木醋液对牛粪好氧堆肥理化特性与育苗效果的影响

徐 超 袁巧霞 覃翠钠 谢广荣 何 涛 宋 娜

(1.华中农业大学工学院， 武汉 430070； 2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室， 武汉 430070；3.武汉光谷蓝焰新能源股份有限公司， 武汉 430072； 4.湖北海图园艺景观工程有限公司， 武汉 430070)

0 引言

草炭是沼泽中死亡植物残体转化积累形成的产物，含有大量未被彻底分解的植物残体、腐殖质以及一部分矿物质，其通气透水性好，是理想的育苗基质。但草炭不可再生，大量开采对生态环境也造成了不可逆转的影响。将牛粪堆肥作为育苗基质是替代草炭、控制农业环境污染的重要方法[1]。相比于肥料利用，育苗基质对堆肥腐熟料的pH值和电导率具有更高的要求，优质基质的pH值为5.5～7.5，电导率为1～2.75 mS/cm[2]。牛粪作为育苗基质，其堆肥腐熟料具有较高的pH值和电导率，不利于幼苗的生长发育。研究表明[3-4]，堆肥的酸处理可有效降低堆体的pH值，促进微生物活动，加快堆肥前期有机酸的形成，进而促进堆肥腐熟。且较低pH值可抑制碱性有害气体NH3的挥发，在满足幼苗对偏酸性环境需求的同时，还能进一步保留基质育苗所需氮肥[5]。而堆肥酸处理面临的主要问题是育苗基质生产量大，所需酸量多，处理成本较高，因此迫切需要寻求一种传统酸的替代品。

木醋液是农林废弃物在高温热解过程中的挥发分经冷却液化分离得到的水相物质[6]，主要成分为乙酸，pH值较低。木醋液作为农林废弃物热解工业的副产物，其产生量大，而其利用途径却没有得到有效开发。大量的木醋液积累已成为制约生物质热解行业的关键瓶颈。有研究表明[4，7]，木醋液可用于堆肥发酵、植物生长调节，能够改善土壤的通气和透水性，可促进土壤中热量的扩散和气-水-养分的运移。木醋液不仅可以作为液体有机肥料，还可调节植物生长和提升品质[8-9]。基于这些情况，本文以木醋液为调节剂，探讨添加木醋液对牛粪-小麦秸秆好氧堆肥过程中理化性质的影响，并进行相应的育苗试验，对木醋液作为堆肥基质化利用调理剂的可行性做出评价，为提升堆肥效率、优化堆肥基质预处理工艺提供理论和试验基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

牛粪为肉牛粪便，取自湖北省随州市弘大畜牧有限责任公司；小麦秸秆于网上购买，风干后长度切为3 cm左右以便与牛粪混合，堆肥原料基本性质如表1所示。

木醋液由武汉光谷蓝焰新能源股份有限公司提供，热解原料为杨木和松木，热解温度约为600℃，木醋液原液pH值为2.53，电导率为1.43 mS/cm，密度为1.04 g/cm3，木醋液成分分析如表2所示。

表1 原料基本理化性质Tab.1 Basic properties of raw materials

注：含水率为湿基，其他各项指标均为干基下计算所得。

表2 木醋液成分分析Tab.2 Composition of wood vinegar

1.2 试验设备

堆肥试验在自主研制的小试强制通风堆肥反应器中进行，反应器外壁安装加热带，用温控器控制反应器加热温度，由空气泵向堆体自下往上输入空气，并通过时控器和流量计控制通风量，堆肥设备如图1所示。每个物料仓容积为15.25 L，加热带功率为800 W。

图1 小试强制通风堆肥反应器示意图Fig.1 Schematic diagram of forced ventilation compost reactor1.温控器 2.电源开关 3.有孔透气保温盖 4.加热带 5.堆肥物料 6.膜片式曝气盘 7.玻璃转子流量计 8.空气泵 9.时控器

1.3 试验方法

1.3.1小试堆肥反应器强制通风堆肥试验

将牛粪、小麦秸秆按照鲜质量比4∶1的比例进行混合，参照文献[10]关于木醋液对土壤养分及育苗效果影响的试验，设置木醋液添加量为0(对照)、1%、3%、5%。将堆体含水率调至(65±2)%，用温控器控制加热带温度，使得堆体环境温度为(55±2)℃。用玻璃转子流量计控制通风量，为保证好氧堆肥过程充足的氧气浓度，采用自下而上固定速率的强制性通风方式。考虑通风过程造成堆体热量损失较大，不利于堆体升温需求，故采用间歇式通风。针对小体积堆体，通风速率计算以生化需氧量为主。由于堆肥物料是复杂的混合物，堆体呈孔隙空间结构，以自由空域[11]表征堆体中气体体积占总体积百分比。计算原理为

(1)

式中F——堆体的自由空域，%

Vs——堆肥物料可挥发部分质量分数，取70%

Gs——堆体的相对密度

Gv——堆体可挥发部分的相对密度，取1.0

Gf——堆肥物料灰分的相对密度，取2.5

Sm——堆肥总固体质量分数，%

δm——堆肥物料的单位体积湿质量，g/cm3

δw——水的密度，g/cm3

c——堆肥物料的单位体积干质量，g/cm3

反应初始，气体充满孔隙空间，氧气体积分数为21%，当反应进行一段时间，微生物消耗氧气使氧气体积占比减少。相关研究表明[12]，当氧气体积分数为8%时，微生物活动受阻，有机质降解速率减小，可进行通风提升氧气浓度。若以葡萄糖表征堆肥底物，查阅相关资料，取好氧堆肥过程有机质降解速率为0.001 kg/h[13]。则通风时间为1 min，通风速率为0.25 m3/min，间隔时间为8 h。堆肥过程中每2 d取一次样，取样时在堆体不同位置取3次样，进行指标测定，直至堆肥温度稳定为止。

1.3.2堆肥基质毒性及育苗试验

堆肥基质毒性采用发芽指数进行评价。种子发芽指数综合反映了堆肥的植物毒性，被认为是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度评价指标。将堆肥基质按照质量比1∶10与去离子水混合，搅拌振荡，静置过滤，取浸种后的黄瓜种子20粒放入垫有纱布的培养皿中，吸取5 mL浸提液均匀喷洒后将培养皿放置于25℃恒温培养箱中进行培养，测定种子发芽率、根长，计算发芽指数。

黄瓜种子温汤浸种催芽后，放入烧杯，加入适量自来水浸泡，放入55℃水浴锅恒温水浴20 min。浸种后将种子表面洗净，放入底层垫有纱布的培养皿中，加入适量水使纱布保持湿润。将培养皿放入25℃恒温培养箱中，每隔12 h对其补充适量水分，选取长势相近的种子进行育苗试验。将基质装于塑料穴盘中，每种处理播种30粒，播种后用水浇透基质，之后每天浇水一次，不额外施肥，自播种后育苗试验为期15 d。

1.4 测定方法与数据处理

(1)含水率的测定[3]：取10 g左右的鲜样品在105℃干燥箱中干燥8 h直至质量恒定。

(2)pH值、电导率的测定[3]：采用1∶10浸提法，称取风干样品5 g，加50 mL去离子水，然后在摇床上振荡30 min，用滤纸过滤得浸提液。用瑞士METTLER TOLEDO 公司生产的pH计、上海雷磁DDS-307A型电导率计进行pH值、电导率的测定，使用前进行校准。

(3)总氮、总磷、全钾含量的测定：参照文献[14]的消解方法，使用得到的消化液在法国Alliance公司SmartChem全自动间断化学分析仪中测定总氮、总磷含量，在日本津岛AA-6880型原子吸收分光光度计中测定全钾含量。

(4)纤维素、半纤维素、木质素含量的测定：采用纤维素含量范氏测定法，称取0.5 g的干样放入纤维素样品袋，使用美国ANKOM A2000i型全自动纤维分析仪进行测定。

(5)有机质含量的测定[15]：采用灼烧法进行有机质含量测定，称取1 g左右干燥样品在马弗炉600℃下灼烧2 h。

(6)发芽指数测定：按照GB/T 23486—2009[16]，根据种子发芽率、种子根长计算发芽指数，即

(2)

式中G——发芽指数，%

R1——堆肥浸提液种子发芽率，%

L1——堆肥浸提液种子根长，mm

R2——蒸馏水种子发芽率，%

L2——蒸馏水种子根长，mm

(7)幼苗生长生理形态指标的测定[17]：根据幼苗的株高、茎粗、地上部干质量、地下部干质量等，算出壮苗指数，公式为

(3)

式中R——壮苗指数，g

S——茎粗，mm

H——株高，mm

M——根干质量，g

N——茎叶干质量，g

2 结果与分析

2.1 含水率

水分作为堆肥过程中各种有机物的溶剂，利于传质，且由于比热容较大[18]，有利于维持温度的稳定，是影响堆肥的一个非常重要的因素。试验初始各组含水率均在65%左右，随着发酵的进行，各试验组含水率均呈现下降趋势(图2)，表明生化反应的产水量低于通风和蒸发所散失的水量。对照处理组和1%木醋液处理组变化趋势相似，前3 d的含水率下降幅度较大，约1.67%/d，后期降幅减小。主要是由于堆体前期孔隙度较大，物料与空气接触的蒸发面较大，通风较易带走水分，随着发酵的进行，堆体孔隙度逐渐减少，导致蒸发面减少，内部水分逸散通道封闭，水分散失较为困难；较高添加量(3%、5%)木醋液处理组含水率降幅一直较为稳定且偏低(0.27%/d)。整个堆肥过程中，含水率随着木醋液添加量的增加而升高，说明木醋液会增加堆肥的保水能力，可能是由于添加木醋液可增强堆肥物料对于水分的吸附力。整个试验过程各试验组的含水率均在55%以上，满足微生物活动需要的条件[3]。

图2 堆肥过程中含水率变化曲线Fig.2 Water content during composting

2.2 pH值、电导率

各处理组堆肥pH值变化趋势均相似，前3 d均呈下降趋势，后期逐渐上升(图3)。前期pH值下降是由于堆肥局部供氧不足，厌氧发酵产生有机酸以及生成大量二氧化碳[19]。后期发酵产生的氨不断积累，微生物活动剧烈程度减弱，故pH值逐渐上升。在试验结束时，前3组的pH值均为8.5左右，5%木醋液处理组的pH值为8.33，表明高浓度木醋液可在一定程度上酸化堆体，有利于满足幼苗对于基质偏酸性环境的需求。而较低浓度(添加量3%以内)木醋液对堆体酸化效果不明显。这是由于木醋液中起酸化作用的主要成分为乙酸，乙酸作为弱酸，其电离程度较低，若乙酸浓度过低，则电离出的H+不足以产生有效的酸化作用。整个发酵过程的pH值在7.9～8.5之间，变化幅度不大，均处于最适宜微生物生长的pH值范围内(6.5～8.5)。

图3 堆肥过程中pH值、电导率变化曲线Fig.3 Changing of pH value and electronic conductivity during composting

电导率可反映育苗基质的可溶性盐含量，过高的可溶性盐含量是对作物产生毒害作用的重要因素之一，一般应以小于2.6 mS/cm为宜[20]。随着堆肥反应的进行，各处理组电导率在前5 d呈上升趋势，后期趋于稳定，增幅在0.4 mS/cm以内(图3)。前期电导率升高是因为堆肥初期发酵反应剧烈，微生物新陈代谢产生有机酸、氨气，有机酸的溶解作用及氨气以铵盐形式存在等使电导率上升[3]。随着堆肥高峰期的结束，有机质含量降低，微生物新陈代谢速度减缓，腐殖质、胡敏酸等物质含量升高，氨气挥发，电导率稍有降低并趋于稳定。而电导率的变化和铵根离子的变化趋势相似[21]，可推测铵根离子也是先增加后趋于平稳。在试验结束时，各处理组的电导率随着木醋液浓度的升高而降低，表明添加木醋液可不同程度上降低基质可溶性盐含量。木醋液本身含有部分有机酸，理论上作为外源导电离子引入，会增加物料的电导率，而电导率的减少证明了木醋液可有效促进腐殖质、胡敏酸等难溶性物质的生成。针对具有高电导率的牛粪好氧堆肥腐熟料基质，应在前期进行多次微喷灌溉[22]。本试验中各试验组均未超过9.0 mS/cm，理论上对种子发芽基本无抑制作用[23]。

2.3 总氮、总磷、总钾含量

在降解植物残体的过程中，氮被认为是影响微生物生长及活性的限制因素[24]。各处理组总氮含量的变化趋势为“上升-下降-稳定”，如图4所示。前期总氮上升是微生物剧烈活动产生铵态氮和硝态氮累积所致，虽有部分铵态氮挥发损失，但微生物活动产生的氮素大于损失的氮素。到达峰值后，由于堆体温度较高，硝化细菌活动减弱，抑制了铵态氮向硝态氮的转化，而铵态氮挥发性较强，导致总氮含量下降。后期进入稳定阶段表明产生的氮素和损失的氮素达到了平衡。试验结束时， 3%、5%木醋液处理组总氮质量比最高且较为接近(14.5 mg/g)，不仅是由于木醋液可减少堆体氮损失，也是由于木醋液本身含有氮素，引入木醋液向堆体加入了外源氮。各处理组到达峰值的时间不一致，1%、5%木醋液处理组到达峰值的时间最早(3 d)，而对照处理组未达峰值，推测其峰值出现在9 d之后。这说明添加木醋液不仅能减少堆体氮损失，还可加快堆肥腐熟进程，缩短堆肥周期。

图4 堆肥过程中养分含量变化曲线Fig.4 Changing of nutrient content during composting

随着堆肥进行，各试验组总磷和K+含量均呈现逐渐上升的趋势，如图4所示。其原因是磷和钾在堆肥过程中虽有形态上的转换，但无挥发和淋洗损失，其总质量没有发生变化。而堆体在发酵过程中会有挥发性物质的损失，堆体总干物质含量会逐渐下降，故总磷和K+含量呈现逐渐上升的趋势。在堆肥结束时，总磷和K+的含量随着木醋液浓度的增加而增加，而木醋液本身不含磷和钾，表明添加木醋液可增加堆肥质量损失，有利于堆肥的减量化。

综上，较高浓度(添加量3%、5%)木醋液处理组可缩短堆肥周期，节省基质生产时间，且能够有效保留堆肥养分，降低育苗期施肥成本。

2.4 有机质含量

减量化是有机固体废弃物堆肥化的主要目的之一，堆肥的有机质降解率可以直观地反映堆肥过程中微生物的活性和废弃物的减量化效果[25]。堆肥前3 d，各试验组的有机质迅速降解，降解率最高为5%木醋液处理组(3.73%)，最低为对照处理(1.09%)，前者降解速率约为后者的3.4倍，后期有机质降解速率趋于平缓(图5)。在整个发酵过程中，各试验组有机质降解率随着木醋液浓度的升高而降低，且5%木醋液处理组5 d时趋于平稳，表明添加木醋液有利于加快堆肥腐熟进程，与上述各指标观测的结果一致。在堆肥结束时，有机质降解率最高为5%处理组(4.84%)，最低为对照处理组(3.29%)，说明施加木醋液不仅可以加快腐熟的进程，还能一定程度上加深腐熟的深度，使堆肥腐熟进行得更为彻底。有机质含量与总磷、K+含量呈负相关，共同表明木醋液可有效提升堆肥的减量化效果。

图5 堆肥过程中有机质含量变化曲线Fig.5 Changing of organic matter content during composting

2.5 纤维素、半纤维素、木质素含量

由于微生物的降解作用[26]，各组堆肥前后纤维素和半纤维素含量均呈下降趋势(图6)，且降解规律一致，降解率从大到小依次为1%木醋液处理组、对照处理组、3%木醋液处理组、5%木醋液处理组。各组纤维素的相对降解率明显高于半纤维素的相对降解率，说明纤维素是发酵过程中微生物活动的首选碳源。由于木质素在发酵过程中降解率极低，其绝对含量变化不大，而发酵后堆体总质量减少，故木质素的相对含量增加。堆体的纤维素降解率越高，木质素的相对含量增加率越低。

堆肥有机质的主要组成成分为纤维素、半纤维素、木质素及腐殖质等其他有机物质。纤维素、半纤维素的降解规律和有机质降解规律不一致，说明高浓度(添加量3%、5%)木醋液无法加快纤维素、半纤维素的降解，但可以加快腐殖质等其他有机质的降解。而低浓度(添加量1%)木醋液可加快纤维素等降解，表明低浓度木醋液可促进纤维素降解菌活动，高浓度则表现出抑制作用。纤维素、半纤维素有利于生物质成型，提升成型基质的抗破坏能力，因此添加木醋液有助于提高牛粪堆肥基质块成型强度。

图6 堆肥前后纤维素、半纤维素、木质素含量Fig.6 Changing of contents of cellulose, hemicellulose and lignin before and after composting

2.6 堆肥基质毒性及育苗试验

堆肥浸提液的发芽指数如表3所示。发芽指数可作为对堆肥毒性的评价指标[27]，种子发芽指数越高，则表示生物毒性越小。若发芽指数大于50%，则可认为堆肥基本无毒，当发芽指数达到80%以上时，可认为对植物没有毒性[28-29]。各试验组浸提液的种子发芽率均为35%，显著低于去离子水培养组的发芽率(P<0.05)。对照处理组、1%木醋液处理组、3%木醋液处理组的根长显著高于去离子组，主要是由于浸提液中含有少量养分，加快种子根部发育。各组发芽指数均高于50%，说明均已基本无毒。1%木醋液处理组的发芽指数达79.17%，接近80%，显著高于5%木醋液处理组(P<0.05)。

表3 堆肥浸提液发芽指数Tab.3 Germination index of composting extract

注：不同小写字母表示在LSD法多重比较下差异显著(P<0.05)，下同。

累积出苗率对于评价幼苗生长整齐度具有一定意义。在播种3 d时各试验组开始大量出苗，累积出苗率随着木醋液浓度的升高而降低，对照处理组和1%木醋液处理组分别在5 d和8 d出苗率达100%， 5%木醋液处理组出苗率最低，仅为88%(表4)，说明含有较高浓度木醋液的堆肥基质对于黄瓜幼苗具有一定毒性。

表4 累积出苗率Tab.4 Cumulative seedling rate %

育苗试验的幼苗生长生理形态指标如表5所示。壮苗指数最高值为1%木醋液处理组(0.044 9 g)，显著高于其他3组(P<0.05)，最低值为5%木醋液处理组(0.031 9 g)，说明低浓度木醋液处理组可促进幼苗生长，而高浓度木醋液处理组对植物有一定的毒害作用。主要是因为木醋液酚类物质含量较多，植物在高浓度酚环境下生长发育会受到抑制，干物质积累量降低。

表5 不同处理下幼苗生长生理形态指标Tab.5 Physiological and morphological indexes of seedling growth under different treatments

3 结论

(1)在小试堆肥反应器恒温加热条件下，木醋液处理牛粪-小麦秸秆好氧堆肥可增强堆体的保水能力，添加木醋液可使堆体养分(总氮、总磷、K+)含量增加和有机质降解率增大，促进堆肥腐熟，降低堆体pH值和电导率，改善堆肥基质的理化性质。且木醋液浓度越高，效果越好；较高浓度(添加量3%、5%)木醋液处理堆肥对纤维素、半纤维素的降解有一定抑制作用，有利于基质后续的压缩成型。因此，对于促进堆肥腐熟和改善育苗基质化学特性而言，高浓度(添加量5%)的木醋液效果更好。

(2)本试验中各组堆肥浸提液发芽指数均大于50%，说明所制堆肥对植物基本无毒，1%木醋液处理组发芽指数最高，为79.17%，接近80%的无毒害水平；黄瓜的育苗试验表明，1%木醋液处理组壮苗指数最高，为0.044 9 g，显著高于其他3组(P<0.05)，说明最适合育苗的木醋液添加量在1%左右，浓度较高(添加量3%以上)会因酚类物质过多对幼苗产生一定毒害作用。