碳氮比对白三叶和小麦秸秆堆肥的肥力影响

范肖龙，文素芸，陈 佳，万依阳，程宇阳，寇建村

(西北农林科技大学 动物科技学院，陕西杨凌 712100)

黄土高原是苹果(Malussieversii)的优势产区，苹果产业的发展对当地经济发展具有重要的作用，但近来由于有机肥源短缺，化肥过量施用，导致苹果园土壤肥力退化、养分失调、有机质含量偏低，严重制约苹果产业的发展[1-2]。

果园生草是一种新兴的果园土壤管理方式，既能有效减少蒸发，保持土壤含水量，同时，所生果园草刈割后又可通过覆盖或埋置等方式降解还田，改善土壤肥力，保持果园土壤有机质平衡[1-2]。白三叶(Trifoliumrepens)为豆科车轴草属多年生草本植物，具有良好的蓄水保墒作用，且根瘤菌固氮作用优势明显，是目前黄土高原苹果园应用最广、效果最佳的果园草种之一[3]。目前，对果园生草的研究多集中于生草本身对提高果园土壤肥力、促进果树生长发育以及影响果园小气候等方面[4-6]，而果园草降解利用等方面的研究鲜有报道[7]。已有研究表明，果园白三叶刈割后通过埋置或覆盖的方式返园，其降解速度较慢，需时较长[8]。

好氧堆肥主要利用微生物好氧发酵降解有机物质，使堆肥材料最终达到无害化及资源化的目的，得到可作为肥料的最终产物[9]。影响堆肥的因素有温度、含水率、pH、C/N、有机质含量以及氧气含量等，其中，C/N是影响堆肥成功与否及堆肥肥力的最关键因素[10]。当堆肥中C/N 过低时，堆体中的氮以 NH3形式大量挥发损失从而降低肥效；当堆肥C/N 过高时，会降低微生物降解速度，延长堆肥时间[11]。以往的研究表明，C/N 为25～35均可进行高效堆肥[12]。

将果园白三叶堆肥后返园，一方面可以提高果园土壤肥力，另一方面可以缩短有机物的转化时间，是一种较好的果园草利用方式。但由于白三叶单独堆肥时C/N过低，影响堆肥效果。而小麦作为黄土高原最重要的农作物之一，其秸秆量大、价廉，C/N较高。如将白三叶和小麦秸秆适量混合进行堆肥，既利用现有资源，又能获得较好的堆肥效果，但是此方面研究未见报道。本研究以白三叶为材料，用小麦秸秆为碳源调节C/N，研究不同初始C/N下白三叶堆制有机肥的肥效，以期确定白三叶、小麦秸秆的最佳堆肥比例，为实现白三叶高效利用，缓解苹果园有机肥短缺问题提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2017年5-7月进行。供试白三叶取自陕西杨凌国际合作科技园——现代农业创新园的苹果试验基地，新鲜茎叶刈割后随即进行风干，备用；小麦秸秆由农户提供(秸秆新鲜、未见发霉和明显的感病植株)，物料基本性质见表1。

1.2 试验设计

将小麦秸秆、白三叶切碎至长度10 cm左右。以不同比例混合，使初始C/N分别为25(T25)、30(T30)和35(T35)，3次重复。调节混合物料含水量至 60% 左右后混合均匀，装入发酵箱，发酵箱容器规格为0.60 m×0.45 m×0.46 m(长×宽×高)。为避免局部厌氧，在堆置的前2周，每周翻堆2次，之后每周翻堆1次。为保证良好的微生物生活环境，堆肥前期定期添加灭菌去离子水，使物料含水量维持在60%左右。

1.3 测定指标与方法

堆体温度：每日10:00和17:00用水银温度计测定堆体中部同一高度(23 cm)随机5个位置的平均值作为堆体温度，同时记录环境温度。

表1 物料基本性质Table 1 Basic properties of materials

于堆肥开始(0 d)和结束(51 d)时取样。采取多点采样法取样，均匀混合样品后，四分法保留200 g，分为风干样与鲜样(4 ℃冰箱保存) 2 份，分别密封后保存。鲜样用于铵态氮和硝态氮的测定。将鲜样与1 mol/L NaCl溶液1∶10混合(质量/体积)，水平摇床震荡混匀2 h后静置过滤，用流动分析仪测定铵态氮和硝态氮的质量分数。风干样用于全碳、全氮、全磷、全钾、速效磷和速效钾的测定，参照文献[13]的方法测定。其中，全碳采用灼烧法测定，全氮和全磷采用元素分析仪测定，全钾和速效钾采用火焰光度法测定，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3法测定。

1.4 数据处理

采用DPS 7.05对试验数据进行整理、方差分析和多重比较，Microsoft Office Excel 2007作图。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中堆体温度的变化

由图1可以看出，白三叶和小麦秸秆混合后，3个处理均从堆肥后的第2 天开始升温，经历升温期、高温期和降温期3个阶段。T25、T30和T35达到最高温度所需时间分别为26、5和6 d，最高温度分别为47、58和67 ℃，50 ℃以上持续时间分别为0、7和9 d。

图1 堆肥过程中的温度Fig.1 Temperature during composting process

2.2 堆肥前后全碳质量分数的变化

堆肥前(0 d)，T30和T35处理的全碳质量分数显著低于T25(P<0.05)，堆肥结束(51 d)时，T25处理的全碳质量分数显著高于T30和T35；T25、T30和T35处理堆肥后比堆肥前全碳质量分数分别降低17.4%、22.1%和23.1%；T35处理有机碳降解较快，T30次之(图2)。

2.3 堆肥前后全量养分质量分数变化

堆肥前，3个处理全氮质量分数为T25>T30>T35，结束时分别提高12.2%、54.6%和91.7%(图3-A)。但是，堆肥前，T25和T30处理的全磷质量分数显著高于T35(P<0.05)，结束时，全磷质量分数大小为T30>T25>T35，且差异显著(P<0.05)，分数分别较堆肥前提高63.1%、71.1%和101.1%。(图3-B)。而堆肥前，3 个处理全钾质量分数无显著差异，堆肥结束时，T25、T30和T35处理比堆肥前分别提高63.9%、61.1%和102.6%(图3-C)。

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同

Different lowercase letters show significant difference(P<0.05). The same bellow

图2堆肥前后全碳的质量分数
Fig.2Totalcarbonmassfractionbeforeandaftercompostingprocess

图3 堆肥前后全氮(A)、全磷(B)和全钾(C)的质量分数Fig.3 Total nitrogen(A), phosphorus(B) and potassium(C) mass fraction before and after composting process

2.4 堆肥前后速效养分质量分数变化

由图4-A可知，堆肥前，T25处理的铵态氮质量分数显著高于T30和T35(P<0.05)，堆肥结束时，T25和T30比堆肥前分别提高3.2 倍和2.7倍，而T35降低58.3%。堆肥前，T30和T35处理的硝态氮显著高于T25(P<0.05)，堆肥结束时， T25、T30和T35处理分别提高3.0倍、2.0 倍和1.6倍(图4-B)。

堆肥前，T25和T35处理的速效磷质量分数显著高于T30(P<0.05)，堆肥结束时，T25、T30和T35处理分别提高65.1%、88.8%和49.6%，T25和T30显著高于T35(图4-C)。T35处理速效钾质量分数在堆肥前显著高于T25(P<0.05)，堆肥后，T35处理显著高于T25和T30(P<0.05)，T25、T30和T35处理分别较堆肥前提高82.7%、84.1% 和107.4%(P<0.05)(图4-D)。

3 讨 论

3.1 堆肥的温度变化表明白三叶可以成功堆制有机肥

温度是好氧堆肥过程的关键指标，其变化可以直观反映堆肥过程中的微生物活性[14]和堆肥进程[15]。温度的变化也与堆肥中可被氧化分解的有机质含量呈正相关[16]。本研究中，T25处理最高温度为47 ℃，这可能是由于该处理条件下碳源不足，不利于微生物的活动，因此不利于白三叶和秸秆的完全腐熟[17]。而T30和T35处理50 ℃以上高温均持续在7 d以上，说明在白三叶和小麦秸秆混合后堆肥时，C/N高有利于微生物的活动，从而能够有效促进堆体腐熟。3个处理堆肥完成后，有机碳质量分数均降低，这是由于堆肥过程中微生物降解消耗有机碳，使全碳质量分数下降，与赵建荣等[18]的研究结果一致，但T30和T35处理降低22.1%和23.1%，说明降解腐熟效果较好。

图4 堆肥前后铵态氮(A)、硝态氮(B)、速效磷(C)和速效钾(D)的质量分数 , available phosphorus(C) and available potassium(D) mass fraction before and after composting process

一般认为，堆肥温度在50～55 ℃以上保持5～7 d，或者55 ℃以上维持3 d 以上可以灭杀物料中所含病原菌，达到堆肥卫生学指标和腐熟的标准[10]。本试验中，白三叶堆肥的C/N分别为25、30和35时，50 ℃以上持续时间分别为0、7和9 d，因此，在C/N为30或35时，白三叶可以堆制安全有机肥。

3.2 白三叶堆肥后养分质量分数增加，堆制的有机肥肥力较高

随着好氧堆肥的进行，物料中的有机物分解矿化，物料发生“浓缩效应”[19]，使堆体的体积随之减小，堆肥后总氮、总磷以及总钾质量分数因被浓缩而增加[20-21]。本研究也得到相同的结果，C/N 为35时，堆肥后全氮、全磷和全钾增加，较堆肥前分别提高91.7%、101.1%和102.6%；3个处理的速效磷和速效钾质量分数均提高。在堆肥过程中，铵态氮先迅速上升后快速下降，但最终铵态氮降低。铵态氮增加的主要原因是有机物氨化和有机氮矿化作用，微生物作用于有机氮使其转化为简单含氮有机物，然后再进一步反应生成NH3，而NH3可以溶于堆肥产生的水中转化为铵态氮，因而铵态氮含量表现为上升趋势[22]。随后铵态氮的降低是因为随着堆肥进程，在硝化细菌作用下，将铵态氮转化所致[18]。但是，在本研究中，C/N为25和30的处理铵态氮质量分数增加，而C/N为35的处理铵态氮质量分数降低。这可能是因为碳氮比为25和30时，堆肥进程较慢，硝化细菌活性较低，使得部分铵态氮未能及时转化所致。

白三叶用小麦秸秆调整C/N为35时，堆肥后全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾质量分数较堆肥前分别提高91.7%、101.1%、102.6% 、49.6%和107.4%，而在小麦秸秆与鸡粪的高温好氧堆肥中，全氮、磷、钾以及速效磷、钾的质量分数分别提高21.8%、11.5%、15.8%、25.9%和12.4%[23]。表明白三叶和秸秆堆肥降解腐熟浓缩效果较好，可以快速提供有效的有机肥源。

3.3 C/N是影响白三叶堆肥的重要因素

C/N是影响堆肥进程及其腐熟情况的重要因素。C/N为25～35 均可进行高效堆肥[12]。本研究比较白三叶和小麦秸秆混合后3种不同 C/N(分别为25、30和35)的堆肥过程中温度及其碳、氮、磷、钾养分的变化差异，发现C/N为25、30和35的处理，全氮质量分数分别提高12.2%、54.6%和91.7%，全磷质量分数分别提高63.1%、71.1%和101.1%，全钾质量分数分别提高63.9%、61.1%和102.6%，硝态氮质量分数分别提高3.0倍、2.0倍和1.6倍，速效磷质量分数分别提高65.1%、88.8%和49.6%，速效钾质量分数分别提高82.6%、84.1%和107.4%。因此，白三叶堆肥时，用秸秆调节的C/N不同，堆肥效果不同。这与牛粪[10]、猪粪[11]堆肥的研究结果存在差异，牛粪、猪粪堆肥时，C/N为25 时堆肥效果最佳。这可能是因为白三叶养分质量分数和其他物料存在差异。同时，好氧堆肥是一系列微生物参与及酶促反应的过程，本研究仅对堆肥前后的肥力变化进行测定，后续需对白三叶堆肥过程中微生物种类、数量及酶活性变化机制进行进一步研究。