143,1.22 and 7.9 mg·kg(- 1).At the same time,comparing the biogas residue and its raw materials(cow dung and straw)the differences of these factors between the situation in the analysis of anaerobic fermentation of cow dung and straw in typicalbook=60,ebook=65nutrient effects at the same time,could make a reference for the future in cow dung and straw for biogas residue of substrate processing.

Key words:biogas residue; ecological risk; nutrient analysis; cow dung; heavy metals

中圖分類號：X712

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-9369（2016）03-0059-05

作者簡介：張穎（1968-），女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為環(huán)境污染生物修復(fù)。E-mail:zhangyinghr@hotmail.com

基金項目：黑龍江省高?？萍紕?chuàng)新團隊建設(shè)項目（2013TD003）

收稿日期：2015-12-09