幾種農業廢棄物堆肥過程中理化性狀的變化研究

時連輝

山東農業大學 資源與環境學院,山東 泰安 271018

幾種農業廢棄物堆肥過程中理化性狀的變化研究

時連輝

山東農業大學 資源與環境學院,山東 泰安 271018

我國有著大量的農業廢棄物，資源浪費嚴重并引起污染問題，將其經過高溫堆肥處理并加以利用，具有重要的研究意義和研究價值。本試驗研究了幾種農業廢棄物堆肥化過程中理化性狀的變化，結果表明：（1）堆腐開始后，各種材料溫度均迅速升高，較短時間后又較快的下降，不同材料溫度上升的快慢及最高溫度差異很大，翻堆可提高堆體的溫度；玉米秸稈整個腐解過程均不需加水，小麥秸稈堆制前吸水特別困難，腐解較短時間后吸水就變得很容易，棉花秸稈失水較快，腐解過程中需要不斷加水，而大豆秸稈和菇渣只需前期加水；在堆腐的過程中，各種材料持水孔隙度均有所增加；玉米秸稈、小麥秸稈、大豆秸稈pH值變化均呈現出先降低后升高然后降低的趨勢，菇渣和棉花秸稈表現為先升高后降低，但兩者曲線有所不同；各種材料的電導率（EC值）均表現出先升高后降低的變化趨勢；菇渣抗分解能力最強，雙子葉植物秸稈比單子葉植物秸稈抗分解能力強，單子葉植物腐解過程中體積和重量減少較多；隨著腐解過程的進行，容重都不同程度的增加；各種材料的NH4+N和全N都是前期升高，后期降低，而碳氮比（C/N）均呈下降的趨勢；各種材料經過不同的腐解期后，腐解基質發芽指數(GI)很快升高，GI后期接近或超過100%。農業廢棄物堆肥產品可以應用到農業的方方面面，并有很多新型應用。

農業廢棄物;堆肥;理化性狀變化

隨著工農業和城市的發展，產生了大量有機廢物，以前只有少量被利用，其余大多數排放至自然界，不僅污染了環境，而且造成了有機資源的浪費。隨著人民生活水平的改善，人們對環境條件也提出了新的要求。如農作物秸稈在我國每年產量可達7×108t，隨著國家經濟實力增強和人民生活水平的提高，人們的環保意識增強，國家嚴令禁止焚燒秸稈，如1999年國家發布了《秸稈禁燒和綜合利用的管理辦法》，禁止在劃定區域內焚燒秸稈。除秸稈以外，中國每年可產生城市生活垃圾(3.0～3.5)×108t，肉類加工廠(包括肉聯廠、皮革廠和屠宰場)廢棄物(0.5～0.65)×108t，城市污泥 0.2×108t，食用菌廢料0.1×108t[1]。目前這些廢棄物的利用率很低，只有20%左右，這些廢料要么隨地堆積，要么燃燒掉，這既浪費了資源，又對環境造成了嚴重的污染[2]，利用農業廢棄物經過高溫堆肥處理，進而生產有機肥、土壤改良劑和無土栽培基質等，可以變廢為寶，也是建設節約型社會，發展循環經濟，促進節約使用和合理利用再生資源，推進廢物綜合利用的需要[3-6]。

1 試驗方法

1.1 溫度測定方法

隔天測定1次溫度，測定時間為上午11點，用溫度計插入離表層50 cm處測定溫度，選不同位置重復3次。

1.2 取樣方法

從不同位置不同深度6個點取樣，混勻后測定。

1.3 含水率的測定

用80℃恒溫溫箱烘24 h后測定，含水率=（濕重－干重）/濕重*100%。

1.4 體積變化和質量變化測定方法

每種材料用尼龍袋（0.3 cm孔）裝入5 kg材料，放入堆體中間位置，翻堆時測定質量和體積，同時測定含水量，根據含水量換算成干重。

1.5 發芽指數(GI)

用相當于材料干重的10倍的蒸餾水浸泡2 h，培養皿中放入濾紙，浸出液浸泡濾紙，蒸餾水浸泡濾紙做對照，在人工氣候箱中做黑麥草發芽試驗，定期測定發芽率和根長。

GI＝（堆肥處理的種子發芽率×種子根長）/（對照種子發芽率×種子根長）×100%

1.6 呼吸速率的測定

用1L的廣口瓶，瓶中加入30 mL 0.1 mol·L-1的NaOH溶液，將材料放入尼龍網袋中，每袋放10 g材料，將袋子懸掛在廣口瓶的橡皮塞上，密封，放入60℃的恒溫培養箱中培養24 h，用0.1 mol·L-1的HCl滴定，以每h吸入每g材料釋放的CO2的量（mmol）代表呼吸速率。

1.7 pH值和電導率測定方法

堆肥第3 d第1次取樣，以后每隔1周取1次樣，采用飽和浸提法，pH值和電導率分別用雷磁酸度計和電導率儀進行測定。

1.8 容重和持水孔隙度的測定

容重的測定用帶刻度燒杯法，持水孔隙的測定用10 cm高的花盆測定（飽和重力排水法）。

1.9 C和N的測定

含C量的測定用重鉻酸鉀外加熱法，速效N的測定用KCl提取，加MgO凱氏定氮法，全氮的測定用凱氏定氮法[7]。

2 結果與分析

2.1 腐解過程中溫度的變化

如圖1所示，整個過程來看，最高溫度均出現在從開始腐熟到第一次翻堆之間，達到最高溫度后溫度又以較快的速度下降，高溫階段維持2～3 d不等。不同材料到達最高溫度的時間差異很大，菇渣1 d后即達到最高溫度59℃，玉米秸稈第3 d達到最高溫度75℃，大豆秸稈第5 d達到最高溫度68℃，小麥秸稈第7 d達到最高溫度63℃，棉花秸稈第9 d才達到最高溫度64℃，出現以上現象可能有以下原因：菇渣本身含菌很多，堆體形成后高溫菌迅速活動，但由于種植蘑菇時易分解物質大都分解，所以最高溫度出現較快但溫度只有59℃；玉米秸稈中可溶性糖等含量較高，可以供高溫菌利用的食物很多，所以溫度第3 d達到了最高溫75℃；大豆秸稈高溫菌可以用食物比玉米秸稈少一些轉化稍慢，但第5 d即達到最高溫度；小麥秸稈升溫較慢的原因主要是小麥秸稈有一層蠟質層而吸水困難，蠟質層破壞需要一定時間；棉花秸稈升溫最慢，可能與其木質化程度較高，前期可利用的易分解材料少有關。

從圖1還可以看出，每次翻堆后溫度都有所回升，由于翻堆的原因，溫度呈現波浪式變化。溫度在55℃以上可以殺死病菌，蟲卵和雜草種子，從圖1還可以看出，第3次翻堆以前各種材料的溫度均在50℃以上，除菇渣總體溫度稍低以外，各種秸稈材料55℃以上維持的時間均較長，可以實現產品的清潔化。從圖1還可以看出，菇渣雖然整體溫度較低，但后期溫度相對較高。

2.2 腐解過程中水分和持水孔隙的變化

2.2.1 腐解過程中水分及其調節 如圖2所示，玉米秸稈整個腐解過程均不需加水，并能維持較高的含水量，所以玉米秸稈腐解化期間勞動強度較低，操作較簡單；小麥秸稈堆制前加水特別困難，到第1次翻堆時失水較多，第1次翻堆加水后吸水變得很容易，達到了較高的含水量，第2次翻堆加水后即不需要加水；棉花秸稈每次翻堆都需加水，原因是棉花秸稈木質化程度高，失水較快；大豆秸稈和菇渣較易吸水，前兩次翻堆需要加水，第3次翻堆就不用加水了。

圖1 不同材料腐解過程中溫度變化Fig.1 Changes of temperatures in different material scomposting

圖2 不同材料腐解過程中含水量的變化Fig.2 Changes of moisture in different materials composting

2.2.2 腐解過程中持水孔隙度變化 如圖3所示，各種材料持水孔隙度變化不一致。玉米秸稈變化最小，從堆制前到第1次翻堆，持水孔隙度46.1%增加到49.2%，以后較穩定；小麥秸稈堆制前持水孔隙度最小，只有18.2%，到第1次翻堆時迅速增加到36.6%，最后的持水孔隙度也最小，保持了較高的通氣孔隙；棉花秸稈堆制前的通氣孔隙度只有25.4%，但到堆制結束時，持水孔隙度58.0%，達到了較高的持水孔隙；菇渣和大豆秸稈的持水孔隙度在堆制前和堆制完成時與其他材料相比都較高。

2.3 腐解過程中pH值和電導率的變化

2.3.1 腐解過程中pH值的變化 各種材料在腐解過程中的pH變化不一致，玉米秸稈、小麥秸稈、大豆秸稈pH值變化均呈現出先降低后升高然后降低的趨勢，以上材料前期pH值的降低可能與腐解過程中前期產生有機酸有關；菇渣和棉花秸稈表現為先升高后降低，但曲線變化明顯不同（圖4）。

從圖4中可以看出，玉米秸稈和大豆秸稈pH值第一周達到最低，又開始上升，第四周達到最高后開始下降，玉米秸稈整個過程中表現為中性、酸性、弱堿性、弱酸性的變化規律，大豆秸稈表現為中性、弱酸性、堿性、弱堿性的變化規律；小麥秸稈第二周達到最低，小麥秸稈比玉米和大豆秸稈到達最低pH值的時間晚可能與小麥秸稈初期吸水弱，微生物活動弱有關，小麥秸稈在整個過程中pH值表現為中性、酸性、弱酸性的變化趨勢，在整個腐解期間pH值均＜7；菇渣pH值從腐熟開始即開始升高，到第四周達到最高開始下降，其pH值未降低可能是產生有機酸的過程已在種植蘑菇階段完成；棉花秸稈的pH值第一周略有升高，第二周達到最高，以后略有下降，但幅度很小，其pH值未出現降低現象可能與其本身材料pH值較低有關。

圖3 不同材料腐解過程中持水孔隙度的變化Fig.3 Changes of water-holding pores in different materials composting

圖4 不同材料腐解過程中PH值的變化Fig.4 Changes of pH value in different materials composting

2.3.2 腐解過程中EC值的變化 從圖5中可以看出，各種材料的電導率（EC值）均表現出先升高后降低的變化趨勢。菇渣、小麥秸稈、大豆秸稈第2周達到最高，以后有所下降，且第2次翻堆加水后由于淋溶作用下降較多；玉米秸稈第3周達到最高，以后略有下降，后期較為穩定，其后期穩定的原因可能與翻堆時未加水淋溶有關；棉花秸稈從開始到第2周迅速升高，第1次翻堆加水淋溶后略有下降，第4周達到最高，然后開始下降，第3次加水淋溶后下降較多。各種材料前期電導率升高的原因可能與NH4+的產生等有關，因EC值的升高和NH4+的升高規律基本一致（圖11），他們后期電導率下降的部分原因可能與胡敏酸的生成有關。

2.4 腐解過程中腐解材料的分解速率研究

2.4.1 腐解過程中呼吸速率的變化 呼吸速率可以反映微生物的活性，從而可以反映腐解材料的分解快慢。從圖6中可以看出，玉米秸稈、大豆秸稈、菇渣第1周呼吸速率達到最高，以后逐漸下降，三者中玉米秸稈第一周的呼吸速率最高；小麥秸稈和棉花秸稈呼吸速率第二周達到最高，以后逐漸下降。菇渣的呼吸速率雖然前期比其他材料略低，但是后期比其他材料明顯偏高，可能與菇渣中微生物量較多有關，也可能由于菇渣較適合60℃的測定條件；棉花秸稈的后期呼吸速率比其他秸稈明顯偏高，所以棉花秸稈持續分解的時間較長，其他三種秸稈第四周以后呼吸速率均維持在一個較低的水平，說明這三種秸稈材料后期分解較慢。2.4.2腐解過程中體積和重量變化 從圖7中可以看出，腐解過程中不同材料之間體積變化差異較大。腐熟完成時，菇渣的體積與原材料相比只減少了23.3%，這與其在種植蘑菇期間體積已大大縮小有關；腐熟完成時，棉花秸稈和大豆秸稈分別比原材料較少了42.4%和52.4%，而小麥和玉米秸稈分別比原來較少了69.9%和69.3%，棉花秸稈和大豆秸稈屬于雙子葉植物，木質素含量較多，抗分解能力比屬于單子葉植物的玉米秸稈和小麥秸稈要強。

圖5 不同材料腐解過程中EC值的變化Fig.5 Changes of ECvalues in different materials composting

圖6 不同材料腐解過程中呼吸速率的變化Fig.6 Changes of respirati on ratesin different materials composting

從圖8中還可以看出，菇渣、棉花秸稈、大豆秸稈、小麥秸稈和玉米秸稈，腐熟完成后其干物質重量與原材料相比分別減少了15.2%、33.8%、41.5%、54.8%、57.2%，菇渣和棉花秸稈尤其是菇渣通過腐解干物質減少較少，與其他相比，同樣重量的原材料可以獲得較多的基質產品。

圖7 不同材料腐解過程中體積變化Fig.7 Changes of volumes in different materials composting

圖8 不同材料腐解過程中重量變化Fig.8 Changes of weights in different materials composting

對五種材料腐熟后體積減少量和重量減少量做多重比較表明，除玉米秸稈和小麥秸稈差異不顯著以外，其他之間均差異顯著（P＜0.05）。

腐解期間重量和體積減少表明，農業廢棄物腐解在其資源化的同時，可以實現減量化。

2.4.3 腐解過程中含碳量的變化 碳作為微生物的能源物質的組成元素，在腐解過程中被微生物不斷消耗。從圖9中可以看出，在腐解過程中各種材料的含碳量都逐漸減少，各種秸稈前期下降較多，后期下降較慢，菇渣整個過程下降較平緩，需要指出的是棉花秸稈最后的含碳量反而最少，可能與其產生較多的無機材料有關。

2.4.4 腐解過程中容重的變化 從圖10中可以看出，隨著腐解過程的進行，容重都不同程度的增加，容重增加的原因與有機材料減少、無機材料增加有關，也與隨著腐解的進行，材料的粒徑減小有關。玉米秸稈、小麥秸稈、大豆秸稈容重前兩周增加較多，以后比較平緩；菇渣和棉花秸稈容重整個過程變化都比較平緩。腐解完成后，小麥秸稈、玉米秸稈、大豆秸稈、棉花秸稈、菇渣的容重比原材料分別增加了50.0%、39.5%、20.4%、13.0%、10.5%，由于小麥秸稈和玉米秸稈原材料容重小，分解程度大，增加較多，而菇渣和棉花秸稈等原來容重大，分解程度小，增加較少。

圖9 不同材料腐解過程中含碳量變化Fig.9 Changes of carbon contents in different materials composting

圖10 不同材料腐解過程中容重變化Fig.10 Changes of bulk densities in different materials composting

2.5 腐解過程中氮和碳氮比（C/N）的變化

從圖11、12中可以看出NH4+N和全N都是前期升高，后期降低。秸稈銨態氮前期升高一個原因是在調節碳氮比時加入了部分銨態氮，另一個原因是分解過程中秸稈被微生物分解釋放出部分銨態氮。秸稈全氮前期升高一是調節碳氮比時加入了部分氮肥，另一個原因是碳的減少。菇渣銨態態前兩周升高較快，后期下降較少且較平緩。

從圖13中可以看出，在腐解的過程中，各種材料的碳氮比（C/N）均呈下降的趨勢，這是因為隨著腐解的進行，碳的損失比氮要高。秸稈由于前期含碳量下降較快，而總氮前期是增加的，所以碳氮比前期下降較多；菇渣的碳氮比腐解前就較低，下降較小。

2.6 腐解過程中發芽指數(GI)的變化

從理論上說，GI＜100%，就判斷是有植物毒性，但在實際實驗中，如果GI＞50%，則認為腐解材料已腐熟并達到了可接受程度，即基本沒有毒性，當發芽指數GI達到80～85%時，這種腐解材料就可以認為是沒有植物毒性或者說腐解已腐熟了。從圖14中可以看出，玉米秸稈從第2周，其他材料從第3周，發芽指數都超過85%，也就是說玉米秸稈腐解兩周，其他材料腐解3周，所獲得的基質就可以直接使用而不會對發芽有毒害作用。

從圖14中還可以看出，玉米秸稈、小麥秸稈、大豆秸稈從第4周開始，棉花秸稈從第5周開始，菇渣從第6周開始，其發芽指數已經接近甚至超過100%，也就是說堆腐材料腐解完成時對發芽沒有負影響甚至有促進作用。

圖12 不同材料腐解過程中N含量變化Fig.12 Changes of total N content in different materials composting

圖13 不同材料腐解過程中碳氮比（C/N）的變化Fig.13 Changes of C/Nratioin different materials composting

圖14 不同材料腐解過程中發芽指數（GI）的變化Fig.14 Changes of Germination Index(GI)in different materials composting

3 小結

腐解開始后，各種材料溫度均迅速升高，高溫維持較短時間后又較快的下降。不同材料由于內部微生物易利用成分的含量不同，吸水難易不同等原因，溫度上升的快慢及最高溫度差異很大；翻堆提高了堆體的含氧量，所以溫度會升高；大多材料55℃以上維持的時間均較長，可以消除原材料中的有害物質。

腐解過程中不同材料的水分特性差異較大。玉米秸稈整個腐解過程均不需加水；小麥秸稈堆制前吸水特別困難，第一次翻堆加水后吸水變得很容易；棉花秸稈失水較快，每次翻堆都需加水；大豆秸稈和菇渣前期失水較快，后期不需要加水。在腐解的過程中，各種材料持水孔隙度均有所增加，由于原材料孔隙度和分解的快慢不同，各種材料變化不一致。

玉米秸稈、小麥秸稈、大豆秸稈pH值變化均呈現出先降低后升高然后降低的趨勢；菇渣和棉花秸稈表現為先升高后降低，但兩者曲線有所不同。各種材料的電導率（EC值）均表現出先升高后降低的變化趨勢，各種材料的變化規律有所差異。

菇渣抗分解能力最強，雙子葉植物秸稈比單字葉植物秸稈抗分解能力強，抗分解能力強的材料在腐解的過程中體積和質量變化較小，同樣質量的材料獲得的產品較多。

隨著腐解過程的進行，容重都不同程度的增加，容重增加的原因與有機材料減少、無機材料增加有關，也與隨著腐解的進行，材料的粒徑減小有關

各種材料的NH4+N和全N都是前期升高，后期降低。碳氮比（C/N）均呈下降的趨勢。

玉米秸稈從第二周，其他材料從第三周開始，發芽指數都超過85%，后來各材料發芽指數已經接近甚至超過100%，但達到無害化的時間有所差異。

4 農業廢棄物堆肥產品應用

本研究團隊進行了大量的堆肥產品的應用研究，特別注重新型應用研究。利用堆肥產品加工成生物有機肥，加工成各種類型的無土栽培基質，進行了土壤改良方面的研究，并模擬原始森林的生態結構，進行了農業廢棄物堆肥基質園藝園林地面覆蓋的的研究。以上研究均以進行了較大面積的推廣，取得了良好的應用效果。

[1]李 季,彭生平.堆肥工程實用手冊[M].北京:化學工業出版社,2005

[2]張艷哲,李 毅,劉吉平.秸稈綜合利用技術進展[J].纖維素科學與技術,2003(6):57-61

[3]蔣衛杰,余宏軍.我國無土栽培的現狀、問題和展望[J].農村實用工程技術·溫室園藝,2005(6):14-16

[4]Chong C,Cline RA,Rinker DL.Spent mushroom compost and paper mill sludge as soil amendments for containerized nursery crops[J].Combined Proceedings of the International Plant Propagators'Society,1988(37):347-353

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[7]鮑士旦.土壤農化分析[M].第3版.北京:中國農業出版社,2000

Studyon the Changesof Physicochemical Properties in Composting Processes of Several Agricultural Wastes

SHI Lian-hui
College of Resource and Environment/Shandong Agricultural University,Tai’an271018,China

In our country,agriculture by-product resources are excessive and badly wasted and resulted in environment problems.It has important research significance and research value through high temperature composting process.The experiment studied the physical and chemical properties change of several kinds of agricultural waste during the composting process,the result showed that:at the beginning of the composting process,the temperature of each material rapidly elevated and lasted for a while,followed by a quick drop,the speed of temperature rose and the maximum temperature differed from material to material.Turn piles may enhance the compost temperature.It was not necessary to add water to the whole process of decomposition of corn straw,wheat straw was very difficult to absorb water before composting,but after short composting time,its water-absorptivity boosted up greatly.Cotton straw dehydrated faster,and need to add water constantly during the decomposition process.Bean straw and mushroom residue compost only need to water in the earlier period.In the composting process,each kind of materials tends to increase water-holding pores.For corn straw,wheat straw and bean straw,changes tendency of their pH value present decline first,then elevate,and decline again subsequently,pH value of mushroom residue and cotton straw increased first and then decreased,but their curves were different.The conductivity of all kinds of materials(EC)shows the trend of elevating first,then reducing.The anti-decomposition ability of mushroom residue is the strongest,the decomposition ability of dicotyledonous plant straw is stronger than that of single leaf plant straw.The volume and weight of single cotyledons were reduced in the process of decomposition.With the process of decomposition,the bulk density increased in different degrees.Each material's NH4+N and total N elevated at the earlier period,then reduced at later period,and the C/N ratio(C/N)of all materials showed a downward trend.Germination Indexes(GI)of various substrates increased rapidly after different composting period,and GI closed to or exceeded 100%in later stage.Agricultural waste compost products can be applied to all aspects of agriculture,and there are many new applications.

Agricultural waste;compost;physical and chemical properties change

S141.4

A

1000-2324(2017)05-0716-06

2016-03-10

2016-04-20

“十二五”國家科技支撐計劃課題:低成本村鎮基礎設施與環境建設技術研究與示范(2014BAL04B05)

時連輝(1970-),男,副教授,主要從事有機廢棄物資源化利用及無土栽培研究.E-mail:shilh@sdau.edu.cn