沼液用于无土栽培的营养机理与技术优化

沼液用于无土栽培的营养机理与技术优化周彦峰;邱凌;李自林;张月;孙全平【摘要】沼液中含有丰富的氨氮、粗蛋白、粗纤维、粗脂肪等营养成分，富含多种酶类、维生素等有利于作物生长发育的成分，还有大量的常量元素和微量元素，在蔬菜无土栽培方面有很大的优势.为此，对沼液用于无土栽培的营养机理与技术进行了优化.应用沼液无土栽培时，严格控制条件有利于作物产量的提升:EC值应控制在2.0~4.0ms/cm之间,pH值在5.8~6.5之间沼液提前沤肥30天并加入鳌合态铁可以增产3.4%~8.8%.【期刊名称】《农机化研究》【年(卷)，期】2013(035)005【总页数】4页(P224-227)【关键词】沼液;无土栽培;营养机理;优化【作者】周彦峰;邱凌;李自林涨月;孙全平【作者单位】西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌712100;农业部农村可再生能源开发利用西部实验站，陕西杨凌712100;西北农林科技大学农学院，陕西杨凌712100;农业部农村可再生能源开发利用西部实验站，陕西杨凌712100;安康市农村能源站，陕西安康725000;西北农林科技大学农学院，陕西杨凌712100;农业部农村可再生能源开发利用西部实验站，陕西杨凌712100;西北农林科技大学农学院，陕西杨凌712100;农业部农村可再生能源开发利用西部实验站，陕西杨凌712100【正文语种】中文【中图分类】S216.40引言无土栽培是用人工创造的根系环境取代土壤环境，并能对这种根系进行调控以满足植物生长需要的作物栽培方式，具有产量高、质量好、无污染，省水、省肥、省地及不受地域限制等优点。目前，国内外均采用化学合成液作为营养液，配制程序比较复杂，不易为群众掌握。沼液、沼渣是沼气厌氧发酵后的产物，其速效营养能力强、养分可利用率高，能够迅速被作物吸收利用，不但能提高作物的产量和品质，而且具有防病、抗逆作用，是优质的有机肥料［1］。利用沼气发酵液作为无土栽培营养液栽培蔬菜，效果好，技术简单，易于推广。为此，从分析沼液的多种理化性质出发，综合地分析了沼液作为无土栽培营养液的优势和可行性，并对其技术现存问题进行了初步的优化，总结出沼液用于无土栽培较为完善的配套技术，以便为今后蔬菜无土栽培新的发展提供借鉴。1营养机理由于沼气发酵所涉及的微生物群种类相当复杂，有水解性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、产甲烷菌和某些具有合成功能的细菌等。所以，沼气发酵过程中代谢产物是非常丰富的。1.1沼液含有丰富的植物营养从营养元素来看，沼气发酵过程是碳、氢、氧的代谢过程。其中，有机废弃物中的碳、氢、氧经发酵转化为沼气一甲烷和二氧化碳，有机废弃物中大量的氮、磷、钾保存于发酵残留物中，而且这些元素在发酵过程中被转化为简单的化合物一易于被动物、植物吸收利用的形态。例如，有机废弃物中的有机氮素，一部分被转化为氨氮(NH3-N)的形式，相当于速效氮;另一部分，则参与代谢或者分解为氨基氮一游离氨基酸的形式。氨氮是理想的氮肥，而氨基酸则是饲料的最佳氮素来源［2］。从营养成分来看，有机废弃物经沼气发酵后，原料中的纤维素被部分降解，蛋白质—方面通过蛋白水解酶降解为氨基酸，另一方面通过微生物繁殖而转化为菌体蛋白。总体比较分析，沼气发酵残留物中的粗纤维含量比有机废弃物中的低，而其粗蛋白含量则高于有机废弃物。用于沼气发酵的有机废弃物通常为人畜粪便和植物废弃茎叶等，这些原料的成分大都为纤维素、蛋白质和脂肪等。通过沼气发酵后，其发酵残留物保留了丰富的粗蛋白、粗纤维和粗脂肪等营养成分［3］。通过对沼气发酵原料发酵前后的氨氮、纤维素和碳氮比等指标进行检测分析，结果表明:通过原料发酵产生沼气后，原料中纤维素被部分降解，粗蛋白提高，氨氮升高。沼液的营养成分除硝氮和硫的含量偏低外，其他营养元素均高于专用营养液4~5倍，稀释后可替代专用营养液，如表1所示。表1沼液与无土栽培专用营养液成份比较Table1ThecomparisonbetweenBiogasslurryandsoillessculture-specificnutritionredients项目硝氮氨氮磷钾钙镁硫锰锌硼钼铜铁专用营养液189745360186431200.550.330.270.0480.050.88原沼液09842475005901616811.001.200.910.2000.194.50稀释5倍沼液01974910011835132.200.240.180.0400.040.901.2沼液含有大量的生物活性物质在沼气发酵过程中，参与厌氧消化和代谢的微生物菌群相当复杂。从类型上看，可以归为4类:①水解性细菌;②产乙酸细菌;③产甲烷菌;④作用尚不清楚、具有合成能力的细菌。整个厌氧代谢过程，产甲烷菌并不是孤立进行，在它周围繁多的菌群先于产甲烷菌之前代谢，并以此提供产甲烷菌正常代谢的底物和环境。从沼气发酵的物质转化来看，基质中蛋白质、脂肪、纤维素、半纤维素、淀粉等大分子物质，首先在水解菌所产生的各种水解酶作用下被降解代谢，其产物为水溶性的酸、醇、糖等较小分子的化合物，以及少量的H2和C02。第2阶段是各种水溶性产物进一步发酵降解形成乙酸盐、H2和C02等产甲烷的底物。第3阶段为产甲烷菌的代谢过程。沼气发酵过程是一个多菌群相互交替作用而又复杂的过程，其代谢的产物是极为丰富的。虽然对沼气发酵残留物的利用领域已逐步拓宽，对其机理认识还相当模糊;但从理论上可以肯定，实际测定结果也表明，沼气发酵残留物中含有各种水解酶类、有机酸类、植物激素类、抗生素类，成分较全的氨基酸、丰富的微量元素、B族维生素以及腐植酸等生物活性物质［4］。1.2.1各种水解酶类要使沼气发酵得以进行，首先沼气发酵原料中的蛋白质、脂肪、纤维素和淀粉等复杂化合物要能被降解，而这一过程需要各种水解酶的参与才能完成。研究检测表明，在沼气发酵残留物中存在有蛋白质水解酶、脂肪水解酶、纤维素水解酶和淀粉水解酶等酶类物质，且沼气发酵残留物中的酶活性高于发酵原料的酶活性。这些酶类的存在为沼气发酵残留物作为畜禽饲料添加剂、促进养殖业发展、降低成本提供了良好的物质基础。1.2.2氨基酸沼气发酵过程中有众多的厌氧微生物群类参与代谢，沼气发酵的进行正是这些菌群的不断繁殖和代谢，最后在其残留物中必然有大量的菌体蛋白。这些菌体蛋白的氨基酸组成非常全面，无论是必需氨基酸，还是非必需氨基酸都可与鱼粉相媲美。同时，对沼气发酵原料和其发酵残留物的氨基酸分析表明，残留物中各种氨基酸的含量显著增加。因此，沼气发酵残留物作畜禽饲料添加剂，其所含的氨基酸成分构成了饲料的营养基础［5］。1.2.3B族维生素维生素是动植物生产必不可少的物质，它们不能在动植物体内合成，只能通过某些微生物合成。通过对沼气发酵残留物检测证实，不同原料经过沼气发酵，其残留物中的维生素B2，B5,B12都比原料中的含量有所增加洞时，含有维生素B1，B6,B11等。沼气发酵残留物中的B族维生素能促进植物和动物的生长发育，提高动植物抵御病虫害的抗逆性［6］。1.2.4腐植酸腐植酸是植物残体腐解后所形成的一种高分子化合物，包括胡敏酸、富里沃酸和草木糯酸3种。沼气发酵残留物中的腐植酸含量在10%~20%之间(以Ts=100%计)，分子量在800~1500之间［7］。在改良土壤方面，腐植酸有利于土壤团粒结构的形成作为饲料添加剂，可抑制脂肪氧化，防治抗菌素和维生素添加剂的失活。沼气发酵残留物作为土壤改良剂和饲料添加剂所获得的效果，均与其腐植酸的作用有着直接的关系。1.3沼液含有丰富的矿物质元素在沼气发酵的代谢过程中，有机废弃物中的矿物质元素参与微生物的代谢，最后又残存于发酵残留物中。因此，沼气发酵残留物中的矿物质元素非常丰富，可分为钙、钠、氯、硫、镁、钾等常量元素和铁、锌、铜、锰、钻、铬、钒等微量元素。作物生长发育需要16种营养元素碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、硫(S)、铁(Fe)、锰(Mn)、硼(B)、锌(Zn)、铜(Cu)、钼(Mo)、氯(Cl)。它们是作物体内糖、蛋白质、脂肪、纤维素、淀粉、维生素等多种重要有机化合物的组成成分，在作物生长发育过程中各有各的生理功能，是同等重要和不可替代的［8］。沼气发酵残留物中所含的丰富矿物质，能够提供给植物生长对矿物质元素的需要，从而促进农牧复合生态工程的良性循环和发展。2技术优化2.1沼液无土栽培的适宜电导率问题对沼液原液电导率（EC值）、pH测定后发现，沼液电导率大于8.0ms/cm,pH值在7.8~8.1之间，不能直接使用，需要用水稀释调节，使其EC值在2.0~4.0ms/cm之间，栽培液浓度为原沼液浓度的30%~60%。用硝酸或磷酸来调节沼液的pH值到5.8~6.5之间，以适于蔬菜生长。2.2沼液无土栽培的根系供氧问题沼液在养分转化过程中需消耗部分氧气，利用其进行无土栽培常出现根部缺氧现象;养分吸收功能减弱，易导致植株生长缓慢、叶片黄化。为此，可在栽培槽进口处设置了增氧器，全天24h增氧，利用机械和物理的方法增加营养液与空气接触，提高溶液中氧含量。此外，还可采用增加沼液循环次数、加大落差等方法，来增加沼液中氧的含量。实验表明，沼液应事先在贮液池进行30天的熟化和稳定［9］,有利于养分转化，消除沼液中的还原物质;并在栽培槽进口处设置增氧机增氧，是补充沼液因厌氧发酵而产生缺氧的有效方法。2.3沼液无土栽培的补铁问题在实际生产中，应根据实际情况决定沼液的使用浓度。沼液的铁元素偏低，加上沼液pH值偏高，在沼液作营养液栽培时常出现缺铁症状。试验表明，不加铁元素栽培槽的番茄、黄瓜、芹菜、生菜和茄子均出现叶片失绿，症状从顶叶向老叶发展，严重时叶片白化，叶缘坏死，植株顶芽停止生长；而定期加入铁元素栽培槽的生菜、芹菜、番茄、黄瓜和茄子则生长发育正常。这表明加入鳌合态铁以保持沼液中一定的铁浓度是解决沼液缺铁行之有效的方法［10］。2.4沼液无土栽培对蔬菜产量和品质的影响为了探索沼液作为无土栽培营养液的应用实效，以生菜、芹菜、番茄、黄瓜和茄子为试材，比较研究沼液和无机营养液对上述蔬菜产量与品质的影响。结果表明:用沼液作营养液栽培生菜、芹菜、番茄、黄瓜和茄子的产量比无机标准营养液栽培的表2不同营养液对生菜、芹菜、番茄、黄瓜、茄子产量的影响Table2Nutrientsolutiononlettuce，celery，tomato，cucumber，eggplantproduction不中类处理株高/cm开展度/cm叶片数最大叶（宽x长）产量/株勺-1增产量/%生菜沼液15.9524.516.715.7x16.3228.18.8营养液16.1525.116.215.4x16.2209.6-芹菜沼液71.50-12.879x1.1106.28.1营养液69.30-12.278x0.998.1-番茄沼液221.5063.4--2590.03.6营养液218.3063.1--2501.0-黄瓜沼液——2521.04.6营养液——2411.0-茄子沼液98.3070.1--1245.03.4营养液97.2069.8--1204.0-沼液栽培的蔬菜品质明显优于无机营养液栽培，特别是维生素C含量显著提高，硝酸盐含量也有明显降低（如表3所示）。这主要是沼液中含有大量有机氮和氨态氮，只有少量硝态氮所产生的影响［11］。表3不同营养液对生菜和番茄品质的影响Table3Nutrientsolutiononlettucequality种类处理粗蛋白/mg-kg-1维生素C/mg-kg-1硝酸盐/mg・kg-1可溶性糖/%总酸/%生菜沼液0.91125.6113.21--营养液0.86106.9181.32--番茄沼液0.77203.288.763.520.63营养液0.7189.8148.703.320.603结论与讨论1） 沼液的营养成分除硝氮、硫的含量偏低外，其他营养元素均高于专用营养液4~5倍;发酵后的沼液中含有丰富的氨氮、粗蛋白、粗纤维、粗脂肪等营养成分，有利于作物的吸收。2） 沼液中含有各种水解酶类、有机酸类、植物激素类和抗生素类，成分较全的氨基酸、丰富的微量元素、B族维生素以及腐植酸等生物活性物质。丰富的酶类为沼气发酵残留物做畜禽饲料添加剂，促进养殖业发展，降低成本提供了良好的物质基础。B族维生素能促进植物和动物的生长发育，同时能提高动植物抵御病虫害的抗逆性。腐植酸有利于土壤团粒结构的形成。沼液中的矿物质元素非常丰富，可分为钙、钠、氯、硫、镁、钾等常量元素和铁、锌、铜、锰、钻、铬、钒等微量元素。(4)对沼液营养成分和条件加以优化控制，可以有效地提高蔬菜作物的产量和品质:EC值控制在2.0~4.0ms/cm之间，并用硝酸或磷酸来调节沼液的pH值到5.8~6.5之间，可以促进多数作物的生长发育。沼液应事先在贮液池进行30天的沤肥，才有利于养分转化，消除沼液中的还原物质，并在栽培槽进口处设置增氧机增氧，是补充沼液因厌氧发酵而产生缺氧的有效方法。加入鳌合态铁以保持沼液中一定的铁浓度是解决沼液缺铁行之有效的方法。利用沼液进行无土栽培生产番茄、黄瓜、芹菜、生菜、茄子，较之无机标准营养液栽培，品质显著提高，尤其体现在维生素C含量的增加和硝酸盐含量的降低，产量也有一定的提高。沼液无土栽培设施简便，易于就地取材，可作为沼气工程的后续产业，大面积推广应用，是今后农村沼气发展的一项非常有前景的措施。参考文献：【相关文献】[1]王卫，袁凌云，郝晓杰，等.沼液•沼渣在辣椒无土栽培上的应用研究[J].安徽农业科学，2009,24:11499-11500.[2]邱凌.庭院沼气高效生产与利用[M].北京:科学技术文献出版社，2007.[3]刘文科，杨其长.MFT系统进行沼液水培生菜的效果研究[J].农业工程技术:温室园艺，2010(10):