一种餐厨垃圾资源化用于防控农田土壤氨挥发的方法
技术领域
本发明涉及废弃物资源化和绿色农业技术领域，更具体地说，本发明涉及一种餐厨垃圾资源化用于防控农田土壤氨挥发的方法。
背景技术
近年来，我国城市化进程不断加快，餐饮业飞速发展，每天都产生大量餐厨垃圾。在城市生活垃圾中，餐厨垃圾的占比为30％～50％。据研究统计，我国城市每年产生6000万t以上餐厨垃圾。若不能合理处置，将严重影响居住环境，甚至危及人们的身体健康。当然，餐厨垃圾具有淀粉、纤维素、蛋白质等丰富的营养物质，具有很大的利用价值。因此，餐厨垃圾资源化利用及无害化处理已成为当前的热点，这种变废为宝、有效减少污染物排放及缓解垃圾填埋压力等的方法，实现了废弃物资源化，减少污染物的排放。
随着农业种植结构的不断调整，市场需求量逐渐扩大，人们在追求产量的同时过度施用化肥无疑成为热点问题。在作物生产过程中，过度施用化肥可造成土壤酸化、板结及硝酸盐大量累积等问题，导致植物产量及品质下降，地下水资源严重污染；另一方面，通过氨气和一氧化二氮的气态排放造成氮素损失及大气污染。其中，氨挥发是土壤-作物系统氮损失的主要途径，可造成土壤中养分的大幅流失、灰霾污染及温室效应加剧等环境问题。
生物有机肥是以畜禽粪便、农作物秸秆等动植物残体为原料经无害化处理、腐熟制备成的有机物料可作为很好的载体，与有效菌复合而成的绿色高效肥料，不仅可使固体废弃物达到资源化利用，作物产量得到提升，而且在环境改善中发挥着重要的作用。本发明着眼于防控农田土壤氨挥发，同时减少污染物的排放，提供了一种餐厨垃圾培养的解淀粉芽孢杆菌与有机肥有效复合而成的绿色肥料，在防控农田面源污染、提高氮素利用率及废弃物资源化利用中发挥着重要作用。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种餐厨垃圾资源化用于防控农田土壤氨挥发的方法，通过制备兼具微生物菌剂和有机肥效应的解淀粉芽孢杆菌生物有机肥，用于农业作物生产中，可减少土壤氨挥发量，提高氮素利用率，改善作物种植环境，同时提高作物产量，减少污染物排放，实用性强。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种餐厨垃圾资源化用于防控农田土壤氨挥发的方法，具体操作步骤如下：
S1、首先利用餐厨垃圾与畜禽粪便制备防控土壤氨挥发的解淀粉芽孢杆菌生物有机肥，具体包括：
S1.1、餐厨垃圾预处理：用匀浆机将餐厨垃圾打浆，加水稀释为固形物，然后用氢氧化钠水溶液或石灰水调节废水的pH到6.8～7.7，用微波煮沸10～35分钟灭菌；
S1.2、液体种子制备：向装有预处理好的餐厨垃圾的三角瓶中接种斜面保藏的解淀粉芽孢杆菌，振荡培养，得到液体种子；
S1.3、液态发酵：向装有预处理好的餐厨垃圾发酵罐中接种体积比为2％～15％的液体种子，通无菌空气培养；培养好的发酵液经平板细菌计数；
S1.4、菌剂制备：以过30目筛的生物碳为载体，将发酵液添加到生物碳中，充分混合均匀，通风干燥至含水量25％以下，得到固态菌剂；
S1.5、生物有机肥制备：采用畜禽粪便、农作物秸秆作为原料经无害化处理、腐熟制备成有机物料，将固态菌剂与有机肥混合均匀，通风干燥至含水量25％以下，包装，存放在阴凉干燥处，得到解淀粉芽孢杆菌生物有机肥；
S2、将步骤S1制备的解淀粉芽孢杆菌生物有机肥施加于蔬菜田中，用于防控蔬菜种植田氨挥发。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.1中，餐厨垃圾加水稀释后的浓度为20克/升～80克/升。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.2中，餐厨垃圾接种解淀粉芽孢杆菌后，于25～37℃，120～200转/分振荡培养24～36小时。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.3中，液体种子接种后，于25～37℃，通无菌空气培养15～36小时。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.4中，发酵液∶生物碳的重量比为1∶1～1∶3。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.5中，固态菌剂与有机肥的重量比为1∶1～1∶5。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.5中，还可以直接将发酵液与有机肥按照1∶2～1∶10的重量比混合均匀，通风干燥至含水量25％以下。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S2中，解淀粉芽孢杆菌生物有机肥的施加方法为混施，将解淀粉芽孢杆菌生物有机肥与0-20cm层供试土壤混合。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明有效利用餐厨垃圾中丰富的营养物质培养解淀粉芽孢杆菌，所得发酵液活菌数达到6.3×109CFU/毫升，实现了餐厨垃圾资源化，减少污染物排放，并且可作为很好的微生物培养基；将畜禽粪便、农作物秸秆等动植物残体作为原料经无害化处理、腐熟制备成有机物料，作为很好的载体，与餐厨垃圾培养的解淀粉芽孢杆菌有效复合而成的绿色高效肥料，在防控农田氨排放及促进作物生长中发挥着重要的作用；
2、本发明通过制备兼具微生物菌剂和有机肥效应的解淀粉芽孢杆菌生物有机肥，用于农业作物生产中，可使土壤氨挥发速率达到峰值的时间提前和缩短了土壤的氨挥发周期，进而减少土壤氨挥发量，提高氮素利用率；可降低土壤氨挥发速率峰值期间pH，土壤pH与氨挥发速率存在着一定的对应关系，其值越小，氨挥发速率越小；可加强土壤氨挥发峰值期间的硝化作用，硝化作用强弱也是影响氨挥发重要因素之一；在降低土壤氨挥发量的同时作物产量也得到明显提升；
3、本发明有效利用餐厨垃圾中丰富的营养物质培养解淀粉芽孢杆菌，可作为很好的微生物培养基，有效缓解过量施用化肥带来的土壤板结、酸化及氮素损失等问题，提供全面养分、促进土壤微生物繁殖及提高土壤保肥保水能力等，在防控农田土壤氨挥发、提高氮素利用率及废弃物资源化利用中发挥着重要作用。
附图说明
图1为本发明不同施肥处理的土壤氨挥发速率示意图。
图2为本发明不同施肥处理的土壤氨挥发累积量示意图。
图3为本发明不同肥料处理的土壤pH变化示意图。
图4为本发明不同肥料处理土壤NH4+-N变化示意图。
图5为本发明不同肥料处理土壤NO3--N变化示意图。
图6为本发明不同肥料处理的生菜产量示意图。
图7为本发明氨挥发收集装置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种餐厨垃圾资源化用于防控农田土壤氨挥发的方法，具体操作步骤如下：
S1、首先利用餐厨垃圾与畜禽粪便制备防控土壤氨挥发的解淀粉芽孢杆菌生物有机肥，具体包括：
S1.1、餐厨垃圾预处理：用匀浆机将餐厨垃圾打浆，加水稀释为浓度为50克/升的固形物，然后用氢氧化钠水溶液或石灰水调节废水的pH到7，用微波煮沸10分钟灭菌；
S1.2、液体种子制备：向装有预处理好的餐厨垃圾的三角瓶中接种斜面保藏的解淀粉芽孢杆菌，于37℃，120转/分振荡培养24小时，得到液体种子；
S1.3、液态发酵：向装有预处理好的餐厨垃圾发酵罐中接种体积比为2％～15％的液体种子，于37℃，通无菌空气培养24小时；培养好的发酵液经平板细菌计数，活菌数达到4.6×109CFU/毫升以上；
S1.4、菌剂制备：以过30目筛的生物碳(生物质热解后剩余的固体物质，主要成分是碳)为载体，按照发酵液∶生物碳为1∶1的重量比，将发酵液添加到生物碳中，充分混合均匀，通风干燥至含水量25％以下，得到固态菌剂；
S1.5、生物有机肥制备：将固态菌剂与有机肥(有机肥采用畜禽粪便、农作物秸秆等动植物残体作为原料经无害化处理、腐熟制备成)按照1∶1的重量比混合均匀，通风干燥至含水量25％以下，包装，存放在阴凉干燥处，得到解淀粉芽孢杆菌生物有机肥，还可以直接将发酵液与有机肥按照1∶1的重量比混合均匀，通风干燥至含水量25％以下；
S2、将步骤S1制备的解淀粉芽孢杆菌生物有机肥施加于蔬菜田中，用于防控蔬菜种植田氨挥发，且解淀粉芽孢杆菌生物有机肥的施加方法为混施，将解淀粉芽孢杆菌生物有机肥与5cm层供试土壤混合。
实施例2：
一种餐厨垃圾资源化用于防控农田土壤氨挥发的方法，具体操作步骤如下：
S1、首先利用餐厨垃圾与畜禽粪便制备防控土壤氨挥发的解淀粉芽孢杆菌生物有机肥，具体包括：
S1.1、餐厨垃圾预处理：用匀浆机将餐厨垃圾打浆，加水稀释为浓度为30克/升的固形物，然后用氢氧化钠水溶液或石灰水调节废水的pH到7.3，用微波煮沸15分钟灭菌；
S1.2、液体种子制备：向装有预处理好的餐厨垃圾的三角瓶中接种斜面保藏的解淀粉芽孢杆菌，于30℃，150转/分振荡培养30小时，得到液体种子；
S1.3、液态发酵：向装有预处理好的餐厨垃圾发酵罐中接种体积比为10％的液体种子，于30℃，通无菌空气培养18小时；培养好的发酵液经平板细菌计数，活菌数达到6.3×109CFU/毫升以上；
S1.4、菌剂制备：以过30目筛的生物碳(生物质热解后剩余的固体物质，主要成分是碳)为载体，按照发酵液∶生物碳为1∶2的重量比，将发酵液添加到生物碳中，充分混合均匀，通风干燥至含水量25％以下，得到固态菌剂；
S1.5、生物有机肥制备：将固态菌剂与有机肥(有机肥采用畜禽粪便、农作物秸秆等动植物残体作为原料经无害化处理、腐熟制备成)按照1∶3的重量比混合均匀，通风干燥至含水量25％以下，包装，存放在阴凉干燥处，得到解淀粉芽孢杆菌生物有机肥，还可以直接将发酵液与有机肥按照1∶3的重量比混合均匀，通风干燥至含水量25％以下；
S2、将步骤S1制备的解淀粉芽孢杆菌生物有机肥施加于蔬菜田中，用于防控蔬菜种植田氨挥发，且解淀粉芽孢杆菌生物有机肥的施加方法为混施，将解淀粉芽孢杆菌生物有机肥与10cm层供试土壤混合。
实施例3：
一种餐厨垃圾资源化用于防控农田土壤氨挥发的方法，具体操作步骤如下：
S1、首先利用餐厨垃圾与畜禽粪便制备防控土壤氨挥发的解淀粉芽孢杆菌生物有机肥，具体包括：
S1.1、餐厨垃圾预处理：用匀浆机将餐厨垃圾打浆，加水稀释为浓度为70克/升的固形物，然后用氢氧化钠水溶液或石灰水调节废水的pH到6.8，用微波煮沸30分钟灭菌；
S1.2、液体种子制备：向装有预处理好的餐厨垃圾的三角瓶中接种斜面保藏的解淀粉芽孢杆菌，于25℃，180转/分振荡培养32小时，得到液体种子；
S1.3、液态发酵：向装有预处理好的餐厨垃圾发酵罐中接种体积比为2％～15％的液体种子，于25℃，通无菌空气培养32小时；培养好的发酵液经平板细菌计数，活菌数达到5.4×109CFU/毫升以上；
S1.4、菌剂制备：以过30目筛的生物碳(生物质热解后剩余的固体物质，主要成分是碳)为载体，按照发酵液∶生物碳为1∶3的重量比，将发酵液添加到生物碳中，充分混合均匀，通风干燥至含水量25％以下，得到固态菌剂；
S1.5、生物有机肥制备：将固态菌剂与有机肥(有机肥采用畜禽粪便、农作物秸秆等动植物残体作为原料经无害化处理、腐熟制备成)按照1∶5的重量比混合均匀，通风干燥至含水量25％以下，包装，存放在阴凉干燥处，得到解淀粉芽孢杆菌生物有机肥，还可以直接将发酵液与有机肥按照1∶5的重量比混合均匀，通风干燥至含水量25％以下；
S2、将步骤S1制备的解淀粉芽孢杆菌生物有机肥施加于蔬菜田中，用于防控蔬菜种植田氨挥发，且解淀粉芽孢杆菌生物有机肥的施加方法为混施，将解淀粉芽孢杆菌生物有机肥与20cm层供试土壤混合。
实施例4：
本发明采用盆栽试验，从2018年12月开始到2019年2月结束，整个过程在河北廊坊永清县龙虎庄农业园区温室中进行。施氮量均为0.25g N/Kg soil，15Kg soil/pot，化肥选用复合肥(N-P2O5-K2O含量均为17％)，有机肥含氮量为5.11％，施肥方式采用混施。生菜种植密度为8株/盆。除了肥料种类不同,各个处理的其他生产管理措施均一致。试验设4个处理4个平行，随机排列。分别为：对照处理(不施肥)(CK)、化肥100％处理(C)、解淀粉芽孢杆菌生物有机肥50％+化肥50％处理(B1)、解淀粉芽孢杆菌生物有机肥100％(B2)。
试验采用动态箱法(如图7)测定每日的氨挥发量，施加后第1周每天都测氨挥发，之后间隔2天测定一次，直至氨挥发效果不明显，试验装置材料为有机玻璃，长30cm，宽20cm，高20cm，插进土壤3cm。测定时间选为上午10︰30-13︰30测定三小时，选用施肥后第1周每天测一次氨挥发，之后可2天测一次，直到氨挥发可以忽略不计(观察不到明显颜色变化)。该动态箱法方法适用于田间小区对比实验，其基本原理是以真空泵作为动力源，利用空气置换密闭室内的NH3，挥发出来的NH3随着抽气气流进入吸收瓶中，以含有甲基红-亚甲基蓝混合指示剂的2％硼酸溶液50mL作为氨吸收液，最后用标准0.005mol/L的稀硫酸溶液滴定来计算氨挥发量，待含有甲基红-亚甲基蓝混合指示剂的硼酸吸收液观察不到明显颜色变化时，试验结束。土壤氨挥发速率计算公式如下：用0.005mol/L的标准酸滴定硼酸吸收液，再将滴定消耗的硫酸体积带入公式计算氨挥发量。
土壤氨挥发速率(kg/hm2/d)＝[M/(A×D)]×10-2
式中：M——为密闭法单个装置每次测得的氨(NH3-N，mg)；
A——为捕获装置的横截面积(hm2)；
D——为每次连续捕获的时间(d)。
试验期间得出如图1-6的试验数据图：
图1中，在施肥后，所有处理均快速出现氨挥发，在升至峰值后开始下降，直至与土壤氨挥发接近对照处理水平。其中，C处理在施肥后快速出现氨挥发，并急剧上升，在第5天达到氨挥发通量峰值，为6.93kg·hm-2·d-1，氨挥发持续周期为30天。B1和B2处理分别在施肥后的第6天和第4天达到氨挥发通量峰值，分别为0.57kg·hm-2·d-1和0.96kg·hm-2·d-1，氨挥发周期均为15天左右，相对于C处理的氨挥发损失率峰值分别降低了91.77％和86.14％。
图2中，在相同施氮量的情况下，氨挥发总量分别为：C＞B1＞B2＞CK。其中，CK处理的氨挥发总量为1.67kg·hm-2，B2处理的氨挥发总量为2.11kg·hm-2，B1处理的氨挥发总量为2.85kg·hm-2，C处理的氨挥发总量为13.89kg·hm-2。相对于C处理，B1和B2处理氨挥发量均有所降低，其中，B1处理氨挥发总量降低79.48％，B2处理氨挥发总量降低84.81％。
图3中，在施肥后均开始逐渐下降，这与土壤样品氨挥发速率相对应，土壤pH越低，氨挥发速率越小。试验结束后，各处理土壤pH均比施肥前低，这是由于化肥中的成分大多属于酸性肥料(如：过磷酸钙、硫酸铵、氯化铵等)，即植物吸收肥料中的养分离子后，土壤中氢离子增多，易造成土壤酸化。加之大量的NH4+、K+和土壤胶体吸附的Ca2+、Mg等阳离子发生交换，使土壤结构被破坏，导致土壤板结。土壤有机质下降，化肥无法补偿有机质的缺乏，进一步影响了土壤微生物的生存，降低了肥效。因此，长时间且过度施用化肥不仅会导致土壤酸化，还会引起土壤板结，肥力下降。试验期间，CK处理土壤pH较高且相对稳定，为8.53-8.21。C处理的土壤pH降低最多，降低了1.10个pH单位。CK处理的土壤pH降低最少，降低了0.29个pH单位。在作物收获后，CK、C、B1和B2处理的土壤pH分别为8.23、7.60、7.86和8.22，最高为CK处理，最低为C处理。
图4中，所有处理土壤NH4+-N含量都是在施肥后0-5天迅速上升，且达到峰值，然后又开始下降，直至趋于稳定，这与土壤样品氨挥发速率相对应，土壤样品的NH4+-N含量越高，氨挥发速率越大。此外，C处理的土壤NH4+-N含量明显高于施用解淀粉芽孢杆菌生物有机肥(B1和B2)的土壤，存在显著差异(P<0.05)，说明施用一定比例的生物有机肥可有效降低土壤NH4+-N的浓度，从而降低氨挥发损失。
图5中，所有处理土壤NO3--N含量基本都呈现出先迅速上升，后开始缓慢升高，大约在第20天之后，逐渐趋于稳定。相对于其他处理，纯施化肥的C处理土壤NO3--N含量最高，为118.4mg/kg。其次是B1处理，土壤NO3--N含量为88.8mg/kg，比CK处理土壤NO3--N含量增高了63.9％，CK处理土壤NO3--N含量为32.0mg/kg。B2处理土壤的NO3--N含量也高于CK处理。土壤NH4+-N含量的降低伴随着土壤NO3--N含量的升高，从变化趋势可得，施用生物有机肥加强了土壤硝化作用。
图6中，每盆生菜在不同施肥处理情况下的产量总体趋势为：B2>C>B1>CK。B2处理产量最高为225g/pot，相对于CK和C处理分别增产50.5％和12.3％，
根据氨挥发量与作物产量综合考虑下，B2处理最理想，既缩短了氨挥发峰值的周期，降低了氨挥发通量，同时又提高了作物产量。
本发明有效利用餐厨垃圾中丰富的营养物质培养解淀粉芽孢杆菌，可使土壤氨挥发速率达到峰值的时间提前和缩短了土壤的氨挥发周期，进而减少土壤氨挥发量，提高氮素利用率；可降低土壤氨挥发速率峰值期间pH，土壤pH与氨挥发速率存在着一定的对应关系，其值越小，氨挥发速率越小；可加强土壤氨挥发峰值期间的硝化作用，硝化作用强弱也是影响氨挥发重要因素之一；在降低土壤氨挥发量的同时作物产量也得到明显提升。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
