木醋液對牛糞好氧堆肥理化特性與育苗效果的影響

徐 超 袁巧霞 覃翠鈉 謝廣榮 何 濤 宋 娜

(1.華中農業大學工學院， 武漢 430070； 2.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室， 武漢 430070；3.武漢光谷藍焰新能源股份有限公司， 武漢 430072； 4.湖北海圖園藝景觀工程有限公司， 武漢 430070)

0 引言

草炭是沼澤中死亡植物殘體轉化積累形成的產物，含有大量未被徹底分解的植物殘體、腐殖質以及一部分礦物質，其通氣透水性好，是理想的育苗基質。但草炭不可再生，大量開采對生態環境也造成了不可逆轉的影響。將牛糞堆肥作為育苗基質是替代草炭、控制農業環境污染的重要方法[1]。相比于肥料利用，育苗基質對堆肥腐熟料的pH值和電導率具有更高的要求，優質基質的pH值為5.5～7.5，電導率為1～2.75 mS/cm[2]。牛糞作為育苗基質，其堆肥腐熟料具有較高的pH值和電導率，不利于幼苗的生長發育。研究表明[3-4]，堆肥的酸處理可有效降低堆體的pH值，促進微生物活動，加快堆肥前期有機酸的形成，進而促進堆肥腐熟。且較低pH值可抑制堿性有害氣體NH3的揮發，在滿足幼苗對偏酸性環境需求的同時，還能進一步保留基質育苗所需氮肥[5]。而堆肥酸處理面臨的主要問題是育苗基質生產量大，所需酸量多，處理成本較高，因此迫切需要尋求一種傳統酸的替代品。

木醋液是農林廢棄物在高溫熱解過程中的揮發分經冷卻液化分離得到的水相物質[6]，主要成分為乙酸，pH值較低。木醋液作為農林廢棄物熱解工業的副產物，其產生量大，而其利用途徑卻沒有得到有效開發。大量的木醋液積累已成為制約生物質熱解行業的關鍵瓶頸。有研究表明[4，7]，木醋液可用于堆肥發酵、植物生長調節，能夠改善土壤的通氣和透水性，可促進土壤中熱量的擴散和氣-水-養分的運移。木醋液不僅可以作為液體有機肥料，還可調節植物生長和提升品質[8-9]。基于這些情況，本文以木醋液為調節劑，探討添加木醋液對牛糞-小麥秸稈好氧堆肥過程中理化性質的影響，并進行相應的育苗試驗，對木醋液作為堆肥基質化利用調理劑的可行性做出評價，為提升堆肥效率、優化堆肥基質預處理工藝提供理論和試驗基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

牛糞為肉牛糞便，取自湖北省隨州市弘大畜牧有限責任公司；小麥秸稈于網上購買，風干后長度切為3 cm左右以便與牛糞混合，堆肥原料基本性質如表1所示。

木醋液由武漢光谷藍焰新能源股份有限公司提供，熱解原料為楊木和松木，熱解溫度約為600℃，木醋液原液pH值為2.53，電導率為1.43 mS/cm，密度為1.04 g/cm3，木醋液成分分析如表2所示。

表1 原料基本理化性質Tab.1 Basic properties of raw materials

注：含水率為濕基，其他各項指標均為干基下計算所得。

表2 木醋液成分分析Tab.2 Composition of wood vinegar

1.2 試驗設備

堆肥試驗在自主研制的小試強制通風堆肥反應器中進行，反應器外壁安裝加熱帶，用溫控器控制反應器加熱溫度，由空氣泵向堆體自下往上輸入空氣，并通過時控器和流量計控制通風量，堆肥設備如圖1所示。每個物料倉容積為15.25 L，加熱帶功率為800 W。

圖1 小試強制通風堆肥反應器示意圖Fig.1 Schematic diagram of forced ventilation compost reactor1.溫控器 2.電源開關 3.有孔透氣保溫蓋 4.加熱帶 5.堆肥物料 6.膜片式曝氣盤 7.玻璃轉子流量計 8.空氣泵 9.時控器

1.3 試驗方法

1.3.1小試堆肥反應器強制通風堆肥試驗

將牛糞、小麥秸稈按照鮮質量比4∶1的比例進行混合，參照文獻[10]關于木醋液對土壤養分及育苗效果影響的試驗，設置木醋液添加量為0(對照)、1%、3%、5%。將堆體含水率調至(65±2)%，用溫控器控制加熱帶溫度，使得堆體環境溫度為(55±2)℃。用玻璃轉子流量計控制通風量，為保證好氧堆肥過程充足的氧氣濃度，采用自下而上固定速率的強制性通風方式。考慮通風過程造成堆體熱量損失較大，不利于堆體升溫需求，故采用間歇式通風。針對小體積堆體，通風速率計算以生化需氧量為主。由于堆肥物料是復雜的混合物，堆體呈孔隙空間結構，以自由空域[11]表征堆體中氣體體積占總體積百分比。計算原理為

(1)

式中F——堆體的自由空域，%

Vs——堆肥物料可揮發部分質量分數，取70%

Gs——堆體的相對密度

Gv——堆體可揮發部分的相對密度，取1.0

Gf——堆肥物料灰分的相對密度，取2.5

Sm——堆肥總固體質量分數，%

δm——堆肥物料的單位體積濕質量，g/cm3

δw——水的密度，g/cm3

c——堆肥物料的單位體積干質量，g/cm3

反應初始，氣體充滿孔隙空間，氧氣體積分數為21%，當反應進行一段時間，微生物消耗氧氣使氧氣體積占比減少。相關研究表明[12]，當氧氣體積分數為8%時，微生物活動受阻，有機質降解速率減小，可進行通風提升氧氣濃度。若以葡萄糖表征堆肥底物，查閱相關資料，取好氧堆肥過程有機質降解速率為0.001 kg/h[13]。則通風時間為1 min，通風速率為0.25 m3/min，間隔時間為8 h。堆肥過程中每2 d取一次樣，取樣時在堆體不同位置取3次樣，進行指標測定，直至堆肥溫度穩定為止。

1.3.2堆肥基質毒性及育苗試驗

堆肥基質毒性采用發芽指數進行評價。種子發芽指數綜合反映了堆肥的植物毒性，被認為是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度評價指標。將堆肥基質按照質量比1∶10與去離子水混合，攪拌振蕩，靜置過濾，取浸種后的黃瓜種子20粒放入墊有紗布的培養皿中，吸取5 mL浸提液均勻噴灑后將培養皿放置于25℃恒溫培養箱中進行培養，測定種子發芽率、根長，計算發芽指數。

黃瓜種子溫湯浸種催芽后，放入燒杯，加入適量自來水浸泡，放入55℃水浴鍋恒溫水浴20 min。浸種后將種子表面洗凈，放入底層墊有紗布的培養皿中，加入適量水使紗布保持濕潤。將培養皿放入25℃恒溫培養箱中，每隔12 h對其補充適量水分，選取長勢相近的種子進行育苗試驗。將基質裝于塑料穴盤中，每種處理播種30粒，播種后用水澆透基質，之后每天澆水一次，不額外施肥，自播種后育苗試驗為期15 d。

1.4 測定方法與數據處理

(1)含水率的測定[3]：取10 g左右的鮮樣品在105℃干燥箱中干燥8 h直至質量恒定。

(2)pH值、電導率的測定[3]：采用1∶10浸提法，稱取風干樣品5 g，加50 mL去離子水，然后在搖床上振蕩30 min，用濾紙過濾得浸提液。用瑞士METTLER TOLEDO 公司生產的pH計、上海雷磁DDS-307A型電導率計進行pH值、電導率的測定，使用前進行校準。

(3)總氮、總磷、全鉀含量的測定：參照文獻[14]的消解方法，使用得到的消化液在法國Alliance公司SmartChem全自動間斷化學分析儀中測定總氮、總磷含量，在日本津島AA-6880型原子吸收分光光度計中測定全鉀含量。

(4)纖維素、半纖維素、木質素含量的測定：采用纖維素含量范氏測定法，稱取0.5 g的干樣放入纖維素樣品袋，使用美國ANKOM A2000i型全自動纖維分析儀進行測定。

(5)有機質含量的測定[15]：采用灼燒法進行有機質含量測定，稱取1 g左右干燥樣品在馬弗爐600℃下灼燒2 h。

(6)發芽指數測定：按照GB/T 23486—2009[16]，根據種子發芽率、種子根長計算發芽指數，即

(2)

式中G——發芽指數，%

R1——堆肥浸提液種子發芽率，%

L1——堆肥浸提液種子根長，mm

R2——蒸餾水種子發芽率，%

L2——蒸餾水種子根長，mm

(7)幼苗生長生理形態指標的測定[17]：根據幼苗的株高、莖粗、地上部干質量、地下部干質量等，算出壯苗指數，公式為

(3)

式中R——壯苗指數，g

S——莖粗，mm

H——株高，mm

M——根干質量，g

N——莖葉干質量，g

2 結果與分析

2.1 含水率

水分作為堆肥過程中各種有機物的溶劑，利于傳質，且由于比熱容較大[18]，有利于維持溫度的穩定，是影響堆肥的一個非常重要的因素。試驗初始各組含水率均在65%左右，隨著發酵的進行，各試驗組含水率均呈現下降趨勢(圖2)，表明生化反應的產水量低于通風和蒸發所散失的水量。對照處理組和1%木醋液處理組變化趨勢相似，前3 d的含水率下降幅度較大，約1.67%/d，后期降幅減小。主要是由于堆體前期孔隙度較大，物料與空氣接觸的蒸發面較大，通風較易帶走水分，隨著發酵的進行，堆體孔隙度逐漸減少，導致蒸發面減少，內部水分逸散通道封閉，水分散失較為困難；較高添加量(3%、5%)木醋液處理組含水率降幅一直較為穩定且偏低(0.27%/d)。整個堆肥過程中，含水率隨著木醋液添加量的增加而升高，說明木醋液會增加堆肥的保水能力，可能是由于添加木醋液可增強堆肥物料對于水分的吸附力。整個試驗過程各試驗組的含水率均在55%以上，滿足微生物活動需要的條件[3]。

圖2 堆肥過程中含水率變化曲線Fig.2 Water content during composting

2.2 pH值、電導率

各處理組堆肥pH值變化趨勢均相似，前3 d均呈下降趨勢，后期逐漸上升(圖3)。前期pH值下降是由于堆肥局部供氧不足，厭氧發酵產生有機酸以及生成大量二氧化碳[19]。后期發酵產生的氨不斷積累，微生物活動劇烈程度減弱，故pH值逐漸上升。在試驗結束時，前3組的pH值均為8.5左右，5%木醋液處理組的pH值為8.33，表明高濃度木醋液可在一定程度上酸化堆體，有利于滿足幼苗對于基質偏酸性環境的需求。而較低濃度(添加量3%以內)木醋液對堆體酸化效果不明顯。這是由于木醋液中起酸化作用的主要成分為乙酸，乙酸作為弱酸，其電離程度較低，若乙酸濃度過低，則電離出的H+不足以產生有效的酸化作用。整個發酵過程的pH值在7.9～8.5之間，變化幅度不大，均處于最適宜微生物生長的pH值范圍內(6.5～8.5)。

圖3 堆肥過程中pH值、電導率變化曲線Fig.3 Changing of pH value and electronic conductivity during composting

電導率可反映育苗基質的可溶性鹽含量，過高的可溶性鹽含量是對作物產生毒害作用的重要因素之一，一般應以小于2.6 mS/cm為宜[20]。隨著堆肥反應的進行，各處理組電導率在前5 d呈上升趨勢，后期趨于穩定，增幅在0.4 mS/cm以內(圖3)。前期電導率升高是因為堆肥初期發酵反應劇烈，微生物新陳代謝產生有機酸、氨氣，有機酸的溶解作用及氨氣以銨鹽形式存在等使電導率上升[3]。隨著堆肥高峰期的結束，有機質含量降低，微生物新陳代謝速度減緩，腐殖質、胡敏酸等物質含量升高，氨氣揮發，電導率稍有降低并趨于穩定。而電導率的變化和銨根離子的變化趨勢相似[21]，可推測銨根離子也是先增加后趨于平穩。在試驗結束時，各處理組的電導率隨著木醋液濃度的升高而降低，表明添加木醋液可不同程度上降低基質可溶性鹽含量。木醋液本身含有部分有機酸，理論上作為外源導電離子引入，會增加物料的電導率，而電導率的減少證明了木醋液可有效促進腐殖質、胡敏酸等難溶性物質的生成。針對具有高電導率的牛糞好氧堆肥腐熟料基質，應在前期進行多次微噴灌溉[22]。本試驗中各試驗組均未超過9.0 mS/cm，理論上對種子發芽基本無抑制作用[23]。

2.3 總氮、總磷、總鉀含量

在降解植物殘體的過程中，氮被認為是影響微生物生長及活性的限制因素[24]。各處理組總氮含量的變化趨勢為“上升-下降-穩定”，如圖4所示。前期總氮上升是微生物劇烈活動產生銨態氮和硝態氮累積所致，雖有部分銨態氮揮發損失，但微生物活動產生的氮素大于損失的氮素。到達峰值后，由于堆體溫度較高，硝化細菌活動減弱，抑制了銨態氮向硝態氮的轉化，而銨態氮揮發性較強，導致總氮含量下降。后期進入穩定階段表明產生的氮素和損失的氮素達到了平衡。試驗結束時， 3%、5%木醋液處理組總氮質量比最高且較為接近(14.5 mg/g)，不僅是由于木醋液可減少堆體氮損失，也是由于木醋液本身含有氮素，引入木醋液向堆體加入了外源氮。各處理組到達峰值的時間不一致，1%、5%木醋液處理組到達峰值的時間最早(3 d)，而對照處理組未達峰值，推測其峰值出現在9 d之后。這說明添加木醋液不僅能減少堆體氮損失，還可加快堆肥腐熟進程，縮短堆肥周期。

圖4 堆肥過程中養分含量變化曲線Fig.4 Changing of nutrient content during composting

隨著堆肥進行，各試驗組總磷和K+含量均呈現逐漸上升的趨勢，如圖4所示。其原因是磷和鉀在堆肥過程中雖有形態上的轉換，但無揮發和淋洗損失，其總質量沒有發生變化。而堆體在發酵過程中會有揮發性物質的損失，堆體總干物質含量會逐漸下降，故總磷和K+含量呈現逐漸上升的趨勢。在堆肥結束時，總磷和K+的含量隨著木醋液濃度的增加而增加，而木醋液本身不含磷和鉀，表明添加木醋液可增加堆肥質量損失，有利于堆肥的減量化。

綜上，較高濃度(添加量3%、5%)木醋液處理組可縮短堆肥周期，節省基質生產時間，且能夠有效保留堆肥養分，降低育苗期施肥成本。

2.4 有機質含量

減量化是有機固體廢棄物堆肥化的主要目的之一，堆肥的有機質降解率可以直觀地反映堆肥過程中微生物的活性和廢棄物的減量化效果[25]。堆肥前3 d，各試驗組的有機質迅速降解，降解率最高為5%木醋液處理組(3.73%)，最低為對照處理(1.09%)，前者降解速率約為后者的3.4倍，后期有機質降解速率趨于平緩(圖5)。在整個發酵過程中，各試驗組有機質降解率隨著木醋液濃度的升高而降低，且5%木醋液處理組5 d時趨于平穩，表明添加木醋液有利于加快堆肥腐熟進程，與上述各指標觀測的結果一致。在堆肥結束時，有機質降解率最高為5%處理組(4.84%)，最低為對照處理組(3.29%)，說明施加木醋液不僅可以加快腐熟的進程，還能一定程度上加深腐熟的深度，使堆肥腐熟進行得更為徹底。有機質含量與總磷、K+含量呈負相關，共同表明木醋液可有效提升堆肥的減量化效果。

圖5 堆肥過程中有機質含量變化曲線Fig.5 Changing of organic matter content during composting

2.5 纖維素、半纖維素、木質素含量

由于微生物的降解作用[26]，各組堆肥前后纖維素和半纖維素含量均呈下降趨勢(圖6)，且降解規律一致，降解率從大到小依次為1%木醋液處理組、對照處理組、3%木醋液處理組、5%木醋液處理組。各組纖維素的相對降解率明顯高于半纖維素的相對降解率，說明纖維素是發酵過程中微生物活動的首選碳源。由于木質素在發酵過程中降解率極低，其絕對含量變化不大，而發酵后堆體總質量減少，故木質素的相對含量增加。堆體的纖維素降解率越高，木質素的相對含量增加率越低。

堆肥有機質的主要組成成分為纖維素、半纖維素、木質素及腐殖質等其他有機物質。纖維素、半纖維素的降解規律和有機質降解規律不一致，說明高濃度(添加量3%、5%)木醋液無法加快纖維素、半纖維素的降解，但可以加快腐殖質等其他有機質的降解。而低濃度(添加量1%)木醋液可加快纖維素等降解，表明低濃度木醋液可促進纖維素降解菌活動，高濃度則表現出抑制作用。纖維素、半纖維素有利于生物質成型，提升成型基質的抗破壞能力，因此添加木醋液有助于提高牛糞堆肥基質塊成型強度。

圖6 堆肥前后纖維素、半纖維素、木質素含量Fig.6 Changing of contents of cellulose, hemicellulose and lignin before and after composting

2.6 堆肥基質毒性及育苗試驗

堆肥浸提液的發芽指數如表3所示。發芽指數可作為對堆肥毒性的評價指標[27]，種子發芽指數越高，則表示生物毒性越小。若發芽指數大于50%，則可認為堆肥基本無毒，當發芽指數達到80%以上時，可認為對植物沒有毒性[28-29]。各試驗組浸提液的種子發芽率均為35%，顯著低于去離子水培養組的發芽率(P<0.05)。對照處理組、1%木醋液處理組、3%木醋液處理組的根長顯著高于去離子組，主要是由于浸提液中含有少量養分，加快種子根部發育。各組發芽指數均高于50%，說明均已基本無毒。1%木醋液處理組的發芽指數達79.17%，接近80%，顯著高于5%木醋液處理組(P<0.05)。

表3 堆肥浸提液發芽指數Tab.3 Germination index of composting extract

注：不同小寫字母表示在LSD法多重比較下差異顯著(P<0.05)，下同。

累積出苗率對于評價幼苗生長整齊度具有一定意義。在播種3 d時各試驗組開始大量出苗，累積出苗率隨著木醋液濃度的升高而降低，對照處理組和1%木醋液處理組分別在5 d和8 d出苗率達100%， 5%木醋液處理組出苗率最低，僅為88%(表4)，說明含有較高濃度木醋液的堆肥基質對于黃瓜幼苗具有一定毒性。

表4 累積出苗率Tab.4 Cumulative seedling rate %

育苗試驗的幼苗生長生理形態指標如表5所示。壯苗指數最高值為1%木醋液處理組(0.044 9 g)，顯著高于其他3組(P<0.05)，最低值為5%木醋液處理組(0.031 9 g)，說明低濃度木醋液處理組可促進幼苗生長，而高濃度木醋液處理組對植物有一定的毒害作用。主要是因為木醋液酚類物質含量較多，植物在高濃度酚環境下生長發育會受到抑制，干物質積累量降低。

表5 不同處理下幼苗生長生理形態指標Tab.5 Physiological and morphological indexes of seedling growth under different treatments

3 結論

(1)在小試堆肥反應器恒溫加熱條件下，木醋液處理牛糞-小麥秸稈好氧堆肥可增強堆體的保水能力，添加木醋液可使堆體養分(總氮、總磷、K+)含量增加和有機質降解率增大，促進堆肥腐熟，降低堆體pH值和電導率，改善堆肥基質的理化性質。且木醋液濃度越高，效果越好；較高濃度(添加量3%、5%)木醋液處理堆肥對纖維素、半纖維素的降解有一定抑制作用，有利于基質后續的壓縮成型。因此，對于促進堆肥腐熟和改善育苗基質化學特性而言，高濃度(添加量5%)的木醋液效果更好。

(2)本試驗中各組堆肥浸提液發芽指數均大于50%，說明所制堆肥對植物基本無毒，1%木醋液處理組發芽指數最高，為79.17%，接近80%的無毒害水平；黃瓜的育苗試驗表明，1%木醋液處理組壯苗指數最高，為0.044 9 g，顯著高于其他3組(P<0.05)，說明最適合育苗的木醋液添加量在1%左右，濃度較高(添加量3%以上)會因酚類物質過多對幼苗產生一定毒害作用。