杨树皮堆腐过程中碳和氮及腐殖酸的变化特征

李焕应

摘要    为研究杨树皮堆腐过程中碳、氮及腐殖酸的动态变化特征，进行了杨树皮粒径大小及微生物菌剂添加水平對堆腐进程的影响试验。结果表明，总有机碳（TOC）呈下降趋势，全氮（TN）相对含量呈升高趋势;各处理的氨氮（NH4+-N）含量均在7 d内达到最大值，后期降至0.04%水平以下;各处理的最终氨氮与硝氮比（NH4+-N/NO3--N）均降到较低水平，但仍高于0.16;杨树皮堆腐过程中，胡敏酸（HA）变化规律不明显，富里酸（FA）呈降低趋势，各处理最终聚合指数（HA/FA）均大于1.4。综合各指标分析结果，粗粒径杨树皮的腐熟效果优于细粒径杨树皮处理，而微生物菌剂添加量对杨树皮腐熟进程影响不显著。

关键词    杨树皮;堆腐;碳;氮;腐殖酸;变化特征

中图分类号    Q792.11        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）15-0141-04

Change  Characteristics  of  Carbon，Nitrogen  and  Humic  Acid  of  Poplar  Bark  During  Composting

LI Huan-ying

（Agricultural and Rural Development Bureau of Xinhang Town of Guangde County in Anhui Province，Guangde Anhui 242234）

Abstract    In order to study the dynamic change characteristics of carbon，nitrogen and humic acid of poplar bark during composting，the effects of poplar bark size and microbial agent addition level on the composting process were studied.The results showed that the total organic carbon（TOC）showed a downward trend，and the relative content of total nitrogen（TN）increased.The content of ammonia nitrogen（NH4+-N）in each treatment reached the maximum within 7 days and decreased to below 0.04% in the later period.The ultimate ammonia and nitrate nitrogen ratio（NH4+-N/NO3--N）decreased to a lower level，but still higher than 0.16.During composting process of poplar bark，the change of humic acid-like organic-C（HA）was not obvious，and fulvic acid-like organic-C（FA）showed a trend of decrease.The final polyme-rization index（HA/FA）of each treatment was greater than 1.4.According to the analysis results of various indicators，the composting quality of coarse particle size bark was better than fine particle size，and microbial additive amount had no significant effect on compost maturity.

Key words    poplar bark;composting;carbon;nitrogen;humic acid;change characteristic

杨树（Populus spp.）在我国营林面积多达600万hm2[1]，杨树皮约占干枝的10%左右[2]，目前主要用作燃料。一些学者曾对杨树皮的利用进行了探索，如可用于包括制药[3]、制作饲料及栽植菌菇等[4-5]，但鲜有对杨树皮高温堆腐物质转化机理的研究。堆腐化就是在一定的水分、C/N和通风条件下通过微生物的发酵作用，对有机物有控制地进行生物降解，使之转化为腐殖质的生物化学处理技术[6]，研究有机物的动态变化是揭示堆腐过程物质转变机理的基础。有机物主要包括有机碳、氮（有机氮及无机氮）及腐殖酸，国内外学者针对堆腐过程中主要有机物的变化动态进行大量的探讨。Sánchez Monedero等[7]研究了6种固废堆腐过程中的氮转化，认为氮的转化取决于堆腐原料以及有机质的降解速率。陈广银等[8]采用高温好氧试验研究了落叶堆腐过程中的有机物变化，发现有机质、腐殖质及富里酸等呈下降趋势，聚合指数增大，表明堆腐有机物向着腐殖化和稳定化转变。本文研究了不同粒径大小及微生物菌剂添加量对杨树皮腐熟过程中有机物变化的影响，以期为杨树皮堆腐化生产提供参考。

1    材料与方法

1.1    试验材料

杨树皮取自江苏省泗洪县杨树木材加工基地，树种为南林895杨树（Populus euramericana ‘N-895）。树皮晒干后用BEARCAT（Model 70380）柴油粉碎机将杨树皮粉碎，过筛分为2种粒径大小，即细粒径（<0.5 cm）、粗粒径（0.5～2.0 cm）。复合微生物菌剂（有机肥发酵剂Ⅰ）购买于北京京圃园生物工程有限公司;尿素（全碳含量为20%，全氮含量为46.3%）为中石化生产。各原料的特性参数见表1。

1.2    试验设计

试验采取双因素完全随机区组设计。因素一为杨树皮粒径大小，设为2个水平，即粗粒径与细粒径;因素二为微生物菌剂添加量，设为3个水平，分别为0.3%、0.5%、1.0%（以杨树皮干重计），共6个处理，具体处理设计见表2，每个处理3次重复。试验于南京林业大学种子中心实验室内进行，环境温度控制为25 ℃。本试验的堆体呈长方体，长90 cm、宽70 cm、高50 cm。为了提高堆温、减少水分散失并改善堆腐物质量，采用棚膜覆盖法[9]进行试验。为使各处理的初始C/N达到适合微生物活动的比值，以尿素为氮源，根据粗、细粒径原始碳氮比的不同，粗粒径杨树皮各处理分别添加尿素0.4 kg，细粒径杨树皮各处理分别添加尿素0.6 kg，最终各处理的C/N维持在28左右。将微生物菌剂、尿素与水40 kg混合，均匀喷洒于各处理杨树皮上后，经多次翻堆，混合均匀。

1.3    翻堆取样

分别于堆制的第0、7、14、21、31、41、55、69天翻堆取样，以保证堆体氧气的供应。将堆体各部位材料混合均匀，采取多点取样（取样点>10），取样至2 000 g左右再采用四分法[10]分缩至500 g。鲜样用于物理及部分化学指标的测定，其余样品风干后粉碎，过1 mm筛后装于自封袋，于避光处储存备用。

1.4    测定指标

1.4.1    温度。采用清胜电子科技有限公司生产的多点土壤温湿度记录仪（JL-01）测定堆体内温度，记录仪的探头位于堆体的上、中、下3个部位，设定为每6 h自动测定并记录堆体内温度。

1.4.2    化学指标。全氮的测定用H2SO4-H2O2消煮-奈氏比色法;全磷的测定用 H2SO4-H2O2消煮-钒钼黄比色法;全钾的测定用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度计法测定[11];有机碳采用直接测定法（灼烧法）[12];氨氮测定采用2 mol/L KCl浸提-MgO蒸馏法[11];硝态氮测定用2 mol/L KCl浸提-还原蒸馏法[11];腐殖质酸碳量及其组分测定采用Na4P2O4与NaOH提取K2Cr2O7容量法[13];T值[14]为终点时的C/N与初始C/N的比值。

2    结果与分析

2.1    堆体温度变化

堆体内温度是表征堆腐是否达到无害化和稳定化的重要标准，其高低直接影响微生物的种类和生长，从而影响了有机物的转化[15]。

由图1可以看出，各处理温度均在堆腐的2～3 d内达到最高，然后下降，直到第1次翻堆后，堆温又有所回升，但都明显低于最高温度。以后每次翻堆后，各处理堆体的温度均有所回升，但上升幅度较小，至堆腐结束时，各堆体的温度均在29～32 ℃之间。从表3可以看出，粗粒径杨树皮各处理堆腐初期升温速率及高温期持续时间均显著大于细粒径各处理;微生物菌剂添加量对高温期持续时间影响不显著;粒径大小及微生物菌剂添加水平对各处理均温影响呈显著性差异（P<0.05），粗粒径各处理均温显著高于细粒径各处理，微生物菌剂添加量越多则堆体均温越高。

2.2    有机碳的变化

堆腐材料中碳素物质主要为微生物活动提供能源和碳源，微生物首先利用简单、易降解的有机物进行新陈代谢和矿化[16]。从表4可以看出，各处理总有机碳含量整体呈现下降趋势。方差分析表明，粒径大小对各处理总有机碳降解程度影响差异显著（P<0.05），而微生物菌剂添加量对有机碳的影响不显著。

2.3    氮的变化

2.3.1    全氮（TN）的变化。有机固体废物的堆腐过程中，氮的转化主要包括有机氮素的矿化、氨气的挥发、硝化及反硝化作用，其中氮的矿化将有机氮转化为氨氮，氨的挥发和反硝化作用则导致了氮素的损失。由表5可以看出，各处理杨树皮全氮相对含量在堆腐过程总体呈现上升趋势。粗粒径杨树皮全氮含量的上升幅度显著高于细粒径杨树皮，一方面是由于粗粒径杨树皮的初始C/N高，挥发性固体损失多，从而导致了堆体缩小;另一方面则由于细粒径杨树皮初始NH4+-N含量较高，高温以及高pH值导致其以氨气形式挥发，从而降低了堆体的含氮量。方差分析表明，粒径大小对堆腐过程的全氮影响差异显著（P<0.05），而微生物菌剂添加量对全氮的影响不显著。

2.3.2    T值變化。从图2可以看出，粗粒径杨树皮处理的T值均<0.7，极显著小于细粒径杨树皮处理。方差分析表明，粒径大小对T值影响差异极显著（P<0.01），但微生物菌剂添加水平的影响不显著。

2.3.3    无机氮变化。杨树皮各腐熟处理的氨态氮含量均在7 d内达到较高水平，这是因为添加的尿素在脲酶作用下水解成碳酸铵，增加了堆体内的氨氮离子含量。由于细粒径杨树皮的尿素添加量高于粗粒径，因而其初始氨氮含量显著高于粗粒径。堆置的前21 d内各处理的氨氮含量变化不大，可能是由于有机氮持续矿化所产生的氨离子与高温状态下损失的氨态氮达到了相对平衡[2]。堆腐的中后期，由于有机质的降解速率趋缓，各处理氨态氮含量迅速下降，至堆腐结束时，各处理的氨态氮含量均小于0.04%（表6）。

硝化作用一般发生在堆温降至40 ℃以下时[17]，过高温度会抑制硝化细菌的活性，因而堆腐的前14 d内，硝态氮含量变化平稳。14 d后，当堆温低于40 ℃时，硝化作用将大量的氨氮转化为硝态氮（表7）。

各处理堆腐初始时的NH4+-N/NO3--N均较高，经过70 d的堆腐处理，该比值显著下降，但均大于0.16（表8），这与堆腐中后期堆体的通气状况不佳导致硝态氮含量下降有关。粗粒径杨树皮处理的最终NH4+-N/NO3--N显著低于细粒径处理。方差分析显示，粒径大小、微生物菌剂添加量及两者的交互效应对堆腐过程中NH4+-N/NO3--N的影响呈显著性差异（P<0.05）。

2.4    胡敏酸、富里酸变化

在堆腐过程中，分子量较小的富里酸逐渐被矿化或转化，其含量在后期通常大幅下降。而分子量较大的胡敏酸则会随着有机质腐殖化进程而有所增加[18]。至堆腐结束时，处理M1、M2、M3、M5的胡敏酸含量较初始值有所增加，而处理M4、M6的胡敏酸含量略低于初始值（表9）。由此可见，粗粒径杨树皮处理的胡敏酸含量显著高于细粒径杨树皮处理，而对于细粒径处理，0.5%的微生物菌剂添加量利于胡敏酸的形成。从整个堆腐过程看，各处理富里酸含量呈下降趋势（表10）。

腐殖酸胡敏酸碳与富里酸碳含量之比称为聚合系数（PI=HA/FA），李国学等[19]指出当PI达到1.4以上时，可认为已达到腐熟。本研究各处理的最终聚合指数（PI）均高于其初始值（表11），根据李国学等人的研究结果，各处理杨树皮均达到腐熟标准。对各处理的PI值进行方差分析可知，粒径大小、微生物菌剂添加量及两者的交互效应皆对堆腐过程中PI的影响差异显著（P<0.05）。

3    结论与讨论

我国卫生学标准规定堆体内温度应维持在50～55 ℃之间5～7 d，以达到杀灭病原菌及杂草种子的目的。本研究中只有粗粒径杨树皮添加0.5%微生物菌剂处理满足要求，可能由于杨树皮内微生物可直接利用的水溶性碳化物较少，因而高温期较短。研究证明，大量的氨氮会抑制微生物的活性，从而延缓高温期到来[20]，因而粗粒径杨树皮处理堆置初期升温速率高于细粒径处理。

C/N是常用的堆腐腐熟度评价指标之一，赵由才[21]认为，腐熟后的堆腐碳氮比应该在16左右，本试验各处理最终碳氮比均高于这一值，这是由于树皮中含有大量的木质素、纤维素和半纤维素，木质素和半纤维素通过化学键紧密连接，包裹在纤维之外，这种生物组分使得树皮具有较大的硬度，能够抵抗微生物的腐蚀和机械压力[22]，因而有机质降解难度大。有研究表明，由于堆腐原料的不同，一些已达腐熟的堆料其碳氮比相差很大，一般在8～29∶1之间[23]，因而可以使用T值作为堆腐腐熟标准，考虑到堆腐原料为难降解的植物性材料，当T值在0.5～0.7时堆体已腐熟[24]。粗粒径杨树皮T值均位于理想范围内，而细粒径处理均大于0.7，可见粗粒径腐熟效果优于细粒径杨树皮。

黄国锋等[25]利用猪粪堆腐表明，当NH4+-N的含量小于0.04%时即证明堆体已腐熟，本试验各处理最终NH4+-N均小于0.04%，但考虑到堆腐原料差别大，还需综合其他指标以评判最终堆腐质量。与其他学者研究结果[26]不同的是，本试验各处理（除粗粒径杨树皮添加1.0%微生物菌剂处理）的硝态氮含量均在42 d前达到最大值，之后又迅速下降，以至堆腐结束时各处理的硝氮含量较低。可能是后期翻堆频率低，导致堆体内缺氧，大量硝态氮在反硝化细菌作用下转化为氮氧化合物而挥发流失。由于粗粒径杨树皮堆体内空隙大，通气状况稍佳，因而至堆腐结束时，其硝氮含量显著高于细粒径处理。NH4+-N/NO3--N已经作为评价多种堆体腐熟度的指标，Finstein等[27]认为，在通气状况良好的情况下，堆腐后期的硝态氮含量应大于氨态氮。Bernal等[28]认为，当NH4+-N/NO3--N这一比值小于0.16时，堆体基本达到腐熟。各处理最终NH4+-N/NO3--N值均大于0.16，这与后期硝氮含量下降有关。

杨树皮堆腐过程中，胡敏酸变化规律不强，富里酸呈降低趋势，堆体内小分子腐殖酸不断减少。各处理最终聚合指数均大于1.4，满足腐熟化标准，也说明杨树皮向着腐殖化和稳定化转变[3]，堆腐物农业价值提高。

粗粒径杨树皮能显著降低堆腐的T值、最终NH4+-N/NO3--N值，因而粗粒径处理的腐熟效果优于细粒径处理，这可能是由于粗粒径堆体内空隙大，空气流通渗透率高于细粒径所致。因而，细粒径杨树皮的翻堆周期应小于粗粒径杨树皮，生产中还可以通过改进堆腐设施及条件等措施以改善各堆体的通气状况。微生物菌剂添加量对腐熟效果的影响不显著，为了节约成本，建议采用0.3%的微生物菌剂添加水平。

由于试验条件的限制，各堆体后期通气状况不佳，影响了堆腐品质的同时也延缓了腐熟进程，今后可以考虑采用Rutgers堆置系统来保证堆体的供氧需求。本试验只测定了堆腐常规指标，未研究堆腐过程中微生物种类、数目及相关酶活性的变化情況，今后可以深入这方面的研究，以全面揭示堆腐过程中有机物质变化机理。

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