孫蓓蓓, 劉研萍, 張繼方

(北京化工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系， 北京 100029)

中國作為農(nóng)業(yè)和人口大國，每年都會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)固體廢物，2018年主要農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量達(dá)9億t以上[1]，畜禽糞便年排放量達(dá)到38億t[2]，全國生活垃圾年清運(yùn)量達(dá)2.28億t，包括餐廚垃圾1.08億t[3]。厭氧發(fā)酵技術(shù)是處理生物質(zhì)廢棄物的有效手段，以上物質(zhì)均可作為厭氧發(fā)酵的良好原料[4]。近年來，隨著沼氣工程的快速發(fā)展，我國形成了農(nóng)村戶用沼氣、養(yǎng)殖場(chǎng)大中型沼氣工程、秸稈集中供氣沼氣工程等多種模式的建設(shè)格局，截至2015年底，農(nóng)村沼氣設(shè)施規(guī)模高達(dá)4 193萬戶，各類型沼氣工程已有10多萬處，還出現(xiàn)了一批規(guī)模超過10 000 m3的特大型沼氣工程，沼氣年產(chǎn)生量共約158億m3[5]。隨之而來也會(huì)產(chǎn)生數(shù)量龐大的沼液沼渣，若未經(jīng)妥善處理直接還田則會(huì)存在一定的安全隱患[6]。

沼液中含有大量氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，還富含腐殖酸、氨基酸、維生素、微量元素以及一些生物活性分子等[7-8]，同時(shí)兼具速效和緩釋養(yǎng)分。基于這些特點(diǎn)，沼液被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如用作肥料、浸種溶液、土壤改良劑、養(yǎng)殖飼料等[9-11]。其中，沼液浸種技術(shù)簡便，投資小，易于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣。種子經(jīng)沼液浸泡后，沼液中的營養(yǎng)物質(zhì)可以滲透進(jìn)入種子內(nèi)部，激發(fā)酶的活性，加速養(yǎng)分運(yùn)轉(zhuǎn)和新陳代謝，促進(jìn)細(xì)胞生長，提高種子的發(fā)芽率和成秧率，并有抗病、壯苗、增產(chǎn)的作用[12-13]。但是，沼液成分比較復(fù)雜，除了含有以上提及的物質(zhì)外，也可能存在一些成分尚不明確的生物抑制性物質(zhì)和其他有害成分[15]。不同發(fā)酵原料產(chǎn)生的沼液成分也有一定的差異，所以在農(nóng)用前對(duì)其應(yīng)有充分的了解，以免對(duì)作物生長產(chǎn)生不良影響。

本研究分析了不同厭氧發(fā)酵原料及其沼液的成分，進(jìn)行了生菜種子在沼液中的發(fā)芽試驗(yàn)和浸種試驗(yàn)，研究了不同類型和不同濃度的沼液對(duì)種子發(fā)芽以及幼苗生長的影響，探索合理的浸種條件，以期為沼液的農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供一定依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用玉米秸取自北京市順義區(qū)農(nóng)田，牛糞取自順義區(qū)養(yǎng)殖場(chǎng)，廚余垃圾和果蔬垃圾取自北京化工大學(xué)食堂。分別將果蔬垃圾、廚余垃圾、牛糞聯(lián)合玉米秸(質(zhì)量比為3∶1)厭氧發(fā)酵物離心分離后的上清液作為試驗(yàn)沼液。再將每種沼液稀釋至原濃度的1%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%、70%、100%，以此作為種子的培養(yǎng)液和浸種液。所用種子為大速生菜種子，由北京市芳萱苑種子有限公司生產(chǎn)。

1.2 原料及沼液成分檢測(cè)

分別對(duì)原料和沼液中的氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)、總鹽、重金屬等進(jìn)行分析。具體分析項(xiàng)目和方法見表1。

表1 分析檢測(cè)方法

1.3 沼液作為培養(yǎng)液的種子發(fā)芽試驗(yàn)

每組沼液設(shè)置12個(gè)發(fā)芽器，每個(gè)發(fā)芽器中均勻放置50粒種子，用上述不同類型和濃度的沼液作為培養(yǎng)液，以蒸餾水培養(yǎng)為對(duì)照組，在恒溫光照培養(yǎng)箱中于25 ℃連續(xù)培養(yǎng)7 d，每組3個(gè)平行試驗(yàn)。培養(yǎng)2 d后測(cè)定根長，計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)；第7天測(cè)定芽長，計(jì)算發(fā)芽率、成秧率。

1.4 沼液作為浸種液的種子發(fā)芽試驗(yàn)

每組沼液設(shè)置12個(gè)發(fā)芽器，每個(gè)發(fā)芽器中均勻放置50粒種子，用上述不同類型和濃度的沼液將種子浸泡12 h，以蒸餾水浸泡為對(duì)照組，將浸泡后的種子轉(zhuǎn)移到芽床上，適時(shí)補(bǔ)充水分保持芽床的濕潤，在恒溫光照培養(yǎng)箱中于25 ℃連續(xù)培養(yǎng)7 d，每組3個(gè)平行試驗(yàn)。培養(yǎng)2 d后測(cè)定根長、計(jì)算發(fā)芽率；第7天計(jì)算成秧率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)。

1.5 高濃度沼液浸種試驗(yàn)

每個(gè)發(fā)芽器中均勻放置50粒種子，采用未經(jīng)稀釋的三組沼液分別浸種1、2、3、4、5、6、7 d，浸種后用清水培養(yǎng)7 d。以蒸餾水浸種為對(duì)照組，每組3個(gè)平行試驗(yàn)，每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽情況。

1.6 評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式如下[16-17]：

表2 原料及沼液中的重金屬含量

表3 原料及沼液中的營養(yǎng)物質(zhì)含量

式中：Gt為在t天的種子發(fā)芽數(shù)，Dt為相對(duì)應(yīng)的種子發(fā)芽天數(shù)；

活力指數(shù)(VI)=S×(GI)；

式中：GI為發(fā)芽指數(shù)；S為平均長度；平均長度(cm)=芽的長度(cm)+根的長度(cm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料及沼液成分分析

2.1.1重金屬含量

由表2可知，廚余和果蔬垃圾中重金屬含量低于牛糞便和玉米秸。經(jīng)厭氧發(fā)酵后，秸稈以及糞便中的重金屬游離釋放出來進(jìn)入沼液中，但相對(duì)于原料，沼液中重金屬含量非常低。原料和沼液中的Cd、Cr、Pb、Hg、As含量均低于我國《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8172-1987) 和《沼肥》 (NYT 2596- 2014)中的標(biāo)準(zhǔn)限值。微量的重金屬元素有助于提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)，但長期大量施用會(huì)導(dǎo)致重金屬在土壤中的殘留和累積，改變土壤的理化性質(zhì)，增大環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，所以沼肥農(nóng)用過程中應(yīng)對(duì)重金屬進(jìn)行重點(diǎn)管控[18-19]。

2.1.2肥效成分分析

由表3可知，沼液中的速效氮主要以銨態(tài)氮存在，這可能是因?yàn)樵趨捬鯒l件下，原料中有機(jī)氮更多地轉(zhuǎn)化為氨氮或銨態(tài)氮，而硝態(tài)氮經(jīng)過微生物作用轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮或通過反硝化作用轉(zhuǎn)化為N2[20]。沼液中的磷和鉀含量相對(duì)較低，分別為0.04～0.07 g·kg-1和0.95～3.31 g·kg-1，這與發(fā)酵原料性質(zhì)、水分比例差異、發(fā)酵和貯存時(shí)間等都有一定的關(guān)系[21-22]。原料中含有大量的有機(jī)質(zhì)，大部分經(jīng)厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為甲烷，只有少部分保留在沼液中，其中包含豐富的腐殖酸、維生素、氨基酸等易被植物吸收利用的有效成分。牛糞玉米秸、廚余、果蔬組沼液中總養(yǎng)分(總氮+總磷+總鉀)分別為3.41、4.83、5.46 g·kg-1，含量低于《沼肥》(NYT 2596—2014)的標(biāo)準(zhǔn)(≥80 g·L-1)，在施用于農(nóng)田時(shí)宜與其他營養(yǎng)元素混合配比后使用。

2.1.3其他成分

沼液中總鹽含量為6.0～11.1 g·L-1，大大超過了我國《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084-2005)的限值。原料中抗生素和農(nóng)藥類物質(zhì)含量均低于檢測(cè)限。沼液中蛔蟲卵死亡率可達(dá)到100%，糞大腸菌群數(shù)遠(yuǎn)小于100個(gè)·mL-1，符合沼肥的衛(wèi)生指標(biāo)要求。

2.2 沼液作為培養(yǎng)液對(duì)種子發(fā)芽的影響

2.2.1沼液對(duì)發(fā)芽率的影響

對(duì)照組的最終發(fā)芽率為80%。果蔬組、牛糞玉米秸組、廚余組沼液對(duì)發(fā)芽率的影響如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)濃度為1%時(shí)，三組沼液處理的發(fā)芽率都高于對(duì)照組。對(duì)發(fā)芽率進(jìn)行顯著性u(píng)檢驗(yàn)。廚余組|u|=1.75 u0.05=1.96，影響顯著。整體而言，1%沼液對(duì)種子發(fā)芽有促進(jìn)作用。隨著沼液濃度的升高，三種不同原料實(shí)驗(yàn)組的發(fā)芽率總體呈下降趨勢(shì)，當(dāng)濃度為5%時(shí)，略高于對(duì)照組。當(dāng)濃度高于20%后，各組發(fā)芽率差異逐漸增大，廚余組發(fā)芽率受濃度的影響最明顯，當(dāng)濃度達(dá)到70%時(shí)，發(fā)芽完全被抑制。濃度為100%時(shí)，三組發(fā)芽率均降至零。

圖2 沼液濃度對(duì)2 d根長(a)和2 d發(fā)芽指數(shù)(b)的影響

圖1 沼液濃度對(duì)發(fā)芽率的影響

2.2.2沼液對(duì)種子發(fā)芽后期生長的影響

種子發(fā)芽2 d時(shí)，對(duì)照組的根長為0.48 cm。種子在沼液中培養(yǎng)2 d后根長和發(fā)芽指數(shù)如圖2所示。濃度低于5%時(shí)，根長略低于對(duì)照組，隨著濃度的升高，沼液對(duì)根系發(fā)育的抑制作用逐漸增加。這與吳玉紅等[14]用豬糞沼液浸種玉米種子的研究結(jié)論基本一致。

2 d發(fā)芽指數(shù)是對(duì)發(fā)芽率和根伸長的綜合評(píng)價(jià)，其高于100時(shí)為促進(jìn)，反之則為抑制。只有在濃度為1%時(shí)，果蔬和牛糞組的發(fā)芽指數(shù)大于100，其余均小于100。廚余沼液對(duì)種子發(fā)芽的抑制作用最強(qiáng)，這是因?yàn)閺N余中含有較多的油脂和鹽分，厭氧發(fā)酵只能去除部分油脂，芽床表面形成的油膜影響種子的呼吸，進(jìn)而影響發(fā)芽率。另外，由于有機(jī)物質(zhì)的消解，可溶性鹽分不斷增多，鹽度是影響種子萌發(fā)的主導(dǎo)因素，低濃度的鹽可以促進(jìn)種子萌發(fā), 高濃度則會(huì)明顯抑制其萌發(fā)[23]。鹽分對(duì)蛋白質(zhì)的合成、膜的選擇透過性、離子的動(dòng)態(tài)平衡、光合作用等也會(huì)產(chǎn)生影響。為了抵御鹽分脅迫，植物體內(nèi)會(huì)發(fā)生一系列反應(yīng)，消耗大量的能量，最終導(dǎo)致植株生長緩慢甚至脅迫致死或假休眠[24]。

對(duì)照組的7 d成秧率為80%，平均芽長為3.08 cm。種子培養(yǎng)7 d后的成秧率和芽苗的平均長度如圖3所示。成秧率和芽長基本均隨著濃度的升高而減小。當(dāng)濃度為1%時(shí)，果蔬組和牛糞玉米秸組的成秧率高于對(duì)照組，其余濃度下，均低于對(duì)照組。果蔬組在濃度小于15%時(shí)，芽長高于對(duì)照組，牛糞組在濃度小于10%時(shí)，芽長高于對(duì)照組，而廚余組僅在濃度為5%時(shí)的芽長略高于對(duì)照組。沼液濃度越高，幼苗的生長狀況越差。在高濃度沼液中，即使種子能夠發(fā)芽，后期生長狀況也較差，極易腐爛。因?yàn)檎右簼舛容^高時(shí)存在的鹽分脅迫、有機(jī)質(zhì)腐化、重金屬過量以及一些其他生物抑制性物質(zhì)都會(huì)影響種子的發(fā)芽和幼苗的生長[15]。

2.3 沼液作為浸種液對(duì)種子發(fā)芽的影響

2.3.1沼液浸種對(duì)發(fā)芽率的影響

對(duì)照組的最終發(fā)芽率為84%，由圖4可知，各組在不同濃度下的發(fā)芽率基本都超過或接近對(duì)照組。果蔬和牛糞組最大發(fā)芽率為94%，進(jìn)行顯著性分析檢驗(yàn)，|u|=1.73 u0.05=1.96，浸種影響顯著。可見沼液浸種能夠促進(jìn)種子發(fā)芽，但是在本實(shí)驗(yàn)中整體促進(jìn)效果不顯著，這可能與種子本身發(fā)芽率較高有一定的關(guān)系。

圖3 沼液濃度對(duì)成秧率(a)和7 d芽長(b)的影響

沼液浸種的發(fā)芽率呈一定程度上的正態(tài)分布，當(dāng)濃度低于5%和高于40%時(shí)，發(fā)芽率整體上略有降低。因?yàn)檎右簼舛容^低時(shí)，所含營養(yǎng)物質(zhì)較少，對(duì)種子發(fā)芽的促進(jìn)作用較??；而當(dāng)濃度過高時(shí)，有害成分會(huì)對(duì)種子的胚胎造成傷害，抑制生長發(fā)育。與劉媛媛等[25]用沼液浸種早熟禾種子的研究結(jié)論一致。

圖4 沼液浸種對(duì)發(fā)芽率的影響

2.3.2沼液浸種2 d后的生長情況

種子發(fā)芽2 d時(shí)對(duì)照組根長為0.84 cm。浸種2 d后的根長如圖5(a)所示?？梢钥闯?，果蔬組、牛糞玉米秸組、廚余組2 d平均根長較對(duì)照組分別提高了21.21%、28.35%、28.03%，可見浸種后有利于促進(jìn)根的生長。從圖5(b)可以看出，不同沼液在不同濃度下對(duì)種子發(fā)芽的影響有明顯差異。果蔬、牛糞、廚余組的2 d發(fā)芽指數(shù)分別在濃度為20%、5%、25%時(shí)到達(dá)最大值。楊柳等[26]研究表明，沼液濃度在30%以內(nèi)時(shí)，番茄種子發(fā)芽率隨沼液濃度的加大不斷增大。史向遠(yuǎn)等[27]發(fā)現(xiàn)，沼液濃度為25%時(shí)，西瓜種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)最高。引起這種差異的原因主要有兩點(diǎn)，一是與種子本身的性質(zhì)有關(guān)，不同種子發(fā)芽的難易程度不同；二是不同原料發(fā)酵產(chǎn)生的沼液成分有所差別，所以提供給種子生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)的種類和含量不同，進(jìn)而影響種子的萌發(fā)和生長。

2.3.3沼液浸種7 d后的生長狀況

對(duì)照組的成秧率為70%，浸種后的成秧率如圖6(a)所示。由圖6(a)可知，果蔬組在沼液濃度為20%時(shí)成秧率最大，為78%，進(jìn)行顯著性分析，|u|=0.48u0.01=2.58，影響極顯著；廚余組在沼液濃度為100%時(shí)成秧率最大，為82%，|u|=1.72

對(duì)照組的7 d發(fā)芽指數(shù)為33.83。浸種7 d后的發(fā)芽指數(shù)見圖6(b)，由圖6(b)可知，沼液濃度低于30%時(shí)，三組的發(fā)芽指數(shù)均高于對(duì)照組，濃度大于30%時(shí)，整體呈下降趨勢(shì)。發(fā)芽指數(shù)一定程度上反映種子發(fā)芽快慢，可見，低濃度沼液浸種能夠提高種子的發(fā)芽速度。

對(duì)照組的活力指數(shù)為285.19，浸種后的活力指數(shù)見圖6(c)。由圖6(c)可知，當(dāng)沼液浸種濃度低于30%時(shí)，果蔬組和廚余組的活力指數(shù)均高于對(duì)照組，牛糞組的活力指數(shù)始終低于對(duì)照組。當(dāng)濃度高于30%時(shí)，活力指數(shù)均有所下降。張繼紅等[28]研究表明，當(dāng)沼液濃度大于60%時(shí)，種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，說明高濃度的沼液在一定程度上會(huì)延緩種子的發(fā)芽進(jìn)程,但不同種子對(duì)沼液適宜濃度的臨界點(diǎn)不同。

綜合以上各指標(biāo)，得到果蔬、牛糞、廚余沼液的最佳浸種濃度分別為20%、5%、25%。

2.4 高濃度沼液浸種時(shí)間對(duì)發(fā)芽的影響

在以沼液作培養(yǎng)液的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高濃度沼液對(duì)種子發(fā)芽有抑制作用，本試驗(yàn)用于驗(yàn)證這種抑制性影響，并研究浸種時(shí)間對(duì)種子活性的影響。

圖5 沼液浸種對(duì)2 d根長(a)和2 d發(fā)芽指數(shù)(b)的影響

圖6 沼液浸種對(duì)成秧率(a)、7 d發(fā)芽指數(shù)(b)和活力指數(shù)(c)的影響

對(duì)照組的最終發(fā)芽個(gè)數(shù)為42個(gè)。用未經(jīng)稀釋的果蔬沼液、牛糞玉米秸沼液、廚余沼液浸種生菜種子。由圖7可知，果蔬和廚余沼液浸種的各組試驗(yàn)的最終發(fā)芽率均低于對(duì)照組，牛糞沼液浸種時(shí)間為1 d時(shí)高于對(duì)照組，之后均低于對(duì)照組。并且隨著浸種時(shí)間的延長，發(fā)芽種子數(shù)不斷減少?？梢?，種子在高濃度沼液中的浸泡時(shí)間過長會(huì)破壞種子的結(jié)構(gòu)，使種子胚胎失活。但浸種一定時(shí)間的種子再用清水培養(yǎng)，部分種子能夠逐漸恢復(fù)發(fā)芽能力。龍勝碧等[29]研究發(fā)現(xiàn)，沼液浸種24 h和36 h后再用清水浸泡24 h的水稻種子發(fā)芽率接近對(duì)照組。

不同浸種時(shí)間下的成秧率見表4。由表4可知，各組浸種1 d的成秧率最高，隨著浸種時(shí)間的延長，成秧率整體呈降低趨勢(shì)。所以沼液浸種時(shí)應(yīng)控制適宜的浸種時(shí)間和浸種濃度。

圖7 高濃度果蔬沼液(a)、牛糞玉米秸沼液(b)、廚余沼液(c)浸種各組發(fā)芽種子數(shù)隨時(shí)間的變化情況

表4 高濃度沼液浸種成秧率

3 結(jié) 論

不同厭氧發(fā)酵原料及其沼液中的營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬、鹽分含量等均存在一定差異，部分沼液中的鹽分和重金屬含量超過了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值，因此在排放或者農(nóng)用時(shí)應(yīng)做好預(yù)處理，避免對(duì)作物和土壤產(chǎn)生不良的影響。

以沼液為培養(yǎng)液時(shí)，隨著沼液濃度的升高，種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、成秧率等都逐漸降低，尤其是含有較高鹽分和有機(jī)物的廚余沼液作為培養(yǎng)液時(shí)，種子對(duì)沼液濃度的變化更為敏感。各沼液濃度為1%時(shí)，對(duì)種子發(fā)芽有一定的促進(jìn)作用，當(dāng)濃度大于1%時(shí)，開始產(chǎn)生抑制作用，濃度越高抑制越明顯。

以沼液為浸種液時(shí)，整體上有利于種子的發(fā)芽。牛糞沼液在較低濃度下對(duì)種子發(fā)芽和生長具有較明顯促進(jìn)作用，而廚余和果蔬沼液在濃度較低或較高時(shí)，浸種效果不太理想。綜合發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根長、芽長等指標(biāo)，果蔬沼液最佳浸種濃度為20%，牛糞玉米秸沼液的最佳浸種濃度為5%，廚余沼液最佳浸種濃度為25%。