添加玉米秸秆对胡萝卜尾菜堆肥过程的影响

2023-08-15许淑妮冯晓璐陈延玲

农业工程学报 2023年11期

许淑妮，冯晓璐，陈延玲，李赟

（青岛农业大学资源与环境学院，青岛，266109）

0 引言

近年来，中国蔬菜年产量呈不断增加的趋势，2021 年中国蔬菜产量高达 7.75×108t[1]。与此同时，蔬菜在收获后残留的尾菜产量也随之不断增加，每亩年产废弃物达3 t 左右[2]，其中超过60%的尾菜未经处理丢弃在田间大棚中、河流及道路两旁、农贸市场。随意丢弃的尾菜不仅释放污染气体，还存在潜在的病原体传播，对环境造成严重的影响[3-4]。胡萝卜尾菜的产量较大，其富含植物所需的营养物质，但易腐烂变质，散发病原菌。目前，对于尾菜的处理方式大多为生成饲料、生成能源、直接还田、生成肥料、厌氧消化生物质回收。虽然饲料化、能源化可有效解决尾菜的资源化再利用，但其生产设备投资大，技术复杂，难以推广；就地还田虽然简单且成本低，但无法控制病虫害的传播，同时该方式渗滤液产生较多，污染环境风险大[5-6]。厌氧消化、生物质回收在作为液肥和能源回收领域有所潜力，但存在技术经济因素、生产效率较低和运行控制条件难等问题[7]。肥料化是利用高温好氧堆肥生产有机肥料，其所需设备简单，腐熟周期短，且被广泛应用于固体有机废物处理[8]。

高温好氧堆肥是废弃物肥料化的重要方法之一，可以将尾菜转化为稳定和有价值的有机肥料，可以改善土壤质量和促进植物生长[9]。而尾菜单独进行堆肥受限于其C/N 比低、含水率高等问题[10]，难以进行高质量的好氧发酵[11]，且在堆肥期间易产生渗滤液，后期难以进行管理。目前，对于尾菜堆肥的研究已有在添加剂对堆肥生产效率和堆肥质量领域的探索[12]，堆肥辅料的添加可以调节物料的物理化学性质，从而进行更有效的堆肥[13]，如废弃的蘑菇种植基质和农林废弃物[14]。农林废弃物玉米秸秆是一种常用的堆肥辅料，与胡萝卜尾菜在同一区域产生，其年产量在中国达26.4×108t[15]，亟需进行资源化利用。

此外，堆肥过程中二氧化碳（CO2）、氨气（NH3）等气体的排放会对环境造成二次影响[16]，碳、氮元素的损失会降低堆肥品质[17]。而堆肥初期主要由水解酶（脲酶、蔗糖酶、纤维素酶等）促进矿质化作用；后期主要由氧化还原酶（过氧化氢酶、多酚氧化酶等）发生腐殖化反应[18-19]。酶的活性直接受温度、水分、pH 值、养分利用率以及堆肥物料的理化性质影响[20]。因此，酶活性不仅决定堆肥的速度，还会影响堆肥产品的质量。阐明与胡萝卜尾菜同源产生的农林废弃物作为辅料对堆肥过程中的腐熟度、气体排放和酶活性的响应关系及调控作用，可以促进区域农业废弃物收集利用处理体系，推进农业绿色发展。

本研究针对胡萝卜尾菜堆肥过程中基础理化性质以及气体排放、酶活性响应关系不明等问题，以农林废弃物玉米秸秆为主要辅料进行好氧堆肥试验。以期探究不同添加比例辅料对胡萝卜尾菜堆肥过程中的腐熟度、气体排放和酶活性的影响，以及不同因子之间的响应关系，并确定胡萝卜尾菜堆肥的最优辅料添加比例，以期为胡萝卜尾菜无害化和资源化利用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用堆肥主料为胡萝卜尾菜，采集于青岛莱西市山东省产教融合基地；辅料为玉米秸秆、鸡粪，均来自莱西市店埠镇周围农田及养殖场。所用堆肥原料基本理化性质如表1 所示。

表1 不同物料配比堆肥试验设计Table 1 Composting experimental design for different material ratios

1.2 试验设计

堆肥试验在60 L 发酵罐（如图1）中进行。该发酵罐的直径、高度分别为45、75 cm，并有5 cm 厚的保温材料以减少热量损失。通过系统控制柜连接的温度传感器插入堆体中心以监测堆体温度。堆肥罐的底部均放置了一个3 mm 的不锈钢筛板，以支撑堆肥材料，使空气扩散均匀，并为渗滤液的排放提供空间。空压机（GT-400-ET，Juba，中国）自动控制气体，按照国家蔬菜废弃物高温堆肥标准要求[21]，以0.05 m3/min 的通风速率从堆肥罐底部进行间歇通风（通风30 min、停止30 min）。

如表2 所示，本研究以胡萝卜尾菜单独堆肥作为对照（CK），以玉米秸秆和鸡粪作为辅料，分别添加基于物料总湿质量7.5%（T1）、15%（T2）、22.5%（T3）的秸秆，与7.5%的秸秆和7.5%的鸡粪（T4）不同处理。各个处理的初始物料度分别为114.1、115.8、116.6、116.6、117.4 kg/m3。堆肥试验直到堆体温度稳定在环境水平下停止堆肥，进行了21 d。通过实验室规模的人工翻堆模拟工业化的搅拌，在堆肥第一周内的第3、7 天进行翻堆、取样，之后每7 d 进行一次翻堆、取样。每次收集大约250 g 的固体样品、一部分进行风干、粉碎处理，一部分放置-20 ℃冰箱中，以便后续的分析。堆肥的每一天从罐体中收集气体并进行定性和定量分析，同时每天从罐体底部收集渗滤液，记录渗滤液产生情况。

1.3 试验方法

温度是由系统控制箱（WDC-5 100，北京佳润恒业科技有限公司，中国）测定，实时监测、随时读取且能自动记录；CO2含量由泵吸式气体检测仪（GT-903，科尔诺，中国）测定；NH3采用滴定法，将装有浓度为2%的硼酸吸收瓶直接吸收气体，用标准浓度的酸滴定进行测定；含水率采用烘干法进行测定即样品设置3 个重复，在105 ℃下烘至恒质量测定；挥发性固体含量（VS）在样品烘干后，置于马弗炉（SGM08/10A，西格马高温电炉有限公司，中国）中于550 ℃下灼烧4 h 后进行质量的测定；总氮（TN）含量采用凯氏定氮法测定；总碳（TC）参照《有机肥料》（NY/T 525—2021）重铬酸钾容量法测定。

pH 值、电导率（EC）、465 和665 nm 波长下的紫外-可见吸收（E4/E6）、种子发芽率指数（Germination index，GI）测定[22]：新鲜样品与去离子水按照1：10 比例进行混合：在摇床上以150 r/min 的转速振荡30 min，静置10 min 过滤，再用离心机进行离心，取上清液作为待测液。pH 值、EC 采用pH/电导率测量仪（MP521，上海三信仪表厂，中国）进行测定，E4/E6 分别使用紫外可见分光光度计（UV-5100B，上海元析仪器有限公司，中国）在波长为465 和665 nm 下进行测定。GI 的测定和计算方法参照《有机肥料》（NY/T 525—2021），取待测液 5 mL 于铺有滤纸的培养皿中，均匀放置 10 粒萝卜种子，在培养箱中（SPX-460Y，宁波科晟实验仪器公司，中国），于（25 ± 1 ） ℃恒温黑暗条件下培养 48 h，共设置 3 个重复。

过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法进行测定，摇床进行培养20 min 后，用消耗0.02 mol/L KMnO4的体积（mL）来表示过氧化氢的释放含量；蔗糖酶和纤维素酶采用二硝基水杨酸比色法进行测定，使用培养箱分别培养24 和72 h 之后在波长为508 和540 nm 下进行测定；脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法进行测定，培养24 h 之后在波长为578 nm 下进行测定。

1.4 数据分析

本研究数据采用Microsoft Excel 2022 数据统计分析，采用 Origin 2019 进行绘图，采用Origin 2021 绘制皮尔逊相关性热图，采用Canoco 5 进行冗余分析。

2 结果与分析

2.1 温度与CO2

所有堆体温度均呈先升高后降低的趋势，之后逐渐接近室温（图2a），且所有处理均出现升温期、高温期、降温期和腐熟期。除CK 处理外，所有处理在第1 天均进入高温期，而在堆肥第2 天，随着易被降解有机物的消耗[23]，所有处理温度均略微下降；而伴随着第3 天的翻堆，所有处理均呈现迅速升温状态，这主要是因为翻堆增加了堆体氧气含量，重新激活了嗜热微生物，促进微生物生长代谢分解[24]。CK 处理升温慢，初始升温速率较其余处理均值低26.3%～34.3%，是因为胡萝卜尾菜本身的C/N 较其余处理低，对于微生物的营养供给能力较弱，微生物停滞生长期所需时间较长。温度除CK 处理，所有处理温度超过50 ℃均达到5 d，符合有机肥生产的卫生标准[25]。T2 和T3 处理在高温期出现最高值，分别达到69.3 和68.9 ℃，这也表明添加一定量的玉米秸秆，可以为微生物提供充足的碳源，使得它们有充足的养分进行呼吸作用。张曦等[11]研究表明蔬菜废弃物高温堆肥可以保持7 d，比本研究高温维持时间长，这可能是因为本研究通风速率较高，热量容易散发，其次相较于本研究，其研究选用畜禽粪便作为辅料，其含有各种大量和中微量元素维持微生物活动所需。

图2 尾菜堆肥中温度、CO2 排放速率变化Fig.2 Changes of temperature and CO2 emission rate during vegetables waste composting

二氧化碳的排放速率可以直接反映堆肥过程中微生物的活动和有机质降解和矿化率[26]。所有处理的CO2排放速率均呈先增高后降低，之后趋于平缓的趋势（图2b）。在第2 天，所有处理的CO2排放速率均呈现最高值，特别是CK 处理，其含水率含量最高，孔隙度最低，氧气伴随着微生物的活动而被利用，形成局部厌氧环境，产生较多CO2[27]。其次是T2、T3 处理，可能是因为秸秆辅料的添加提高堆肥孔隙度，微生物活性较好。但是相较于CK 处理，其CO2排放总量分别降低6.63%、3.18%。第3 和第7 天翻堆后，所有处理的CO2排放速率又出现不同程度的升高，这可能是因为易降解的有机质在翻堆后重新被分解利用，这也与CHEN 等[28]的研究结果相似。T2 的CO2排放比CK 处理降低14.83%。

2.2 腐熟度指标

所有处理的含水率均呈先上升，后趋于平缓的趋势（图3a）。物料初始含水率随着秸秆的添加逐渐降低，且随着堆肥的进行，各处理含水率逐渐增大，特别是CK处理和T1 处理的含水率较高，最高达84.78%、84.25%，这是因为堆肥主要以胡萝卜尾菜为原料，尾菜中结合水含量较高，经过高温发酵分解后以自由水形式散出[27]，因此高温期含水率升高。而高含水率会影响的透气性，不利于物料与氧气进行充分接触，同时不利于升温。

图3 尾菜堆肥中含水率、pH 值、电导率、E4/E6、种子发芽率指数、可挥发性固体含量变化Fig.3 Changes of moisture content, pH value, electrical conductitivy, E4/E6, germination index and volatile solid during vegetables waste composting

此外，堆肥期间含水率较高，堆体也易产生渗滤液。在高温期，渗滤液产出较多，其中CK 处理的渗滤液产出量最大，总量达1 621.7 g；其次是T1、T4 处理，总量分别为357.9、365.4 g。第7 天之后，除CK、T1、T4处理，其他处理的含水率均有不同程度的下降，可能是因为秸秆添加量较大，物料孔隙度高，通风过程中一部分水分被带走。而在第14 天之后，所有处理的含水率均下降，这是因为堆肥进入腐熟期，有机物降解完成，微生物活性与酶活性变弱。在堆肥第21 天，各个处理含水率仍大于70%，是因为伴随着高温期含水率的提升，通风速率未相应提高，不能及时将尾菜中的自由水带出堆体，反而容易凝结重新附着在物料表面，这是原料性质和通风率共同作用的结果[29]。在堆肥结束后，一般会将堆肥产品再经过一定时间的陈化处理，将有机物中剩余大分子有机物进一步分解、稳定、干燥，以满足后续制肥工艺的要求。所有处理pH 值呈先上升后趋于平缓的趋势，且在堆肥的第21 天均为弱碱性（图3b）。这与嘎毕拉等[30]研究相一致，但与王丽丽等[31]研究相比，本研究pH 值较低，因为本研究所选用原材料为胡萝卜尾菜，因其初始pH 值为中性，导致NH4+的释放量较低。第0～3 天，CK、T4 处理的pH 值迅速下降，可能是因为尾菜的单独堆肥和鸡粪的添加导致堆体中含有大量易降解的有机物，可使微生物迅速分解有机物产生有机酸[32]。之后又同其他处理呈上升的趋势，这也同 NH3排放速率呈正相关关系，可能与蛋白质的降解和NH4+的积累有关。

堆肥浸提液的电导率可反应堆肥含盐量，并表示堆肥产品是否对植物存在抑制作用。所有处理的EC 值呈缓慢上升之后下降的趋势（图3c），这与LI 等[33]研究结果相似。在堆肥的第0 天，T3、T4 处理由于添加较高比例的秸秆与鸡粪，因其二者本身的电导率含量高，所以物料初始EC 值较高。在高温阶段后，除CK 处理，其他处理均有不同程度的增加，这可能与无机化合物的产生和有机物降解导致离子浓度相对增加有关。而CK处理EC 值的减少可能由于胡萝卜尾菜中的木质纤维素对矿物盐有沉淀和吸附作用[34]。E4/E6 是指腐殖酸在波长为 465 和 665 nm 下两数值的比值，表示腐殖酸分子的复杂程度[35]。所有处理的E4/E6 值呈先上升后下降的趋势（图3 d）。在堆肥的第 0～3 天，CK 处理的E4/E6 值降低，由于小分子有机物降解速率小于其生成速率；而其他处理的E4/E6 值升高，是因为糖类、蛋白质等有机物被分解为简单的有机物或无机物，而后CK 处理也同其它处理呈升高的趋势。在堆肥结束时，T4 处理的E4/E6 值最小，表明其腐殖酸分子中芳香环的缩合度、芳构化度和分子量较大，腐殖酸较为稳定。所有处理第21 天的E4/E6 值略高于第14 天，说明第21 天的堆肥产品腐殖质化程度较高，这也与GI 指数的变化趋势呈一致。

所有处理的发芽率指数均呈先上升后趋于平缓的趋势（图3e），且在堆肥结束时，GI 值均大于70%，符合（NY 525-2021）的要求。T2 的GI 值为100.4%除T2处理外，其他处理GI 值在堆肥结束时均大于100%，研究表明GI 值大于90%时，堆肥产品对植物毒性较低[25]。GI 值在初期含量低，可能与挥发性脂肪酸和有毒物质的释放相关。T4 处理从堆肥第0 天到结束，GI 值均高于其他处理，这也同VS 含量呈负相关关系。其次是T3处理，GI 值较高，这表明鸡粪的添加和高比例秸秆辅料的添加会提高C/N 比，促进物料腐熟发酵。这与WANG 等[36]研究一致，进一步证实碳、氮含量影响GI值。几乎所有的有机物都是挥发性固体，因此挥发性固体总量能用于表征尾菜中可被生物降解的有机物含量。所有处理的VS 含量呈下降的趋势（图3f），这也与LIU 等[37]研究一致。堆肥结束后，除T4 处理外，所有处理的挥发性固体总量稳定在73.47%～77.54%之间。而T4 处理为65.11%，表明添加鸡粪促进堆肥的腐熟，这可能是因为鸡粪的添加导致有机质在堆肥过程中更容易被分解矿化，而其他处理中尾菜的木质素、纤维素等难降解的物质依旧存在。

2.3 氨气排放

所有处理的NH3排放速率呈先增加后降低之后趋于平缓的趋势（图4a）。在高温、碱性条件下，由于有机质的快速降解会导致NH4+-N的累积，从而加速NH3排放[38]。在前4 d，所有处理NH3排放速率较低，可能与堆肥的pH 值有关，pH 值呈酸性可中和产生的NH3[39]，导致前4 d 排放量极低。伴随着第3 天的翻堆，使其微生物代谢活跃，所有处理的排放速率均出现峰值，CK、T1、T2、T3、T4 处理的排放速率分别达0.10、0.30、0.68、0.90、1.03g/d，这也进一步证实随着温度的上升，NH3的排放量增大[40]。而鸡粪的添加促使T4处理的pH 值相较于其他处理较高，提供了良好的碱性环境，而伴随着有机质的降解使NH4+累积，导致NH3累积排放量最大。同时随着秸秆添加的比例增大，NH3排放量增大，氮损失量增加。与杨燕等[41]研究相比，本研究NH3排放量较低，也进一步证实畜禽粪便因其有机质含量高，蛋白质含量高等特点，在堆肥过程中易被分解，产生较多NH3。

图4 尾菜堆肥中NH3 排放速率及NH3 累积排放量变化Fig.4 Changes of NH3 emission rate and NH3 accumulation emission during vegetables waste composting

2.4 酶活性

酶与养分循环有关，其活性是堆肥生化功能的指标。过氧化氢酶可以分解过氧化氢，减少堆肥过程中其对微生物的毒性影响[42]。所有处理过氧化氢酶含量均呈上升的趋势（图5a）。在第0～7 天，除T1 和T2 处理外，其他处理过氧化氢酶含量均迅速上升，可能是因为微生物新陈代谢在第0～7 天加速，导致过氧化氢分解也加速[19]。在堆肥的第21 天，T2 处理过氧化氢酶含量最高，表明堆肥产品毒性最低，相反CK 处理的过氧化氢酶活性最低。脲酶与氮矿化有密切关系，在农业废弃物的分解中发挥着重要作用，可催化尿素水解为氨和二氧化碳[43]。所有处理的脲酶呈逐渐下降的趋势（图5b）。在堆肥的最初，所有处理脲酶含量较高，因为含氮有机物较多，随着堆肥的进行堆体温度逐渐升高，含氮有机物分解成氨，抑制脲酶活性，或者升温使脲酶菌群不耐热死亡。在堆肥结束时，T2、T3 处理的脲酶含量较其他处理较高。在GE 等[44]研究中脲酶含量在高温期有升高现象，本研究只有T1 处理有略微升高的趋势，而其他处理全部为下降的趋势，这可能是因为其高通风能提高脲酶的最大活性，但是相较于较低通风不利于保持脲酶活性。

图5 尾菜堆肥中过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶、纤维素酶含量变化Fig.5 Changes of catalase, urease, surase, cellulase content during vegetables waste composting

蔗糖酶在堆肥过程中起着分解蔗糖，产生葡萄糖、果糖等小分子物质的重要作用，这些分子物质是微生物繁殖的碳源。在堆肥过程中，所有处理的蔗糖酶活性都急速下降，之后趋于平缓（图5c）。CK、T3 处理的蔗糖酶含量在堆肥的第0～7 天迅速下降，可能因为堆肥中几种碳源物质被蔗糖酶分解。同时蔗糖酶的活性受温度影响较大，在堆肥第5～7 天（降温阶段），该阶段温度有利于微生物的代谢和繁殖，使堆肥过程中蔗糖酶活性较其他阶段迅速下降[19]。纤维素酶可以将纤维素分解成葡萄糖和果糖等能量物质，供微生物利用[45]。纤维素酶含量总体呈逐渐下降的趋势（图5 d），在堆肥第0 天，所有处理的纤维素质量分数为19.1～40.0 mg/g，第21 天为2.7～4.1 mg/g。在堆肥第0～3 天，T3、T4 处理呈现上升的趋势，这可能因为T3、T4 处理的温度较高，促进微生物快速代谢从而消耗一部分的纤维素，导致其纤维素酶活性增强，且达到最高值为29.4、27.5 mg/g。纤维素含量变化曲线与LU 等[46]研究结果相似，但是本研究纤维素酶活性含量降低较大，可能因为玉米秸秆本身纤维素含量高，随着堆肥的进行，纤维素被大量降解。T2 相比CK 过氧化酶、脲酶、纤维素酶活性相对增加7.5%、53.7%、32.5%。

2.5 腐熟度指标、气体排放与酶活性之间的相关性

为探究腐熟度、气体排放与酶活性变化的主要原因，通过相关性热图与冗余分析分别对5 个处理（图6a～6j）的腐熟度指标、气体排放和酶活性进行显著性分析和相关性分析。冗余分析表明两轴的解释变量差异总比例在88.25%～94.30%之间。

图6 尾菜堆肥中腐熟度指标、气体排放、酶活性的相关性、冗余分析图Fig.6 Correlation analysis and redundancy analyses of ripeness index, gas emissions and enzyme activity during vegetables waste composting

各处理酶活性对气体排放、腐熟度指标的贡献度均不同，其中CK 处理的过氧化氢酶（P＜0.05）贡献度最高，达55.2%（图6b）；T2 处理的脲酶（P＜0.01）贡献度达59.0%（图6f）；T1、T2、T3 处理的纤维素酶贡献度最高，分别为51.6%、64.4%和61.7%（图6d、6f、6h）。研究表明GI、EC 和pH 值是影响腐熟度的重要影响因素[47]，过氧化氢酶和腐熟度指标pH 值、EC、GI 值呈显著正相关，这表明过氧化氢酶的含量越高，代表堆肥毒性越低。除CK 处理，纤维素酶、蔗糖酶与温度、VS 呈正相关，显著性较高，其中T3、T4 处理纤维素酶与温度极显著（图6g、6i）；T2～T4 处理纤维素酶与VS 呈极显著关系（图6e、6g、6i；图6f、6h、6j）。这表明较高的温度有助于激发纤维素酶的活性，从而提高堆肥的腐熟度，促进有机质的降解。同时脲酶也与VS呈正相关关系，各处理均为极显著性关系。除T2 处理NH3与温度呈负相关关系，其他处理CO2、NH3与温度均呈正相关关系，表明气体排放速率与温度的高低有直接关系。