有机农场蔬菜废弃物堆肥效果研究

刘宇　席运官　高丽　和丽萍　李丽娜　杨涛明

摘要：为满足有机农业相对闭环的物质循环体系对有机肥的需求，对有机种植背景下蔬菜废弃物的堆肥效果进行初步研究。采用腐殖土和鸽子粪堆肥，并用10%、20%和30%的有机蔬菜废弃物对腐殖土进行替换。结果表明，20%和30%废弃蔬菜替代量堆肥处理组的速效养分与对照组相比均有所提高;堆肥结束后剩余总养分含量随蔬菜废弃物添加比例的提高而逐渐增加，表现为30%废弃蔬菜替代量处理组>20%废弃蔬菜替代量处理组>10%废弃蔬菜替代量处理组>对照组;新鲜蔬菜废弃物添加比例越高，有机质含量下降幅度越大，其中30%废弃蔬菜替代量处理组下降幅度最大，与堆肥前相比有机质含量下降38.1%。

关键词：有机农业;蔬菜废弃物;堆肥;有机肥;堆肥养分

中图分类号：S141.4;X712文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2021）01-0182-04

作者简介：刘宇（1992—），女，黑龙江哈尔滨人，硕士，主要从事重金属污染土壤修复研究。E-mail：1520079591@qq.com。

通信作者：席运官，博士，研究员，主要从事农业环境保护与有机农业研究。E-mail：xyg@nies.org。

现代常规农业虽然大大加快了劳动生产效率，但因大量农药化肥使用所带来的问题逐渐走入困境，其给生态环境和土地持续生产力所带来的负面影响正受到越来越多的关注。在这种背景下，有机农业逐渐走入大众的视线[1-2]。与现代常规农业不同，有机农业提倡封闭体系中的内部物质循环，过程中不添加外来化学产品，这在改善生态环境以及保障食品安全上有重要的意义。

我国是蔬菜生产大国，其产值在种植业中仅次于粮食[3]。近年来，随着我国经济的发展，采用有机模式种植蔬菜的面积逐年增多。截至2018年，有机蔬菜生产面积达到了4.2万hm2，同期处于转换期的蔬菜生产面积为2.6万hm2[4]。与此同时，大量的蔬菜废弃物所带来的环境问题日趋严重，而且蔬菜废弃物无法及时利用，也造成了资源的极大浪费。有研究表明，目前解决蔬菜废弃物问题的有效途径是堆肥处理[5]。张相锋等用蔬菜废弃物、石竹和鸡舍废物进行堆肥，20d后获得的堆肥品质良好[6];王亚利等发现，施用蔬菜废弃物堆肥的鸡毛菜，相较于施用商品有机肥的鸡毛菜，株高和叶面积都有显著增加，且其中的氮、磷、钾、钙和镁元素的含量也有显著提高[7]。有机农业须要在一个相对闭环的体系里进行物质循环，且有机生产中所需物质的全部或大部分均来自有机农场[8]。目前，我国有机种植业与养殖业分离，依靠有机种植业内部养分循环往往很难满足生产需求，外购的商品有机肥或畜禽粪便作为主要养分来源，须通过有机认证或经认证机构许可。研究有机农场蔬菜废弃物堆肥化，既可以解决废弃蔬菜所带来的污染问题，同时也保证了有机农业对于有机肥原料来源的要求，实现有机农业封闭体系的物质循环，为有机农业的发展注入新的动力。

1材料与方法

1.1试验地点和供试材料

试验于2019年4—7月在云南省昆明市盘龙区滇源街道有机种植基地内进行，试验地位于25°29′N，102°87′E，属于亚热带季风气候，年平均降水量为1000.5mm，年平均气温为14.9℃。

本次试验堆肥原料为鸽子粪，有机生产废弃蔬菜和腐殖土。腐殖土采集于附近山林，含腐烂的枯枝落叶的表层土。有机生产废弃蔬菜是生产过程中不符合产品标准而废弃的蔬菜，切成长为5cm左右的小段用于堆肥试验。各堆肥原料基本性质见表1。微生物菌剂采用河南省沃寶生物科技有限公司提供的堆肥专用微生物菌剂（有效微生物含量≥1×1010个/g）。

1.2堆肥试验

堆肥试验始于2019年4月30日，在有机种植基地的堆肥厂进行。堆肥厂采用的堆肥配方为鸽子粪和腐殖土（质量比为1∶[KG-*3]1）。本试验采用不同量的废弃蔬菜对腐殖土进行替换，具体堆肥配方如表2所示。每个堆肥处理用料共计400kg。各处理堆制时，将鸽子粪、腐殖土和蔬菜废弃物按表2设置的比例分别充分混匀。称取40g菌剂干粉，与20kg水充分混匀后，在堆肥混匀过程中均匀喷施到堆肥材料中。微生物菌剂添加量为0.01%（质量比），使堆体微生物含量不低于106个/g。添加微生物菌剂后，将堆体的含水量调至65%左右，充分搅拌均匀。采用静态高温堆腐，堆制成基座约2m宽、1.5m高的圆锥体。堆肥过程中，每3d进行1次翻抛，堆肥周期为68d。堆肥过程中，分别在第7、第21、第49、第63天收集堆肥样品。将堆体平均分为上、中、下3层，每层每次采样选择3个点，每个点从堆肥外层和内层各取约200g样品，混匀。将堆肥样品风干磨细后，分别过100目和20目筛用于理化性质的测定。

1.3测定项目

堆肥温度测定：每天09：00采用热电偶双金属温度计（型号：wb-036）从堆体四周垂直插入（距离地面30cm），记录堆体温度，所得平均值为最终堆体温度。

含水率的测定采用105℃烘干称质量法。有机肥样品养分含量采用NY[KG*3]525—2012《有机肥料》的方法测定。总氮含量采用半微量凯氏定氮法测定;总磷含量采用钼锑抗显色法测定;碱解氮含量采用碱解扩散法测定;速效磷和有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定。总钾和速效钾含量采用原子吸收光谱仪测定。碳氮比（C/N）计算方法为总碳与总氮的比例。

1.4数据分析

利用Excel2017和SPSS19.0进行数据处理分析，采用OriginPro2016绘制图片。

2结果与分析

2.1不同处理堆肥过程中温度的变化特征

微生物在堆肥过程中通过新陈代谢分解有机物，产生大量的热，使堆体温度升高[9]，在微生物的作用下，堆体会经历升温、高温和降温等3个阶段[10-11]。可借助堆肥温度的变化判断堆肥进程。如图1所示，各处理堆体的温度总体变化趋势相似。本试验中4个处理升温阶段较短。堆置第2天，4个处理堆体的温度均迅速上升至50℃以上。GB7959—2012《粪便无害化卫生要求》中规定，粪便无害化须要维持发酵温度50℃以上超过5d。GMA、GMB、GMC和GMD处理堆体温度超过50℃的天数分别为31、29、30、30d，结果表明，本试验堆肥处理均符合堆肥的标准。有研究表明，一些病原微生物会在堆肥温度高于55℃时死亡[12]。GMA、GMB、GMC和GMD处理堆体温度超过55℃的天数分别为23、20、23、21d。

2.2不同处理堆肥过程中pH值的变化特征

堆肥过程中，堆体的pH值变化会受到微生物分解活动的影响。如图2所示，本试验堆肥过程中，4个处理的pH值均呈弱碱性，呈现先上升后下降的趋势。前人研究发现，pH值升高是由于有机氮被微生物分解后形成铵态氮所致[13]。而堆肥中后期，微生物矿化作用减弱，硝化细菌开始活跃，将铵态氮通过硝化作用转变为硝态氮，pH值降低。废弃蔬菜中含有大量的有机氮，本研究发现，随着废弃蔬菜添加比例的升高，堆体的pH值也逐渐升高。蔬菜废弃物添加量为30%的GMD处理在堆肥各阶段，pH值均明显高于其他3个处理。添加量为20%的GMC处理次之。而添加量为10%的GMB处理与GMA处理在堆肥各阶段pH值没有明显差异。这可能是由于蔬菜添加量较少，对堆肥过程中的pH值影响不大造成的。

2.3不同处理堆肥过程中有机质含量的变化特征

有机质的分解可以为微生物生长繁殖、新陈代谢提供能量[14]，有机物在微生物的作用下最后会转化为稳定腐殖质;一般而言，随着堆肥的进行，有机质含量会逐渐下降，且其降解过程主要集中在高温阶段[15-16]。如图3所示，堆肥过程中各处理有机质含量均呈下降趋势。与起始堆肥相比，堆肥结束后GMA、GMB、GMC和GMD处理有机质含量分别降低31.6%、33.3%、37.0%、38.1%，GMA的有机质含量最高，其次是GMB、GMC和GMD处理。随着新鲜废弃蔬菜添加比例的提高，有机质含量下降比例越高。新鲜废弃蔬菜中含有大量的易分解有机物，在好氧堆肥过程中被微生物降解，导致堆肥有机质含量下降较高。堆肥结束后，GMA、GMB、GMC和GMD处理有机质含量（以干基计）分别为27.4%、25.7%、24.6%、22.4%。

2.4不同处理堆肥过程中速效养分含量的变化特征

如图4-A和图4-B所示，堆肥过程中碱解氮和速效磷的含量总体呈先升高后降低的趋势。前20d呈上升趋势，可能是由于堆肥初期堆肥温度逐渐升高，含氮和含磷有机物矿化增加造成的[17]。随着堆肥的进行，有机氮和有机磷含量的减少，以及微生物的同化作用导致后期碱解氮和速效磷含量逐渐减少[18]。堆肥结束后，GMD处理的碱解氮和速效磷含量最高，GMC处理的次之;与对照处理GMA相比，GMD和GMC处理碱解氮含量分别提高了8.31%、2.77%，速效磷含量分别提高了196.6%、94.1%;GMB处理与GMA处理碱解氮和速效磷含量均无明显差异。

钾作为植物生长发育过程中不可缺少的营养元素之一，可以激发酶的活性，然后通过酶催化植物体内的蛋白合成、光合作用等生命活动[19]。如图4-C所示，堆肥过程中速效钾含量的变化趋势与碱解氮和速效磷不同。随着堆肥的进行，4个处理速效钾含量均呈增加的趋势。在各个采样时间段，GMD和GMC速效钾的含量均明显高于GMA和GMB处理。堆肥结束后，GMD和GMC处理的速效钾含量分别比对照处理提高了57.4%、31.3%。

2.5不同处理堆肥结束后的总养分含量

堆肥结束后，各处理的总养分含量如图5所示。4个处理总氮、总磷和总钾含量总体趋势基本一致。随着蔬菜替代比例的增加，堆肥结束后剩余總养分含量逐渐增加，表现为GMD>GMC>GMB>GMA。如图5-A所示，GMD、GMC和GMB处理总氮含量与对照相比分别提高了26.7%、7.5%、3.1%。其中，GMD处理显著高于GMA处理。总磷含量如图5-B所示，GMD、GMC和GMB[JP3]处理分别比对照GMA处理提高了49.1%、38.8%、2.33%。其中，GMD和GMC处理显著高于GMA处理。总钾含量如图5-C所示，GMD、GMC和GMB处理分别比对照GMA处理提高了13.3%、14.3%、2.23%，但各处理之间均无显著性差异。

3讨论与结论

本研究在鸽子粪和腐殖土（质量比为1∶[KG-*3]1）堆肥中，分别采用10%、20%和30%的废弃蔬菜等量替代堆肥中的腐殖土，发酵过程中堆体温度超过50℃的天数分别为29、30、30d，各处理均达到《粪便无害化卫生要求》中须要维持发酵温度50℃以上天数的规定。各处理堆体温度超过55℃的天数分别为23、20、23、21d，有助于杀灭堆肥原料中的病原菌。

堆肥过程中，各处理的pH值均呈先上升后下降的趋势，堆肥产物均呈弱碱性。其中30%废弃蔬菜替代量堆肥处理pH值变化范围最大，为7.78～8.62，最小值与最大值相差0.84;20%废弃蔬菜替代量堆肥处理次之，为7.45～7.93，最小值与最大值相差0.48。

各处理有机质含量随堆肥的进行均呈下降趋势，各处理堆肥结束后与起始相比，有机质含量分别降低了31.6%、33.3%、37.0%、38.1%。随着新鲜废弃蔬菜添加比例的提高，有机质含量下降幅度逐渐增大。

本研究堆肥结束后，30%和20%废弃蔬菜替代量堆肥处理碱解氮、速效磷和速效钾含量与对照处理相比分别提高了8.31%和2.77%、196.6%和94.1%、57.4%和31.3%。总氮、总磷和总钾含量分别比对照提高了26.7%和7.5%、49.1%和38.8%、13.3%和14.3%。10%废弃蔬菜替代量堆肥处理与对照处理均无显著性差异。

总的来说，本试验采用30%废弃蔬菜替代量替代腐殖土与鸽子粪进行堆肥发酵，总养分含量优于对照处理。但有机质含量相对较低，后期须对堆肥配方进一步优化。

参考文献：

[1]温明振.有机农业发展研究[D].天津：天津大学，2006：11-20.

[2]WillerH，YussefiM.Organicagricultureworldwide：statisticsandfutureprospects[R].SOEL，2001：22-23.

[3]李剑.蔬菜废弃物堆肥技术参数的优化研究[D].上海：上海交通大学，2011：5-8.

[4]国家市场监督管理总局.中国有机产品认证与有机产业发展[M].北京：中国农业科学技术出版社，2019：31-40.

[5]杜鹏祥，韩雪，高杰云，等.我国蔬菜废弃物资源化高效利用潜力分析[J].中国蔬菜，2015（7）：15-20.

[6]张相锋，王洪涛，聂永丰，等.高水分蔬菜废物和花卉、鸡舍废物联合堆肥的中试研究[J].环境科学，2003，24（2）：147-151.

[7]王亚利，杨光，熊才耘，等.蔬菜废弃物蚯蚓堆肥对鸡毛菜生长的影响[J].农业环境科学学报，2017，36（10）：2129-2135.

[8]宋洁.有机农业及发展——基于环境经济下的中国有机农业及其产品市场分析[D].北京：对外经济贸易大学，2009.

[9]武一奇.污泥好氧堆肥工艺条件对氮素损失的影响研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016：18-34.

[10]王永江.猪粪堆肥过程有机质降解动力学模型研究[D].北京：中国农业大学，2014：26-29.

[11]HaugTR.Thepracticalhandbookofcompostengineering[M].Florida：LewisPublishers，1993：395.

[12]李海龍.病死猪堆肥高温降解菌的筛菌、鉴定及其应用研究[D].合肥：安徽农业大学，2015：3-4.

[13]黄向东，韩志英，石德智，等.畜禽粪便堆肥过程中氮素的损失与控制[J].应用生态学报，2010，21（1）：247-254.

[14]AdhikariBK，BarringtonS，MartinezJ，etal.Characterizationoffoodwasteandbulkingagentsforcomposting[J].WasteManagement，2008，28（5）：795-804.

[15]李晓蓉，欧巧明，赵瑛，等.城市蔬菜废弃物处理及其资源化利用模式探讨[J].甘肃农业科技，2015（1）：52-56.

[16]ChefetzB，HadarY，ChenY.Dissolvedorganiccarbonfractionsformedduringcompostingofmunicipalsolidwaste：propertiesand[JP3]significance[J].ActaHydrochimHydrobiol，1998，26（3）：172-179.

[17]HuangJS，WangCH，JihCG.Empiricalmodelandkineticbehaviorofthermophiliccompostingofvegetablewaste[J].JournalofEnvironmentalEngineering，2000，126：1019-1025.

[18]HoitinkHAJ，KeeneHM.Scienceandengineeringofcomposting：design，environmental，microbiologicalandutilizationaspects[C].TheOhioStateUniversity，1993：219-241.

[19]许晓玲，呼世斌，刘晋波，等.施用污泥堆肥对土壤中重金属累积和大豆产量的影响[J].环境工程，2018，36（3）：108-111.