沙蒿高温堆腐过程中化学变化特征

刘婷婷 索全义 王炜 胡秀云 刘鑫

摘要：为了探索沙蒿高温堆腐过程中化学变化特征，采用实验室恒温箱调控温度的方式模拟堆腐过程，定期取样测定全碳、全氮、总腐植酸碳、pH等化学指标。结果表明，在堆腐过程中全碳、全氮、碳氮比及腐植酸碳都呈降低趋势，全碳由堆制前的812.4 g/kg降低到410.0 g/kg，全氮由堆制前的35.9 g/kg降低到30.9 g/kg，碳氮比由堆制前的22.6降低到13.3，总腐植酸碳由堆制前的27 g/kg降低到14 g/kg，pH呈先降低后升高趋势，由堆制前的7.01降低到5.50后又升高到6.49。沙蒿堆腐过程中化学指标的变化规律是制定沙蒿堆肥腐熟度和保证沙蒿堆肥质量的重要依据。

关键词：沙蒿；高温堆肥；化学变化

中图分类号：S141.4献标识码：A文章编号：0439-8114（2012）20-4476-04

我国是一个农业大国，堆肥历史悠久[1-4]，堆肥技术可追溯到古代的野积式堆肥[5]，且堆肥在我国的农业生产中发挥了重要作用[6-9]。随着农业结构的调整和绿色食品及无公害食品产业的发展，有机肥将成为我国肥料业生产和销售的热点[10，11]，工厂化堆肥是提供有机肥的一条重要途径。

沙蒿属多年生半灌木，是一种典型的旱生沙生植物，具有较强的抗寒、抗旱性和耐沙埋的特性，在防沙治沙中发挥着非常重要的作用[12-14]。但沙蒿资源长期以来没有被很好地利用，资源没有转化为效益，农牧民对沙蒿的种植和管理并没有积极性。如果对沙蒿资源加以开发利用，既可实现生态效益，又可产生经济效益。沙蒿一般生活14年后便开始衰老，生活力也逐渐下降，但每两年进行一次平茬能起到更新复壮的作用[15-17]。因此，沙蒿堆肥化不仅能够实现资源的转化，也可促进沙蒿生长，发挥更好的生态保护作用。

堆肥化是在微生物的参与下，把有机物降解、转换成腐殖质的生物化学过程[18-20]。到目前为止，关于牲畜粪便、作物秸秆等制作堆肥的研究国内外均有许多报道，包括堆肥工艺条件和腐熟度参数等[21-26]。但对沙蒿的堆腐条件、堆腐过程中的物质转化规律及生物化学特性等方面的研究尚未见报道。为此，开展沙蒿堆腐过程中化学变化特征的研究，可为沙蒿堆肥工艺的制定和产品质量的控制提供技术依据。

1材料与方法

1.1堆肥原料及堆腐过程

堆肥采用鄂尔多斯高原毛乌素沙地的黑沙蒿，填充料为秸秆腐熟剂（沃德环保研究所生产），玉米面，磷酸氢二铵。四者质量比为100.0∶1.0∶5.0∶5.8。秸秆腐熟剂通过发酵菌加快腐熟过程；玉米面作为发酵菌种的碳源；磷酸氢二铵（含N 18%、P2O5 46%）用来调节C/N，以利于发酵过程的进行。

将以上4种原料按比例混合均匀，然后将其200 g装入1 000 mL的大烧杯中进行堆腐，烧杯用保鲜膜封口，在膜上开小孔便于气体交换，每天进行翻倒，创造好气条件。采用恒温箱模拟发酵升温过程，第一天为30 ℃，第二天和第三天为40 ℃，第四天为45 ℃，第五天至第11天为55 ℃，第12天为65 ℃，第13天为55 ℃，第14天为45 ℃，第15天为35 ℃。前期水分控制在65%，后期水分保持自然。3次重复。

1.2取样及测试分析

分别在堆腐的0、3、6、9、12、15 d取堆肥样，测定全碳、全氮、总腐植酸碳含量和pH。全碳采用重铬酸钾容量法测定、全氮采用奈氏比色法测定、总腐植酸碳含量采用重铬酸钾容量法测定、pH采用500型pH计测定[27]。

1.3数据处理

使用Excel 2003和SPSS 16.0统计软件进行数据处理。

2.1.2全氮含量的变化沙蒿堆肥堆制过程中，全N含量呈先降低后升高的趋势，由堆制初期的35.9 g/kg降低到26.9 g/kg（9 d），之后从26.9 g/kg升高至30.9 g/kg（15 d），这与李吉进[5]、沈其荣等[20]的研究结果是一致的。初期堆体全N含量降低（9 d前）的原因是该阶段随着温度的升高，有机氮大量分解导致氮以NH3的形式挥发，因此在此阶段采取必要的保氮措施，对提高堆肥质量会起到积极作用；9～12 d全N含量呈增加趋势，说明在高温阶段大量有机物质被分解，总干物重的下降幅度大于全氮下降幅度，最终导致全氮含量相对增加；12 d后堆温开始降低，堆腐进入后熟阶段，全氮含量趋于稳定。

2.1.3C/N的变化沙蒿堆肥堆腐后，C/N有较为明显的降低趋势，由堆制前的22.6降低到堆制后（15 d）的13.3。图3结果表明，沙蒿堆肥堆制的前3天C/N出现了降低，是由全碳降低的程度大于全氮而形成的；3～9 d C/N出现了微弱的升高，这与此期全氮快速降低有关；9～12 d C/N又出现明显降低趋势，是高温期含碳物质快速分解和此期全N含量小幅上升所致。12～15 d全碳、全氮同时趋于稳定，C/N也不再变化。

全碳、全氮、C/N的下降均表明堆肥向着稳定化、腐熟化方向转变[5，20]。

2.2沙蒿堆肥堆制过程中总腐植酸碳含量变化

腐植酸总量包括游离态的腐植酸以及与钙、镁离子络合的结合态腐植酸，后者不溶于碱液，但采用焦磷酸钠和氢氧化钠混合液浸提，则可将大部分结合态的腐植酸转化为可溶性的腐植酸盐[5，19，20]。沙蒿好气堆制15 d后，总腐植酸碳含量由堆制初期的26.8 g/kg降低到13.8 g/kg，降低了48.5%（图4）。3～12 d总腐植酸碳含量下降较快，这个时期正是堆肥的升温期，大量有机物质和腐植酸被微生物分解。整个堆制过程中总腐植酸碳含量下降，说明堆体腐植酸稳定性较差，在微生物作用下合成与分解同时进行。

由图5可看出，沙蒿堆肥堆制过程中，总腐植酸碳/全碳在0～9 d呈先升高后又降低的变化，但总体变化不大，说明此期总腐植酸与其他含碳有机物都在同步分解。9～12 d处于高温期，堆体材料强烈矿质化大量释放碳，此时腐殖化过程同时进行，导致总腐植酸碳/全碳呈上升趋势。12～15 d其比例呈降低趋势，是其他含碳有机物分解达到稳定，而总腐植酸仍被分解造成的。因此，12 d后继续堆腐，对堆肥的质量是不利的。

2.3沙蒿堆肥堆制过程中pH的变化

pH是影响微生物生长的重要因素之一。一般微生物适宜的pH环境是中性和微碱性，pH太高或太低都会影响堆肥反应的正常进行，pH是一个可用于对微生物环境作出评估的参数[5，19，20]。

沙蒿堆肥堆制过程中，pH呈先降低后升高的趋势。从图6可以看出，堆体pH 0～9 d时由7.01降到5.50，说明在此过程中由于含碳有机物分解产生的有机酸和酸性气体CO2使得堆体pH降低；9～15 d堆体的pH从5.50升高到6.49，说明随着温度升高和时间的延长小分子酸分解或挥发，同时含氮有机物分解所产生的NH3随时间的延长而聚集，使堆肥的pH上升。

3结论与讨论

沙蒿高温堆腐过程中全碳、全氮、C/N、总腐植酸碳、pH都呈现有规律的变化，是了解堆腐进程和腐熟程度的重要指标。沙蒿堆腐后全碳含量由堆制前的812.4 g/kg降到了410.0 g/kg，这与牲畜粪便及作物秸秆高温堆腐过程的变化趋势是一致的[5]；李吉进[5]研究还表明，禽畜粪便在堆腐过程中全氮呈降低趋势，此次研究中氮的变化趋势也遵循这一规律；有研究者认为堆腐结束C/N小于16更能确保好的腐熟度[5，19，20]，在沙蒿高温堆腐过程中碳氮比由堆制前的22.6下降至堆制后的13.3；沙蒿好气堆腐过程中，总腐植酸碳呈降低趋势，与大多数研究结果相符，但堆腐结束后总腐植酸碳含量为13.8 g/kg，低于某些研究结果[5]；研究堆腐生活垃圾pH变化对堆肥速度的影响表明，pH控制在6～7可以显著提高堆肥初期反应速度，但当pH达到5时，葡萄糖和蛋白质的降解停止[5，19]，沙蒿堆腐过程中pH应维持在5～7。

沙蒿高温堆腐过程中，全碳含量、C/N、总腐植酸碳/全碳、pH等化学指标的变化规律能够较好地解释堆腐进程，这些指标的变化与堆体温度也有紧密的关系，是沙蒿堆肥工艺制定和产品质量控制的重要依据。参照C/N16～20、pH 6～8的腐熟指标[5，19，20，28]和该试验总腐植酸碳/全碳达到0.034的指标，沙蒿好气堆制12 d后可达到腐熟。

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