利用噸包式堆肥技術(shù)處理煙桿廢棄物的效果評價

李小龍，張明宇，沈建平，劉高峰，王巖*，石德興，田艷華

（1. 南平市煙草公司邵武分公司，福建 邵武354000；2. 鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州450000）

烤煙是中國的主要經(jīng)濟作物，其種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，種植烤煙在產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益的同時也產(chǎn)生了大量的廢棄煙桿。廢棄的烤煙莖桿直接焚燒不僅會造成資源的浪費更會對環(huán)境造成不利影響。煙桿養(yǎng)分含量高，煙桿中的N、P2O5、K2O 含量遠高于稻草、小麥秸稈和玉米秸稈，是一種值得開發(fā)利用的有機肥料資源。有研究表明，通過煙桿還田可歸還煙草生長期帶走的土壤養(yǎng)分，從而促使煙葉的開展，同時還可提高上等煙的比例[1]；煙稻輪作制度是中國南方地區(qū)（安徽、福建、江西等省）重要的水旱輪作制度，煙桿還田能夠顯著增加煙田土壤速效鉀的含量，在供鉀能力較高的稻田，秸稈還田鉀素可以替代部分化肥鉀，從而減少化肥鉀的投入[2]；同時煙桿還田可以提高土壤肥力和養(yǎng)分供應(yīng)狀況，促進晚稻的生長，增加有效穗和結(jié)實率，增產(chǎn)效果顯著[3]；煙桿中的煙堿還可以控制作物病蟲害，減少農(nóng)藥施用量[4]。

廢棄煙桿直接還田則會將上季染病煙桿所攜帶的病原菌帶入土壤，有研究表明烤煙黑脛病病原菌可在土壤及病株殘體中存活2～3年[5]，烤煙猝倒病、菌核病等一些病原菌可以在土壤中存活5年以上，一旦這些病原菌侵入土壤，可能會長期影響烤煙種植。而堆肥技術(shù)可以利用微生物將煙桿有機殘體，進行礦質(zhì)化、腐殖化，使各種復(fù)雜的有機養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為可溶性養(yǎng)分和腐殖質(zhì)，同時可以利用堆積時所產(chǎn)生的高溫來殺死煙桿中的病原菌，從而達到無害化的目的。一般的堆肥方式不僅需要每隔一段時間進行翻堆、澆水等繁重的操作，并且要占用大量的場地，效率較低。本試驗利用噸包式堆肥技術(shù)處理廢棄煙桿，旨在探究其能否簡易、快捷、高效地將廢棄煙桿好氧高溫發(fā)酵為腐熟的有機肥，為廢棄煙桿的資源化利用提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2018年7月在福建省邵武市（26°55′～27°35′N，117°2′～117°52′E） 進行。試驗期間平均氣溫28.5℃，降水量較大。

1.2 供試材料

本試驗所用烤煙莖桿來源于福建省邵武市煙區(qū)烤煙結(jié)束后的新鮮廢棄煙桿，烤煙品種為K326，烤煙莖桿的C ∶N 為38.5∶1。將烤煙莖桿粉碎成10～25mm再進行堆肥，粉碎機型號為MQF-450。粉碎后的烤煙莖桿裝入規(guī)格90cm×90cm×110cm 的編織塑料噸包袋中進行高溫好氧發(fā)酵，每個噸包袋盛放約350kg廢棄煙桿，噸包放置于陰涼通風(fēng)處。輔助添加材料有尿素、發(fā)酵菌劑等，發(fā)酵菌劑為河南省潤田生物科技有限公司提供。

1.3 試驗設(shè)計

試驗共分為4個堆肥處理：處理T1，為烤煙莖桿+尿素（每噸煙桿用尿素6kg），將C ∶N 調(diào)節(jié)為約25∶1；處理T2，烤煙莖桿+ 發(fā)酵菌劑（每噸煙桿用發(fā)酵菌劑1kg）；處理T3，煙桿+ 尿素+ 發(fā)酵菌劑（每噸煙桿用尿素6kg+ 發(fā)酵菌劑1kg），處理T4（CK），破碎的純烤煙莖桿，每處理3次重復(fù)。開始時堆肥材料的水分含量調(diào)節(jié)至65%左右，整個堆肥過程中不再人為補充水分，不進行翻堆等操作。每天上午9：00時測量堆體溫度，每隔7d 取樣品風(fēng)干后進行各項指標測定，總堆肥時間為45d。

1.4 測定方法與數(shù)據(jù)處理

試驗期間溫度測定采用探針式溫度計測定堆體中部溫度；有機碳采用重鉻酸鉀氧化法測定；全氮采用凱氏定氮法，使用KJELTAC 2100凱氏定氮儀測定；全磷采用鉬銻抗比色法，使用752紫外光柵分光光度計測定；全鉀含量采用火焰光度計法，使用FP640火焰光度計測定。數(shù)據(jù)分析使用軟件Excel 2010，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用軟件SPSS 17.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中堆料水分含量的變化

水分含量是堆肥過程中的重要指標參數(shù)，也是堆料中微生物生命活動的基礎(chǔ)。堆肥過程中的適宜水分含量為50%～60%，水分含量過高會導(dǎo)致堆肥材料的透氣性降低，影響氧氣含量供應(yīng)、降低有機物的分解速率，導(dǎo)致堆肥周期延長[6]。水分含量過低會降低微生物的新陳代謝速率使其活性下降，導(dǎo)致堆肥難以腐熟[7]。試驗設(shè)置初始水分含量為65%，在整個堆肥過程（圖1）各處理的水分含量均表現(xiàn)為下降的趨勢，但下降的幅度均在20%以內(nèi)，這說明編織塑料噸包袋可以有效防止水分蒸發(fā)，維持堆肥材料水分含量的相對穩(wěn)定，并具有一定的透氣性，同時編織塑料噸包袋在降雨天氣時也可以避免雨水大量浸入。處理T4（CK）在堆肥前期水分含量下降很快，這可能是由于處理T4（CK）在前期升溫較快，導(dǎo)致水分消耗較多。在堆肥后期處理T2、處理T3水分含量明顯低于處理T4（CK），說明發(fā)酵菌劑的添加加快了煙桿的分解速率，因而消耗了更多的水分。

2.2 堆肥過程中堆料溫度的變化

堆肥溫度可以反映堆料內(nèi)微生物的變化并影響微生物的生長[8]，也可以用來判斷堆料的腐熟程度，高溫同樣能有效殺滅堆料內(nèi)有害病原菌及害蟲蟲卵。如圖2所示，堆料溫度的變化主要由升溫期、高溫期、降溫期3個階段組成，在堆肥試驗期間大氣溫度緩慢降低，平均溫度為28.5℃。所有處理的堆溫在7d 內(nèi)迅速上升，隨后溫度逐漸下降。初始溫度處理T4（CK）最高，在第3d 達到63.5℃；處理T1、處理T2和處理T3在第4d 也分別達到了65.7℃、63.4℃和64.1℃，其中處理T4（CK）溫度升得最快，但是高溫期維持的時間較短，在第11d 以后堆溫低于了50℃。但是其他各處理的堆溫在13d 以后低于50℃。根據(jù)相關(guān)標準：保證堆肥的衛(wèi)生指標合格的重要條件是堆體溫度在55℃條件下保持3d 以上或50℃以上保持10d，這可以有效殺滅堆料中所含的雜草種子及病原微生物[9]。由此可見，處理T2、處理T3無論是在堆體最高溫度及高溫維持時間上均優(yōu)于處理T4（CK），這表明在堆肥中加入一定量的微生物菌劑能提高堆肥的溫度并加快堆肥速度。大約在堆肥的第25～36d，各處理堆體的溫度基本維持穩(wěn)定，此時處理T4（CK）的溫度仍高于各處理。這進一步表明尿素和微生物菌劑的加入加速了煙桿的腐熟速度。在堆肥進入第36d 后所有堆肥處理的堆溫都明顯下降，其中處理T4（CK）、處理T2的溫度降低幅度更大，處理T1、處理T3在此后的溫度仍高于處理T4（CK）。表明加入尿素以調(diào)節(jié)堆料的C ∶N 值能夠在堆肥的后期更好地維持其后熟作用進行。

2.3 堆肥過程中堆料全氮含量的變化

隨著堆肥的進行，有機物質(zhì)不斷被微生物分解，堆料的全氮含量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。如圖3所示，在堆肥的第1～28d，各處理全氮含量均表現(xiàn)出明顯的上升趨勢，在進入第35d 后除處理T2還略有增長外，其余處理全氮含量相對穩(wěn)定。此時各處理組全氮含量均高于處理T4（CK），且加入尿素的處理T1、處理T3中全氮含量均高于僅加入發(fā)酵菌劑的處理T2。

2.4 堆肥過程中堆料全磷含量的變化

如圖4所示，各處理的全磷含量（以P2O5表示）變化均表現(xiàn)為上升趨勢，處理T4（CK）在第28d 趨于穩(wěn)定，為0.41%，堆肥期間全磷含量增加了約0.06%。各處理在第28d 后仍表現(xiàn)出上升的趨勢，其中處理T1全磷含量與處理T4（CK）差異不大，而處理T2、處理T3則在堆肥第14d 后表現(xiàn)為明顯高于處理T4（CK），這主要是由于發(fā)酵菌劑的添加加速了煙桿中有機物的分解，相對地提高了堆肥中磷含量的比例所致。

2.5 堆肥過程中堆料全鉀含量的變化

如圖5所示，隨著堆肥的進行，堆料的全鉀含量（以K2O 表示）的變化呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢。堆料中全鉀含量的變化不如全氮、全磷含量的變化明顯，初始時全鉀含量處理T4（CK）略低于各處理，在堆肥后期與其余各處理并無明顯差異。堆肥42d 時，處理T4（CK）、處理T1、處理T2和處理T3全鉀含量分別比初始時增加了0.37、0.27、0.30和0.32個百分點。同樣，這也是由于發(fā)酵菌劑的添加加速了煙桿中有機物的分解，相對地提高了堆肥中K 含量的比例所致。

2.6 堆肥過程中堆料碳氮比的變化

碳氮比是評價堆肥腐熟程度的重要指標之一，該指標的變化能一定程度上反應(yīng)堆肥的進度[10-11]。一般對于同一種堆料來說，C ∶N 值越低代表其有機質(zhì)腐解越徹底。諸多研究者認為，理論上講腐熟的堆肥C ∶N 值應(yīng)趨向于16左右，因為微生物體的C ∶N 值在16左右[12]，而當(dāng)C ∶N 值小于20時，方可作為肥料施用[13]。如圖6所示，初始時處理T4（CK）和處理T2煙桿本身的C ∶N 值為38.5∶1，而處理T1、處理T3則由于加入尿素C ∶N 值調(diào)節(jié)至25∶1，在整個堆肥過程中各處理C ∶N 值均表現(xiàn)出明顯的下降趨勢。處理T4（CK）、處理T2在堆肥結(jié)束時C ∶N 值分別降低17.25、21.67，而處理T1、處理T3在堆肥結(jié)束時C ∶N 值分別降低11.6、12.7，這表明微生物菌劑的加入能加速堆料有機物的降解及腐殖化過程，促進堆料的腐熟，最終達到了提高堆肥效率以及改善最終堆肥產(chǎn)品品質(zhì)的目的[14]。堆肥結(jié)束時處理T4（CK）、處理T1、處理T2、處理T3的C ∶N 值分別為20.4、14.6、15.8、13.6，這表明無論是加入尿素還是微生物菌劑都能使堆料的腐熟更加充分。

2.7 堆肥腐熟產(chǎn)品評價

肥料養(yǎng)分能為農(nóng)作物提供營養(yǎng)，因此國家對堆肥及有機肥養(yǎng)分進行了最低限制，根據(jù)相關(guān)標準（NY 525-2012）有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)應(yīng)不低于30%，總養(yǎng)分含量（N+P2O5+K2O）應(yīng)不低于5%[15]。堆肥腐熟產(chǎn)品各指標如表1所示，未添加任何輔助添加劑的處理T4（CK）的總養(yǎng)分含量未達到有機肥標準，這可能是由于煙桿本身C ∶N 值過高，影響了堆肥化處理的進程，未能使堆料達到完全腐熟的狀態(tài)，而處理T1、處理T2、處理T3無論是在有機質(zhì)含量還是養(yǎng)分含量上都滿足了有機肥的要求。

表1 堆肥腐熟產(chǎn)品有機質(zhì)及各養(yǎng)分含量

3 討論

田間利用編織塑料噸包袋小規(guī)模堆肥處理煙桿廢棄物的效果明顯，即使是對照處理堆溫升高也較快，溫度能達到60℃以上且能在50℃保持10d，從而起到了有效殺滅堆料中所含的雜草種子及病原微生物的效果[9]，但在堆肥進行到第45d 后C ∶N 值仍未能降低到20以下，未達到直接作為有機肥還田的條件[13]，這可能是由于煙桿本身C ∶N 值過高，一般來說適宜堆肥的C ∶N 值為20～30[16]，如果堆肥原料C ∶N 值過高，碳素含量高、氮素原料相對缺乏，微生物活動受到限制，有機物的分解速度緩慢，發(fā)酵過程會延長。將尿素加入堆料中調(diào)節(jié)C ∶N 值，可為堆料中的微生物提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，可以加快烤煙莖桿的堆肥化進程。同時微生物菌劑的加入能加速堆料有機物的降解及腐殖化過程，促進堆料的腐熟。本試驗結(jié)果表明，加入尿素及微生物菌劑不僅能增加堆肥過程中高溫期的時長以及提高堆體平均溫度，而且能將C ∶N 值降低到15左右，有利于腐殖質(zhì)的形成，可以使堆肥向穩(wěn)定化、腐熟化、無害化方向轉(zhuǎn)變[17]。通過對堆肥腐熟產(chǎn)品有機質(zhì)及養(yǎng)分含量的分析表明，添加尿素或微生物菌劑能增加堆肥產(chǎn)品的養(yǎng)分含量，使其滿足直接還田的需求。這表明利用編織塑料噸包袋進行堆肥并加入尿素及微生物菌劑等輔助添加劑處理煙桿廢棄物，可以有效地將煙桿進行資源化，并且具有操作簡單、效率高以及對場地空間等要求低等優(yōu)勢，適合在煙區(qū)大量推廣。

煙桿還田不僅能增加土壤有機質(zhì)，改善土壤通透性，有利于微生物的繁殖和活動，增加有效養(yǎng)分供給，改善土壤結(jié)構(gòu)[18]，還是防治煙田面源污染、推進作物清潔生產(chǎn)、發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的有效措施。