沼渣养分及其农用可行性分析

张　颖，刘益均，姜　昭（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨　150030）

张颖,刘益均,姜昭.沼渣养分分析及其农用可行性分析[J].东北农业大学学报,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)



沼渣养分及其农用可行性分析

张颖，刘益均，姜昭
（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨150030）

张颖,刘益均,姜昭.沼渣养分分析及其农用可行性分析[J].东北农业大学学报,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：以牛粪和秸秆为基质沼气池沼渣为研究对象，测定固液分离并自然风干后沼渣主要营养成分含量，通过测量沼渣中总镉（以Cd计）、总汞（以Hg计）、总铅（以Pb计）、总铬（以Cr计）、总砷（以As计）含量探讨沼渣农用安全性。结果表明，沼渣中全氮含量21.12 g·kg(-1)、全磷含量19.22 g·kg(-1)、全钾含量18.52 g·kg(-1)、有机质含量495.3 g·kg(-1)、碱解氮495.2 mg·kg(-1)、有效磷427.3 mg·kg(-1)、有效钾531.9 mg·kg(-1)、粗纤维含量60.4%、微量元素锌207 mg·kg(-1)、微量元素铜245.2 mg·kg(-1)、微量元素锰298.2 mg·kg(-1)，沼渣中总镉（以Cd计）、总汞（以Hg计）、总铅（以Pb计）、总铬（以Cr计）、总砷（以As计）含量分别为0.437、0.264、5.143、1.22、7.9 mg·kg(-1)。比较沼渣及其原料（牛粪和秸秆）上述指标间差异情况，分析厌氧发酵过程对牛粪和秸秆中典型养分物质影响，为牛粪和秸秆基质沼渣处理提供参考。

关键词：沼渣；生态风险；养分分析；牛粪；重金属

有机物质经特定微生物厌氧发酵，形成混合可燃气体沼气，己成为我国可再生能源利用模式[1-2]。随着沼气工程推广，沼气发酵产生残余物多，沼渣由部分未完全分解固体有机物和微生物组成，含有丰富有机质、腐殖酸、氮、磷、钾等营养元素，可作为新型土壤改良剂施入农田，可有效改善土壤理化性质，提高土壤中有机质含量，增强土壤保肥性能和耐冲击能力等[3]。沼渣中营养含量及重金属污染物含量与发酵原料密切相关。在规模化畜禽养殖过程中，为加快畜禽生长速度、提高饲料利用率和防止畜禽疾病，在饲料添加剂中大量使用铜、锌、铁、砷等中微量元素[4-5]。通常畜禽对重金属利用率较低，大部分重金属会随粪便排出体外。我国沼气发酵原料多由畜禽粪便及农业废弃物构成，增加沼渣等沼肥农用环境污染风险[6]。张继方等对不同类型和浓度沼液进行种子发芽试验，研究物料类型及配比、碱液预处理均对沼液成分和性质产生影响，进行沼液农用安全性分析[7]。黄惠珠进行不同类型沼气工程沼肥检测分析，沼液中各种营养成分明显低于沼渣；沼液中各卫生指标明显优于沼渣，有毒有害成分明显低于沼渣[8]。陈为等通过检测大型沼气工程产生沼渣、沼液，根据相关国家标准作对比分析，得出沼渣、沼液养分情况和安全情况[9]。但对于沼渣组成成分及沼渣中营养元素、重金属含量对比分析鲜有报道。

本研究以沼气池基质为牛粪与秸秆沼渣、秸秆和牛粪为研究对象，通过测定发酵前牛粪、秸秆养分和重金属含量，研究发酵后沼渣营养含量及重金属含量变化特征，探讨沼渣农用安全性，为沼渣后续还田处理提供参考。

1　材料与方法

1.1材料

沼渣取自哈尔滨良大集团发酵池，其发酵原料为牛粪与秸秆、稻草等植物残体，发酵时间为3个月以上。发酵原料（牛粪、秸秆）取自哈尔滨市双城区顺利镇杏山村农户。

1.2方法

1.2.1试验材料预处理

取固液分离沼渣、牛粪，室温下自然风干，剔除干草等杂质，过100目筛，测定基本理化性质。将秸秆通过机器粉碎，过100目筛，测定基本营养成分。

1.2.2试验方法

对沼渣、牛粪、秸秆样品中全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、有效钾、有机质、粗纤维、pH等理化指标采用常规方法测定[10]，对沼渣中重金属元素总镉（以Cd计）、总汞（以Hg计）、总铅（以Pb计)、总铬（以Cr计）、总砷（以As计）含量用原子吸收法测定[11]，对沼渣等样品中微量元素采用浓硫酸-双氧水消化，ICP-AES等离子发射光谱法测定[12]。每个样品同时做三组平行试验。

2　结果与分析

2.1沼渣、牛粪及秸秆基础理化性质及养分含量

2.1.1沼渣、牛粪及秸秆基础理化性质概况

由表1可知，沼渣pH 7.71，显中性偏碱性，在自然风干后测定含水率为7.7%，沼渣中粗纤维含量为60.4%。秸秆经测量粗纤维含量53.5%，牛粪pH 8.93，显碱性，含水率9.4%，粗纤维含量为64.2%。经分析可见经过厌氧发酵后沼渣中纤维素含量低于牛粪中纤维素含量，经微生物分解作用，使部分纤维素降解，但下降不明显，应为缺乏纤维素降解菌作用导致，沼渣在后续农用处理困难。沼渣pH由偏碱性趋于中性，含水率下降，达到国家标准有机肥料NY884-2012[13]要求，可作为有机肥料直接应用。

2.1.2沼渣、牛粪及秸秆养分含量概况

由表2可知，沼渣、秸秆、牛粪中有机质分别为495.30%、429.40%和546.28 g·kg-1。经微生物分解，牛粪中有机质含量下降，最终达495.30 g·kg-1，达到国家标准NY884-2012[13]要求，可作为有机肥料施入田中改善土壤肥力，具有增加土壤中有机质含量功能。沼渣全量氮磷钾分别为21.12、19.22和18.52 g·kg- 1，秸秆全量氮磷钾分别为10.8、16.8和9.1 g·kg-1，牛粪全量氮磷钾分别为17.03、14.23和17.89 g·kg-1。分析发现经过厌氧发酵后沼渣全量氮磷钾含量相对于牛粪分别增加19.37%，25.96%，3.40%，远远超过国家标准NY884-2012[13]有机肥料中规定全量氮磷钾≥5.0。沼渣495.2、 427.3和531.9 mg·kg-1；牛粪中碱解氮、有效磷、有效钾含量分别为459.77、293.55和619.47 mg·kg-1。经分析发现沼渣中碱解氮含量比牛粪增加7.15%，有效磷含量比牛粪增加31.3%，有效磷含量比牛粪中增加21.14%。过厌氧发酵后沼渣中碱解氮与有效钾含量增加，有效磷增幅小。

表1　沼渣、牛粪及秸秆基础理化性质概况Table 1 Basic physical and chemical properties of biogas residue,cattle manure and straw

表2　沼渣、牛粪及秸秆养分含量概况Table 2 Nutrient content of biogas residue,cattle manure and straw

2.2沼渣、牛粪及秸秆微量元素及重金属含量

2.2.1沼渣、牛粪及秸秆微量元素概况

由表3可知，沼渣中Zn、Cu、Mn含量分别为207、245.2的298.2 mg·kg-1；秸秆中Zn、Cu、Mn含量分别为25.10、9.26和86.88 mg·kg-1；牛粪中Zn、Cu、Mn含量分别为118、113和85.45 mg·kg-1。由于国家标准NY884-2012[13]对有机肥料中微量元素Zn、Cu、Mn无具体要求，比照国家标准CJ/ T309-2009[14]城镇污水处理厂污泥处置农用污泥中限量，沼渣中微量元素含量低于国家标准要求，可作为农用有机肥料施用。在厌氧发酵过程中锌、铜和锰含量分别比牛粪中含量增加43.01%、53.92%、71.34%。锌作为植物必需微量营养元素，与作物产量有重要关系。施木田通过研究发现，在一定范围内施硫酸锌，苦瓜产量随锌肥增加而增加。锌还能改善作物品质[15]。谢建治等研究表明，低量锌对白菜生长有促进作用[8]。微量元素铜在植物正常生长发育过程中起重要作用，但过量会对植物产生毒害，使植物根生长受阻、根茎生产量减少[16]。微量元素锰对农作物光合作用有促进作用，沼渣中微量元素需适量增加。

2.2.2沼渣、牛粪及秸秆重金属含量概况

由表4可知，沼渣中重金属总镉、总汞、总铅、总铬、总砷含量分别为0.437、0.264、5.143、1.22和7.9 mg·kg-1；秸秆中重金属总镉、总汞、总铅、总铬、总砷含量分别为0.04、0.23、2.15、0.07 和0.08 mg·kg-1；牛粪中重金属总镉、总汞、总铅、总铬、总砷含量分别为0.174、0.163、2.79、1.33 和5.42 mg·kg-1。经过分析发现总镉、总铅、总汞、总砷含量分别增加60.18%、45.75%、38.26%、31.39%。总铬含量下降9.02%。所有样品重金属含量均低于国家标准NY884-2012[13]有机肥料中极限值。微量重金属可满足植物生长需要，但肥料中重金属含量超过一定阈值会影响作物生长，甚至通过生物积累作用影响农作物品质[17]。数据表明，在牛饲养中重金属通过饲料添加剂在牛粪中富集，在用牛粪与秸秆厌氧发酵过程中，重金属含量逐渐增加。在沼渣农用过程中应进行重金属迁移持续监测，避免重金属在沼渣农用过程中造成二次污染。

表3　沼渣、牛粪及秸秆微量元素概况Table 3 Trace elements of biogas residue,cattle manure and straw(mg·kg-1)

表4　沼渣、牛粪及秸秆重金属含量概况Table 4 Heavy metal content of biogas residue,cattle manure and straw(mg·kg-1)

3　讨　论

通过测量沼渣中相关营养元素含量，对比牛粪与秸秆中原来含有营养元素发现，沼渣中纤维素含量较秸秆及牛粪中纤维含量无太大变化，由于纤维素是大分子物质，在厌氧发酵过程中如不能正确添加此类微生物源，厌氧发酵后产物中纤维素含量变化不大。在厌氧发酵过程中应适当添加纤维素降解微生物，使厌氧发酵过程更充分。通过比对含水量及pH变化发现，在厌氧发酵过程中，厌氧细菌通过分解有机物产生酸性物质，在厌氧发酵过程中适当调节厌氧发酵系统pH，为厌氧菌提供最佳生长环境，提高厌氧发酵效率及调节沼渣质量，以利沼渣后续农用。

通过比对厌氧发酵后沼渣与牛粪、秸秆中相关营养元素含量，可发现在厌氧发酵之前牛粪中有机质含量率高于发酵后沼渣，而发酵后沼渣中其他营养元素含量均高于牛粪中响应营养元素含量，推测在发酵过程中微生物通过分解有机物，产生大量营养元素使沼渣成为一种环保有机肥料。吴群通过研究发现沼渣中有机质含量丰富，其他养分含量较高，作底肥，可用于培肥改土，提高土壤肥力水平[18]。如需提高沼渣中营养元素含量，使发酵后沼渣更适合作农用肥施用，需提高发酵原料中有机质含量，研究如何调节发酵原料配比，提高沼渣营养元素含量。

通过测量沼渣中微量元素含量并对比牛粪、秸秆中原有微量元素含量发现，在厌氧发酵过程中，微生物对于牛粪和秸秆中微量元素无大量富集，使其减少。在沼渣农用过程中，由于微量元素不会被植物全部吸收，会有部分微量元素留在土壤中，段然研究表明，连续施用沼渣土壤如不能及时处理或注意沼渣施用量，会造成微量元素在土壤中富集，产生重金属污染[19]。如何控制微量元素在土壤中富集需深入研究。

通过测量沼渣中重金属元素含量，对比牛粪、秸秆中原有重金属含量可发现在厌氧发酵过程中，重金属元素在沼渣中大量富集。在沼渣农用过程中如不能很好控制重金属施用量会造成土壤重金属污染。刘研萍研究表明，牛粪中含有较多重金属，在进料中比例增大将提高沼渣中重金属含量[20]。厌氧发酵进料类型、进料比例、预处理方式均会对沼查中重金属含量产生影响。

4　结论

沼渣pH为7.71，有机质含量为495.3 g·kg-1，全量氮磷钾分别为21.12、19.22和18.52 g·kg-1，达到有机肥料标准，可直接利用。沼渣中Zn、Cu、Mn含量分别为207、245.2和298.2 mg·kg-1，达到有机肥料农用标准；沼渣中重金属总镉、总汞、总铅、总铬、总砷含量分别为0.437、0.264、5.143、1.22、7.9 mg·kg-1，低于国家标准规定有机肥料中限定值，可作农业生产有机肥料来源。

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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

中图分类号：X712

文献标志码：A

文章编号：1005-9369（2016）03-0059-05

作者简介：张颖（1968-），女，教授，博士，博士生导师，研究方向为环境污染生物修复。E-mail:zhangyinghr@hotmail.com

基金项目：黑龙江省高校科技创新团队建设项目（2013TD003）

收稿日期：2015-12-09