不同微生物菌剂对园林废弃物堆沤效果的影响

2022-10-09曾思颖陆耀东常欣蕾陈显鹏聂呈荣

佛山科学技术学院学报(自然科学版) 2022年5期

曾思颖，陆耀东，常欣蕾，陈显鹏，聂呈荣*

（1.佛山科学技术学院食品科学与工程学院，广东佛山 528225；2.广东碧然美景观艺术有限公司，广东佛山 528200）

由于城市发展与生态文明建设需求，促使全国城市建设绿地的面积不断增长，而园林废弃物含量却不断上升。园林废弃物，也称生物垃圾或绿色垃圾，主要是由植物凋落、人工修剪所产生的植物残体，一般以修剪枝叶和落败花草枝叶为主。据统计，2016 年上海市每年树木剪枝超过7×105t，2018 年欧盟产生的2.49×108t 的城市固体废物中园林有机废弃物占有3.6×107t［1］。面对日益增加的园林废弃物数量，探寻生态化、高效化、科学化的处理方式成为趋势。

传统的园林绿化废弃物收集后会进行填埋、焚烧，这两种方式均容易造成资源浪费和环境破坏。堆沤能较好地解决园林废弃物不易腐熟及污染土壤的问题。传统堆沤具有升温慢、周期长、堆沤产物品质差等问题，这是由于园林废弃物结构复杂，纤维素、半纤维素和木质素等不易被微生物降解。研究中发现，添加微生物菌剂进行堆沤，可在微生物作用下经高温发酵使有机物分解，从而加快堆沤的速度和堆沤的品质。园林有机废弃物进行堆沤处理，腐熟后的产品因富含植物所需各种元素，满足植物生长各种需求，可用作植物生长的栽培基质［2］，不仅能够提高土壤中的孔隙度，调节酸性土壤，而且能够有效地减少土壤中重金属的危害，维护土壤在生态系统的良性循环，从而保证植物健康成长［3］。园林有机废弃物资源化，在构建生态文明城市、提高生态环境效益等方面有着重要意义，并且对经济社会可持续发展产生深远影响［4］。

本文旨在通过添加不同的微生物菌剂产品进行园林废弃物堆沤试验，了解物料在堆沤过程中各项指标的变化并比较堆沤的最终产品，试验出更有利于加快园林废弃物堆沤速度及提高堆沤品质的微生物菌剂产品，不仅为微生物菌剂促进堆腐的研究提供借鉴，而且为园林废弃物的资源化利用和堆沤技术的推广提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验的材料是以2021 年6 月新鲜修剪的榕树、芒果树为主的行道树枝叶。由广东碧然美景观艺术有限公司提供，园林有机废弃物通过粉碎机粉碎为长＜10 cm、宽＜5 cm、厚＜3 cm 的碎块，试验样品的基本性状如表1 所示。

表1 试验样品的基本性状

微生物菌剂说明：1）金宝贝（JB）：购买的金宝贝发酵助剂由北京华夏康源科技生产，是由细菌、丝状菌、酵母菌、放线菌等多种天然有益微生物群组成的复合菌。2）金葵子腐杆灵（JK）：是由佛山金葵子植物营养有限公司提供的有机物料腐熟剂腐杆剂，主要的菌种为多粘类芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、短短芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌等。3）广州微元（WY）：是由广州市微元生物科技有限公司生产的生物功能菌，有效活菌数≥2×1010cfu/g。

其他材料说明：购买安阳中盈化肥有限公司的尿素，总氮含量≥46.0%。

1.2 试验设计

试验地点位于广东省佛山市南海区三山碎枝场，开始时间为2021 年6 月12 日，为露天静态堆沤。实验有4 种处理，分别为金宝贝菌剂（JB）试验堆、金葵子菌剂（JK）试验堆、广州微元（WY）菌剂试验堆、CK 对照，如表2 所示；每种处理为4 次重复，总共16 个堆沤实验堆，研究添加不同微生物菌剂对园林有机废弃物的影响。

表2 不同外源添加剂处理园林废弃物堆沤

堆沤初步处理有：C/N 比调节25：1～30：1，含水率50～60%，按说明剂量添加菌剂、水分等处理；每一个试验堆体积＞3 m3，圆锥状，高＞1.5 m，直径＞2 m，粉碎后鲜样重量＞600 kg。

堆沤试验为露天静态堆沤发酵，即堆制完成后，堆沤体后期不进行翻堆、加水、覆膜等管理工作。堆沤于11 月12 日结束，历时5 个月，总共153 d。堆体堆沤开始后，每周对堆体进行观察，记录温度、物料颜色、有无臭味；每个月采集样品，测定其pH、电导率、有机碳、腐殖质、发芽率、T 值、总氮等指标，以此判定堆沤体腐熟度，并根据pH、电导率进一步确定堆沤产品的使用性质。

1.3 测定项目与方法

温度：使用笔式探针温度计测定，堆沤初步处理完成后，每7 d 测温一次。测量温度时间为15 时，采取多点测温，取平均值。

采样及样品处理：每个月采一次样，分别在堆体顶部、中部30 cm 深处采用4 点采样法取样，充分混匀后带回实验室进行风干、研磨，过1 mm、0.25 mm 及0.149 mm 网筛，并将过筛好材料以密封罐存储，用于测定pH、EC、腐殖质、有机碳等指标。

pH：试验方法为1：5 浸提法［5］；pH 测定使用FE20 梅特勒—托利多仪器（上海）有限公司的实验pH 计。

电导率：试验方法为1：5 浸提法［6］；电导率测定使用SHKY C Onductivity Meter DDS-320 上海康仪电导率仪。

有机碳：使用重铬酸钾容量法——外加热法［7］。

总氮：利用H2SO4—H2O2方法消煮备用液，消煮好的备用液使用海能K9860 全自动凯氏定氮仪进行测定［8］。

T 值：指堆沤过程中物料终点碳氮比与起点碳氮比的比值［9］，T 值=(C1/ N1)/ (C0/ N0）。

发芽率：生物毒性法［10］，培养皿中放入25 颗生菜种子，加入预先制备的样品滤液，并附上打孔保鲜膜，放入25 ℃培养箱中，测定48 h 后的发芽数和根长。

胡敏酸（HA）/富里酸（FA）：使用焦磷酸钠-氢氧化钠提取重铬酸钾氧化容量法［11］；腐殖化指标，即腐殖质聚合程度（DP），DP=HA/FA。

1.4 数据处理

用WPS Excel 2022 整理数据和图表制作；统计分析采用IBM SPSS Statistics 24 进行方差分析，采用Duncan 法进行多重比较。

2 结果与分析

未腐熟的园林有机废弃物材料含有大量病原菌、虫卵、杂草种子，用于栽植会传播病菌，增加虫源，引发植株病虫害发生，另外，还会滋生杂草，增加管理资源，因此堆沤产品需要沤熟后使用。判定园林废弃物是否腐熟，需要将温度、T 值、腐殖化指标、发芽率等多个指标作为依据进行判断。

2.1 温度

温度的变化很好地表征了有机碳的降解进程，是堆沤达到无害化和稳定化的重要条件。嗜热型微生物菌剂进行好氧堆沤，堆沤进程根据温度变化可划分为3 个阶段：升温期、高温期和降温期。

第1 阶段为升温期，指堆体温度由周边环境温度逐渐升高至45～50 ℃的阶段，处于堆沤初期。堆沤体在第2 d 均高于60 ℃，因此可得出，堆沤体升温期在48 h 内完成升温过程。

第2 阶段为高温期，堆体温度升高至50～70 ℃是堆沤的重要阶段。CK、JK、JB 处理的最高温度高于70 ℃，持续2～3 d；WY 在前21 d 堆沤体中的温度均低于其他3 种处理，35 d 后温度高于其他3 种处理，WY 处理的分解过程与其他3 种处理对比较为平缓。

第3 阶段为降温期，又名为腐熟期，指堆体温度从高温期回落，逐渐降低至室温的阶段。有研究表明，当堆沤降温低于40 ℃，堆沤基本稳定［12］。根据图1 可知，在第131 d，CK、JK 这2 种处理均低于40 ℃，处理WY 在第155 d 时的温度为40 ℃，为最后到达降温期的处理，因此从温度这一指标判断，处理WY 降温速度最慢。

图1 不同微生物菌剂堆沤的温度变化过程

堆沤结束时温度排序为：WY＞JB＞CK＞JK，处理JK 的温度最低，最早达到室外温度。因此处理JK 在温度这一指标中为最优选择，处理CK 次之。

综上所述，添加菌剂进行静态堆沤时，堆肥至少需要120 d 才能腐熟，部分处理需要更长的时间。

2.2 pH

根据图2 可知，在堆沤的过程中，所有样品的pH 呈先上升后下降的趋势。与初始pH 相比，总体pH 提高，最终呈弱碱性。前期氨的释放含量高于分解产生的有机酸含量，导致pH 上升；后期分解的有机酸不断提高，促使pH 含量下降。

图2 不同微生物菌剂堆沤的酸碱度变化过程

堆沤结束后处理CK、JK、JB 的产品pH 呈碱性，pH 分别为7.82、7.68、7.59，符合碱性改良基质pH为7.5～8.5 的要求；处理WY 的pH 为7.47，符合中性改良基质pH 为6.5～7.5 的要求［9］。

2.3 电导率

电导率（EC）是判定基质腐熟的重要指标之一。如图3 所示，电导率变化总体呈上升趋势。判断由于微生物分解有机物为小分子物质，致使电导率上升。腐熟过程中，可溶性盐分被微生物所使用，导致电导率下降［13］。电导率过高，即堆体中含盐量高，会影响基质中养分的转化，基质中微生物的活性，产品用于栽植将限制种子的萌芽，植株吸收水分，从而影响植物生长。研究表明，堆沤产物的EC 值不宜超过4.0 mS·cm-1［14］，根据测定结果，处理CK、JB、WY、JK 的产品电导率值分别为2.74、3.04、3.02、2.48 mS·cm-1，均符合堆沤产品运用于栽植植物的要求。按照标准［15］，当电导率小于4 mS·cm-1大于2.5 mS·cm-1 时，可用于土壤改良材料；当电导率小于2.5 mS·cm-1时，可作为基质材料使用。由此可判断，处理JB、WY 和对照组CK 可作为土壤改良材料使用，处理JK 可作为基质使用。因此，从电导率判断，处理JK 的使用范围更广。

图3 不同微生物菌剂堆沤的电导率变化过程

2.4 T 值

T 值，即堆沤过程中物料终点碳氮比与起点碳氮比的比值，利用T 值可解决初始C/N 的差异导致的误差。微生物的生命活动所需和分解有机物的过程中需要碳氮比为25∶1。碳氮比过高时，堆沤体中微生物所需“燃料”不足，导致分解速度缓慢；未腐熟的材料混入土壤中时，微生物将消耗土壤中的氮以完成分解，与植物竞争营养。

从图4、5 中可看出，有机碳的含量呈下降趋势。堆沤过程中，在微生物作用下物料中碳水化合物降解为CO2和水分挥发，而氮的损失小于碳，因此堆沤中总氮含量提高，有机碳含量逐渐减少，最终T 值呈不断下降趋势（如图6 所示）。第120 d，处理JK、JB、WY 的T 值分别为0.556 %、0.565 %、0.515 %，达到腐熟的要求，对照组CK 的T 值为0.627 %，未达到完全腐熟。

图4 不同微生物菌剂堆沤有机碳含量变化过程

图5 不同微生物菌剂堆沤总氮含量变化过程

图6 不同微生物菌剂堆沤T 值变化过程

堆沤结束时，处理JK、JB、WY 的T 值分别为0.388 %、0.404 %、0.389 %，对照组CK 为0.561 %，因此4 种处理在堆沤结束时均符合堆沤要求T 值小于或等于0.60 %的要求。按堆沤结束后产品T 值判断腐熟程度，可排序为：JK＞WY＞JB＞CK。从堆沤的时间成本考虑，处理JK 的效果最好，处理WY 次之。各处理按堆沤结束时T 值进行方差分析，添加菌剂的处理和对照组CK 对比，有显著差异性。因此推断，添加微生物菌剂于园林废弃物中，能加快园林废弃物的腐熟。

2.5 腐殖化指标

腐殖质是通过微生物和酶将有机物分解转化形成，其有利于土壤团聚体的形成，降低土壤容重，提高孔隙度，改良土壤的物理性质。腐殖质主要包含胡敏酸（HA）和富里酸（FA）。由图7、8 可知，在堆沤初期，物料中的富里酸含量较高，而胡敏酸含量较低，但随着堆沤进程，富里酸的含量逐渐下降，胡敏酸含量上升。这是由于FA 分子结构方面芳香核的聚合度较小，在堆沤过程中能够聚合转化为HA 或被微生物分解利用。

图7 不同微生物菌剂堆沤胡敏酸变化过程

腐殖化指标（DP）是指胡敏酸与富里酸的比值，即DP=HA/FA。腐殖化指标常被用于描述腐殖质组分聚合度，当HA/FA＞1.9 时表明堆沤达到腐熟和稳定，当比值≥3.5 时，达到腐熟标准［16］。由图9 可知，处理JK 和处理WY 在第91 d 的腐殖化指标值大于1.9，达到基本腐熟。对照组CK 在第120 d 达到基本腐熟。按腐殖化指标达到基本腐熟的时间快慢排序，各处理顺序为：WY＞JK＞JB＞CK。对照组CK 达到基本腐熟所需要的时间最长。