梁飛虹，崔秋芳，涂 特，余 歌，王文超，晏水平

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/農(nóng)業(yè)部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070）

沼液中含有高含量的礦質(zhì)元素，如果處置不當(dāng)，極易造成環(huán)境的二次污染[1]。因此，沼液的低成本無害化處理已成為沼氣工程良性發(fā)展的關(guān)鍵問題之一[2]。同時，由于沼液富含植物生長所需的微量元素和植物生長激素[3]，將其還田處理用作植物的根肥，既可實現(xiàn)營養(yǎng)元素的循環(huán)利用，增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，還可生產(chǎn)出無公害農(nóng)產(chǎn)品，具有良好的社會和經(jīng)濟效益[4]。如以沼液代替高昂的無機營養(yǎng)液來進行蔬菜栽培，對提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義[3]。同時，由于水培經(jīng)濟作物對污水中氨氮、磷和COD（化學(xué)需氧量）等具有良好的去除效果[5]，對沼液進行蔬菜水培處理，理論上還能實現(xiàn)沼液的深度凈化，一舉多得。但值得注意的是，以沼液作為營養(yǎng)液時，其氨氮和磷含量等均有一定的限制，如生菜水培時，生菜生長中氨氮含量一般不宜超過 20 mg·L－1，磷含量不超過 30 mg·L－1[6]。顯然，沼液自身氨氮和磷含量遠超過這一指標，而高濃度的氨氮會對植物生長造成嚴重的毒害作用，會使植物的生長發(fā)育嚴重受阻[7]。基于此，目前沼液水培利用前一般都需要進行高倍稀釋，從而降低沼液中的氨氮含量，這種方法操作簡單，但卻存在水資源浪費的潛在問題，同時，高倍稀釋還可能導(dǎo)致沼液中促進植物生長的有益成分含量下降，影響其水培應(yīng)用效果[8]。因此，在沼液水培利用前將氨氮進行預(yù)先脫除，可在保證沼液自身較低的植物生理毒害特性的基礎(chǔ)上將沼液氨氮含量降至合適的水平[9－11]，有助于在水培應(yīng)用中大幅降低沼液的稀釋倍率。將脫氨預(yù)處理的沼液用于蔬菜水培時，理論上還可實現(xiàn)沼液的低成本高效凈化處理?；诖耍狙芯繉φ右哼M行脫氨預(yù)處理后，將其用于水培生菜，重點分析生菜水培處理對沼液的凈化及生菜產(chǎn)量與品質(zhì)提升的效果。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用沼液來源于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)沼氣發(fā)酵中試裝置，發(fā)酵中以豬糞為主要原料，配合添加少量的牛糞及生活污水，在35℃下中溫發(fā)酵20 d。沼液取回后在常溫（25±5）℃下密封保存至不再產(chǎn)氣后，將沼液在4000 r·min－1下離心分離 20 min（TSZ5－WS 型低速多管架自動平衡離心機，湖南湘儀離心機儀器有限公司），取上清液進行試驗。離心后，沼液的主要水質(zhì)參數(shù)如表1所示。

供試植物選取廣泛應(yīng)用于無土栽培行業(yè)的生菜，本研究所選擇的生菜種子為意大利生菜種子（廣西橫縣子龍種業(yè)有限公司，純度≥95%，發(fā)芽率≥80%，凈度≥98%），用清水育苗培養(yǎng)至三葉齡后用于水培試驗。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 沼液氨氮脫除

沼液氨氮脫除前，先在沼液中添加10 g·L－1的CaO，調(diào)整pH值至12，然后于75℃、40 kPa條件下在沼液減壓脫氨處理系統(tǒng)中對沼液進行減壓脫氨處理1 h，減壓脫氨處理系統(tǒng)及操作流程詳見文獻[12]。氨氮脫除后沼液的主要水質(zhì)參數(shù)如表1所示。從表1中可知，在沼液脫氨過程中，COD和總磷質(zhì)量濃度分別下降了約40.13%和82.49%，其主要原因在于CaO的加入使沼液pH值上升，導(dǎo)致磷被Ca2+沉淀[10]，同時CaO本身具有絮凝作用，沼液中的懸浮顆粒被絮凝沉淀而脫除[13]，因此沼液COD下降。

1.2.2 脫氨沼液的pH值穩(wěn)定

脫氨處理后的沼液采用CO2吸收的方式來調(diào)節(jié)pH值至近中性。首先將脫氨后的沼液溫度降低至室溫后，置于經(jīng)典鼓泡反應(yīng)器中并通入純CO2氣體，不斷攪拌，使CO2與脫氨沼液充分接觸并反應(yīng)[12]，同時測試脫氨沼液的pH值，當(dāng)pH值降到約6.7時，停止CO2吸收（約吸收30 min）。此時，沼液即可用于生菜水培。

1.2.3 沼液水培生菜

以pH值穩(wěn)定后的脫氨處理沼液為水培溶液，在瑞華HP400GS-C型智能人工氣候箱中進行生菜的水培試驗，氣候條件模擬適宜生菜生長的最佳條件（首先在16.5℃、濕度60%條件下黑暗處理12 h，再在光照20 000 lx、溫度18℃和濕度60%條件下處理9 h，然后在光照12 000 lx、溫度18℃及濕度65%條件下處理3 h，循環(huán)此設(shè)定）[14]，并以生菜的農(nóng)藝學(xué)性狀（根長、株高、生長量、葉幅、葉片數(shù)）、生理學(xué)性狀（維生素C含量、葉綠素含量、還原糖含量、硝態(tài)氮含量和根系活力）和脫氨沼液培養(yǎng)前后的水質(zhì)參數(shù)等為指標[15]，對水培后沼液的污染物脫除性能及生菜的品質(zhì)進行研究。

試驗中，以脫氨沼液的氨氮含量作為稀釋指標，以20 mg·L-1的氨氮界值為基準[6]，將脫氨沼液分別稀釋 5、10、15、20、25、30 倍作為處理組，并以化學(xué)營養(yǎng)液（由北京綠東國創(chuàng)農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的葉菜類專用肥配制而成）和自來水作為對照組，每3株生菜供應(yīng)培養(yǎng)液2 L，每隔5 d補充相應(yīng)培養(yǎng)液至2 L。研究中，從生菜三葉齡開始，35 d后進行各項指標測定[15]。

1.3 測試方法

1.3.1 沼液水質(zhì)參數(shù)測定

沼液的pH值采用FE20型pH計（梅特勒-托利多國際股份有限公司）測試，電導(dǎo)率（EC）采用DDS-307A型電導(dǎo)率儀測試（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司），氨氮、總磷（TP）含量以及COD通過Smart-Chem200全自動化學(xué)分析儀（意大利AMS-Westco公司）測試。測量時隨機取樣分析。

1.3.2 生菜農(nóng)藝學(xué)性狀測定

生長量采用精度為0.01 g的電子天平測量，稱量前用自來水沖洗根系上的雜物，吸干水分后，進行稱量。由于供試生菜的初始生物量相差較大，為消除處理前的個體差異，更好地反映植物生長趨勢，引入相對生長量，可采用下式進行計算[16]：

式中：RG為相對生長量；W0為處理前生物量，g·株-1；Wi為處理后生物量，g·株-1。

生菜處于自然伸展?fàn)顟B(tài)時，采用毫米刻度尺測量其根長、株高及葉幅[17]。

1.3.3 生菜生理學(xué)性狀測定

生菜的還原糖含量和硝態(tài)氮含量分別采用3，5-二硝基水楊酸法與硝基水楊酸法測定，根系活力采用TTC法測定，葉綠素（含葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素）與維生素C含量分別采用95%乙醇法和滴定法進行測定[17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 生菜水培對沼液污染物脫除效果的影響

不同稀釋倍數(shù)的脫氨沼液用于生菜水培35 d后，其表觀濁度如圖1所示。經(jīng)過生菜水培處理后，脫氨沼液的顏色變得清澈，表明沼液濁度大幅下降，這可能是由于在水培過程中，生菜根系分泌出的根際物質(zhì)促進了脫氨沼液中膠體的聚沉和色素的降解[18]。值得注意的是，當(dāng)脫氨沼液稀釋10倍以上用于生菜水培時，35 d后培養(yǎng)廢液的顏色接近于清水。

圖1 生菜水培前后不同稀釋倍數(shù)沼液的濁度表觀圖Figure 1 Turbidity diagram of biogas slurries with different dilution ratios before and after lettuce hydroponics

不同稀釋倍數(shù)的脫氨沼液水培后的主要水質(zhì)參數(shù)如表2所示。從表2可看出，脫氨沼液用于水培生菜后，沼液的COD和氨氮、TP含量大幅下降，其中，氨氮脫除率可達98.25%～99.34%、COD脫除率為83.68%～96.04%、TP脫除率為65.94%～80.00%，這可能是由于生菜吸收了脫氨沼液中的營養(yǎng)物質(zhì)，而氮、磷等元素屬于生菜生長所必需的大量元素，因此水培生菜后沼液中氮、磷等物質(zhì)含量大幅下降。值得注意的是，氨氮和TP的脫除率隨著稀釋倍數(shù)的增大而升高，且在30倍稀釋情形下達到最大值，但COD脫除率隨著稀釋倍數(shù)的增加而降低。另外，從20倍稀釋沼液開始，隨著稀釋倍數(shù)的增加，水培生菜后的沼液中COD和氨氮、TP含量的變化并不明顯。因此，如從沼液中污染物脫除性能角度出發(fā)，可將脫氨沼液稀釋15～20倍后進行水培生菜。如從節(jié)約稀釋用水角度來綜合考慮，建議沼液稀釋5～15倍。

從農(nóng)田灌溉用水角度考慮，用水的COD、總氮和總磷質(zhì)量濃度應(yīng)分別低于 300、30 mg·L－1和 10 mg·L－1，全鹽量應(yīng)低于1000 mg·L－1（即EC值不超過1333 μS·cm－1），且 pH 值不高于 8.5[19]。從表 1 可知，原沼液本身硝態(tài)氮含量僅為 3.58 mg·L－1，因此，水培后，水培廢液中的總氮含量遠低于農(nóng)田灌溉用水的總氮標準（表2）。同時，從表2還可知，不論何種稀釋倍數(shù)，脫氨沼液用于生菜水培處理后，相關(guān)水質(zhì)指標均優(yōu)于農(nóng)業(yè)灌溉用水標準。由于沼液中的重金屬含量比較低[20]，因此，生菜水培能夠有效凈化脫氨沼液，且培養(yǎng)后的廢液可以直接排放到農(nóng)田中。

因此，從凈化后沼液的表觀濁度、污染物脫除效果、稀釋用水量及培養(yǎng)后沼液是否可用于農(nóng)田灌溉用水等綜合考慮，稀釋5～15倍是值得考慮的脫氨沼液稀釋倍數(shù)。

2.2 沼液水培對生菜品質(zhì)的影響

一般而言，蔬菜的品質(zhì)分為外觀品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)和衛(wèi)生品質(zhì)，其中營養(yǎng)品質(zhì)可采用維生素C、還原糖、葉綠素含量等來反映，衛(wèi)生品質(zhì)主要包括農(nóng)藥殘留、污染物殘留以及硝態(tài)氮含量等[3]。由于水培中未添加任何的農(nóng)藥，因而在此僅采用硝態(tài)氮含量來說明生菜的衛(wèi)生品質(zhì)。

2.2.1 生菜的外觀表現(xiàn)及相對生長量分析

不同稀釋倍數(shù)的脫氨沼液水培生菜35 d后，生菜的外觀表現(xiàn)型如圖2所示。水培中，生菜的生長分為地上部和地下部兩部分，當(dāng)水培液中營養(yǎng)不足時，生菜將會優(yōu)先滿足地下部的生長，以使根系更發(fā)達而獲得更多的營養(yǎng)。從圖2可知，5～15倍稀釋的脫氨沼液水培時，生菜地上部的外觀表現(xiàn)與營養(yǎng)液基本一致，其根系長度與營養(yǎng)液水培之間的差異并不顯著，但根系更短（圖3a），說明5～15倍稀釋時，脫氨沼液富含的粗纖維、氮、磷、鉀、微量元素等生菜生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)濃度可有效滿足生菜的營養(yǎng)需求[21]，因而水培中生菜的地上部將會優(yōu)先生長。同時，由于沼液中還含有氨基酸、活性酶、植物生長激素等物質(zhì)[22]，可促進生菜的生長發(fā)育，并提高生菜的光合能力[23]。因此，與營養(yǎng)液水培情形相比，5～15倍稀釋沼液水培時，生菜的地上部更發(fā)達，外觀品質(zhì)更佳，總體表現(xiàn)為葉片數(shù)增加（圖3b）、葉幅變寬（圖3c）。整體而言，稀釋沼液水培生菜的葉片數(shù)和葉幅指標與營養(yǎng)液組差異并不顯著，僅10倍稀釋沼液水培的生菜在葉片數(shù)上與營養(yǎng)液組相比差異顯著（圖3b）。隨著沼液稀釋倍數(shù)的增加，沼液中富含的營養(yǎng)元素含量過低，已無法滿足生菜的正常生長，進而使生菜發(fā)生畸形生長，失去了生產(chǎn)優(yōu)勢生菜的價值，如圖2所示，具體表現(xiàn)為根長大幅增加、株高變矮（圖3a），其中根長與營養(yǎng)液組之間的差異顯著。

表2 生菜水培前后沼液的水質(zhì)指標變化Table 2 Water quality of biogas slurries with different dilution ratios before and after lettuce hydroponics

從生菜相對生長量角度來看，與營養(yǎng)液水培情形相比，脫氨沼液水培的生菜相對生長量更高，尤其是5～10倍稀釋時，生菜相對生長量增加超過60%，兩者與營養(yǎng)液組之間的差異顯著（圖3d）。其原因可能在于兩者之間根系吸收與物質(zhì)同化能力不同。圖4反映了不同水培液培養(yǎng)后生菜的根系活力。根系活力是以脫氫酶活性（以四氮唑還原強度表示）為指標，酶活性的高低與底物濃度相關(guān)。如圖4所示，與化學(xué)營養(yǎng)液水培相比，稀釋5倍和10倍的脫氨沼液水培的生菜根系活力略有降低，但差異并不顯著，這說明此時沼液中的營養(yǎng)元素與礦物質(zhì)濃度較高，能完全滿足生菜根系吸收及自身需求[6，24]，因而脫氫酶酶促反應(yīng)可達到過飽和狀態(tài)（處于0級反應(yīng)階段），故其根系活力只需發(fā)揮到適量時，生菜即能正常生長。當(dāng)脫氨沼液稀釋15倍時，生菜的根系活力大幅提升至最大值，與營養(yǎng)液組相比差異顯著，說明此時測試沼液中的營養(yǎng)元素與礦物質(zhì)含量可能剛好滿足生菜的生長，因而脫氫酶酶促反應(yīng)處于1級反應(yīng)階段，酶活性最高，故根系活力較高。但隨著沼液稀釋倍數(shù)的繼續(xù)增加，營養(yǎng)元素與礦物質(zhì)含量繼續(xù)下降，根系無法吸收到充分的營養(yǎng)，脫氫酶沒有足夠的反應(yīng)底物，酶促反應(yīng)基本停滯，因此根系活力大幅降低，甚至低于清水水培的生菜根系活力。因此，基于有效營養(yǎng)元素與礦物質(zhì)含量大小，5～10倍稀釋脫氨沼液水培生菜更有利于生菜的營養(yǎng)吸收，因而生菜相對生長量更高。

圖2 脫氨沼液栽培35 d后的生菜表現(xiàn)型Figure 2 Phenotype of lettuce cultivated by biogas slurry with different dilution ratios for 35 days

圖3 不同水培液培養(yǎng)后的生菜農(nóng)藝學(xué)特征Figure 3 Agronomic characteristics of lettuce cultivated in different hydroponic solutions

另外，從物質(zhì)同化能力的角度來考慮，生菜合成的葉綠素含量越高，光合效率越強，物質(zhì)同化能力也越強，因而水培中生菜合成和儲存的有機物更多，相對生長量更高。顯然，從圖5可知，由于沼液中含有各種激素和氨基酸等，生菜有充分的營養(yǎng)物質(zhì)積累去合成葉綠素，維持自身光合作用[25]，因此沼液水培的生菜葉綠素含量均高于營養(yǎng)液組（除15倍稀釋外），但與營養(yǎng)液組相比差異并不顯著，而氨氮水平略高于營養(yǎng)液的5倍稀釋沼液水培的生菜，其葉綠素含量與營養(yǎng)液組相比顯著升高，但氨氮水平與營養(yǎng)液一致的10倍稀釋沼液水培的生菜與營養(yǎng)液組無明顯差異。因此，氨氮豐富的沼液更適宜生菜進行物質(zhì)同化，進而提升相對生長量。

綜合考慮根系營養(yǎng)吸收及光合作用、葉片吸收等類型的同化能力，5～10倍稀釋的脫氨沼液可能更適合于水培生菜，能獲得比化學(xué)營養(yǎng)液更高的生菜相對生長量與外觀品質(zhì)。

2.2.2 水培生菜的品質(zhì)分析

圖5 不同水培液培養(yǎng)后生菜的葉綠素與類胡蘿卜素含量Figure 5 Content of chlorophyll and carotenoid in lettuce cultivated in different hydroponic solutions

如圖5所示，由于脫氨沼液水培的生菜葉片中葉綠素合成加快，葉綠素含量提高，因此葉片中的類胡蘿卜素含量略高于營養(yǎng)液組（15倍稀釋除外），尤其是5倍稀釋組，其生菜葉片中的類胡蘿卜素含量比營養(yǎng)液組增加約20.40%，與營養(yǎng)液組差異顯著。同時，由于脫氨沼液水培生菜的光合作用增強，生菜還原糖含量整體高于營養(yǎng)液組（除15倍和20倍稀釋外），但差異并不顯著，具體表現(xiàn)在5、10、25倍和30倍稀釋組的生菜還原糖含量比營養(yǎng)液組略微增加（圖6a）。另外，如圖6b所示，從生菜葉片維生素C含量來看，營養(yǎng)液水培生菜的營養(yǎng)品質(zhì)略優(yōu)于沼液水培，但值得注意的是，5～10倍稀釋的脫氨沼液水培生菜維生素C含量比營養(yǎng)液組略低，但差異并不顯著。

因此，從水培生菜的營養(yǎng)品質(zhì)角度來看，與營養(yǎng)液水培相比，15～20倍稀釋的脫氨沼液可能并不適合水培生菜。

由于生菜中含有的硝態(tài)氮會在其食用階段轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}，含量高時會嚴重威脅人體健康[26－27]，本研究中主要采用生菜中硝態(tài)氮含量來反應(yīng)生菜的衛(wèi)生品質(zhì)。不同水培液培養(yǎng)后生菜的硝態(tài)氮含量如圖7所示。與營養(yǎng)液水培相比，沼液水培的生菜硝態(tài)氮含量大幅下降，尤其是5～10倍稀釋沼液，其培養(yǎng)的生菜硝態(tài)氮含量僅為化學(xué)營養(yǎng)液組的2.11%～4.02%，與營養(yǎng)液組相比差異顯著，其原因可能是沼液中含有的多種植物激素及高含量有機質(zhì)能增強蔬菜的光合作用[28]，且其中含有的氨基酸可能會對植物中的硝酸還原酶有激活作用[29]，二者能加速葉菜葉片中硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。因此，從生菜衛(wèi)生品質(zhì)角度考慮，5～15倍稀釋后的脫氨沼液可能更適合于生菜水培。

圖6 不同水培液培養(yǎng)后生菜的還原糖和維生素C含量Figure 6 Content of reducing sugar and vitamin C in lettuce cultivated in different hydroponic solutions

圖7 不同水培液培養(yǎng)后生菜的硝態(tài)氮含量Figure 7 Nitrate nitrogen concentration in lettuce cultivated in different hydroponic solutions

綜合考慮生菜的外觀品質(zhì)、相對生長量、營養(yǎng)及衛(wèi)生品質(zhì)，5～10稀釋可能為最佳的脫氨沼液水培生菜稀釋比例。同時，從氨氮含量角度來看，5～10倍稀釋的沼液氨氮含量基本與營養(yǎng)液處于同一水平，但卻表現(xiàn)出了更佳的水培效果。因此，5～10倍稀釋的脫氨沼液比氨氮水平相當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)液更適合水培生菜，這可能由于脫氨沼液比營養(yǎng)液含有更豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，且在低倍稀釋區(qū)間并沒有過分降低沼液中微量營養(yǎng)成分的含量，這也說明脫氨預(yù)處理沼液可能比沼液高倍稀釋后直接利用更具優(yōu)勢。

3 結(jié)論

（1）脫氨沼液用于水培生菜后，沼液氨氮脫除率可達98.25%～99.34%、COD脫除率為83.68%～96.04%、TP脫除率為65.94%～80.00%，水培廢液幾乎接近清澈，且完全滿足農(nóng)業(yè)灌溉用水標準。從凈化后沼液的表觀濁度、污染物脫除效果、稀釋用水量及培養(yǎng)后沼液是否可用于農(nóng)田灌溉用水等綜合考慮，稀釋5～15倍是值得考慮的脫氨沼液稀釋倍數(shù)。

（2）與營養(yǎng)液相比，5～10倍稀釋的脫氨沼液水培的生菜更有利于生菜的營養(yǎng)吸收和物質(zhì)同化，主要表現(xiàn)在相對生長量明顯增加（可增加60%以上），葉幅變寬4～5 cm，葉片數(shù)平均增加了2片。

（3）脫氨沼液水培的生菜營養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)于營養(yǎng)液水培，其中類胡蘿卜素與還原糖含量普遍提高，而維生素C含量略低，但差異并不明顯。同時，沼液水培生菜的衛(wèi)生品質(zhì)大幅提升，主要表現(xiàn)在生菜中硝態(tài)氮含量僅為營養(yǎng)液組的2.11%～4.02%。

（4）綜合考慮生菜的外觀品質(zhì)、相對生長量、營養(yǎng)及衛(wèi)生品質(zhì)，脫氨沼液可以代替化學(xué)營養(yǎng)液用于水培生菜，且5～10倍稀釋可能為最佳的脫氨沼液水培生菜稀釋比例。

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