沼液滴灌技術(shù)研究進展

孫越超， 王書吉， 仇學峰， 王建東

(1.河北工程大學 水利水電學院， 河北 邯鄲 056000； 2. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081; 3.河北工程大學 河北省智慧水利重點實驗室， 河北 邯鄲 056000)

沼液原液直接用于滴灌，會由于原液中大量的懸浮物、膠體等雜質(zhì)造成滴灌灌水器堵塞，因此，在沼液進入滴灌系統(tǒng)之前，采用合適的技術(shù)對沼液進行預(yù)處理，是沼液滴灌水肥一體化系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行的重要保障。

1 沼液滴灌對土壤理化及作物產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

沼液中除了含有豐富的氮磷鉀等營養(yǎng)元素外，還有大量鈣、銅 、鐵、鋅、錳等微量營養(yǎng)元素，且主要營養(yǎng)成分為速效性養(yǎng)分，速效營養(yǎng)能力強，養(yǎng)分可利用效率高，可被作物高效吸收利用。具有提高作物產(chǎn)量和提升品質(zhì)的功能，同時有一定的防病抗逆作用，是一種優(yōu)秀的液體肥料[4]。

1.1 沼液滴灌對土壤理化性質(zhì)的影響

長期施用化肥會導(dǎo)致土壤酸度增大，有機質(zhì)下降，土壤酶活性降低，同時伴有土壤硝酸鹽污染及土壤次生鹽漬化的風險[5]。由于沼液大多數(shù)為弱堿性，以肥料的形式通過滴灌系統(tǒng)進入土壤，可抑制土壤酸化，改善土壤質(zhì)量[6]。不同的土壤酸度隨沼液用量增加，產(chǎn)生變化的趨勢不同[7]。賴星[8]等連續(xù)3年對土壤進行沼液處理，發(fā)現(xiàn)沼液施用量增加會使土壤顆粒變細，同時土壤速效、磷速效和堿解氮含量顯著增加。相比較噴灌施用沼液，滴灌施用沼液處理使基質(zhì)速效養(yǎng)分更高，另外伴隨作物生長，速效養(yǎng)分降低的幅度較小[9]。

土壤微生物數(shù)量和酶活性反映了土壤質(zhì)量的變化及土壤物質(zhì)代謝的旺盛程度[10-11],長期施用化肥對土壤過氧化氫酶和土壤蔗糖酶活性有顯著的抑制作用。而沼液處理土壤可以提升土壤過氧化氫酶、土壤蔗糖酶和土壤脲酶的活性，同時還可以改善土壤碳氮轉(zhuǎn)化狀況，降低過氧化氫對土壤的毒害作用。評價土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)通常用細菌與真菌數(shù)量的比值(B/F)來表示。B/F值高表明土壤為高肥低害“細菌型”，B/F值低則說明土壤為低肥高害“真菌型”。沼液配施化肥處理對B/F值有不同程度的降低，B/F隨沼液施用量增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，純沼液提升了B/F值[12-13]。由此可知，采用適量的沼液可使土壤B/F值維持穩(wěn)定甚至升高，土壤逐漸趨于高肥低害。

1.2 沼液滴灌對作物產(chǎn)量的影響

沼液對不同農(nóng)作物產(chǎn)量的影響如表1所示，通過對比沼液滴灌處理、沼液澆灌處理、清水處理、滴灌尿素和常規(guī)施肥處理的效果，沼液滴灌處理較清水處理、常規(guī)施肥處理單果果重提高15.7%～18.1%,作物產(chǎn)量提高18.1%～59.4%；沼液滴灌處理比沼液澆灌處理單果果重提高8.8%，產(chǎn)量提高10.6%，可見沼液滴灌對作物產(chǎn)量提高有普遍意義且效果顯著。由于不同發(fā)酵原料、發(fā)酵時間對沼液質(zhì)量影響較大，其對不同種類作物產(chǎn)量的影響有待深入研究，故各研究中沼液濃度升高對不同作物產(chǎn)量的影響不同。

表1 沼液滴灌對作物產(chǎn)量的影響

1.3 沼液滴灌對作物品質(zhì)的影響

維生素、糖分、蛋白質(zhì)、硝酸鹽等都是評價作物品質(zhì)的因素，由于人體不能自行合成VC，全部都需要從外界攝入，因此VC的含量是評價作物品質(zhì)的重要指標。糖分和可溶性糖是影響口感及后續(xù)營養(yǎng)變化的主要因素，這對果蔬非常重要。另外，從作物中攝入硝酸鹽后，人體內(nèi)微生物可將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽對人類的健康構(gòu)成了極大的潛在威脅，因此硝酸鹽也是評價作物品質(zhì)的重要指標之一。

表2 沼液滴灌對作物品質(zhì)的影響

表2是不同作物經(jīng)過沼液滴灌處理后的品質(zhì)變化，可以看出沼液滴灌處理后，大多數(shù)果蔬品質(zhì)都有所提升； VC含量、可溶性糖、還原糖的含量增加提升了果蔬的營養(yǎng)價值，同時固形物含量提升、硬度提高改善了口感，硝酸鹽含量降低使食品安全性有所提高。通過地面澆灌和滴灌的對比，在提升作物品質(zhì)方面體現(xiàn)了沼液滴灌的優(yōu)越性。作物對沼液有一定耐受值，合適的沼液濃度可以提升作物的品質(zhì)，濃度過高可能影響根系內(nèi)外的水勢，不利于根系對營養(yǎng)的吸收進而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[26]。

2 沼液滴灌沼液預(yù)處理技術(shù)

由于滴灌灌水器孔口較小[27],沼液中含有較多雜質(zhì)極易造成灌水器堵塞，進而引起整個滴灌系統(tǒng)癱瘓，滴灌系統(tǒng)一旦發(fā)生堵塞極難修復(fù)。因此在實際應(yīng)用中應(yīng)對沼液進行適當?shù)奶幚韥砜刂茟腋∥?、膠體的含量，防止滴灌系統(tǒng)發(fā)生堵塞，同時應(yīng)最大限度保留調(diào)節(jié)沼液中的營養(yǎng)成分。

2) 對于雙風管系統(tǒng)，可根據(jù)每個房間設(shè)定的溫度實時調(diào)節(jié)2種不同溫度的空調(diào)送風混合比例，達到控制溫度的目的，房間的個性化控制精度是這4種方案中最高的。缺點是每個房間都會存在冷熱風的混合，造成能量損失，在送風量基本不變、部分負荷下，風機能耗依然很大，總的能耗要高于另外幾種方案。

2.1 沼液曝氣處理

爆氣處理是通過使用一定的方法和設(shè)備向沼液等污水中強制通入空氣，使沼液等污水中的有機物、微生物與空氣中的氧氣充分接觸，進而增強對沼液等污水中有機物的分解。在沼液滴灌系統(tǒng)中，爆氣處理發(fā)揮著防堵塞和提高施用效果的作用。沼液中氮主要以氨態(tài)氮的形式存在，氨態(tài)氮占總氮的69%～90%[28]。氨態(tài)氮作為速效營養(yǎng)，其含量是沼液農(nóng)用的重要指標，氨氮濃度需要控制在合理的范圍內(nèi)，過高會使作物燒苗，過低則又會使作物因缺氮生長受到抑制[29-30]。經(jīng)曝氣處理后，沼液中氨氮通過硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮，造成氨氮濃度下降，同時會使大分子有機物、多肽、氨基酸等分解脫氨，氨氮濃度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢[31]。爆氣處理可使沼液中氮的成分和含量發(fā)生變化，不同的曝氣方案最終會使沼液中氨氮含量變化的不同。曝氣過度則會造成氮素損失嚴重[32]。對于沼液滴灌來說針對氮素控制探究合理的曝氣方案十分重要。

廣泛存在沼液中的氨基酸是沼液重要的營養(yǎng)物質(zhì)，可以被作物直接吸收利用[33]。氨基酸可以降低作物中硝酸鹽的濃度[34]，提高種子萌發(fā)速度和作物吸收營養(yǎng)速度、促進生長、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[35-36]。通過實施不同的曝氣方案可以使沼液中的氨基酸含量提升9.92%～10.45%[37-38]。

磷作為三大營養(yǎng)元素之一，其含量同樣是沼液營養(yǎng)的重要指標。沼液中的磷主要存在沼液固相中，張邦喜[37]測得沼液上清夜中磷含量僅為總磷的47.04%，李建勇[39]測得的水溶性磷僅占總磷的17%。曝氣會促進聚磷菌吸磷造成上清液中磷損失，總磷含量下降[40]，水溶性磷含量則會隨著曝氣處理上漲[38]，使沼液中的磷變得更適合作物吸收。

經(jīng)過長期厭氧發(fā)酵，沼液中溶解的等有毒氣體、金屬離子會對蔬菜的根部造成損害，影響根系的正常吸收水分和養(yǎng)分的生理功能，嚴重則導(dǎo)致蔬菜死亡。一般采用發(fā)芽指數(shù)(GI)作為評價肥料對作物毒害作用的指標。伍金偉[41]發(fā)現(xiàn)給沼液曝氣可以減少等有毒氣體對作物根系的毒害作用。同時曝氣處理氧化了沼液中的還原性物質(zhì)，進一步降低生物毒性，提高了GI值。

曝氣處理還可以改善沼液成分進而使作物增產(chǎn)改良品質(zhì)。初長江和馬東輝[17,18,20]等人通過曝氣地下滴灌系統(tǒng)分別種植大棚韭菜、番茄和大棚芹菜，發(fā)現(xiàn)在同一沼液濃度下隨著曝氣系數(shù)的增加，大棚韭菜VC、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)含量增加，大棚芹菜產(chǎn)量、還原糖含量、VC含量增加且硝酸鹽含量下降，番茄也有產(chǎn)量及品質(zhì)方面的提升。

2.2 沼液加酸調(diào)節(jié)

沼液大部分為弱堿性，而植物一般喜歡中性或偏酸性環(huán)境，pH值過高會對作物根系造成損傷，影響根部對礦物元素的吸收，同時也容易使沼液中的鈣、鎂離子產(chǎn)生氫氧化合物，加劇滴灌系統(tǒng)堵塞程度。pH值是影響沼液中養(yǎng)分最主要的因素，GI值隨pH值的增加而降低，所以沼液在微酸環(huán)境下更適合設(shè)施農(nóng)業(yè)[38]。將弱堿性的沼液進行酸化處理后再進行滴灌施肥更有利于作物成長。酸化處理能明顯降低沼液的氨氣揮發(fā)通量，且沼液氨氣揮發(fā)通量和pH值呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，減少沼液儲存中氨氣排放，有助于沼液長期儲藏，方便使用[42]。薛文濤[43]等人通過對雞糞沼液添加磷酸，發(fā)現(xiàn)不僅降低了沼液氨氣揮發(fā)通量，而且提高了沼液總氮、氨態(tài)氮總磷質(zhì)量濃度，進一步提升了農(nóng)田施用肥效。徐曉萌[44]發(fā)現(xiàn)施入調(diào)整pH值(加酸處理)的沼液，土壤總氮、速效磷含量均顯著高于施入未調(diào)整pH值的處理沼液的土壤，且經(jīng)pH值調(diào)整后的沼液對維持土壤細菌群落多樣性有明顯作用。酸化處理改善了沼液的pH值，使其跟適合于作物種植。酸化處理減少了氨氣排放，有利于沼液長期儲藏，為長期使用沼液滴灌提供了儲藏條件。酸化處理沼液對于作物增產(chǎn)及作物品質(zhì)改善研究較少且缺乏成熟的加酸模式，仍需深入研究。

2.3 沼液絮凝

通過添加絮凝劑絮凝處理后沼液中大部分懸浮物、固體和膠體雜質(zhì)可以被去除掉，有利于滴灌系統(tǒng)正常運行。雖然絮凝處理會使沼液損失部分營養(yǎng)物質(zhì)，但在合適濃度下仍可促使作物生長[45]。按絮凝方法不同可分為化學絮凝、電絮凝和生物絮凝。

化學絮凝，是通過添加化學絮凝劑，對水中懸浮物或膠體進行電中和或架橋來產(chǎn)生粗顆粒，使絮凝體沉降，去除懸浮顆粒和膠體。不同的絮凝劑的絮凝效果不同，沼液成分發(fā)生的變化也不同。無機絮凝劑硫酸鐵和聚合氯化鋁對沼液懸浮物的去除基本沒有效果，而有機絮凝劑對沼液懸浮物的去除效果極好，非離子聚丙烯酰胺(PAM)、陰離子聚丙烯酰胺(APAM)對沼液懸浮物的去除率達到了40%，陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)的效果最佳，達到了98.9%[46]。朱洪光[47]等研究發(fā)現(xiàn)，氯化鐵添加量在 6～11 g·L-1時，濁度去除率可達90%以上，主要去除懸浮固體和膠體物質(zhì)，而對氨氮的去除率在21%左右，氮元素大部分可以得到保留。因此，選擇合適的絮凝劑對沼液進行絮凝處理極為重要。

電絮凝反應(yīng)，是通過陽極產(chǎn)生鋁離子或鐵離子水解生成絮凝劑來吸附污染物，同時陰極產(chǎn)生微小氣泡氫氣吸附在絮體表面，使絮體上升實現(xiàn)污染物與水的分離，最終達到去除污染物的目的[48]。但電絮凝產(chǎn)生的鋁離子會和磷結(jié)合形成沉淀，造成沼液磷含量的減少。電絮凝處理沼液后需進行后期調(diào)整使沼液營養(yǎng)成分特別是磷含量達到肥料標準。

生物絮凝法，是利用微生物或微生物產(chǎn)生的代謝物進行絮凝沉淀的一種除污方法[49]。生物絮凝相較與化學絮凝，更加安全、方便、無毒，不產(chǎn)生二次污染，絮凝效果更好。關(guān)正軍[50]等發(fā)現(xiàn)紫球藻所產(chǎn)出的絮凝活性物質(zhì)能夠最高效地絮凝沼液，且在最佳工藝參數(shù)下絮凝率為76.09%;總氮去除率達51.30%，總磷去除率達57.00%，氨氮去除率達54.67%，化學需氧量去除率達43.16%，總固體去除率達54.11%，揮發(fā)性固體去除率達57.80%，固體懸浮物去除率達53.71%。

綜上，對沼液進行絮凝處理可以極大的減少沼液懸浮物和各種膠體、固體雜質(zhì)，進而有利于滴灌系統(tǒng)的正常運行，但沼液營養(yǎng)成分有所損失，需要后期調(diào)整。同時需要選擇合適的絮凝劑及絮凝工藝參數(shù)防止養(yǎng)分大量流失。

2.4 沼液沉降與過濾

過濾之前對沼液進行自然沉降可以去除部分懸浮物和膠體等雜質(zhì)，且成本極低，可為后續(xù)沼液過濾處理環(huán)節(jié)減輕負荷。相較于混凝和袋濾，自然沉降去除懸浮物的效果更好[51]。綜合懸浮物去除效果和節(jié)省成本兩方面的因素，自然沉降最佳時間為一天，此時沼液懸浮物去除率達到38.3%,且對氨氮和總氮有較強的保留,僅分別去除8.7%和20.0%[52]。

懸浮物含量過高是沼液進行滴灌過程中最主要的技術(shù)障礙之一，去除沼液中的懸浮物是保持沼液滴灌正常運行的關(guān)鍵。因此對過濾去除懸浮物展開了相關(guān)實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈在合適的堆放方式下，懸浮物去除率可達到60%以上,COD去除率在50%左右，總氮損失較小，僅為10%～15%，而且玉米秸稈作為過濾材料,在過濾過程中沼液可將其中的鉀離子浸提溶出,提高濾出液的養(yǎng)分含量，玉米秸稈作為滴灌系統(tǒng)預(yù)處理過濾沼液有一定的可行性[53]；微濾過濾效果較好,對懸浮物去除率達到40.01%，且對糞大腸菌群去除效果也較好[54]。相較于海砂(SSD)、沸石(ZLT)、氧化鋁廢渣(GRM)3種濾料, 使用0.5～1 mm石英砂(QSD)濾料的填充柱對懸浮物去除率超過80%，且未顯著吸附截留沼液氨氮，有利于沼液滴灌運行[55]。濾料不同填裝方式、填裝高度、過濾時間都對過濾效果有相當?shù)挠绊懀瑢嶋H工程應(yīng)選定合適的過濾方案。單一的過濾模式可能無法處理成分復(fù)雜的沼液，多種模式多級處理沼液能使沼液順利通過滴灌系統(tǒng)進入農(nóng)田。隋好林[14]和孫欽平[56]通過曝氣/篩網(wǎng)加疊片式三級過濾對沼液處理，使沼液達到了120目滴灌要求。

3 結(jié)論

沼液含有豐富的速效養(yǎng)分，可被作物高效吸收利用，而且可以調(diào)節(jié)土壤酸堿度，增強土壤酶活性，改善土壤理化性質(zhì)，促使作物增產(chǎn)，提升作物品質(zhì)。不同種類、不同濃度、不同發(fā)酵時間的沼液對不同作物增產(chǎn)和品質(zhì)提升的效果不同。利用滴灌系統(tǒng)施用沼液是消納沼液合理的途徑，有廣闊的應(yīng)用前景。

目前研究主要集中在沼液滴灌的施用效果，在實施沼液滴灌水肥一體化技術(shù)中，選擇合適的沼液預(yù)處理技術(shù)將有助于減少沼液滴灌系統(tǒng)堵塞的發(fā)生，保障沼液滴灌系統(tǒng)安全高效運行。當處理好的沼液進入滴灌系統(tǒng)后，沼液中依然會含有很多微小物理顆粒和復(fù)雜的有機物成分，長期運行下滴灌系統(tǒng)依然存在高堵塞風險，從提高沼液滴灌系統(tǒng)運行效率和使用壽命角度考慮，建議沼液滴灌后續(xù)研究要重點關(guān)注2個方面： 1)具有高抗堵性能的沼液滴灌專用產(chǎn)品的篩選和研發(fā)； 2)沼液滴灌系統(tǒng)定期沖洗技術(shù)參數(shù)及管護模式研究。