祁步凡，王 虹，李 俊，蔣小妹，李 銳，王文國(guó)*

(1. 成都大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，四川 成都 610106；2．農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所，四川 成都 610041)

【研究意義】我國(guó)畜牧業(yè)快速發(fā)展，畜禽糞污的污染問(wèn)題日益突出[1]。沼氣技術(shù)是畜禽糞污無(wú)害化處理和資源化利用的重要技術(shù)手段[2]，但是沼液的問(wèn)題正成為限制其發(fā)展的重要因素[3-4]。沼液含有氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)還含有腐植酸、氨基酸等植物所需的生物活性物質(zhì)，具有肥料屬性[5-6]。但相對(duì)于成品的液體肥料而言，沼液營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量處于一個(gè)較低的水平，價(jià)值密度較低，運(yùn)輸成本高[7]。如何提高沼液的價(jià)值密度是實(shí)現(xiàn)沼液高效利用的技術(shù)難點(diǎn)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】膜分離技術(shù)以其占地面積小、操作便捷、處理效率高的特點(diǎn)成為實(shí)現(xiàn)沼液處理與利用的重要途徑[8-9]。但是由于沼液中濁度和氨氮含量較高，利用反滲透膜(RO)處理沼液時(shí)會(huì)導(dǎo)致膜污染和透過(guò)液氨氮濃度過(guò)高等問(wèn)題[10-11]。膜生物反應(yīng)器(MBR)與RO膜分離技術(shù)的組合可以將沼液的處理與資源利用相結(jié)合，解決上述問(wèn)題，但是關(guān)于其濃縮液的肥料化利用研究較少?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】對(duì)MBR+RO系統(tǒng)的沼液膜濃縮液為基質(zhì)根據(jù)國(guó)家相關(guān)肥料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)配，以小白菜(BrassicachinensisL.)為供試作物評(píng)價(jià)其肥效與安全性?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】探究沼液MBR+RO系統(tǒng)濃縮液肥料利用的潛力，為沼液的處理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試作物：從某種子公司購(gòu)買(mǎi)的四季小白菜種子，育苗盤(pán)育苗，出苗后移栽至花缽中(市售營(yíng)養(yǎng)土)。

供試肥料：固體復(fù)合肥為市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)某品牌復(fù)合肥(TN:26.39 mg/g、TP:0.13 mg/g、TK:17.45 mg/g)；濃縮營(yíng)養(yǎng)液為市售某品牌園藝濃縮營(yíng)養(yǎng)液(TN:1.54 g/L、TP:0.19 g/L、TK:3.53 g/L)；沼液膜濃縮液復(fù)配肥為本試驗(yàn)室利用MBR+RO系統(tǒng)產(chǎn)出的10倍濃縮液添加尿素，磷酸氫二鉀，氯化鉀等后符合國(guó)家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《含腐植酸水溶肥料》(NY 1106-2010)的技術(shù)指標(biāo)的液體肥料，其TN、TP和TK的含量分別為75.97、66.75、58.15 g/L。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 小白菜盆栽試驗(yàn) 將播種10 d后的小白菜幼苗定植于花缽中，每缽3株，每缽裝風(fēng)干土樣1.0 kg，施用固體復(fù)合肥1 g做基肥。待小白菜第4片真葉長(zhǎng)出時(shí)開(kāi)始第1次追肥，每7 d施肥1次，共施用5次，施肥方式為同時(shí)進(jìn)行土壤追肥和噴施葉面肥。

實(shí)驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理組，1個(gè)對(duì)照組，各組的總施氮量(追肥+葉面肥)為均為0.12 g/(kg土壤)。T1處理組：土壤追肥為沼液膜濃縮液復(fù)配肥稀釋500倍后每次施入150 mL，5次共施氮0.11 g/(kg土壤)，葉面肥為濃縮營(yíng)養(yǎng)液稀釋20倍后每次噴施15 mL，5次共施氮0.01 g/(kg土壤)；T2處理組：土壤追肥為沼液膜濃縮液復(fù)配肥稀釋500倍后每次施入150 mL，5次共施氮0.11 g/(kg土壤)，葉面肥為沼液膜濃縮液復(fù)配肥稀釋1000倍后每次噴施15 mL，5次共施氮0.01 g/(kg土壤)；T3處理組：土壤追肥為濃縮營(yíng)養(yǎng)液稀釋10倍每次施入150 mL，5次共施氮0.11 g/(kg土壤)，葉面肥為濃縮營(yíng)養(yǎng)液稀釋20倍后每次噴施15 mL，5次共施氮0.01 g/(kg土壤)。對(duì)照組(CK)為施入等氮量的固體復(fù)合肥。

1.2.2 樣品的采收與生理指標(biāo)測(cè)定 小白菜樣品于第5次施肥1周后進(jìn)行采收，采收后測(cè)定地上可食部分鮮重、干重等指標(biāo)。

葉綠素含量、硝酸鹽含量和維生素C含量均采用分光光度計(jì)法測(cè)定[12-14]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定[15]；待測(cè)植物樣品經(jīng) H2SO4-H2O2消解后采用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀(ICP-OES，Plasma Quant PQ9000)測(cè)定金屬鉻(Cr)、砷(As)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、汞(Hg)、鋅(Zn)、銅(Cu)的含量[15]。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 采用 Microsoft Excel 2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄與初步分析，利用 Origin 2017 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪圖，采用 SPSS 20. 0 進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液膜濃縮液復(fù)配肥對(duì)小白菜產(chǎn)量的影響

如圖1所示，以沼液膜濃縮液復(fù)配肥為土壤追肥和葉面肥的處理組(T2)小白菜地上部鮮重和干重最高，分別為26.91和2.53 g/株，顯著高于對(duì)照組(20.43和0.63 g/株)，也高于沼液膜濃縮液復(fù)配肥土壤追肥與濃縮營(yíng)養(yǎng)液葉面肥組合(T1，22.69 和2.03 g/株)及濃縮營(yíng)養(yǎng)液土壤追肥和葉面肥的處理組(T3，17.7和1.02 g/株)。這表明對(duì)照組的含水量較高，達(dá)96 %，其次是T3的94 %，而T1和T2最低，僅為91 %，這說(shuō)明沼液膜濃縮液復(fù)配肥更利于小白菜干物質(zhì)的積累。本研究的4個(gè)處理施氮量均為0.12 g/(kg土壤)，其他營(yíng)養(yǎng)成分的差異導(dǎo)致了4個(gè)處理間小白菜產(chǎn)量的差異。T1和T2均為以沼液膜濃縮液為土壤追肥，二者磷施用量均為0.1 g/(kg土壤)，鉀的施用量差異僅有0.008 g/(kg土壤)，但是T2的產(chǎn)量仍比T1提高了18.59 %。說(shuō)明沼液膜濃縮液復(fù)配肥作為葉面肥對(duì)小白菜有增產(chǎn)效果。

不同處理間不同字母表示某指標(biāo)組間差異顯著(P<0. 05)，下圖同圖1 不同施肥處理對(duì)小白菜產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of different fertilization treatments on pakchoi yield

葉綠素是植物光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，葉綠素含量在很大程度上反映了葉片的光合能力。如圖2所示，葉綠素a和葉綠素b的含量變化與小白菜產(chǎn)量的變化趨勢(shì)相同，均以T2處理組最高，分別為0.85和0.36 mg/g，相比CK提高了44 %和64 %，也高于T1的0.81和0.18 mg/g及T3的0.49和0.20 mg/g。說(shuō)明沼液膜濃縮液復(fù)配肥有利于提高小白菜葉綠素含量，以提高光合能力，這可能是導(dǎo)致其產(chǎn)量提高的重要因素。

圖2 不同施肥處理對(duì)小白菜葉綠素含量的影響Fig.2 Effects of different fertilization treatments on chlorophyll content of pakchoi

2.2 沼液膜濃縮液復(fù)配肥對(duì)小白菜可溶性糖與維生素C含量的影響

蔬菜中可溶性糖和維生素 C含量不僅與其抗逆性相關(guān)也與品質(zhì)相關(guān)[12]。如圖3所示，T2處理組中可溶性糖和維生素C的含量分別達(dá)到368.68、178.25 mg/kg，均為4個(gè)處理組的最高水平，分別比CK對(duì)照組提高了25 %和138 %。T1及T3處理組中可溶性糖和維生素C的含量分別為318.75、139.14 和308.12、157.80 mg/kg，T2處理組分別比T1及T3處理組提高了16 %、28 %和20 %、13 %。研究表明施用沼液及沼液膜濃縮液復(fù)配肥可明顯提高小白菜的可溶性糖和維生素C含量, 提高其品質(zhì)[16-17]。本研究采用的MBR+RO濃縮液配制的肥料也表現(xiàn)出相同的效果。

圖3 不同施肥處理對(duì)小白菜可溶性糖和維生素C含量的影響Fig.3 Effects of different fertilization treatments on soluble sugar and vitamin C content in pakchoi

2.3 沼液膜濃縮液復(fù)配肥對(duì)小白菜硝酸鹽及重金屬含量的影響

蔬菜中過(guò)量的硝酸鹽被人體攝入會(huì)危害人體健康[13]，《蔬菜中硝酸鹽限量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 19338-2003)中葉菜類(lèi)硝酸鹽限量為3000 mg/kg。如圖4所示，4個(gè)處理組的小白菜硝酸鹽含量都低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但其中施用濃縮營(yíng)養(yǎng)液的T3處理組小白菜硝酸鹽含量最高為157.67 mg/kg，顯著高于其他處理組。CK與T1處理組的小白菜硝酸鹽含量分別為103.68和107.73 mg/kg，較T3處理組白菜硝酸鹽含量分別降低了34.24 %和31.67 %。僅施用沼液膜濃縮液復(fù)配肥的T2處理組小白菜硝酸鹽含量最低為72.89 mg/kg，相比CK處理組降低30 %。這表明沼液膜濃縮液復(fù)配肥沒(méi)有引起小白菜中硝酸鹽的積累。

圖4 不同施肥處理對(duì)小白菜硝酸鹽含量的影響Fig.4 Effects of different fertilization treatments on the content of nitrate in pakchoi

重金屬是對(duì)公眾健康構(gòu)成較大風(fēng)險(xiǎn)的污染物，食用重金屬含量超標(biāo)的食品會(huì)對(duì)人體健康造成影響[18]。本研究中不同施肥處理的小白菜Cr、As、Pb、Cd和Hg的含量均未超過(guò)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB 2762-2017)中蔬菜及其制品的限量指標(biāo)(表1)。其中Cr含量范圍為0.441～0.487 mg/kg，施用沼液膜濃縮液復(fù)配肥的T1和T2顯著低于對(duì)照組和濃縮營(yíng)養(yǎng)液的T3。As、Pb、Cd和Hg在4個(gè)處理中的含量都較低，Hg含量甚至低于儀器檢測(cè)范圍，所以4個(gè)處理組間差異不明顯。以上結(jié)果表明沼液膜濃縮液復(fù)配肥不會(huì)引起小白菜重金屬的風(fēng)險(xiǎn)，并且與其他肥料相比更為安全。

表1 不同施肥處理對(duì)小白菜重金屬含量的影響Table 1 Effects of different fertilization treatments on heavy metal content in pakchoi (mg/kg)

Zn和Cu雖然也屬于重金屬，但是也是人體所需的微量元素，GB 2762-2017并未對(duì)其作限量。本研究沼液膜濃縮液復(fù)配肥為土壤追肥和葉面肥的處理組(T2)小白菜中Zn、Cu含量最高，分別為0.80和0.13 mg/kg，相比CK提高了81 %和44 %，也顯著高于T1、T3處理組，相比T1、T3分別提高了18 %、30 %和7 %、30 %。表明沼液膜濃縮液復(fù)配肥對(duì)Zn和Cu的積累有促進(jìn)作用。

2.4 沼液膜濃縮液復(fù)配肥對(duì)土壤中鋅和銅積累風(fēng)險(xiǎn)的影響

沼液中含量較高的Zn、Cu對(duì)土壤的污染問(wèn)題備受關(guān)注，也是影響其肥料化利用的重要因素[18-19]。本研究分析了施肥后土壤中Zn、Cu含量，如圖5所示，4個(gè)處理組土壤Zn含量范圍在108.62～136.79 mg/kg，均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618-2018)中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。4個(gè)處理組中以T2的Zn、Cu含量最低，分別為108.62和15.46 mg/kg。相較CK和T3處理組土壤中Zn、Cu含量分別降低了21 %、20 %和16 %、1 %。結(jié)合小白菜中Zn、Cu含量分析，施用沼液膜濃縮液復(fù)配肥可能促進(jìn)小白菜吸收土壤中Zn、Cu元素，從而降低土壤中Zn、Cu含量，減少Zn、Cu對(duì)土壤的污染。沼液膜濃縮液復(fù)配肥與其他肥料相比不會(huì)引起土壤重金屬的積累。

圖5 不同施肥處理對(duì)土壤鋅和銅含量的影響Fig.5 Effects of different fertilization treatments on soil zinc and copper content

3 討 論

沼液含有的營(yíng)養(yǎng)元素以水溶性形態(tài)為主，在作物土壤追肥和葉面肥方面具有良好的效果[20]。沼液中還含有氨基酸、腐殖酸等對(duì)植物生長(zhǎng)有促進(jìn)作用生物活性物質(zhì)，有提升作物產(chǎn)量方的效果[5, 21]。雖然本研究所用的沼液膜濃縮液經(jīng)過(guò)MBR處理后會(huì)大量的有機(jī)物被降解，但是腐殖酸等難降解物質(zhì)仍處于較高的水平，在補(bǔ)充大量元素后的沼液膜濃縮液復(fù)配肥仍對(duì)小白菜有明顯的產(chǎn)量提升效果。另外，葉綠素是含氮化合物，作物中的葉綠素含量與氮肥的施用量成正比[22]。但是本研究在相同施氮量的情況下，施用沼液膜濃縮液復(fù)配肥與其他肥料相比仍可以提高小白菜的葉綠素含量，說(shuō)明沼液膜濃縮液復(fù)配肥中可能有其他物質(zhì)促進(jìn)了葉綠素含量的增加。沼液中含有作物所需的生物活性物質(zhì)(如腐殖酸、赤霉素、吲哚乙酸和維生素B12等)，有利于促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，提高作物的品質(zhì)[23]。本研究中沼液膜濃縮液復(fù)配肥有效提升小白菜可溶性糖和維生素C含量，提高了小白菜的品質(zhì)。說(shuō)明MBR+RO的濃縮液中仍含有一定的促進(jìn)小白菜產(chǎn)量和品質(zhì)提升的物質(zhì)，可以作為肥料進(jìn)行進(jìn)一步應(yīng)用。

由于沼液中的氮形態(tài)以銨態(tài)氮為主，硝態(tài)氮含量較低，施用沼液有利于降低蔬菜中的硝酸鹽含量[20]。本研究所用的沼液膜濃縮液雖然來(lái)自于沼液，但是在MBR中會(huì)有一部分銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，所以硝酸鹽積累的風(fēng)險(xiǎn)是影響其利用的重要因素。但是從研究結(jié)果來(lái)看，沼液膜濃縮液復(fù)配肥并沒(méi)有引起小白菜中硝酸鹽的積累，而且相對(duì)于其他肥料風(fēng)險(xiǎn)更低，同樣也說(shuō)明了MBR+RO的濃縮液進(jìn)一步肥料利用的潛力。重金屬風(fēng)險(xiǎn)也影響沼液的肥料化利用[24]。本研究所用的沼液要經(jīng)過(guò)MBR的預(yù)處理，MBR中活性污泥對(duì)沼液中的重金屬元素產(chǎn)生一定的吸附作用，從而降低沼液膜濃縮液復(fù)配肥中重金屬含量，并且從研究結(jié)果來(lái)看，沼液膜濃縮液復(fù)配肥沒(méi)有引起小白菜和土壤中重金屬元素的積累，風(fēng)險(xiǎn)較低。

目前高Zn、Cu飼料添加劑的使用會(huì)使豬場(chǎng)沼液Zn、Cu含量較高，影響其肥料化利用。但是Zn、Cu都是植物和人體所需的微量元素，我國(guó)有40 %左右土壤缺鋅，適當(dāng)施用鋅肥可以提高作物產(chǎn)量，降低硝酸鹽含量，提高維生素C含量[25]。另外，全球有近20 %的人存在缺鋅問(wèn)題，植物體內(nèi)的鋅比無(wú)機(jī)的鋅更容易、更安全地為人體所吸收利用，富鋅蔬菜正成為研究熱點(diǎn)[26]。有研究表明富Zn葉面肥能夠增加谷物產(chǎn)量和籽粒的鋅富集[27]。本研究中沼液膜濃縮液復(fù)配肥用作追肥和葉面肥提高了小白菜的Zn含量，并且葉面肥的效果更為明顯。適量Cu的可以促進(jìn)葉綠素的形成，促進(jìn)光合作用，進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)；過(guò)量的Cu則會(huì)對(duì)植物造成毒害，使植物生長(zhǎng)緩慢[28]。本研究中施用沼液膜濃縮液復(fù)配肥的小白菜產(chǎn)量最高，品質(zhì)最好，說(shuō)明沼液膜濃縮液復(fù)配肥中的Cu含量并未對(duì)小白菜的生長(zhǎng)造成影響。沼液膜濃縮液復(fù)配肥雖然會(huì)使小白菜中的Cu含量有提升，但仍遠(yuǎn)低于無(wú)公害蔬菜10 mg/kg的Cu限量值[29]。這表明沼液膜濃縮液中的Cu和Zn含量不會(huì)影響其肥料化利用。

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)小白菜盆栽試驗(yàn)，驗(yàn)證了MBR+RO系統(tǒng)的沼液膜濃縮液復(fù)配肥的肥效和安全性，以MBR+RO系統(tǒng)的沼液膜濃縮液配制的肥料可以提高小白菜的產(chǎn)量，提升小白菜品質(zhì)，并降低小白菜硝酸鹽、重金屬累積和土壤重金屬積累的風(fēng)險(xiǎn)。MBR+RO系統(tǒng)的沼液膜濃縮液可以作為配方肥的基質(zhì)進(jìn)行肥料化利用，進(jìn)一步進(jìn)行大田實(shí)驗(yàn)研究有助于其推廣利用。