不同原料配比对尾菜气流膜堆肥效率和品质的影响

2023-01-05张嘉伟王东升张西凯刘红军沈其荣

生态与农村环境学报 2022年12期

张嘉伟，王蓓，王东升，张西凯，刘红军①，李荣，沈其荣

(1.南京农业大学江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室/ 江苏省有机固体废弃物协同创新中心/ 教育部资源节约型肥料工程技术研究中心，江苏南京 210095；2.南京市蔬菜科学研究所，江苏南京 210042)

尾菜是指蔬菜收获后剥去的茎秆、菜根和菜叶等[1]，其产生量在我国每年高达3亿多t，2021年江苏省蔬菜播种面积为123.3万hm2，蔬菜产量为5 728.1万t，尾菜产量约为4 400万t，其中番茄、辣椒和茄子需求量较大，在蔬菜种植面积中占有很大比重。2020年南京市蔬菜种植面积为134.9万hm2，蔬菜产量为279.74万t，尾菜产量约为230万t，尾菜产量巨大[2]。尾菜含水率为80%～90%，其无害和资源化处理存在较大困难[3]，尾菜若未及时有效处理，极易腐烂产生臭气和腐水，对空气、地下水和土壤造成多种污染[4-5]。尾菜携带的各类病菌经多种途径传播，可能影响其他蔬菜品质及产量[6-7]。

堆肥是一种有效的固体有机废弃物资源化利用途径[8]，目前我国堆肥的方式主要包括条垛式发酵、槽式发酵、堆肥反应器发酵和气流膜发酵。条垛式发酵、槽式发酵和堆肥反应器发酵堆肥分别存在臭味大、固定资产投入高和堆肥成本高等缺点[9-10]。气流膜发酵能够克服上述堆肥工艺的缺点，气流膜使用的高性能膜材料具有分子过滤微孔结构，可以有效控制异味、消灭细菌，同时膜内空气分子和水蒸汽分子可以正常通过，外界水分子则无法进入，膜内部形成可使生物菌在短时间内将废弃物转化成高品质堆肥所需要的发酵条件，具有场地需求小、堆肥成本低和场地无臭气等优点[11]。另外，气流膜发酵能够通过分子膜有效减少发酵过程中氨挥发，从而提高堆肥品质[12-13]。研究发现，采用气流膜发酵可以有效缩短堆肥周期，减少肥料中营养成分的流失，使得废弃物资源化利用更加高效[14]。目前气流膜堆肥研究针对的对象主要是污泥和畜禽粪便等，以植物源废弃物为原料的研究较少。有研究利用猪粪和秸秆作为原料进行气流膜堆肥，以相同原料但不覆盖膜的堆体作为对照，发现气流膜堆肥高温期的持续时间更长，有机质降解更彻底，相比对照组，膜外的氨气排放量减少18.87%[15-16]；利用气流膜发酵方式进行鸡粪堆肥，堆体温度可达到70 ℃，可有效减少异味挥发[17]。利用畜禽粪便与秸秆废弃物进行好氧堆肥，碳氮比达15的处理也能腐熟完毕[18]。

微生物活动会影响堆肥时间和堆肥产品质量[19]。水分是微生物生存和代谢不可或缺的物质，不同堆肥物料的最优含水率存在差异，但一般在50%～60%之间[20]。堆肥物料的营养物质平衡主要是指碳氮比平衡，通常认为最佳碳氮比为25～35[21]。有研究表明，低碳氮比可以提高温度，使高温期提前，缩短堆肥进程[22]。此外，影响堆肥效率的因素还有pH值、颗粒度、孔隙度和氧气浓度等[23]。目前有关于低碳氮比堆肥效果的研究大部分都说明腐熟不够彻底，鲜见对气流膜技术下尾菜堆肥最适碳氮比的研究。

调查发现，尾菜的碳氮比较低且含水率较高，为克服碳氮比较低的不利堆肥因素，笔者以辣椒、番茄和茄子等根、茎、叶尾菜为主要原料，采用气流膜技术进行尾菜好氧发酵。为了实现不同碳氮比和相同含水量的配置，根据就近寻找辅料原则，选取试验点附近的金针菇渣、玉米秆和松木屑等辅料配伍不同碳氮比的堆肥体系，旨在探究在工厂化气流膜发酵方式下碳氮比对尾菜好氧堆肥效率及品质的影响，并通过番茄田间试验比较不同尾菜原料配比腐熟有机肥对番茄产量的影响，筛选出最优原料配比。

1 材料与方法

1.1 堆肥试验

1.1.1试验材料

新鲜尾菜(番茄、辣椒和茄子)、辅料(金针菇渣、玉米秸秆和松木屑)由江苏省南京市蔬菜花卉科学研究所提供，其基本理化性质见表1。

表1 堆肥原料基本理化性质

1.1.2堆肥试验设计

堆肥试验采用气流膜好氧堆肥方式进行，为了探究气流膜技术下碳氮比对于尾菜好氧堆肥的影响，使用金针菇渣、玉米秸秆和松木屑辅料调节碳氮比和含水量，配制3种不同原料配比，分别记为处理A、B和C(表2)，其碳氮比分别约为15∶1、20∶1和25∶1。将各原料粉碎后，按照表2混合并搅拌均匀后进行堆肥，堆体基料长宽2 m以上，调节处理初始含水率为65%～70%，鲜重400～800 kg，每个处理分成3个区域采样，作为3个重复，堆肥使用气流膜覆盖技术。

表2 不同处理原料干重占比

1.1.3堆肥管理及样品采集

1.1.3.1堆肥管理

堆肥于2021年1月—2021年2月在江苏省南京市蔬菜花卉科学研究所某气流膜堆肥车间进行。发酵基料按条垛式堆放于发酵棚内后，在条垛外覆盖戈尔膜，采用变频调节功率为5.5 kW的工作机组，曝气频率根据温度自行调节。在堆肥腐熟过程中通过机器通入气体，使堆体始终处于氧气充足状态，因此堆肥过程中不翻堆。堆肥腐熟程度一般通过发芽指数来判断，当发芽指数大于50%即可判定腐熟基本完毕，当发芽指数大于80%即可判定完全腐熟[24]。

1.1.3.2堆体温度测定

于每天9时和15时使用3组水银温度计对堆体中部同一高度(50 cm)的位置随机测量3个点，取3组数据的平均值作为堆体的实际温度。

1.1.3.3样品采集

建堆后每天测量温度，根据温度判断堆肥所处时期，然后选择时间点采集样品，于1、3、5、9、13、17、23 d采集样品(设定建堆当天为第1天)，在堆体选择上、中、下各4个点位采集样品并且混合均匀，将采集的样品分为3个部分，分别于-80、-4 ℃和常温下自然风干粉碎待用。

1.1.4全碳、全氮、全钾含量和碳氮比测定

将风干、磨碎的样品经过0.15 mm孔径筛过滤后，采用重铬酸钾氧化-油浴加热法测定全碳含量，采用半微量开氏法测定全氮含量[25]，碳氮比为全碳和全氮含量的比值。

1.1.5微生物数量测定

将采集好的3个不同原料配比处理的鲜样放入250 mL三角瓶中，与去离子水以体积比1∶10混合，并于30 ℃、170 r·min-1条件下振荡30 min，将摇好的悬液用无菌水梯度稀释，获得10-1、10-2、10-3、10-4和10-5这5个稀释梯度。尖孢镰刀菌选择10-1和10-2稀释液100 μL涂布于K2培养基，涂布后将平板放至28 ℃培养箱培养4 d后计数；茄科劳尔氏菌选择10-1和10-2稀释液100 μL涂布于SMSA培养基，涂布后将平板放至30 ℃培养箱培养2 d后计数；假单胞菌选择10-4和10-5稀释液100 μL涂布于假单胞菌培养基，涂布后将平板放至30 ℃培养箱培养2 d后计数；放线菌选择10-4和10-5稀释液100 μL涂布于高氏一号培养基，涂布后将平板放至28 ℃培养箱培养2 d后计数。

1.2 发芽指数试验设计

通过提取堆肥过程中不同时期样品的浸提液，浸泡种子进行恒温培养，测定种子发芽率以及发芽根长，评估3个处理堆肥过程中毒性程度以及腐熟情况。具体步骤如下：将3个原料配比的堆肥风干样品磨碎过0.85 mm孔径筛后，与去离子水以体积比1∶10混合于50 mL离心管中，置于水平摇床以170 r·min-1振荡30 min，静置30 min后过滤。用移液枪取10 mL不同处理滤液，加入铺有滤纸的9 cm培养皿内，每个培养皿内均匀放置10颗独行菜种子，空白对照为去离子水[26]。培养皿放置于25 ℃恒温培养箱中暗培养2 d，测定发芽种子数以及根长。每个样品设3次重复，发芽指数计算公式如下：发芽指数=样品发芽率×样品根长×100%/(对照发芽率×对照根长)。

1.3 田间试验

1.3.1田间试验设计

为评估不同原料配比尾菜有机肥料化后还田对番茄产量的影响，在南京市蔬菜科学研究所横溪基地的设施大棚内开展田间试验。供试作物为白果丰强番茄，于2021年3月开始种植，6月收获。试验共设计6个处理(每个处理3个重复)，在番茄设施大棚内共设置18个小区，每个小区8 m2，每个小区种植30棵苗，施肥方式主要为基肥和追肥，在施肥前根据番茄生长期所需养分总量制定施肥计划，基肥施用堆制的有机肥，追肥采用化肥，分别在花期和结果期追肥2～3次，追肥时将剩余养分分批次补齐。

供试化肥为市售农业用肥料，由安徽六国化工股份有限公司生产，成分为尿素(含N 460 g·kg-1)、过磷酸钙(含P2O5130 g·kg-1)和硫酸钾(含K2O 540 g·kg-1)。不同原料配比堆肥腐熟养分含量见表3。

表3 不同原料配比堆肥腐熟后氮、磷、钾含量

各处理设置如下：处理1(CK)，不施肥；处理2(CF)，施用化肥，其中尿素、过磷酸钙(P2O5)和硫酸钾(K2O)的施用量分别为每小区210、830和220 g；处理3(RM)，施用尾菜原料6.8 kg，剩余的养分用化肥补齐，使其总养分与处理2相等；处理4(AA)，施用A原料配比的腐熟肥料6.8 kg，剩余的养分用化肥补齐，使其总养分与处理2相等；处理5(AB)，施用B原料配比的腐熟肥料6.8 kg，剩余的养分用化肥补齐，使其总养分与处理2相等；处理6(AC)：施用C原料配比的腐熟肥料6.8 kg，剩余的养分用化肥补齐，使其总养分与处理2相等。

1.3.2番茄产量测定

施用供试肥料后在收获季测定各处理番茄果实产量。通过电子秤称取每个小区全生育期的果实重量，每个处理各设置3个重复，将3个重复小区的产量结果加和后再求平均数，得到每个处理的番茄果实产量。

1.4 数据分析

采用SPSS 23.0 软件进行数据统计分析，使用最小显著差异法(least significant difference，LSD)检验进行多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同原料配比堆肥过程中温度变化

不同原料配比对堆肥过程中堆体温度的影响如图1所示。从图1可知，各堆体温度均在升温期快速升高，然后到达高温期并维持一段时间，再缓慢降温。处理A升温较处理B、C快，并且处理A最高温度最高，为61 ℃，堆肥后期处理A的温度也普遍高于处理B、C，说明处理A能使高温期提前，并且提高高温期的堆肥温度。

处理A、B、C的碳氮比分别为15∶1、20∶1和25∶1，具体原料配比见表2。

2.2 不同原料配比堆肥过程中碳氮比变化

不同原料配比对堆肥过程中碳氮比的影响如图2所示。随着堆肥的进行，3组处理的堆体碳氮比均呈现下降趋势，在17 d后趋于稳定。在堆肥初期，处理A碳氮比下降最快，处理C下降最慢，这是因为在升温阶段，处理A的微生物分解代谢更加活跃，消耗的有机质远大于散失的氮元素，导致堆体碳氮比下降；而处理C的木质素难以利用，阻碍了微生物增殖，含碳有机物分解缓慢，导致碳氮比下降趋势较缓。当堆肥腐熟时，微生物分解运动基本停止，碳氮比逐渐稳定。处理A、B、C的初始碳氮比分别为15.34、20.41和25.17，堆肥结束时分别为11.18、16.24和19.62，分别下降27.12%、23.17%和22.06%。表明处理A的碳氮比更适宜微生物分解代谢，碳源利用率高进而提高堆肥效率。各处理碳氮比的不同源于材料的差别，只靠尾菜并不足以调节碳氮比来满足试验设计要求，故加入辅料松木屑进行调节，松木屑自身较难被降解利用。因此，笔者综合判断原料配比是影响微生物的主要因素。

处理A、B、C的碳氮比分别为15∶1、20∶1和25∶1，具体原料配比见表2。

2.3 不同原料配比堆肥时间对发芽指数(GI)影响

不同原料配比对发芽指数的影响如图3所示。随着堆肥的进行，3个处理的发芽指数均呈现增长趋势。处理A的种子发芽指数始终高于处理B、C。在堆肥前5 d，3个处理的发芽指数增长趋势基本相同，均在50%～60%之间；堆肥9 d时，处理A的增长趋势快于处理B、C；堆肥结束时，各处理种子发芽指数均在80%左右。处理A、B和C的发芽指数均在23 d时达最高，分别为88.69%、82.92%和80.21%，表明处理A的堆体浸提液最适宜黄瓜种子生长，堆体腐熟效果最好。

处理A、B、C的碳氮比分别为15∶1、20∶1和25∶1，具体原料配比见表2。

2.4 堆肥过程中典型可培养微生物数量变化

由图4可知，尖孢镰刀菌数量在堆肥前期(1～9 d)呈下降趋势，且各处理样品中尖孢镰刀菌的数量均在9 d时达到最低值，下降至堆肥1 d时的20%～30%；9～23 d时，各处理中该病原菌数量显现缓慢上升的趋势。堆肥9 d时，处理A中该病原菌数量为23×103CFU·g-1，而处理C为29.5×103CFU·g-1，是处理A的1.25倍。从总体上看，处理C中尖孢镰刀菌数量最多，处理A最少。

处理A、B、C的碳氮比分别为15∶1、20∶1和25∶1，具体原料配比见表2。

茄科劳尔氏菌数量在堆肥前期(1～9 d)呈现下降趋势；堆肥9 d时，各处理中该菌数量都几乎下降至1 d时的10%；9～23 d时，均保持在20×103～50×103CFU·g-1。堆肥9 d时，处理A中茄科劳尔氏菌数量为31×103CFU·g-1，而处理C为35.75×103CFU·g-1。至堆肥结束时，各处理中茄科劳尔氏菌数量均低于25×103CFU·g-1。

假单胞菌数量在堆肥初期(1～5 d)呈上升趋势，各处理均在5 d时达到最高值，高于1×106CFU·g-1，随后呈现缓慢下降趋势；堆肥后期(9～17 d)，处理C中假单胞菌数量高于处理A和B；至堆肥结束时，各处理中假单胞菌数量差异不大。

放线菌数量在堆肥前期呈上升趋势，从9 d时开始明显下降，而后保持在2.5×105CFU·g-1以内(13～23 d)。堆肥9 d时，各处理中放线菌数量都达到最高值，处理C中该菌数量几乎是1 d时的1.5倍。堆肥结束时，处理C中放线菌数量最多，处理A最少。

2.5 不同原料配比腐熟物料对田间番茄产量的影响

不同处理对番茄产量的影响见表4。施用A原料配比肥料的处理最高产量为2 230.21 kg·(667 m2)-1。对比CK增产899.72 kg·(667 m2)-1，增产率为67.62%；对比尾菜原料处理增产788.5 kg·(667 m2)-1，增产率为59.26%；对比化肥处理增产327.67 kg·(667 m2)-1，增产率为20.06%。

表4 不同处理对番茄产量的影响

施用B原料配比肥料处理的堆肥产量为2 028.95 kg·(667 m2)-1。对比CK增产698.46 kg·(667 m2)-1，增产率为52.49%；对比尾菜原料处理增产587.24 kg·(667 m2)-1，增产率为40.73%；对比化肥处理增产171.41 kg·(667 m2)-1，增产率为9.22%。

施用C原料配比的处理堆肥对番茄的增产效果仅好于CK和尾菜原料处理，不如施用化肥效果好，更不如施用A和B原料配比肥料。由此可见，施用A和B原料配比堆肥对番茄的增产效果要优于化肥及其他处理，其中施用A原料配比堆肥的增产效果最佳。

CK为不施肥处理；RM为施用尾菜原料处理；CF为施用化肥处理；AA为施用A处理堆肥；AB为施用B处理堆肥；AC为施用C处理堆肥。处理A、B、C原料配比见表2。

3 讨论

该研究采用气流膜方式开发尾菜高效堆肥工艺，探究了不同原料配比对尾菜好氧堆肥效率和品质的影响。堆肥过程中温度的变化反映了微生物活性的变化，能很好地反映堆肥进程[27-28]。试验各处理温度均呈现先上升后下降最后趋于稳定的趋势。这是因为在堆肥前期，嗜温性微生物分解有机物释放热量，使堆体温度上升；随着堆肥进行，嗜热性微生物逐渐取代前者，半纤维素、纤维素等复杂的有机物逐渐被分解，堆体温度继续上升，当温度达到70 ℃以上时，微生物大量死亡或进入休眠状态，此时堆体产热下降，温度下降，形成腐殖质；在高温段末期，微生物活性下降，发热量减少，温度下降，嗜温性微生物再次取得优势，腐殖质不断增多且趋于稳定化，堆肥达到腐熟时，温度趋于稳定[29]。试验各处理最高温度大多为50～60 ℃，符合高温阶段温度要求，有利于微生物降解有机质。其中A原料配比处理在堆肥第1天即进入高温阶段，堆体升温速度最快，最高温度最高，这表明微生物在短时间内迅速增殖，消耗大量碳源，尾菜源废弃物堆肥效率最高。处理B和C原料配比中含有大量松木屑，而松木屑中的大量木质素难以被微生物分解利用，进而影响微生物的代谢活动。另外，由于处理A原料配比辅料只添加了金针菇渣，其较大的内部面积、疏松多孔的结构以及丰富的有机营养物质也可能是该原料配比效果最优的原因[30]。此外，气流膜发酵技术可以防止养分流失，克服了低碳氮比的弊端。已有研究表明，低碳氮比情况下好氧堆肥升温快，可有效缩短腐熟过程、提高效率。

碳氮比是最常用的堆肥腐熟度评价方法之一[31]。而且碳氮比是影响堆肥腐熟的主要原因之一，不同处理的原材料设置存在差异，但是主要影响因素还是碳氮比。随着堆肥的进行，碳、氮元素不断被利用，氮含量以氨气的形式散失的部分要远小于微生物生长代谢利用的有机碳，因此在整个堆肥过程中碳氮比不断下降。有学者认为，当堆肥腐熟最终碳氮比小于16时，则可认为已达腐熟[32]。该研究设置的3组处理中，只有处理A的最终碳氮比低于16。与试验初始相比，处理A、B、C的最终碳氮比分别下降27.12%、23.17%和22.06%，可以认为，处理A原料配比的堆肥效果最好，腐熟更加彻底。

该试验选取的独行菜种子具有生长快、发芽明显和方便试验测定观察等优点，随着堆肥的进行，3组处理种子发芽指数变化趋势一致，均呈先上升后趋于稳定的趋势。这是由于在堆肥过程中，微生物不断分解有机酸有毒小分子，排放氨气等有害气体，使得堆肥毒性下降[33]。当堆肥达到腐熟时，微生物分解代谢运动不再进行，种子发芽指数趋于稳定。有学者指出，许多植物种子在堆肥原料和未腐熟堆肥萃取液中生长受到抑制，而在腐熟的堆肥中生长得到促进，一般发芽指数大于50%即可认为有机肥腐熟[34]。处理A的种子发芽指数均高于处理B和C，这表明处理A原料配比的堆肥浸提液最适宜黄瓜种子生长，堆肥效果最好。

有研究表明，尖孢镰刀菌在60 ℃环境下10 min后，分生孢子萌发即受影响，80 ℃环境下10 min以上菌丝死亡[35]。尖孢镰刀菌的分生孢子处于低于5 ℃或者高于45 ℃的环境中，就会失去萌发能力[36-37]。研究表明，温度的升高会抑制茄科劳尔氏菌在土壤中的存活能力，随着堆肥的进行，茄科劳尔氏菌整体呈现下降趋势，这与已有研究结果一致[38]。该研究中假单胞菌数量呈现先上升后下降的趋势。相关研究表明，堆肥过程中细菌群主要负责堆肥物料的分解并产生高温[39]。笔者试验中处理A的4种可培养微生物数量均为最少，说明处理A的原料配比能有效升高温度，改善肥料理化性质，进而抑制病原菌生长。

田间试验结果表明，尾菜经过高温腐熟后的堆肥比其直接施入田间的效果好，因为高温腐熟可以有效杀死病原菌和寄生虫的卵，降低田间作物的发病率。其次，腐熟后的肥料理化性质发生改变，各营养元素更加适合作物吸收利用，能有效促进作物的生长发育。研究发现，在等养分条件下，以有机肥替代部分化肥施用时，相较只施化肥的处理，玉米的产量有显著提升，并且当有机肥替代率为16%时，促生效果要好于有机肥替代率为8%的处理[40]。