行道树修剪物料堆肥化过程中关键指标参数分析及对翠芦莉生长的影响

陈能海，付　影，李金萍，刘向国，刘　泓*

(1.福建农林大学资源与环境学院, 福建　福州　350002；2.福州市园林科学研究院, 福建　福州　350002)

行道树修剪物料堆肥化过程中关键指标参数分析及对翠芦莉生长的影响

陈能海1，付影2，李金萍1，刘向国2，刘泓1*

(1.福建农林大学资源与环境学院, 福建福州350002；2.福州市园林科学研究院, 福建福州350002)

摘要：利用福州市主要行道树修剪废弃混合粉碎物料进行堆肥，添加鸡粪调节C/N比，通过实时监测，探究堆肥好氧发酵过程中养分含量变化及堆肥对植株翠芦莉生长的影响，确定适合福州市常用园林树木粉碎物料堆肥的腐熟条件，为研制高架桥园林植物营养土提供科学依据。结果表明：在堆肥过程中有机质含量持续下降，全氮、全磷、全钾以及总养分含量呈上升趋势。在堆肥第10 d时温度达到50℃，并趋于稳定。pH值在堆肥过程中先呈上升趋势，后逐渐下降，在35 d左右趋于稳定。含水率在堆肥过程中呈现下降的趋势。第35 d时，C/N比达到了堆肥已经腐熟的要求范围(15～20∶1)。施用堆肥的处理株高、叶面积和干物质累积量均高于未施用堆肥的处理，且土壤与堆肥物料1∶2配比时，植株地上部和地下部养分含量达到最高。表明堆肥温度45～49℃，平均温度48℃，C/N比19.50，pH值为9条件下，园林植物粉碎物料堆肥在第35 d时达到腐熟，全氮、全磷、全钾养分含量分别为1.28%、1.73%、1.95%，可以作为轻质营养土的原料；土壤与堆肥比例1∶2时最有利于植株翠芦莉的生长。

关键词：园林植物; 粉碎物料; 鸡粪; 堆肥; 好氧发酵

随着生态文明发展的需求，园林绿化日益受到人们的关注。园林废弃物主要是指行道树修剪、草坪修剪以及植物本身新陈代谢产生的枯枝落叶、杂草和植物残花等废弃物，园林废弃物资源化、无害化处理是当前需要解决的环境问题[1]。

有关部门统计，北京市2010年全市园林绿化废弃物料总量约520万t，其中可利用的总量约443万t[2]。深圳市每天产生园林绿化废弃物料为677 t[3]，据预测，至2020年园林绿化废弃物料每天产量将达到1261 t[4]。园林植物废弃物成分复杂，但含有较高的有机质，纤维素和木质素，是不可多得的资源，如果处理不当，不仅污染城市环境，也会造成资源的浪费。

以往国内处理园林植物废弃物的主要方法是通过填埋和焚烧等途径，不仅会产生二噁英等有毒有害的气体，焚烧后的灰烬还会引起严重的环境问题，造成资源的浪费[5]。然而，与填埋、焚烧相比，园林植物粉碎物料的堆肥化处理不但具有节约能源、减少园林废弃物带来的环境污染，而且运行费用低、产物利用率高等优点，因此在国外大多采用堆肥的方式处理园林植物废弃物[6-7]。美国环境保护署在1994年颁布了园林废弃物堆肥的EPA530-R-94-003法则，对园林植物废弃物的收集、处理、加工等措施，以及相关产品的质量标准的应用都有严格的标准[8]。日本政府也大力倡导发展家庭式生产堆肥，对园林粉碎物料进行处理并且集中，建立拥有大型配套设施机械的园林绿化废弃物堆肥厂[9]。而我国利用园林植物废弃物进行堆肥化处理的研究还比较少。因此，不论是从经济角度还是环境角度，为使园林植物废弃物达到国家资源化、无害化的要求，堆肥化处理都是十分必要的。

此外，我国目前急需研制高架桥轻质营养土。国内高架桥桥区使用土壤大多来自建筑基地，土壤养分含量低，容易板结，透气性差，导致植物生长缓慢，参差不齐，而且黏性土壤增加了城市高架桥所承担的重量[10]。因此，研制高架桥绿化植物所需轻质营养土是改善城市园林绿化的重要目标，减轻高架桥承载重量的同时，通气、透水、保湿、富有营养的特性，能够满足植物生长发育的要求，适合于繁殖和栽培各种植物。

因此，本研究以园林植物粉碎物料为原料，添加鸡粪调节堆肥的C/N比，通过对温度、含水率、pH等参数的实时监测，参照《生物有机肥》农业行业标准，分析它们的变化和关系，为规模进行园林植物废弃物堆肥发酵生产提供参考依据。同时以堆肥的方式探究园林植物粉碎物料资源化、无害化处理，将园林绿化废弃物中大量的营养元素和丰富的有机质转化为有效养分，为研制轻质高架桥园林植物营养土奠定基础。

1试验材料与方法

1.1试验材料

园林树木粉碎物堆肥原料为福州市区修剪植物残枝、落叶等废弃物，经过机械粉碎，粒径小于20 mm，添加鸡粪调节堆肥物料的C/N。堆肥试验于2015年4～6月在福州市园林科学研究院进行堆置，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

试验用翠芦莉Ruelliabrittoniana采用3周穴盘苗。

1.2试验方法

根据堆肥物料初始C/N在25～30∶1的范围内，计算出所需鸡粪的含量。将园林绿化废弃物料和鸡粪翻匀3～5次，充分混合，翻匀过程中加入水分，使堆体含水量达到50%左右，用铲车堆置成圆锥形，堆体地面大小12 m2，高1.3 m，露天放置于水泥地上。在堆体没有升温前，堆体上覆盖塑料薄膜，升温后撤去塑料薄膜，根据温度每2周进行1次翻堆，使堆体的温度不超过70℃。在堆体发酵期间，分别于1、5、10、15、20、25、35、45、55、63 d取样测定堆体发酵过程中堆体的含水量、pH值、有机质、全氮、全磷、全钾和C/N比值。

如表2所示，根据土壤与堆肥的不同比例进行盆栽试验。每盆当中总重量均为13 kg。试验设4个处理，每个处理重复7次。试验于2015年7月从生产用苗中选取大小一致的翠芦莉穴盘苗定植与盆中，种植60 d后测定其形态指标和生理指标。

表2　盆栽试验设计

1.3测定方法

在堆肥发酵期间，分别在每天上午10：00对堆体物料进行观察，并测定温度，取一定质量的物料测定含水率和pH值。

温度测定：于每天上午10：00，采用探针式温度计进行测定，每次测定取3个监测点，监测点位于堆体表面以下30 cm处，取其平均值作为该堆体的温度。

含水率测定：取一定质量的新鲜堆体物料，于105℃下烘干4～6 h至恒重，冷却后称重，计算含水率[11]。

pH值测定：pH计测定[11]。

全氮：采用H2SO4·H2O2消煮-凯氏定氮法；全磷：采用H2SO4-HNO3消煮钼锑抗比色法；全钾：采用H2SO4-HNO3消煮火焰光度法[11]。

2结果与分析

2.1堆肥过程中堆体温度的变化

温度变化是堆肥过程中的一个关键控制指标，它是微生物发酵过程，反映了堆体内微生物活性的变化，微生物代谢产热，使堆体温度产生变化，这种变化与堆体当中可被分解的有机质含量有关。有研究表明，堆肥好氧发酵过程中发生3个温度变化：升温期、高温期、降温期。堆体温度在开始的3～5 d内，从环境温度迅速上升到60～70℃的，并且在这一水平上持续一段时间，随后逐渐下降[12]。本研究中，堆体温度在第1～5 d内，温度迅速上升达到43℃，保证了微生物的正常代谢；随后第5～10 d温度达到高温阶段，一直处于50℃以上，并没有逐渐下降，使高温活性保持到最好。其原因可能是由于园林植物废弃物当中可供微生物分解的有机质含量丰富，堆置体积大，堆肥物料的颗粒较粗，并且堆置初始阶段含水率较高，湿度大，导致了微生物分解时间增加。但持续的高温期对于堆肥原料中有害生物和水分的去除能够起到了良好的作用，保证堆肥产品的无害化，达到国家对有机肥产品的要求[2]。

2.2堆肥过程中水分的变化

水分是堆肥过程中重要的指标参数之一，水分过高或过低都会影响堆肥的进行，只有适宜的水分含量才能保证微生物的生长活性，促进有机质的分解，保证堆肥的质量[13]。有研究表明，在堆肥过程中当含水率在50%～60%的范围内时，最适合微生物的生长繁殖，活性增强[14]。图2结果表明，园林植物粉碎物料在堆肥初始阶段含水率变化维持在49.59%～59.84%，有利于微生物的生长。随着堆肥时间增加，持续的高温阶段使堆体含水率呈现不断下降的趋势，且在第10 d最高温时水分下降最为明显。

2.3堆肥过程中堆体pH值的变化

堆体pH值是微生物生长繁殖的重要指标，也是评价堆体腐熟程度的因素。多数研究表明，在中性和偏碱性环境下堆肥产品能够达到腐熟，微生物能够正常生长繁殖，过酸或过碱都会影响微生物的生长繁殖，从而影响发酵的进程，降低堆肥产品无害化的标准[13]。

由图3可知，在堆肥的整个过程中，初始阶段pH值先缓慢由8.74上升到8.99，堆肥中期迅速上升到9.33左右，后在35 d前后逐渐下降到9.11左右，并且持续保持稳定状态。推测在堆肥的初始阶段，微生物生长繁殖速度较快，加快了含氮有机物的分解，产生的氨态氮使堆体的pH值增加。随着堆肥过程的进行，高温期加快了氨气的挥发，同时微生物的活动产生的有机酸含量增加，从而使堆体的pH值有所下降[15]；其后，随着持续的高温期使堆肥产品达到稳定状态，微生物活性降低，堆体pH值达到稳定状态。

2.4堆肥过程中物料养分的变化

堆肥过程中，微生物快速生长繁殖，分解有机质活性加强，导致有机物料中被固定的养分得到充分的活化，堆肥过程中全氮、全磷和全钾总养分(N+P2O5+K2O)在堆肥过程中都会有所上升[16]。

表3表明，堆肥前园林植物废弃物当中物料各养分以及总养分含量都相对较少，但随着堆肥时间增加，各养分含量以及总养分含量都呈现出相对增加的趋势。全氮含量在堆肥前含量最低，在堆肥到第45 d左右时达到最高，推测虽然在堆肥过程中持续性氨的挥发以及硝态氮的反硝化作用均会引起氮的挥发，但由于氮流失的量低于堆体中有机质降解的速率，增加了速效养分的含量。随着堆肥过程高温趋于稳定，微生物分解有机质活性下降，堆体呈现腐熟趋势，导致堆体中全氮含量有所下降，并趋于稳定，但仍高于堆肥前期全氮含量。

全磷和全钾在堆肥过程中绝对含量虽然没有改变，由于微生物的发酵作用快速分解并转化有机物质，使堆肥的重量和体积相对减少，全磷和全钾养分含量不断上升，并且随着温度升高，有机质分解越快，其养分含量上升加快[16]。在表3中，堆肥初始阶段温度持续上升，微生物分解有机质活性增加，全磷和全钾含量均有所上升，并且在第45 d时达到最高；随着温度趋于稳定，微生物分解有机质活性减慢，全磷和全钾含量有所减少，并趋于稳定，但其养分含量仍高于堆肥前期园林植物废弃物当中全磷和全钾的含量。

表3　堆肥过程中物料养分的变化

2.5堆肥过程中有机质含量和C/N的变化

堆肥物料中的有机质在微生物作用下分解转化为二氧化碳、水和矿物质，分解产物在微生物的作用下重新合成新的腐殖质[17]。同时，大量研究表明，随着堆肥过程的进行，温度逐渐升高，微生物活性加强，有机质逐渐减少，主要表现为总氮含量整体上呈现出下降的趋势[18-19]。图4为随着堆肥时间增加，堆体当中有机质含量的变化。

图4表明，堆体物料有机质含量在整个堆肥周期内整体上呈现下降的趋势。在堆肥初期，堆体物料当中有机质的含量达到47.97%，到堆肥结束时堆体物料当中有机质的含量为31.22%。经过高温发酵和腐熟过程后，在堆肥第5、10、15、25、35、45、55、63 d时，有机质的降解率分别为3.81%、4.22%、5.89%、8.35%、10.79%、19.77%、25.09%、34.91%，堆肥后期有机质的降解速率明显加快。在堆肥初始阶段，温度持续上升，微生物生长繁殖，分解有机质活性逐渐加强，有机质降解速率加快。在堆肥后期，随着堆肥温度进入高温阶段(50℃)，并逐渐趋于稳定，较适宜的温度促进微生物大量生长繁殖，有机质降解速率达到最高，促使堆体物料中有机质含量逐渐降低。

堆肥过程中碳氮比是评价堆肥腐熟度的一个重要化学指标。园林植物废弃物处理是微生物在适宜的温度条件下，利用其中可降解的碳源和氮源为生长繁殖提供能源和营养物质。一般认为，堆肥初始阶段物料的C/N比值在25～30∶1时，适合于微生物的生长繁殖，有利于堆肥过程的进行[20]。同样，当堆肥腐熟时，堆肥物料当中的C/N比值为15～20∶1。有研究认为，最终堆肥产品碳氮比在理论上趋于微生物菌体的碳氮比，认为当堆肥碳氮比值由原先堆肥适宜的碳氮比值(25～30∶1)将至15～20∶1时，就可以初步认定堆肥产品达到腐熟状态[21]。

图5表明，堆体物料在整个堆肥周期内呈现下降的趋势。在堆肥初期，堆体物料的C/N比值为31.46，接近适宜微生物生长繁殖时的C/N比值范围，有利于堆肥的进行。堆肥35 d时，堆体物料的C/N比值为19.50，表明在堆肥时间达到35 d时，堆肥已经达到腐熟状态。堆肥时间63 d时，堆体物料中的C/N比值为15.01。以上结果可知，随着堆肥时间的增加，堆置物料的体积下降，微生物大量繁殖，消耗了大量的碳水化合物，总碳量减少，使堆体总碳含量呈现非常明显的下降趋势，相对全氮含量上升，导致堆置物料的碳氮比逐渐减小，堆肥达到腐熟。同时，堆体物料在35 d达到腐熟时C/N比值继续降低，这是由于随着堆肥时间增加，温度在适宜微生物生长繁殖的范围内趋于稳定，有机碳含量不断减少，使C/N比值在堆肥过程中不断下降。

2.6不同配比堆肥对翠芦莉株高、叶面积的影响

从表4可以看出，各处理与对照相比均可提高翠芦莉的株高、叶面积，且在P<0.05水平上达到显著性差异。各处理株高相对对照分别增加了36.02%、26.64%和23.21%，各处理叶面积相对对照分别增加了37.37%、40.00%和24.74%。其中处理一使植株株高达到最高73.26 cm，处理二使植株叶面积达到最大79.8 cm2。由此可知，利用园林树木粉碎物料堆肥后添加到土壤中能够显著增加翠芦莉的株高和叶面积，提升观赏品质。

表4　各处理堆肥对翠芦莉生长的影响

2.7不同配比堆肥对翠芦莉干物质生物量分配的影响

从图6可以看出，各处理与对照相比根系干重和地上部干重均有显著增加，其中处理二地上部分干物质生物量和根系部分干物质生物量达到最大，分别为17.58 g和9.12 g。表明处理二对翠芦莉地上部的发育和地下部的发育具有良好的效果。因此，利用园林树木粉碎物料堆肥后添加到土壤中能够明显促进植株地上、地下部分的生长发育。

2.8不同配比堆肥对翠芦莉地上部和地下部养分含量的影响

不同配比的堆肥对植株体内养分含量有着一定的影响。表5表明，植株地上部养分的含量，添加堆肥的处理均显著高于不添加堆肥的处理。其中全氮含量增幅较大，相比对照分别增加了79.68%、100.56%和65.90%。处理二全钾和全氮含量显著高于对照和其他处理，分别为34.96 g·kg-1和28.82g·kg-1；全磷含量达到最高2.80 g·kg-1，显著高于对照。植株地下部养分含量，添加堆肥的处理均显著高于未添加堆肥的处理。全钾含量相比全氮、全磷增幅较大，相比对照分别增加了88.68%、84.52%和79.58%。处理二使全磷和全氮的含量达到最高，分别为3.96 g·kg-1和14.28 g·kg-1。全钾含量在处理一条件下达到最高51.19 g·kg-1。由此可知，不同配比的堆肥对翠芦莉地上部和地下部养分含量有着明显的增加作用。

表5　各处理堆肥对翠芦莉地上部和地下部养分含量的影响

3讨论与结论

园林植物粉碎物料堆肥过程中温度、水分、pH值，养分含量、有机质、C/N比等因素相互作用、共同影响着堆肥的腐熟化。为保证堆肥产品达到国家无害化、资源化要求，堆肥产品使用前需要进行腐熟化指标检测， C/N比值是评价堆肥腐熟度的重要参数。一般认为C/N比值从最初的25～30降低到15～20，表明堆肥基本达到腐熟状态。温度、水分和pH值在堆肥发酵过程中作为重要的指标参数，时刻影响着堆肥的顺利进行。堆肥中氮、磷、钾含量以及总养分含量对堆肥产品的资源化利用提供有效的依据。

试验中园林树木粉碎物料堆肥过程中温度、含水率及pH值变化有利于微生物的生长繁殖，加速了堆肥物料有机质的降解。堆肥物料全氮、全磷、全钾和总养分含量在堆肥初始阶段呈上升趋势，并且在堆肥第35 d时达到最高，后逐渐下降。堆肥物料C/N随着堆肥时间延长呈现逐渐下降的趋势，堆肥第35 d时降至19.50，同时堆肥表面呈现疏松的灰白色团粒结构，无臭味，不吸引蚊蝇，表明堆肥产品达到腐熟状态。土壤和堆肥物料1∶2配比时，植株翠芦莉地上部、地下部干物质累积量和株高高于其他处理，翠芦莉叶面积及地上部养分含量显著高于其他处理。发现土壤和树木粉碎物料堆肥按1∶2配比是翠芦莉生长的理想基质，最有利于翠芦莉的正常生长，可在城市园林植物及高架桥植物栽培时应用。

本研究利用福州市主要行道树修剪废弃混合粉碎物料进行堆肥化处理，不仅能够提高园林植物粉碎物料的利用率，美化城市环境，还能为研制适合高架桥园林植物栽培的轻质营养土提供理想基质。轻质营养土通气、透水、保湿、保温及富有营养的特性，充分满足高架桥植物的生长发育需求，减轻高架桥承载的负荷。获得优质堆肥，需要合理调节堆置物料的温度、含水量、pH值和C/N比值。

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(责任编辑：林海清)

Composting of Tree-pruning Waste and Effect of Resulting Composts on Growth ofRuelliaBrittoniana

CHEN Neng-hai1, FU Ying2, LI Jin-ping1, Liu Xiang-guo2, LIU Hong1*

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou，Fujian350002,China; 2.ResearchInstituteforLandscapeScience,FuzhouCity,Fuzhou,Fujian350002,China)

Abstract：By using the waste from tree-pruning in Fuzhou and adjusting the C/N ratio with chicken manure for composting, the resulting composts were evaluated as a potential substrate for plant growth. During the composting, a real-time monitoring on the aerobic fermentation was conducted to understand the changes in the nutrient content of the compost and their effect on the growth of the model plant, Ruellia brittoniana. A continual decline on the organic matters accompanied by an increase on the contents of nitrogen, phosphorus, potassium, and other nutrients in the compost was observed. On the 10thday of composting, the compost reached a constant internal temperature of 50℃, while its pH decreased gradually after an initial increase and stabilized after the 35thday. The moisture content of the compost decreased continuously throughout the process. The C/N ratio of the compost arrived at the fully decomposed stage (i.e., 15-20/1) on the 35thday. The height, leaf area, and dry biomass of the plants grown on the soil/compost mixtures were found superior to those on soil alone. When one part of soil was mixed with two parts of the compost, the nutrient content in the above-ground, as well as under-ground, parts of the plant was at its maximum. It was concluded that when the temperature was 45-49℃(averaging 48℃), C/N at 19.50, and pH at 9, the compost was considered fully decomposed with the total nitrogen, phosphorus, and potassium contents of 1.28%, 1.73%, and 1.95%, respectively. And, on substrate with a mixing ratio of two parts compost to one part soil, the best result was obtained for the growth of R. brittoniana. It was expected that a compost could be generated from tree-pruning waste in the city to satisfactorily enrich the soil for municipal landscaping on viaducts.

Key words：landscaping plants; tree-pruning waste; chicken manure; compost; aerobic fermentation

收稿日期：2016-02-18初稿；2016-03-20修改稿

作者简介：陈能海(1990-)，男，研究生，主要从事植物营养与环境生态学方面的研究 (E-mail: cnh1208@sina.com) *通讯作者：刘泓(1968-)，女，博士，教授，主要从事环境污染评价及修复、植物毒理方面的教学和科研工作(E-mail: liuhong@fafu.edu.cn)

基金项目：福州市科技局项目(2013-G-106、KSN2R0001)

中图分类号：S 141

文献标识码：A

文章编号：1008-0384(2016)04-408-07

陈能海，付影，李金萍，等.行道树修剪物料堆肥化过程中关键指标参数分析及对翠芦莉生长的影响[J].福建农业学报，2016，31(4)：408-414.

CHEN N-H，FU Y，LI J-P，et al.Composting of Tree-pruning Waste and Effect of Resulting Composts on Growth ofRuelliaBrittoniana[J].FujianJournalofAgriculturalSciences，2016，31(4)：408-414.