森林枯枝落葉堆肥過程中理化性質(zhì)變化規(guī)律探究

張靜美 吳興興※

摘 要 以森林枯枝落葉和枯草芽孢桿菌腐熟菌劑為主要原料進(jìn)行堆肥過程中，測定了溫度、pH值、含水率、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量等理化性質(zhì)的變化。其中溫度在30～35 d共出現(xiàn)升溫、高溫、降溫和腐熟4個(gè)顯著溫度變化階段;pH值在10～30 d先上升后穩(wěn)定，幅度變化為7.0～8.8;5～7 d，NH4+-N含量由7.8 g·kg-1快速降低至3.5 g·kg-1，在7～30 d逐步緩慢降低至2.2 g·kg-1;N-NO3-含量在7～10 d由3.1 g·kg-1逐漸增加到5.7 g·kg-1，10～30 d增加幅度較小并保持在8.5 g·kg-1。約30 d后堆肥結(jié)構(gòu)松散，無結(jié)塊、霉?fàn)€和酸敗氣味。

關(guān)鍵詞 森林;枯枝落葉;堆肥;方法

中圖分類號(hào)：S14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.32.109

森林中的枯枝落葉是森林生態(tài)系統(tǒng)中的一部分，對(duì)維持森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán)起到重要的作用。森林生態(tài)系統(tǒng)中的生物是枯枝落葉分解過程中的主要參與者，其中土壤動(dòng)物使枯枝落葉實(shí)現(xiàn)物理性分解，土壤微生物則使枯落物碎片進(jìn)一步分解為簡單無機(jī)分子或轉(zhuǎn)化為腐植質(zhì)[1]。森林凋落物分解能使養(yǎng)分歸還于土壤層，激發(fā)微生物和酶的活性，維護(hù)土地生產(chǎn)力，是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的一個(gè)重要過程[2]。森林凋落物的分解使得含有豐富營養(yǎng)元素的有機(jī)化合物降解為簡單的小分子[3]，從而形成土壤腐植質(zhì)，調(diào)控整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)功能。森林凋落物從新鮮狀態(tài)到腐植質(zhì)的分解過程中會(huì)釋放大量營養(yǎng)元素，其中氮和磷對(duì)植物的生長起到重要作用[4]。

微生物參與堆肥熟化過程，人為添加微生物菌劑可以顯著提高堆肥品質(zhì)，提升物料淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶等的活性，從而加快堆肥發(fā)酵和熟化過程。如在堆肥進(jìn)程中接種枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）可抑制枯萎病病原菌[5]，并加速物料的腐熟進(jìn)程，還能降解生物毒性物質(zhì)[6]。

在作物生長過程中，合理施肥是增產(chǎn)增收的重要因素之一。由枯枝落葉生產(chǎn)的堆肥是一種有機(jī)肥料，含有無機(jī)元素和有益微生物。在農(nóng)田中施用有機(jī)肥能夠明顯提升農(nóng)作物的產(chǎn)量和抗性，改善土壤的理化性質(zhì)。傳統(tǒng)生產(chǎn)中廣泛使用的化肥，成分和功能相對(duì)較為單一，而堆肥含有豐富的營養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)，養(yǎng)分含量高、持續(xù)性好，能更好地滿足農(nóng)作物的生長需求。在堆肥中添加有機(jī)功能菌，不僅可以加快發(fā)酵進(jìn)程，還具有催生根系、改良土質(zhì)、再造養(yǎng)分等功能，對(duì)植物的生長有著良好的促進(jìn)作用。

用枯枝落葉生產(chǎn)堆肥，來源廣泛、價(jià)格低廉、易于獲得，肥料使用的成本相對(duì)較低。而經(jīng)高溫腐熟的有機(jī)肥，還能殺死土壤中的蟲卵和病原物，也可從根源上減少作物病蟲害發(fā)生的概率。本研究以云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)習(xí)林場內(nèi)產(chǎn)生的枯枝落葉為主要原料，通過添加枯草芽孢桿菌腐熟菌劑，研究靜態(tài)好氧堆肥生產(chǎn)有機(jī)肥的方法，從而為資源化利用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

枯枝落葉取自云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)習(xí)林場。林分結(jié)構(gòu)中喬木主要有云南松、華山松、滇油杉、栓皮櫟、藍(lán)桉、黑荊樹、滇樸、沖天柏和榿木;灌木主要有油茶、小鐵子、火棘、厚皮香、楊梅、覆盆子和茶梅等;草本植物主要有紫莖澤蘭、鬼針草、鼠曲草、野古草和馬鞭草等。枯草芽孢桿菌由本實(shí)驗(yàn)室保存。

試劑：氯化鉀（KCl），天津市福晨化學(xué)試劑廠;苯酚（C6H5OH）、乙二胺四乙酸二鈉（EDTA-2Na），天津科密歐化學(xué)試劑有限公司;硝基鐵氰化鈉[Na2Fe（CN）5NO2H2O]、酒石酸鉀鈉（KNaC4H4O6·4H2O，化學(xué)純），上海麥克林生化科技有限公司;次氯酸鈉（NaClO）、磷酸鈉（Na3PO4·12H2O），國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鈉（NaOH），廣州化學(xué)試劑廠;磷酸氫二鈉（Na2HPO4·7H2O），北京化工廠;次氯酸鈉（NaClO），天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司;濃硫酸（H2SO4），北京化工廠。所有試劑均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 腐熟菌劑的制備

將實(shí)驗(yàn)室保存的枯草芽孢桿菌（B.subtilis）菌株活化，先在NA固體培養(yǎng)基上30 ℃條件下劃線培養(yǎng)，挑取單個(gè)菌落接種到50 mL種子液培養(yǎng)基中，相同溫度下置于轉(zhuǎn)速為250 r·min–1的搖床中培養(yǎng) 24 h，制得菌株的活化種子液。

菌株擴(kuò)大培養(yǎng)時(shí)，在發(fā)酵罐中裝入15 L發(fā)酵培養(yǎng)液，調(diào)節(jié)pH為7.0±0.2，加入適量滅菌消泡劑，121 ℃條件下蒸汽滅菌30 min，待發(fā)酵液溫度下降至40 ℃后，按1%的體積分?jǐn)?shù)接種150 mL種子液至發(fā)酵罐中，于250 r·min–1、30 ℃條件下發(fā)酵培養(yǎng)。發(fā)酵20 h后每隔1 h從發(fā)酵罐中取樣制片，結(jié)晶紫染色后將其置于光學(xué)顯微鏡下觀察菌體形態(tài)和芽孢產(chǎn)生情況，當(dāng)芽孢生成率>95%且芽孢形態(tài)均一時(shí)結(jié)束發(fā)酵。

將發(fā)酵液分裝后，以25 ℃、3 600 r·min–1離心30 min，

棄上清液，按沉淀質(zhì)量的5%添加CaCO3作為載體填料噴制菌粉。將制得的菌粉低溫密封保存，使用前測定芽孢含量，計(jì)算芽孢存活率。作為腐熟菌劑使用時(shí)，含菌量為2.5×1010 CFU·g-1。

1.2.2 物料制備

將枯枝落葉粉碎，物料顆粒直徑<7 mm。每噸物料拌入枯草芽孢桿菌（B. subtilis）腐熟菌劑和尿素各1 kg，控制水分含量65%左右，調(diào)整pH值為7.0～7.5。

1.2.3 渥堆發(fā)酵

露天渥堆時(shí)平均氣溫要求達(dá)到15 ℃以上。渥堆規(guī)格為：堆高1.5 m、寬2.0 m、長度約4.0 m。堆內(nèi)發(fā)酵溫度控制在65 ℃以下，堆內(nèi)溫度過高時(shí)應(yīng)及時(shí)翻堆降溫和補(bǔ)充水分。

1.2.4 指標(biāo)檢測

參照常規(guī)檢測方法，每3 d檢測堆肥中心溫度、pH值、含水率等理化性狀。將堆內(nèi)溫度降至常溫作為發(fā)酵結(jié)束的主要依據(jù)之一，同時(shí)要求物料外觀黑褐色、結(jié)構(gòu)松散，無結(jié)塊、霉?fàn)€和酸敗氣味。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度變化

堆肥溫度從逐步升溫到降低至常溫，共耗時(shí)30～35 d。

共出現(xiàn)4個(gè)顯著溫度變化階段，即升溫階段、高溫階段、降溫階段和腐熟階段。如圖1所示，在5～15 d，溫度由初始的9～15 ℃上升為50 ℃左右。第15～22 d，

溫度由50 ℃上升至60 ℃左右。第22～27 d，溫度由60 ℃逐步降低至25～30 ℃。第27～30 d，溫度由25～30 ℃降低并穩(wěn)定在25 ℃左右，與環(huán)境溫度相近。

2.2 pH值變化

如圖2所示，pH值變化呈先上升后穩(wěn)定的趨勢。在5～10 d，堆肥pH值由初始7.0～7.5上升為7.7～8.4，在10～30 d，pH值保持在8.4～8.8。

2.3 NH4+-N和NO3--N含量變化

如圖3a所示，NH4+-N變化呈逐漸降低的趨勢。在5～7 d，堆肥NH4+-N含量由初始時(shí)7.8 g·kg-1快速降低到3.5 g·kg-1;在7～30 d，堆肥NH4+-N含量逐步緩慢降低并保持在2.2 g·kg-1。

如圖3b所示，NO3--N含量變化呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。在7～10 d，堆肥NO3--N含量由初始時(shí)3.1 g·kg-1逐漸增加到5.7 g·kg-1;10～30 d，堆肥NO3--N含量增加幅度較

小，最終保持在8.5。

3 結(jié)論與討論

本研究測定了森林枯枝落葉添加枯草芽孢桿菌制作堆肥過程中溫度、pH值、含水率、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量等理化性質(zhì)的變化過程，這些指標(biāo)對(duì)掌握堆肥熟化規(guī)律和指導(dǎo)生產(chǎn)具有參考價(jià)值。由該方法生產(chǎn)的堆肥熟化后，溫度、pH值、含水率穩(wěn)定，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量適中，物料結(jié)構(gòu)松散，無結(jié)塊、霉?fàn)€和酸敗氣味，對(duì)促進(jìn)森林枯枝落葉的資源化利用具有參考價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：劉 昀）