稻秸稈與二種不同廢棄物堆腐制備基質(zhì)的研究

周新偉，王海候，陸長(zhǎng)嬰，金梅娟，施林林，陶玥玥，沈明星

（江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/蘇州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院/國(guó)家土壤質(zhì)量相城觀測(cè)試驗(yàn)站，江蘇 蘇州 215155）

隨著無(wú)土栽培的發(fā)展及泥炭資源的日益匱乏，對(duì)栽培基質(zhì)的要求越來(lái)越向環(huán)保型、經(jīng)濟(jì)型、集約型以及具有優(yōu)良理化性質(zhì)的方向發(fā)展。農(nóng)業(yè)廢棄物主要包括種植業(yè)廢棄物（如作物秸稈、糧食外殼、果蔬殘?bào)w等） 、農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物、畜禽糞便和農(nóng)村居民生活廢棄物［1-3］。由于農(nóng)業(yè)廢棄物富含氮、磷、鉀等豐富的營(yíng)養(yǎng)元素、具有較好的理化性質(zhì)，因而采用農(nóng)業(yè)廢棄物開(kāi)發(fā)基質(zhì)既可以解決廢棄物對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，又節(jié)約了寶貴的泥炭資源。我國(guó)每年可產(chǎn)生稻草秸稈1.037×108t，居世界之首，采用農(nóng)作物秸稈開(kāi)發(fā)基質(zhì)已成為農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用研究的熱點(diǎn)［4-9］?；|(zhì)配方的關(guān)鍵在于原材料的選擇、配比與前處理［10，1-3］，在各種處理工藝與技術(shù)中，最常用的方法是好氧堆制發(fā)酵（堆腐）及基質(zhì)復(fù)混化技術(shù)。由于稻秸稈的碳氮比較高，同時(shí)物理結(jié)構(gòu)過(guò)于疏松，采用稻秸稈為主料制備基質(zhì)時(shí)通常需要加入氮源或低C/N的其他廢棄物來(lái)調(diào)整C/N，國(guó)內(nèi)學(xué)者［11-12］曾研究采用尿素、畜禽糞便與稻秸稈混合制備基質(zhì)，但發(fā)現(xiàn)堆體可以正常發(fā)酵，但發(fā)酵秸稈的pH值、EC值等理化性質(zhì)不符合國(guó)家農(nóng)業(yè)部蔬菜育苗基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 2118-2012）規(guī)定范圍［13］，須進(jìn)一步淋洗或復(fù)配才能栽培作物。不適宜直接栽培作物。因此，研究稻秸稈與不同有機(jī)、無(wú)機(jī)物復(fù)混制備基質(zhì)過(guò)程中理化性質(zhì)變化是稻秸稈基質(zhì)化開(kāi)發(fā)研究的關(guān)鍵。

菇渣（食用菌菌糠）是食用菌栽培基質(zhì)的廢棄物，酒糟是玉米、木薯等發(fā)酵制作酒精后的廢棄物，它們均具有較低的C/N，同時(shí)具有較好的物理性質(zhì)，由于缺乏經(jīng)濟(jì)、合理、可產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)途徑，造成大量廢棄，對(duì)環(huán)境造成了污染，研究它們與稻秸稈聯(lián)合處理與利用具有重要意義。

1 材料與方法

試驗(yàn)由原料堆腐（無(wú)害化處理）與育苗試驗(yàn)二部分組成。

1.1 基質(zhì)堆腐試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)材料

稻秸稈取自江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)田，試驗(yàn)前粉碎為均勻的5～15 cm。金針菇菇渣取自太倉(cāng)市食用菌生產(chǎn)企業(yè)，系金針菇培養(yǎng)基的廢棄物，試驗(yàn)前粉碎至2～8 mm。酒糟系木薯發(fā)酵酒精后的剩余物。基質(zhì)堆腐原料的基本性質(zhì)見(jiàn)表1。堆腐裝置為一個(gè)體積為1 m3的堆肥箱，箱體為正方體塑料箱，箱體長(zhǎng)寬高均為1.0 m，底板密布直徑為2.0 cm的氣孔，呈蜂窩狀分布，底板下部設(shè)有鼓風(fēng)用的通風(fēng)口，箱體側(cè)面設(shè)有取樣孔，頂面開(kāi)口。

表1 堆腐初始物料的基本理化性質(zhì)

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

堆腐試驗(yàn)共設(shè)兩個(gè)處理，分別由不同體積比例的物料組成，其中處理1為稻秸稈+金針菇菇渣（CK），體積比例8∶2；處理2為稻秸稈+酒糟，體積比例為8∶2，每處理重復(fù)3次。以上物料按體積比例混合均勻，調(diào)節(jié)含水率達(dá)60%～65%，堆腐時(shí)間從2017 年4 月3 日至5月29 日，共56 d，堆腐第14 d進(jìn)行一次翻堆。

1.1.3 樣品的采樣與測(cè)定方法

分別在堆腐后在第1、7、14、21、28、35、42、49、56 d取樣，每次在堆肥箱內(nèi)按梅花5點(diǎn)取樣法進(jìn)行，每個(gè)處理每次采集5個(gè)混合樣共500 g，其中250 g測(cè)定總碳（TC）、總氮（TN），250 g測(cè)定水溶性指標(biāo)pH值、EC值等。

每天9:00用溫度計(jì)測(cè)定堆體上、中、下3處溫度后取平均值。所取堆肥樣品置105 ℃烘箱烘24 h，烘干水分至恒重，計(jì)算水分含量［14］；含碳量采用重鉻酸鉀-濃硫酸法測(cè)定［14］；含N量采用硫酸-雙氧水消煮法測(cè)定［14］；銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用2 mol/L CaCl2溶液1∶5浸提，再用流動(dòng)分析儀測(cè)定［14］；EC值采用去離子水1∶5（V/V）浸提［14］，電導(dǎo)儀法測(cè)定［14］；pH值采用去離子水1∶5（V/V）浸提，pH計(jì)測(cè)定［14］；將新鮮堆肥樣品與水按1∶10（V/V）混合振蕩0.5 h，上清液經(jīng)濾紙過(guò)濾后待用，把一張濾紙放入干凈無(wú)菌的9 cm培養(yǎng)皿中，濾紙上整齊擺放20粒小白菜（蘇州青）種子，吸取3 mL濾液于培養(yǎng)皿中，在25 ℃、黑暗條件下的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，測(cè)定種子的發(fā)芽率和根長(zhǎng)，同時(shí)用去離子水做空白對(duì)照。發(fā)芽指數(shù)計(jì)算公式為：GI=（堆肥處理的種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng)）/（對(duì)照的種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng)） ×100%［15］。

1.2 育苗試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)材料

基質(zhì)的有機(jī)原料取自1.1.2所述處理2（稻秸稈+酒糟）所得腐熟堆體，無(wú)機(jī)原料珍珠巖顆粒直徑為0.80～0.30 mm。草炭、蛭石采購(gòu)自淘寶網(wǎng)，供試?yán)苯菲贩N為中蔬4號(hào)，采購(gòu)自河北青縣純豐蔬菜良種繁育場(chǎng)。育苗播種盤(pán)為72孔塑料蔬菜育苗盤(pán)［16］。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)1.1.2堆腐試驗(yàn)，選擇性質(zhì)優(yōu)良的處理2（稻秸稈+酒糟）所得腐熟物料開(kāi)展試驗(yàn)，試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別由處理2（稻草+酒糟）所得腐熟物料與珍珠巖按不同體積比例組合而成，另設(shè)對(duì)照草炭+蛭石（V∶V為3∶1）1個(gè)，重復(fù)3次，每重復(fù)為一個(gè)育苗盤(pán)［15］（表 2）。

表2 育苗基質(zhì)處理的組分與比例

1.2.3 試驗(yàn)方法

將處理基質(zhì)裝入72孔穴盤(pán)，澆透水后播種，每穴播1粒番茄種子。種子出苗后進(jìn)行濕潤(rùn)管理，出苗7 d后施用育苗營(yíng)養(yǎng)液1次，以后按常規(guī)生產(chǎn)管理［16］。

1.2.4 取樣與測(cè)定方法

基質(zhì)的容重、總孔隙度、通氣孔隙度、持水孔隙度參照連兆煌的方法測(cè)定［17］。pH值、EC值按1.1.3所述方法測(cè)定，全氮、全磷、速效鉀測(cè)定采用土壤理化分析常規(guī)方法［17］。播種20 d后記錄出苗率，34 d后進(jìn)行幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定，株高為莖基部到生長(zhǎng)點(diǎn)之間的長(zhǎng)度，用直尺測(cè)定；莖粗以根上部2 mm處為準(zhǔn)，用游標(biāo)卡尺測(cè)定。幼苗鮮重用電子天平測(cè)定，測(cè)完鮮重后，將幼苗放入烘箱內(nèi)105℃殺青20 min，再置于80℃烘干至恒重，稱干重。根據(jù)生長(zhǎng)指標(biāo)計(jì)算壯苗指數(shù)［17］。

壯苗指數(shù)=（莖粗/株高）×全株干重

播種34 d后用日產(chǎn)SPAD-502型葉綠素計(jì)測(cè)定相對(duì)葉綠素含量，選定有代表性的葉片，每株測(cè)定1葉，每處理測(cè)定15株，取平均值。播種34 d后從穴盤(pán)中取出帶苗的基質(zhì)塊，從10 cm高度作自由落體運(yùn)動(dòng)，以散落基質(zhì)重占全部基質(zhì)塊重的比例作為基質(zhì)塊崩壞率，并以此作為衡量根坨的質(zhì)量指標(biāo)，每處理測(cè)定10塊基質(zhì)，重復(fù)3次［18］。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)分析采用Excel 2016、SPSS 20.0軟件，制圖采用Origin 9.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆腐基本指標(biāo)

2.1.1 溫度的變化

2種堆腐處理堆溫見(jiàn)圖1，稻秸稈+酒糟處理的堆肥最高溫度達(dá)到61.0 ℃，并在50 ℃以上維持了19 d，而稻秸稈+菇渣處理的堆溫在50℃以上只維持了6 d，稻秸稈+酒糟處理50℃以上高溫維持天數(shù)較稻秸稈+菇渣處理多13 d，平均堆溫較稻秸稈+菇渣高9.5 ℃。根據(jù)我國(guó)堆肥無(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB7959-87），堆體溫度50～55 ℃保持5～7 d，二種處理均達(dá)到無(wú)害化要求［19］。從高溫期持續(xù)時(shí)間來(lái)看，稻秸稈+酒糟處理優(yōu)于稻秸稈+菇渣處理。

圖1 堆肥進(jìn)程中溫度的變化

2.1.2 pH值的變化

pH值反映微生物的酸堿度生長(zhǎng)環(huán)境。中性或弱堿性可能表明堆體中細(xì)菌與放線菌較為活躍［20］。由圖2可見(jiàn)，在堆腐起初的40 d內(nèi)2種處理的pH值變化差異不大，約為8.0～8.2，但之后出現(xiàn)了較大差異，到堆腐結(jié)束時(shí)稻秸稈+菇渣處理的pH值上升并達(dá)到8.86，稻秸稈+酒糟處理的pH值下降為7.62，處理間差異顯著（P＜0.05）。

圖2 不同堆腐處理的pH值

2.1.3 EC值的變化

由圖3可見(jiàn)，2種處理的EC值由堆前的0.22、0.21 mS·cm-1分別上升到結(jié)束時(shí)的0.97、0.71 mS·cm-1，稻秸稈+酒糟處理的最終EC值較稻草秸稈+菇渣低0.26，達(dá)顯著水平（P＜0.05）?？梢?jiàn)，稻秸稈+酒糟處理較對(duì)照有利于EC值的控制。

圖3 不同堆腐處理的EC值

2.1.4 C/N的變化

由圖4可見(jiàn)，2種配方物料的C/N均隨堆腐進(jìn)程逐步下降，到堆腐結(jié)束時(shí)C/N分別由堆腐前的51.75、30.0下降到24.50、16.80。C/N下降通常表明腐熟度的增加，這是因?yàn)槲⑸锘顒?dòng)可以分解有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)，變成CO2、CH4等氣態(tài)形式溢出所致。本試驗(yàn)表明稻秸稈+酒糟處理無(wú)論是起始、終了，C/N均低于稻秸稈+菇渣。通常C/N較低對(duì)于制備基質(zhì)有利，因?yàn)檩^低的C/N不會(huì)與根系爭(zhēng)奪氮素。

圖4 不同堆腐處理的C/N值

2.1.5 堆肥產(chǎn)品對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)的影響

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是目前較為公認(rèn)的評(píng)價(jià)固體廢棄物腐熟度的指標(biāo) ，GI值可綜合體現(xiàn)堆肥樣品的低毒性（影響根長(zhǎng)）或高毒性（影響發(fā)芽），被認(rèn)為是最敏感、可靠、有效和最能反映堆肥產(chǎn)品植物毒性的判斷堆肥無(wú)害化和腐熟度參數(shù)。Zuceonit等［21］認(rèn)為，當(dāng)GI值＞0.8時(shí)，堆腐完全腐熟。由圖5可見(jiàn)，堆腐后2種處理的種子發(fā)芽指數(shù)迅速上升，均能很快穩(wěn)定在104.1%～119.2%之間，最終2個(gè)處理間均無(wú)顯著差異，表明均能達(dá)完全腐熟。

圖5 不同堆腐處理產(chǎn)品的發(fā)芽指數(shù)

2.2 育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)

基質(zhì)的物理性質(zhì)如同土壤一樣重要。通常容重以0.7～ 1 g·cm-3為宜［22］。由表3可見(jiàn)，稻秸稈+酒糟腐熟物料分別與珍珠巖復(fù)配后容重均略有降低但不顯著，總體而言，T1～T3均在適宜范圍內(nèi)并優(yōu)于對(duì)照。一般理想基質(zhì)的總孔隙度在54%～96%［22］，由表3可見(jiàn)，2種腐熟物料分別與珍珠巖復(fù)配后的總孔隙度，T1～T3在55.72%～70.11%之間，均優(yōu)于對(duì)照（CK），且都在適宜的范圍內(nèi)。基質(zhì)的顆粒大小直接影響著總孔隙度和大小孔隙比。為了使基質(zhì)既能滿足根系吸水的要求，又能滿足根系吸收氧氣的要求，基質(zhì)的顆粒不能太粗，也不能太細(xì)［22］。由表3可見(jiàn)，稻秸稈+酒糟腐熟物料與珍珠巖復(fù)配后通氣孔隙度、持水孔隙均較復(fù)配前有顯著改善（P＜0.05）。

表3 不同配方基質(zhì)的物理特性

酸堿性是影響幼苗養(yǎng)分吸收的主要因素之一。據(jù)潘靜嫻等［23］研究，基質(zhì)的pH值以6.0～6.5最佳，蔬菜育苗基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 2118-2012）規(guī)定基質(zhì)的pH值為5.5～7.5［13］，由表4可見(jiàn)，稻秸稈+酒糟腐熟物料與珍珠巖復(fù)配前后pH值沒(méi)有顯著變化。

電導(dǎo)率（EC值）是栽培基質(zhì)的重要化學(xué)性質(zhì)，過(guò)多的可溶性鹽會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。據(jù)前人研究，最適合作物幼苗生長(zhǎng)的EC值為小于1.25 mS·cm-1［23］。表3表明，隨著珍珠巖比例的增加，基質(zhì)EC值有下降趨勢(shì)，稻秸稈+酒糟腐熟物料與珍珠巖復(fù)配后T3處理EC值可顯著下降（P＜0.05）?？傮w上，所試基質(zhì)的EC值仍在適宜范圍內(nèi)，對(duì)幼苗的影響還有待于育苗后進(jìn)一步觀察。

對(duì)基質(zhì)的養(yǎng)分測(cè)定表明，復(fù)配基質(zhì)的養(yǎng)分含量均較高，特別是全氮、速效鉀含量均較對(duì)照有顯著提高（P＜0.05）。

2.3 不同基質(zhì)對(duì)番茄出苗及幼苗生長(zhǎng)的影響

2.3.1 出苗及地上部生長(zhǎng)的影響

植株幼苗生長(zhǎng)是檢驗(yàn)基質(zhì)優(yōu)良的最直觀標(biāo)準(zhǔn)，研究表明不同配方基質(zhì)的出苗率差異不大，但生長(zhǎng)量有差異（表4），T1、T2、T3的單株鮮重、單株干重、壯苗指數(shù)均高于CK（P＜0.05）?？梢?jiàn)，稻秸稈+酒糟處理腐熟物可能在基本理化性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)性質(zhì)等方面更利于幼苗的生長(zhǎng)。稻秸稈+酒糟腐熟物及復(fù)配系列內(nèi)，隨著珍珠巖比例的增加壯苗指數(shù)也得到提高。

表4 不同配方基質(zhì)的幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)

2.3.2 地下部生長(zhǎng)及散坨率的影響

由表5可見(jiàn)，稻秸稈+酒糟腐熟物料與珍珠巖復(fù)配后單株根干重、根冠比、單株根長(zhǎng)、根表面積、單株根體積、根平均直徑等指標(biāo)均較復(fù)配前有促進(jìn)作用，其中單株根干重、根表面積、單株根體積、根平均直徑等優(yōu)于CK（P＜0.05）。各復(fù)配處理的根坨質(zhì)量?jī)?yōu)于復(fù)配前，其中T2的散坨率最低，與T4（CK）之間無(wú)顯著差異。

表5 不同配方基質(zhì)的幼苗根系生長(zhǎng)及散坨率

對(duì)pH值、EC值與植株生長(zhǎng)主要性狀幼苗葉綠素SPAD、基質(zhì)全氮含量、出苗率等的逐步回歸分析表明，pH值與幼苗葉綠素SPAD呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為-0.886，與EC值呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為0.947，與基質(zhì)全氮含量、壯苗指數(shù)、單株根干重呈正相關(guān)，但不顯著?？梢?jiàn)，過(guò)高的pH值會(huì)影響幼苗葉綠素合成，進(jìn)而影響幼苗生長(zhǎng)。復(fù)配基質(zhì)EC值與單株根干重、鮮重均呈負(fù)相關(guān)，表明過(guò)高的EC值會(huì)影響根系、植株的生長(zhǎng)。

表6 基質(zhì)pH值、EC值與其他指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

與稻秸稈+菇渣（CK）相比，在采用稻秸稈堆腐制備基質(zhì)時(shí)，稻秸稈+酒糟能使堆體溫度大于50 ℃的高溫維持天數(shù)增加14 d，平均堆腐溫度增高9.50 ℃，稻秸稈+酒糟處理利于高溫堆腐進(jìn)程，提高堆腐效率。

與稻秸稈+菇渣（CK）相比，稻秸稈+酒糟可降低腐熟物料的pH值、EC值分別為15.0%、26.8%（P＜0.05），更加接近農(nóng)業(yè)部蔬菜育苗基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T2 118-2012）要求［13］。

稻秸稈+酒糟腐熟物料組配珍珠巖后，可顯著降低基質(zhì)EC值（P＜0.05），通氣孔隙度、持水孔隙度等物理性質(zhì)也得到改善（P＜0.05），幼苗單株鮮重、單株干重、壯苗指數(shù)、單株根干重、根系平均直徑等指標(biāo)也得到較大提高（P＜0.05），腐熟物料與珍珠巖的體積比例以7∶3較好。

采用稻秸稈制備基質(zhì)時(shí)，添加體積比例為20%的酒糟，有利于堆腐體理化性質(zhì)的提高，腐熟物料與珍珠巖復(fù)混后理化性質(zhì)進(jìn)一步改良，蔬菜幼苗單株地上與地下部生長(zhǎng)特性、根坨質(zhì)量等方面優(yōu)于或接近草炭復(fù)合基質(zhì)草炭+蛭石（V∶V=3∶1）。