楊樹皮堆腐過程中碳和氮及腐殖酸的變化特征

李煥應(yīng)

摘要? ? 為研究楊樹皮堆腐過程中碳、氮及腐殖酸的動(dòng)態(tài)變化特征，進(jìn)行了楊樹皮粒徑大小及微生物菌劑添加水平對堆腐進(jìn)程的影響試驗(yàn)。結(jié)果表明，總有機(jī)碳（TOC）呈下降趨勢，全氮（TN）相對含量呈升高趨勢;各處理的氨氮（NH4+-N）含量均在7 d內(nèi)達(dá)到最大值，后期降至0.04%水平以下;各處理的最終氨氮與硝氮比（NH4+-N/NO3--N）均降到較低水平，但仍高于0.16;楊樹皮堆腐過程中，胡敏酸（HA）變化規(guī)律不明顯，富里酸（FA）呈降低趨勢，各處理最終聚合指數(shù)（HA/FA）均大于1.4。綜合各指標(biāo)分析結(jié)果，粗粒徑楊樹皮的腐熟效果優(yōu)于細(xì)粒徑楊樹皮處理，而微生物菌劑添加量對楊樹皮腐熟進(jìn)程影響不顯著。

關(guān)鍵詞? ? 楊樹皮;堆腐;碳;氮;腐殖酸;變化特征

中圖分類號(hào)? ? Q792.11? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）15-0141-04

Change? Characteristics? of? Carbon，Nitrogen? and? Humic? Acid? of? Poplar? Bark? During? Composting

LI Huan-ying

（Agricultural and Rural Development Bureau of Xinhang Town of Guangde County in Anhui Province，Guangde Anhui 242234）

Abstract? ? In order to study the dynamic change characteristics of carbon，nitrogen and humic acid of poplar bark during composting，the effects of poplar bark size and microbial agent addition level on the composting process were studied.The results showed that the total organic carbon（TOC）showed a downward trend，and the relative content of total nitrogen（TN）increased.The content of ammonia nitrogen（NH4+-N）in each treatment reached the maximum within 7 days and decreased to below 0.04% in the later period.The ultimate ammonia and nitrate nitrogen ratio（NH4+-N/NO3--N）decreased to a lower level，but still higher than 0.16.During composting process of poplar bark，the change of humic acid-like organic-C（HA）was not obvious，and fulvic acid-like organic-C（FA）showed a trend of decrease.The final polyme-rization index（HA/FA）of each treatment was greater than 1.4.According to the analysis results of various indicators，the composting quality of coarse particle size bark was better than fine particle size，and microbial additive amount had no significant effect on compost maturity.

Key words? ? poplar bark;composting;carbon;nitrogen;humic acid;change characteristic

楊樹（Populus spp.）在我國營林面積多達(dá)600萬hm2[1]，楊樹皮約占干枝的10%左右[2]，目前主要用作燃料。一些學(xué)者曾對楊樹皮的利用進(jìn)行了探索，如可用于包括制藥[3]、制作飼料及栽植菌菇等[4-5]，但鮮有對楊樹皮高溫堆腐物質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究。堆腐化就是在一定的水分、C/N和通風(fēng)條件下通過微生物的發(fā)酵作用，對有機(jī)物有控制地進(jìn)行生物降解，使之轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的生物化學(xué)處理技術(shù)[6]，研究有機(jī)物的動(dòng)態(tài)變化是揭示堆腐過程物質(zhì)轉(zhuǎn)變機(jī)理的基礎(chǔ)。有機(jī)物主要包括有機(jī)碳、氮（有機(jī)氮及無機(jī)氮）及腐殖酸，國內(nèi)外學(xué)者針對堆腐過程中主要有機(jī)物的變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行大量的探討。Sánchez Monedero等[7]研究了6種固廢堆腐過程中的氮轉(zhuǎn)化，認(rèn)為氮的轉(zhuǎn)化取決于堆腐原料以及有機(jī)質(zhì)的降解速率。陳廣銀等[8]采用高溫好氧試驗(yàn)研究了落葉堆腐過程中的有機(jī)物變化，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)及富里酸等呈下降趨勢，聚合指數(shù)增大，表明堆腐有機(jī)物向著腐殖化和穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變。本文研究了不同粒徑大小及微生物菌劑添加量對楊樹皮腐熟過程中有機(jī)物變化的影響，以期為楊樹皮堆腐化生產(chǎn)提供參考。

1? ? 材料與方法

1.1? ? 試驗(yàn)材料

楊樹皮取自江蘇省泗洪縣楊樹木材加工基地，樹種為南林895楊樹（Populus euramericana ‘N-895）。樹皮曬干后用BEARCAT（Model 70380）柴油粉碎機(jī)將楊樹皮粉碎，過篩分為2種粒徑大小，即細(xì)粒徑（<0.5 cm）、粗粒徑（0.5～2.0 cm）。復(fù)合微生物菌劑（有機(jī)肥發(fā)酵劑Ⅰ）購買于北京京圃園生物工程有限公司;尿素（全碳含量為20%，全氮含量為46.3%）為中石化生產(chǎn)。各原料的特性參數(shù)見表1。

1.2? ? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采取雙因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。因素一為楊樹皮粒徑大小，設(shè)為2個(gè)水平，即粗粒徑與細(xì)粒徑;因素二為微生物菌劑添加量，設(shè)為3個(gè)水平，分別為0.3%、0.5%、1.0%（以楊樹皮干重計(jì)），共6個(gè)處理，具體處理設(shè)計(jì)見表2，每個(gè)處理3次重復(fù)。試驗(yàn)于南京林業(yè)大學(xué)種子中心實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度控制為25 ℃。本試驗(yàn)的堆體呈長方體，長90 cm、寬70 cm、高50 cm。為了提高堆溫、減少水分散失并改善堆腐物質(zhì)量，采用棚膜覆蓋法[9]進(jìn)行試驗(yàn)。為使各處理的初始C/N達(dá)到適合微生物活動(dòng)的比值，以尿素為氮源，根據(jù)粗、細(xì)粒徑原始碳氮比的不同，粗粒徑楊樹皮各處理分別添加尿素0.4 kg，細(xì)粒徑楊樹皮各處理分別添加尿素0.6 kg，最終各處理的C/N維持在28左右。將微生物菌劑、尿素與水40 kg混合，均勻噴灑于各處理?xiàng)顦淦ど虾?，?jīng)多次翻堆，混合均勻。

1.3? ? 翻堆取樣

分別于堆制的第0、7、14、21、31、41、55、69天翻堆取樣，以保證堆體氧氣的供應(yīng)。將堆體各部位材料混合均勻，采取多點(diǎn)取樣（取樣點(diǎn)>10），取樣至2 000 g左右再采用四分法[10]分縮至500 g。鮮樣用于物理及部分化學(xué)指標(biāo)的測定，其余樣品風(fēng)干后粉碎，過1 mm篩后裝于自封袋，于避光處儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.4? ? 測定指標(biāo)

1.4.1? ? 溫度。采用清勝電子科技有限公司生產(chǎn)的多點(diǎn)土壤溫濕度記錄儀（JL-01）測定堆體內(nèi)溫度，記錄儀的探頭位于堆體的上、中、下3個(gè)部位，設(shè)定為每6 h自動(dòng)測定并記錄堆體內(nèi)溫度。

1.4.2? ? 化學(xué)指標(biāo)。全氮的測定用H2SO4-H2O2消煮-奈氏比色法;全磷的測定用 H2SO4-H2O2消煮-釩鉬黃比色法;全鉀的測定用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度計(jì)法測定[11];有機(jī)碳采用直接測定法（灼燒法）[12];氨氮測定采用2 mol/L KCl浸提-MgO蒸餾法[11];硝態(tài)氮測定用2 mol/L KCl浸提-還原蒸餾法[11];腐殖質(zhì)酸碳量及其組分測定采用Na4P2O4與NaOH提取K2Cr2O7容量法[13];T值[14]為終點(diǎn)時(shí)的C/N與初始C/N的比值。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? 堆體溫度變化

堆體內(nèi)溫度是表征堆腐是否達(dá)到無害化和穩(wěn)定化的重要標(biāo)準(zhǔn)，其高低直接影響微生物的種類和生長，從而影響了有機(jī)物的轉(zhuǎn)化[15]。

由圖1可以看出，各處理溫度均在堆腐的2～3 d內(nèi)達(dá)到最高，然后下降，直到第1次翻堆后，堆溫又有所回升，但都明顯低于最高溫度。以后每次翻堆后，各處理堆體的溫度均有所回升，但上升幅度較小，至堆腐結(jié)束時(shí)，各堆體的溫度均在29～32 ℃之間。從表3可以看出，粗粒徑楊樹皮各處理堆腐初期升溫速率及高溫期持續(xù)時(shí)間均顯著大于細(xì)粒徑各處理;微生物菌劑添加量對高溫期持續(xù)時(shí)間影響不顯著;粒徑大小及微生物菌劑添加水平對各處理均溫影響呈顯著性差異（P<0.05），粗粒徑各處理均溫顯著高于細(xì)粒徑各處理，微生物菌劑添加量越多則堆體均溫越高。

2.2? ? 有機(jī)碳的變化

堆腐材料中碳素物質(zhì)主要為微生物活動(dòng)提供能源和碳源，微生物首先利用簡單、易降解的有機(jī)物進(jìn)行新陳代謝和礦化[16]。從表4可以看出，各處理總有機(jī)碳含量整體呈現(xiàn)下降趨勢。方差分析表明，粒徑大小對各處理總有機(jī)碳降解程度影響差異顯著（P<0.05），而微生物菌劑添加量對有機(jī)碳的影響不顯著。

2.3? ? 氮的變化

2.3.1? ? 全氮（TN）的變化。有機(jī)固體廢物的堆腐過程中，氮的轉(zhuǎn)化主要包括有機(jī)氮素的礦化、氨氣的揮發(fā)、硝化及反硝化作用，其中氮的礦化將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，氨的揮發(fā)和反硝化作用則導(dǎo)致了氮素的損失。由表5可以看出，各處理?xiàng)顦淦と鄬吭诙迅^程總體呈現(xiàn)上升趨勢。粗粒徑楊樹皮全氮含量的上升幅度顯著高于細(xì)粒徑楊樹皮，一方面是由于粗粒徑楊樹皮的初始C/N高，揮發(fā)性固體損失多，從而導(dǎo)致了堆體縮小;另一方面則由于細(xì)粒徑楊樹皮初始NH4+-N含量較高，高溫以及高pH值導(dǎo)致其以氨氣形式揮發(fā)，從而降低了堆體的含氮量。方差分析表明，粒徑大小對堆腐過程的全氮影響差異顯著（P<0.05），而微生物菌劑添加量對全氮的影響不顯著。

2.3.2? ? T值變化。從圖2可以看出，粗粒徑楊樹皮處理的T值均<0.7，極顯著小于細(xì)粒徑楊樹皮處理。方差分析表明，粒徑大小對T值影響差異極顯著（P<0.01），但微生物菌劑添加水平的影響不顯著。

2.3.3? ? 無機(jī)氮變化。楊樹皮各腐熟處理的氨態(tài)氮含量均在7 d內(nèi)達(dá)到較高水平，這是因?yàn)樘砑拥哪蛩卦陔迕缸饔孟滤獬商妓徜@，增加了堆體內(nèi)的氨氮離子含量。由于細(xì)粒徑楊樹皮的尿素添加量高于粗粒徑，因而其初始氨氮含量顯著高于粗粒徑。堆置的前21 d內(nèi)各處理的氨氮含量變化不大，可能是由于有機(jī)氮持續(xù)礦化所產(chǎn)生的氨離子與高溫狀態(tài)下?lián)p失的氨態(tài)氮達(dá)到了相對平衡[2]。堆腐的中后期，由于有機(jī)質(zhì)的降解速率趨緩，各處理氨態(tài)氮含量迅速下降，至堆腐結(jié)束時(shí)，各處理的氨態(tài)氮含量均小于0.04%（表6）。

硝化作用一般發(fā)生在堆溫降至40 ℃以下時(shí)[17]，過高溫度會(huì)抑制硝化細(xì)菌的活性，因而堆腐的前14 d內(nèi)，硝態(tài)氮含量變化平穩(wěn)。14 d后，當(dāng)堆溫低于40 ℃時(shí)，硝化作用將大量的氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮（表7）。

各處理堆腐初始時(shí)的NH4+-N/NO3--N均較高，經(jīng)過70 d的堆腐處理，該比值顯著下降，但均大于0.16（表8），這與堆腐中后期堆體的通氣狀況不佳導(dǎo)致硝態(tài)氮含量下降有關(guān)。粗粒徑楊樹皮處理的最終NH4+-N/NO3--N顯著低于細(xì)粒徑處理。方差分析顯示，粒徑大小、微生物菌劑添加量及兩者的交互效應(yīng)對堆腐過程中NH4+-N/NO3--N的影響呈顯著性差異（P<0.05）。

2.4? ? 胡敏酸、富里酸變化

在堆腐過程中，分子量較小的富里酸逐漸被礦化或轉(zhuǎn)化，其含量在后期通常大幅下降。而分子量較大的胡敏酸則會(huì)隨著有機(jī)質(zhì)腐殖化進(jìn)程而有所增加[18]。至堆腐結(jié)束時(shí)，處理M1、M2、M3、M5的胡敏酸含量較初始值有所增加，而處理M4、M6的胡敏酸含量略低于初始值（表9）。由此可見，粗粒徑楊樹皮處理的胡敏酸含量顯著高于細(xì)粒徑楊樹皮處理，而對于細(xì)粒徑處理，0.5%的微生物菌劑添加量利于胡敏酸的形成。從整個(gè)堆腐過程看，各處理富里酸含量呈下降趨勢（表10）。

腐殖酸胡敏酸碳與富里酸碳含量之比稱為聚合系數(shù)（PI=HA/FA），李國學(xué)等[19]指出當(dāng)PI達(dá)到1.4以上時(shí)，可認(rèn)為已達(dá)到腐熟。本研究各處理的最終聚合指數(shù)（PI）均高于其初始值（表11），根據(jù)李國學(xué)等人的研究結(jié)果，各處理?xiàng)顦淦ぞ_(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。對各處理的PI值進(jìn)行方差分析可知，粒徑大小、微生物菌劑添加量及兩者的交互效應(yīng)皆對堆腐過程中PI的影響差異顯著（P<0.05）。

3? ? 結(jié)論與討論

我國衛(wèi)生學(xué)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定堆體內(nèi)溫度應(yīng)維持在50～55 ℃之間5～7 d，以達(dá)到殺滅病原菌及雜草種子的目的。本研究中只有粗粒徑楊樹皮添加0.5%微生物菌劑處理滿足要求，可能由于楊樹皮內(nèi)微生物可直接利用的水溶性碳化物較少，因而高溫期較短。研究證明，大量的氨氮會(huì)抑制微生物的活性，從而延緩高溫期到來[20]，因而粗粒徑楊樹皮處理堆置初期升溫速率高于細(xì)粒徑處理。

C/N是常用的堆腐腐熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，趙由才[21]認(rèn)為，腐熟后的堆腐碳氮比應(yīng)該在16左右，本試驗(yàn)各處理最終碳氮比均高于這一值，這是由于樹皮中含有大量的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，木質(zhì)素和半纖維素通過化學(xué)鍵緊密連接，包裹在纖維之外，這種生物組分使得樹皮具有較大的硬度，能夠抵抗微生物的腐蝕和機(jī)械壓力[22]，因而有機(jī)質(zhì)降解難度大。有研究表明，由于堆腐原料的不同，一些已達(dá)腐熟的堆料其碳氮比相差很大，一般在8～29∶1之間[23]，因而可以使用T值作為堆腐腐熟標(biāo)準(zhǔn)，考慮到堆腐原料為難降解的植物性材料，當(dāng)T值在0.5～0.7時(shí)堆體已腐熟[24]。粗粒徑楊樹皮T值均位于理想范圍內(nèi)，而細(xì)粒徑處理均大于0.7，可見粗粒徑腐熟效果優(yōu)于細(xì)粒徑楊樹皮。

黃國鋒等[25]利用豬糞堆腐表明，當(dāng)NH4+-N的含量小于0.04%時(shí)即證明堆體已腐熟，本試驗(yàn)各處理最終NH4+-N均小于0.04%，但考慮到堆腐原料差別大，還需綜合其他指標(biāo)以評(píng)判最終堆腐質(zhì)量。與其他學(xué)者研究結(jié)果[26]不同的是，本試驗(yàn)各處理（除粗粒徑楊樹皮添加1.0%微生物菌劑處理）的硝態(tài)氮含量均在42 d前達(dá)到最大值，之后又迅速下降，以至堆腐結(jié)束時(shí)各處理的硝氮含量較低。可能是后期翻堆頻率低，導(dǎo)致堆體內(nèi)缺氧，大量硝態(tài)氮在反硝化細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化為氮氧化合物而揮發(fā)流失。由于粗粒徑楊樹皮堆體內(nèi)空隙大，通氣狀況稍佳，因而至堆腐結(jié)束時(shí)，其硝氮含量顯著高于細(xì)粒徑處理。NH4+-N/NO3--N已經(jīng)作為評(píng)價(jià)多種堆體腐熟度的指標(biāo)，F(xiàn)instein等[27]認(rèn)為，在通氣狀況良好的情況下，堆腐后期的硝態(tài)氮含量應(yīng)大于氨態(tài)氮。Bernal等[28]認(rèn)為，當(dāng)NH4+-N/NO3--N這一比值小于0.16時(shí)，堆體基本達(dá)到腐熟。各處理最終NH4+-N/NO3--N值均大于0.16，這與后期硝氮含量下降有關(guān)。

楊樹皮堆腐過程中，胡敏酸變化規(guī)律不強(qiáng)，富里酸呈降低趨勢，堆體內(nèi)小分子腐殖酸不斷減少。各處理最終聚合指數(shù)均大于1.4，滿足腐熟化標(biāo)準(zhǔn)，也說明楊樹皮向著腐殖化和穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變[3]，堆腐物農(nóng)業(yè)價(jià)值提高。

粗粒徑楊樹皮能顯著降低堆腐的T值、最終NH4+-N/NO3--N值，因而粗粒徑處理的腐熟效果優(yōu)于細(xì)粒徑處理，這可能是由于粗粒徑堆體內(nèi)空隙大，空氣流通滲透率高于細(xì)粒徑所致。因而，細(xì)粒徑楊樹皮的翻堆周期應(yīng)小于粗粒徑楊樹皮，生產(chǎn)中還可以通過改進(jìn)堆腐設(shè)施及條件等措施以改善各堆體的通氣狀況。微生物菌劑添加量對腐熟效果的影響不顯著，為了節(jié)約成本，建議采用0.3%的微生物菌劑添加水平。

由于試驗(yàn)條件的限制，各堆體后期通氣狀況不佳，影響了堆腐品質(zhì)的同時(shí)也延緩了腐熟進(jìn)程，今后可以考慮采用Rutgers堆置系統(tǒng)來保證堆體的供氧需求。本試驗(yàn)只測定了堆腐常規(guī)指標(biāo)，未研究堆腐過程中微生物種類、數(shù)目及相關(guān)酶活性的變化情況，今后可以深入這方面的研究，以全面揭示堆腐過程中有機(jī)物質(zhì)變化機(jī)理。

4? ? 參考文獻(xiàn)

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