園林綠化廢棄物堆肥用作青菜育苗基質(zhì)的效果研究

王 浩，原一荃，王亞琪，周根娣，王 繁，

(1.杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州310036;2.杭州師范大學(xué)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與恢復(fù)杭州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310036)

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市園林綠化將產(chǎn)生大量的廢棄物，包括枯枝落葉、樹枝和草坪修剪物及其他綠化廢棄物等.傳統(tǒng)上園林綠化廢棄物主要通過焚燒和填埋處理，這種處理方式不僅污染環(huán)境，而且也造成潛在資源的浪費(fèi)［1］.隨著可持續(xù)發(fā)展意識的逐步提高，城市園林綠化廢棄物的資源化利用已經(jīng)是大勢所趨［2］.美國等國家在園林綠化廢棄物的收集和利用方面已經(jīng)積累了較多的經(jīng)驗(yàn)，美國環(huán)境保護(hù)署1994年專門頒布了園林廢棄物堆肥的EPA530-R-94-003 法則，對園林綠化廢物的收集、分類、發(fā)酵和后加工的工藝程序，相關(guān)激勵政策、產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用技術(shù)都有嚴(yán)格規(guī)定［3］.因此，堆肥化處理以其成本低、除臭和殺滅菌效果好，能有效改變廢棄物的理化性狀等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，已經(jīng)成為當(dāng)前園林綠化廢棄物無害化和資源化的重要途徑之一［2，4］.

我國在城市園林綠化廢棄物資源化利用研究方面起步較晚.目前，國內(nèi)對園林綠化廢棄物堆肥的研究已有一些報(bào)道，包括堆肥的理化性質(zhì)和控制參數(shù)等，主要應(yīng)用于苗木［5］、草坪［6］、花卉［7］和果樹［8］的栽培以及土壤改良［9］等方面，在蔬菜育苗上的應(yīng)用較少［10］.通常草炭是優(yōu)良的蔬菜育苗基質(zhì)材料，但是其為不可再生資源，大量開采草炭資源也破壞了環(huán)境［11］.因此，不論從循環(huán)經(jīng)濟(jì)的角度，還是從環(huán)境保護(hù)的角度考慮，開發(fā)價格低廉、營養(yǎng)豐富的蔬菜育苗基質(zhì)來替代草炭十分必要.

基于國內(nèi)外對園林廢棄物堆肥及應(yīng)用的研究現(xiàn)狀，本研究以園林綠化廢棄物為主要原料，添加茶葉渣和豬糞進(jìn)行混合堆肥處理，腐熟后制備成育苗基質(zhì)，與園土、草炭一起進(jìn)行青菜種子穴盤育苗試驗(yàn)，比較3種基質(zhì)的育苗效果，探討利用園林綠化廢棄物堆肥制備育苗基質(zhì)替代園土和草炭的可行性，為園林綠化廢棄物資源化利用探索新的途徑.

1 材料和方法

1.1 園林綠化廢棄物堆肥試驗(yàn)

1.1.1 堆肥材料

試驗(yàn)采用的園林綠化廢棄物為城市道路綠化修剪下來的植物枝葉，其主要成分是樹葉和直徑不超過3 cm 的細(xì)枝條，利用園林樹枝粉碎機(jī)將采集的植物枝葉打碎成顆粒小于5 mm 的混合物.茶葉渣為茶飲料企業(yè)產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物，豬糞為杭州蕭山某養(yǎng)豬場的新鮮濕豬糞，茶葉渣和豬糞不需額外處理.主要堆肥原料的基本理化性質(zhì)見表1.

表1 主要堆肥原料的基本理化性質(zhì)Tab. 1 Basic physical and chemical properties of compost material

采用自制小型堆肥反應(yīng)器控制堆肥試驗(yàn)［12］.反應(yīng)器為立式圓筒形，采用厚度10 mm 的有機(jī)玻璃制成，圓筒直徑40 cm，高100 cm，容積約100 L(圖1).反應(yīng)器從頂部進(jìn)料，頂部蓋子中心有一個透氣孔.反應(yīng)器底部有通氣管和滲濾液排出孔，與通氣管依次相連的是氣體流量計(jì)、氣泵和定時器，能夠?yàn)榉磻?yīng)器定時定量通風(fēng)供氧.距反應(yīng)器底部10 cm 處有一透氣隔板，將堆料與通氣管隔開.反應(yīng)器的筒壁上有3 個測溫孔，外面包裹著保溫隔層.

1.1.2 堆肥方法

將園林廢棄物、茶葉渣和濕豬糞按照重量比2∶ 1∶ 1的比例放入攪拌器攪拌均勻，調(diào)節(jié)堆肥材料初始碳氮比(C/N)約為30，含水率60%左右，在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行好氧堆肥.堆肥過程每天定時測溫，并且根據(jù)溫度變化，采用變流量循環(huán)通風(fēng)方式. 堆肥初始通風(fēng)流速為240L/H，升溫后第4 天調(diào)至280L/H，第7 天調(diào)至260L/H，第14 天以后調(diào)回至240L/H，可以保障堆體溫度不超過60℃. 在第1、4、7、14、21、28 天進(jìn)行翻堆并且采樣.堆肥全程設(shè)計(jì)35天，其中反應(yīng)器內(nèi)堆肥周期為28 d，反應(yīng)器外再靜置腐熟7 d.根據(jù)堆肥樣品的pH、電導(dǎo)率(EC)和C/N 判斷堆肥的腐熟程度［13］.

圖1 自制堆肥反應(yīng)器Fig. 1 Self-made compost reactor

1.2 青菜種子穴盤育苗試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 育苗材料

育苗材料包括園林綠化廢棄物堆肥、園土和草炭土.其中，園土來自郊區(qū)菜地土壤，經(jīng)風(fēng)干磨碎后過2 mm 篩孔.草炭為市售普通草炭，青菜種子采用日本進(jìn)口青菜種子.育苗基質(zhì)由園土、堆肥和草炭3 種材料分別制成的純基質(zhì)(表2).

1.2.2 育苗方法

采用育苗盤進(jìn)行青菜種子育苗試驗(yàn)［14］.每個處理50 個穴孔，每個穴孔放入2 粒青菜種子.育苗時先將基質(zhì)填滿育苗盤穴孔的3/4，澆透水放入種子后，再覆上一層基質(zhì)，輕灑水使基質(zhì)和種子濕透，然后將育苗盤放于保溫保濕并且透光的育苗箱內(nèi)，每天定時觀察出苗情況.育苗周期為15 d.

1.3 樣品測試與數(shù)據(jù)分析

采樣測試堆肥材料和堆肥過程樣品的基本理化性質(zhì)，包括pH、EC、容重、含水率、含氮量和含碳量等.

育苗開始前，測試育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)，包括pH、EC、有機(jī)質(zhì)、容重、孔隙度等.育苗結(jié)束后，從每個處理中選擇長勢一致的青菜苗，分別測量葉寬、葉柄長、株高、株鮮重等指標(biāo)，計(jì)算青菜種子出苗率和菜苗活力指數(shù)［15］.

基質(zhì)樣品測試參照土壤農(nóng)化分析方法［16］.

2 結(jié)果與分析

2.1 園林綠化廢棄物混合堆肥效果

圖2 堆肥過程溫度變化情況Fig. 2 Temperature changes in composting process

2.1.1 堆肥過程溫度變化情況

對于好氧堆肥而言，堆體必需有足夠長時間的高溫期，才能夠?qū)⒍蚜现杏泻Σ≡鷼⑺溃@是保證堆肥質(zhì)量的重要基礎(chǔ)［17］. 本次堆肥過程每天定時監(jiān)測反應(yīng)器內(nèi)部的堆肥溫度，并與室溫對照. 如圖2 所示，堆肥物料在反應(yīng)器內(nèi)升溫迅速，第3 天溫度就迅速升到55℃以上，并且能夠維持一段時間.隨后堆體溫度逐漸下降，進(jìn)入緩慢的腐熟階段.國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求堆肥維持在50℃至55℃的高溫期為5 d，或者維持55℃以上高溫期至少3 d［18］.從圖2 中可以看出，本次堆肥內(nèi)部維持了50℃以上高溫期5 d，滿足堆肥國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求.

2.1.2 堆肥過程pH 變化情況

堆肥過程定期翻堆并且采樣測量堆肥的pH、電導(dǎo)率、碳氮比等基本理化性質(zhì)，以此評價堆肥腐熟程度.已有研究表明，腐熟的堆肥一般呈弱堿性，pH 值可以作為堆肥腐熟的一個必要條件［19］.如圖3 所示，本次堆肥過程pH 先降后升，堆料開始時的pH 接近中性，堆肥結(jié)束后pH 為偏堿性.同類研究表明，堆肥初期可利用的能量物質(zhì)較多，微生物繁殖快，其活動產(chǎn)生的有機(jī)酸使pH 值下降;隨著堆肥溫度升高，乙酸等有機(jī)酸揮發(fā)，同時含氮有機(jī)物所產(chǎn)生的氨也使堆肥的pH 逐漸回升，最后穩(wěn)定在較高的水平［20］.

2.1.3 堆肥過程EC 變化情況

EC 是堆肥腐熟的另一個必要條件［21］.當(dāng)堆肥EC 值小于9.0 ms/cm 時，對種子發(fā)芽沒有抑制作用.圖4顯示本次堆肥過程電導(dǎo)率呈先升后降趨勢，其變化趨勢與pH 變化趨勢相反.有研究表明，堆肥初期微生物繁殖快，其活動產(chǎn)生的大量有機(jī)酸使EC 值升高，并且在高溫期末達(dá)到峰值;在堆肥高溫期過后，微生物活動趨緩，并且有機(jī)酸和氨根離子不斷揮發(fā)，使堆體中可溶性離子減少，EC 開始緩慢下降并趨于穩(wěn)定［22］.

圖3 堆肥過程pH 變化情況Fig. 3 PH changes in composting process

圖4 堆肥過程電導(dǎo)率變化情況Fig. 4 EC changes in composting process

2.1.4 堆肥過程C/N 變化情況

圖5 堆肥過程碳氮比變化情況Fig. 5 C/N changes in composting process

有研究表明，C/N 是反映堆肥腐熟程度的重要參考指標(biāo)之一［21］.圖5 顯示，本次堆肥過程C/N 呈下降趨勢，7 d 左右降到20 以下，以后數(shù)周C/N 平穩(wěn)下降至15 左右. 研究表明，堆肥初期高溫階段，微生物大量繁殖，有機(jī)物迅速分解，碳含量減少，氮含量相對增加，C/N 顯著下降;堆肥后期，隨著堆肥溫度逐漸降低，有機(jī)質(zhì)分解速度趨緩，碳和氮含量逐漸平衡［22］，腐熟堆肥的C/N 理論上應(yīng)趨向于微生物菌體的C/N［19］.

綜合考慮堆肥過程溫度、pH、EC 和C/N 的變化情況，可以判斷園林綠化廢棄物經(jīng)過28 d 的堆肥，已經(jīng)達(dá)到腐熟要求，可以進(jìn)行青菜育苗試驗(yàn).

2.2 青菜種子穴盤育苗效果比較

2.2.1 不同處理育苗基質(zhì)基本理化性質(zhì)

育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)是影響育苗效果的關(guān)鍵因素之一.根據(jù)農(nóng)業(yè)部蔬菜育苗基質(zhì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T 2118-2012)［23］，理想的蔬菜育苗基質(zhì)pH 在5.5 -7.5 之間，電導(dǎo)率在0.1 -0.2 ms/cm，容重在0.2 -0.6 g/cm3之間，總孔隙度大于60%，其中通氣空隙度大于15%，持水孔隙度大于45%，有機(jī)質(zhì)含量35%以上等.本試驗(yàn)對3 種處理的育苗基質(zhì)理化性質(zhì)進(jìn)行測定，測定結(jié)果見表3.如表3 所示，由園林綠化廢棄物堆肥制備的育苗基質(zhì)(處理2)除了電導(dǎo)率略高外，其他指標(biāo)均符合農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求.而且堆肥基質(zhì)具有較低的容重，較高的通氣性和保水性，顯著的養(yǎng)分供應(yīng)能力等，各方面指標(biāo)均和草炭(處理3)接近，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于園土(處理1).具體育苗效果需要進(jìn)一步通過育苗試驗(yàn)來驗(yàn)證.

表3 不同育苗基質(zhì)的基本理化性質(zhì)Tab. 3 Basic physical and chemical properties of different substrates

圖6 不同育苗基質(zhì)的青菜種子出苗率Fig. 6 Green vegetable seedlings emergence rate of different substrates

2.2.2 青菜種子育苗效果比較

本次育苗試驗(yàn)的每個處理分別播種100 粒青菜種子，圖6 為育苗期間3 種基質(zhì)的青菜種子發(fā)芽情況.如圖6 所示，處理2 和處理3 的種子從第5 天開始大量發(fā)芽，15 d 后發(fā)芽個數(shù)分別為95 個和94 個，出苗率均在90%以上，而處理1 的種子發(fā)芽率明顯較低.蔬菜育苗基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求基質(zhì)的出苗率不低于90%［23］. 育苗結(jié)果說明，堆肥制備的育苗基質(zhì)對于青菜種子出苗沒有抑制作用，并且能夠促進(jìn)種子發(fā)芽，出苗率滿足育苗行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，出苗效果優(yōu)于草炭基質(zhì).

育苗結(jié)束后，從每個處理中選擇長勢一致的青菜苗，分別測量葉寬、葉柄長、株高、株鮮重等指標(biāo)，計(jì)算菜苗活力指數(shù).計(jì)算方法如下:

活力指數(shù)=W×發(fā)芽指數(shù)，

其中，W 為10 株平均單株鮮重，單位mg;發(fā)芽指數(shù)=Σ(Gt/Dt)，G 為在時間t日種子的發(fā)芽個數(shù)，D為t日的發(fā)芽天數(shù).

青菜長勢的測定結(jié)果見表4.如表4 所示，處理1 的青菜種苗長勢較差，葉面積小，菜苗低矮，活力指數(shù)僅有0.64，各項(xiàng)指標(biāo)均低于處理2 和處理3;處理2 菜苗較大，長勢良好，活力指數(shù)達(dá)到1.09，各項(xiàng)指標(biāo)均與處理3 接近;處理3 菜苗更大，葉面較大，長勢非常好，活力指數(shù)達(dá)到1.23.育苗結(jié)果顯示，草炭基質(zhì)的育苗效果最好，園土育苗效果較差，而由園林綠化廢棄物堆肥制備的基質(zhì)育苗效果接近草炭，可以替代草炭作為規(guī)?；绲闹饕|(zhì)來源之一.

表4 不同育苗基質(zhì)的青菜苗長勢(平均值)Tab. 4 Average growing results of green vegetable seedlings in different substrates

3 結(jié) 論

園林綠化廢棄物添加茶葉渣和豬糞進(jìn)行混合堆肥，堆料能夠快速升溫并且保持50℃以上高溫期5 d;在小型反應(yīng)器內(nèi)堆漚28 d 后，堆料的pH、EC 和C/N 均能達(dá)到腐熟要求，顯著減少了堆肥反應(yīng)時間;由園林綠化廢棄物堆肥制備的育苗基質(zhì)在容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)方面均與草炭接近，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于園土，基本符合農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求;不同植物對于EC 值的適應(yīng)范圍不完全一樣，堆肥育苗基質(zhì)對于青菜種子出苗沒有抑制作用，并且能夠促進(jìn)菜苗生長，育苗效果非常接近草炭.因此，堆肥生產(chǎn)蔬菜育苗基質(zhì)是資源化處置城市園林綠化廢棄物的有效途徑之一.

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