劉 闖,王超軍,馬興冠,姜 悅,吳志博,張 黎,傅金祥
(沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)
新中國成立以來,農(nóng)業(yè)施肥結(jié)構(gòu)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變,有機(jī)肥已逐漸被商業(yè)化肥所取代,人畜糞尿的土壤消納量不斷減少[1]。農(nóng)村廁所糞污既是污染源,也是重要的有機(jī)肥資源。2015年農(nóng)業(yè)部印發(fā)的《到2020年化肥使用量零增長行動方案》提出,在農(nóng)業(yè)種植等方面要提高有機(jī)肥的利用率。2021年的中央一號文件提出,要“實施農(nóng)村人居環(huán)境整治提升五年行動”,“分類有序推進(jìn)農(nóng)村廁所革命”。在農(nóng)村改廁過程中,糞尿治理是農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)體系建設(shè)和農(nóng)村環(huán)境綜合整治的先行工程,是構(gòu)建“糞尿收集-肥料生產(chǎn)-農(nóng)田施用-食物轉(zhuǎn)化-人類利用”的物質(zhì)循環(huán)體系的基礎(chǔ)[2]。
尿液、糞便中含有很多可供作物利用的營養(yǎng)物質(zhì)。研究顯示,人均每年的排泄物為尿液500 kg、糞便50 kg,其中含有的N、P、K營養(yǎng)元素總量分別為5.7、0.6、1.2 kg[3]。當(dāng)下,源分離廁所技術(shù)已經(jīng)漸趨成熟,集中收集農(nóng)村廁所的尿液和糞便成為可能。將尿液和糞便中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化,實現(xiàn)資源化利用是當(dāng)前研究的熱點。
適用于農(nóng)村廁所糞污處理的技術(shù)較多,其中,好氧發(fā)酵與厭氧消化技術(shù)較為成熟[4]。但傳統(tǒng)的好氧發(fā)酵過程中堆體溫度較低,有機(jī)物并不能完全分解,發(fā)酵時間較長,且存在發(fā)酵產(chǎn)物不能完全腐熟、無害化不徹底等問題。針對上述弊端,近年來研究人員提出了超高溫菌好氧發(fā)酵工藝。該工藝可加快好氧發(fā)酵的進(jìn)程,縮短發(fā)酵周期,且在高溫狀態(tài)下可有效去除堆體中的病原微生物,發(fā)酵產(chǎn)物腐熟度高。適用于尿液的處理技術(shù)主要有電化學(xué)、離子交換吸附、磷酸銨鎂沉淀等,其中,磷酸銨鎂沉淀技術(shù)較為成熟,可同時回收尿液中大部分的磷和氨氮,且磷酸銨鎂有做肥料的潛質(zhì)[5-9]。
我國是世界上蔬菜種植面積最大的國家,據(jù)統(tǒng)計,2021年我國僅大棚蔬菜的栽培面積就達(dá)到413.33萬hm2[10]。隨著人們生活水平的提高,目前蔬菜生產(chǎn)的目標(biāo)已經(jīng)由“提高產(chǎn)量”向“重視品質(zhì)”轉(zhuǎn)變,如何降低蔬菜的硝酸鹽含量等已成為相關(guān)研究的熱點[11]。茼蒿作為葉菜類蔬菜的典型代表,生長周期短[12],對肥料的依賴性較高且十分敏感,需要充足的肥料來提供養(yǎng)分[13-14]。本研究將糞便經(jīng)超高溫菌發(fā)酵的產(chǎn)物與由尿液制備的磷酸銨鎂配施,作用于茼蒿,采用盆栽試驗的方式,探究其對茼蒿生物量、品質(zhì)等方面的影響,旨在為提高人糞尿的資源化利用水平、改善農(nóng)村地區(qū)生態(tài)環(huán)境、發(fā)展農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)等提供理論依據(jù)。
試驗于2022年3月至2022年6月在沈陽建筑大學(xué)實驗室內(nèi)進(jìn)行。供試土壤系采自沈陽建筑大學(xué)校內(nèi)的黑色土,經(jīng)測定,土壤pH值為6.63,有機(jī)質(zhì)含量22.8 g·kg-1,全氮含量1.78 g·kg-1,全磷含量0.96 g·kg-1,全鉀含量15.43 g·kg-1,銨態(tài)氮含量37.8 mg·kg-1,有效磷含量89.6 mg·kg-1,速效鉀含量143.56 mg·kg-1。
供試茼蒿品種為光桿,種子購自沈陽金富友種子有限公司。
供試復(fù)合肥(N、P2O5、K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13%、15%、17%)由遼寧宇恒肥業(yè)科技有限公司生產(chǎn)。
用尿液制備磷酸銨鎂,基本工藝參數(shù)簡述如下:沉淀劑組合為MgCl2·6H2O、Na2HPO4·12H2O,pH值為9,Mg、N質(zhì)量比為1.2∶1.0,P、N質(zhì)量比為1.1∶1.0,攪拌速率為340 r·min-1,攪拌時間為20 min。經(jīng)X射線衍射(XRD)測定,制得的磷酸銨鎂晶體的純度為93.5%。對由尿液制備的磷酸銨鎂進(jìn)行包膜(制作過程主要包括對桐油進(jìn)行加熱、控溫、拌和、干燥4個部分),制成包膜緩釋肥,制備的磷酸銨鎂和包膜緩釋肥的氮、磷元素含量比均為5∶12。
糞便在超高溫菌好氧發(fā)酵工藝的作用下制備有機(jī)肥,制備過程中無需外加熱源,最高發(fā)酵溫度即可達(dá)到90 ℃以上,發(fā)酵周期僅為10 d,較傳統(tǒng)的好氧發(fā)酵效率更高。經(jīng)測定,制備的有機(jī)肥的理化性質(zhì)如下:pH值7.52,有機(jī)質(zhì)含量46.77%,全氮含量3.92 g·kg-1,銨態(tài)氮含量1 450 mg·kg-1,有效磷含量194 mg·kg-1,含水率28.13%,種子發(fā)芽指數(shù)97.78%,糞大腸菌群未檢出,Cd、Pb、Cr含量分別為1.65、8.54、3.03 mg·kg-1,各項指標(biāo)符合NY/T 525-2021《有機(jī)肥料》的要求,確定糞便超高溫菌發(fā)酵產(chǎn)物可以作為有機(jī)肥應(yīng)用于農(nóng)作物種植。
試驗儀器主要包括:S20 SevenEasyTMpH酸度計,瑞士METTLER TOLEDO;日立z-5000原子吸收分光光度計,日本Hitachi;SR-721可見分光光度計,上海光譜儀器有限公司;EMS-19A六頭加熱磁力攪拌器,天津市歐諾儀器儀表有限公司;DHG9140電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海予英儀器有限公司;THZ-A氣浴恒溫振蕩器,常州諾基儀器有限公司;HH-8數(shù)顯電熱恒溫水浴鍋,上海保玲儀器設(shè)備有限公司;SKML電熱板,北京中興偉業(yè)儀器有限公司。
依照使用的肥料品種的差異,試驗共設(shè)復(fù)合肥(T1)、復(fù)合肥+有機(jī)肥(T2)、包膜緩釋肥(T3)、包膜緩釋肥+有機(jī)肥(T4)、磷酸銨鎂(T5)、磷酸銨鎂+有機(jī)肥(T6)、有機(jī)肥(T7)和不施肥的對照(CK)共8個處理,每個處理重復(fù)3次,隨機(jī)排列。
采用盆栽方式種植茼蒿,花盆直徑為22 cm,每盆裝土2 kg。查閱相關(guān)資料[15]后,確定各處理下每盆的有機(jī)肥施用量為40 g,無機(jī)肥(含復(fù)合肥、包膜緩釋肥、磷酸銨鎂)的每盆施用量為2.35 g。包膜緩釋肥和有機(jī)肥均一次性基施;磷酸銨鎂和復(fù)合肥除基施50%外,分別于生長15、30 d時各追肥一次,各次的肥料施用比例為50%∶25%∶25%?;适┤牒笈c土壤混勻,將浸泡好的茼蒿種子投加到土壤中,每盆10株,每株間距2~3 cm,覆土1 cm,定期定量澆水。供試茼蒿在15~25 ℃生長[16],整個生長周期為60 d。
茼蒿生長60 d后進(jìn)行破壞性采收,測定成活率,采用米尺測量株高,用游標(biāo)卡尺測量莖粗和根系長度。使用無菌水清洗茼蒿植株,待其干燥后,以每盆中隨機(jī)取的5株作為一個整體,統(tǒng)計鮮重(含地上部和地下部),折算產(chǎn)量。取部分植株的鮮樣,采用2,6二氯靛酚滴定法[17]測定植物樣品的維生素C(VC)含量,采用銅還原碘量法[18]測定植物樣品的可溶性糖含量,采用紫外分光光度法[19]測定植物樣品的硝酸鹽含量。剩余部分樣品先于105 ℃殺青15 min,然后在60 ℃烘至質(zhì)量恒定,用于測定N、P含量,以及折算干重和N、P積累量。植物樣品經(jīng)硫酸和過氧化氫消煮后,采用凱氏定氮法測定植株氮含量,采用鉬銻抗分光光度法測定植株磷含量。
采用Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)。運(yùn)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析,對有顯著(P<0.05)差異的,采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行多重比較。采用Origin 2017軟件制圖。
各處理相比,CK的茼蒿成活率最低,顯著低于其他處理(圖1);T3、T4、T6處理的茼蒿成活率無顯著差異,但均顯著高于其他處理,較CK高出15%左右。添加有機(jī)肥與不添加有機(jī)肥的處理相比,T2的茼蒿成活率顯著高于T1,T6的茼蒿成活率顯著高于T5,說明在本試驗條件下,除包膜緩釋肥外,在復(fù)合肥或磷酸銨鎂的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥可進(jìn)一步提高茼蒿的成活率。
柱上無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters in the same column indicate significant difference at P<0.05. The same as below.圖1 不同處理對茼蒿成活率、株高、莖粗的影響Fig.1 Effects of treatments on the survival rate, plant height and stem thickness of Chrysanthemum coronarium
與CK相比,各施肥處理的茼蒿株高均顯著增加,其中,T2、T4處理的茼蒿株高最高,顯著高于除T1外的其他處理,說明復(fù)合肥(無論是否搭配有機(jī)肥)或包膜緩釋肥配施有機(jī)肥,在試驗條件下最有助于促進(jìn)茼蒿的株高增加。
與株高類似,同CK處理相比,各施肥處理的茼蒿莖粗均顯著增加,其中,T1、T2處理的茼蒿莖粗最大,顯著高于其他處理。添加有機(jī)肥與不添加有機(jī)肥的處理相比,T4處理的莖粗較T3顯著增加,T6處理的莖粗較T5顯著增加,說明有機(jī)肥的配施,可進(jìn)一步發(fā)揮磷酸銨鎂或包膜緩釋肥的肥效,更好地促進(jìn)茼蒿植株的生長。
從茼蒿鮮重來看,CK最小,顯著低于其他處理(圖2)。各施肥處理中,以T2、T4處理的鮮重最大,且顯著高于其他處理。與不添加有機(jī)肥的處理相比,在無機(jī)肥的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥的各處理的鮮重均顯著增大(T2處理的鮮重顯著大于T1,T4處理的鮮重顯著大于T3,T6處理的鮮重顯著大于T5)。
在測定鮮重和干重時,以5株茼蒿為一整體進(jìn)行測算,結(jié)果為5株茼蒿生物量的總和。For the measurement of fresh weight and dry weight, 5 plants were taken as a whole, and the data in the above figures reflect the overall biomass of 5 plants.圖2 不同處理對茼蒿鮮重、干重、根系長度和產(chǎn)量的影響Fig.2 Effects of treatments on the fresh weight, dry weight, root length and yield of Chrysanthemum coronarium
從茼蒿的干重來看,同樣以CK最小,顯著低于其他處理,T2處理的茼蒿干重最大,顯著高于其他處理,T4處理次之。與不添加有機(jī)肥的處理相比,在復(fù)合肥、包膜緩釋肥的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥的處理的干重顯著增大,具體表現(xiàn)為T2處理的茼蒿干重顯著高于T1,T4處理的茼蒿干重顯著高于T3。
在茼蒿的根系長度上,同樣以CK最小,顯著低于其他處理。各施肥處理的茼蒿根系長度均有顯著差異,由大到小依次為T4>T2>T6>T1>T5>T3>T7,未施加有機(jī)肥的T1、T3、T5處理與相應(yīng)的施加有機(jī)肥的T2、T4、T6處理對比,差異顯著,說明在供試無機(jī)肥的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥可促進(jìn)根系伸長。
從茼蒿的產(chǎn)量上看,與不添加有機(jī)肥的處理相比,在無機(jī)肥的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥的各處理的產(chǎn)量均顯著增大(T2處理的產(chǎn)量顯著大于T1,T4處理的產(chǎn)量顯著大于T3,T6處理的產(chǎn)量顯著大于T5)。不施有機(jī)肥的各處理中,T1處理的產(chǎn)量最高,達(dá)24.83 t·hm-2;施用有機(jī)肥的各處理中,T4處理的產(chǎn)量最高。
綜上,從鮮重、干重、根系長度和產(chǎn)量上判斷,在包膜緩釋肥的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥的效果最好。對比同一處理的干重、鮮重數(shù)據(jù),在環(huán)境相同并控制澆水量相同的情況下,有機(jī)肥與包膜緩釋肥、磷酸銨鎂配施的茼蒿的含水率較高,更有助于茼蒿對水分的吸收。
各處理相比,CK的N、P累積量均最低,且顯著低于其他處理(圖3)。各施肥處理的茼蒿N累積量均差異顯著,從高到低依次為T2>T6>T4>T1>T3>T5>T7。不施用有機(jī)肥的各處理中,T1處理的N累積量最高,為2.15 g·kg-1;施用有機(jī)肥的各處理中,T2處理的N累積量最高,為3.64 g·kg-1。與不添加有機(jī)肥的處理相比,在無機(jī)肥的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥的各處理的N累積量均顯著增大。在有機(jī)肥的作用下,磷酸銨鎂較包膜緩釋肥更有利于茼蒿對N的吸收。
圖3 不同處理對茼蒿N、P累積量的影響Fig.3 Effects of treatments on N, P accumulation of Chrysanthemum coronarium
在茼蒿的P累積量上,未添加有機(jī)肥的T1、T3、T5處理差異顯著,以T5處理的P累積量最高,為1.47 g·kg-1,T1處理次之;施加有機(jī)肥的T2、T4、T6處理差異顯著,以T6處理的P累積量最高,為1.68 g·kg-1,T4處理次之。與不添加有機(jī)肥的處理相比,在無機(jī)肥的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥的各處理的P累積量均顯著增大,表明在試驗條件下,在供試無機(jī)肥的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥可促進(jìn)茼蒿對P的累積。
各處理下,茼蒿的可溶性糖含量以CK最低,且顯著低于其他處理(圖4)。不添加有機(jī)肥的各處理差異顯著,從高到低依次為T5>T3>T1,T5處理的可溶性糖含量最高,為4.96%;添加有機(jī)肥的各處理同樣差異顯著,從高到低依次為T6>T4>T2,T6處理可溶性糖含量最高,為5.49%。上述結(jié)果說明,配施有機(jī)肥后,磷酸銨鎂、包膜緩釋肥對茼蒿的效果更好。這可能是因為,磷肥可以促進(jìn)茼蒿內(nèi)部可溶性糖的運(yùn)輸和積累,有機(jī)肥可促進(jìn)磷酸銨鎂、包膜緩釋肥中磷的釋放,進(jìn)而提高茼蒿的可溶性糖含量。
圖4 不同處理對茼蒿營養(yǎng)品質(zhì)的影響Fig.4 Effects of treatments on the nutrional qualties of Chrysanthemum coronarium
各處理相比,CK的VC含量最低,顯著低于其他處理。不添加有機(jī)肥的各處理中,T1處理的茼蒿VC含量最高,為80 g·kg-1,顯著高于T3、T5處理(T3與T5處理差異不顯著);添加有機(jī)肥的各處理中,T2、T4處理的VC含量無顯著差異,均顯著高于T6處理。與不添加有機(jī)肥的處理相比,在無機(jī)肥的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥的各處理的茼蒿VC含量均顯著增大,說明在供試無機(jī)肥的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥可進(jìn)一步提高茼蒿的VC含量。
硝酸鹽含量是衡量蔬菜質(zhì)量的重要指標(biāo),其含量主要與土壤肥力、肥料用量有關(guān),過高的硝酸鹽含量可能會對食用后的人體健康產(chǎn)生潛在威脅。各處理相比,CK的硝酸鹽含量最低,顯著低于其他處理。與不添加有機(jī)肥的處理相比,在無機(jī)肥的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥的各處理的茼蒿硝酸鹽含量均顯著增大。不配施有機(jī)肥的處理中,T1處理的硝酸鹽含量最高,T3最低,且二者均與T5處理差異顯著;配施有機(jī)肥的處理中,T2處理的硝酸鹽含量最高,T4最低,且二者均與T6處理差異顯著。上述結(jié)果說明,在配施有機(jī)肥的情況下,包膜緩釋肥或磷酸銨鎂較復(fù)合肥更有助于保證茼蒿的品質(zhì)。
在環(huán)境一致的條件下,不同肥料處理下的茼蒿成活率不盡相同。不配施有機(jī)肥時,單獨施用磷酸銨鎂或磷酸銨鎂包膜緩釋肥的茼蒿成活率要顯著高于商品復(fù)合肥。在復(fù)合肥或磷酸銨鎂的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥后,茼蒿的成活率進(jìn)一步顯著提高。主要原因是,相較于養(yǎng)分釋放較迅速的復(fù)合肥,磷酸銨鎂或包膜緩釋肥的肥效釋放相對緩慢,在茼蒿生長前期不會產(chǎn)生燒苗現(xiàn)象,施加的有機(jī)肥在提供肥力的同時也改善了土壤的理化性狀,從而更利于種子的萌發(fā)和幼苗成活。這與古今等[20]發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥配施有利于燈盞花種子萌發(fā)的結(jié)果類似。
不配施有機(jī)肥時,從茼蒿的株高、莖粗上來看,包膜緩釋肥的效果要遜于復(fù)合肥和磷酸銨鎂。包膜緩釋肥前期的養(yǎng)分釋放較緩慢,可能會因養(yǎng)分釋放量不足而影響茼蒿的生長。在包膜緩釋肥的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥后,茼蒿的株高、莖粗均顯著增加。這可能是因為,有機(jī)肥不僅含有有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素,還含有多種活性物質(zhì),有助于緩解單獨施用包膜緩釋肥前期養(yǎng)分釋放較少的問題,從而加快茼蒿生長發(fā)育的進(jìn)程。這與張紅梅等[21]發(fā)現(xiàn)適量施加有機(jī)肥可以提高黃瓜株高的結(jié)果類似。
施用有機(jī)肥可以提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量,改善土壤的理化性質(zhì),提高土壤的微生物含量,促進(jìn)作物根系的伸展和對養(yǎng)分的吸收。馬忠明等[22]研究了配施有機(jī)肥對釀酒葡萄的影響,發(fā)現(xiàn)配施有機(jī)肥后葡萄產(chǎn)量明顯提升。Gezahegn等[23]研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)肥與無機(jī)肥配施可有效提高后茬玉米的產(chǎn)量。Love等[24]研究發(fā)現(xiàn),75%有機(jī)氮與25%無機(jī)氮的組合下,籽粒莧的籽粒產(chǎn)量最高。本研究發(fā)現(xiàn),在各供試無機(jī)肥的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥均可顯著提高茼蒿的產(chǎn)量。相較于復(fù)合肥,包膜緩釋肥的養(yǎng)分含量低、施肥次數(shù)較少。單獨施用包膜緩釋肥時,茼蒿的產(chǎn)量顯著低于單獨施用復(fù)合肥的處理;但當(dāng)二者都與有機(jī)肥配施后,茼蒿產(chǎn)量并無顯著差異。這說明,在本試驗條件下,包膜緩釋肥配施有機(jī)肥可滿足茼蒿在整個生長周期的養(yǎng)分需求。這與丁文娟等[25]研究發(fā)現(xiàn)生物有機(jī)肥可以促進(jìn)香蕉的生長,并提高香蕉產(chǎn)量的結(jié)果類似。
提高肥料利用效率是實現(xiàn)蔬菜高效生產(chǎn)的重要途徑。黃國弟[26]認(rèn)為,提高肥料利用率的途徑包括推廣使用長效肥、緩釋肥,提倡使用生物有機(jī)肥和有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥。廖義善等[27]研究發(fā)現(xiàn),在適宜用量水平下,化肥配施有機(jī)肥可有效減少稻田的氮、磷損失,氮、磷肥的農(nóng)學(xué)效率分別增長24.6%~84.4%、12.8%~78.9%。本研究中,不配施有機(jī)肥時,包膜緩釋肥因養(yǎng)分釋放速率要慢于復(fù)合肥,茼蒿內(nèi)部的N、P累積量較低。包膜緩釋肥配施有機(jī)肥后,茼蒿的N、P累積量均顯著提高。其他無機(jī)肥與有機(jī)肥配施后,茼蒿的N、P累積量亦顯著增加。推測其主要原因是,常規(guī)化肥具有養(yǎng)分高、肥效快的特點,但持效期短,有機(jī)肥養(yǎng)分全面,肥效長,并且可以改良土壤,兩者配合,能更好地發(fā)揮肥效,提高養(yǎng)分的有效性和利用率。這與許晶晶等[28]發(fā)現(xiàn)的化肥配施有機(jī)肥能提高小麥肥料利用率的結(jié)論類似。
研究表明,適量施用有機(jī)肥可顯著提高作物的品質(zhì)。鄧妍等[29]研究發(fā)現(xiàn),生物菌肥與無機(jī)肥配施有利于提高藜麥的品質(zhì)。何翠等[30]研究了無機(jī)肥配施有機(jī)肥對番茄的影響,發(fā)現(xiàn)適量增施有機(jī)肥能提高番茄果實中的Vc含量,并降低硝酸鹽含量。本研究發(fā)現(xiàn),與不施肥的CK相比,各施肥處理均能顯著增加茼蒿的VC、可溶性糖含量。在供試無機(jī)肥的基礎(chǔ)上,配施有機(jī)肥后,茼蒿的可溶性糖、VC含量均進(jìn)一步顯著增加。這與趙征宇等[31]關(guān)于有機(jī)肥與無機(jī)肥配施對番茄品質(zhì)影響的結(jié)論相符。
綜合茼蒿的成活率、產(chǎn)量、營養(yǎng)品質(zhì)等指標(biāo)判斷,在試驗條件下,將由尿液制備的磷酸銨鎂包膜緩釋肥與由糞便在超高溫菌好氧發(fā)酵工藝下制備的有機(jī)肥配合施用,有利于茼蒿的種植與品質(zhì)改善。二者的配合施用,可克服常規(guī)肥料養(yǎng)分釋放快和單獨施用包膜緩釋肥養(yǎng)分釋放慢的弊端,提高肥料的利用效率,利于蔬菜生產(chǎn),同時也實現(xiàn)了對糞污的資源再利用。