园林绿化废弃物堆肥用作青菜育苗基质的效果研究

2015-03-20原一荃王亚琪周根娣

杭州师范大学学报(自然科学版) 2015年2期

王浩，原一荃，王亚琪，周根娣，王繁，

(1.杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江杭州310036;2.杭州师范大学生态系统保护与恢复杭州市重点实验室，浙江杭州310036)

随着城市建设的快速发展，城市园林绿化将产生大量的废弃物，包括枯枝落叶、树枝和草坪修剪物及其他绿化废弃物等.传统上园林绿化废弃物主要通过焚烧和填埋处理，这种处理方式不仅污染环境，而且也造成潜在资源的浪费［1］.随着可持续发展意识的逐步提高，城市园林绿化废弃物的资源化利用已经是大势所趋［2］.美国等国家在园林绿化废弃物的收集和利用方面已经积累了较多的经验，美国环境保护署1994年专门颁布了园林废弃物堆肥的EPA530-R-94-003 法则，对园林绿化废物的收集、分类、发酵和后加工的工艺程序，相关激励政策、产品质量标准和应用技术都有严格规定［3］.因此，堆肥化处理以其成本低、除臭和杀灭菌效果好，能有效改变废弃物的理化性状等优点而备受关注，已经成为当前园林绿化废弃物无害化和资源化的重要途径之一［2，4］.

我国在城市园林绿化废弃物资源化利用研究方面起步较晚.目前，国内对园林绿化废弃物堆肥的研究已有一些报道，包括堆肥的理化性质和控制参数等，主要应用于苗木［5］、草坪［6］、花卉［7］和果树［8］的栽培以及土壤改良［9］等方面，在蔬菜育苗上的应用较少［10］.通常草炭是优良的蔬菜育苗基质材料，但是其为不可再生资源，大量开采草炭资源也破坏了环境［11］.因此，不论从循环经济的角度，还是从环境保护的角度考虑，开发价格低廉、营养丰富的蔬菜育苗基质来替代草炭十分必要.

基于国内外对园林废弃物堆肥及应用的研究现状，本研究以园林绿化废弃物为主要原料，添加茶叶渣和猪粪进行混合堆肥处理，腐熟后制备成育苗基质，与园土、草炭一起进行青菜种子穴盘育苗试验，比较3种基质的育苗效果，探讨利用园林绿化废弃物堆肥制备育苗基质替代园土和草炭的可行性，为园林绿化废弃物资源化利用探索新的途径.

1 材料和方法

1.1 园林绿化废弃物堆肥试验

1.1.1 堆肥材料

试验采用的园林绿化废弃物为城市道路绿化修剪下来的植物枝叶，其主要成分是树叶和直径不超过3 cm 的细枝条，利用园林树枝粉碎机将采集的植物枝叶打碎成颗粒小于5 mm 的混合物.茶叶渣为茶饮料企业产生的有机废弃物，猪粪为杭州萧山某养猪场的新鲜湿猪粪，茶叶渣和猪粪不需额外处理.主要堆肥原料的基本理化性质见表1.

表1 主要堆肥原料的基本理化性质Tab. 1 Basic physical and chemical properties of compost material

采用自制小型堆肥反应器控制堆肥试验［12］.反应器为立式圆筒形，采用厚度10 mm 的有机玻璃制成，圆筒直径40 cm，高100 cm，容积约100 L(图1).反应器从顶部进料，顶部盖子中心有一个透气孔.反应器底部有通气管和渗滤液排出孔，与通气管依次相连的是气体流量计、气泵和定时器，能够为反应器定时定量通风供氧.距反应器底部10 cm 处有一透气隔板，将堆料与通气管隔开.反应器的筒壁上有3 个测温孔，外面包裹着保温隔层.

1.1.2 堆肥方法

将园林废弃物、茶叶渣和湿猪粪按照重量比2∶ 1∶ 1的比例放入搅拌器搅拌均匀，调节堆肥材料初始碳氮比(C/N)约为30，含水率60%左右，在反应器内进行好氧堆肥.堆肥过程每天定时测温，并且根据温度变化，采用变流量循环通风方式. 堆肥初始通风流速为240L/H，升温后第4 天调至280L/H，第7 天调至260L/H，第14 天以后调回至240L/H，可以保障堆体温度不超过60℃. 在第1、4、7、14、21、28 天进行翻堆并且采样.堆肥全程设计35天，其中反应器内堆肥周期为28 d，反应器外再静置腐熟7 d.根据堆肥样品的pH、电导率(EC)和C/N 判断堆肥的腐熟程度［13］.

图1 自制堆肥反应器Fig. 1 Self-made compost reactor

1.2 青菜种子穴盘育苗试验设计

1.2.1 育苗材料

育苗材料包括园林绿化废弃物堆肥、园土和草炭土.其中，园土来自郊区菜地土壤，经风干磨碎后过2 mm 筛孔.草炭为市售普通草炭，青菜种子采用日本进口青菜种子.育苗基质由园土、堆肥和草炭3 种材料分别制成的纯基质(表2).

1.2.2 育苗方法

采用育苗盘进行青菜种子育苗试验［14］.每个处理50 个穴孔，每个穴孔放入2 粒青菜种子.育苗时先将基质填满育苗盘穴孔的3/4，浇透水放入种子后，再覆上一层基质，轻洒水使基质和种子湿透，然后将育苗盘放于保温保湿并且透光的育苗箱内，每天定时观察出苗情况.育苗周期为15 d.

1.3 样品测试与数据分析

采样测试堆肥材料和堆肥过程样品的基本理化性质，包括pH、EC、容重、含水率、含氮量和含碳量等.

育苗开始前，测试育苗基质的理化性质，包括pH、EC、有机质、容重、孔隙度等.育苗结束后，从每个处理中选择长势一致的青菜苗，分别测量叶宽、叶柄长、株高、株鲜重等指标，计算青菜种子出苗率和菜苗活力指数［15］.

基质样品测试参照土壤农化分析方法［16］.

2 结果与分析

2.1 园林绿化废弃物混合堆肥效果

图2 堆肥过程温度变化情况Fig. 2 Temperature changes in composting process

2.1.1 堆肥过程温度变化情况

对于好氧堆肥而言，堆体必需有足够长时间的高温期，才能够将堆料中有害病原菌杀死，这是保证堆肥质量的重要基础［17］. 本次堆肥过程每天定时监测反应器内部的堆肥温度，并与室温对照. 如图2 所示，堆肥物料在反应器内升温迅速，第3 天温度就迅速升到55℃以上，并且能够维持一段时间.随后堆体温度逐渐下降，进入缓慢的腐熟阶段.国家卫生标准要求堆肥维持在50℃至55℃的高温期为5 d，或者维持55℃以上高温期至少3 d［18］.从图2 中可以看出，本次堆肥内部维持了50℃以上高温期5 d，满足堆肥国家卫生标准要求.

2.1.2 堆肥过程pH 变化情况

堆肥过程定期翻堆并且采样测量堆肥的pH、电导率、碳氮比等基本理化性质，以此评价堆肥腐熟程度.已有研究表明，腐熟的堆肥一般呈弱碱性，pH 值可以作为堆肥腐熟的一个必要条件［19］.如图3 所示，本次堆肥过程pH 先降后升，堆料开始时的pH 接近中性，堆肥结束后pH 为偏碱性.同类研究表明，堆肥初期可利用的能量物质较多，微生物繁殖快，其活动产生的有机酸使pH 值下降;随着堆肥温度升高，乙酸等有机酸挥发，同时含氮有机物所产生的氨也使堆肥的pH 逐渐回升，最后稳定在较高的水平［20］.

2.1.3 堆肥过程EC 变化情况

EC 是堆肥腐熟的另一个必要条件［21］.当堆肥EC 值小于9.0 ms/cm 时，对种子发芽没有抑制作用.图4显示本次堆肥过程电导率呈先升后降趋势，其变化趋势与pH 变化趋势相反.有研究表明，堆肥初期微生物繁殖快，其活动产生的大量有机酸使EC 值升高，并且在高温期末达到峰值;在堆肥高温期过后，微生物活动趋缓，并且有机酸和氨根离子不断挥发，使堆体中可溶性离子减少，EC 开始缓慢下降并趋于稳定［22］.

图3 堆肥过程pH 变化情况Fig. 3 PH changes in composting process

图4 堆肥过程电导率变化情况Fig. 4 EC changes in composting process

2.1.4 堆肥过程C/N 变化情况

图5 堆肥过程碳氮比变化情况Fig. 5 C/N changes in composting process

有研究表明，C/N 是反映堆肥腐熟程度的重要参考指标之一［21］.图5 显示，本次堆肥过程C/N 呈下降趋势，7 d 左右降到20 以下，以后数周C/N 平稳下降至15 左右. 研究表明，堆肥初期高温阶段，微生物大量繁殖，有机物迅速分解，碳含量减少，氮含量相对增加，C/N 显著下降;堆肥后期，随着堆肥温度逐渐降低，有机质分解速度趋缓，碳和氮含量逐渐平衡［22］，腐熟堆肥的C/N 理论上应趋向于微生物菌体的C/N［19］.

综合考虑堆肥过程温度、pH、EC 和C/N 的变化情况，可以判断园林绿化废弃物经过28 d 的堆肥，已经达到腐熟要求，可以进行青菜育苗试验.

2.2 青菜种子穴盘育苗效果比较

2.2.1 不同处理育苗基质基本理化性质

育苗基质的理化性质是影响育苗效果的关键因素之一.根据农业部蔬菜育苗基质的行业标准(NY/T 2118-2012)［23］，理想的蔬菜育苗基质pH 在5.5 -7.5 之间，电导率在0.1 -0.2 ms/cm，容重在0.2 -0.6 g/cm3之间，总孔隙度大于60%，其中通气空隙度大于15%，持水孔隙度大于45%，有机质含量35%以上等.本试验对3 种处理的育苗基质理化性质进行测定，测定结果见表3.如表3 所示，由园林绿化废弃物堆肥制备的育苗基质(处理2)除了电导率略高外，其他指标均符合农业部行业标准要求.而且堆肥基质具有较低的容重，较高的通气性和保水性，显著的养分供应能力等，各方面指标均和草炭(处理3)接近，并且远远优于园土(处理1).具体育苗效果需要进一步通过育苗试验来验证.

表3 不同育苗基质的基本理化性质Tab. 3 Basic physical and chemical properties of different substrates

图6 不同育苗基质的青菜种子出苗率Fig. 6 Green vegetable seedlings emergence rate of different substrates

2.2.2 青菜种子育苗效果比较

本次育苗试验的每个处理分别播种100 粒青菜种子，图6 为育苗期间3 种基质的青菜种子发芽情况.如图6 所示，处理2 和处理3 的种子从第5 天开始大量发芽，15 d 后发芽个数分别为95 个和94 个，出苗率均在90%以上，而处理1 的种子发芽率明显较低.蔬菜育苗基质标准要求基质的出苗率不低于90%［23］. 育苗结果说明，堆肥制备的育苗基质对于青菜种子出苗没有抑制作用，并且能够促进种子发芽，出苗率满足育苗行业标准要求，出苗效果优于草炭基质.

育苗结束后，从每个处理中选择长势一致的青菜苗，分别测量叶宽、叶柄长、株高、株鲜重等指标，计算菜苗活力指数.计算方法如下:

活力指数=W×发芽指数，

其中，W 为10 株平均单株鲜重，单位mg;发芽指数=Σ(Gt/Dt)，G 为在时间t日种子的发芽个数，D为t日的发芽天数.

青菜长势的测定结果见表4.如表4 所示，处理1 的青菜种苗长势较差，叶面积小，菜苗低矮，活力指数仅有0.64，各项指标均低于处理2 和处理3;处理2 菜苗较大，长势良好，活力指数达到1.09，各项指标均与处理3 接近;处理3 菜苗更大，叶面较大，长势非常好，活力指数达到1.23.育苗结果显示，草炭基质的育苗效果最好，园土育苗效果较差，而由园林绿化废弃物堆肥制备的基质育苗效果接近草炭，可以替代草炭作为规模化育苗的主要基质来源之一.

表4 不同育苗基质的青菜苗长势(平均值)Tab. 4 Average growing results of green vegetable seedlings in different substrates

3 结论

园林绿化废弃物添加茶叶渣和猪粪进行混合堆肥，堆料能够快速升温并且保持50℃以上高温期5 d;在小型反应器内堆沤28 d 后，堆料的pH、EC 和C/N 均能达到腐熟要求，显著减少了堆肥反应时间;由园林绿化废弃物堆肥制备的育苗基质在容重、孔隙度、有机质含量等指标方面均与草炭接近，并且远远优于园土，基本符合农业部行业标准要求;不同植物对于EC 值的适应范围不完全一样，堆肥育苗基质对于青菜种子出苗没有抑制作用，并且能够促进菜苗生长，育苗效果非常接近草炭.因此，堆肥生产蔬菜育苗基质是资源化处置城市园林绿化废弃物的有效途径之一.

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