間歇式自動(dòng)曝氣對(duì)葡萄枝堆肥效果的影響

常小箭,王 濤,宋喜芳,劉 喆,陳 妮,景鵬娟

(1.西安市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,陜西 西安 710061;2.陜西省農(nóng)業(yè)培訓(xùn)中心,陜西 西安 710000;3.陜西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,陜西 西安 726000)

隨著西安市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，果業(yè)已經(jīng)成為西安都市型農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容和支柱，也成為西安農(nóng)業(yè)的“名片”?！爸袊J猴桃之鄉(xiāng)”、“中國戶太葡萄之鄉(xiāng)”等享譽(yù)全國，2017年西安市果樹種植面積就達(dá)到5.36萬hm2，其中葡萄種植面積達(dá)0.72萬hm2，占全市果樹種植面積的13.5%。根據(jù)劉麗麗[1]等的研究，按照葡萄樹每年667m2地修剪枝條800～1 000 kg計(jì)算，2017年僅葡萄樹剪下的枝條就達(dá)8.67萬～10.82萬t，葡萄樹枝條含有大量的養(yǎng)分含量，據(jù)劉麗麗[2]等研究，葡萄枝條總氮含量為0.07%，總磷含量為0.17%，總鉀含量為1.29%，總碳含量44.17%，如何合理利用這些“廢棄物”成為我們目前急需解決的問題，傳統(tǒng)的果枝堆漚需要近8個(gè)月才能完全腐熟，腐熟周期長，筆者通過改變傳統(tǒng)的翻堆模式，改為間歇式自動(dòng)爆氣，研究對(duì)葡萄樹枝條堆肥的影響，為我市果樹枝條綜合利用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

堆肥使用新鮮的雞糞，葡萄樹枝條選擇兩年生枝條性質(zhì)見表1。材料均來源于扈邑區(qū)天益美農(nóng)莊，供試微生物發(fā)酵菌劑為LV有機(jī)肥發(fā)酵菌劑(四川綠微生物科技有限公司提供)。

表1 堆肥原料的基本性質(zhì)

1.2 堆肥方法

預(yù)先將葡萄枝條整理成10～15 cm的小捆，用粉碎機(jī)粉碎約5～10 mm，按10%～20%比例向粉碎好的枝條碎屑中摻入新鮮雞糞調(diào)節(jié)碳氮比，同時(shí)混入 0.1%～0.2%的專用發(fā)酵菌劑?；旌隙哑?，水分調(diào)節(jié)到55%～60%。堆肥在寬1.2 m，深1.5 m，長10 m的堆肥槽內(nèi)進(jìn)行，物料完成堆砌后用大棚膜覆蓋。實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)處理，一個(gè)采用人工翻堆的模式，當(dāng)堆體溫度達(dá)到60℃，翻堆一次，每兩天翻堆一次；腐熟快結(jié)束時(shí)溫度到50℃時(shí)一周翻堆一次，另一個(gè)采用間歇式曝氣裝置處理，曝氣裝置見圖1，將其置于堆體前面，連接通氣管導(dǎo)入氣體，空氣壓縮機(jī)提供穩(wěn)定氣流，每天爆氣5次，每次曝氣50 min，通風(fēng)速率為20 m3·h-1。兩種堆肥樣品分別從上中下三層獲取，每層取三個(gè)點(diǎn)，共9個(gè)樣點(diǎn)，混合后保存測(cè)定pH、含水率、全C、全N。該實(shí)驗(yàn)從2018年3月9日開始至2018年5月25日結(jié)束。

圖1 曝氣裝置示意

1.3 堆體溫度的測(cè)定

每天下午4點(diǎn)用數(shù)顯式地溫計(jì)測(cè)定堆肥表層下40～50 cm處，堆肥四邊和中心溫度，計(jì)算其平均溫度為堆肥發(fā)酵溫度，同時(shí)記錄當(dāng)天氣溫，記錄發(fā)酵最高溫度及持續(xù)時(shí)間。

1.4 pH測(cè)定

用玻璃電極pH計(jì)測(cè)定。用燒杯取100 g左右的樣品，加入相同體積的蒸餾水，攪拌并在搖床上以150 rpm的轉(zhuǎn)速震蕩30 min，將pH計(jì)放入懸濁液種，穩(wěn)定后讀數(shù)。

1.5 物料干物質(zhì)、全碳、全氮測(cè)定

干物質(zhì)用烘干法(105℃，6 h)[3]，全碳由OM×44.4%計(jì)算確定[4]，全氮用凱氏法測(cè)定[5]。

1.6 含水率測(cè)定

用玻璃或瓷質(zhì)容器稱取100～200 g的新鮮樣品，放入烘箱在105℃溫度下烘12～24 h,哄完后取出樣品放入干燥器冷卻至室溫并稱重，重復(fù)上述操作，直至樣品維持恒重。

計(jì)算公式：Vt=100×(pu-ps)/pu

Pu:新鮮樣品重量g;ps：烘干后樣品重量g

1.7 堆肥物料減重測(cè)定

在堆肥前及堆肥結(jié)束后，利用磅秤稱取堆肥物料的總重量，測(cè)定不同通風(fēng)方式下堆肥物料減少量。

1.8 數(shù)據(jù)處理

用試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Excel 2007軟件進(jìn)行計(jì)算處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工翻堆與間歇式曝氣對(duì)堆體溫度的影響

在間歇式曝氣和人工翻堆兩種模式下，堆體溫度變化結(jié)果如圖2所示。由結(jié)果可知，間歇式曝氣的堆體溫度上升較快，發(fā)酵第三天迅速上升到65℃，最高發(fā)酵溫度達(dá)到70℃，且60℃左右的高溫持續(xù)了近兩周的時(shí)間，17 d后堆體溫度開始逐漸下降。發(fā)酵20 d左右調(diào)節(jié)物料含水量，再一次促進(jìn)微生物分解，堆體溫度上升最高溫度達(dá)64℃，64～60℃維持6 d后堆體溫度逐漸下降，發(fā)酵60 d左右堆體溫度開始接近室溫。相比較人工翻堆的堆體溫度上升速度較為緩慢，發(fā)酵10 d后堆體溫度上升為最高達(dá)到67℃，且高溫持續(xù)時(shí)間僅一周左右。堆肥溫度的變化反應(yīng)了堆肥進(jìn)程，同時(shí)也影響微生物數(shù)量的變化，細(xì)菌、真菌、酵母菌的變化趨勢(shì)隨著溫度的升高而減少，放線菌隨著溫度的升高而增加。王偉東[6]堆體進(jìn)行二次升溫發(fā)酵與堆體內(nèi)果樹枝條木質(zhì)素、纖維素含量較高有關(guān)，且二次升溫有利于加速果樹枝條中木質(zhì)素、纖維素的分解。間歇式曝氣經(jīng)過二次升溫后，比人工翻堆提前9d堆體溫度恢復(fù)到與室溫一致，此時(shí)堆體處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明間歇式自動(dòng)曝氣可以加速果樹枝條的堆肥化進(jìn)程。

圖2 間歇式暴氣與人工翻堆堆體溫度變化

2.2 人工翻堆與間歇式曝氣對(duì)物料pH的影響

pH也是影響微生物生長的重要條件，并隨著時(shí)間和溫度的變化而變化，在堆肥前期如圖3所示堆體pH逐漸上升，這與堆體中微生物的代謝分解有機(jī)酸及堆肥物料中大量含氮有機(jī)物分解產(chǎn)生銨態(tài)氮有關(guān)[7]。堆肥后期，人工翻堆和間歇式曝氣的堆體物料pH都有所下降，在堆肥反應(yīng)進(jìn)程結(jié)束時(shí)分別為7.4和7.1。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，一自動(dòng)曝氣處理的pH比人工翻堆處理的pH低，pH值為中性或者弱堿性時(shí)，利于微生物的生長繁殖，能夠加速堆肥化進(jìn)程。二間歇式曝氣比人工翻堆提前7d開始下降，這與堆肥后期物料中有機(jī)物的分解有關(guān)，因此pH能夠表征堆肥物料的理化性質(zhì)及堆肥化腐熟進(jìn)程。筆者試驗(yàn)表明，自動(dòng)曝氣不僅能夠加快堆肥的腐熟進(jìn)程，且能夠加速物料中有機(jī)物質(zhì)的分解。

圖3 間歇式暴氣與人工翻堆堆體pH變化

2.3 人工翻堆與間歇式曝氣對(duì)物料干物質(zhì)重的影響

如圖4所示，人工翻堆與間歇式曝氣物料干物質(zhì)的分解都是在前一個(gè)月快速分解，中后期分解放緩，在前30d人工翻堆與自動(dòng)曝氣處理中的干物質(zhì)損失分別為26%和34%，中后期人工翻堆與自動(dòng)曝氣處理中干物質(zhì)損失分別為12.3%和30%。說明葡萄樹枝條的物質(zhì)分解主要在發(fā)酵進(jìn)程的前30d，且自動(dòng)曝氣處理在前1個(gè)月干物質(zhì)下降速度要比人工翻堆的速度要快，說明自動(dòng)曝氣能夠加快葡萄枝條的物質(zhì)分解。

圖4 間歇式暴氣與人工翻堆物料干物質(zhì)變化

2.4 人工翻堆與間歇式曝氣對(duì)物料全C、全N和C/N的影響

由表2可以看出，葡萄枝條堆肥過程中全C逐漸下降，到堆肥結(jié)束時(shí)人工翻堆堆肥物料全C下降了4.6%，曝氣堆肥物料全C下降了7.7%；這與發(fā)酵過程有機(jī)物快速分解有關(guān)。全N的變化趨勢(shì)與全C剛好相反，隨著發(fā)酵的進(jìn)行總氮含量是減少的，但相對(duì)含量有所上升，這與有機(jī)物礦化過程有關(guān)，不穩(wěn)定的有機(jī)碳水化合物被降解為CO2導(dǎo)致物料減輕，從而引起濃縮效應(yīng)，導(dǎo)致N含量增加[8]。C/N隨著發(fā)酵的進(jìn)行逐漸降低，自動(dòng)曝氣處理的下降更快，堆肥到76d時(shí)下降率為40.6%，而人工翻堆的下降率僅為18.8%。

表2 自動(dòng)曝氣與人工翻堆葡萄枝條堆肥過程中全C、全N和C/N變化(干基)

2.5 工翻堆與間歇式曝氣對(duì)物料含水率的影響

水分在堆肥發(fā)酵過程中主要的作用是溶解微生物、為微生物代謝提供水分，通過水分的蒸發(fā)影響堆肥溫度，因此堆肥物料含水率直接影響堆肥的反應(yīng)速率、同時(shí)影響堆肥的品質(zhì)。由圖5可以看出，隨著堆肥反應(yīng)的進(jìn)行人工翻堆與間歇式曝氣物料含水率都逐漸下降，間歇式曝氣堆肥含水量的下降在發(fā)酵前期和中期都較人工翻堆的含水量低，在發(fā)酵后期堆肥含水量又較人工翻堆含水量高，且間歇式自動(dòng)曝氣較人工翻堆堆體含水量提前15 d左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在堆體反應(yīng)結(jié)束時(shí)間歇式自動(dòng)曝氣物料含水率從最初的60%減少到37%，人工翻堆堆體物料含水率從起始含水率60%減少到34%，與一般堆肥腐熟后物料含水率一致[9]。

圖5 間歇式曝氣與人工翻堆物料含水率的變化

2.6 人工翻堆與間歇式曝氣對(duì)物料重量的影響

堆肥發(fā)酵結(jié)束后，對(duì)物料進(jìn)行稱重(圖6)，人工翻堆的物料初始重959.2 kg，發(fā)酵結(jié)束后物料重512.7 kg，減少46.5%。間歇式曝氣的初始物料重953.kg，發(fā)酵結(jié)束后物料重469.5 kg，減少50.7%。間歇式曝氣發(fā)酵比翻堆損耗的有機(jī)物料更多，說明氧氣的攝入可以加速微生物的活動(dòng)，大量的有機(jī)物經(jīng)過微生物的有氧呼吸分解為二氧化碳等氣體逃逸出堆體，從而導(dǎo)致發(fā)酵結(jié)束后堆體物料較翻堆物料減少的多一些。

圖6 間歇式曝氣與人工翻堆物料重量變化

3 結(jié)果與討論

果樹枝條含有大量的纖維素和木質(zhì)素，大量研究證明纖維素和木質(zhì)素較難分解，是減緩果樹枝條堆肥腐熟進(jìn)程的主要原因，同時(shí)也是影響堆肥產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵因素[10]。呂育財(cái)?shù)萚11]研究證明以秸稈和雞糞等為原料的堆肥過程中，間歇式曝氣比傳統(tǒng)翻堆能夠促進(jìn)堆肥快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，縮短腐熟周期。曾劍飛等[12]研究證明相對(duì)于連續(xù)供氧，適度間歇供氧模式能夠改善堆肥微生物菌落，從而加速堆肥反應(yīng)的進(jìn)程。筆者研究與上述研究者的研究結(jié)果類似。筆者研究間歇式自動(dòng)曝氣對(duì)堆體發(fā)酵溫度有較明顯的影響，與人工翻堆相比提前3d堆體溫度達(dá)到峰值，其高溫持續(xù)時(shí)間較人工翻堆長一周左右，有利于殺滅物料中的有害病菌保證堆肥品質(zhì)。調(diào)節(jié)物料水分含量后出現(xiàn)二次升溫發(fā)酵，這與堆體內(nèi)果樹枝條木質(zhì)素、纖維素含量較高有關(guān)，且二次升溫有利于加速果樹枝條中木質(zhì)素、纖維素的分解。間歇式曝氣經(jīng)過二次升溫后，比人工翻堆提前9d堆體溫度恢復(fù)到與室溫一致，此時(shí)堆體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

pH是影響微生物生長的重要條件，間歇式自動(dòng)曝氣處理的pH比人工翻堆處理的pH低，堆肥反應(yīng)進(jìn)程結(jié)束時(shí)分別為7.1和7.4，pH值為中性時(shí)能夠促進(jìn)微生物的生長繁殖，加速物料中有機(jī)物質(zhì)的分解，在前30 d人工翻堆與自動(dòng)曝氣處理中的干物質(zhì)損失分別為26%和34%，中后期分解放緩，中后期人工翻堆與自動(dòng)曝氣處理中干物質(zhì)損失分別為12.3%和30%。在整個(gè)堆肥反應(yīng)進(jìn)程中，物料全C含量自動(dòng)曝氣下降了7.7%、人工翻堆堆肥物料全C僅下降了4.6%，該數(shù)據(jù)與上述物料中干物質(zhì)損失數(shù)據(jù)一致。C/N隨著發(fā)酵的進(jìn)行逐漸降低，自動(dòng)曝氣處理的下降更快，堆肥到76 d時(shí)下降率為40.6%，而人工翻堆的下降率僅為18.8%。在堆體反應(yīng)結(jié)束時(shí)，間歇式自動(dòng)曝氣物料含水率從最初的60%減少到37%，初始物料重953.1 kg，發(fā)酵結(jié)束后物料重469.5 kg，減少了50.7%。人工翻堆堆體物料含水率從起始含水率60%減少到34%，初始物料重959.2 kg，發(fā)酵結(jié)束后物料重512.7 kg，減少了46.5%。

果樹枝條由于含有大量較難分解的纖維素和木質(zhì)素，專家學(xué)者通過改變通風(fēng)效果、枝條粒徑，培養(yǎng)復(fù)合菌種等多種方式為加速果樹枝條快速腐熟提供理論研究。通過控制曝氣時(shí)間加速果樹枝條腐熟的研究相對(duì)較少，筆者通過間歇式自動(dòng)曝氣和人工翻堆對(duì)比，證實(shí)了間歇式自動(dòng)曝氣能夠加快果樹枝條腐熟的速度，且能夠提高堆肥品質(zhì)。果樹枝條腐熟后能夠成為良好的有機(jī)肥資源，被稱為是“放錯(cuò)位置的資源”。西安市近些年果樹種植面積大幅度增加，但并未形成良好的果樹枝條回收體系，大部分農(nóng)戶將修剪的枝條當(dāng)成柴火燒掉，或者粉碎后不經(jīng)處理直接還田，不僅造成環(huán)境的污染也造成資源的浪費(fèi)，未經(jīng)腐熟的果樹枝條帶有很多有害病菌，直接還田會(huì)給果樹生長帶來危害。筆者對(duì)果樹枝條肥料化利用提供了關(guān)鍵技術(shù)的研究，在全市加以宣傳推廣，能夠從根本上解決果樹枝條可能帶來的環(huán)境污染問題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)壞境的可持續(xù)發(fā)展。