不同磷石膏添加比例对稻壳与油枯堆肥过程的影响及基质化利用的评价

陈雪娇，王宇蕴，徐 智，赵乾旭

（云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201）

当今社会，实现对固体有机废弃物高效利用受到各级政府高度的重视，如何高效、无害利用这部分养分资源，不仅关系到社会环境安全，同时关系到农业与循环经济可持续发展进程。稻壳作为稻谷加工主要的副产品之一，富含纤维素、木质素、二氧化硅等，且稻壳具有比重小、质量轻、疏松、孔隙度大等优良特点[1-2]。据报道，我国稻谷年产量近2亿t，稻壳占稻谷籽粒重的20%左右[3]，大多企业将稻壳自然堆放或采取燃烧的方式处理，既浪费宝贵的土地资源，又增加周边环境污染风险与火灾隐患[4]。磷石膏是湿法磷酸、磷肥生产中的工业副产品之一，后续实际利用率仅有15%左右，其余85%的磷石膏未经进一步处理，若随意堆放会对环境造成潜在的威胁[5]。因此，如何实现对稻壳和磷石膏两种固体废弃物资源可循环利用已成为环境研究领域热点之一。大量研究表明，稻壳作为堆肥原料不仅可以调节堆体C/N比例，还可以调节堆体基质的疏松度，有利于通风供氧，加快堆体腐熟的进程[6-7]。有研究表明，在堆肥过程中，添加适当比例的磷石膏可以改变堆体腐熟的进程及其理化性质，已有研究证实，在胶籽油枯-锯末-磷石膏联合堆肥过程中，添加10%的磷石膏，堆体结束时的pH值稳定在6.0~6.5之间[8]。磷石膏可以有效地调节堆体的pH值，使之更加符合基质的要求[9]。磷石膏颗粒细小、容重大，添加磷石膏可以提高城市垃圾堆肥腐熟后基质的质量和保水性能，进而提高草坪质量，还可以促进多年生黑麦草和高羊茅的生长[10]。国内外研究者已在稻壳堆肥基质化方面做了大量研究[7，11-12]，目前存在的问题是稻壳虽然具有开发为优良基质的特点，但稻壳堆肥发酵制成的基质孔隙度大、容重小、含氮量低，稻壳单独堆肥时存在一定的弊端[1]，因此，选择油枯作为高氮物料的辅料并添加磷石膏将大幅提高稻壳资源化利用率。一方面，磷石膏会起到增加容重和持水孔隙度的作用，另一方面，考虑到堆体基质化发酵过程存在碱化的发展趋势以及适当降低堆体的pH值可以降低氨素损失，因此在稻壳和油枯堆体发酵过程中添加不同比例磷石膏从而实现对磷石膏的资源化利用。本研究以稻壳、油枯为主要的发酵堆体原料，期望通过不同磷石膏添加量对稻壳油枯基质化发酵过程中腐熟程度、营养成分变化及基质品质的影响，探索稻壳和磷石膏两种固体废弃物资源化利用的新途径，进一步为稻壳基质化大规模生产提供理论依据。

表1 供试材料基本理化性质Table 1 The basic physical and chemical propertiesof the experimental materials

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016年5月19日至2016年6月14在云南农业大学实验教学基地的温室大棚内进行，周期为26 d。供试物料为稻壳和油枯，购买于云南省昆明市晋宁科贸有限公司，磷石膏来源于云南省昆明市晋宁昆阳磷肥厂。磷石膏 pH 4.5，CaO 282.35 g·kg-1，MgO 7.65 g·kg-1，Cd 0.68 mg·kg-1，Pb 42.53 mg·kg-1，Cr 36.13 mg·kg-1，As16.56 mg·kg-1，具体原料基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

1.2.1 好氧发酵装置

本试验采用好氧高温腐熟方法，好氧发酵装置为泡沫塑料材料（长54 cm，宽27 cm，高34 cm）。每个发酵箱体四周先用保鲜膜覆盖，再用透明胶带缠绕数次，起到良好的保温效果。距离发酵箱体底部3 cm处的右侧打一个小孔，空气气泵通过皮管从小孔进入箱体。

1.2.2 试验处理

堆体物料混匀前，油枯需用植株粉碎机打成粉末状，磷石膏过2 mm筛。以稻壳为碳源，油枯为氮源，按照C/N比为30配制和混合有机物料（稻壳和油枯），在保证每个堆肥处理的有机物料（稻壳和油枯）总量一致的条件下，按照有机物料干重的10%、20%、30%、40%和50%添加磷石膏（磷石膏的添加量以干重计，分别记作 A10、A20、A30、A40 和 A50处理），以磷石膏添加量为0作为对照（CK），堆体的含水率设置为55%，共6个处理（表2），每个处理重复3次。发酵过程中每隔1 h通气5 min。堆体腐熟前期每日翻堆1次，之后每隔3 d翻堆1次。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集

分别于发酵过程中第 0、3、6、12、18、22、26 d 采样。在翻堆充分混匀后，采用五点取样法，每个堆体每次采集约300 g混合样，平均分为两份，一份置于4℃冰箱保存待用，另一份风干、磨碎过1 mm筛待测。

1.3.2 测定指标及方法

发酵过程中，每日上午9：00用水银温度计测定堆体中心温度，并测定环境温度。水分含量采用105℃烘箱干燥法测定；pH和电导率（Electrical conduc tivity，EC）测定方法均参见文献[13]；全碳（Total carbon，TC）、全氮（Total nitrogen，TN）、全磷（Total phosphorus，TP）、全钾（Total potassium，TK）含量测定参见文献[14]。

样品水溶性铵态氮（NH+4-N）、硝态氮（NO-3-N）含量测定：称取2 g新鲜堆体样品置于三角瓶中，加入1 mol·L-1KCl溶液 40 mL[6]，于恒温摇床中 180 r·min-1下振荡60 min后过滤。滤液保存于4℃冰箱中，1周内用AutoAnalyzer 3 High Resolution连续流动分析仪（德国SEAL公司）测定浸提液中水溶性NH+4-N、NO-3-N含量。

样品容重、孔隙度测定：将风干后的基质装入一定体积（V）的环刀（包括垫有滤纸的滤孔盖，质量为m0）中，水中浸泡 24 h 后，称其质量（m1），放在干砂上，待水分自由沥干后称重（m2），放入105~110℃烘箱内，烘干至恒重（m3）。根据文献[15-16]，计算方法为：

式中，Wb为干密度，g·cm-3；Wt为总孔隙度；Wv为通气孔隙度；Ww为持水孔隙度；Wa为气水比。

种子发芽指数（Germination index，GI）测定：称取待测新鲜堆体样品10 g，与40 mL蒸馏水混合，振荡60 min后过滤，吸取滤液10 mL加到垫有1张滤纸的干燥培养皿中，每个培养皿均匀放入20粒饱满的小白菜种子，置于恒温培养箱中，于30℃下培养48 h，测定根长和发芽率，同时以蒸馏水为对照，每个处理重复3次。根据文献[6]和[17]提供的方法来计算：

GI=（堆体浸提液种子发芽率×种子根长）/（对照种子发芽率×种子根长）×100%。

C/N和TC/N值作为判断堆体腐熟程度的指标[18-19]，其计算方法为：

TC/N=（不同时期C/N）/（初始C/N）。

表2 物料发酵处理设计Table 2 The treatment design of fermentingmaterials

1.4 试验数据处理

采用OriginPro9.1软件作图，运用Microsoft Excel 2007对试验数据进行统计与处理，采用SPSS19.0软件对所有处理进行方差分析与LSD多重比较，P<0.05表示差异显著。

2 结果与讨论

2.1 不同磷石膏添加比例对稻壳和油枯堆肥过程的影响

2.1.1 磷石膏添加量对堆肥发酵过程中温度变化的影响

堆体温度是衡量与评价堆体腐熟质量和腐熟程度的指标之一，能影响微生物活动能力，也能反映出有机物料转化进程。由图1可知，堆体发酵过程中各处理温度变化趋势一致，均经历了升温阶段、高温阶段和降温阶段。各处理比较来看，CK处理的堆体温度在第8 d升温至50℃以上，A40处理的堆体温度在第2 d已进入高温期（＞55 ℃），A10、A20、A30、A50处理的堆体温度在第3 d才进入高温期，CK、A10、A20、A30、A40和A50处理高温（≥50℃）分解持续的时间分别为 7、12、12、11、11 d 和 9 d。一方面，这可能由于添加磷石膏增加了堆体孔隙结构，为堆体积累了大量热量；另一方面，也可能由于添加磷石膏减少了堆体初期水分的蒸发，致使热量累积。说明添加磷石膏有利于堆肥升温和持续高温，但磷石膏添加量超过有机物干物质的40%可能会对堆肥保持持续高温的能力不利。

2.1.2 磷石膏添加量对堆肥发酵过程中水溶性铵态氮和硝态氮含量变化的影响

各堆体基质化腐熟过程中水溶性NH+4-N的变化情况从图2A可以看出来，堆体发酵前期，各堆体水溶性NH+4-N含量迅速增加，在第6 d达到最大值后，趋于下降。这是因为在堆体升温期及高温期，微生物快速生长和繁殖加速有效N的分解，并以NH+4-N的形式快速累积[20]，而后随着发酵物料的腐熟，水溶性NH+4-N一部分用于微生物的代谢和同化作用的消耗，一部分以NH3的形式损失掉[21]。本试验研究结果表明，在水溶性NH+4-N上升阶段，磷石膏添加处理的水溶性NH+4-N增加速率高于CK，其中A40处理增加速率最高，达26.63%。这可能与A40处理的堆体持续高温时间较长，有机N的矿化作用较强有关。在水溶性NH+4-N下降阶段，A40处理的水溶性NH+4-N减少速率最大，为67.84%，其次是A30处理，均显著高于A10、A20和A50处理。按照堆体发酵腐熟时NH+4-N的含量低于400 mg·kg-1[22]这一标准判断，除A10和A20处理外，其他处理堆体发酵结束时均已基本达到腐熟要求，其中以A40处理效果为最好。

图1 不同处理对堆肥发酵过程中温度变化的影响Fifure1Effects of different treatments on temperature variations during the composting process

图2 不同处理对堆肥发酵过程中水溶性铵态氮（A）和硝态氮（B）含量变化的影响Figure2 Effectsof differenttreatmentson water soluble NH+4-N（A）and NO-3-N（B）contentsvariationsduringthecompostingprocess

堆体硝化细菌的活性易受到温度的控制，最适温度为30℃左右，温度超过40℃时活性受到抑制[22]。由图2B可知，堆体发酵前期，各处理堆体水溶性NO-3-N含量均较低，在前12 d内，各处理堆体水溶性NO-3-N含量虽有一定程度的增加，但增加速率缓慢，这是因为堆体发酵前期高温抑制了硝化细菌的生长活动。这与徐智等[23]对不同牛粪添加比例与西番莲果渣混合腐熟发酵的研究结果一致。堆体发酵12 d后，各处理堆体水溶性NO-3-N含量迅速升高，除A50处理外，随着磷石膏添加量的增加，水溶性NO-3-N增加的速率增大，说明添加磷石膏对水溶性NO-3-N生成具有促进作用。

2.1.3 磷石膏添加量对堆肥发酵过程中碳氮比与TC/N值变化的影响

C/N是用于评价堆体腐熟度与稳定度的重要参数[22]。从图3A可以看出，除A10和A20处理的C/N呈现先上升后下降的趋势，其他处理堆体C/N的变化趋势相同，即呈逐渐下降的趋势。各处理分别从堆体初始C/N为30依次降至堆体发酵结束时的21.37、14.78、14.06、13.16、12.54 和 13.22，分别下降了28.77%、50.73%、53.13%、58.20%和55.93%，可以看出A40处理下的堆体C/N下降速率较快。有关研究[19，24]指出，当堆体发酵结束时C/N小于20被认为物料已腐熟，说明除CK处理外，其他处理堆体已达到腐熟标准。

TC/N值小于0.6可以作为判断堆体物料完全腐熟的标准[25]。若以TC/N小于0.6作为判断标准，由图3B可知，至堆体发酵结束时，各处理的TC/N值依次为0.71、0.49、0.47、0.44、0.42、0.44。由此可知，除 CK 处理外，磷石膏添加处理的堆体已达到腐熟要求，其中以A40处理的腐熟效果较为理想。

2.1.4 磷石膏添加量对基质堆体种子发芽指数变化的影响

GI是用来判断堆体物料腐熟效果与检测植物毒性的一种直接、快速指标。Wong等[26]认为，当GI＞50%时，说明堆体基本腐熟，无毒性；当GI＞80%，堆体完全腐熟，对植物没有毒性。如果以GI＞80%对植物没有毒性为判断标准，CK处理到堆肥结束时还达不到这个要求，A10、A20、A30、A40 和 A50 处理分别于堆肥第 22、22、18、12 d和 12 d达到这一要求（图 4）。说明磷石膏添加处理可以促进堆体GI的提高，到堆肥结束时，A40处理的GI最高，为91.83%。这些结果与李赟等[7]研究的辅料添加对厨余垃圾快速堆肥腐熟度的影响得到的结果相似。这可能因为添加辅料增加了堆体孔隙度，为好氧微生物提供了良好的水、气条件，从而促进堆体物料的腐熟脱毒。

图3 不同处理对堆肥发酵过程中碳氮比（A）和T C/N值（B）变化的影响Figure 3 Effectsof different treatments on carbon-nitrogen ratio（A）and T C/N value（B）variationsduring the composting process

图4 不同处理对堆肥发酵过程中种子发芽指数变化的影响Figure 4 Effectsof different treatments on germination index duringthe composting process

2.2 基于基质化要求对堆肥腐熟后理化性质的评价

栽培基质通常包括3部分：固体、气体、液体。固体主要起到保护作物根系生长及固定植株的作用，液体用于供应作物水分和养分，气体可以保持根系同外界的O2与CO2的交换。固体质量的好坏以体积质量表示[19]。由表3可知，至堆体发酵结束时，磷石膏添加对基质堆体容重、通气孔隙度和持水孔隙度的影响具有显著性（P<0.05）。A10、A20、A30、A40 和A50 处理下的容重均大于CK处理，分别提高了4.35%、13.04%、21.74%、39.13%和56.52%。A40和A50处理与CK相比，持水孔隙度分别增加了33.50%和22.16%。而磷石膏添加对总孔隙度和气水比的影响均不显著（P>0.05）。焦永刚等[27]指出，理想基质的体积质量范围为0.1~0.8 g·cm-3，最佳体积质量为 0.5 g·cm-3[16]，连兆煌等[28]认为是容重<0.4 g·cm-3。依据农业标准，理想基质总孔隙度＞60%，持水孔隙度＞45%，通气孔隙度＞15%，气水比（通气孔隙度/持水孔隙度）为0.25~0.5[29]。按照以上衡量基质标准，各堆体发酵结束时，除气水比指标外，各处理的物理性质均达到理想基质的要求。但考虑到固定植株、促进植物根系生长、通气及保水能力等对基质的要求，认为A40处理腐熟的基质较适合作物栽培。

表3 堆肥腐熟后不同处理的物理指标Table 3 Physical propertiesof different treatments after composting

适合作物生长的栽培基质除了具备良好的物理性质外，还应具备合适的化学性质，如pH值、EC值，营养元素种类及含量[30-31]。至堆体发酵结束时，磷石膏添加对基质堆体全N、全P、全K、TC/N值、pH值与电导率均具有显著影响（P<0.05，表4）。处理间比较发现，A40处理下的基质堆体全N、全P及全K含量，具有最高值，与CK处理相比，分别提高了12.28%、44.34%和51.99%。一般认为，理想基质pH值为6~8[32]。综上所述，按照此标准，考虑各个堆体基质养分供应能力，以A40处理腐熟的基质更适合作物栽培。

表4 堆肥腐熟后不同处理的化学指标Table 4 Chemical propertiesof different treatments after composting

3 结论

（1）从稻壳油枯堆肥的腐熟程度来看，A40处理下，持续高温时间较长，加快了堆体腐熟进程；至堆体发酵结束时，有效控制了堆体发酵过程中NH3的损失，促进了水溶性硝态氮的累积，且能最大可能地促进堆体的腐熟脱毒。因此以40%磷石膏处理堆肥腐熟效果最好。

（2）从堆肥腐熟基质化利用来看，堆体腐熟结束后，40%磷石膏处理下的全磷和全钾含量均显著高于其他处理，增加了堆体容重和持水孔隙度，协调了通气孔隙度，达到了理想性基质的要求，说明40%磷石膏处理腐熟后的基质更适合作物栽培。

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