生物腐植酸制取及应用效果试验研究

生物腐植酸制取及应用效果试验研究_2014年论文集

生物腐植酸制取及应用效果试验研究

程红胜1，2　张玉华1，2　沈玉君1，2　向　欣1，2　罗　煜1，2

（1　农业部规划设计研究院　北京　100125　2　农业部农业废弃物能源化利用重点实验室　北京　100125）

摘　要：我国畜禽粪便资源丰富，但因其资源化产品附加值低而被随意丢弃，成为主要的农业面源污染源。本研究以猪粪为主要原料，添加3种专用微生物菌剂，采用好氧发酵方法制取高生物腐植酸含量制品，同时考察生物腐植酸材料对堆肥重金属钝化效果影响，并采用盆栽试验分析生物腐植酸对促进植物生长、提升土壤肥力，以拓展畜禽粪便资高值化利用途径。研究结果表明：(1)添加菌剂处理有利于提高发酵物料的腐植酸含量，菌剂A处理效果最佳，生物腐植酸含量达到15%以上，生物腐植酸提高率达112%以上；(2)与单施化肥相比，施用生物腐植酸肥料能明显增加油菜产量、提高土壤养分含量和有机质含量、改良土壤理化性质，与施用矿物腐植酸和有机肥相比，施用生物腐植酸肥料效果更佳。(3)添加JBW生物腐植酸对重金属Cu、Pb、Zn和Cd表现出相对较好的钝化能力，对重金属Zn的钝化率为64.94%。研究结果表明，采用猪粪添加菌剂发酵制取高生物腐植酸含量制品是一条可行的途径，可用作土壤改良剂、重金属钝化剂等，市场前景广阔。

关键词：生物腐植酸　畜禽粪便　菌剂　重金属　钝化　堆肥

Experimental Study on Preparation and Effect of Biological Humic Acid

Cheng Hongsheng1,2, Zhang Yuhua1,2, Shen Yujun1,2, Xiang Xin1,2, Luo Yu1,2

(1 Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beijing, 100125　2 Key Laboratory of energy resource utilization from agriculture residue, Ministry of Agriculture, Beijing, 100125)

Abstract: China was rich in animal manure resources, because of its low value-added products, most of them were discarded and become the main source of agricultural non-point source pollution.To investigate effects of biological humic acid content in different microbial inoculums and effects of heavy metal passivating agents in different biological humic acids, composting experiment had been conducted by using three different microbial inoculums and two different biological humic acids.To investigate effects of soil, pot experiment had been conducted by using three different humic acids.The results showed: (1)Biological humic acid increased by 112%, reaching 15% of treatment of A1.(2)Compared with single application of chemical fertilizer, application of biological humic acid fertilizer could increase the crop of rapeseed, increased the content of soil nutrient and organic matter, improved soil physical and chemical properties.Compared with the effect of mineral acid and organic fertilizer, biological humic acid was better.(3)JBW biological humic acid were the best passivation for Cu, Pb, Zn and Cd, respectively.The passivation effectiveness of heavy mental passivation on exchangeable heavy metals Zn was 64.94%, respectively.The experiment results showed that it is feasible to produce fertilizer containing high biological humic acid content by using pig manure.Biological humic acid as heavy metal passivation material on pig manure composting and modifier on soil is practicable.

Key words: biological humic acid; pig manure; microbial inoculum; heavy metals; passivating agents; composting

生物腐植酸一般是指生物质资源(主要是有机废弃物)经过微生物分解和转化作用形成的一种富含微生物的小分子腐植酸类物质，在结构上富含羧基、羟基等活性官能团；在组分上富含黄腐酸，同时伴有大量有益微生物[1]。生物腐植酸在农业生产中，具有改良土壤、增加肥效、节水抗旱、增产提质等功效[2，3]。开发以生物腐植酸为核心的功能产品技术，不仅有利于促进生物腐植酸产业发展，而且对推动有机废弃物资源的高效循环利用，保护农村生态环境，实现农业可持续发展具有重要意义[4，5]。

生物腐植酸主要来源于农业有机废弃物的微生物转化，已有的研究表明生物腐植酸发酵菌剂、原料对发酵产物中生物腐植酸含量的高低有重要影响。目前生物腐植酸发酵菌剂筛选的研究主要针对餐厨垃圾、蔗渣、果蔬原料，已筛选出适合餐厨垃圾、蔗渣、苹果渣、蔬菜废弃物、甜高粱汁原料的较优复合菌剂，发酵后产物中生物腐植酸含量达到17%以上[6～9]；针对畜禽粪便原料的研究较少，相关发酵菌剂以自然采集为主，发酵产物中生物腐植酸含量较低，小于5%[10～12]。生物腐植酸的功能性研究集中在农学效果方面，且以作物增产和品质提升研究为主，针对土壤质量提升的较少，尚未形成针对性的产品；在生物腐植酸治理重金属等面源污染方面的研究还处于空白。

针对畜禽粪便资源化产品附加值低而浪费严重的现状，本研究以猪粪为原料，通过研究不同菌剂对提高发酵产物中生物腐植酸含量的影响，初步筛选适合猪粪原料发酵制生物腐植酸的菌剂，为开展畜禽粪便规模化制取高生物腐植酸制剂奠定基础；通过研究生物腐植酸对畜禽粪便堆肥化过程中重金属形态的影响，为畜禽粪便堆肥过程中重金属的钝化技术研发提供理论依据；通过开展生物腐植酸肥对植物生长及土壤肥力的影响效果试验，考察生物腐植酸制剂对植物生长及土壤肥力的影响规律及应用前景。

1　不同菌剂对畜禽粪便发酵制取生物腐植酸效果影响[13]

菌剂是有机废弃物发酵制取生物腐植酸的重要添加物，添加菌剂可以促进发酵物料中大分子有机物质如纤维素、半纤维素、木质素等分解，并将其转化为生物腐植酸类物质，加快堆肥发酵进程，对发酵产物中生物腐植酸含量高低有重要影响，受菌剂来源及种类影响，普遍存在生物腐植酸含量低的问题。

以猪粪和秸秆为发酵原料，选择3种生物腐植酸发酵专用菌剂(原料菌剂性质如表1、表2所示)，以自然堆沤发酵工艺为基础，调节混合物料C/N至25，含水率至65%，按添加不同菌剂设置4个处理，分别为：A1：A菌剂；A2：B菌剂；A3：C菌剂；ACK：不添加，菌剂添加量按0.3%(以发酵物料鲜重)，试验周期为28天，将各原料混合均匀，并堆成高度为1000 mm，底端为直径1000 mm的锥形堆，每隔5天翻堆1次。

表1　原料理化性质分析

表2　菌剂成分分析

1.1　不同菌剂对生物腐植酸制取效果影响

由图1可知，利用自然堆沤发酵可以有效提高猪粪发酵产物中的生物腐植酸中黄腐酸含量，相对初始发酵原料(黄腐酸含量为7.37%)，生物腐植酸含量提到率达58.7%以上；添加菌剂可以提高发酵产物中的生物腐植酸含量，相对不添加菌剂对照，生物腐植酸提高率在3.92%～58.64%，表明采用猪粪添加菌剂自然堆沤发酵制取高生物腐植酸含量制剂是可行的；不同菌剂处理提升效果也不同，最高含量达15.63%以上，最高提高率达112%以上，各处理产酸效果由好到差依次为A1>A2>A3>A4(CK)；菌剂成分对发酵产物中的生物腐植酸中黄腐酸最高含量有影响，从试验结果来看，菌剂A的作用效果最佳，这可能是菌剂A中菌种以芽孢杆菌为主，芽孢杆菌对纤维素类物质有较好的分解效果，而猪粪中又含有大量的纤维素和半纤维素物质，为菌剂A提供较优的生长环境，促进发酵物料中生物腐植酸的合成。

图1　不同菌剂对产酸效果影响

Fig.1 Effects of different microbial inoculums in biological humic acid production

1.2　不同菌剂对生物腐植酸含量变化规律的影响

图2为不同处理生物腐植酸含量-温度-时间变化关系曲线。由图2(A)可知，在整个发酵周期内，各处理中生物腐植酸含量均呈先下降后上升再下降的变化趋势，在首次下降阶段(0～6天)，添加菌剂处理的降幅大于对照，表明在发酵前期，添加菌剂能够促进生物腐植酸等有机质分解，加速物料腐熟；在上升阶段(7～15天)，各处理中生物腐植酸的含量均快速增长，从生物腐植酸增长速度看，A1>A3>A2>A4(CK)，表明添加菌剂有利于提高生物腐植酸的生成速度；在再次下降阶段(16～24天)，各处理生物腐植酸含量均快速下降，甚至低于发酵初始状态，从各处理生物腐植酸含量下降速度看，添加菌剂处理生物腐植酸含量变化速率大于对照，为获得高生物腐植酸含量制剂，应注意控制物料的发酵周期；由图2(A)可知，各处理发酵物料温度呈先升后降趋势，添加菌剂处理在高温发酵阶段发酵温度高于对照，表明添加菌剂能够加速有机物料降解，提高发酵物料温度，促进微生物的繁殖，提高肥料中的腐植酸含量，缩短发酵周期，从整个发酵周期来看，生物腐植酸的合成集中在高温发酵阶段(50 ℃以上)，为获得高生物腐植酸含量制剂，应主要控制高温发酵时间和发酵温度。

图2　生物腐植酸含量-温度-时间变化关系

Fig.2 The relationship of biological humic acid content, temperature and time

2　生物腐植酸对植物生长及土壤地力提升效果的影响

腐植酸根据原料来源和制取工艺不同，主要有矿物腐植酸与生物腐植酸两类，不同来源腐植酸在组分、结构上存在较大差异，在功能和作用效果上也存在较大差异，同时生物腐植酸与有机肥同属有机原料微生物发酵制成，但由于添加的菌剂不同，产物中的有效成分也存在差异，对植物的作用效果也不同。

为分析比较生物腐植酸与矿物腐植酸、有机肥对植物生长及土壤地力提升效果的差异，揭示生物腐植酸的作用机理，探讨生物腐植酸在农业上的应用前景。以ZF生物腐植酸、矿物腐植酸、有机肥为改良剂，设置4个处理，5次重复。分别为：B1：化肥+矿物腐植酸；B2：化肥+ZZ生物腐植酸；B3：化肥+有机肥；BCK：化肥，试验采用大盆密植方式，供试作物为油菜，土壤取自北京大兴试验基地，各改良剂过2mm筛后，均匀与10kg土壤混合后装盆，化肥与有机肥施入量按常规施肥量进行，其中氮用量为67 mg/kg土，磷为33 mg/kg土，钾用量为33 mg/kg土，腐植酸和有机肥按50 g/kg土施用。

2.1　生物腐植酸对植株生物量影响

生物腐植酸对植株生物量的影响如图3所示。相对矿物腐植酸，施用生物腐植酸处理植株鲜重提高了6.15%，植株干重提高了17.07%；相对有机肥，施用生物腐植酸处理植株干重提高了27.56%，增产效果更明显。主要原因是与矿物腐植酸相比，生物腐植酸不仅含有丰富的NPK营养元素，而且含有一定量的中微量营养元素以及一些小分子氨基酸物质，除了可以被植物直接吸收利用以外，还能促进作物的生理活性。从生物腐植酸的来源看，生物腐植酸主要来源于有机废弃物的微生物转化，与有机肥相比，生物腐植酸除含有植物生产所需的养分外，还含有大量腐植酸类物质，能够促进作物对养分的吸收，增强植物抗逆性。

2.2　生物腐植酸对土壤地力提升影响

(1)生物腐植酸对土壤理化性质影响。如表3所示，施用生物腐植酸能降低土壤pH值，但土壤pH变化并不大；与单施化肥相比，施用腐植酸可以降低土壤中EC含量，生物腐植酸优于矿物腐植酸，ZZ腐植酸优于JBW腐植酸；与单施化肥相比，施用生物腐植酸可显著提高土壤田间持水量(WHC)。

图3　不同类型腐植酸对植株产量的影响

Fig.3 Effects of crop in different biological humic acid

表3　不同类型腐植酸对于土壤化学性质的影响

(2)生物腐植酸对土壤养分影响。如图4所示。施用生物腐植酸处理与其他处理相比土壤中养分含量均有明显的提高，与B1、B3、BCK处理相比，全氮含量提高了2.58%、4.59%、23.55%；

速效磷含量提高了2.53%、2.66%、28.33%；速效钾含量提高了0%、3.63%、17.93%，表明施用生物腐植酸能够活化钾和磷，显著提高土壤中的养分含量。

图4　不同腐植酸类型对土壤氮磷钾养分含量的影响

Fig.4 Effects of nutrient content in different biological humic acid

(3)生物腐植酸对土壤有机质含量影响。生物腐植酸对土壤有机质含量如图5所示，与单施化肥处理相比，施用生物腐植酸肥料能显著提高土壤有机质含量，并且腐植酸对土壤有机质的提高增幅要大于矿物腐植酸和有机肥。这主要是因为生物腐植酸自身含有大量的有机质组分。

图5　不同类型腐植酸对土壤有机质含量的影响

Fig.5 Effects of soil organic matter in different biological humic acid

3　生物腐植酸对堆肥过程中重金属钝化效果的影响[14]

堆肥是目前农业有机肥废弃物资源化利用的主要途径之一，堆肥原料中往往含有大量的重金属，处理不当，极易产生二次污染。生物腐植酸含有多种功能基，如羧基、醇羟基、酚羟基、甲氧基、醛、酮、醚等，具有很高的反应活性，能与环境中的重金属离子发生吸附、络合等作用，形成有机-金属络合物及吸附物，对重金属离子的迁移转化、生物活性具有很大影响。不同来源的生物腐植酸制取原料不同，导致生物腐植酸的微观结构存在差异，其钝化效果也存在差异。

为考察不同生物腐植酸对堆肥过程重金属钝化效果影响，选择2种不同来源生物腐植酸(表4)，共设置3个处理，分别为：C1：猪粪+秸秆+FJ生物腐植酸；C2：猪粪+秸秆+JBW生物腐植酸；CCK：猪粪+秸秆。试验以自制密闭堆肥反应器为基础，以猪粪和秸秆为原料，调节物料C/N为25∶1，钝化材料添加量按猪粪干物质量的2.5%，含水率控制在65%~70%，堆置时间为30天。

表4　原料理化性质分析

由表5～表8可以看出，添加JBW生物腐植酸的C2处理对重金属Zn的钝化效果最好，达64.94%，对其他重金属Cu、Pb、Cd也普遍表现出理想的钝化效果(分别为47.78%、47.54%、87.36%)，但添加FJ生物腐植酸的C1处理对各种类型的重金属钝化效果不明显，这可能是不同来源的生物腐植酸制取原料不同，导致生物腐植酸的微观结构存在差异，影响其钝化效果。考虑到JBW生物腐植酸的制备是以餐厨垃圾为生产原料，具有原料丰富易获取优点，同时可有效解决餐厨废弃物因焚烧或填埋造成的资源浪费和环境污染问题，开发以JBW生物腐植酸为核心的堆肥钝化材料切实可行。

表5　不同钝化材料处理堆肥前后重金属Cu的形态变化

注：处理间无共同小写字母者表示差异达到5%显著水平，下同。

表6　不同钝化材料处理堆肥前后重金属Pb的形态变化

表7　不同钝化材料处理堆肥前后重金属Zn的形态变化

表8　不同钝化材料处理堆肥前后重金属Cd的形态变化

4　结论

(1)不同菌剂对提高猪粪发酵产物中的生物腐植酸含量作用效果不同，菌剂A处理效果最佳，生物腐植酸含量达到15%以上，生物腐植酸提高率达112%以上；不同菌剂处理达到最高生物腐植酸含量值的时间不同，为获得高生物腐植酸含量制剂，应注意选择合理的发酵周期。

(2)施用生物腐植酸肥料可以提高作物产量、改良土壤理化性质、提高土壤肥力，与施用化肥、矿物腐植酸、有机肥相比，具有明显优势，加之生物腐植酸的可再生、低碳环保特性，在设施大棚的蔬菜种植上具有更好的应用潜力。

(3)施用JBW生物腐植酸，对堆肥过程中的重金属Cu、Pb、Zn和Cd均表现出相对较好的钝化效果，对重金属Zn的钝化率达到64.94%，为治理重金属污染，实现有机废弃物资源化再利用创造了有利条件。

参考文献

[1]叶婧，于学胜，刘雪，等.生物腐植酸质量指标的检测方法与实例分析[J].现代化工，2013，11(33)：127～130

[2]曹广峰.生物腐植酸复混肥料技术开发与应用[J].化肥工业，2008，35(5)：59～63

[3]邹德乙.腐植酸的概念与腐植酸分类问题的讨论[J].腐植酸，2011，(4)：44～48

[4]成绍鑫.腐植酸类物质概论[M].北京：化学工业出版社，2007：1～15

[5]何立千.生物技术黄腐酸的研究和应用[M].北京：化学工业出版社，2000：11～20

[6]武光朋.蔬菜废弃物的开发利用研究[D].兰州：西北师范大学生命科学学院，2007

[7]刘陶.利用甜高粱秸秆汁发酵生化黄腐酸复合生物液肥及其应用的研究[D].西安：西北大学生命科学学院，2005

[8]林娟.一种利用混菌发酵生产生物腐植酸的方法[P].中国，CN 201110042008.0.2009-02-22

[9]赵莹，邱宏端，谢航.枯草芽孢杆菌发酵蔗渣生产黄腐酸的工艺条件优化[J].福州大学学报(自然科学版)，2010，38(2)：290～296

[10]国洪艳，徐凤花，万书名，等.牛粪接种复合发酵剂堆肥对腐植酸变化特征的影响[J].农业环境科学学报，2008，27(3)：1231～1234

[11]许修宏，马怀良.接种菌剂对鸡粪堆肥腐植酸的影响[J].中国土壤与肥料，2010，(1)：54～56

[12]赵丹，陈五岭，齐牧遥.苹果渣发酵法制备黄腐酸的工艺[J].江苏农业科学，2012，40(1)：229～230

[13]程红胜，张玉华，向欣，等.不同菌剂对猪粪发酵中腐植酸含量的影响[J].南方农业学报，2013，44(12)：2018～2022

[14]候月卿，赵立欣，孟海波，等.不同菌剂对猪粪发酵中腐植酸含量的影响[J].农业工程学报，2013，30(12)：205～211