不同氮源和發(fā)酵劑含量對國槐樹枝堆肥的影響

賈占穩(wěn)，吳芳芳，年曉晨，王沖沖，劉桂林

（河北農(nóng)業(yè)大學園林與旅游學院，河北 保定 071000）

城市化進程加快，城市覆蓋率不斷增加，園林廢棄物也逐漸增多［1］。園林廢棄物是指在城市綠化美化進程中所產(chǎn)生的枯葉、落葉、草屑、敗花及其他綠化修剪物等；其成分主要以有機質(zhì)為主，同時富含纖維素、木質(zhì)素［2］。園林廢棄物的處理對生態(tài)環(huán)境的影響很大，如若處理不當，甚至會對生態(tài)環(huán)境起破壞作用［3］。中國傳統(tǒng)的處理方式主要為填埋和焚燒［4］，這對生態(tài)環(huán)境有著十分不利的影響；如果處理得當，則可達到一舉兩得的效果［5］。園林廢棄物來自于大自然，最終應將其返回給大自然，因此大多采用堆肥方式處理［6］。

本研究針對中國園林廢棄物的堆肥現(xiàn)狀，根據(jù)影響堆肥的諸多因素，探究不同處理下的最適堆肥方案，以期為今后堆肥發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堆肥原料為國槐樹廢棄物粉碎物，粒徑5～10 mm、試驗菌劑為EM菌液（河南農(nóng)富康em益生菌）、尿素、硫酸銨、氯化銨。

1.2 試驗設計

堆肥試驗在溫室進行，試驗裝置為25 L、直徑310 mm，高度450 mm的塑料圓形發(fā)酵桶。控制含水量在60%左右，碳氮比為25∶1。試驗設置9組處理，每個處理重復3次。CK為空白對照，即不加氮源和發(fā)酵劑；T1：0.5%發(fā)酵劑+尿素；T2：1.0%發(fā)酵劑+尿素；T3：1.5%發(fā)酵劑+尿素；T4：0.5%發(fā)酵劑+氯化銨；T5：1.0%發(fā)酵劑+氯化銨；T6：1.5%發(fā)酵劑+氯化銨；T7：0.5%發(fā)酵劑+硫酸銨；T8：1.0%發(fā)酵劑+硫酸銨；T9：1.5%發(fā)酵劑+硫酸銨。

1.3 指標測定

分別在堆肥開始的第0、6、12、18、24、30天取樣，每次于堆肥的上部、中部和下部采樣，混合均勻后采用四分法取樣，在105℃烘箱中烘至恒重，磨碎后過孔徑0.25 mm篩，用于測定各項理化性質(zhì)指標，包括pH、EC、全碳、全氮、全磷和全鉀含量［7］。

pH采用pH計測定，EC采用電導儀測定，全碳含量采用重鉻酸鉀滴定法測定，全氮含量采用凱氏定氮法測定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用火焰原子吸收光譜法測定［8］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Origin 9軟件進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 21.0軟件進行顯著性分析、相關性分析和綜合評價等數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對堆肥過程理化性質(zhì)的影響

2.1.1 堆肥過程中pH的變化pH與堆肥進程密切相關，中性到弱堿性的環(huán)境較適合微生物的活動，因此可通過酸堿性來了解物料的堆肥進程［9］。本研究所用的國槐樹枝廢棄物初始呈酸性，不同處理堆肥過程中物料的pH變化曲線如圖1所示。由圖1可知，各處理條件下物料pH整體呈上升趨勢，且都顯著高于CK（P＜0.05）。pH上升與微生物活動、高溫分解有機物形成氨氮有關，大部分處理的pH在堆肥中期略有下降，是因為高溫造成氮氣揮發(fā)。個別處理沒有出現(xiàn)這種情況，可能因為反應較緩慢，高溫時間較短。T1、T2、T3條件下，堆肥物料的pH差異不顯著但是均顯著高于其他處理（P＜0.05），且在0～12 d內(nèi)基本增長至最大值。各處理的pH表現(xiàn)為T1＞T3＞T2＞T7＞T8＞T4＞T5＞T9＞T6＞CK。

圖1 不同處理堆肥過程中pH的變化

2.1.2 堆肥過程中EC的變化EC表示的是堆肥產(chǎn)品中可溶性鹽的含量，一般植物的種類不同，EC也不盡相同。EC與植物的生長離不開，太低則營養(yǎng)成分匱乏，太高又會構成鹽滲透脅迫［10］。不同處理堆肥過程中物料的EC變化曲線如圖2所示。由圖2可知，各處理條件下物料EC整體呈上升趨勢，且都顯著高于CK（P＜0.05）。但是大部分處理EC又經(jīng)過了一個下降的過程，而后趨于穩(wěn)定，EC升高是因為微生物對有機質(zhì)進行了降解，產(chǎn)生了小分子物質(zhì)；EC降低是因為堆肥過程中一些可溶性養(yǎng)分被微生物利用。個別處理沒有經(jīng)過先上升又下降過程，一直呈緩慢上升趨勢，可能是因為堆肥過程較緩慢，微生物活動利用養(yǎng)分的速率低于分解速率。各處理EC上升或下降的時間點不一致是因為反應速率不同。其中T1、T2、T3的EC始終 顯著 低于其 他處 理（P＜0.05）；T7、T8、T9基本低于T4、T5、T6。所有處理的EC均小于7 mS/cm，且達到腐熟標準。第30天，各處理的EC表現(xiàn)為T6＞T5＞T4＞T8＞T7＞T9＞T3＞T1＞T2＞CK。

圖2 不同處理堆肥過程中EC的變化

2.1.3 堆肥過程中全碳的變化 堆肥過程中微生物對有機質(zhì)進行分解，將其轉(zhuǎn)化為可供植物吸收的小分子物質(zhì)，因此有機碳的分解情況可以反映堆肥的進行程度。不同處理堆肥過程中物料的碳含量變化曲線如圖3所示。由圖3可知，各處理條件下物料碳含量整體呈下降趨勢，且都顯著低于CK（P＜0.05）。0～12 d，各處理條件下物料碳含量下降速度快；12～30 d，碳含量下降速度較慢。主要原因是前期微生物活動較劇烈，分解速率快，為堆肥的升溫階段；后期溫度逐漸下降，微生物活動較緩慢，反應比較平緩，為堆肥的降溫穩(wěn)定階段。堆肥0～30 d，T7處理物料碳含量顯著低于其他處理（P＜0.05），下降最多，下降到430.03 g/kg，下降了238.30 g/kg，分解速率為35.66%。其次為T8和T1，均下降到465.50 g/kg，下降了202.83 g/kg，分解速率為30.35%；T6下降最少，下降到538.63 g/kg，下降了129.69 g/kg，分解速率為19.41%，其次為T3和T5，分別下降到529.78 g/kg和514.42 g/kg，分別下降了138.54 g/kg和153.91 g/kg，分解速率分別為20.73%和23.03%。各處理分解速率T7＞T8=T1＞T9＞T4＞T2＞T5＞T3＞T6＞CK。

圖3 不同處理堆肥過程中全碳的變化

2.1.4 堆肥過程中全氮的變化 微生物的生長活動離不開氮素，氮素是其重要的營養(yǎng)物質(zhì)，因此氮素影響著堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量［11］。不同處理堆肥過程中物料的全氮變化曲線如圖4所示。由圖4可知，各處理條件下物料全氮均呈增長趨勢，且都顯著高于CK（P＜0.05），含氮量的上升是因為微生物對有機物進行分解，物料的體積和質(zhì)量呈下降趨勢，氮素相當于被濃縮，致使總氮的濃度增大。各處理初始全氮量均為0.90%，T1、T2、T7的全氮顯著高于其他處理（P＜0.05），增 加 最 多 ，分 別 增 加 到5.90%、5.43%、5.39%，是初始含量的6.55倍、6.03倍、5.99倍；T6、T5、T4增長最慢，分別增長到3.24%、3.41%、3.54%，是初始含量的3.60倍、3.80倍、3.93倍。各處理分解速率T1＞T2＞T7＞T8＞T3＞T9＞T4＞T5＞T6＞CK。

圖4 不同處理堆肥過程中全氮的變化

2.1.5 堆肥過程中全磷的變化 在堆肥過程中，磷元素的含量比較穩(wěn)定。隨著發(fā)酵時間的延長，堆體干物質(zhì)質(zhì)量減少，其磷元素含量在逐漸增多［12］。不同處理堆肥過程中物料的全磷變化曲線如圖5所示。由圖5可知，各處理條件下物料全磷整體均呈增長趨勢，都高于CK，且除T6外都顯著高于CK（P＜0.05）。其中，T1處理增加值最多，顯著高于其他處理（P＜0.05），其次是T2和T7。各處理全磷初始值均為0.25 g/kg，T1、T2和T7 3個處理分別增長到0.56、0.53、0.52 g/kg，增長率分別為127.36%、113.48%和108.45%；T6處理增加最少，增長到0.39 g/kg，增長率為58.10%；其次是T9和T5，分別增長到0.42、0.44 g/kg，增長率分別為68.89%和76.94%。各處理分解速率T1＞T2＞T7＞T8＞T4＞T3＞T5＞T9＞T6＞CK。

圖5 不同處理堆肥過程中全磷的變化

2.1.6 堆肥過程中全鉀的變化 鉀的含量變化與磷的含量變化大致相同，不同處理堆肥過程中物料的全鉀變化曲線如圖6所示。各處理條件下物料全鉀均呈增長趨勢，且都顯著高于CK（P＜0.05）。其中，T1的增加值最多，顯著高于其他處理（P＜0.05），其次是T7和T2，T1、T7和T2分別增加到1.08%、1.00%和0.96%；T6增加最少，增加到0.71%；其次是T5和T9，分別增加到0.82%和0.83%。各處理分解速率T1＞T7＞T2＞T8＞T3＞T4＞T9＞T5＞T6＞CK。

圖6 不同處理堆肥過程中全鉀的變化

2.2 堆肥過程中各理化指標的相關性分析

堆肥過程中物料的各類理化性質(zhì)指標的相關性分析見表1。由表1可知，pH與EC（r=-0.678）之間呈極顯著負相關，與全氮（r=0.590）、全磷（r=0.621）和全鉀（r=0.588）呈極顯著正相關；全碳與全氮（r=-0.694）、全磷（r=-0.628）和全鉀（r=-0.746）呈極顯著負相關；全氮與全磷（r=0.805）和全鉀（r=0.929）呈極顯著正相關，全磷與全鉀（r=0.928）呈極顯著正相關。其他指標之間存在一定相關關系，但差異不顯著。

表1 堆肥過程中理化指標的相關性分析

2.3 處理的綜合評價

2.3.1 堆肥過程中理化指標的主成分分析 運用SPSS軟件進行主成分分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知，前2個主成分中的方差占全部方差的比例為89.573%，表明前2個主成分反映了堆肥進程理化指標89.573%的信息量，其中第一主成分特征值為3.775，方差貢獻率為62.923%，對應較大向量依次是全鉀、全磷和全氮，因此可以用第一主成分代表這些指標；第二主成分特征值為1.599，方差貢獻率為26.650%，對應較大向量依次是EC、pH和全碳。因此可以用第二主成分代表這些指標。

表2 理化指標主成分分析

2.3.2 各處理的綜合得分評價 由表3可知，第一主成分中，T1、T2和T7得分較高；第二主成分中，CK、T3和T2得分較高。由于第一主成分的方差貢獻率較大，包含6個指標的大部分原始信息，第二主成分方差貢獻率小不能較好地表達各處理對堆肥進程的影響，因此選取第一主成分作為各處理對堆肥進程影響的綜合評價。由第一主成分可知，處理T1（0.5%發(fā)酵劑+尿素）對堆肥進程影響最大，其次是處理T2（1.0%發(fā)酵劑+尿素），表明尿素對第一主成分得分影響較大，對堆肥進程的影響大于發(fā)酵劑含量。由綜合得分可知，CK得分最低，氮源為尿素的處理高于其他氮源的處理，結(jié)論與第一主成分得分一致。

表3 堆肥過程中理化指標的綜合評價

3 討論

3.1 pH變化規(guī)律

pH和微生物的生長活動密切相關，一般微生物喜歡中性到偏堿性的環(huán)境，因此好氧堆肥進程可以用pH來反映。在本試驗中，前期階段pH迅速升高，這是因為此階段微生物反應劇烈，高溫形成氨氮；之后pH略有下降，這是因為部分氨氮形成氨氣揮發(fā)；最后趨于穩(wěn)定則是堆肥進程處于腐熟階段的表現(xiàn)。部分處理pH較低，可能是因為堆肥進程較慢，腐熟不完全，還殘留一些氮源物質(zhì)等。本試驗中pH的變化規(guī)律與楊娜［13］得到的結(jié)果相似。

3.2 EC變化規(guī)律

EC的大小與植物能否正常生長息息相關，EC過低則營養(yǎng)不良，太高又會造成鹽脅迫。因此判斷堆肥是否成功離不開EC。在本試驗中，EC先呈增長趨勢，而后略有下降最后又逐漸趨于穩(wěn)定。這與王琳［14］得出的變化規(guī)律相似。EC的升高與微生物分解有機質(zhì)產(chǎn)生小分子物質(zhì)有關，EC的降低可能原因是小分子物質(zhì)被利用或產(chǎn)生氨氣等。部分處理EC偏高，可在使用前進行淋洗處理。

3.3 全碳變化規(guī)律

好氧堆肥的本質(zhì)是在通氧條件下微生物分解有機物并釋放熱量的過程。因此可以通過有機碳的分解情況直觀反映堆肥的進行程度。在本試驗中，堆肥階段有機碳含量呈下降趨勢，這是因為碳元素不斷以氣體的形式擴散到大氣中。前期分解速度較快，主要是分解一些易降解的可溶性物質(zhì)，后期分解速度較慢且趨于穩(wěn)定，主要是對一些不溶的難降解的物質(zhì)進行降解。這也符合李磊［15］得出來的結(jié)果。

3.4 全氮變化規(guī)律

氮素在堆肥過程中至關重要，是合成氨基酸的必需品。然而植物體內(nèi)氮素含量較低，往往需要外源施加氮源。在本試驗中施加氮源使碳氮比保持在25/1，周愛松等［16］、詹孝慈等［17］研究發(fā)現(xiàn)這一比例較有利于堆肥的進行。在本試驗中，全氮值呈不斷增長的趨勢，這是因為隨著堆肥時間的延長，物料的水分被蒸發(fā)，物料的體積和質(zhì)量呈下降趨勢，氮素相對被濃縮，并且部分微生物具有固氮作用。得到了與吳陽［18］和宋文忠［19］相似的變化規(guī)律。

3.5 全磷和全鉀變化規(guī)律

堆肥過程中磷和鉀的含量變化十分相似，都是隨著發(fā)酵時間的延長，含量不斷增加。在本試驗中，各處理全磷含量和全鉀含量呈不斷增長趨勢，得到了與于鑫［20］相似的結(jié)論。這是因為堆肥過程中微生物活動劇烈，不斷分解有機質(zhì)，產(chǎn)生二氧化碳或氨氣等氣體被擴散到大氣中，或者形成水分被蒸發(fā)等，進而導致物質(zhì)的干物質(zhì)質(zhì)量降低，全磷和全鉀的含量相對濃縮而增加。

4 小結(jié)

施加氮源和發(fā)酵劑均可加速堆肥進程，不同的氮源和發(fā)酵劑含量對堆肥進程的影響程度不同，氮源為尿素、發(fā)酵劑含量為0.5%的處理組合（T1）對堆肥進程影響最大。此外，氮源和發(fā)酵劑含量對堆肥進程的影響程度不同，氮源對堆肥進程的影響大于發(fā)酵劑含量，這為堆肥的發(fā)展提供了一定的科學依據(jù)。