磷石膏和石膏對稻殼與油枯堆肥的影響及基質(zhì)化利用評價

趙兵，王宇蘊，陳雪嬌，徐智

（云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，昆明650201）

近年來，我國無土栽培和育苗技術發(fā)展迅速，對育苗基質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量的要求顯著增加[1]?；|(zhì)品質(zhì)作為育苗的關鍵因素[2]，對育苗的成敗起著至關重要的作用，但市面上基質(zhì)品質(zhì)參差不齊，泥炭及草炭價格昂貴、數(shù)量有限，不能滿足需求。因此，如何利用農(nóng)業(yè)固體有機廢棄物生產(chǎn)出理化性質(zhì)穩(wěn)定、價格低廉、品質(zhì)較好的復合功能型基質(zhì)已成為當今研究的熱點[3-5]。未來農(nóng)業(yè)廢棄物通過堆肥化所生產(chǎn)的混合基質(zhì)將得到大范圍的推廣，而簡單、方便、高品質(zhì)的有機生態(tài)型基質(zhì)將得到大面積應用，并且重復利用率將得到提高[6]。

據(jù)統(tǒng)計，我國稻殼年產(chǎn)量約0.4億t[7]，作為農(nóng)業(yè)固體廢棄物的一類，其是堆肥工藝中很好的輔料，具有質(zhì)地輕、C/N高、通氣性好、價格低廉等優(yōu)點，對C/N的調(diào)節(jié)及氧氣的通達具有較強的促進作用[8-9]。研究發(fā)現(xiàn)，稻殼發(fā)酵完成后，通常要再與珍珠巖或田間土混合才能達到理想基質(zhì)的要求[10]。菜籽餅（油枯）是油菜籽榨油后的副產(chǎn)品，屬于熱性肥料，具有高氮特性，如作為肥料直接施用容易損傷作物根系，影響種子發(fā)芽，因此需要進行發(fā)酵處理方可使用。農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥產(chǎn)物作為育苗基質(zhì)時，通常還對pH 及容重等有嚴格的要求，《蔬菜育苗基質(zhì)》（NY/T 2118—2012）中[11]規(guī)定了育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)標準。陳雪嬌等[12]在研究稻殼油枯堆肥產(chǎn)物作為基質(zhì)化利用中發(fā)現(xiàn)，單一用稻殼堆肥作為育苗基質(zhì)時，存在pH 過高及容重偏低的現(xiàn)象。曹云娥等[13]也在研究中得出了相似結(jié)論。要解決這一問題，就需要在堆肥物料中添加一定輔料進行調(diào)節(jié)[14]，如磷石膏、石膏等。據(jù)統(tǒng)計，2018年我國磷石膏產(chǎn)量高達7 800 萬t，未利用率高達60%，作為磷肥生產(chǎn)過程中的一種酸性副產(chǎn)品，其具有酸性強、顆粒小、容重大等特點[15]。大量研究表明，在堆肥過程中添加一定比例的磷石膏及石膏不僅可以調(diào)節(jié)pH，而且能夠增加堆肥的容重，改善堆肥理化特性[16-17]。劉媛媛等[18]在研究磷石膏對腐殖質(zhì)品質(zhì)影響時發(fā)現(xiàn)，外源添加10% 或20% 的磷石膏均可促進堆肥腐熟化進程，且滿足腐熟標準；通過研究膠籽油枯-鋸末-磷石膏聯(lián)合堆肥及稻殼堆肥中添加10% 的磷石膏發(fā)現(xiàn)，堆肥結(jié)束以后，其產(chǎn)物pH 在6.0～6.5 之間。陳雪嬌等[12]在研究稻殼堆肥中發(fā)現(xiàn)，添加磷石膏能夠促進堆肥腐熟化進程，而且顯著降低堆肥產(chǎn)物pH，滿足基質(zhì)化利用。此外，堆肥過程中磷石膏的添加，可以起到保氮和改善堆肥品質(zhì)的目的，且石膏作為調(diào)理劑能顯著增加堆肥產(chǎn)物的容重，但當添加量超過20% 時將不利于氮素的保存，以及堆肥品質(zhì)的提升[18-21]。

稻殼堆肥產(chǎn)物用作育苗基質(zhì)，首先必須考慮pH和容重，磷石膏及石膏作為堆肥調(diào)理劑，一方面可以增加堆肥產(chǎn)品的容重，另一方面磷石膏對堆肥發(fā)酵過程中的堿化趨勢有緩解作用。因此，本研究以稻殼與油枯作為堆肥主要原料，分別添加基于堆肥有機物料（干質(zhì)量）20% 的磷石膏和20% 的石膏作為酸性及容重調(diào)理劑，研究不同調(diào)理劑對稻殼堆肥發(fā)酵進程和堆肥產(chǎn)物基質(zhì)品質(zhì)的影響，探索通過堆肥方式使稻殼直接基質(zhì)化利用的可能。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試物料以稻殼為主要原料，菜籽餅（油枯）作為輔料調(diào)節(jié)堆肥過程的C/N，稻殼和油枯采購于云南省昆明市晉寧科貿(mào)有限公司。磷石膏和石膏為堆肥調(diào)理劑，采購于云南省昆明市晉寧昆陽磷肥廠，其中磷石膏CaO 282.35 g·kg-1、MgO 7.65 g·kg-1、Cd 0.68 mg·kg-1、Pb 42.53 mg·kg-1、Cr 36.13 mg·kg-1、As 16.56 mg·kg-1。各材料基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設計

1.2.1 好氧發(fā)酵裝置

試驗采用好氧發(fā)酵法。好氧發(fā)酵裝置為泡沫塑料材料，長54 cm、寬27 cm、高34 cm。每個發(fā)酵箱體四周先用保鮮膜覆蓋，再用透明膠帶纏繞數(shù)次，以起到良好的保溫效果。距發(fā)酵箱體底部3 cm 處打一個小孔，接入皮管并連接氣泵通氣，通氣速率為5 L·min-1，通氣頻率為5 min·h-1。

1.2.2 試驗處理

試驗于2018年8月至9月在云南省昆明市晉寧縣希星有機肥料生產(chǎn)基地溫室大棚進行。按照油枯稻殼比為1∶8.84將原料充分混勻，調(diào)節(jié)C/N為30。堆肥開始時，向物料中加入水，保證各處理水分含量約為52%。在保證有機物料總量一致的條件下，按照有機物料（稻殼和油枯）總干質(zhì)量的20% 分別添加過2 mm篩的磷石膏和石膏（記為T2、T3處理），并以不添加調(diào)理劑作為對照（記為T1 處理），共設3 個處理，每個處理重復3次。

1.3 樣品采集與指標測定

1.3.1 樣品采集

在堆肥第0、3、6、12、18、24、30 d 進行翻堆并采樣。翻堆充分混勻后采用五點采樣法，每次共采集樣品300 g 左右，按需分成兩份，一份風干、粉碎過1 mm篩待測；另一份保存于4 ℃冰箱待測。

1.3.2 測量指標及方法

每日上午9：00 準時用水銀溫度計測定堆體中心溫度；水分的測定采用105 ℃烘干法；將風干基質(zhì)與去離子水按照1∶10 混合均勻，振蕩30 min，上清液經(jīng)過濾后分別用pHSI-3F 酸堿計和DDS-11A 型電導儀測定pH和EC。

全氮（Total nitrogen，TN）、全碳（Total carbon，TC）含量按照《有機肥料》（NY 525—2012）標準中的方法進行測定[22]，并計算TC/N值。

TC/N=（不同時期C/N）（/初始C/N）

水溶性銨態(tài)氮（NH+4-N）和硝態(tài)氮（NO-3-N）含量的測定：稱取2 g鮮樣，加入40 mL 1 mol·L-1KCl溶液，恒溫床振蕩60 min（180 r·min-1）后過濾，用流動分析儀測定[23]。

種子發(fā)芽指數(shù)（Germination index，GI）：采用水芹種子（Lepidium sativumL.）測定種子發(fā)芽指數(shù)（GI），鮮堆肥與去離子水1∶10 浸提，取10 mL 濾液，進行測定和計算[22]。

GI（%）=（堆肥浸提液種子發(fā)芽率×種子根長）/（對照種子發(fā)芽率×種子根長）×100%

堆肥原料及產(chǎn)品重金屬元素Cd、Pb 和Cr 采用原子吸收光度法進行分析（德國耶拿ZEENIT 700P型火焰-石墨爐聯(lián)用原子吸收光譜儀），As 和Hg 采用原子熒光儀進行測定[24]。

樣品容重、孔隙度測定：將風干后的基質(zhì)分別裝入一定體積（V）的環(huán)刀（包括墊有濾紙的濾孔蓋，質(zhì)量為M0）中，水中浸泡24 h 后，稱其質(zhì)量（M1），再放在干砂上，待水分自由瀝干后稱質(zhì)量（M2），最后放入105～110 ℃烘箱內(nèi)，烘干至恒質(zhì)量（M3）。按照參考文獻[25-26]的計算方法為：

Wb=（M3-M0）/V

Wt=（M1-M3）/V×100%

Wv=（M1-M2）/V×100%

Ww=Wt-Wv

Wa=Wv/Ww

式中：Wb為干容重，g·cm-3；Wt為總孔隙度；Wv為通氣孔隙度；Ww為持水孔隙度；Wa為氣水比。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所得結(jié)果分別采用Excel 2010 和SPSS 19分析軟件進行處理和統(tǒng)計分析。結(jié)果采用最小顯著差異法（LSD）進行多重比較，P＜0.05 表示差異顯著，P＜0.01表示差異極顯著。

表1 主要堆肥原料的基本理化性質(zhì)Table 1 The basic physical and chemical properties of the main composting materials

2 結(jié)果與討論

2.1 對堆肥過程的影響

2.1.1 溫度變化

溫度作為影響好氧堆肥過程的關鍵指標之一[27]，當堆溫高于50 ℃且持續(xù)5～7 d，或高于55 ℃持續(xù)3 d時，堆體能夠達到無害化和穩(wěn)定化處理[28]。如圖1 所示，堆肥開始后，除T2處理在第3 d進入高溫期外，其余處理均立即進入高溫期，這是由于堆肥初期，磷石膏的添加使堆體pH 低于微生物所適宜的5.5～8.5 這一理想范圍（圖2），影響其活性導致堆體升溫緩慢[29-30]。整個發(fā)酵過程中T2、T3 處理高溫期（＞50 ℃）持續(xù)時間均高于T1 處理，這可能與輔料的添加增加堆體容重（表2），吸收部分水分，降低通風過程中所帶走的熱空氣濕度有關，從而促進了熱量的累積，這些結(jié)果與Yuan 等[19]的研究相一致。發(fā)酵完成以后，各處理均能滿足無害化和穩(wěn)定化標準。

2.1.2 pH和EC變化

從圖2a 可知，T2 處理pH 變化趨勢為先升后降，這與范茂攀等[20]在橡膠籽油枯-鋸末-磷石膏聯(lián)合堆肥過程研究中的結(jié)果相似。而T1、T3處理的pH 呈先降后升的趨勢，與常規(guī)堆肥變化一致，由第0 d 的5.53、7.61 下降至第3 d 的5.46、5.17，而后呈上升趨勢。這是由于在堆肥初期，易分解的有機物質(zhì)較多，微生物繁殖較快，產(chǎn)生大量的有機酸，但隨著發(fā)酵的進行，一部分有機酸隨溫度的升高而揮發(fā)，含氮物質(zhì)被分解產(chǎn)生NH3，另一部分被好氧微生物所分解，使堆體pH 出現(xiàn)緩慢上升的趨勢[31]。T2 處理則從第0 d的3.55上升至第12 d的7.23，這可能是磷石膏中的硫酸鈣與堆體中的銨根離子反應生成比較穩(wěn)定的碳酸鈣和硫酸銨等，阻止了含氮有機物被微生物分解所產(chǎn)生的NH+4-N 向NH3的轉(zhuǎn)化 ，NH+4-N 的累積 使pH 上升[32]。堆肥結(jié)束時，T1、T2、T3處理的pH分別為8.11、6.41、8.92，處理間呈極顯著差異（P＜0.01）。

如圖2b 所示，發(fā)酵前期，添加不同輔料的處理EC均高于T1處理，且T2處理的EC最高，原因可能與磷石膏本身EC 值偏高有關（EC 為1.56 mS·cm-1）。在整個堆肥過程中各處理的EC總體呈先上升后下降趨勢，發(fā)酵前期，EC 上升是由于微生物在分解的過程中釋放了大量的磷酸鹽、銨離子等礦物鹽；發(fā)酵后期，各處理EC 都呈下降趨勢，一方面可能與氨氣的揮發(fā)及礦物質(zhì)鹽的沉積有關，另一方面，有機物料腐熟化過程中氣體的流動性也可能影響氨的揮發(fā)，從而影響EC的變化[33]。至堆肥結(jié)束時，各處理的EC分別為1.24、2.20、1.56 mS·cm-1，各處理間呈顯著差異（P＜0.05）。

圖1 堆肥過程中溫度的變化Figure 1 Temperature changes during composting

表2 堆肥處理腐熟后不同處理的理化性狀Table 2 Physical and chemical properties of different treatments after composting and decomposing

圖2 堆肥過程中pH和EC變化Figure 2 Changes in pH and EC values during composting

2.1.3 水溶性NH+4-N和水溶性NO-3-N變化

如圖3a所示，發(fā)酵開始以后，各處理水溶性NH+4-N含量迅速增加，T1處理第12 d時出現(xiàn)峰值，為1 343.9 mg·kg-1，T2、T3 處理峰值則出現(xiàn)在第18 d，分別為1 132.3 mg·kg-1和874.6 mg·kg，峰值延遲的原因可能與磷石膏和石膏對NH3的吸附有關，也可能與輔料的添加使得堆體高溫期延長（圖1），降低堆體pH（圖2a），促進堆肥前期含氮有機物轉(zhuǎn)化成氨而被吸收，減少了可供揮發(fā)NH3的產(chǎn)生有關[29]。至堆肥結(jié)束時，T1、T2、T3 處理的水溶性NH+4-N 含量分別為398.8、365.2、388.0 mg·kg-1，T2 處理與T1、T3 處理間呈極顯著差異（P＜0.01），這一方面與磷石膏添加使堆體pH維持在微生物所適宜的理想范圍（5.5～8.5），促進微生物對水溶性NH+4-N的利用有關[34]，另一方面與腐殖化過程中部分NH+4-N 轉(zhuǎn)變?yōu)镹O-3-N 有關。按照腐熟標準為NH+4-N＜400 mg·kg-1來判斷[35]，堆肥結(jié)束時，各處理均滿足腐熟標準。

圖3 堆肥過程中水溶性NH+4-N和水溶性NO-3-N變化Figure 3 Changes in water-soluble NH+4-N and soluble NO-3-N during composting

如圖3b 所示，各處理在發(fā)酵前期（前6 d），水溶性NO-3-N 的含量均處于較低水平，這是由于受到高溫限制硝化細菌活性降低所致；高溫期結(jié)束以后，硝化細菌大量繁殖，水溶性NO-3-N 的含量迅速上升，與徐智等[36]在牛糞對西番蓮果渣高溫堆肥腐熟進程影響中的研究結(jié)果相一致。直到堆肥結(jié)束時，T1、T2、T3 處理水溶性NO-3-N 含量分別為471.00、729.13、471.51 mg·kg-1，其中T2 處理與其他處理間呈極顯著差異（P＜0.01）。這一方面可能是在堆肥后期（第18 d以后），T2 處理NH+4-N 含量顯著高于T1、T3 處理（圖3a），提供了更多的硝化底物，促進了堆肥的硝化作用；另一方面，磷石膏的添加使得硝化細菌繁殖環(huán)境的pH 保持在6～7.5 之間，促進了硝化作用，減少了氮素的損失[37]。

2.1.4 TC/N值和GI值變化

相比于C/N，用TC/N值來衡量堆肥腐熟度更為確切[38]。如圖4a 所示，堆體發(fā)酵結(jié)束時，各處理的TC/N值分別為0.62、0.53、0.73。當TC/N值為0.53～0.72 時堆肥才能完全腐熟[39-40]，按照這一標準，堆肥結(jié)束時T1、T2處理能夠滿足腐熟標準。

圖4 堆肥過程中TC/N值及GI值變化Figure 4 Changes in TC/N value and GI value during composting

GI 值一直被認為是反映堆肥產(chǎn)品腐熟程度和無害化最可靠、最敏感、最有效的重要指標[41]。有人提出，當GI 值＞50% 時，認為堆肥基本腐熟，GI 值達到80%～85% 時，堆體被認為完全腐熟，對植物生長不產(chǎn)生毒害作用[42]。如圖4b 所示，堆肥結(jié)束時，各處理的GI 值分別為84.72%、96.86%、116.3%，處理間呈顯著差異（P＜0.05）。這可能與磷石膏和石膏的添加，在延長堆肥高溫期的同時，提高了堆體容重，促進堆體深度發(fā)酵有關。T1、T2、T3 處理分別在堆肥第30、24、18 d 時GI＞80%，達 到 標 準 。 依 據(jù)NY / T 2118—2012[11]，用堆肥基質(zhì)化產(chǎn)物育苗時，種子發(fā)芽率要求達95% 以上，發(fā)酵完成時，T2、T3 處理滿足理想育苗基質(zhì)要求。

2.2 基于基質(zhì)化要求的理化性狀評價

基質(zhì)的物理特性對育苗生長發(fā)育過程中水分吸收、養(yǎng)分吸附等性能起至關重要的作用。由表2 可知：磷石膏和石膏的添加，一方面增加了堆肥產(chǎn)物的容重，T2、T3 處理的容重極顯著高于T1 處理（P＜0.01），但T2、T3 處理間無顯著差異（P＞0.05）；另一方面降低了堆肥產(chǎn)物的通氣孔隙度（P＜0.05）。T2 和T3處理顯著增加了堆肥產(chǎn)物的持水孔隙度（P＜0.05），T1、T2 和T3 處理的持水孔隙度分別為29.73%、50.15% 和40.22%。參照我國在2012 年實施的《蔬菜育苗基質(zhì)》（NY/T 2118—2012）標準[11]，育苗基質(zhì)的容重為0.2～0.6 g·cm-3、通氣孔隙度＞15%、總孔隙度＞60%、持水孔隙度＞45%、pH 為5.5～7.5、EC 為1～3.5 mS·cm-1[43]，堆肥結(jié)束以后，T3 處理總孔隙度、通氣孔隙度和持水孔隙度均不能滿足基質(zhì)化要求，這與石膏本身黏性大有關，T2 處理的堆肥產(chǎn)物能夠滿足理想育苗基質(zhì)要求，這與磷石膏本身pH 偏低且具黏性有關。根據(jù)《有機肥料》（NY 525—2012）重金屬限量指標分析發(fā)現(xiàn)[21]，堆肥結(jié)束以后，所有處理重金屬含量均滿足生產(chǎn)應用要求。

3 結(jié)論

（1）相較于不添加調(diào)理劑的堆肥處理，添加20%的磷石膏和石膏作為堆肥調(diào)理劑，能夠延長堆肥高溫期時間，促進堆肥后期GI 值上升，加快堆肥腐熟進程。

（2）調(diào)理劑的使用均可以顯著提高堆肥產(chǎn)物的容重。添加20% 石膏作為調(diào)理劑，堆肥產(chǎn)物的孔隙度及pH 不能滿足基質(zhì)化利用的需求，堆肥中石膏使用比例有待進一步研究；磷石膏（20%）作為調(diào)理劑，其產(chǎn)物pH、EC、容重、通氣孔隙度和持水孔隙度等指標均滿足《蔬菜育苗基質(zhì)》的標準要求。

（3）稻殼堆肥體系中，添加20% 磷石膏，可以實現(xiàn)稻殼堆肥直接基質(zhì)化利用的目標。