典型城市废弃物混合好氧堆肥的基本特征及其育苗应用潜力

朱诗君，金树权，汪 峰，韩永江，孙 杰

(1.宁波市农业科学研究院，浙江 宁波315040； 2.宁波市绿宝环保科技有限公司，浙江 宁波 315181； 3.宁波开诚生态技术有限公司，浙江 宁波315157)

随着我国经济的飞速发展，城市化进程快速推进，但由于缺乏完善的废弃物管理处理措施，建筑渣土、园林废弃物、餐厨废弃物等城市废弃物大量堆积，产生一系列的社会环境问题。对城市废弃物的科学高效处理现已成为我国城市发展中面临的一个重要问题[1-2]。

近年来，我国废弃物处理工艺得到了长足的进步和发展。以宁波市为例，当地的建筑渣土已可实现资源化利用，生产的改良性土壤可取代黄泥、黑泥等土壤，从而减少对土壤的过度开采。但目前关于建筑渣土利用的研究主要集中于渣土的科学管理[3-4]、道路路基填料利用[5-6]等领域，鲜见建筑渣土还田的相关研究。再如当地的餐厨废弃物处理系统，餐厨废弃物经过多次分拣筛选和分离，可分别分离出粗有机渣、油脂和细有机渣，最后通过厌氧发酵产生沼气，同时伴生沼渣。餐厨废弃物经过处理，可作为肥料用于番茄[7]、秋葵[8]等作物栽培。然而，现有的废弃物处理也存在部分问题：餐厨废弃物处理工艺流程中产生的有机渣，其盐离子含量过高，极大地限制了其应用领域。园林废弃物目前主要的处理方式仍为焚烧，不仅能源消耗过大，且容易产生二次污染。

堆肥技术被认为是一种有效的生物质资源化利用方式，具有许多优势，如减少废物量[9]，产生腐殖质[10]，消除潜在的病原威胁[11]，且操作简单、成本低。通过堆肥熟化将有机废弃物转化为优质肥料投入农业生产，是一项有效的城市废弃物可持续管理和土壤保护策略[12]。

本研究在宁波当地建筑渣土、园林废弃物和餐厨废弃物处理工艺的基础上，针对目前这3种废弃物资源化利用的主要问题，通过混合好氧堆肥技术进行处理，实时检测堆体内部温度变化趋势，定时测定其理化性质与养分含量变化，并通过育苗试验明确堆肥产品的应用效果，以期为城市废弃物通过堆肥熟化投入到农业生产中，从而实现资源化利用提供借鉴与参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与场地

餐厨废弃物有机渣由宁波开诚生态技术有限公司于当日餐厨废弃物处理系统中采集并提供，建筑渣土由宁波绿宝环保科技有限公司进行干化处理并提供，园林废弃物由宁波市城市管理局粗略粉碎后提供。这3类城市废弃物的理化性质详见表1。

表1 城市废弃物的理化性质

由于餐厨废弃物有机渣中可能存在大量的NaCl，应用于农业可能具有风险，因此对其水溶性盐含量做进一步测定，结果为79.1 g·kg-1，显示盐浓度较高，若直接利用可能导致土壤盐渍化，需要与其他废弃物进行混合。对干化建筑渣土的重金属含量做进一步测定，结果显示，总铬101 mg·kg-1，汞0.129 mg·kg-1，砷8.53 mg·kg-1，铅21.7 mg·kg-1，镉0.135 mg·kg-1，各重金属元素的含量均低于现行标准《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)，符合农业生产要求。

番茄品种世纪粉冠王采购自陕西德赛种业有限公司，甘蓝品种绿宝石甘蓝一代杂交种采购自邢台市盛世种业有限公司；青瓜品种锦绣1509采购自新泰市祥云种业有限公司。育苗采用4×8规格的聚乙烯塑料标准育苗穴盘，底部带有2个小孔，便于水分排出和空气交换。

堆肥于宁波市海曙区横街镇应山村绿宝环保科技有限公司内部场地进行。堆肥场地为露地，地面为水泥地，上面盖有遮雨棚，防止雨水过度冲刷影响堆肥进程。

育苗试验于宁波市鄞州区横溪镇杨山村宁波市农业科学研究院新型农业技术示范基地内进行，育苗场地为单体塑料大棚，上面覆有遮阳网，防止棚内温度过高。

1.2 废弃物的混合堆肥熟化

堆肥试验采用单因素试验设计，分为3个堆体(表2)，每个堆体的原料配比根据堆肥的最佳碳氮比(C/N，20～40)[13]和适宜含水率(50%～65%)测算，随后以不同体积比进行混合。同时，在堆体1中添加20 kg尿素，以降低其过高的C/N。将混合好的物料堆砌后置于屋檐下，防止雨水过度冲刷。混合好的堆体1高1.9 m、长4.2 m、宽3.1 m，堆体2高1.9 m、长5.0 m、宽2.7 m，堆体1与堆体2均靠墙堆积，呈半圆锥状；堆体3高1.2 m、长4.2 m、宽4.1 m，靠墙堆积，呈扁球形。这3个堆体的总体积皆为6 m3左右。将温湿度记录议的探头置于堆体中部，每2 h记录1次温度。堆制的前7 d每间隔2～3 d翻堆1次，随后间隔10～15 d翻堆一次，持续45 d后结束。每次翻堆前，随机在堆体上取5个点，去除表面物料后，采集50 g堆肥物料，将5个点的样品混合后自然风干并进行粉碎，测定理化性质[14-15]。

表2 堆肥原料配方

1.3 堆肥的育苗基质替代研究

育苗基质替代试验采用双因素试验设计，包括育苗作物和育苗基质配方2个因素。基质配方设10个处理(表3)；育苗作物包括番茄、青瓜和甘蓝。分别将堆体1～3的堆肥粉碎后过筛，随后按照表3中的比例将各堆肥与商品基质混合，作为育苗试验基质。

表3 育苗基质配方

在育苗穴盘的每个穴孔放置1～2颗种子，随后在上面覆盖0.5～1 cm厚的育苗基质，每日浇1次水，直至底部有水溢出。幼苗出土后继续培养30 d，观察幼苗存活率，并测定幼苗株高。番茄、青瓜、甘蓝在播种后每间隔6 h观察出芽情况，并在观测到出芽后立即记录出芽数，根据出芽总数与种子总数的比计算得到初始出芽率。最终出芽率在播种30 d(确认再无新苗出芽后)，按照出芽总数与种子总数的比计算得到。

1.4 分析方法

依照NY/T 1377—2007测定样品pH值，依照LY/T 1237—1999测定样品的有机质含量，依照HJ 802—2016采用电极法测定样品电导率，依照NY/T 53—1987采用半微量开氏法测定样品全氮含量，依照LY/T 122—2015测定样品碱解氮含量，依照NY/T 1121.7—2014测定样品有效磷含量，依照LY/T 1234—2015测定样品速效钾含量，依照GB 7833—1987测定样品的含水率。

发芽指数测定参照Emino等[14]的方法，选择甘蓝作为对象，测定各处理的发芽指数。重金属含量检测由浙江中一检测研究院股份有限公司完成。

2 结果与分析

2.1 堆肥的温度变化

从2020年5月底开始进行混合堆肥，堆肥时长约45 d。堆体温度的实时监测，可间接反映堆肥的阶段与进程。当堆温爬升至55 ℃以上，嗜热菌在堆肥微生物中占据主导地位，堆肥进入活跃阶段，也是堆肥中纤维素等大分子物质降解转化为易于被利用的小分子物质的主要阶段[16]。

尽管3个堆体的C/N均已调节到合适的范围，但3个堆体的温度变化仍呈现出明显差异(图1)。堆体1与堆体2在短时间内迅速升温至70 ℃以上，之后缓慢下降，其间温度的剧烈波动是由翻堆时温湿度记录仪被取出所致。堆体温度的降低主要由堆体内部氧气消耗和废气累积所致。相应地，内部微生物的活动强度亦逐渐下降。翻堆不仅可以补充氧气、排出废气，还有利于将外部未腐熟的物料翻进内部进行进一步腐熟，提高堆体的温度。堆体3在堆制过程中内部温度没有巨大的起伏，始终处于低温发酵状态，推测可能是由于堆体的孔隙度低，内部空气较少，且废气不容易排除所致。此外，还可能与堆肥物料的特性有关。

图1 不同堆体的温度变化Fig.1 Dynamics of compost temperature

通常，堆肥结束的临界温度应不超过40 ℃[17-18]，但堆体1和堆体2在发酵45 d后温度仍然超过50 ℃，表明其堆肥仍未结束。若将未腐熟完全的堆肥应用于农业生产中，不仅无法促进作物生长发育，反而会呈现出一定的生物毒性，抑制作物生长；因此，在投入应用前，继续将其堆制1个月以保证达到标准成熟度。

2.2 堆肥的理化性质变化

pH值是衡量堆肥产品品质的一项重要参数。pH值偏高或偏低的堆肥不仅抑制植物生长发育，还会影响土壤的理化性质，造成长期且难以恢复的负面问题。此外，适宜的pH也是保障堆肥微生物数量与活动的必要条件。堆肥过程中，3个堆体的pH值基本保持在6.6～7.6(图2)。堆体1由于添加了尿素，pH值最高。餐厨废弃物有机渣呈现弱酸性，故堆体2和堆体3的pH值低于堆体1。

图2 堆肥的pH值变化Fig.2 Dynamics of compost pH

电导率可以直观反映堆体中的可溶性离子，即可溶性盐的含量，其值主要与离子种类和浓度直接相关。堆肥中的可溶性盐主要来源于餐厨废弃物有机渣中的NaCl，因此根据其在堆肥中的占比，3个堆体的电导率呈现明显差异(图3)。其中，堆体3的电导率高于2 200 μS·cm-1，堆体2的电导率在1 400 μS·cm-1以上，而堆体1的电导率在1 000 μS·cm-1以下。堆肥进程无法有效降低堆体的电导率，过高的盐浓度可能会导致土壤盐渍化，抑制植物生长，造成难以挽回的后果；

图3 堆肥的电导率变化Fig.3 Dynamic of electric conductivity of compost

因此，在将堆肥产品应用于农业生产前，需要采用其他手段进一步降低其电导率。

含水率是影响堆肥微生物代谢活动的主要因素之一，过高的含水率会阻碍氧气传输，而过低的含水率则会抑制微生物的代谢；因此，使堆体始终保持适宜的含水率是保证堆肥正常推进的必要条件之一。随着堆肥进程的推进，各堆体的含水率均呈现明显的下降趋势(图4)。

图4 堆肥的含水率变化Fig.4 Dynamic of moisture content of compost

2.3 堆肥的养分含量变化

堆肥的有机质和氮、磷、钾含量是决定堆肥产品最终品质的重要指标。随着堆肥的持续进行，堆体的有机质、全氮、碱解氮含量呈现明显的下降趋势(图5)。初始堆肥中有机质的主要成分为纤维素等大分子物质，随着堆肥中微生物的活动，一部分被彻底利用转化为CO2释放到空气中，一部分如木质素之类的大分子物质无法在短时间内被降解利用，部分有机质转化为腐殖质，对植物养分吸收、微生物的代谢活动、土壤通气等有积极作用[19]。类似地，由于堆肥中有机氮的矿化、持续性的氨挥发，以及硝化反硝化作用，堆体中的全氮、碱解氮含量下降的同时，一部分氮也转化为易被植物利用的形态。但相对地，堆肥中的磷、钾含量没有明显的变化趋势，在一个相对稳定的范围内波动。

图5 堆肥的营养成分变化Fig.5 Dynamic of nutrients contents of compost

2.4 堆肥产品的育苗效果

在堆肥完全腐熟的前提下，为了明确堆肥产品作为基质替代品的应用前景，将上述3个堆体再堆制30 d后，测定堆肥，以及商品基质的质量指标(表4)。与30 d前相比，堆体1～3所对应的堆肥有机质、全氮、碱解氮含量进一步下降，而速效磷与速效钾含量、pH值和电导率则没有明显变化。值得注意的是，堆体1～3所对应堆肥的C/N依次为15.97、19.84、19.08，说明随着堆肥的推进，其C/N亦进一步降低。秦莉等[20]的研究也发现了类似的趋势。研究表明，成熟的堆肥C/N应低于20[21-22]。与此对照，此时3个堆体所对应的堆肥已经成熟。

表4 堆肥与商品基质的质量指标

发芽指数(GI)是反映堆肥毒素的一项重要指标，当GI≥80%，表明堆肥中基本没有毒素。对比3个堆肥，只有堆体1所对应的堆肥基本腐熟完全，而堆体2和堆体3所对应的堆肥浸提液中仍含有大量的盐离子，影响种子的发芽与生根。

将堆肥与商品基质按照试验设计方案混合后，将其作为育苗基质开展育苗试验，考查其是否能够作为土壤的改良剂与混合物应用于农业生产中[23]。

青瓜于播种后3 d开始破土发芽，番茄与甘蓝则于播种后4 d发芽。于作物发芽时记录初始出芽数，计算初始出芽率(表5)。不同作物初始出芽率对堆肥的响应有所差异：堆肥的添加对于青瓜的初始出芽率没有明显影响，而番茄与甘蓝则对堆肥的添加较为敏感。堆体1的堆肥与商品基质混合，对蔬菜种子发芽率无严重不利影响。在甘蓝上，随着混合物中堆体1堆肥比例的增加，其初始出芽率快速提高。但当堆体2、堆体3的堆肥与商品基质混合时，随着堆肥比例增加，番茄与甘蓝的初始出芽率明显降低，且低于对照。但30 d后，各处理下3种作物的最终发芽率与对照皆在95%以上，没有明显差异。从株高上来看，除甘蓝上的处理2～处理4外，不管选用哪个堆体的堆肥，随着其与商品基质混合比例的降低(从1∶1降至1∶5)，3种蔬菜的株高都显著(P<0.05)升高。

表5 不同处理下不同作物的发芽情况与幼苗株高

导致出现该现象的原因可能是：堆体2与堆体3的堆肥中含有大量盐分，会给蔬菜种子带来盐胁迫，从而抑制种子的萌发。但由于育苗期间大量浇水，高强度的淋洗作用使得基质中的盐分离子快速流失，因此盐分对幼苗的抑制作用主要集中于前期。

尽管本试验表明，具有较高电导率的堆肥并不会对蔬菜幼苗产生毁灭性的影响，但是上述结果是在高淋洗强度环境下得出的，关于其在农田上应用的安全性，以及会不会引发土壤盐渍化等问题则需要进一步通过试验检验。通常而言，过量的盐离子，尤其是Na+对植物生长不利，其主要源于2方面的作用：(1)Na+等盐离子会通过改变土壤渗透压影响植物的吸水能力；(2)Na+等盐离子可能在植物细胞中不断累积，从而抑制细胞代谢[24]。因此，具有高电导率的堆肥施用后对植物的影响是相关研究的热点之一[25-27]。研究表明，高电导率(>5 000 μS·cm-1)的堆肥应用于土壤或者基质中可以促进植物的生长，不会对植物造成负面影响，但须保证其施用后土壤电导率不超过5 000 μS·cm-1，且需额外注意堆肥中的Na+与Cl-浓度[25，28]。

高电导率堆肥对植物的作用是多面性的。堆肥中含有多种腐殖酸、黄腐酸等有机物，一方面可以给植物提供营养[29]；另一方面会提高土壤阳离子交换量[30]，增加土壤中Ca2+、Mg2+的螯合能力，从复合物中置换Na+，并且促进土壤絮凝和凝聚，从而改善土壤的理化性质[31]。鉴于餐厨废弃物有机渣中的盐离子主要是Na+与Cl-，因此我们认为相关堆肥产品在投入农业生产前应与基质或土壤进行混合，且应充分考虑当地的情况，如浇水情况、栽种作物、土壤。若将餐厨废弃物有机渣与商品基质混合用于育苗，其在混合物中的最终占比应在1/36内，并建议补充Ca2+、Mg2+和有机质，以降低Na+的负面影响。建议定期监测土壤的电导率或Na+浓度，防止土壤盐渍化。对于草莓、生菜等对电导率敏感的作物，不推荐使用含餐厨废弃物有机渣的堆肥，或应考虑进一步降低其在混合物中的占比。

3 结论

本研究以园林废弃物、干化建筑渣土、餐厨废弃物有机渣3种常见的城市废弃物为研究对象，按不同体积配比后分别进行堆肥熟化，实时监控堆肥的温度变化，定时检测堆肥pH值、电导率、含水率、有机质，及氮、磷、钾含量等指标的变化，并通过育苗试验明确堆肥产品作为基质替代品或混合物的应用前景，以期为这3种城市废弃物的资源化利用提供一定的理论依据。结果显示，每6 m3园林废弃物中添加20 kg尿素，或者以5∶1的比例与餐厨废弃物有机渣混合后，堆体温度迅速上升，符合好氧堆肥条件；而餐厨废弃物有机渣与干化建筑渣土以4∶2的比例混合堆制后，温度无明显上升，需要对混合配方做进一步优化。适量的堆肥混合到育苗基质中对3种蔬菜幼苗出芽、发育无明显不利影响，因其电导率过高，会延迟蔬菜幼苗的出芽时间，但得益于试验条件下高强度的淋洗作用，并不会对幼苗存活产生负面影响。

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