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新的養分管理系統—來自牛糞的生物炭肥料

2021/03/29 @國際

摘要

畜牧場通常以直接將糞肥施用於土讓、刮除至糞坑或排放到潟湖等方式處理肥料,而乳牛糞肥富含氮和磷等營養物質,可作為天然肥料,然而含高量氮、磷的肥料施用於田間時,養分可能會滲入地下水或積聚在地表水體中,反而導致藻華汙染水質。德克薩斯農工大學農業生命院與塔勒頓州立大學的各領域專家們開發一種生物炭輔助的植物修復系統,將牛糞轉換為特殊生物炭,施用於牧草生產系統中,以生物炭穩定養分,使牧場植物慢慢將養分吸收和利用,同時防止過多營養物質流入逕流成為污染物。

示意圖

新的養分管理系統—來自牛糞的生物炭肥料

  一頭乳牛平均每天會排出超過100磅的糞肥,因此畜牧場需要藉由養分管理計劃適當地處理肥料,牧場的處理方式為將牛舍中的糞肥泥漿真空清除並將其直接施用到土地上、將糞便泥漿刮入糞坑中、或是以回收廢水清洗牛舍糞便後,先分離出廢水中的糞便固體,再排放到潟湖中。乳牛糞肥是一種天然農作物肥料,因為它富含氮和磷等營養物質,是農場的寶貴資源,然而含高量的氮、磷之肥料施用於田間時,養分可能會滲入地下水或積聚在地表水體中,反而導致藻華(algal bloom)。
  德克薩斯農工大學農業生命院(Texas A&M AgriLife Research)與塔勒頓州立大學(Tarleton State University)在環境工程學、植物學、土壤科學、遺傳學、乳業科學等方面的專家組成研究團隊,合作開發一種生物炭輔助的植物修復(phytoremediation)系統,生物炭(Biochar)是利用熱能、壓力和其他佐劑將牛糞和其他廢棄物經由氣化作用所製成的木炭狀化合物,有獨特的碳結構,經過特殊設計的生物炭不僅可以去除磷和氨,還可以緩慢釋放這些養分供植物所需,為土壤和植物提供農藝價值,並幫助提高徑流的水質,防止過多營養物質流入溪流和水庫成為污染物。
  此研究為「生物炭增強乳牛糞便管理策略以改善水質計畫(Biocarbon-enhanced dairy manure management demonstration for enhanced water quality)」,目標為了解生物炭增強植物修復在水與土壤中來自牛糞之氮和磷的成效和經濟性。此計畫由美國農業部(United States Department of Agriculture, USDA)的自然資源保育局(Natural resources conservation service, NRCS)通過保育創新補助(Conservation Innovation Grants, CIG)計劃資助,CIG補助旨在應用已經研發和測試的技術,使研究階段的項目開發至實際應用。
  該計畫由Eun Sung Kan博士領導,Kan將研究重點放在使用獨特的生物炭上,先前的幾個計畫都利用生物炭來使植物生長與施肥,並已在溫室中獲得證明,而此計畫將整合田野規模研究、實驗室分析和系統評估。首先進行田間試驗,將特殊的生物炭粉碎成粉末,噴灑在作物上並與土壤混合,更好地結合磷和氨並改良土壤,以去除會污染徑流的磷、氨和細菌。此外,欲增強植物從土壤中再循環養分的能力(即植物修復),以生物炭穩定養分,使牧場植物慢慢將養分吸收和利用,再飼餵乳牛,完成循環。研究結果將著重生物炭摻入土壤中結合養分之持續時間,以及生物炭如何將養分逐漸釋放供給植物。
  德克薩斯州中北部的一些土壤缺乏氮和磷,周圍的乳牛場可以透過肥料再生利用向這些區域提供大量養分,研究團隊選擇將位於Stephenville的研究農場之多年生牧草系統重新分配糞肥營養素,以及在Vernon地區將生物炭運用於再生農業種植系統,並將商業生物炭與新型牛糞生物炭進行比較,使用液壓探頭收集岩心,以評估整個土壤剖面頂部3英尺的養分狀況。若在土壤中添加綠肥或生物炭,就會改變微生物的活性,故接下來,將研究使用綠肥和生物炭後土壤中細菌群落的狀態變化。然而研究地點的氣候和降雨限制了作物的生長,且牧場主要為多年生的狗牙根草,將生物炭應用於不利的環境仍有困難度。
  研究成果將使牛糞成為生態系統的有益佐劑,期望生物炭技術也可應用於其他牲畜糞便,在其他地區進行更大規模的研究,並在技術和成本之間找到平衡,有助改善動物農業系統的永續性和糧食安全,同時提升環境品質。【延伸閱讀】德國BioEcoSIM處理動物糞肥之商業化技術

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