几种废弃物基质有氧堆肥腐解因素比较分析

宋 芸，樊 平，王 敏，王 强，薛鹏飞

（1滨州市农业农村局，山东滨州 256200；2博兴天竹菌剂生物科技有限公司，山东滨州 256200）

0 引言

随着人们生活水平的提高和农业种植规模的不断扩大，餐厨垃圾和农业废弃物不断增加，成为中国固体废弃物的重要组成部分[1]。据报道，餐厨垃圾每年产生量已经超过6000万t[2]，餐厨废油是餐厨垃圾的重要组成部分，其产生量约为餐厨垃圾产生量的10%～20%，每年产量约为700万t[3-4]。农业废弃物主要包括农作物秸秆和畜禽废弃物[5-6]。据统计，中国每年产生数几十亿吨计的农业废弃物[7]，其中人畜禽粪便量26亿t，农作物秸秆7亿t，蔬菜废弃物1.0亿t[5,8]。这些废弃物都蕴含着丰富的养分和能量，被称为“放错位置”的资源，如果随意丢弃或排放，不但造成资源浪费，还会对生态环境造成污染，如加以科学利用将会变成一种资源，消除环境污染，改善生态环境[7,9]。

废弃物再利用在中国有着悠久的历史，堆肥是被广泛应用的一种手段。通过堆肥技术，将废弃物中的有机物转化成腐殖质，一方面解决废弃物带来的环境污染问题，另一方面使其得到有效的资源化利用[10]。本试验对小麦秸秆、玉米秸秆、食用菌菌渣及由锯末、餐厨废油和牛粪组成的混合物4种废弃物进行有氧高效堆肥腐解，摸清各材料腐解规律和堆腐方法，以期为筛选几种废弃物的有氧高效腐解合理配方，生产高效稳定的生物肥基质奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验共设置4个处理，原料分别为T1：玉米秸秆、T2：小麦秸秆、T3：菌渣、T4：由锯末、餐厨废油、牛粪组成的混合物。供试玉米秸秆、小麦秸秆取自滨州市滨城区郊区，经过粉碎机粉碎成长约为5 cm的小段；供试食用菌菌渣平菇菇渣，产自腾达农庄，其主要成分为棉渣和玉米芯；供试混合材料是由梧桐木锯末（颗粒粒径3～12 mm）、牛粪（颗粒粒径为6～10 mm）和餐厨废油按照体积25:15:2的比例配合而成。供试黄瓜品种为‘鲁蔬08号’。

1.2 试验方法

本试验于2017年5月27日—8月4日在山东省滨州市腾达农庄进行。各处理原料经脱袋打碎、加水翻拌，水分调节至约60%，分别堆成高1.2 m，宽2.0 m，长10 m的条垛堆体，置于室外露天发酵，每2周翻堆一次，堆腐70天。翻堆均匀后采集物料测试样品，经风干、粉碎、过2 mm筛备用。

1.3 指标测定及方法

1.3.1 温度、水分、体积测定 在堆肥处理过程中，用自动记录仪测定堆肥发酵过程中的温度、水分变化。将温度记录仪探头插入距离堆体表层60 cm处测量，每隔1 h自动记录温度数据，取平均值作为当日堆体温度数据。为测定堆肥深度对腐解温度的影响，在菌渣堆体不同深度取点进行温度测定，从堆顶至堆底，每隔10 cm记录一次温度。每次翻堆前对堆体体积进行测量。

1.3.2 发芽指数(GI)测定 在直径9 cm铺有滤纸培养皿内均匀放进20粒颗粒饱满大小接近的黄瓜种子，取5.0 mL堆肥浸提液于培养皿，并以蒸馏水作对照试验。每个处理作3次重复；将培养皿放置在温度(25±1)℃、湿度80%的培养箱中培养24 h。堆肥期间每周测定一次。计算公式如式(1)所示。

当GI＞50%时，物料毒性较低；当GI＞80%，物料可认为完全腐熟此时对植物无毒性[11]。

1.3.3 化学成分及养分含量测定 堆腐结束后，对形成的生物基质进行各化学成分测定。pH、EC分别用pH计和电导率仪进行测定；全N、全P、全K、速效磷、速效钾及交换态Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ca等营养成分和Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni等重金属含量用原子吸收分光光度计测定；Hg、As用原子荧光光度计进行测定。

1.3.4 数据统计与分析 采用Microsoft Excel 2007处理数据，采用SPSS22.0软件进行方差分析，采用Duncan法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 几种废弃物腐解温度变化

由图1可以看出，不同材料腐解过程中，均出现了升温期、高温期和降温期的温度变化，达到的最高温度和时间及高温持续时间均存在较大差异。最高温度方面T1＞T4＞T2＞T3，T1温度最高达74.7℃，T3最高温度最低58.5℃；达到最高温度出现时间方面T2=T4＞T1＞T3，T2、T4出现最高温度的时间最长，均在第7天出现，T3最短，堆肥第一天就出现最高温度；高温持续时间长短方面表现为T1＞T4＞T2＞T3，其中T1处理高温期持续24天，T4处理高温期持续22天，T2高温期持续20天，混合材料高温期持续16天，均满足堆肥无害化的要求[11]。高温期后，随着堆肥时间增加，各处理的温度逐渐降低。4种材料每2周进行一次翻堆。

图1 不同基质腐解过程中温度变化

食用菌菌渣本身含有多种菌，能高效降解纤维素等，制堆后高温菌迅速活动，迅速提高堆肥的温度和效率，但由于食用菌种植可降解菌渣中的木质素和粗纤维[12]，所以最高温度出现较快但最高温度相对较低为58.5℃；玉米秸秆中可以供高温菌直接利用的半纤维素、可溶性糖等物质多，所以第3天达到了最高温74.7℃；混合材料中的锯末含有一些木质纤维转化稍慢，在第7天达到最高温度；小麦秸秆表面有一层蜡质层，造成堆肥开始时吸水困难，不利于温度提升。每次翻堆后温度都有所回升，由于翻堆的原因，温度呈现波浪式变化。

为测定堆体内部不同深度温度变化，本次试验对食用菌菌渣堆体进行了温度测定（如图2）。从距离堆顶每隔10 cm处进行温度测定，共计测定7个点。从图中可以看出，堆体内温度随着堆体深度增加先升高后降低。堆体在距表层20 cm处温度达到最大值63℃，随后呈现出堆体内部温度随着距表层的距离越大而温度逐渐降低的现象，45 cm以下出现明显的厌氧层，温度在42℃以下，距离堆顶70 cm处温度只有30℃。

图2 食用菌菌渣堆体内部不同深度温度的变化

总体来看，堆体上部位置透气性强，氧气丰富，好氧微生物数量多，微生物好氧发酵活跃，温度较高，产生高温。随堆体深度的增加，堆体内部氧气含量逐渐减少，堆肥发酵从好氧逐步向厌氧，因此在生产中要不断的翻堆，提高透气性的同时，让堆体充分进行好氧发酵。

2.2 几种废弃物腐解过程中含水量变化

如图3所示，玉米秸秆和混合材料在整个腐解过程含水量相对比较稳定，含水量保持在60%以上，均不需加水。玉米秸秆腐解过程中和腐解后含水量都比较高，尤其是腐解结束后含水量偏高，需要晾晒。小麦秸秆和食用菌菌渣在制堆开始需要通过加水调节堆体含水量，制堆完成后会有一定程度的失水，所以在前两次翻堆时需要补水调节。综合来看，在整个过程中，混合材料除翻堆外均不需要额外投入劳动力，一定程度上降低了劳动强度。

图3 不同基质腐解过程中含水量的变化

2.3 几种废弃物腐解过程中体积变化

从图4可知，腐解完成后，混合材料的体积与原材料相比减少了20%，这可能与牛粪成分比较稳定、锯末木质化成分较多有关；由于食用菌种植期间菌渣体积已经大大缩小，食用菌菌渣的体积与原材料相比减少较少；小麦和玉米秸秆分别比原来较少了69.9%和69.3%，减量化十分明显，可能与小麦和玉米秸秆中纤维素和半纤维素较多，抗分解能力较弱有关。

图4 不同材料腐解过程中体积变化

2.4 几种废弃物腐解过程中发芽指数(GI)的变化

种子发芽率是堆肥腐熟度最常用指标[13]。GI＞50%，则认为腐解材料已腐熟并达到了可接受程度，即基本没有毒性，当发芽指数GI达到80%时，这种腐解材料就可以认为是没有植物毒性或者说已腐熟了[14]。从图5中可以看出，随着堆肥进程，堆肥过程中各处理的GI均呈现上升的趋势，对种子的发芽的抑制作用逐渐减弱。腐解进行3周后，所有材料GI都超过85%，此时所获得的基质对发芽已没有毒害作用，可以使用。玉米秸秆、小麦秸秆、混合材料从第4周开始，食用菌菌渣从第6周开始，GI已经接近甚至超过100%。

图5 不同材料腐解过程中发芽指数(GI)的变化

2.5 腐解后生物基质中化学成分及养分含量分析

EC值反映了固体发酵过程中堆料的盐度，是评价堆肥是否对植物产生毒害作用的重要参数，在一定程度上反映堆肥对植物的毒性以及对植物的促进或抑制作[15]。EC值的大小对微生物的生长与活性有着重要的作用与意义，EC值过高或过低都会影响到微生物的生长，适宜的EC值可使微生物正常生长[16]。从表中可以看出，堆肥结束时，玉米秸秆组电导率最高，小麦秸秆组最低，玉米秸秆组较其他3组差异性显著。从表1可知，玉米秸秆、小麦秸秆、混合材料的pH呈现微酸性，食用菌菌渣组显示碱性。

表1 各生物基质部分营养元素含量

堆肥结束后，各处理间全氮含量差异性不显著；全磷含量的大小排序为T3＞T4＞T2＞T1，各处理之间差异性显著(α=0.05)；全钾含量方面，T3处理含量最高，T2处理含量最低，T2处理较其他几组相比差异性显著(α=0.05)；速效磷含量方面，T4处理含量最高，与T1、T2处理之间差异性显著；速效钾含量方面，各处理含量排序为T4＞T3＞T1＞T2，各处理之间差异性显著。

中微量元素含量方面，各处理交换态Ca含量为T3＞T4＞T1＞T2,各处理之间的差异性显著(α=0.05)，T3处理较其他几处理在α=0.01水平下仍有显著性差异，这可能与平菇生产原料中加入加多的石灰有关，在缺钙果园和酸性较强的果园可以优先考虑使用食用菌菌渣生物基质；交换态Mg含量为T3＞T4＞T1＞T2，各处理间差异性显著(α=0.05)；T3处理交换态铁含量最低，T4处理含量最高，T1、T2、T4处理与T3差异性极为显著(α=0.01)，T1、T2与T3之间差异性显著(α=0.05)；交换态锌含量方面，T4处理较其他几组差异性达到极显著水平(α=0.01)，T1、T2、T3处理之间无显著性差异；交换态锰含量，T1、T2处理之间，T3、T4处理之间无明显差异，而T1(2)与T3(4)之间差异性极为显著(α=0.01)；交换态铜含量方面，T4处理的含量最低，与其他三组处理之间差异显著(α=0.05)，而T1、T2、T3处理之间无显著性差异。

本试验对混合材料生物堆肥中重金属含量与农用污泥中污染物控制标准进行了比较，结果如表2所示，重金属各项指标明显低于控制标准，均未超标，混合材料可以放心使用。

表2 混合材料生物堆肥中重金属含量和农用污泥中污染物控制标准比较 mg/kg

3 结论

堆肥是一个复杂的生物化学过程，伴随堆肥化进程，有机物质在微生物作用下发生矿化和腐殖化[17]，不同材料腐解过程的温度、水分、营养元素释放等也不相同,本文通过试验，初步探索出四种废弃物腐解规律及堆腐方法，初步得到以下几条结论。

（1）有氧堆肥过程中氧气的供应直接关系好氧微生物的发酵，为加快腐解进程，保持好氧微生物的活性，堆肥不宜过深，腐解过程中需要及时进行翻堆，尤其是玉米秸秆堆肥中温度较高，最高能达到75℃，根据实际操作，可适当缩短翻堆间隔。

（2）腐解过程中不同材料的水分特性差异较大。玉米秸秆和混合材料整个腐解过程均不需加水；小麦秸秆堆制前吸水特别困难，第一次翻堆加水后吸水变得很容易。食用菌菌渣较易吸水，但失水较快，在翻堆时也需要加水。

（3）食用菌菌渣和混和材料抗分解能力最强，抗分解能力强的材料在腐解的过程中体积变化较小，同样质量的材料获得的产品较多。而小麦和玉米秸秆体积减少较多。

（4）通过发芽指数测定，可以基本确定玉米秸秆最少腐解2周，小麦秸秆、混合材料和食用菌菌渣最少需要腐解3周才可以作为基质使用。

（5）通过营养成分分析和金属含量测定，可以确定，四种材料腐解后均可安全使用，同时种植作物时可以根据不同的营养成分需求进行选择。