不同氮源对桉树渣发酵腐熟理化性质的影响

2020-08-04肖春霞梁贤智王其传阳燕娟于文进

西南农业学报 2020年6期

肖春霞，梁贤智，王其传，阳燕娟*，于文进

(1.广西大学农学院，广西南宁 530004；2.江苏淮安柴米河农业科技股份有限公司，江苏淮安 223007)

【研究意义】桉树是桃金娘科(Myrtaceae)桉树属(Eucalyptus)树种的统称，是世界三大速生造林树种(桉、松和杨)之一，也是我国南方最重要的速生商品林树种[1]。据中国林学会桉树专业委员会统计，截至2015年，我国桉树种植面积为450万hm2[2]，年采伐量占桉树种植面积的10 %，估算年产桉树皮540～810万t[3]。其中，广西是我国桉树栽培主要省区，2015年桉树人工林面积约200万hm2[4]。广西桉树人工林的快速发展在促进桉树木材加工和制浆造纸产业大规模发展的同时，也产生了大量的桉树渣等废弃物，这些废弃物大部分被直接焚烧或废弃，不仅严重污染环境，也浪费大量的有机资源[5]。已有研究表明，添加外源氮素发酵获得的腐熟桉树皮，通过筛分不同粒径后与珍珠岩混配(腐熟桉树皮含量不宜超过50 %)可用于培育桉树苗[6]。但迄今国内外针对制浆造纸产业产生的废弃物桉树渣的基质化利用研究尚属空白。因此，分析添加不同氮源发酵桉树渣的理化性质，对桉树渣资源的合理、绿色、循环使用具有重要意义。【前人研究进展】农林固体有机废弃物如农作物秸秆、花生壳、树皮、树枝、锯末屑、刨花和椰子纤维等经高温发酵后形成的基质成本低廉，可有效代替传统的不可再生草炭基质，实现有机废弃物的绿色循环使用[7-8]。物料直接堆放进行发酵通常需3～6个月才能腐熟，基质生产周期极长，生产成本偏高，而采用好氧高温发酵工艺对有机固体废弃物进行基质化发酵，可有效促进微生物对物料的快速分解，有效缩短发酵时间，获得的基质腐熟更完全，性质也更稳定[9-11]。发酵完成后可检测堆体C/N与发酵前初始C/N的比值(发酵后堆体的T)，T小于0.60表示腐熟完全，T大于0.60表示未完全腐熟[11-12]。张沛健等[13]通过添加不同氮源和微生物菌剂进行桉树皮基质化腐熟处理开展了桉树皮堆沤过程中物理化学性质变化研究。孙映波等[14]研究发现，发酵桉树皮基质对铁皮石斛的栽培效果比对照基质(松树皮)好，桉树皮可部分或全部代替松树皮作为铁皮石斛栽培基质。冯邦朝和王奇连[15]以桉树木屑、玉米芯和麦麸为主料进行平菇(Pleurotusostreatus)栽培试验，筛选出适宜提高平菇菌丝生长速度和子实体产量的桉树木屑配比。此外，利用桉树木屑栽培香菇(Lentinulaedodes)、鲍鱼菇(Pleurotusspp.)、杏鲍菇(P.eryngii)、毛木耳(Auriculariapolytricha)和灵芝(Ganodermalucidum)等食用菌的研究也有报道[16-18]。【本研究切入点】目前，我国关于桉树废弃物基质化利用的研究尚处于起步阶段，且仅集中在桉树皮和桉树木屑堆沤腐熟后的产品应用于苗木培育、花卉和菇类的有机基质栽培，针对制浆造纸产业废弃物桉树渣发酵和腐熟的研究未见报道。【拟解决的关键问题】以制浆造纸产业桉树废渣为原材料，添加不同氮源调整碳氮比后再添加复合微生物菌剂(缩腐剂)进行发酵处理，测定分析各处理发酵过程中的堆体温度、pH、电导率(EC)及发酵结束后基质的理化性质，为桉树渣的基质化利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

桉树加工制浆造纸后的废弃桉树渣购自广西金桂浆纸业有限公司，水含量为23.8 %，碳含量为26.7 %，氮含量为0.45 %，C/N为59.3；有机氮源鸡粪购自江苏省淮安市清江浦区养殖场，无机氮源硫酸铵和尿素分别购自江苏省淮安市长鹿肥业公司和江苏盱眙马甸微肥厂；复合型微生物菌剂(缩腐剂)由江苏淮安柴米河农业科技股份有限公司提供，其主要菌种为芽孢杆菌和木霉菌。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计试验于2019年8月30日至11月2日在江苏淮安柴米河农业科技股份有限公司基质发酵场进行，采用好氧高温发酵工艺进行露天堆沤发酵。设4个处理(表1)，以分别添加氮源硫酸铵、鸡粪和尿素为T1、T2和T3处理，以不添加氮源的桉树渣为对照(CK)，各处理堆体发酵前的物理性质见表2。所有处理的起始水含率控制在60 %左右；缩腐剂添加量均为桉树渣原料重量的0.3 %。采用随机区组设计，每处理重复3次。将氮源与微生物菌剂充分拌匀后，各处理均堆成圆锥形，约1 m3/堆，每周用铁锹进行一次翻堆降温。

表1 腐熟处理的试验设计

表2 桉树渣发酵处理前的基本物理性质

1.2.2 测定项目及方法自2019年8月30日开始，每天的15：00使用嵌入式电子数显温度计和多点测定法进行堆体温度测量。2019年9月8日第1次取样，之后每隔一周从各堆体中心位置取样约400 g，带回江苏淮安柴米河农业科技股份有限公司科研实验室，直至2019年11月2日腐熟结束共取样8次。发酵样品的容重、总孔隙度、通气孔隙度、持水孔隙度、气水比、EC和pH参照郭世荣[19]的方法进行测定，其中，pH和EC的测定是取自然风干样品与去离子水以1∶5(体积比)比例混合在摇床上摇匀后静置30 min取滤液进行测定；有机碳和全氮含量参照鲍士旦[20]的方法进行测定。发酵结束后计算各处理的T以比较发酵效果。

1.3 统计分析

试验数据采用Excel 2010进行统计，以SPSS 24.0 进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮源处理桉树渣堆体的温度变化情况

如图1所示，在整个发酵过程，各处理桉树渣堆体中心的温度均经历升温(堆沤第1～6天)、高温(堆沤第7～33天)和降温(堆沤第34～64天)3个发酵阶段。其中，各处理均在堆沤的第2 d开始迅速升温，但T1、T2和T3处理的升温速度明显快于CK，其堆体中心温度均在堆沤第6天升至55 ℃以上，且持续时间分别达32、30和24 d，而CK堆体中心的温度在堆沤第9天才升至55 ℃以上，且仅持续23 d；在高温阶段，T2处理堆体的温度均明显高于其余3个处理；在堆沤的第33天，各处理堆体温度开始下降，此后温度在30～50 ℃波动而进入堆体后期腐熟阶段，此阶段T1处理的堆体温度明显高于其他处理；自堆沤的第58天开始，堆体的温度与环境温度逐渐趋于一致，并持续一周无明显变化，至堆沤第64天发酵腐熟，发酵结束。

图1 桉树渣腐熟过程中温度的变化情况

2.2 桉树渣腐熟过程中C/N的变化情况

从图2可看出，各处理堆体的C/N随着发酵进程总体上呈波动下降的变化趋势。其中，各处理堆体前期的C/N下降较快，后期下降相对较慢；至发酵结束时，T1、T2和T3处理C/N(均小于20.00)的降幅均大于CK，尤其以T3处理的降幅最大，发酵结束时降低了40.29，T1和T2处理分别降低了39.95和29.07，而CK仅降低21.69；发酵结束时T1、T2和T3处理的C/N分别为17.57、18.55和17.64，显著低于CK(33.93)(P<0.05，下同)。

相同时间点折线上不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

由表3可知，在发酵结束时T1、T2和T3处理的T分别为0.31、0.39和0.30，均<0.60，表明该3个处理桉树渣均已腐熟，而CK的T>0.60，表明至64 d发酵结束时CK的桉树渣尚未完全腐熟。可见，添加不同氮源发酵桉树渣的C/N均显著小于CK，腐熟效果均优于CK，其中以添加硫酸铵发酵的腐熟效果更佳。

表3 桉树渣发酵腐熟效果比较

2.3 桉树渣腐熟前后物理性质的变化情况

由表4可知，与发酵前相比，发酵后各处理桉树渣的容重均比发酵前明显增加，总孔隙度明显变小，通气孔隙度明显增加，持水孔隙度明显减少，气水比明显提高；与CK相比，发酵后T1和T3处理的容重分别显著提高23.1 %和11.5 %，而T2处理的容重与CK无显著差异(P>0.05，下同)；发酵后CK的总孔隙度最高，为81 %，均显著高于T1、T2和T3处理；通气孔隙度以T1和T3处理较高，分别为24 %和25 %，显著高于CK和T2处理；持水孔隙度以CK和T2处理较高，分别为59 %和56 %，显著高于T1和T3处理；气水比以T1和T3处理较高，分别为0.48和0.50，显著高于CK和T2处理。

表4 桉树渣发酵腐熟后的物理性质比较

2.4 桉树渣腐熟过程中pH的变化情况

从图3可看出，发酵前各处理的pH8.00～9.00，碱性较强；在发酵开始的第1～4周，各处理的pH仅小幅度波动变化；在发酵的第4～8周，CK和T2处理的pH均呈先快速下降再逐渐上升的变化趋势，pH最低点分别出现在第6和第5周，但至发酵结束时处于同一水平，分别为8.53和8.67；而T1和T3处理的pH在发酵的第4～第8周总体上呈下降趋势，至发酵结束时，T1和T3处理的pH均显著低于CK和T2处理，且以T1处理的pH最低，为6.52，而T3处理的pH为7.52，显著高于T1处理。可见，添加氮素发酵桉树渣的pH总体上仍然偏高。

图3 发酵过程中桉树渣pH的变化情况

2.5 桉树渣腐熟过程中EC的变化情况

如图4所示，各处理的EC均随着发酵时间的延长呈逐渐增加的变化趋势，至发酵结束时，T1处理的EC最高，为3.50 mS/cm，显著高于其他3个处理；其次分别是T2和T3处理，EC分别为2.90和2.70 mS/cm；发酵结束后EC最低的是CK，为2.30 mS/cm。说明各处理发酵桉树渣的EC不符合育苗基质标准(0.75～2.00 mS/cm)要求，但仍然达到栽培基质标准(0.75～3.50 mS/cm)[21]，即不论添加氮源与否，桉树渣发酵后的EC均较高，不适合用作育苗基质，但可考虑用作栽培基质。

图4 桉树渣发酵过程中EC的变化情况

3 讨论

广西园艺产业的快速发展对优良育苗和栽培基质的需求巨大，急需大量可代替传统基质草炭的新型基质来源。本研究结果表明，在开展桉树渣基质化发酵处理过程中，桉树渣堆体发酵经历了升温期、高温期和降温期3个阶段，其中添加氮素发酵桉树渣堆体的升温速度和高温持续时间均高于CK，且发酵至64 d结束时的T均符合腐熟标准，而CK明显未完全腐熟，表明外源添加氮素调整桉树渣堆体碳氮比至30.0∶1.0再进行发酵，可加快桉树渣腐熟，节省发酵腐熟所需的时间成本，缩短生产周期，提高生产效率，尤其以添加无机氮源硫酸铵和有机氮源鸡粪的桉树渣堆体发酵效果更佳。本研究中，添加有机氮源鸡粪桉树渣堆体的升温速度与添加无机氮源硫酸铵桉树渣堆体的升温速度(2个处理在堆沤第2天开始迅速升温，第6天温度升至55 ℃以上)基本一致，但期高温持续时间(30 d)比硫酸铵处理(32 d)少2 d，与尚秀华等[22]研究不同氮源对稻壳腐熟效果的影响结果存在差异，可能与使用的堆沤原材料不一致有关；桉树渣发酵前添加无机氮源硫酸铵和添加有机氮源鸡粪对发酵的升温速度、高温持续时间均优于添加无机氮源尿素，其中添加无机氮源尿素处理的高温持续时间仅比CK多1 d，原因有待进一步探究。

基质的通气性状主要用基质的总孔隙度、通气孔隙度和气水比来衡量，与基质的容重密切相关，容重越大则总孔隙度越小。一般育苗基质的容重在0.1～0.8 g/cm3，总孔隙度在54 %～96 %，通气孔隙度在15 %～30 %，气水比在0.25～0.50为宜[21，23-25]。本研究中，各处理桉树渣发酵后容重在0.26～0.32 g/cm3，总孔隙度在74 %～81 %，通气孔隙度在22 %～25 %，气水比在0.37～0.50，均符合理想基质的基本要求。

本研究结果表明，各处理桉树渣发酵后的EC均有不同程度增加，与Herrera等[26]和Roberto等[27]研究认为物料发酵后EC通常较高的观点一致。李谦盛[21]研究表明，适宜的育苗基质EC范围在0.75～2.00 mS/cm，适宜的栽培基质EC范围为0.75～3.50 mS/cm，而本研究中桉树渣发酵后以CK的EC最低，但仍达2.30 mS/cm，而T1、T2和T3处理的EC分别为3.50、2.90和2.70 mS/cm，均高于育苗基质要求的EC，但符合栽培基质要求的EC，因此无论是添加氮源还是未添加氮源，桉树渣发酵后的基质均不适合直接作为育苗基质使用，但可作为栽培基质使用。综合考虑腐熟后各处理基质的pH和C/N可知，添加氮素进行发酵桉树渣的C/N均低于20.00，T小于0.60，符合腐熟基质的标准；添加硫酸铵发酵桉树渣的pH为6.52，呈微酸性，符合育苗基质对pH(5.80～7.00)的要求，也符合栽培基质对pH(6.50～7.00)的要求[24，28]，但仍然偏高，而添加鸡粪和尿素发酵桉树渣的pH分别为8.67和7.52，呈较强碱性，均不在育苗基质或栽培基质标准范围，需调整pH或与其他基质混配降低pH后才能使用[23]。因此，添加硫酸铵发酵腐熟后的桉树渣，需通过淋洗或与其他基质混配后将EC降至2.00 mS/cm以下后才能直接用作育苗基质；添加鸡粪和尿素发酵腐熟后的桉树渣，不仅需要淋洗或与其他基质混配降低EC，还需要调整pH至5.80～7.00才能用作育苗基质。

本研究仅对纸浆厂产生桉树渣的基质化利用进行发酵尝试，可为后续桉树渣的利用研究提供有效的信息和理论依据。建议后续研究应先在桉树渣发酵前适当降低其EC，然后采用不同氮源调整碳氮比，以获得较佳理化性质的基质。