沙蒿高溫堆腐過程中化學(xué)變化特征

劉婷婷 索全義 王煒 胡秀云 劉鑫

摘要：為了探索沙蒿高溫堆腐過程中化學(xué)變化特征，采用實驗室恒溫箱調(diào)控溫度的方式模擬堆腐過程，定期取樣測定全碳、全氮、總腐植酸碳、pH等化學(xué)指標(biāo)。結(jié)果表明，在堆腐過程中全碳、全氮、碳氮比及腐植酸碳都呈降低趨勢，全碳由堆制前的812.4 g/kg降低到410.0 g/kg，全氮由堆制前的35.9 g/kg降低到30.9 g/kg，碳氮比由堆制前的22.6降低到13.3，總腐植酸碳由堆制前的27 g/kg降低到14 g/kg，pH呈先降低后升高趨勢，由堆制前的7.01降低到5.50后又升高到6.49。沙蒿堆腐過程中化學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律是制定沙蒿堆肥腐熟度和保證沙蒿堆肥質(zhì)量的重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沙蒿；高溫堆肥；化學(xué)變化

中圖分類號：S141.4獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：0439-8114（2012）20-4476-04

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，堆肥歷史悠久[1-4]，堆肥技術(shù)可追溯到古代的野積式堆肥[5]，且堆肥在我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用[6-9]。隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和綠色食品及無公害食品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有機(jī)肥將成為我國肥料業(yè)生產(chǎn)和銷售的熱點[10，11]，工廠化堆肥是提供有機(jī)肥的一條重要途徑。

沙蒿屬多年生半灌木，是一種典型的旱生沙生植物，具有較強(qiáng)的抗寒、抗旱性和耐沙埋的特性，在防沙治沙中發(fā)揮著非常重要的作用[12-14]。但沙蒿資源長期以來沒有被很好地利用，資源沒有轉(zhuǎn)化為效益，農(nóng)牧民對沙蒿的種植和管理并沒有積極性。如果對沙蒿資源加以開發(fā)利用，既可實現(xiàn)生態(tài)效益，又可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。沙蒿一般生活14年后便開始衰老，生活力也逐漸下降，但每兩年進(jìn)行一次平茬能起到更新復(fù)壯的作用[15-17]。因此，沙蒿堆肥化不僅能夠?qū)崿F(xiàn)資源的轉(zhuǎn)化，也可促進(jìn)沙蒿生長，發(fā)揮更好的生態(tài)保護(hù)作用。

堆肥化是在微生物的參與下，把有機(jī)物降解、轉(zhuǎn)換成腐殖質(zhì)的生物化學(xué)過程[18-20]。到目前為止，關(guān)于牲畜糞便、作物秸稈等制作堆肥的研究國內(nèi)外均有許多報道，包括堆肥工藝條件和腐熟度參數(shù)等[21-26]。但對沙蒿的堆腐條件、堆腐過程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律及生物化學(xué)特性等方面的研究尚未見報道。為此，開展沙蒿堆腐過程中化學(xué)變化特征的研究，可為沙蒿堆肥工藝的制定和產(chǎn)品質(zhì)量的控制提供技術(shù)依據(jù)。

1材料與方法

1.1堆肥原料及堆腐過程

堆肥采用鄂爾多斯高原毛烏素沙地的黑沙蒿，填充料為秸稈腐熟劑（沃德環(huán)保研究所生產(chǎn)），玉米面，磷酸氫二銨。四者質(zhì)量比為100.0∶1.0∶5.0∶5.8。秸稈腐熟劑通過發(fā)酵菌加快腐熟過程；玉米面作為發(fā)酵菌種的碳源；磷酸氫二銨（含N 18%、P2O5 46%）用來調(diào)節(jié)C/N，以利于發(fā)酵過程的進(jìn)行。

將以上4種原料按比例混合均勻，然后將其200 g裝入1 000 mL的大燒杯中進(jìn)行堆腐，燒杯用保鮮膜封口，在膜上開小孔便于氣體交換，每天進(jìn)行翻倒，創(chuàng)造好氣條件。采用恒溫箱模擬發(fā)酵升溫過程，第一天為30 ℃，第二天和第三天為40 ℃，第四天為45 ℃，第五天至第11天為55 ℃，第12天為65 ℃，第13天為55 ℃，第14天為45 ℃，第15天為35 ℃。前期水分控制在65%，后期水分保持自然。3次重復(fù)。

1.2取樣及測試分析

分別在堆腐的0、3、6、9、12、15 d取堆肥樣，測定全碳、全氮、總腐植酸碳含量和pH。全碳采用重鉻酸鉀容量法測定、全氮采用奈氏比色法測定、總腐植酸碳含量采用重鉻酸鉀容量法測定、pH采用500型pH計測定[27]。

1.3數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2003和SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.1.2全氮含量的變化沙蒿堆肥堆制過程中，全N含量呈先降低后升高的趨勢，由堆制初期的35.9 g/kg降低到26.9 g/kg（9 d），之后從26.9 g/kg升高至30.9 g/kg（15 d），這與李吉進(jìn)[5]、沈其榮等[20]的研究結(jié)果是一致的。初期堆體全N含量降低（9 d前）的原因是該階段隨著溫度的升高，有機(jī)氮大量分解導(dǎo)致氮以NH3的形式揮發(fā)，因此在此階段采取必要的保氮措施，對提高堆肥質(zhì)量會起到積極作用；9～12 d全N含量呈增加趨勢，說明在高溫階段大量有機(jī)物質(zhì)被分解，總干物重的下降幅度大于全氮下降幅度，最終導(dǎo)致全氮含量相對增加；12 d后堆溫開始降低，堆腐進(jìn)入后熟階段，全氮含量趨于穩(wěn)定。

2.1.3C/N的變化沙蒿堆肥堆腐后，C/N有較為明顯的降低趨勢，由堆制前的22.6降低到堆制后（15 d）的13.3。圖3結(jié)果表明，沙蒿堆肥堆制的前3天C/N出現(xiàn)了降低，是由全碳降低的程度大于全氮而形成的；3～9 d C/N出現(xiàn)了微弱的升高，這與此期全氮快速降低有關(guān)；9～12 d C/N又出現(xiàn)明顯降低趨勢，是高溫期含碳物質(zhì)快速分解和此期全N含量小幅上升所致。12～15 d全碳、全氮同時趨于穩(wěn)定，C/N也不再變化。

全碳、全氮、C/N的下降均表明堆肥向著穩(wěn)定化、腐熟化方向轉(zhuǎn)變[5，20]。

2.2沙蒿堆肥堆制過程中總腐植酸碳含量變化

腐植酸總量包括游離態(tài)的腐植酸以及與鈣、鎂離子絡(luò)合的結(jié)合態(tài)腐植酸，后者不溶于堿液，但采用焦磷酸鈉和氫氧化鈉混合液浸提，則可將大部分結(jié)合態(tài)的腐植酸轉(zhuǎn)化為可溶性的腐植酸鹽[5，19，20]。沙蒿好氣堆制15 d后，總腐植酸碳含量由堆制初期的26.8 g/kg降低到13.8 g/kg，降低了48.5%（圖4）。3～12 d總腐植酸碳含量下降較快，這個時期正是堆肥的升溫期，大量有機(jī)物質(zhì)和腐植酸被微生物分解。整個堆制過程中總腐植酸碳含量下降，說明堆體腐植酸穩(wěn)定性較差，在微生物作用下合成與分解同時進(jìn)行。

由圖5可看出，沙蒿堆肥堆制過程中，總腐植酸碳/全碳在0～9 d呈先升高后又降低的變化，但總體變化不大，說明此期總腐植酸與其他含碳有機(jī)物都在同步分解。9～12 d處于高溫期，堆體材料強(qiáng)烈礦質(zhì)化大量釋放碳，此時腐殖化過程同時進(jìn)行，導(dǎo)致總腐植酸碳/全碳呈上升趨勢。12～15 d其比例呈降低趨勢，是其他含碳有機(jī)物分解達(dá)到穩(wěn)定，而總腐植酸仍被分解造成的。因此，12 d后繼續(xù)堆腐，對堆肥的質(zhì)量是不利的。

2.3沙蒿堆肥堆制過程中pH的變化

pH是影響微生物生長的重要因素之一。一般微生物適宜的pH環(huán)境是中性和微堿性，pH太高或太低都會影響堆肥反應(yīng)的正常進(jìn)行，pH是一個可用于對微生物環(huán)境作出評估的參數(shù)[5，19，20]。

沙蒿堆肥堆制過程中，pH呈先降低后升高的趨勢。從圖6可以看出，堆體pH 0～9 d時由7.01降到5.50，說明在此過程中由于含碳有機(jī)物分解產(chǎn)生的有機(jī)酸和酸性氣體CO2使得堆體pH降低；9～15 d堆體的pH從5.50升高到6.49，說明隨著溫度升高和時間的延長小分子酸分解或揮發(fā)，同時含氮有機(jī)物分解所產(chǎn)生的NH3隨時間的延長而聚集，使堆肥的pH上升。

3結(jié)論與討論

沙蒿高溫堆腐過程中全碳、全氮、C/N、總腐植酸碳、pH都呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，是了解堆腐進(jìn)程和腐熟程度的重要指標(biāo)。沙蒿堆腐后全碳含量由堆制前的812.4 g/kg降到了410.0 g/kg，這與牲畜糞便及作物秸稈高溫堆腐過程的變化趨勢是一致的[5]；李吉進(jìn)[5]研究還表明，禽畜糞便在堆腐過程中全氮呈降低趨勢，此次研究中氮的變化趨勢也遵循這一規(guī)律；有研究者認(rèn)為堆腐結(jié)束C/N小于16更能確保好的腐熟度[5，19，20]，在沙蒿高溫堆腐過程中碳氮比由堆制前的22.6下降至堆制后的13.3；沙蒿好氣堆腐過程中，總腐植酸碳呈降低趨勢，與大多數(shù)研究結(jié)果相符，但堆腐結(jié)束后總腐植酸碳含量為13.8 g/kg，低于某些研究結(jié)果[5]；研究堆腐生活垃圾pH變化對堆肥速度的影響表明，pH控制在6～7可以顯著提高堆肥初期反應(yīng)速度，但當(dāng)pH達(dá)到5時，葡萄糖和蛋白質(zhì)的降解停止[5，19]，沙蒿堆腐過程中pH應(yīng)維持在5～7。

沙蒿高溫堆腐過程中，全碳含量、C/N、總腐植酸碳/全碳、pH等化學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律能夠較好地解釋堆腐進(jìn)程，這些指標(biāo)的變化與堆體溫度也有緊密的關(guān)系，是沙蒿堆肥工藝制定和產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要依據(jù)。參照C/N16～20、pH 6～8的腐熟指標(biāo)[5，19，20，28]和該試驗總腐植酸碳/全碳達(dá)到0.034的指標(biāo)，沙蒿好氣堆制12 d后可達(dá)到腐熟。

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