一种促进水稻秸秆和猪粪混合厌氧发酵的方法及应用与流程

1.本发明属于秸秆发酵技术领域，尤其涉及一种促进水稻秸秆和猪粪混合厌氧发酵的方法及应用。


背景技术：

2.我国每年农林废弃物产生量约为21亿t，畜禽粪污产生量约为38亿t。厌氧发酵技术既能生产清洁生物能源，又能减少碳排放，是实现农作物秸秆和畜禽粪污资源化利用的有效途径之一。经过厌氧发酵后，剩余的沼渣、沼液还可用作肥料还田。厌氧发酵包括水解、产氢产酸和产甲烷三个阶段。
3.近年来，规模化沼气工程技术的开发备受重视，不断涌现出许多新方法、新技术及新工艺，呈现出跨越式发展的态势，对厌氧发酵添加剂的研究主要集中在寻求有提高产气量作用的各种外源物质结合的方式。添加剂的加入能够改善沼气微生物的营养状况、提供微生物生长的微量元素和改善产甲烷菌的生活环境等。而对于不同添加剂提高产气的具体机理研究还不多。添加剂对厌氧发酵产沼气有明显的促进作用，但多数的成功案例仍然停留在实验室规模。
4.秸秆厌氧发酵产生物甲烷通常利用沼气池和发酵罐进行，这类方式存在运输量大、残渣处理困难的问题。日本名城大学田村广人教授研发出了在水稻田直接利用水稻秸秆进行厌氧发酵生产生物甲烷的技术(get技术)，该技术能有效解决上述问题，还能降低生产成本、改善土壤肥力。但是，该技术由于单一使用秸秆作为发酵机质，其发酵进程和甲烷产率在一定程度上受到了限制。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种促进水稻秸秆和猪粪混合厌氧发酵的方法及应用，目的在于解决现有技术中的一部分问题或至少缓解现有技术中的一部分问题。
6.本发明是这样实现的，一种促进水稻秸秆和猪粪混合厌氧发酵的方法，将秸秆、猪粪、稻田土壤以及添加剂混合进行厌氧发酵，所述添加剂包括活性炭、氯化亚铁、氢氧化钙、皂土和吐温20中的至少一种。
7.进一步地，活性炭的添加量为秸秆和猪粪总质量的1％-8％。优选2％-3％。
8.进一步地，氯化亚铁的添加量为秸秆和猪粪总质量的1％-5％。优选3％。
9.进一步地，氢氧化钙的添加量为秸秆和猪粪总质量的1％-5％。优选3％-4％。
10.进一步地，皂土的添加量为秸秆和猪粪总质量的0.5％-2.5％。优选2％。
11.进一步地，吐温20的添加量为0.1g/l-0.5g/l。
12.本发明还提供了如上述的一种促进水稻秸秆和猪粪混合厌氧发酵的方法在调控秸秆和猪粪混合厌氧发酵系统产生物甲烷能力中的应用。
13.本发明还提供了如上述的一种促进水稻秸秆和猪粪混合厌氧发酵的方法在调控
秸秆中纤维素、半纤维素或木质素降解率中的应用。
14.本发明还提供了如上述的一种促进水稻秸秆和猪粪混合厌氧发酵的方法在调控土壤肥力中的应用。
15.进一步地，所述土壤肥力包括土壤有机质、全氮或全磷的含量。
16.综上所述，本发明的优点及积极效果为：
17.(1)室内控制实验中，活性炭、氯化亚铁、氢氧化钙和皂土的加入对水稻秸秆和猪粪混合厌氧发酵系统产生物甲烷能力、秸秆降解率和土壤肥力都有积极的作用。产甲烷能力方面，活性炭、氯化亚铁和氢氧化钙均能够加快厌氧发酵进程，缩短厌氧发酵迟滞时间，提高产气峰值，其促进效果依次为ca＞c＞fe＞z。秸秆降解和土壤肥力方面，均以氢氧化钙的效果最佳。
18.(2)室内控制实验中，不同添加量的添加剂对厌氧发酵系统产甲烷能力促进效果不同。各类型添加剂处理(c、fe、ca和z处理)中分别以3％活性炭、3％氯化亚铁、4％氢氧化钙和2％皂土添加量的促进效果最好。
19.(3)室内控制实验中，氢氧化钙的加入有利于提高水稻秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的降解率，而活性炭、氯化亚铁和皂土仅对纤维素和半纤维素的降解率有着促进作用。
20.(4)室内控制实验中，添加剂的加入有利于提高土壤肥力，不同添加量的添加剂对土壤有机质、全氮和全磷的促进效果不同。氯化亚铁和皂土的添加能提高土壤有机质和全氮的含量，而活性炭和氢氧化钙的添加能够对土壤有机质、全氮和全磷的含量均有显著增加效应。
21.(5)田间实验中，活性炭、氢氧化钙和吐温20的加入均能促进厌氧发酵系统产生物甲烷、秸秆降解和土壤肥力。各类型添加剂处理中分别以2％活性炭、3％氢氧化钙和0.4g/l吐温20添加量的促进效果最好。综合考虑各添加剂处理对厌氧发酵系统的影响，促进效果依次为ca＞t＞c。
附图说明
22.图1是室内厌氧发酵装置；
23.图2是活性炭添加量对ph值和挥发性脂肪酸动态变化的影响；
24.图3是活性炭添加量对日产气量和甲烷含量动态变化的影响；
25.图4是氯化亚铁添加量对ph值和挥发性脂肪酸动态变化的影响；
26.图5是氯化亚铁添加量对日产气量和甲烷含量动态变化的影响；
27.图6是氢氧化钙添加量对ph值和挥发性脂肪酸动态变化的影响；
28.图7是氢氧化钙添加量对日产气量和甲烷含量动态变化的影响；
29.图8是皂土添加量对ph值和挥发性脂肪酸动态变化的影响；
30.图9是皂土添加量对日产气量和甲烷含量动态变化的影响；
31.图10是活性炭添加量对累积产气量和平均甲烷含量的影响；
32.图11是氯化亚铁添加量对累积产气量和平均甲烷含量的影响；
33.图12是氢氧化钙添加量对累积产气量和平均甲烷含量的影响；
34.图13是皂土添加量对累积产气量和平均甲烷含量的影响；
35.图14是活性炭添加量对土壤肥力的影响；
36.图15是氯化亚铁添加量对土壤肥力的影响；
37.图16是氢氧化钙添加量对土壤肥力的影响；
38.图17是皂土添加量对土壤肥力的影响；
39.图18是不同添加剂类型对混合厌氧发酵产气的影响；
40.图19是不同添加剂类型对混合厌氧发酵土壤肥力的影响；
41.图20是添加剂对产气量和甲烷含量动态变化的影响；
42.图21是活性炭添加量对累积产气量和平均甲烷含量的影响；
43.图22是氢氧化钙添加量对累积产气量和平均甲烷含量的影响；
44.图23是吐温20添加量对累积产气量和平均甲烷含量的影响；
45.图24是活性炭添加量对土壤肥力的影响；
46.图25是氢氧化钙添加量对土壤肥力的影响；
47.图26是吐温20添加量对土壤肥力的影响；
48.图27是添加剂类型对产生物甲烷能力的影响；
49.图28是添加剂类型对土壤肥力的影响。
50.图中，1、海绵塞；2、发酵基质；3、止水夹；4、发酵液；5、集气瓶；6、导气管。
具体实施方式
51.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，各实施例及试验例中所用的设备和试剂如无特殊说明，均可从商业途径得到。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
52.根据本技术包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本发明的精确描述进行各种改变，而不会偏离所附权利要求的精神和范围。应该理解，本发明的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说明本发明的特定方面。实际上，本领域或相关领域的技术人员明显能够对本发明实施方式作出的各种改变都涵盖在所附权利要求的范围内。
53.为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本技术中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和所附权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。本发明中，“约”指给定值或范围的10％以内，优选为5％以内。
54.本发明下述各实施例中未特别限定温度时，则均为常温条件。
55.本发明披露了一种促进水稻秸秆和猪粪混合厌氧发酵的方法及应用。本发明中涉及的水稻秸秆取自宜昌市农业科学研究院枝江试验站附近大田收割水稻后剩余的秸秆，猪粪取自于试验站周边养殖户养猪场内堆积的猪粪。接种物水稻田土壤取自试验站附近水稻田。各发酵基质和接种物主要特性见下表1。
56.表1发酵基质的主要特性
[0057][0058]
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0059]
(相关定性测定显示，厌氧发酵过程中以甲烷八叠球菌属、甲烷粒菌属、甲烷囊菌属、甲烷瘤菌属、甲烷盘菌属、甲烷杆菌属和甲烷螺菌属为优势菌群)
[0060]
实施例1室内控制实验
[0061]
室内控制实验选择活性炭、氯化亚铁、氢氧化钙和皂土作为添加剂。
[0062]
1、实验装置
[0063]
室内控制实验厌氧反应器为有效体积2l的塑料瓶，实验开始前，先用一个2l的塑料瓶(如图1)预装秸秆、猪粪各60g和土壤80g(都为干重)，然后加水淹到发酵基质高度的2/3，用水量为1l。
[0064]
2、实验设计
[0065]
室内控制实验各添加剂添加量设置如下：活性炭的添加量分别为发酵基质质量的1％、2％、3％、6％、8％，标记为c1、c2、c3、c4、c5；氯化亚铁的添加量分别为发酵基质质量的1％、2％、3％、4％、5％，标记为fe1、fe2、fe3、fe4、fe5；氢氧化钙的添加量分别为发酵基质质量的1％、2％、3％、4％、5％，标记为ca1、ca2、ca3、ca4、ca5；皂土的添加量分别为发酵基质质量的0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％，标记为z1、z2、z3、z4、z5。试验还设置了不添加添加剂的空白对照组，标记为ck。每各处理水平重复3次，共63个试验处理。
[0066]
在实验启动前，以发酵基质总固体(ts)重量为基准，向发酵装置中加入120g风干后的发酵基质(秸秆和猪粪各60g)和80g水稻田土壤(接种物)。同时按上述各添加剂处理水平分别称取一定量的添加剂溶于1l的去离子水中，经搅拌、摇匀后加入到发酵基质中。然后密封放入图1的发酵装置中，其中(1)海绵塞；(2)发酵基质；(3)止水夹；(4)发酵液；(5)集气瓶；(6)导气管。在35℃恒温培养箱中进行为期90d的混合厌氧发酵实验。
[0067]
3、试验指标检测方法
[0068]
①
发酵基质和接种物含水量的测定
[0069]
实验开始前，分别将秸秆、猪粪和土壤各取3个样，将样品放入于铝盒中做好标记，取样前称铝盒重量记为m1，分别记秸秆、猪粪、土壤和铝盒的重量为m2，放入烘箱中105℃下，放置8h，取出称重为m3，含水量＝(m
3-m1)/m2×
100％，秸秆、猪粪和土壤含水量最终各取其平均值。
[0070]
②
发酵基质和接种物总固体(ts)和挥发性固体(vs)的测定
[0071]
实验开始前，分别对秸秆和猪粪(烘干样)取样3个进行测定；实验结束后，将秸秆从厌氧反应器中分离出来，对各处理(每个处理都有3个重复)的各重复进行取样，每个处理取样3个进行测量。vs的测定方法为马沸炉中550℃烘烤直至恒重法。
[0072]
③
发酵液ph值的测定
[0073]
从实验装瓶完成进行厌氧发酵开始记，第一次测定ph值，每10d各处理(每个处理都有3个重复)的各重复进行取样，取发酵液10ml于小离心管中，用ph计测定其ph值，每一处理测3次，并记录数据，测到实验结束。
[0074]
④
发酵液挥发性脂肪酸(vfas)含量的测定
[0075]
从实验装瓶完成进行厌氧发酵开始记，定期测定各处理(每个处理都有3个重复)的各重复厌氧发酵液的挥发性脂肪酸的含量，每个处理的各重复分别取10ml的发酵液于小离心管中，每个处理测定3次，采用比色测定法。
[0076]
⑤
产气量的测定
[0077]
从实验装瓶完成进行厌氧发酵开始记，每5d早上9点读取各处理(每个处理都有3个重复)的各重复排出水的体积，当水快排完时，及时更换排水瓶，测到实验结束。
[0078]
⑥
甲烷含量的测定
[0079]
室内实验从开始进行厌氧发酵时记，每5d从各处理(每个处理都有3个重复)的各重复的集气瓶中取气3次，每瓶测3次，通过气相色谱法进行测量(参考文献：王弯,陈芳清,黄永文,田村广人,刘杨赟,官守鹏.基于get技术的混合厌氧发酵产甲烷研究[j].生物资源,2019,41(05):450-457.)，并记录数据，测到实验结束。
[0080]
⑦
水稻秸秆木质纤维素含量的测定
[0081]
实验开始前和实验结束后进行测定，实验开始时测定，取3个样品(烘干的秸秆)，进行测定；实验结束后，将各处理(每个处理都有3个重复)的各重复秸秆从反应器中分离出来，分别取样进行测量，每个样品测量3次，纤维素、半纤维素和木质素的测定分别使用72％浓硫酸水解法、2mol/l盐酸水解法和浓硫酸法(参考文献：熊素敏,左秀凤,朱永义.稻壳中纤维素、半纤维素和木质素的测定[j].粮食与饲料工业,2005(08):40-41.)。室外实验结束后，取出尼龙袋晾干后称量，得到秸秆降解率。
[0082]
⑧
秸秆、土壤和猪粪总有机碳和土壤总氮总磷的测定
[0083]
实验开始前和实验结束后进行测量，实验开始前，秸秆、猪粪和土壤(烘干样)分开各取3个样共9个样品进行测定；实验结束后，将各处理(每个处理都有3个重复)的各重复秸秆和土壤分离出来，分别取样进行测量，每个处理对秸秆和土壤分别测量3次。总有机碳采用重铬酸钾氧化法；土壤的总氮和总磷用连续流动分析仪测定(参考文献：[44]张英利,许安民,尚浩博,马爱生.aa3型连续流动分析仪测定土壤和植物全氮的方法研究[j].西北农林科技大学学报(自然科学版),2006(10):128-132.)。
[0084]
4、实验结果
[0085]
(1)添加剂对混合厌氧发酵进程的作用
[0086]
活性炭添加量对ph值和挥发性脂肪酸动态变化的影响如图2所示，活性炭添加量对日产气量和甲烷含量动态变化的影响如图3所示。氯化亚铁添加量对ph值和挥发性脂肪酸动态变化的影响如图4所示；氯化亚铁添加量对日产气量和甲烷含量动态变化的影响如图5所示。氢氧化钙添加量对ph值和挥发性脂肪酸动态变化的影响如图6所示；氢氧化钙添加量对日产气量和甲烷含量动态变化的影响如图7所示。皂土添加量对ph值和挥发性脂肪酸动态变化的影响如图8所示；皂土添加量对日产气量和甲烷含量动态变化的影响如图9所示。
[0087]
(2)添加剂对混合厌氧发酵产生物甲烷的作用
[0088]
活性炭添加量对累积产气量和平均甲烷含量的影响如图10。氯化亚铁添加量对累积产气量和平均甲烷含量的影响如图11。氢氧化钙添加量对累积产气量和平均甲烷含量的影响如图12。皂土添加量对累积产气量和平均甲烷含量的影响如图13。
[0089]
(3)添加剂对混合厌氧发酵秸秆降解的作用
[0090]
1)活性炭对混合厌氧发酵秸秆降解的作用
[0091]
表2活性炭添加量对秸秆降解的影响
[0092][0093]
注：表中的各列字母表示各处理秸秆中木质纤维素含量及其降解率的差异水平，无字母表示各处理之间无显著性差异，p＜0.05，下同
[0094]
不同添加量的活性炭对混合厌氧发酵秸秆中纤维素、半纤维素的降解有着显著性影响(p＜0.05)，但对木质素降解的影响不显著(p＞0.05)(表2)。各活性炭处理中以c3处理的秸秆降解促进效果最好，其纤维素、半纤维素和木质素含量分别为17.52％、16.45％和14.80％，降解率分别为45.35％、34.09％和20.98％，与ck处理降解率相比分别提高了121.98％、128.33％和113.43％。
[0095]
2)氯化亚铁对混合厌氧发酵秸秆降解的作用
[0096]
不同添加量的氯化亚铁对混合厌氧发酵秸秆中纤维素、半纤维素的降解有着显著性影响(p＜0.05)，但对木质素降解的影响不显著(p＞0.05)(表3)。各氯化亚铁处理中以fe3处理的秸秆降解促进效果最好，其纤维素、半纤维素和木质素含量分别为17.06％、16.16％和15.06％，降解率分别为46.78％、35.27％和23.17％，与ck处理降解率相比分别提高了128.98％、136.24％和135.71％。
[0097]
表3氯化亚铁添加量对秸秆降解的影响
[0098][0099][0100]
3)氢氧化钙对混合厌氧发酵秸秆降解的作用
[0101]
不同添加量的氢氧化钙对混合厌氧发酵秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的降解均有着显著性影响(p＜0.05)(表4)。各氢氧化钙处理中以ca3处理的秸秆降解促进效果最好，其纤维素、半纤维素和木质素含量分别为17.24％、15.15％和16.98％，降解率分别为46.21％、39.29％和38.83％，与ck处理降解率相比分别提高了126.14％、163.16％和295.02％。
[0102]
表4氢氧化钙添加量对秸秆降解的影响
[0103][0104]
4)皂土对混合厌氧发酵秸秆降解的作用
[0105]
不同添加量的皂土对混合厌氧发酵秸秆中纤维素、半纤维素的降解有着显著性影响(p＜0.05)，但对木质素降解的影响不显著(p＞0.05)(表5)。各皂土处理中以z2处理的秸秆降解促进效果最好，其纤维素、半纤维素和木质素含量分别为18.70％、16.81％和14.76％，降解率分别为41.65％、32.65％和20.71％，与ck处理降解率相比分别提高了103.87％、118.69％和110.68％。
[0106]
表5皂土添加量对秸秆降解的影响
[0107][0108][0109]
室内控制实验中，氢氧化钙的加入有利于提高水稻秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的降解率，而活性炭、氯化亚铁和皂土仅对纤维素和半纤维素的降解率有着促进作用。
[0110]
(4)添加剂对混合厌氧发酵土壤肥力的作用
[0111]
1)活性炭对混合厌氧发酵土壤肥力的作用
[0112]
通过多因子方差分析表明，不同添加量活性炭对混合厌氧发酵土壤肥力有着显著性影响(p＜0.05)(图14)。各添加量活性炭均能提高混合厌氧发酵土壤有机质、全氮和全磷含量。厌氧发酵后(90d)，c3处理的土壤有机质、全氮和全磷含量最高，分别为37.81mg/g、6.03mg/g和0.48mg/g，与ck处理(23.17mg/g、4.63mg/g1和0.42mg/g)相比分别提高了63.19％、30.24％和14.29％。
[0113]
2)氯化亚铁对混合厌氧发酵土壤肥力的作用
[0114]
通过多因子方差分析表明，不同添加量氯化亚铁对混合厌氧发酵土壤肥力有着显著性影响(p＜0.05)(图15)。各添加量氯化亚铁均能提高混合厌氧发酵土壤有机质和全氮含量，而对土壤全磷含量没有显著性影响。厌氧发酵后(90d)，fe3处理的土壤有机质和全氮含量最高，分别为33.99mg/g和5.91mg/g，与ck处理(23.17mg/g和4.63mg/g)相比分别提高了46.70％和27.65％。
[0115]
3)氢氧化钙对混合厌氧发酵土壤肥力的作用
[0116]
通过多因子方差分析表明，不同添加量氢氧化钙对混合厌氧发酵土壤肥力有着显
著性影响(p＜0.05)(图16)。各添加量氢氧化钙均能提高混合厌氧发酵土壤有机质、全氮和全磷含量。厌氧发酵结束后(90d)，ca4处理的土壤有机质、全氮和全磷含量最高，分别为40.00mg/g、6.28mg/g和0.49mg/g，与ck处理(23.17mg/g、4.63mg/g和0.42mg/g)相比分别提高了72.64％、35.64％和16.67％。
[0117]
4)皂土对混合厌氧发酵土壤肥力的作用
[0118]
通过多因子方差分析表明，不同添加量皂土对混合厌氧发酵土壤肥力有着显著性影响(p＜0.05)(图17)。各添加量皂土均能提高混合厌氧发酵土壤有机质和全氮含量，而对土壤全磷含量没有显著性影响。厌氧发酵后(90d)，z2处理的土壤有机质和全氮含量最高，分别为35.94mg/g和5.49mg/g，与ck处理(23.17mg/g和4.63mg/g)相比分别提高了55.11％和18.57％。
[0119]
室内控制实验中，添加剂的加入有利于提高土壤肥力，不同添加量的添加剂对土壤有机质、全氮和全磷的促进效果不同。氯化亚铁和皂土的添加能提高土壤有机质和全氮的含量，而活性炭和氢氧化钙的添加能够对土壤有机质、全氮和全磷的含量均有显著增加效应。
[0120]
(5)添加剂对混合厌氧发酵产生物甲烷、秸秆降解和土壤肥力作用的综合分析与比较
[0121]
1)添加剂对混合厌氧发酵产生物甲烷作用的综合分析与比较
[0122]
不同添加剂类型对混合厌氧发酵产甲烷的促进作用有着显著性差异(p＜0.05)(图18)。各添加剂均能提高混合厌氧发酵系统产甲烷能力，c、fe、ca和z处理与ck处理相比，其累积产气量分别增加了11.24％、4.44％、28.36％和7.80％，平均甲烷含量分别增加了3.65％、13.45％、15.71％和5.25％。各类型添加剂对混合厌氧发酵系统产甲烷能力的促进作用依次为ca＞c＞fe＞z。
[0123]
2)添加剂对混合厌氧发酵秸秆降解作用的综合分析与比较
[0124]
通过多因子方差分析表明，不同添加剂类型对混合厌氧发酵中秸秆的降解率有着显著性影响(p＜0.05)(表6)。各添加剂处理均能促进混合厌氧发酵中秸秆木质纤维素的降解，而其对秸秆木质素的降解主要体现在对纤维素的降解，厌氧发酵结束后(90d)，c、fe、ca和z处理的纤维素含量分别为19.12％、19.05％、17.69％和19.29％，纤维素降解率分别为40.35％、40.55％、44.82％和39.80％，与ck处理相比，纤维素降解率分别提高了97.50％、98.48％、119.38％和94.81％。各类型添加剂对混合厌氧发酵秸秆降解的促进作用以氢氧化钙效果最好，其纤维素、半纤维素和木质素含量分别为17.69％、15.98％和16.17％，降解率分别为44.82％、36.00％和32.25％，与对照组相比降解率分别提高了119.38％、141.13％和228.08％。
[0125]
表6添加剂类型对秸秆降解的影响
[0126][0127]
3)添加剂对混合厌氧发酵土壤肥力作用的综合分析与比较
[0128]
通过多因子方差分析表明，不同添加剂类型的土壤肥力有着显著性差异(p＜0.05)(图19)。各添加剂均能不同程度地提高土壤有机质、全氮和全磷含量。实验结束后(90d)，c、fe、ca和z处理的土壤有机质含量分别为32.43mg/g、31.18mg/g、35.35mg/g和31.27mg/g，与ck处理(23.17mg/g)相比，分别提高了39.93％、34.55％、52.52％和35.95％。c、fe、ca和z处理的土壤全氮含量分别为5.75mg/g、5.51mg/g、6.06mg/g和5.29mg/g，与ck处理(4.63mg/g)相比，分别提高了24.27％、19.08％、30.94％和14.21％。c、fe、ca和z处理的土壤全磷含量分别为0.46mg/g、0.46mg/g、0.48mg/g和0.45mg/g，与ck处理(0.42mg/g)相比，分别提高了9.22％、10.73％、13.57％和7.38％。各添加剂类型对土壤肥力的促进效果依次为ca＞c＞fe＞z。
[0129]
实施例2田间实验
[0130]
田间实验选择活性炭、氢氧化钙和吐温20作为添加剂。田间实验样地选在宜昌市农业科学研究院枝江试验站内长期耕种的水稻田。
[0131]
1、实验装置
[0132]
实验开始前，在实验样地里挖出600cm*100cm*20cm的长方体坑，在坑中分层放入80kg水稻秸秆、80kg猪粪及各类型添加剂，随后覆土覆膜。压实后与集气装置相连接用于排气，最后在实验样地进行水淹。
[0133]
2、实验设计
[0134]
田间实验各添加剂添加量设置如下：活性炭添加量为发酵基质质量的1％、2％、3％、6％、8％，标记为c1、c2、c3、c4、c5；ca(oh)2添加量为发酵基质质量的1％、2％、3％、4％、5％标记为ca1、ca2、ca3、ca4、ca5；吐温20添加量为80升，浓度分别设置0.1g/l、0.2g/l、0.3g/l、0.4g/l、0.50g/l等处理水平，标记为t1、t2、t3、t4、t5。并设置一对照组，记为ck。室外实验共16个处理，每个处理重复3次，共48个实验组。
[0135]
发酵基质分层填入挖好的长方体坑中(6m*1m*0.2m)，并在每层放置一个内装干重500g左右水稻秸秆的尼龙袋，在顶部覆盖一定的土壤压实。然后覆上集气膜，四周填土埋实，防止漏气。最后连接集气装置，水淹，进行为期120d的混合厌氧发酵室外实验。
[0136]
3、试验指标检测方法
[0137]
①
产气量的测定
[0138]
室外实验从开始进行厌氧发酵时记，每14d使用气体流量计测定一次各处理产气量。
[0139]
②
甲烷含量的测定
[0140]
室外实验从开始进行厌氧发酵时记，每7d用气体采样袋收集各处理产气，每个样
品测3次，测定方法同室内试验。
[0141]
③
秸秆降解率的测定
[0142]
实验前在各处理中预埋重量500g左右的水稻秸秆，秸秆用尼龙袋包装完整，并记录各处理预埋尼龙袋重量为m1；实验结束后取出各处理预埋的尼龙袋，烘干后称重m2。秸秆降解率＝(m
1-m2)/m1×
100％。
[0143]
④
秸秆、土壤和猪粪总有机碳和土壤总氮总磷的测定
[0144]
实验结束后土壤取自各处理垄下方表层土，测定方法同实施例1。
[0145]
4、实验结果
[0146]
(1)添加剂对田间实验混合厌氧发酵进程的作用
[0147]
各处理产气量和甲烷含量动态变化如图20所示。产气量方面(图20中的a)，在整个发酵过程中，各添加剂处理的产气水平均高于ck处理。各处理(ck、c、ca和t)的产气量范围分别在291.00l～527.33l、448.13l～599.13l、428.80l～625.13l、410.40l～569.93l。发酵初期(第7d时)各添加剂处理(c、ca和t)的产气量分别为448.13l、459.93l和410.40l，与ck处理(291.00l)相比，分别提高了54.00％、58.05％和41.03％。
[0148]
甲烷含量方面(图20中的b)，各处理的变化格局基本一致，均呈先上升然后趋于稳定的趋势。在发酵的第49d～56d内，各处理先后达到甲烷含量峰值，其中以ca处理的峰值最高(70.97％)，与ck处理(59.65％)相比提高了18.98％。在发酵的第56d后，各处理甲烷含量均保持在较高水平波动直至实验结束。
[0149]
(2)添加剂对田间实验混合厌氧发酵产生物甲烷的作用
[0150]
不同添加量的各类型添加剂对厌氧发酵产甲烷有着显著性影响(p＜0.05)(图21～图23)。c处理中以c2处理的累积产气量最高(5118.67l)，与ck处理(3803.33l)相比提高了34.58％，平均甲烷含量以c1处理最高(52.30％)，与ck处理相比提高了11.40％。ca处理中以ca3处理的累积产气量最高(5137.00l)，较ck处理提高了35.07％，ca1处理的平均甲烷含量最高(55.88％)，较ck处理提高了19.04％。t处理中以t3处理的累积产气量最高(4992.33l)，较ck处理提高了31.25％，t4处理的平均甲烷含量最高(53.95％)，较ck处理提高了14.92％。综合考虑产气量和平均甲烷含量，各类型添加剂中分别以c2、ca3和t4的甲烷产量最高，较ck处理分别提高了38.89％、43.50％和41.54％。
[0151]
(3)添加剂对田间实验混合厌氧发酵秸秆降解的作用
[0152]
添加剂的加入对水稻秸秆降解率有着显著性影响(表7～表9，p＜0.05)。在各添加剂处理(c、ca和t)中，以c2、ca3和t3处理的秸秆降解率最高，分别为44.86％、45.85％和45.14％，与ck处理(34.41％)相比，分别提高了30.16％、33.28％和31.39％。在活性炭处理中，秸秆降解率随活性炭添加量的增加呈先上升后下降的趋势，当活性炭添加量达到8％时，其秸秆降解率为35.92％，与对照组相比仅提高了4.37％。
[0153]
表7活性炭各处理秸秆降解率
[0154][0155]
表8氢氧化钙各处理秸秆降解率
[0156][0157]
表9吐温20各处理秸秆降解率
[0158][0159]
(4)添加剂对田间实验混合厌氧发酵土壤肥力的作用
[0160]
多因子方差分析表明，各类型添加剂的不同添加量对土壤肥力有着显著性差异(p＜0.05)(图24～图26)。各类型添加剂的加入对土壤有机质、全氮和全磷含量的提升效果不同，主要是对土壤有机质含量和全氮含量的提升有显著性影响，而对土壤全磷含量没有显著性影响。c、ca和t处理的各水平处理的土壤有机质、全氮和全磷含量分别以c2、ca3和t3处理最高。与ck处理相比，土壤有机质含量分别增加了25.65％、35.39％和33.55％，土壤全氮含量分别增加了23.73％、28.48％和24.71％。
[0161]
(5)添加剂对田间混合厌氧发酵产生物甲烷、秸秆降解和土壤肥力作用的综合分析与比较
[0162]
1)添加剂对田间混合厌氧发酵产生物甲烷作用的综合分析与比较
[0163]
不同添加剂类型对田间实地混合厌氧发酵产生物甲烷的促进作用有着显著性差异(p＜0.05)(图27)。添加剂的加入主要对厌氧发酵系统累积产气量有着显著性影响。各添加剂均能提高混合厌氧发酵系统产甲烷能力，c、ca和t处理与ck处理相比，其累积产气量分别增加了22.49％、25.98％和21.45％，平均甲烷含量分别增加了2.58％、8.19％和2.21％。各类型添加剂对混合厌氧发酵系统产甲烷能力的促进作用依次为ca＞c＞t。
[0164]
2)添加剂对田间混合厌氧发酵秸秆降解作用的综合分析与比较
[0165]
多因子方差分析表明，不同添加剂类型对田间实地混合厌氧发酵中秸秆的降解率
有着显著性影响(p＜0.05)(表10)。各添加剂类型均能够提高秸秆降解率，c、ca和t处理与ck处理相比，其秸秆降解率分别增加了14.58％、24.40％和19.47％。各类型添加剂对混合厌氧发酵系统秸秆降解的促进作用依次为ca＞t＞c。
[0166]
表10添加剂类型秸秆降解率
[0167][0168]
3)添加剂对田间混合厌氧发酵土壤肥力作用的综合分析与比较
[0169]
通过多因子方差分析表明，不同添加剂类型的土壤肥力有着显著性差异(p＜0.05)(图28)。各添加剂对土壤肥力的提高主要体现在其对土壤有机质和全氮含量有着显著性影响，而对土壤全磷含量没有显著性影响。c、ca和t处理与ck处理相比，土壤有机质含量分别提高了14.95％、22.69％和20.32％，全氮含量分别提高了15.55％、18.69％和15.02％。各类型添加剂对混合厌氧发酵系统土壤肥力的促进作用依次为ca＞t＞c。
[0170]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。