碳氮比對(duì)白三葉和小麥秸稈堆肥的肥力影響

范肖龍，文素蕓，陳 佳，萬(wàn)依陽(yáng)，程宇陽(yáng)，寇建村

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，陜西楊凌 712100)

黃土高原是蘋(píng)果(Malussieversii)的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)，蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的作用，但近來(lái)由于有機(jī)肥源短缺，化肥過(guò)量施用，導(dǎo)致蘋(píng)果園土壤肥力退化、養(yǎng)分失調(diào)、有機(jī)質(zhì)含量偏低，嚴(yán)重制約蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1-2]。

果園生草是一種新興的果園土壤管理方式，既能有效減少蒸發(fā)，保持土壤含水量，同時(shí)，所生果園草刈割后又可通過(guò)覆蓋或埋置等方式降解還田，改善土壤肥力，保持果園土壤有機(jī)質(zhì)平衡[1-2]。白三葉(Trifoliumrepens)為豆科車軸草屬多年生草本植物，具有良好的蓄水保墑作用，且根瘤菌固氮作用優(yōu)勢(shì)明顯，是目前黃土高原蘋(píng)果園應(yīng)用最廣、效果最佳的果園草種之一[3]。目前，對(duì)果園生草的研究多集中于生草本身對(duì)提高果園土壤肥力、促進(jìn)果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育以及影響果園小氣候等方面[4-6]，而果園草降解利用等方面的研究鮮有報(bào)道[7]。已有研究表明，果園白三葉刈割后通過(guò)埋置或覆蓋的方式返園，其降解速度較慢，需時(shí)較長(zhǎng)[8]。

好氧堆肥主要利用微生物好氧發(fā)酵降解有機(jī)物質(zhì)，使堆肥材料最終達(dá)到無(wú)害化及資源化的目的，得到可作為肥料的最終產(chǎn)物[9]。影響堆肥的因素有溫度、含水率、pH、C/N、有機(jī)質(zhì)含量以及氧氣含量等，其中，C/N是影響堆肥成功與否及堆肥肥力的最關(guān)鍵因素[10]。當(dāng)堆肥中C/N 過(guò)低時(shí)，堆體中的氮以 NH3形式大量揮發(fā)損失從而降低肥效；當(dāng)堆肥C/N 過(guò)高時(shí)，會(huì)降低微生物降解速度，延長(zhǎng)堆肥時(shí)間[11]。以往的研究表明，C/N 為25～35均可進(jìn)行高效堆肥[12]。

將果園白三葉堆肥后返園，一方面可以提高果園土壤肥力，另一方面可以縮短有機(jī)物的轉(zhuǎn)化時(shí)間，是一種較好的果園草利用方式。但由于白三葉單獨(dú)堆肥時(shí)C/N過(guò)低，影響堆肥效果。而小麥作為黃土高原最重要的農(nóng)作物之一，其秸稈量大、價(jià)廉，C/N較高。如將白三葉和小麥秸稈適量混合進(jìn)行堆肥，既利用現(xiàn)有資源，又能獲得較好的堆肥效果，但是此方面研究未見(jiàn)報(bào)道。本研究以白三葉為材料，用小麥秸稈為碳源調(diào)節(jié)C/N，研究不同初始C/N下白三葉堆制有機(jī)肥的肥效，以期確定白三葉、小麥秸稈的最佳堆肥比例，為實(shí)現(xiàn)白三葉高效利用，緩解蘋(píng)果園有機(jī)肥短缺問(wèn)題提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2017年5-7月進(jìn)行。供試白三葉取自陜西楊凌國(guó)際合作科技園——現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新園的蘋(píng)果試驗(yàn)基地，新鮮莖葉刈割后隨即進(jìn)行風(fēng)干，備用；小麥秸稈由農(nóng)戶提供(秸稈新鮮、未見(jiàn)發(fā)霉和明顯的感病植株)，物料基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將小麥秸稈、白三葉切碎至長(zhǎng)度10 cm左右。以不同比例混合，使初始C/N分別為25(T25)、30(T30)和35(T35)，3次重復(fù)。調(diào)節(jié)混合物料含水量至 60% 左右后混合均勻，裝入發(fā)酵箱，發(fā)酵箱容器規(guī)格為0.60 m×0.45 m×0.46 m(長(zhǎng)×寬×高)。為避免局部厭氧，在堆置的前2周，每周翻堆2次，之后每周翻堆1次。為保證良好的微生物生活環(huán)境，堆肥前期定期添加滅菌去離子水，使物料含水量維持在60%左右。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

堆體溫度：每日10:00和17:00用水銀溫度計(jì)測(cè)定堆體中部同一高度(23 cm)隨機(jī)5個(gè)位置的平均值作為堆體溫度，同時(shí)記錄環(huán)境溫度。

表1 物料基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of materials

于堆肥開(kāi)始(0 d)和結(jié)束(51 d)時(shí)取樣。采取多點(diǎn)采樣法取樣，均勻混合樣品后，四分法保留200 g，分為風(fēng)干樣與鮮樣(4 ℃冰箱保存) 2 份，分別密封后保存。鮮樣用于銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測(cè)定。將鮮樣與1 mol/L NaCl溶液1∶10混合(質(zhì)量/體積)，水平搖床震蕩混勻2 h后靜置過(guò)濾，用流動(dòng)分析儀測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。風(fēng)干樣用于全碳、全氮、全磷、全鉀、速效磷和速效鉀的測(cè)定，參照文獻(xiàn)[13]的方法測(cè)定。其中，全碳采用灼燒法測(cè)定，全氮和全磷采用元素分析儀測(cè)定，全鉀和速效鉀采用火焰光度法測(cè)定，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用DPS 7.05對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、方差分析和多重比較，Microsoft Office Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過(guò)程中堆體溫度的變化

由圖1可以看出，白三葉和小麥秸稈混合后，3個(gè)處理均從堆肥后的第2 天開(kāi)始升溫，經(jīng)歷升溫期、高溫期和降溫期3個(gè)階段。T25、T30和T35達(dá)到最高溫度所需時(shí)間分別為26、5和6 d，最高溫度分別為47、58和67 ℃，50 ℃以上持續(xù)時(shí)間分別為0、7和9 d。

圖1 堆肥過(guò)程中的溫度Fig.1 Temperature during composting process

2.2 堆肥前后全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

堆肥前(0 d)，T30和T35處理的全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于T25(P<0.05)，堆肥結(jié)束(51 d)時(shí)，T25處理的全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于T30和T35；T25、T30和T35處理堆肥后比堆肥前全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低17.4%、22.1%和23.1%；T35處理有機(jī)碳降解較快，T30次之(圖2)。

2.3 堆肥前后全量養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

堆肥前，3個(gè)處理全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為T(mén)25>T30>T35，結(jié)束時(shí)分別提高12.2%、54.6%和91.7%(圖3-A)。但是，堆肥前，T25和T30處理的全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于T35(P<0.05)，結(jié)束時(shí)，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小為T(mén)30>T25>T35，且差異顯著(P<0.05)，分?jǐn)?shù)分別較堆肥前提高63.1%、71.1%和101.1%。(圖3-B)。而堆肥前，3 個(gè)處理全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著差異，堆肥結(jié)束時(shí)，T25、T30和T35處理比堆肥前分別提高63.9%、61.1%和102.6%(圖3-C)。

不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。下同

Different lowercase letters show significant difference(P<0.05). The same bellow

圖2堆肥前后全碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)
Fig.2Totalcarbonmassfractionbeforeandaftercompostingprocess

圖3 堆肥前后全氮(A)、全磷(B)和全鉀(C)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.3 Total nitrogen(A), phosphorus(B) and potassium(C) mass fraction before and after composting process

2.4 堆肥前后速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

由圖4-A可知，堆肥前，T25處理的銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于T30和T35(P<0.05)，堆肥結(jié)束時(shí)，T25和T30比堆肥前分別提高3.2 倍和2.7倍，而T35降低58.3%。堆肥前，T30和T35處理的硝態(tài)氮顯著高于T25(P<0.05)，堆肥結(jié)束時(shí)， T25、T30和T35處理分別提高3.0倍、2.0 倍和1.6倍(圖4-B)。

堆肥前，T25和T35處理的速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于T30(P<0.05)，堆肥結(jié)束時(shí)，T25、T30和T35處理分別提高65.1%、88.8%和49.6%，T25和T30顯著高于T35(圖4-C)。T35處理速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在堆肥前顯著高于T25(P<0.05)，堆肥后，T35處理顯著高于T25和T30(P<0.05)，T25、T30和T35處理分別較堆肥前提高82.7%、84.1% 和107.4%(P<0.05)(圖4-D)。

3 討 論

3.1 堆肥的溫度變化表明白三葉可以成功堆制有機(jī)肥

溫度是好氧堆肥過(guò)程的關(guān)鍵指標(biāo)，其變化可以直觀反映堆肥過(guò)程中的微生物活性[14]和堆肥進(jìn)程[15]。溫度的變化也與堆肥中可被氧化分解的有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)[16]。本研究中，T25處理最高溫度為47 ℃，這可能是由于該處理?xiàng)l件下碳源不足，不利于微生物的活動(dòng)，因此不利于白三葉和秸稈的完全腐熟[17]。而T30和T35處理50 ℃以上高溫均持續(xù)在7 d以上，說(shuō)明在白三葉和小麥秸稈混合后堆肥時(shí)，C/N高有利于微生物的活動(dòng)，從而能夠有效促進(jìn)堆體腐熟。3個(gè)處理堆肥完成后，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均降低，這是由于堆肥過(guò)程中微生物降解消耗有機(jī)碳，使全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，與趙建榮等[18]的研究結(jié)果一致，但T30和T35處理降低22.1%和23.1%，說(shuō)明降解腐熟效果較好。

圖4 堆肥前后銨態(tài)氮(A)、硝態(tài)氮(B)、速效磷(C)和速效鉀(D)的質(zhì)量分?jǐn)?shù) , available phosphorus(C) and available potassium(D) mass fraction before and after composting process

一般認(rèn)為，堆肥溫度在50～55 ℃以上保持5～7 d，或者55 ℃以上維持3 d 以上可以滅殺物料中所含病原菌，達(dá)到堆肥衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)和腐熟的標(biāo)準(zhǔn)[10]。本試驗(yàn)中，白三葉堆肥的C/N分別為25、30和35時(shí)，50 ℃以上持續(xù)時(shí)間分別為0、7和9 d，因此，在C/N為30或35時(shí)，白三葉可以堆制安全有機(jī)肥。

3.2 白三葉堆肥后養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，堆制的有機(jī)肥肥力較高

隨著好氧堆肥的進(jìn)行，物料中的有機(jī)物分解礦化，物料發(fā)生“濃縮效應(yīng)”[19]，使堆體的體積隨之減小，堆肥后總氮、總磷以及總鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)因被濃縮而增加[20-21]。本研究也得到相同的結(jié)果，C/N 為35時(shí)，堆肥后全氮、全磷和全鉀增加，較堆肥前分別提高91.7%、101.1%和102.6%；3個(gè)處理的速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均提高。在堆肥過(guò)程中，銨態(tài)氮先迅速上升后快速下降，但最終銨態(tài)氮降低。銨態(tài)氮增加的主要原因是有機(jī)物氨化和有機(jī)氮礦化作用，微生物作用于有機(jī)氮使其轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單含氮有機(jī)物，然后再進(jìn)一步反應(yīng)生成NH3，而NH3可以溶于堆肥產(chǎn)生的水中轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，因而銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為上升趨勢(shì)[22]。隨后銨態(tài)氮的降低是因?yàn)殡S著堆肥進(jìn)程，在硝化細(xì)菌作用下，將銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化所致[18]。但是，在本研究中，C/N為25和30的處理銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，而C/N為35的處理銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。這可能是因?yàn)樘嫉葹?5和30時(shí)，堆肥進(jìn)程較慢，硝化細(xì)菌活性較低，使得部分銨態(tài)氮未能及時(shí)轉(zhuǎn)化所致。

白三葉用小麥秸稈調(diào)整C/N為35時(shí)，堆肥后全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)較堆肥前分別提高91.7%、101.1%、102.6% 、49.6%和107.4%，而在小麥秸稈與雞糞的高溫好氧堆肥中，全氮、磷、鉀以及速效磷、鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高21.8%、11.5%、15.8%、25.9%和12.4%[23]。表明白三葉和秸稈堆肥降解腐熟濃縮效果較好，可以快速提供有效的有機(jī)肥源。

3.3 C/N是影響白三葉堆肥的重要因素

C/N是影響堆肥進(jìn)程及其腐熟情況的重要因素。C/N為25～35 均可進(jìn)行高效堆肥[12]。本研究比較白三葉和小麥秸稈混合后3種不同 C/N(分別為25、30和35)的堆肥過(guò)程中溫度及其碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分的變化差異，發(fā)現(xiàn)C/N為25、30和35的處理，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高12.2%、54.6%和91.7%，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高63.1%、71.1%和101.1%，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高63.9%、61.1%和102.6%，硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高3.0倍、2.0倍和1.6倍，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高65.1%、88.8%和49.6%，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高82.6%、84.1%和107.4%。因此，白三葉堆肥時(shí)，用秸稈調(diào)節(jié)的C/N不同，堆肥效果不同。這與牛糞[10]、豬糞[11]堆肥的研究結(jié)果存在差異，牛糞、豬糞堆肥時(shí)，C/N為25 時(shí)堆肥效果最佳。這可能是因?yàn)榘兹~養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和其他物料存在差異。同時(shí)，好氧堆肥是一系列微生物參與及酶促反應(yīng)的過(guò)程，本研究?jī)H對(duì)堆肥前后的肥力變化進(jìn)行測(cè)定，后續(xù)需對(duì)白三葉堆肥過(guò)程中微生物種類、數(shù)量及酶活性變化機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步研究。