不同氮源和发酵剂含量对国槐树枝堆肥的影响

2022-09-22贾占稳吴芳芳年晓晨王冲冲刘桂林

湖北农业科学 2022年15期

贾占稳，吴芳芳，年晓晨，王冲冲，刘桂林

（河北农业大学园林与旅游学院，河北保定 071000）

城市化进程加快，城市覆盖率不断增加，园林废弃物也逐渐增多［1］。园林废弃物是指在城市绿化美化进程中所产生的枯叶、落叶、草屑、败花及其他绿化修剪物等；其成分主要以有机质为主，同时富含纤维素、木质素［2］。园林废弃物的处理对生态环境的影响很大，如若处理不当，甚至会对生态环境起破坏作用［3］。中国传统的处理方式主要为填埋和焚烧［4］，这对生态环境有着十分不利的影响；如果处理得当，则可达到一举两得的效果［5］。园林废弃物来自于大自然，最终应将其返回给大自然，因此大多采用堆肥方式处理［6］。

本研究针对中国园林废弃物的堆肥现状，根据影响堆肥的诸多因素，探究不同处理下的最适堆肥方案，以期为今后堆肥发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥原料为国槐树废弃物粉碎物，粒径5～10 mm、试验菌剂为EM菌液（河南农富康em益生菌）、尿素、硫酸铵、氯化铵。

1.2 试验设计

堆肥试验在温室进行，试验装置为25 L、直径310 mm，高度450 mm的塑料圆形发酵桶。控制含水量在60%左右，碳氮比为25∶1。试验设置9组处理，每个处理重复3次。CK为空白对照，即不加氮源和发酵剂；T1：0.5%发酵剂+尿素；T2：1.0%发酵剂+尿素；T3：1.5%发酵剂+尿素；T4：0.5%发酵剂+氯化铵；T5：1.0%发酵剂+氯化铵；T6：1.5%发酵剂+氯化铵；T7：0.5%发酵剂+硫酸铵；T8：1.0%发酵剂+硫酸铵；T9：1.5%发酵剂+硫酸铵。

1.3 指标测定

分别在堆肥开始的第0、6、12、18、24、30天取样，每次于堆肥的上部、中部和下部采样，混合均匀后采用四分法取样，在105℃烘箱中烘至恒重，磨碎后过孔径0.25 mm筛，用于测定各项理化性质指标，包括pH、EC、全碳、全氮、全磷和全钾含量［7］。

pH采用pH计测定，EC采用电导仪测定，全碳含量采用重铬酸钾滴定法测定，全氮含量采用凯氏定氮法测定，全磷含量采用钼锑抗比色法测定，全钾含量采用火焰原子吸收光谱法测定［8］。

1.4 数据处理与分析

采用Origin 9软件进行数据处理，SPSS 21.0软件进行显著性分析、相关性分析和综合评价等数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对堆肥过程理化性质的影响

2.1.1 堆肥过程中pH的变化pH与堆肥进程密切相关，中性到弱碱性的环境较适合微生物的活动，因此可通过酸碱性来了解物料的堆肥进程［9］。本研究所用的国槐树枝废弃物初始呈酸性，不同处理堆肥过程中物料的pH变化曲线如图1所示。由图1可知，各处理条件下物料pH整体呈上升趋势，且都显著高于CK（P＜0.05）。pH上升与微生物活动、高温分解有机物形成氨氮有关，大部分处理的pH在堆肥中期略有下降，是因为高温造成氮气挥发。个别处理没有出现这种情况，可能因为反应较缓慢，高温时间较短。T1、T2、T3条件下，堆肥物料的pH差异不显著但是均显著高于其他处理（P＜0.05），且在0～12 d内基本增长至最大值。各处理的pH表现为T1＞T3＞T2＞T7＞T8＞T4＞T5＞T9＞T6＞CK。

图1 不同处理堆肥过程中pH的变化

2.1.2 堆肥过程中EC的变化EC表示的是堆肥产品中可溶性盐的含量，一般植物的种类不同，EC也不尽相同。EC与植物的生长离不开，太低则营养成分匮乏，太高又会构成盐渗透胁迫［10］。不同处理堆肥过程中物料的EC变化曲线如图2所示。由图2可知，各处理条件下物料EC整体呈上升趋势，且都显著高于CK（P＜0.05）。但是大部分处理EC又经过了一个下降的过程，而后趋于稳定，EC升高是因为微生物对有机质进行了降解，产生了小分子物质；EC降低是因为堆肥过程中一些可溶性养分被微生物利用。个别处理没有经过先上升又下降过程，一直呈缓慢上升趋势，可能是因为堆肥过程较缓慢，微生物活动利用养分的速率低于分解速率。各处理EC上升或下降的时间点不一致是因为反应速率不同。其中T1、T2、T3的EC始终显著低于其他处理（P＜0.05）；T7、T8、T9基本低于T4、T5、T6。所有处理的EC均小于7 mS/cm，且达到腐熟标准。第30天，各处理的EC表现为T6＞T5＞T4＞T8＞T7＞T9＞T3＞T1＞T2＞CK。

图2 不同处理堆肥过程中EC的变化

2.1.3 堆肥过程中全碳的变化堆肥过程中微生物对有机质进行分解，将其转化为可供植物吸收的小分子物质，因此有机碳的分解情况可以反映堆肥的进行程度。不同处理堆肥过程中物料的碳含量变化曲线如图3所示。由图3可知，各处理条件下物料碳含量整体呈下降趋势，且都显著低于CK（P＜0.05）。0～12 d，各处理条件下物料碳含量下降速度快；12～30 d，碳含量下降速度较慢。主要原因是前期微生物活动较剧烈，分解速率快，为堆肥的升温阶段；后期温度逐渐下降，微生物活动较缓慢，反应比较平缓，为堆肥的降温稳定阶段。堆肥0～30 d，T7处理物料碳含量显著低于其他处理（P＜0.05），下降最多，下降到430.03 g/kg，下降了238.30 g/kg，分解速率为35.66%。其次为T8和T1，均下降到465.50 g/kg，下降了202.83 g/kg，分解速率为30.35%；T6下降最少，下降到538.63 g/kg，下降了129.69 g/kg，分解速率为19.41%，其次为T3和T5，分别下降到529.78 g/kg和514.42 g/kg，分别下降了138.54 g/kg和153.91 g/kg，分解速率分别为20.73%和23.03%。各处理分解速率T7＞T8=T1＞T9＞T4＞T2＞T5＞T3＞T6＞CK。

图3 不同处理堆肥过程中全碳的变化

2.1.4 堆肥过程中全氮的变化微生物的生长活动离不开氮素，氮素是其重要的营养物质，因此氮素影响着堆肥产品的质量［11］。不同处理堆肥过程中物料的全氮变化曲线如图4所示。由图4可知，各处理条件下物料全氮均呈增长趋势，且都显著高于CK（P＜0.05），含氮量的上升是因为微生物对有机物进行分解，物料的体积和质量呈下降趋势，氮素相当于被浓缩，致使总氮的浓度增大。各处理初始全氮量均为0.90%，T1、T2、T7的全氮显著高于其他处理（P＜0.05），增加最多，分别增加到5.90%、5.43%、5.39%，是初始含量的6.55倍、6.03倍、5.99倍；T6、T5、T4增长最慢，分别增长到3.24%、3.41%、3.54%，是初始含量的3.60倍、3.80倍、3.93倍。各处理分解速率T1＞T2＞T7＞T8＞T3＞T9＞T4＞T5＞T6＞CK。

图4 不同处理堆肥过程中全氮的变化

2.1.5 堆肥过程中全磷的变化在堆肥过程中，磷元素的含量比较稳定。随着发酵时间的延长，堆体干物质质量减少，其磷元素含量在逐渐增多［12］。不同处理堆肥过程中物料的全磷变化曲线如图5所示。由图5可知，各处理条件下物料全磷整体均呈增长趋势，都高于CK，且除T6外都显著高于CK（P＜0.05）。其中，T1处理增加值最多，显著高于其他处理（P＜0.05），其次是T2和T7。各处理全磷初始值均为0.25 g/kg，T1、T2和T7 3个处理分别增长到0.56、0.53、0.52 g/kg，增长率分别为127.36%、113.48%和108.45%；T6处理增加最少，增长到0.39 g/kg，增长率为58.10%；其次是T9和T5，分别增长到0.42、0.44 g/kg，增长率分别为68.89%和76.94%。各处理分解速率T1＞T2＞T7＞T8＞T4＞T3＞T5＞T9＞T6＞CK。

图5 不同处理堆肥过程中全磷的变化

2.1.6 堆肥过程中全钾的变化钾的含量变化与磷的含量变化大致相同，不同处理堆肥过程中物料的全钾变化曲线如图6所示。各处理条件下物料全钾均呈增长趋势，且都显著高于CK（P＜0.05）。其中，T1的增加值最多，显著高于其他处理（P＜0.05），其次是T7和T2，T1、T7和T2分别增加到1.08%、1.00%和0.96%；T6增加最少，增加到0.71%；其次是T5和T9，分别增加到0.82%和0.83%。各处理分解速率T1＞T7＞T2＞T8＞T3＞T4＞T9＞T5＞T6＞CK。

图6 不同处理堆肥过程中全钾的变化

2.2 堆肥过程中各理化指标的相关性分析

堆肥过程中物料的各类理化性质指标的相关性分析见表1。由表1可知，pH与EC（r=-0.678）之间呈极显著负相关，与全氮（r=0.590）、全磷（r=0.621）和全钾（r=0.588）呈极显著正相关；全碳与全氮（r=-0.694）、全磷（r=-0.628）和全钾（r=-0.746）呈极显著负相关；全氮与全磷（r=0.805）和全钾（r=0.929）呈极显著正相关，全磷与全钾（r=0.928）呈极显著正相关。其他指标之间存在一定相关关系，但差异不显著。

表1 堆肥过程中理化指标的相关性分析

2.3 处理的综合评价

2.3.1 堆肥过程中理化指标的主成分分析运用SPSS软件进行主成分分析，结果如表2所示。由表2可知，前2个主成分中的方差占全部方差的比例为89.573%，表明前2个主成分反映了堆肥进程理化指标89.573%的信息量，其中第一主成分特征值为3.775，方差贡献率为62.923%，对应较大向量依次是全钾、全磷和全氮，因此可以用第一主成分代表这些指标；第二主成分特征值为1.599，方差贡献率为26.650%，对应较大向量依次是EC、pH和全碳。因此可以用第二主成分代表这些指标。

表2 理化指标主成分分析

2.3.2 各处理的综合得分评价由表3可知，第一主成分中，T1、T2和T7得分较高；第二主成分中，CK、T3和T2得分较高。由于第一主成分的方差贡献率较大，包含6个指标的大部分原始信息，第二主成分方差贡献率小不能较好地表达各处理对堆肥进程的影响，因此选取第一主成分作为各处理对堆肥进程影响的综合评价。由第一主成分可知，处理T1（0.5%发酵剂+尿素）对堆肥进程影响最大，其次是处理T2（1.0%发酵剂+尿素），表明尿素对第一主成分得分影响较大，对堆肥进程的影响大于发酵剂含量。由综合得分可知，CK得分最低，氮源为尿素的处理高于其他氮源的处理，结论与第一主成分得分一致。

表3 堆肥过程中理化指标的综合评价

3 讨论

3.1 pH变化规律

pH和微生物的生长活动密切相关，一般微生物喜欢中性到偏碱性的环境，因此好氧堆肥进程可以用pH来反映。在本试验中，前期阶段pH迅速升高，这是因为此阶段微生物反应剧烈，高温形成氨氮；之后pH略有下降，这是因为部分氨氮形成氨气挥发；最后趋于稳定则是堆肥进程处于腐熟阶段的表现。部分处理pH较低，可能是因为堆肥进程较慢，腐熟不完全，还残留一些氮源物质等。本试验中pH的变化规律与杨娜［13］得到的结果相似。

3.2 EC变化规律

EC的大小与植物能否正常生长息息相关，EC过低则营养不良，太高又会造成盐胁迫。因此判断堆肥是否成功离不开EC。在本试验中，EC先呈增长趋势，而后略有下降最后又逐渐趋于稳定。这与王琳［14］得出的变化规律相似。EC的升高与微生物分解有机质产生小分子物质有关，EC的降低可能原因是小分子物质被利用或产生氨气等。部分处理EC偏高，可在使用前进行淋洗处理。

3.3 全碳变化规律

好氧堆肥的本质是在通氧条件下微生物分解有机物并释放热量的过程。因此可以通过有机碳的分解情况直观反映堆肥的进行程度。在本试验中，堆肥阶段有机碳含量呈下降趋势，这是因为碳元素不断以气体的形式扩散到大气中。前期分解速度较快，主要是分解一些易降解的可溶性物质，后期分解速度较慢且趋于稳定，主要是对一些不溶的难降解的物质进行降解。这也符合李磊［15］得出来的结果。

3.4 全氮变化规律

氮素在堆肥过程中至关重要，是合成氨基酸的必需品。然而植物体内氮素含量较低，往往需要外源施加氮源。在本试验中施加氮源使碳氮比保持在25/1，周爱松等［16］、詹孝慈等［17］研究发现这一比例较有利于堆肥的进行。在本试验中，全氮值呈不断增长的趋势，这是因为随着堆肥时间的延长，物料的水分被蒸发，物料的体积和质量呈下降趋势，氮素相对被浓缩，并且部分微生物具有固氮作用。得到了与吴阳［18］和宋文忠［19］相似的变化规律。

3.5 全磷和全钾变化规律

堆肥过程中磷和钾的含量变化十分相似，都是随着发酵时间的延长，含量不断增加。在本试验中，各处理全磷含量和全钾含量呈不断增长趋势，得到了与于鑫［20］相似的结论。这是因为堆肥过程中微生物活动剧烈，不断分解有机质，产生二氧化碳或氨气等气体被扩散到大气中，或者形成水分被蒸发等，进而导致物质的干物质质量降低，全磷和全钾的含量相对浓缩而增加。