农业废弃物堆肥碳素动态转化规律及其在柑橘园的施用效果

廖磊　熊峰　周月明　雷阳明

摘要：采用Van Soest分析法對堆肥过程中有机碳组成和数量进行动态分析，结合堆肥化进程及堆肥产品品质指标，分析堆肥化过程中不同的碳素形态对肥料品质的影响机制。结果表明，堆肥高温期持续时间36 d，最终pH 8.11，最终含水率25.17%，所得肥料OM最终含量为52.34%，总养分5.41%，有效活菌数为9.6×108 CFU/g，大肠杆菌值为35 CFU/g，蛔虫卵死亡率为98%，发芽指数为93.09%，符合NY 884-2012对生物有机肥的要求。碳素组分中不溶性LIG、HEM和CEL与总养分、OM、C/N呈现显著相关性（相关性系数≥0.875），不溶性大分子物质降解为容易被微生物利用的小分子物质是堆肥品质提升的关键，而TOC的损失会显著降低堆肥产品的品质。该有机肥在柑橘种植园的施用可以提高柑橘品质和产量，施用量为2.0 kg/m2时，柑橘品质最优且增产量最大。

关键词：堆肥化;柑橘废弃物;资源化利用;碳素形态;施肥效果

中图分类号：X71;S141.4;S666.2         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）02-0030-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.02.007           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Dynamic transformation of carbon in agricultural waste-compost

and its fertilizer efficiency in citrus planting

LIAO Lei1，XIONG Feng1，ZHOU Yue-ming2，3，LEI Yang-ming4

（1.Jiulongpo Ecological Environment Monitoring Station of Chongqing，Chongqing 400050，China;2.National Research Base of Intelligent Manufacturing Service，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China;3.Chongqing South-to-Thais Environmental Protection Technology Research lnstitute Co.，Ltd.，Chongqing 400069，China;4.Institute of Environment and Resources，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

Abstract： The dynamic composition and quantity of organic carbon in composting were analyzed by Van Soest analysis method， its influence mechanism on product quality during composting was also analyzed combined with procedure parameter. The results showed that， the duration of the high temperature period was 36 days， pH was 8.11， moisture content was 25.17%， OM was 52.34%， TN was 5.41%， effective number of viable bacteria was 9.6×108 CFU/g， value of escherichia coli was 35 CFU/g， mortality of ascarid egg was 98%， germination index was 93.09%， which satisfied the requirements of NY 8884-2012 for biological organic fertilizer. The insoluble components of LIG， HEM and CEL in carbon composition were significantly correlated with total nutrients， OM， C/N（correlation coefficient was all greater than 0.875）. The degradation of insoluble macromolecular substances into small molecular substances which easily used by microorganisms is the key factors to improve the quality of fertilizer， whereas the loss of TOC will significantly reduce the quality of fertilizer. The application of the organic fertilizer in citrus plantations showed that the organic fertilizer could improve the quality and yield of citrus. The best quality and maximum yield of citrus were got with the application amount of 2.0 kg/m2.

Key words： composting; citrus waste; resource utilization; carbon composition; effect of fertilization

柑橘皮渣是柑橘榨汁后的剩余物，营养丰富，但具有苦味重、酸度大、含水率高、处理费用高等缺点[1，2]。以柑橘产业为支柱的农业园区，会产生多种农业废弃物，包括柑橘皮渣、烂蔬菜叶、动物粪便、秸秆等物质，这些物质常以填埋或焚烧的方式处理，会造成资源的浪费和严重的环境污染，如果把这些废弃物进行堆肥处理，制作成生物有机肥，不但可以大大降低环境污染，还可以获得可观的经济收入，实现人与自然的和谐发展。

堆肥化的实质是微生物将堆肥物料中的大分子有机物分解为小分子物质，并部分转化为自身组成成分的过程，该过程包括有机质（OM）的矿化分解以及分解后的产物在微生物作用下合成新活性物质的过程[3]，因此，堆肥化也是一个OM的组成和数量动态变化的过程[4，5]，柑橘皮渣中含有大量OM，包括纤维素（9.21%，CEL）、半纤维素（10.5%，HEM）、木质素（5.43%，LIG）等[1]，这些物质较难被微生物降解利用，但在腐熟过程中，纤维素类物质的分解对堆肥过程中活性OM的形成具有非常重要的作用[1，4]。

已有对堆肥OM的研究集中在对堆肥过程中腐殖酸的变化方面，但是腐殖酸的形成具有滞后性，不能及时反映OM的变化特征[3，4]，而对总有机碳（TOC）的研究较少[6]，所以本研究分析了TOC的组成和含量在堆肥过程中的变化规律，及其与所得肥料品质的相关性，分析其成因，考察所得有机肥在柑橘园的施用效果，提供有机肥最佳施用量，为农业废弃物资源化利用提供技术支持和理论依据。

1  材料与方法

1.1  堆肥试验方案

试验原料：柑橘皮渣采自重庆市荣昌县某小型柑橘榨汁厂，动物粪便、菜叶收集自榨汁厂附近的农业园区。堆肥地点为荣昌县荣隆镇小型榨汁厂附近，堆肥时间为2017年12月至2018年1月。将秸秆切成3～4 cm小段，菜叶与动物粪便、柑橘皮渣质量按照1∶2∶3比例混匀，用石灰调节原料pH与C/N。采用规模为长2 m、宽1 m、高0.8 m的条垛进行堆肥试验，接种菌剂为自主研发菌剂，以Bacillus、Pseudomonas等为主。按照菌料质量比5‰（m/m）添加菌剂，每天8：00测定堆肥体各层温度，在中温及高温阶段，每1天翻堆1次，在降温阶段，每3天翻堆1次，堆肥共持续40 d。分别在0、5、10、20、30、40 d取样，测定总养分（N+P2O5+K2O）、OM、pH、含水率、粪大肠杆菌值、蛔虫卵死亡率、发芽指数（GI）、TOC、有机碳组分等指标。

1.2  肥效试验方案

试验共设4个处理，每个处理在相同常规化肥施用量的基础上增施不同量的发酵有机肥，以常规施肥为对照，施肥量分别为1.0 kg/m2（A组）、2.0 kg/m2（B组）、3.0 kg/m2（C组）以及不施肥的对照组（P组）。选择树龄均为8年，长势相近的柑橘单株隔开作小区，每个小区6株，同时设置3个重复。常规化施肥按照氮肥以春肥∶夏肥4∶6，磷肥以春肥∶秋肥4∶6;钾肥以春肥∶秋肥4∶6施用。肥效试验于2018年1月28日上季果实采收后开始，于2019年2月3日果实采收结束。有机肥与春肥同时施用，混合均匀后一次性施入施肥槽中，施肥槽宽40 cm左右，长80 cm左右，其他栽培方式相同。

1.3  测试方法

pH采用梅特勒-托多利FE20型pH计测定[1]。含水率测定采用烘干恒重法测定[1]。P2O5采用H2SO4-H2O2消煮-钒钼酸铵比色法测定，K2O采用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度法测定[1]。OM测定采用差重法[7]。有效活菌数测定采用稀释平板法[8]。粪大肠杆菌群计数方法参见GB/T 19524.1-2004[9]。蛔虫卵死亡率测定参见GB/T 19524.2-2004[10]。GI测定采用当地普遍种植的小白菜种子培养72 h计[11]。TOC测定釆用重铬酸钾容量法-磷酸浴外加热法测定[12]。有机碳组分（WSOC、NDSOC、HEM、CEL、LIG）的测定采用改进的Van Soest方法。取风干的肥料9.0 g，加入沸腾的去离子水中，煮沸30 min，离心并过滤，滤液用重铬酸钾氧化法测定有机碳即为WSOC;剩余的滤渣冷冻干燥后加入热中性溶液（30 g那月桂醇硫酸盐，18.61 g二氢钠乙二胺，6.81 g十水四硼酸钠，4.56 g磷酸氢钠，10 mL三甘醇，定容至1 000 mL，pH=7.0），沸腾1 h，离心并过滤，滤液用重铬酸钾氧化法测定有机碳即为NDSOC;剩余的物质洗涤干燥后加入酸性溶液（20 g十六烷基三甲基溴化铵溶于0.5 mol/L硫酸溶液中，定容至1 000 mL），沸腾2 h，离心过滤，滤液用重铬酸钾氧化法测定有机碳即为HEM;剩余残渣用72%硫酸溶液在3 ℃放置24 h，使纤维素彻底溶解，在冰水浴中加水稀释，用古氏坩埚抽滤，滤液用于测定CEL;剩余残渣风干后称重即为LIG含量。各组分含量均以占初始有机碳的百分比来表示[13，14]。果实营养成分维生素C、可滴定酸、可溶性固形物、总糖的分析采用鲍士旦[15]的分析方法。

1.4  数据分析

采用Excel 2010、SPSS 20.0軟件处理试验所得数据，采用Origin Pro 8.0软件绘制图表，图表中所有数据均为3次测量平均值。

2  结果与分析

2.1  堆肥化进程评价

2.1.1  温度变化  温度是评价堆肥腐熟程度的重要指标[7]。由图1可以看出，本次堆肥分为升温、高温、稳定、腐熟4个阶段。通过对堆体表层、中间、底层的温度进行检测发现，表层温度在3 d达到53 ℃，并维持26 d，最高温度71 ℃，其中，70 ℃以上持续时间为6 d，在30 d降至50 ℃以下。中间温度在4 d达到50 ℃以上，并维持29 d，最高温度68 ℃。底层温度也在4 d达到50 ℃以上，并维持36 d，最高温度61 ℃。表层温度上升最快且最高温度值最大，但高温期持续时间最短，主要因为前期物料含水率高，氧气由外而内的传递受到限制，氧气成为堆体中间与底部升温的限制因素，从而影响了微生物活性，导致由外至内升温减慢[16]。随着堆肥的进行，堆肥体表层的水分和易降解物质逐渐被消耗，物料变得疏松多孔，氧气可以传递至堆肥体中间以及底部，所以堆肥体中间及底部温度相对表层晚达到最大值。此外，由于表层温度最高且通风良好，加之易降解有机物被快速分解，堆肥体表层易被微生物利用的养分迅速减少，微生物活性降低，导致表层高温期持续时间最短，而底层高温期持续时间最长。

2.1.2  pH变化  如图2所示，pH的变化趋势为先降低后升高，后趋于稳定。由于柑橘皮渣呈酸性，堆肥初期，大量小分子有机酸被释放出来，导致pH显著降低，微生物适应环境之后开始利用有机酸合成自身细胞成分，并将含氮物质转化为氨，导致pH逐渐升高[17]。满足NY 884-2012对生物有机肥pH范围的要求[18]。

2.1.3  含水率变化  水分是影响微生物新陈代谢的重要因素，堆肥的初始含水率在60%左右最佳[19]。如图3所示，随着堆肥的进行，含水率逐渐降低，主要是因为随着堆肥的进行微生物活性逐渐增强，对水分的利用率越来越高，并且堆肥体温度升高导致水分的挥发量增加，堆肥后期，微生物活性降低，对水分的需求也随之降低，使含水率趋于稳定。最终含水率为25.17%，符合NY 884-2012對生物有机肥含水率的要求[18]。

2.1.4  C/N变化  C/N是影响微生物活性，决定发酵进程和产品品质的关键因素[20]。优良的堆肥化进程，C/N逐渐降低，C/N过高，施用于土壤后，会吸取土壤中的氮元素，导致土壤品质下降[21]。如图4所示，C/N在堆肥前期迅速降低，并于20 d趋于稳定。T=（结束C/N）/（初始C/N）可以指示堆肥终点[22]，当T≤0.6时，可以认定为堆肥终点。本次堆肥T为0.52，堆肥达到了腐熟要求。

如表1所示，综合温度、含水率、pH以及C/N等6个指标可以认定，本次堆肥化符合国家对堆肥进程的要求。

2.2  堆肥产品品质分析

2.2.1  有机质（OM）含量变化  在堆肥过程中，微生物将OM分解为CO2、腐殖酸、H2O和矿物质等小分子物质，并为自身生长提供能量[23]。从图5可以看出，OM不断被分解消耗，堆肥前10 d，OM的降解率为15.76%，而堆肥过程中OM的总降解率为20.66%，OM最终含量为52.34%。所以，可以推测OM的降解主要发生在堆肥前10 d，OM的快速降解为微生物保持高活性提供了充足的营养物质，确保堆肥体可以持续维持较高温度。

2.2.2  总养分（N+P2O5+K2O）含量变化  总养分含量是评价肥效的重要指标[2]。如图6所示，随着堆肥的进行，总养分含量在前10 d快速增加，增加率为48.01%，而堆肥结束时，总养分增加率为53.84%，这与OM的变化趋势相反，主要是由于OM被降解，堆肥体总质量下降，总养分百分比上升，在堆肥进入腐熟期后趋于稳定。总养分最终含量达到5.41%，符合NY 884-2012对生物有机肥品质的要求[18]。

2.2.3  有效活菌数、大肠杆菌值与蛔虫卵死亡率  发酵结束时，产品有效活菌数、大肠杆菌值与蛔虫卵死亡率如表2所示，其值均达到NY 884-2012对生物有机肥的要求[18]。有效活菌可以耐高温，在造粒烘干过程中不失活，并且可以促进农作物生长，提高农产品品质，预防病虫害[12]，本次堆肥产品中有效活菌数高于标准值的48倍，说明有机肥品质较高。

2.2.4  发芽指数变化  发芽指数可以直接反映堆肥浸提液对植物毒性大小，未腐熟的堆肥产品提取液中含有大量的氨、小分子有机酸、重金属等有毒有害物质，对种子的生长有强烈的抑制作用[12]。如图7所示，GI发酵5 d降低了8.27%，结合pH及OM变化趋势可知，GI降低主要因为堆肥前期OM被快速分解，产生小分子有机酸、氨等物质导致GI降低，随着堆肥的进行，有机酸等物质被微生物利用，pH上升，GI同时上升，通常认为GI≥50%堆肥基本腐熟，GI≥80%堆肥完全腐熟且植物毒素完全降解[17]，本次堆肥GI于17 d达到50%以上，于27 d达到80%以上，堆肥成功。

综合OM、总养分、有效活菌数、大肠杆菌值与蛔虫卵死亡率、GI指标可知，堆肥产品品质满足NY 884-2012标准中对生物有机肥产品品质的要求[18]。

2.3  碳素物质形态转化规律研究

2.3.1  总有机碳（TOC）含量变化  TOC是微生物活动的重要碳源和能源[24]。易分解的OM被快速分解成小分子有机酸以及CO2、H2O等无机物，所以TOC含量在前5 d急速降低了6.70%，随着堆肥的进行，易降解OM逐渐消耗殆尽，剩余木质素（LIG）、纤维素（CEL）及半纤维（HEM）等难降解OM降解缓慢，TOC含量趋于稳定，总损失率为10.88%（图8）。

2.3.2  总有机碳（TOC）组成变化  堆肥过程中碳物质组成及变化不仅影响着堆肥的无害化和稳定化进程，而且决定着施用土壤OM提高的效率，尤其是TOC组成的变化[25]。TOC由水溶性有机碳（WSOC）、溶于中性洗涤剂的有机碳（NDSOC）、HEM、CEL、LIG组成[6]，以初始时TOC含量（40.79%）作为有机碳组成的100%，以结束时TOC含量（36.35%）作为有机碳组成的89.12%，差值10.88%视为被微生物分解并以气态形式（CO2和CH4等）挥发的碳量。不同形态碳素降解的难易程度为WSOC>HEM>CEL>NDSOC>LIG[12]。

WSOC包括小分子糖类、有机酸、氨基酸、肽等易被微生物利用的成分[6]，它的含量是一个动态变化的过程，呈现先降低后升高，再次降低的趋势，前5 d WSOC降解率为32.99%（干重），而10 d时，WSOC在5 d的基础上增加了7.14%（干重），之后逐渐降低，随着堆肥的进行，WSOC一边被释放一边被利用，最终含量为26.92%，实际利用率大于此值。

HEM与CEL是由葡萄糖组成的大分子多糖，是植物细胞壁的主要成分，较难降解。从图9可以看出，HEM的降解主要在堆肥的前20 d完成，20 d时，降解率为29.22%（干重），而40 d时降解率为29.37%（干重）;CEL的降解主要在堆肥的前30 d完成，最终降解率为29.55%（干重）。由此可见，HEM比CEL更容易降解，且降解速率更快。

NDSOC是降解缓慢的有机物，包括堆体中死亡的微生物残体补充形成的有机物[26]。NDSOC降解缓慢，在20 d时的降解率为17.06%（干重），30 d时含量较20 d有所增加，原因是在高温下死亡的菌体，导致NDSOC含量略有升高，NDSOC最终降解率为13.99%（干重），但其实际被微生物利用的量要远远高于此值。

LIG是结构复杂的芳香族高聚物，是生物发酵中最难降解的组分，其相对含量不发生变化或呈现出小幅度变化趋势[27，28]。堆肥过程中，LIG相对含量略有上升，实际降解反应发生在20 d以后，最终降解率为5.11%（干重）。

2.3.3  碳素形态变化规律解析  堆肥物料中的碳素形态变化能表征堆肥的腐熟程度。堆肥过程中约有2/3的TOC被微生物分解完全，1/3的TOC分解不完全，其產物用于新陈代谢。前期微生物分解OM为自身生长提供营养，后期腐殖化作用增加，合成稳定的腐殖质，堆肥产品品质得以提高[24]。WSOC和NDSOC是能被生命体直接利用的碳源，是微生物在分解物料中的LIG、HEM和CEL等组分的中间产物[4]。堆肥过程中，WSOC和NDSOC总量呈现先降低后升高，之后逐渐降低的趋势，前期微生物的生长消耗了大量的可溶性有机物，导致总量降低，微生物适应环境之后开始分解堆体中的有机质，包括HEM和CEL以及一部分NDSOC，产生了大量的WSOC，同时菌体自身的衰亡补充了部分NDSOC的损失，导致NDSOC含量变化幅度较小。随着堆肥的进行，HEM和CEL的降解速率先后降低，降解率趋于稳定，同时微生物开始降解LIG，WSOC一边消耗一边产生，总量呈现小幅度上升趋势，由于堆肥进入腐熟期，微生物活性降低，大量衰亡菌体导致NDSOC含量上升。碳素总损失量为10.88%，可认为堆肥物料减量较少，堆肥品质较高。

2.4  堆肥过程中碳素形态与堆肥品质相关性分析

肥料品质指标与碳素形态变化的相关性指标见表3。从表3可以看出，TOC与总养分、OM、C/N呈极显著相关，说明碳素影响了堆肥产品的品质。而碳素组成中，可溶解部分WSOC和NDSOC与品质指标没有明显相关性，相反不溶部分LIG、HEM和CEL与总养分、OM、C/N呈现显著相关性，说明不溶的大分子物质降解为易被微生物利用的小分子物质是堆肥品质提高的关键，而TOC的损失会显著降低产品的品质。总之，堆肥化过程就是一个难降解物质转化为易被微生物利用的物质，同时减少物质损失的过程，碳素形态的动态变化在这个过程中起到了决定性的作用。

2.5  堆肥在柑橘园区的施用效果研究

柑橘的品质和产量是决定其经济效益的决定性因素[29]。农业废弃物发酵有机肥在柑橘种植园的应用效果如表4所示，主要考察施用有机肥对柑橘果实品质和产量两方面的影响。A、B、C组中维生素C、可溶性固形物、总糖含量都高于不施用有机肥的P组，而可滴定酸含量都低于P组，说明本研究所得有机肥可以提高柑橘品质。同时，在施用有机肥的A、B、C组中，B组中维生素C、总糖含量最高，可滴定酸含量最低，C组中可溶性固形物含量最高，说明B、C组品质高于A组。B组的固酸比和糖酸比都高于C组，这说明B组柑橘的综合品质高于C组。在柑橘产量方面，A、B、C组均高于P组，其中B组最高， 其相对于P组的增加率为17.76%，这说明施用本研究所得有机肥对柑橘增产效果明显。施用量为2.0 kg/m2时，柑橘品质最优且增产量最大。

3  小结

1）堆肥过程中，高温期持续时间36 d，最终pH 8.11，最终含水率25.17%，堆肥40 d时，C/N降为12.86，T为0.52，符合国家对堆肥进程的要求。

2）所得肥料品质中，OM最终含量为52.34%，总养分最终含量为5.41%，有效活菌数为9.6×108 CFU/g，大肠杆菌值为35 CFU/g，蛔虫卵死亡率98%，最终发芽指数为93.09%，符合NY 884-2012对生物有机肥的要求。

3）堆肥前期，微生物的生长消耗了大量的可溶性有机物，致使WSOC和NDSOC总量降低，微生物适应之后开始分解包括HEM、CEL以及一部分NDSOC在内的有机质，产生了大量的WSOC，同时菌体自身的衰亡补充了部分NDSOC的损失，导致NDSOC含量变化幅度较小。随着HEM和CEL的降解趋于稳定，微生物开始降解LIG，WSOC一边消耗一边产生，总量呈现小幅度上升趋势，堆肥后期，大量衰亡菌体导致NDSOC含量上升。

4）碳素中不溶组分LIG、HEM和CEL与总养分、OM、C/N呈现显著相关性，不溶的大分子物质降解为易被微生物利用的小分子物质是生物有机肥品质提升的关键，而TOC的损失会显著降低产品的品质。碳素形态的动态变化在堆肥进程中起到了至关重要的作用。

5）施用本研究所得有机肥可以提高柑橘品质和产量，施用量为2.0 kg/m2时，柑橘品质最优且增产量最大。

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收稿日期：2019-04-25

基金项目：国家青年自然科学基金项目（51608505）;滴流床生成双氧水及电-Fenton降解水中残留农药研究项目

作者简介：廖  磊（1986-），男，重庆人，助理工程师，主要从事环境监测分析工作，（电话）13708387807（电子信箱）187148606@qq.com;

通信作者，周月明（1986-），女，吉林吉林人，博士，主要从事环境微生物技术及固体废弃物处理处置的研究，（电话）18623633600

（电子信箱）zhouyueming@cigit.ac.cn。