溫度和含水率對(duì)銀中楊-玉簪落葉 與草坪碎屑混料腐解的影響

王 楠, 王 帥, 姚 凱, 徐俊平, 馬 超, 李興吉, 劉 蘭, 周昶延

(吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 農(nóng)學(xué)院, 吉林 吉林 132101)

園林廢棄物主要由枯枝落葉組成, 其中含有大量木質(zhì)纖維成分, 通過(guò)微生物氧化降解作用, 可使富碳物質(zhì)歷經(jīng)腐解最終縮合成結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的腐殖物質(zhì)(HS)[1], 經(jīng)腐解的廢棄物可作為植物養(yǎng)分的供給物料, 培肥沃土, 使土壤肥力得以改善. 因此, 將園林廢棄物進(jìn)行堆肥化利用是將有機(jī)廢棄物減量化、 資源化、 無(wú)害化的有效途徑[2].

銀中楊和玉簪的落葉及草坪碎屑是常見(jiàn)的園林廢棄物， 其富含碳、 氮、 磷、 鉀等元素, 通過(guò)合理堆制可轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料[3]. 在腐解過(guò)程中, 如溫度和含水率等均可對(duì)腐熟效果產(chǎn)生影響. 其中溫度通過(guò)影響微生物胞外酶的產(chǎn)生和周轉(zhuǎn)可間接影響有機(jī)物料的分解[4-5], 含水率可促進(jìn)微生物活性[6]. 周桂香等[7]研究表明, 溫度和含水率可影響土壤微生物群落的組成和生理活性, 并影響可溶性有機(jī)物的含量和微生物底物的供給, 最終影響有機(jī)物料的分解速度； 侯淑艷等[8]研究了培養(yǎng)溫度對(duì)玉米秸稈腐解期間腐殖質(zhì)消長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)影響, 溫度越高越有利于土壤有機(jī)碳、 可提取腐殖酸和胡敏酸的分解與轉(zhuǎn)化； 翟紅等[9]以不同初始含水率為調(diào)控因素研究了其對(duì)沼渣與秸稈混合堆肥的影響, 堆肥過(guò)程中適當(dāng)補(bǔ)充水分可加速堆肥進(jìn)程; Guo等[10]研究表明, 60%～75%的含水率對(duì)豬糞-玉米秸稈混合堆腐的效果最好; 施林林等[11]研究表明, 水分梯度不是影響堆肥腐殖質(zhì)品質(zhì)的主要因素.

目前, 以腐殖質(zhì)組成為評(píng)價(jià)指標(biāo)衡量園林廢棄物適宜腐解條件的文獻(xiàn)報(bào)道較少. 基于此, 本文采用室內(nèi)培養(yǎng)法對(duì)銀中楊-玉簪落葉與草坪碎屑混料進(jìn)行好氧腐解, 在不同培養(yǎng)溫度(7,28,35 ℃)及混料含水率(40%,50%,60%)下分析其對(duì)混料腐解過(guò)程中水溶性物質(zhì)、 可提取腐殖酸、 胡敏酸、 富里酸和胡敏素碳的質(zhì)量比(WSOC,wC(HE),wC(HA),wC(FA)，wC(Hu))以及胡敏酸(HA)堿溶液E4/E6的影響.

1 材料與方法

1.1 材 料

銀中楊-玉簪落葉取自吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院園林綠地, 剔除枯枝, 在105 ℃進(jìn)行殺青處理, 于55 ℃烘干至恒質(zhì)量, 粉碎過(guò)1 mm篩. 落葉粉末中總有機(jī)碳、 全氮、 全磷和全鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為58.3%,2.24%,1.00%,0.77%.

草坪碎屑取自吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院草坪綠地, 草種由狗牙根、 早熟禾屬及羊茅屬組成, 經(jīng)旋刀式剪草機(jī)剔除草坪碎屑, 在105 ℃進(jìn)行殺青處理, 于55 ℃烘干至恒質(zhì)量, 用剪刀將碎草屑剪成0.20～0.25 cm小段. 草坪碎屑中總有機(jī)碳、 全氮、 全磷及全鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為58.4%,2.68%,1.20%,2.09%.

菌劑制備方法： 準(zhǔn)確稱取粗纖維降解專用菌(鹽城市神微生物菌種科技有限公司, 原粉粉劑, 每克含100億個(gè)菌落)5 g于100 mL離心管中, 注入100 mL無(wú)菌水后以3 500 r/min轉(zhuǎn)速離心10 min, 將固液分離, 留取菌劑.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將銀中楊-玉簪落葉粉末按1∶4的質(zhì)量比與草坪碎屑混合, 制得混料. 準(zhǔn)確稱取20 g混料于100 mL錐形瓶中, 當(dāng)溫度作為影響因素時(shí), 將混料含水率調(diào)至50%, 培養(yǎng)溫度設(shè)為7,28,35 ℃, 分別記為T7,T28,T35; 當(dāng)含水率作為影響因素時(shí), 將培養(yǎng)溫度設(shè)為28 ℃, 將混料含水率調(diào)至40%,50%,60%, 分別記為R40,R50,R60. 在調(diào)節(jié)混料含水率后, 于121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min、 冷卻, 在無(wú)菌操作環(huán)境接種5 mL菌劑, 用封口膜封口, 每個(gè)處理重復(fù)3次, 培養(yǎng)60 d, 期間按0,15,30,60 d取樣, 取樣后立即轉(zhuǎn)入55 ℃鼓風(fēng)干燥箱中終止微生物反應(yīng), 風(fēng)干后粉碎, 過(guò)0.01 mm篩, 備用.

1.3 測(cè)試方法

采用腐殖質(zhì)組成修改法對(duì)收集的混料進(jìn)行分析[9], 步驟為： 稱取混料5.00 g于100 mL聚乙烯離心管中, 加入30 mL蒸餾水?dāng)嚢杈鶆? 在70 ℃恒溫水浴振蕩器中提取1 h, 離心(3 500 r/min, 15 min), 將上清液過(guò)濾于50 mL容量瓶中, 在帶有殘?jiān)碾x心管中繼續(xù)加20 mL水?dāng)嚢杈鶆? 離心, 合并上清液, 用蒸餾水定容, 該溶液即為WSOC. 按上述方法將蒸餾水改為0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L Na2P2O7的混合液對(duì)殘?jiān)M(jìn)行二次提取, 收集的溶液即為可提取腐殖酸(HE). 離心管中殘?jiān)谜麴s水洗滌至洗液約為中性, 將其轉(zhuǎn)入55 ℃鼓風(fēng)干燥箱烘干至恒質(zhì)量, 該沉淀物即為胡敏素(Hu).

吸取上述HE溶液30 mL, 用0.5 mol/L H2SO4將其pH值調(diào)至1.0～1.5后, 置于70 ℃水浴鍋中保溫1.5 h, 靜置過(guò)夜, 將溶液過(guò)濾于50 mL容量瓶、 定容, 該溶液即為富里酸(FA). 濾紙上殘?jiān)扔孟∷嵯礈? 再用溫?zé)岬?.05 mol/L NaOH將其溶解于50 mL容量瓶中, 用蒸餾水定容, 即為胡敏酸(HA)堿溶液. 上述腐殖質(zhì)組分的有機(jī)碳質(zhì)量比(WSOC,wC(FA),wC(HA),wC(Hu))均采用外加熱-重鉻酸鉀氧化法測(cè)定, 用北京普析通用儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的TU-1901型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定HA堿溶液的吸光值(E465和E665), 并計(jì)算光學(xué)密度值E4/E6=E465/E665.

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析, 整理后制柱狀圖和散點(diǎn)圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 培養(yǎng)溫度對(duì)混料腐解的影響

2.1.1 培養(yǎng)溫度對(duì)混料腐殖質(zhì)組成的影響 圖1為溫度對(duì)混料腐解過(guò)程中WSOC,wC(HE),wC(HA),wC(Hu)的影響. 由圖1可見(jiàn): 在7 ℃培養(yǎng)條件下, 混料經(jīng)微生物腐解, 其WSOC先增加后減少, 增幅為10.2%；wC(HE)和wC(HA)均呈增加趨勢(shì), 60 d后兩組分碳的質(zhì)量比分別增加了20.8%和26.6%； 混料的wC(Hu)隨培養(yǎng)天數(shù)的增加而逐漸降低, 降幅為12.9%; 在28 ℃培養(yǎng)溫度下, 由微生物驅(qū)動(dòng), 混料的WSOC和wC(HE)先增加后下降, WSOC在培養(yǎng)60 d后其值增大了6.9%,wC(HE)降幅為30.0%, 與文獻(xiàn)[8]結(jié)論類似； 混料wC(HA)逐漸增高, 增幅為18.8%；wC(Hu)則逐漸降低, 降幅為23.5%; 在35 ℃培養(yǎng)條件下, 隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加, 混料WSOC和wC(HA)先降低后逐漸增加, 培養(yǎng)結(jié)束后, 增幅分別為24.0%和19.6%； 混料wC(HE)先增加后降低, 增幅為16.4%, 混料的wC(Hu)逐漸降低, 降幅為12.4%.

羅馬數(shù)字表示各處理在不同培養(yǎng)時(shí)間下, p<0.05水平上的差異顯著性.圖1 溫度對(duì)混料腐解過(guò)程中WSOC,wC(HE),wC(HA)和wC(Hu)的影響Fig.1 Effects of temperature on WSOC,wC(HE),wC(HA) and wC(Hu) in process of mixture decomposition

2.1.2 培養(yǎng)溫度對(duì)混料HA堿溶液E4/E6的影響 圖2為溫度對(duì)混料腐解過(guò)程中HA堿溶液E4/E6的影響. 由圖2可見(jiàn), 隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加, 混料提取HA堿溶液的E4/E6先降低后增加, 在培養(yǎng)60 d后,E4/E6均有不同程度提高, 增幅分別為9.6%,1.0%,2.3%. 在培養(yǎng)過(guò)程中, 混料HA分子結(jié)構(gòu)先復(fù)雜后漸趨簡(jiǎn)單, 培養(yǎng)60 d后, HA分子結(jié)構(gòu)中芳香碳減少、 脂族碳增加, 7 ℃有利于混料HA分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化, 28 ℃更利于HA分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.

2.1.3 培養(yǎng)溫度對(duì)混料胡富比的影響 圖3為溫度對(duì)混料腐解前后胡富比(wC(HA)/wC(FA))的影響. 由圖3可見(jiàn), 培養(yǎng)60 d后, 混料胡富比均有不同程度降低, 表明混料腐解過(guò)程中C(HA)可向C(FA)轉(zhuǎn)化, 使腐殖質(zhì)品質(zhì)降低. T7,T28和T35處理可分別使wC(HA)/wC(FA)降低43.5%,48.0%和80.6%, 提升培養(yǎng)溫度可有效降低混料的腐殖質(zhì)品質(zhì), 使更多C(HA)向C(FA)轉(zhuǎn)化.

圖2 溫度對(duì)混料腐解過(guò)程中HA堿溶液E4/E6的影響Fig.2 Effects of temperature on E4/E6 of HA alkali solution in process of mixture decomposition

羅馬數(shù)字表示各處理在不同培養(yǎng)時(shí)間下, p<0.05水平上的差異顯著性.圖3 溫度對(duì)混料腐解前后wC(HA)/wC(FA)的影響Fig.3 Effects of temperature on wC(HA)/wC(FA) of mixture before or after decomposition

2.2 含水率對(duì)混料腐解的影響

羅馬數(shù)字表示各處理在不同培養(yǎng)時(shí)間下, p<0.05水平上的差異顯著性.圖4 含水率對(duì)混料腐解過(guò)程中WSOC,wC(HE),wC(HA)和wC(Hu)的影響Fig.4 Effects of moisture content on WSOC,wC(HE),wC(HA) and wC(Hu) in process of mixture decomposition

2.2.1 含水率對(duì)混料腐殖質(zhì)組成的影響 圖4為含水率對(duì)混料腐解過(guò)程中WSOC,wC(HE),wC(HA)和wC(Hu)的影響. 由圖4可見(jiàn): 在較低濕度條件下(R40), 微生物對(duì)混料C(Hu)具有較大的礦化分解作用, 培養(yǎng)60 d后wC(Hu)降低了13.9%, 降解產(chǎn)物使WSOC,wC(HA)和wC(HE)增大, 增幅分別為82.5%,63.1%和40.3%; 在R50處理影響下, 微生物對(duì)混料C(Hu)的礦化分解作用更大, 其值下降了21.1%, 受其降解產(chǎn)物的影響, WSOC和wC(HA)的值均增大, 增幅分別為54.0%和35.7%;wC(HE)在培養(yǎng)15 d后降低, 但最終增幅為19.2%; 在R60處理影響下, 混料wC(Hu)值隨培養(yǎng)天數(shù)的增加而降低, 最終降幅為11.7%, 相應(yīng)的WSOC,wC(HA)和wC(HE)的增幅分別為36.9%,51.1%和51.7%.

2.2.2 含水率對(duì)混料胡敏酸堿溶液E4/E6的影響 圖5為含水率對(duì)混料腐解過(guò)程中HA堿溶液E4/E6的影響. 由圖5可見(jiàn), 在R40或R60處理影響下, HA堿溶液的E4/E6隨培養(yǎng)天數(shù)的增加呈先增大后減小的趨勢(shì), R50處理下E4/E6呈先減小后增大的趨勢(shì). 在培養(yǎng)結(jié)束后, R40和R50處理下E4/E6均增加, 增幅分別為0.6%和12.9%, R60處理使E4/E6降低了8.6%. 表明混料含水率為60%更利于HA堿溶液E4/E6的減少, 使HA分子結(jié)構(gòu)趨于更復(fù)雜.

2.2.3 含水率對(duì)混料胡富比的影響 圖6為含水率對(duì)混料腐解前后胡富比(wC(HA)/wC(FA))的影響. 由圖6可見(jiàn)： 在R40和R50處理下, 經(jīng)60 d培養(yǎng)后, 混料wC(HA)/wC(FA)分別提高了76.9%和53.5%； 在R60處理下,wC(HA)/wC(FA)在培養(yǎng)結(jié)束后降低了11.9%. 表明R60處理不利于C(FA)向C(HA)轉(zhuǎn)化, R40和R50處理可提高腐殖質(zhì)的品質(zhì).

圖5 含水率對(duì)混料腐解過(guò)程中HA堿溶液E4/E6的影響Fig.5 Effects of moisture content on E4/E6 of HA alkali solution in process of mixture decomposition

羅馬數(shù)字表示各處理在不同培養(yǎng)時(shí)間下, p<0.05水平上的差異顯著性.圖6 含水率對(duì)混料腐解前后wC(HA)/wC(FA)的影響Fig.6 Effects of moisture content on wC(HA)/wC(FA) of mixture before or after decomposition

不同初始培養(yǎng)溫度可直接影響堆肥過(guò)程中微生物活性及有機(jī)物的降解[12]. 在培養(yǎng)初期, 微生物可利用的氮素及能量物質(zhì)充足, 在3個(gè)培養(yǎng)溫度(7,28,35 ℃)下均能較好地降解混料中的C(HA), 使分子結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單, 并對(duì)混料中惰性腐殖質(zhì)組分C(Hu)產(chǎn)生較好的礦化分解作用, 使結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的降解產(chǎn)物進(jìn)入C(HA), 結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的水溶性有機(jī)小分子進(jìn)入WSOC. 在數(shù)量上wC(HE)=wC(HA)+wC(FA), 因此在7 ℃或35 ℃培養(yǎng)溫度下,wC(HA)增加可提高wC(HE)； 在28 ℃培養(yǎng)溫度下, 微生物礦化混料中的wC(Hu)增大,wC(HE)降低, 這是由于C(FA)被大量消耗所致. 在培養(yǎng)結(jié)束后, 對(duì)比3個(gè)溫度下腐殖質(zhì)組分碳的質(zhì)量比可見(jiàn), 7 ℃培養(yǎng)更易提高混料wC(HE)和wC(HA)值[13], 35 ℃培養(yǎng)更利于WSOC的積累. 低溫條件下微生物降解能力較弱, 未完全降解的有機(jī)物數(shù)量占優(yōu)[14], 該部分碳易進(jìn)入C(HA)[15], 且C(Hu)經(jīng)微生物降解, 糖、 酰胺和有機(jī)酸等小分子降解產(chǎn)物也可與C(HA)發(fā)生聚合并進(jìn)入該組分[16]. 在較高培養(yǎng)溫度下(35 ℃), 混料中部分微生物(如真菌)活性降低, 使得初期腐解過(guò)程受到抑制, 而水解效果更顯著[12], 大量C(Hu)降解可促使C(HA)形成. 由于28 ℃更利于促進(jìn)微生物的酶活性, 因此, 對(duì)混料C(Hu)可產(chǎn)生較多的礦化分解, 使其部分降解產(chǎn)物進(jìn)入C(HA), C(FA)組分也被大量消耗, 最終使WSOC增多. 在腐解有機(jī)物料過(guò)程中, 微生物對(duì)WSOC的分解與合成過(guò)程并行, WSOC最終質(zhì)量比受底物濃度和微生物活性共同影響[17], 本文WSOC的合成速度大于分解速度, 因此其值增大. 在不同培養(yǎng)溫度下, 混料wC(HA)/wC(FA)均有不同程度降低, 經(jīng)60 d腐解尚未使混料腐殖質(zhì)品質(zhì)縮合至較高程度, 培養(yǎng)溫度越高,wC(HA)/wC(FA)降低程度越大, 腐殖質(zhì)品質(zhì)越難以提升.

堆肥最適宜含水率因堆肥原料、 堆肥工藝及堆肥時(shí)間有較大差異[18], 當(dāng)以園林植物廢棄物為原料進(jìn)行高溫好氧堆肥時(shí), 含水率對(duì)堆肥的影響最大[19]. 本文基于混料40%,50%和60%的含水率, C(Hu)均可被礦化分解, 其中50%的含水率對(duì)C(Hu)降解的促進(jìn)作用最大, 使wC(Hu)降低了21.1%. 微生物大量繁衍可使有機(jī)物料中纖維素和蛋白質(zhì)等成分在胞外酶作用下水解, 轉(zhuǎn)化為糖類、 有機(jī)酸、 氨基酸和酚類, 由此WSOC的質(zhì)量比可獲得較大程度提升[20], 同時(shí)合成C(HE)和C(HA)的前體物質(zhì)增加, 也有利于兩組分的合成.

含水率為40%更利于混料WSOC和C(HA)的積累, 含水率為60%可極大促進(jìn)C(HE)的形成[21]. 由于60%含水率的混料偏濕、 O2含量不足, 好氣微生物的活性受阻、 混料腐解進(jìn)程減弱, 不利于WSOC的擴(kuò)散和遷移[7], 因此培養(yǎng)結(jié)束后的WSOC值較低. 在較高含水率下, 好氣微生物的活性降低, 從而使有機(jī)質(zhì)礦化分解能力降低[22], 不利于C(FA)向C(HA)轉(zhuǎn)化, 混料不完全降解以及菌體大量形成可使C(HA)分子結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜. 因此, 對(duì)園林廢棄物進(jìn)行好氧堆肥可使其減量化、 無(wú)害化和資源化[23].

3 結(jié) 論

1) 在腐解過(guò)程中, 7,28,35 ℃均可使混料HA分子結(jié)構(gòu)在培養(yǎng)結(jié)束后趨于簡(jiǎn)單, 其中7 ℃的促進(jìn)作用最大. 28 ℃更利于C(Hu)的降解, C(Hu)可被有效礦化, 降解產(chǎn)物可進(jìn)入WSOC和C(HA), 但wC(HE)降低. 在7 ℃或35 ℃培養(yǎng)溫度下, C(Hu)降解使WSOC,wC(HE)和wC(HA)均增加. 在3個(gè)溫度影響下, 混料wC(HA)/wC(FA)均有不同程度降低, 培養(yǎng)溫度越高,wC(HA)/wC(FA)的降低程度越大.

2) 當(dāng)混料含水率為40%,50%和60%時(shí), C(Hu)均可有效礦化分解, 其中50%含水率對(duì)C(Hu)降解的促進(jìn)作用最大, 使其質(zhì)量比降低了21.1%, 降解產(chǎn)物可使WSOC,wC(HE)和wC(HA)均增加. 40%含水率更利于WSOC和C(HA)的積累, 60%含水率可促進(jìn)C(HE)的形成. 60%含水率不利于混料C(FA)向C(HA)轉(zhuǎn)化, 40%和50%含水率可有效促進(jìn)C(FA)向C(HA)轉(zhuǎn)化, 從而改善腐殖質(zhì)的品質(zhì).