猪粪沼液理化性质对玉米种子萌发的影响

张艺菲，李浙灿，张力川，李淑芹，张晴雯，展晓莹

(1.中国农业大学 水利与土木工程学院,北京 100083；2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081)

在全球能源转型的大背景下，沼气作为一种新型的可再生能源，可以在发电、产热方面有效替代化石燃料[1]，减少温室气体排放[2]。沼气工程的副产品沼渣与沼液还可以作为有机肥还田，完成种养循环中物质与能量链的闭合，实现农业清洁生产。至2015年，我国农村沼气池产气量已达154 亿立方米，农村生活污水净化沼气池20 万个[3]。随着沼气工程的蓬勃发展，沼液产生量逐年增加，但其在生态环境效益方面的不确定性制约了当前沼气、生物天然气项目发展的商业化与产业化前景，合理施用沼液成为科学研究以及农业可持续发展的焦点。

目前，国内外对于沼液在农作物产量、品质、生态环境风险方面均有大量研究[4-6]。沼液与化肥1∶1施用，番茄和辣椒分别增产1.5与0.5倍[7]，萝卜的总糖含量比单施沼液高1.9倍，比单施化肥高1.5倍[8]。与单施化肥相比，施用沼液后甜瓜的硝酸盐含量降低60%[9]。且试验表明，适量的进行沼液灌溉不会造成土壤、作物中重金属的超标，沼液中的硝态氮也不会对周边水体造成污染[10-11]。然而，沼液还田还有一个风险受到的关注较少，即高浓度沼液灌溉导致的种子不萌发、烧苗或减产，也称之为沼液的植物毒性 (phytotoxicity)[12-13]。在实际生产过程中，由于厌氧发酵原料众多、发酵工艺有别、沼液无害化处理也缺少技术标准，农户很难判断沼液中的毒性因子是否过量。在国际上，欧盟监管机构认为可再生生物质能源的利用是实现《京都议定书》排放目标的一项策略，但真正实施起来又有太多的政策限制[13]。为规避这一风险，农户常采用粗放的方式，将沼液过度稀释或过度曝气后再用于灌溉还田。但这种方式在一定程度上妨碍了沼液的推广普及，也制约了农业废弃物利用的最大化。

本研究参照国际上确定植物毒性因子的手段，通过培养实验初步判断了沼液还田的环境安全性，探索了不同预处理条件对沼液理化性质的影响。以玉米种子为例，筛选了沼液的毒性因子并确定其对于实验品种的安全阈值。本研究可以为沼液的农田合理施用及推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 沼液的采集与基本理化性质测定

1.2 沼液的预处理

1.3 沼液的植物毒性实验

预处理后的沼液首先用于进行预试验，确定当沼液在稀释5倍及以上范围内时，会对玉米种子表现促进和抑制作用。进一步取更小的浓度梯度进行培养试验，因此将预处理完的沼液还需要分别稀释至1% (100倍)，3% (33倍)，6% (17倍)，10% (10倍)，15% (7倍)，20% (5倍)进行培养试验。试验选用的玉米种子为秋田MD311。手工挑选大小均匀饱满的种子，将种子先用清水冲洗干净，再用蒸馏水浸泡8 h，直径10 cm的培养皿中放置两层滤纸，蒸馏水润湿。浸泡好的种子摆放到培养皿中，每个培养皿摆放10粒。培养初始首先用移液枪取15 mL预处理后的沼液转移至培养皿中，之后只浇蒸馏水，置于27 ℃培养箱中培养，相对湿度为80%。每个浓度处理重复3次，对照组只浇蒸馏水。根据培养皿中的水分蒸发情况补充水份，每次每个处理浇等量的水。当对照组芽长超过20 mm时停止实验，用直尺量取种子的根长和芽长。人工计数的方法记录发芽数，种子芽长达到2 mm时认为种子萌发。指标的计算公式如下：

萌发指数(GI)：GI(%)=RSG×RGG×100%

式中：St和Rt为实验组的萌发率及根伸长长度，Sc和Rc为对照组的萌发率及根伸长长度。采用Excel 2013进行数据处理与函数拟合。

2 结果与讨论

2.1 沼液灌溉的环境安全性评价

沼液灌溉的生态环境风险一般考虑两个方面：重金属与硝酸盐污染。这2种污染物在土壤或水体中累积后，进入食物链后会给人体健康带来极大的威胁[11,16,22]。以《农田灌溉水质标准(GB5084-2005)》为基准，首先评价了所采用的沼液中重金属含量是否存在环境污染风险。由表1可以看出新鲜猪粪沼液As，Hg，Cu，Zn，Cd和Pb浓度均在安全阈值之内，引起土壤重金属污染的风险较小。新鲜沼液中，还原态氮是主要组成部分，硝态氮含量仅为总氮含量的0.05‰，硝酸盐与亚硝酸盐的风险相对较小。但沼液暴露在空气中，会通过硝化作用生产新的硝酸盐，这一风险应当考虑。

表1 新鲜猪粪沼液的理化性质

新鲜沼液的CODCr浓度较《农田灌溉水质标准》超标43.6倍，说明还原性物质与有机物含量严重超标。电导率高达2.0×103μs·cm-1，表明盐分离子含量高。具体来看，铵盐浓度为1558 mg·L-1，总磷浓度为300 mg·L-1(超标30倍)、总钾1390 mg·L-1，均处于较高水平。氮、磷、钾为植物生长的必需营养元素，可通过脱氮除磷的无害化处理技术使其浓度符合农用标准后再灌溉施用。且沼液中还含有少量的铁元素，对于玉米有壮苗作用[16-17]。

2.2 不同预处理对沼液理化性质的影响

厌氧发酵的沼液通过不同时长的静置和曝气处理，理化性质均发生了变化。预处理7天，沼液pH值呈上升趋势，静置与曝气处理的pH值分别增加了10%与15%(见图1)。吴华山[23]等的研究也发现，猪粪沼液储存3个月，pH值先增加后降低，最终趋于中性。由厌氧环境转换为好氧环境，沼液中各种无机离子以及多种有机酸发生的化学反应非常复杂[23]，pH值的变化不是由单一反应决定的。接触或通入氧气后，沼液的化学需氧量并没有降低，反而升高，这是由于在静置或曝气过程中的水分蒸发导致的[24]，这一“浓缩”作用使得沼液的CODCr浓度略有提高(JZ：8%；PQ：4%)(见图2)。预处理7天时间内，沼液的电导率下降了17%(JZ)与19%(PQ)，前期曝气处理的下降速率比静置处理要快，至第7天时，二者无差别(见图3)。电导率下降的主要原因总氮含量的下降(见图4)，尤其是铵态氮含量大幅度降低导致的。新鲜猪粪沼液预处理7天后，静置处理的沼液铵态氮含量下降了56%，曝气处理下降了87%(见图5)。铵态氮占总氮的浓度由91%分别下降到75%(JZ处理)与34%(PQ处理)，减少的铵态氮只有极少一部分转化为硝态氮(见图6)。结果表明，至预处理第7天曝气处理的硝态氮占总氮含量为16%，静置处理仅为2%。大部分铵根离子在碱性环境中生成了氨气挥发进入大气。在实际生产中，如通过曝气进行沼液无害化处理，应对这部分氨气进行有效回收，降低对大气环境的污染[1]。

图1 预处理对pH值的影响

图2 预处理对CODCr的影响

图3 预处理对EC值的影响

图4 预处理对TN值的影响

图5 预处理对值的影响

图6 预处理对值的影响

沼气发酵一般分为3个过程：水解过程、产酸过程和产甲烷过程，挥发性有机脂肪酸，如乙酸、丙酸、乳酸等是产酸过程的主要产物[23]。研究表明碳链越长植物毒性越大[25]，因此本研究选择乳酸为研究对象进行分析。由图7可以发现，在预处理的7天中，乳酸含量呈现先升高后降低的趋势。这可能是因为沼液中富含的乳酸菌将碳水化合物合成为了乳酸。预处理7天，总磷浓度持续增加(见图8)，总钾浓度在第3天有显著的下降，随后缓慢上升(见图9)。从长时间的猪粪储存来看，由于磷酸根与钾离子均会被沼液中的固体悬浮物吸附下沉，加上磷酸根离子还会与金属离子产生反应形成沉淀，总磷和总钾含量最终均会降低[24]。本研究的预处理时间较短，水分蒸发作用导致的“浓缩”作用可能是造成这两种元素浓度的短暂上升的原因。曝气处理与空气接触多，除了总磷与总钾含量外，其它理化性质的变化幅度均较静置处理更大。

图7 预处理对LA值的影响

图8 预处理对TP值的影响

图9 预处理对TK值的影响

2.3 沼液理化性质对玉米种子生根发芽的影响

从图1～图9中可以看出，经过预处理后的沼液COD，盐离子浓度仍然很高。因此，种子的发芽试验需要对上述沼液进行进一步的稀释。稀释后沼液的理化性质与相对发芽率、相对根长、萌发指数的函数拟合关系如下列各图所示。

本研究结果表明，电导率在0～4160 μs·cm-1范围内，发芽率没有受到显著影响(见图10)。但电导率的大小显著影响了玉米种子的相对根长和萌发指数(p<0.01，见图11和12)。在小于2500 μs·cm-1时，随着电导率的增加相对根长增加，随后降低，萌发指数的变化规律与相对根长一致。萌发指数的最高值为104%，对应的电导率为2250 μs·cm-1。电导率反映的是沼液中盐离子的含量，具体是哪一种盐分对萌发指数造成了这种先促进后抑制的影响需要进一步分析。

图10 电导率对玉米种子相对发芽率的影响

图11 电导率对玉米种子相对根长的影响

图12 电导率对玉米种子萌发指数的影响

图13 玉米种子相对发芽率与TN的变化关系

图14 玉米种子相对根长与TN的变化关系

图15 玉米种子萌发指数与TN的变化关系

图16 玉米种子相对发芽率与的变化关系

图17 玉米种子相对根长与的变化关系

图18 玉米种子萌发指数与的变化关系

图19 玉米种子相对发芽率与的变化关系

图20 玉米种子相对根长与的变化关系

图21 玉米种子萌发系数与的变化关系

图22 玉米种子相对发芽率与LA的变化关系

图23 玉米种子相对根长与LA的变化关系

图24 玉米种子萌发系数与LA的变化关系

沼液中总磷和总钾的浓度与相对发芽率均没有显著相关性(见图25和图28)。随着2种元素浓度的增加，RRG和GI都呈现线性增加的趋势，二者与总磷浓度呈极显著相关(p<0.01，见图26与图27)，与总钾浓度为显著相关(p<0.05，见图29～图30)，说明总磷浓度与种子的相对根长和萌发指数相关性更显著，且经过处理后的沼液中的磷对玉米种子根的生长有一定的促进作用。

图25 玉米种子相对发芽率与TP的变化关系

图26 玉米种子相对根长与TP的变化关系

图27 玉米种子萌发系数与TP的变化关系

图28 玉米种子相对发芽率与TK的变化关系

图29 玉米种子相对根长与TK的变化关系

图30 玉米种子萌发系数与TK的变化关系

3 结论

(1)本研究所选择的新鲜猪粪沼液引起土壤重金属污染的风险较小。

(2)铵态氮与乳酸是猪粪沼液中的植物毒性因子。对于实验品种秋田MD311来说，达到最大萌发指数对应的铵态氮与乳酸的浓度为186 mg·L-1与35.8 mg·L-1。

(3)猪粪沼液中氨态氮与乳酸的浓度高于336 mg·L-1与61 mg·L-1时，具备植物毒性，不可直接还田。实际生产中，通过静置和曝气结合稀释灌溉可降低二者的含量。