堆肥處理對重陽木廢棄修枝分解的影響

朱祎珍

(福建藝景園林工程有限公司,福建 廈門 361000)

在城市綠化美化和園林生產(chǎn)管理過程中會產(chǎn)生大量的園林垃圾,諸如枯枝落葉、修枝產(chǎn)生的廢棄枝葉、根莖、碎草、種實和殘花等,特別是園林樹木的修剪,枝丫量多。隨著我國城市化進程的加快,城市園林綠地面積增長迅猛,園林垃圾也隨之急劇增多,已成為城市巨大的污染源之一,給垃圾處理場帶來了非常大的壓力。對園林垃圾的處理傳統(tǒng)做法是與生活垃圾共同焚燒和填埋,既導致環(huán)境污染,又造成資源的浪費。園林垃圾無害化和循環(huán)再利用已成為我國地方政府處理園林垃圾的必由之路。園林垃圾堆肥處理是目前國內(nèi)外最普遍的資源化處理方式之一,是將園林養(yǎng)護過程中產(chǎn)生的樹枝、落葉和碎草等廢棄物經(jīng)過一定的處理和混合配比,在適宜的條件下經(jīng)過有氧發(fā)酵,形成有機肥料和土壤改良劑的過程,達到無害化、減量化和資源再利用的目的[1-14]。在有氧堆肥發(fā)酵過程中微生物數(shù)量和種類對園林廢棄枝葉分解的影響很大,有機底物的降解是多種微生物共同作用的結(jié)果[15-17]。福建省三明市城市行道樹重陽木數(shù)量多,占行道樹總量的1/5；為了保持樹形美觀和防止病蟲害發(fā)生,對重陽木進行定期修枝整形,產(chǎn)生了大量的廢棄枝葉。本研究主要從基層園林部門可操作性的實際考慮,采用簡便易行的可促進廢棄修枝分解利用的措施,將廢棄修枝無害化、減量化和資源化利用,并試圖了解在園林廢棄枝葉生物分解過程中分解木質(zhì)纖維素的真菌類群及分解過程中的基本參數(shù),為園林垃圾的分解利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 堆體制作與取樣

試驗地設(shè)在福建省三明市園林管理局苗圃,試驗材料為行道樹重陽木(Bischofiapolycarpa)修剪下來的廢棄新鮮枝葉,用Vermeer BC600xl粉碎機粉碎成0.5～7.0 cm大小的顆粒。參照前期對天竺桂[17]、法國梧桐[18]和紅花紫荊[19]等樹種廢棄枝葉堆肥處理的方法和結(jié)果,采用3種處理方式:用0.1%碳酸氫銨、0.1%尿素和水分別每層噴灑。堆料初始含水量控制在70%左右,每層堆料厚度約20 cm,重復層積,堆成高1.5 m、底部直徑2.0 m的圓錐體,堆垛用塑料布覆蓋。每30 d翻堆1次,翻堆前從堆垛的上、中、下部分別多點采取堆料,混合后立即裝入無菌的自封袋中,每個樣品約1 kg。

1.2 分解真菌的分離和鑒定

分解真菌分離培養(yǎng)基采用孟加拉紅培養(yǎng)基,計數(shù)用稀釋平板法[20]。稱取樣品(堆料)10 g(鮮質(zhì)量)于錐形瓶中,加無菌水200 mL,以150 r/min震蕩30 min后吸取1 mL至培養(yǎng)皿中,將孟加拉紅培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿中與之混勻,凝固后倒置于(28±1)℃的培養(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)。4 d后統(tǒng)計真菌菌落數(shù),換算成每克干堆料的真菌個數(shù)，其計算公式為：

N=a×μ×(堆料鮮重/堆料干重)×100

上式中：N為每克干堆料的菌數(shù)；μ為稀釋倍數(shù)；a為平板的平均菌落數(shù)[20]。

另外，對分離的真菌進行純化培養(yǎng),觀察真菌菌落、菌絲和孢子形態(tài)等特征，對菌株進行形態(tài)學鑒定[21-24]。各處理設(shè)3個重復。

1.3 溫度和濕度的測定

將溫度計和濕度計插入堆垛的上、中、下3個不同部位，測量其溫度和濕度,取平均值；每隔7 d在10:00測量1次。各處理設(shè)3個重復。

1.4 pH值的測定

稱取樣品(堆料)10 g(鮮質(zhì)量)，加100 mL蒸餾水置于錐形瓶中,以150 r/min震蕩30 min,用雷磁pH計測定pH值。各處理設(shè)3個重復。

1.5 全氮、全磷、全鉀含量的測定

全氮含量按中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準LY/T 1269—1999《森林植物與森林枯枝落葉層全氮的測定》中的蒸餾法測定[25]。全磷和全鉀含量按中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準LY/T 1270—1999《森林植物與森林枯枝落葉層全硅、鐵、鋁、鈣、鎂、鉀、鈉、磷、硫、錳、銅、鋅的測定》,分別用鉬銻抗顯色法和火焰光度法測定[26]。

1.6 種子發(fā)芽指數(shù)的測定

在培養(yǎng)皿內(nèi)墊1張無菌濾紙,均勻放入10粒天妃牌白菜籽；吸取5.0 mL堆料浸提液(水∶堆料=5∶1)于培養(yǎng)皿中,以蒸餾水作空白對照,置于(25±1)℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h,測定種子的發(fā)芽率和根長,計算種子的發(fā)芽指數(shù)(GI)，以評價堆肥的腐熟度。每處理3個重復。發(fā)芽指數(shù)的計算公式如下：發(fā)芽指數(shù)=(處理的發(fā)芽率×處理的平均根長)/(空白的發(fā)芽率×空白的平均根長)×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 真菌種類和數(shù)量

在重陽木廢棄枝葉3個處理中,真菌種類和個體數(shù)量均隨分解時間的不同而變化(表1)。碳酸氫銨處理在分解進程前期的真菌個體數(shù)量最多,30 d和60 d時分別達到了19.38×102個/g和13.89×102個/g,然后趨于下降。尿素處理的真菌個體數(shù)量在180 d和360 d時各有1個峰值,分別達到了12.29×102個/g和11.26×102個/g。水處理在分解進程的60～180 d和330～360 d檢測到的真菌個體數(shù)量多,以60 d時個體數(shù)量最多(13.68×102個/g)。在3個處理中,真菌的類群數(shù)量總體上隨廢棄枝葉分解進程的推進而呈增加趨勢,但在不同分解時間點出現(xiàn)的真菌種群和數(shù)量以及所占總數(shù)的比例各不相同。經(jīng)Duncan新復極差分析,3個處理間真菌個體數(shù)量無顯著差異(F2,8=1.27,P>0.05),各處理不同分解時段間真菌個體數(shù)量也無顯著差異(F2,8=1.33,P>0.05)。從3個處理中共分離出13個真菌類群,其中在碳酸氫銨處理組中,優(yōu)勢真菌種群為共頭霉屬(Syncephalastrum)和小克銀漢霉屬(Cunninghamella),分別占真菌總數(shù)的40.60%和14.50%;在尿素處理組中,優(yōu)勢種群為共頭霉屬(Syncephalastrum)、小克銀漢霉屬(Cunninghamella)、刺座霉屬(Volutella)和黑灰球菌屬(Bovista),分別占真菌總數(shù)的26.12%、20.12%、14.18%和11.23%;在水處理組中,優(yōu)勢種群為共頭霉屬(Syncephalastrum)、小克銀漢霉屬(Cunninghamella)、黑灰球菌屬(Bovista)和樹粉孢屬(Oidiodendron),分別占真菌總數(shù)的30.90%、18.49%、13.44%和10.37%。

表1 在重陽木廢棄枝葉分解過程中的真菌種類和數(shù)量 ×102個/g

2.2 溫度

如圖1所示,3個處理的堆體溫度隨著分解進程的推進總體上呈現(xiàn)下降趨勢,具體表現(xiàn)為：在分解初期溫度迅速升高(36.5～50.0 ℃),持續(xù)約21 d,隨后呈下降趨勢；在119～133 d期間溫度又升至39.5～43.5 ℃,此后呈下降趨勢,到147 d時堆體溫度降至24.8～28.5 ℃；隨后堆體溫度又呈上升態(tài)勢,在154～329 d期間,溫度在32.3～47.5 ℃之間波動；之后堆體溫度開始下降,在357 d時堆體溫度為27.8～30.5 ℃。試驗結(jié)果還表明，碳酸氫銨和尿素的處理在分解初期(7～14 d)堆體溫度為45.0～50.0 ℃,略高于水處理的堆體溫度(40.5～49.0 ℃)。

圖1 在堆肥過程中堆體溫度的變化

2.3 濕度

重陽木廢棄枝葉堆料的濕度隨著分解時間的不同呈現(xiàn)有規(guī)律的變化,各處理的變化規(guī)律基本相似(圖2)。堆料的濕度隨分解進程的推進總體上呈緩慢下降趨勢,其中在119 d時濕度抬升達到70.5%～73.0%,在196 d時濕度降到最低(48.0%～54.0%)。除了119 d和196 d這2個最高和最低濕度時間點外,在整個堆肥過程中各處理堆料的濕度均在50.0%～70.0%之間變動。

圖2 在堆肥過程中堆體濕度的變化

2.4 pH值

試驗結(jié)果(表2)表明：重陽木廢棄枝葉3個處理總體上在分解前期(0～120 d)pH值增高,隨后呈上下波動態(tài)勢；碳酸氫銨處理在300 d時堆料pH值降至5.76；尿素處理的堆料pH值在150 d和300 d時分別下降到5.54和5.95；水處理的堆料pH值在270～300 d期間下降到6.07～6.38。3個處理pH值的變化趨勢基本相似,但從總體上看水處理的pH值最高,尿素和碳酸氫銨處理的pH值較低,其中又以尿素處理的堆料pH值最低,這可能與添加碳酸氫銨和尿素會影響堆料的酸堿度有關(guān)。在3個處理間堆料的平均pH值存在極顯著性差異。

表2 在分解過程中堆料的pH值

2.5 全氮、全磷、全鉀含量

重陽木廢棄枝葉3個堆肥處理總體上在分解前中期(30～150 d)檢測到的全氮含量較低,在分解中后期(180～330 d)檢測到的全氮含量較高(表3),且3個處理的堆料全氮含量變化趨勢基本相似,處理間沒有顯著性差異,但碳酸氫銨和尿素處理組的全氮含量略高于水處理組,這可能與添加碳酸氫銨和尿素有關(guān)。堆料的全磷含量隨著堆肥進程的推進總體上呈上升趨勢(表4),3個處理間不存在顯著性差異。重陽木廢棄枝葉3個處理堆料全鉀含量的變化趨勢在堆肥進程中大體一致(表5),在30～180 d期間全鉀含量逐漸上升,隨后呈下降的趨勢；在3個處理間全鉀含量不存在顯著性差異,但碳酸氫銨和尿素處理組的全鉀含量略高于水處理組。

表4 分解過程中堆料的全磷含量變化

2.6 種子的發(fā)芽指數(shù)

通過植物種子的發(fā)芽指數(shù)(GI)能夠快速地測定出抑制物質(zhì)的降解情況,被認為是評價堆肥腐熟度的可靠指標之一。當GI>50%時,可認為堆肥基本無毒；當GI>80%時,可認為堆肥已達到完全腐熟程度[27]。用堆漚處理330 d的堆料進行種子發(fā)芽指數(shù)測定,結(jié)果(表6)顯示,重陽木廢棄枝葉3種處理間的發(fā)芽指數(shù)(GI)不存在顯著性差異,GI均達到了90%,表明重陽木廢棄枝葉3種處理的堆肥均已達到完全腐熟程度。

表5 分解過程中堆料的全鉀含量變化

表6 不同處理的種子發(fā)芽指數(shù)(GI)

3 結(jié)論與討論

真菌數(shù)量對廢棄枝葉分解速率的影響顯著[28],不同的真菌類群適應(yīng)于不同的化學基質(zhì),鐮孢屬(Fusarium)、輪枝孢屬(Verticillium)、曲霉屬(Aspergillus)、毛霉屬(Mucor)、青霉屬(Penicillium)等真菌在果膠分解中起重要作用[29-30]。擔子菌門的真菌分解纖維素的能力較強,纖維素分解真菌主要分布于根霉屬(Rhizopus)、木霉屬(Trichoderma)、毛殼屬(Chaetomium)、鐮孢屬(Fusarium)、葡萄穗霉屬(Stachybotrys)、交鏈孢屬(Alternaria)、栓菌屬(Trametes)和青霉屬(Penicillium)等屬中[29-30],而分解纖維素的真菌一般都能利用半纖維素。木質(zhì)素是最難分解的化學成分[31],木質(zhì)素的分解完全依賴于真菌的作用,分解木質(zhì)素的真菌可分為3類:即白腐菌、褐腐菌和軟腐菌,其中白腐菌是木質(zhì)素的主要分解者,而白腐菌大部分屬于擔子菌,少數(shù)為子囊菌和無性型菌物[32]。因此,對于廢棄枝葉中難分解的纖維素和木質(zhì)素,主要依賴于真菌的作用[29],分解真菌對于堆肥堆料的腐熟和穩(wěn)定具有重要的意義[33]。本研究結(jié)果顯示：重陽木廢棄枝葉堆肥過程中真菌的種群和數(shù)量隨堆肥進程的推進有明顯的季節(jié)性波動,因本廢棄枝葉堆肥分解試驗是在自然環(huán)境條件下進行的,受外部環(huán)境的影響較大,真菌種群和數(shù)量在不同分解時期所占總數(shù)的比例也各不相同。在堆肥化分解過程中，從3個處理的堆料中共分離出13個真菌類群(本文真菌鑒定使用形態(tài)學鑒定方法,而沒有使用分子鑒定方法,這有可能會導致本文鑒定的真菌種類不全面),其中共頭霉屬(Syncephalastrum)、小克銀漢霉屬(Cunninghamella)、刺座霉屬(Volutella)、黑灰球菌屬(Bovista)和樹粉孢屬(Oidiodendron)為優(yōu)勢真菌類群。在堆肥過程中刺座霉屬(Volutella)和黑灰球菌屬(Bovista)主要分別在分解前期和中期出現(xiàn),而共頭霉屬(Syncephalastrum)和小克銀漢霉屬(Cunninghamella)真菌基本上在整個分解過程中均出現(xiàn)且數(shù)量較多。分解真菌室內(nèi)分解能力的試驗也顯示出這些優(yōu)勢真菌具有較強的分解枝葉能力[34],對園林廢棄枝葉堆肥化處理有重要的意義。關(guān)于這些優(yōu)勢真菌類群中的真菌對重陽木廢棄枝葉分解的具體作用還需要進一步研究。

堆垛溫濕度及其變化反映了有機物質(zhì)分解速度的快慢和分解過程中微生物活性的變化。好氧堆肥堆垛溫度在堆肥開始時從環(huán)境溫度迅速上升(一般在3～5 d上升到50～65 ℃),并持續(xù)一段時間后逐漸下降,當垛溫趨近于環(huán)境溫度時,說明有機物質(zhì)的分解接近完全[12-14]。在重陽木廢棄枝葉堆肥化分解試驗的3個處理中,碳酸氫銨和尿素處理的堆垛溫度在7～14 d期間在46～50 ℃,略高于水處理的堆垛溫度(40.5～49.0 ℃),表明在高溫發(fā)酵階段,碳酸氫銨和尿素處理的微生物活性更強。為了維持堆垛的高溫，提高分解速度,Nogueira W A, et al.曾用強制通氣靜態(tài)垛的方式,通過調(diào)節(jié)通氣速率來保持垛體的高溫[35]。一般認為有機物質(zhì)堆肥發(fā)酵的最佳濕度為50%～60%,在此濕度范圍內(nèi)有機顆粒表面會形成薄的液膜,微生物降解速率最大[36]。本試驗各處理堆料的濕度均在48%～73%之間變動,為微生物對枝葉分解速率的最大化所需濕度條件提供了保障。

在堆肥高溫階段微生物具有最大分解能力時pH值為7.5～8.5[37], pH值的升高是有機物質(zhì)在微生物的作用下分解并產(chǎn)生氨的結(jié)果[38],在堆肥后期pH值下降是緣于NH3的損失,是由大量銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化和微生物活動產(chǎn)生大量的H+和有機酸造成的[39]。隨著堆肥時間的增長,有機酸被分解為CO2和H2O,使pH值重新上升。本試驗結(jié)果顯示,重陽木廢棄枝葉3個處理總體上在分解前期(0～120 d)pH值增高,隨后呈上下波動態(tài)勢。碳酸氫銨和尿素的處理在分解后期300 d時pH值分別降至5.76和5.95,低于水處理的pH值6.38,可能是因添加碳酸氫銨和尿素影響了堆料的pH值,可能對微生物的分解能力有一定的影響。在本分解試驗結(jié)束時(360 d)碳酸氫銨、尿素和水處理的堆料pH值分別為7.83、7.20和8.21。微生物生長需要適宜的碳氮比,在分解過程中合適的C/N比對有機物質(zhì)的分解具有良好的促進作用[40]。但木本園林植物的枝葉成分主要為難降解的木質(zhì)纖維素,碳氮比高,因此可以通過添加氮源的方式來降低碳氮比,以滿足微生物對氮素的需求[17]。

在重陽木廢棄枝葉堆肥過程中,3個處理總體上在分解前中期檢測到的全氮含量較低,在分解中后期檢測到的全氮含量較高,但碳酸氫銨和尿素處理組的全氮含量略高于水處理組。全磷含量的變化隨著堆肥進程的推進總體上呈上升趨勢。在30～180 d檢測到的全鉀含量逐漸上升,隨后呈下降的趨勢,但碳酸氫銨和尿素處理組的全鉀含量略高于水處理組。在重陽木廢棄枝葉堆肥化過程中，堆料全氮、全磷、全鉀含量在3個處理間不存在顯著性差異。重陽木廢棄枝葉3種堆肥處理的發(fā)芽指數(shù)(GI)均達到了90%,說明堆肥已達到完全腐熟程度。