不同堆肥材料及其碳氮比对餐厨废弃物堆肥进程中养分及微生物的影响

2022-09-30游宏建张美君安明远申佳丽曹云娥

西南农业学报 2022年7期

游宏建, 张美君，安明远,申佳丽，曹云娥

(宁夏大学农学院，银川 750000)

【研究意义】随着当今社会的快速发展，人们经济水平的提高，随之而来的餐厨垃圾逐年增加。我国一些城市餐厨废物在生活垃圾中占比为：北京 37%、天津 54%、上海 59%、沈阳 62%、深圳 57%、广州 57%、济南 41%[1-2]。2017 年，我国餐厨废弃物总量达到 9900万t[3]。如果餐厨废弃物没有可行的处理方式，就会影响城市环境，污染水资源、甚至污染人体健康[4]。因此，餐厨垃圾的无公害处理已经成为一个世界性问题。鉴于餐厨废弃物具有高度资源性和严重污染性的双重特点[5]，如何环无公害的处置餐厨废弃物,一直都是研究的重点[6]。【前人研究进展】研究发现，通过堆肥腐熟的过程可以将餐厨废弃物充分腐熟，将餐厨废弃物转化为有机肥料，达到回收利用水平[7-8]。影响堆肥腐熟进程的因素一般分为环境条件(温度、含水率、pH、EC等)和物料特性(C/N比、养分含量、颗粒大小、孔隙度等)[9-11]。其中，堆肥物料C/N比会直接影响微生物代谢过程，也是影响堆肥产品质量的关键因素[12]。一般研究认为，堆肥过程中微生物生长发育最佳C/N比是20～35。比值过高，氮素不足，导致微生物的活动受到限制；比值过低，氮素不足，多余的氮素以NH3或者渗滤液的形式损失[13]。目前，关于不同材料对堆肥腐熟程度和堆肥品质的影响已有相关研究。赵建荣等[14]研究发现，以鸡粪、小麦秸秆为原料，C/N比25时堆肥腐熟程度和养分较高。Zhou等[15]以猪粪、食用菌渣和米糠为原料，研究得出C/N比20～25时对氮素损失小，堆肥品质高。陈雅娟[16]等研究发现，C/N比25时对鸡粪中碳素和氮素的转化最优。【本研究切入点】目前对于不同C/N比和材料联合堆肥相关研究较少，因此本试验通过设置不同的碳氮比，添加木屑和秸秆联合堆肥，测定堆肥过程中的各个堆肥指标的变化过程，利用种子发芽试验验证堆肥的腐熟程度。【拟解决的关键问题】探索餐厨废弃物堆肥在设施园艺栽培中的应用价值提供依据，同时对于实现餐厨垃圾资源合理化利用和无污染处理具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 实验原料

堆肥材料采用餐厨废弃物、玉米秸秆、木屑，分别由银川市宝绿特公司、宁夏万辉生物科技有限公司和银川园林场地提供，玉米秸秆未作任何处理，木屑用粉粹机粉粹成5 cm左右的碎屑(表1)。

表1 各种原材料的基本养分含量

1.2 实验装置

堆肥试验在宁夏回族自治区园林厂进行，位于中国季风区的西缘，夏季受东南季风影响，时间短，降水少，7月最热，平均气温24 ℃；冬季受西北季风影响大，时间长，气温变化起伏大，1月最冷，平均气温-9 ℃，全区年降水量在150～600 mm。

1.3 实验方法

本试验采用户外堆置的方式进行，试验周期为100 d。选择餐厨废弃物、木屑和秸秆为试验材料，根据不同的碳氮比(20∶1、25∶1、30∶1)，将3种堆肥材料单一或混合配用，T1餐厨废弃物(3.85 t)+木屑(0.54 t)，碳氮比20∶1；T2餐厨废弃物(3.3 t)+木屑(0.8 t)，碳氮比25∶1；T3餐厨废弃物(2.8 t)+木屑(1.04 t)，碳氮比30∶1；T4餐厨废弃物(3.9 t)+玉米秸秆(0.48 t)，碳氮比20∶1；T5餐厨废弃物(3.5 t)+玉米秸秆(0.69 t)，碳氮比25∶1；T6餐厨废弃物(2.8 t)+木屑(0.93 t)，碳氮比30∶1。最后将腐熟好的餐厨废弃物，取浸提液8 mL，置于垫有滤纸的培养皿中，取20粒小白菜种子，放在20 ℃的光照培养箱中，并且在黑暗条件下进行培养，48 h后测定其发芽率。

1.4 分析方法

在翻堆初期和翻堆时进行取样，分别在堆体四边和中心处，取150 g，然后将样品混匀，分为两份。一份自然风干后，经研磨过0.5 cm筛后，另一份4 ℃冰箱保存。

测定项目包括堆肥的温度、含水量、pH、速效养分、全效养分、有机质、土壤酶活性及其微生物，最后在发芽试验中测定土壤堆肥过程中的种子的发芽指数。5 d测定1次温度，五点法取平均值，其余的指标均20 d采一次样；含水量采用烘干质量法测定；速氮、全氮采用凯氏定氮仪进行测定；速磷、全磷采用钼锑抗比色法测定；速钾、全钾采用0.5 mol/L NaHCO3浸提——火焰光度法测定，有机质采用丘林法进行测定；纤维素酶和蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定，过氧化氢酶采用高锰酸钾比色法测定，脲酶采用苯酚钠—次氯酸钠比色法进行测定。

微生物培养采用平板菌落计数法，细菌采用LB营养琼脂培养基，真菌采用孟加拉红培养基，放线菌采用高氏1号培养基，将堆肥菌液划线于细菌培养基、放线菌培养基和真菌培养基上，前两者30 ℃倒置培养3 d，后者28 ℃倒置培养6 d。其中，每克堆肥样品中含有的活菌数(CFU/g)=(菌落平均数×稀释倍数)/接种量(mL)×(1-样品含水量)。

1.5 数据分析

采用Excel 2019对数据进行整理与统计，采用Origin 2018进行作图，并用SPSS 26.0进行单因素方差分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度和含水量的变化

由图1-a可知，所有处理的土壤温度都是呈现先上升，达到温度最高点后逐渐平缓，然后快速下降，最后趋于环境温度。T1、T4、T5、T6均在5 d就达到高温期，分别为63、63、66、70 ℃，T2和T3则在20 d左右达到高温期，分别为72、58 ℃，随后所有处理达到最高温度后趋于平缓，在85～90 d的时候迅速进入降温期，在10～15 d左右堆肥温度和环境温度趋于一致。

从图1-b可知，由于初期餐厨废弃物含有大量的水分，T1～T6的堆肥初期的含水量均在63%左右，但是随着堆肥的进行，堆肥含水量迅速下降，直到堆肥末期，所有处理的含水量均降至5%以下，分别为4.56%、4.97%、4.24%、3.53%、5.28%、3.81%。

图1 堆肥过程中温度(a)和含水量(b)的变化Fig.1 Changes of compost temperature (a) and moisture content (b) during composting

2.2 堆肥过程中堆肥电导率(EC)和pH的变化

由图2-a可知，堆肥初期，所有处理的电导率均较高，其中T6值最高，达到5.24 mS/cm，是由于堆肥初期餐厨废弃物的高盐分所导致。美国农业部标准规定堆肥结束后 EC 值需≤4.3 mS/cm，否则即为高含盐堆肥，会对植物的生长造成危害，到堆肥末期，T1～T6的电导率(EC)均在4 mS/cm以下，符合标准。

图2 堆肥过程中EC(a)和pH(b)的变化Fig.2 Changes of EC(a) and pH(b) during composting

由图2-b可知，堆肥初期所有处理的pH都较低，其中T1的pH最低，为5.69，T5最高，为7.11，均呈现弱酸性，随着堆肥的进行，微生物活动，分解含氮的有机质而产生氨，导致pH的升高，最后pH稳定在8左右，呈现弱碱性。

2.3 堆肥过程中全效、速效养分的变化

从图3-a～图3-c可知，速效氮在堆肥初期含量较低，均在10 mg/kg以下，T1含量最低，为2.24 mg/kg，T4含量最高，为7.75 mg/kg。随着堆肥的进行，在40 d的时候，速效氮的含量剧烈上升，其中T1、T2、T3在60 d的时候达到最高点，速效氮的含量分别为100.52、68.81、73.36 mg/kg，然后在60 d之后慢慢下降；T4、T5、T6在80 d的时候达到峰值，含量分别为120.96、118.16、104.16 mg/kg，之后，在后20 d含量逐渐下降。速效磷在堆肥前中期，变化较稳定，呈上升趋势，在后期逐渐下降。T1、T2分别在100和40 d的时候达到最大值，分别为59.98、60.14 mg/kg；T3、T4、T5、T6则在60 d达到最大值，分别为60.66、53.70、52.25、60.18 mg/kg。速效钾与速效氮和速效磷呈现类似趋势，在80 d的时候达到最大值，随后降低。其中，T1～T6的最大值分别为345.17、355.71、337.26、370.22、372.86、378.13 mg/kg。

从图3-d～图3-f可知，其中全氮在堆肥20 d时，T1、T2、T3呈下降趋势，T4、T5、T6呈上升趋势，并达到最大值，分别为17.00%、9.06%、9.86%，然后所有处理均呈下降趋势，到80 d的时候达到最低值，T1～T6分别为0.63%、0.85%、0.88%、1.83%、1.64%、1.96%，随后又逐渐上升。在全磷的变化曲线中，T1、T2、T3在堆肥前60 d呈上升趋势，并达到最大值，分别为2.53%、3.05%、3.23%，随后逐渐降低。T4、T5、T6的变化曲线与前3个处理不同，在堆肥前期呈上升状态，并在20 d时达到最大值，分别为5.16%、4.78%、6.34%，然后再20～40 d降低，随后在40～80 d有呈现上升趋势，随之下降，到100 d趋于稳定，T1～T6分别为1.80%、1.51%、1.52%、1.82%、2.16%、1.68%。全钾呈现于全氮、全磷不同的趋势，其中，T1、T2、T3堆肥前20 d呈上升趋势，随后降低，到60 d达到较低值，60～80 d缓慢上升，在80～100 d剧烈上升，达到峰值，分别为26.83%、28.73%、22.72%，T4、T5、T6在堆肥前60 d呈下降趋势，并达到最低值，分别为6.26%、5.31%、6.58%，随后剧烈上升，达到峰值，分别为31.26%、27.15%、33.79%。

图3 堆肥过程中速效养分(a、b、c)和全效养分(d、e、f)的变化Fig.3 Changes of available and total nutrients during composting

2.4 堆肥过程中有机质的变化

由图4可知，有机质的含量呈现总体下降的趋势，在堆肥0～40 d，有机质含量缓慢下降，40～60 d含量剧烈增加，并达到最大值，其中，T1～T6有机质含量分别为224.26%、251.88%、254.05%、275.15%、216.81%、247.22%，达到最大值之后持续下降，100 d时T1～T6有机质含量分别为73.65%、65.99%、67.85%、80.89%、75.71%、94.31%，从60 d最高值到堆肥结束，有机质损失率达到67.19%、73.81%、73.29%、70.60%、65.17%、61.85%。

图4 堆肥过程中堆肥有机质的变化Fig.4 Changes of organic matter during composting

2.5 堆肥过程中酶活性变化

由图5-a可知，过氧化氢酶的含量呈现总体下降的趋势，在堆肥20 d时，T4、T5达到峰值，分别为4.63、3.75 mg/(g·h)，40 d时，T1、T2、T3、T6达到峰值，分别为3.30、3.25、3.33、5.09 mg/(g·h)，随着堆肥时间的延长，含量逐渐下降，100 d基本均已达到最小值，T1～T6的过氧化氢酶的含量分别为0.46、0.43、0.45、0.42、0.47、0.44 mg/(g·h)。

图5 堆肥过程中酶活性的变化Fig.5 Changes of enzyme activity during composting

由图5-b可知，蔗糖酶的含量有呈总体下降的趋势，在堆肥初期，T3、T4、T5含量均已达到峰值，分别为8243.00、8445.72、5844.36 mg/(g·h)，20 d时，T1、T2、T6达到峰值，为9129.00、6666.44、7688.95 mg/(g·h)，随后降低，100 d时达到最低值，T1～T6的蔗糖酶的含量分别为207.50、273.13、330.20、402.06、336.95、372.09 mg/(g·h)。

由图5-c可知，堆肥中脲酶总体呈现出先上升，然后下降，再上升的趋势，20 d时，T6达到峰值，为220.94 mg/(g·h)，40 d时，T1～T5达到峰值，分别为485.42、433.88、489.82、362.77、397.13 mg/(g·h)，60 d时，T4、T6达到最低值，为32.36、21.58 mg/(g·h)，T1、T2、T3、T5达到最低值分别为23.93、38.35、13.58、7.49 mg/(g·h)，随后逐渐上升。

由图5-d可知，堆肥中纤维素酶总体呈现下降趋势，T1、T2、T3在初始时达到峰值，为7.20、7.92、4.69 mg/(g·h)，20 d时，T4、T5、达到峰值，为7.02、7.57 mg/(g·h)，T6在60 d时达到峰值，为4.92 mg/(g·h)。

2.6 堆肥过程中微生物数量的变化

由图6-a可知，堆肥中细菌总体趋势为先上升，后下降，随后又上升的趋势。T1在堆肥40 d达到峰值，为27.33×108CFU/g，T2～T6均在60 d时达到峰值，分别为23.36×108CFU/g、26.03×108、27.84×108、29.28×108、29.45×108CFU/g，然后60～80 d时迅速下降，80～100 d又呈现上升趋势。

图6 堆肥过程中细菌(a)、真菌(b)和放线菌(c)的变化Fig.6 Microbial changes during composting

由图6-b可知，堆肥过程中真菌总体呈上升趋势，除了T2在堆肥0～20 d呈上升趋势外，其余处理均是下降趋势，T1在60 d达到峰值，为2.91×108CFU/g，其余处理尽在堆肥末期达到峰值，T2～T6的真菌数量分别为2.00×108、1.67×108、4.67×108、2.00×108、7.33×108CFU/g。

由图6-c可知，堆肥过程中放线菌总体趋势呈下降趋势。在堆肥0～20 d时，T3、T5呈现下降趋势，其余处理均呈现上升趋势，在60 d时均达到峰值，T1～T6分别为25.50×108、16.01×108、28.17×108、27.06×108、26.05×108、26.37×108CFU/g，随后降低，在100 d时均呈现最低值，T1～T6分别为2×108、8.33×108、4.67×108、2.33×108、3×108、4.33×108CFU/g。

2.7 堆肥过程中腐熟土壤种子发芽指数的变化

由图7可知，堆肥过程中种子发芽指数(GI)总体呈现上升趋势，最低值均出现在堆肥前期，也就是餐厨废弃物未腐熟时，T1～T6分别为22.01%、15.30%、11.02%、24.57%、34.79%、23.76%，随着堆肥时间的延长，种子发芽指数不断提高，所有处理的种子发芽指数均在80或100 d达到峰值，T1～T6分别为166.52%、120.32%、87.56%、124.79%、136%、144.05%。种子发芽指数的不断提高，说明餐厨废弃物已经完全腐熟，已经达到可以再利用水平。

图7 堆肥过程中腐熟土壤种子发芽指数的变化Fig.7 Changes in seed germination index of mature soil during composting

2.8 各堆肥腐熟指标之间相关性分析

由表2可得，pH与纤维素酶、种子发芽指数负相关(P<0.05)，相关性为-0.859、-0.817；速磷与放线菌负相关(P<0.05)，相关性为-0.842，与细菌显著相关(P<0.01)，相关性-0.984；速钾与过氧化氢酶、脲酶、真菌相关(P<0.05)，相关性为0.838、-0.824、0.821；全磷与真菌相关(P<0.05)，相关性为0.901，与过氧化氢酶、脲酶显著相关(P<0.01)，相关性为0.962、-0.99；全钾与真菌相关(P<0.05)，相关性为0.849，与过氧化氢酶、脲酶显著相关(P<0.01)，相关性为0.946、-0.90；有机质与过氧化氢酶、脲酶显著相关(P<0.01)，相关性为0.951、-0.973。

表2 各堆肥腐熟指标之间的相关性分析

2.9 各腐熟指标的主成分分析(PCA)

将具有相关性的指标，pH、速磷、速钾、全磷、全钾、有机质、过氧化氢酶、脲酶、纤维素酶、放线菌、细菌、真菌、种子发芽指数进行主成分分析(PCA)，自动拟合出3个主成分。从表3可以看出，拟合的3个主成分累计贡献率为94.22%，可以反映处理的主要信息。

表3 堆肥腐熟指标主成分的特征值及贡献率

将拟合好的数据代入进行计算，主成分得分计算公式如下：

F1=-0.27X1-0.17X2+0.3X3+0.35X4+0.33X5+0.33X6+0.34X7-0.35X8+0.26X9+0.1X10+0.16X11+0.32X12+0.12X13

F2=-0.29X1+0.47X2+0.2X3-0.03X4+0.04X5-0.13X6-0.05X7-0.02X8+0.27X9-0.42X10-0.48X11+0.05X12+0.38X13

F3=-0.35X1-0.21X2-0.18X3-0.03X4-0.27X5-0.19X6-0.174X7-0.15X8+0.11X9+0.51X10+0.08X11+0.08X12+0.6X13

F=W1F1+W2F2+W3F3

经过计算，各处理得分情况如表4所示，T6腐熟后效果最好，排序结果为T6>T4>T5>T1>T2>T3。

表4 堆肥腐熟指标的主成分分析及得分情况

3 讨论

3.1 餐厨废弃物腐熟过程中理化性质的变化

腐熟温度的变化和腐熟过程中与微生物有一定的相关性，并且微生物会影响有机物的分解速率，是堆肥成功与否的重要指标[16]。含水率堆肥末期含水量均降至6%以下，值得注意的是，中C/N比处理的含水率至末期均最高，可能是因为中C/N比最有利于微生物繁殖，从而导致堆肥含水率较高。

3.2 餐厨废弃物腐熟过程中堆肥生化性质的变化

在餐厨废弃物腐熟过程中，酶参与其生理生化变化，分析相关的酶活性，可以反映餐厨废弃物腐熟的进程[23]。餐厨废弃物中有机物的分解主要取决于过氧化氢酶的活性，本试验中过氧化氢酶的浓度呈现下降趋势，主要与堆肥的温度密切相关。蔗糖酶的作用主要是分解堆肥过程中的一些蔗糖类物质[24]，由于本试验各处理碳氮比不同，出现高温的时间也不同，因此蔗糖酶的变化也不同，但是所有处理均呈现下降趋势。脲酶属于酰胺酶，与氮素密切相关，且只能水解尿素[25]，本试验呈现上升、下降、再上升的趋势，脲酶主要与嗜热菌微生物数量多少有关，与温度呈现负相关。纤维素酶是植物碳循环过程的关键酶，主要用于分解处理秸秆和木屑中的纤维素和木质素[26]，因此纤维素酶的活性直接影响本试验的堆肥腐熟进程，本试验中纤维素酶呈现下降趋势，在初期，纤维素酶的喜低温微生物含量多，因此前期活性较高，后期由于温度的升高，喜低温微生物被杀死，影响其活性。

有机质的含量是评价土壤肥力的重要指标，也是体现餐厨废弃物堆肥腐熟后能否利用的关键。在本试验中，有机质呈现先上升后下降趋势，与温度、pH、微生物活动都密切相关[27]，前期随着温度和pH的升高，微生物活动频繁，有机质含量随之升高，后期温度下降，有机质含量随之降低。

3.3 餐厨废弃物腐熟过程中微生物的变化

微生物的活性与堆肥腐熟进程密切相关[28]。温度、pH、EC、水分等都可能影响微生物的活性。本试验中，细菌和放线菌呈下降趋势，真菌相反，呈现上升趋势。细菌在初期，由于堆肥温度上升，嗜温细菌死亡，嗜热细菌增多，中后期温度达到峰值，细菌数量减少，放线菌主要作用是分解纤维素和木质素[29]，前期木屑和秸秆较多，所以放线菌增多，后期由于纤维素和木质素的分解导致含量减少，因此放线菌减少。在堆肥腐熟过程中，嗜温真菌占大多数[30]，随着堆肥温度的升高，嗜温真菌减少，到堆肥后期，温度下降，真菌增多。