不同類型綠化廢棄物與羊糞豆渣共肥效果研究

宋良紅，王 珂，李小康，楊志恒，劉廣甫，王志毅

(鄭州植物園，河南 鄭州 450052)

隨著我國(guó)園林事業(yè)的快速發(fā)展，綠化廢棄物的產(chǎn)生量隨之劇增，目前綠化廢棄物處理的主要方式有焚燒、填埋、堆肥。焚燒和填埋的方式較為傳統(tǒng)落后，過程中會(huì)產(chǎn)生污染[1]，占用土地資源[2]；而綠化廢棄物堆肥處理更利于城市生態(tài)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的[3]。

綠化廢棄物是指城市園林綠地在養(yǎng)護(hù)過程中產(chǎn)生的樹葉、草屑、落花、喬灌木修剪物等固體廢棄物[4]，具有易獲取且來源廣泛、質(zhì)輕、可再生、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)[5]。筆者研究將綠化廢棄物的進(jìn)行分類收集，以枯枝類、落葉類和枯枝落葉混合類為實(shí)驗(yàn)材料，分別添加不同比例的豆渣和羊糞制成6種不同的堆肥產(chǎn)品，探究不同類型綠化廢棄物與羊糞豆渣共肥過程中理化性質(zhì)的變化，以期篩選出經(jīng)濟(jì)適宜的制肥配比與制肥模式，為不同類型綠化廢棄物的資源化利用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試園林綠化廢棄物取自河南省中原區(qū)鄭州植物園，主要是枯枝類、落葉類兩種類型。試驗(yàn)依托于鄭州植物園綠化廢棄物處理中心，將收集的枯枝類、落葉類分別粉碎成1～5 mm的粒徑，枯枝類需要先粗粉成2～2.5 cm，然后細(xì)粉成1～5 mm的粒徑。羊糞、豆渣均來自于鄭州植物園附近的農(nóng)戶。發(fā)酵菌劑采用鄭州云茂實(shí)業(yè)有限公司的YM-ZF-A系列發(fā)酵設(shè)備專用菌

1.2 試驗(yàn)方案

按照保持園林綠化廢棄物占主體的情況下，設(shè)置6個(gè)制肥處理實(shí)驗(yàn)(表1)，每個(gè)處理重復(fù)3次。每個(gè)處理按照配比混合均勻后送入綠化廢棄物發(fā)酵設(shè)備，將水分調(diào)節(jié)至50%～60%后升溫至80℃高溫滅菌30 min，待材料溫度降至55℃按照堆體體積添加0.5%發(fā)酵專用菌，進(jìn)行初次發(fā)酵。出倉(cāng)后堆置成直徑2～3 m，高1.2 m的椎體進(jìn)行二次發(fā)酵腐熟。在腐熟發(fā)酵期間每天上午10點(diǎn)，下午2點(diǎn)讀取堆體溫度、室溫，取平均值，記載發(fā)酵溫度變化，實(shí)驗(yàn)過程保持堆肥材料含水量在55%左右。

表1 不同類型綠化廢棄物與羊糞豆渣共肥發(fā)酵配方

1.3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目測(cè)定及方法

樣品采集：在實(shí)驗(yàn)過程中的初次發(fā)酵前、初次發(fā)酵后，二次發(fā)酵腐熟后時(shí)間點(diǎn)分別進(jìn)行采樣，采用五點(diǎn)法進(jìn)行采樣[6]。

溫度測(cè)定：用超長(zhǎng)溫度計(jì)測(cè)量堆體中心溫度，每天上午10點(diǎn)，下午4點(diǎn)，取平均值，同時(shí)記錄環(huán)境溫度。實(shí)驗(yàn)中其觀測(cè)指標(biāo)有機(jī)質(zhì)和pH用YN-8000智能綜合檢測(cè)儀測(cè)定；總養(yǎng)分用聯(lián)合浸提比色法測(cè)定；有機(jī)碳測(cè)定采用高溫加熱重鉻酸鉀容量法[7]，EC用SX-650電導(dǎo)率測(cè)定儀測(cè)定；GI(發(fā)芽指數(shù)%)參照龔小強(qiáng)方法測(cè)定[8]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel和Spass20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)綠化廢棄物發(fā)酵過程中溫度變化影響

堆肥發(fā)酵過程中，物料溫度為50～60℃時(shí)微生物的繁殖和分解有機(jī)物的活動(dòng)最劇烈，堆肥發(fā)酵的效率能達(dá)到最高[9]，可以說堆體溫度的高低決定著堆肥速度的快慢，所以可將其作為判定堆肥產(chǎn)品是否腐熟的指標(biāo)之一[10]。從表2中可以看出A1、A3、A4、A5這4個(gè)處理的堆體溫度在第1天就到達(dá)60℃以上高溫，分別達(dá)到了64.3℃、63.1℃、63.7℃、62.9℃。而A2、A6在第2天也到達(dá)60℃以上，分別達(dá)到了65.8℃、61.2℃。通常自然堆肥升溫至高溫期需要3～6 d，經(jīng)過設(shè)備初始發(fā)酵后，這6組處理升溫速度均高于自然堆肥升溫速度，這主要是由于高度集成化設(shè)備將物料進(jìn)行了高溫滅菌和微生物處理等過程加速了堆體升溫。

表2 不同處理溫度變化主要指標(biāo)

堆肥過程中的高溫期(50℃以上)有助于消除堆肥原料中有害生物和水分的去除，保證堆肥產(chǎn)品的安全無害化，達(dá)到國(guó)家對(duì)有機(jī)肥產(chǎn)品的要求[11]。研究表明，在物料發(fā)酵過程中A1到A6處理均能維持55℃以上高溫12 d以上，其中A1和A2持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，分別維持27 d、25 d，其次是A5、A6處理，分別維持21 d、20 d，最后是A3、A4處理時(shí)間較短，分別是12 d、14 d。A1和A2這兩個(gè)處理主要是由枯枝類構(gòu)成，且處理中維持55℃以上高溫時(shí)間最長(zhǎng)，這與枯枝類中含有較多的難降解的有機(jī)物質(zhì)有關(guān)。

表2中表明6個(gè)處理達(dá)到腐熟所需時(shí)間依次為A1>A2>A5>A6>A3=A4，A1處理堆肥腐熟所需時(shí)間最長(zhǎng)，腐熟最慢，A3、A4腐熟所需時(shí)間最短，腐熟最快速。這表明落葉類與枯枝類和枯枝落葉混合類相比，落葉類發(fā)酵配比更具有優(yōu)勢(shì)，而綠化廢棄物、羊糞、豆餅在第一種配比(8∶1∶1)下表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。

2.2 不同處理對(duì)綠化廢棄物發(fā)酵過程中有機(jī)質(zhì)含量變化的影響

隨著堆肥物料溫度升高，微生物活動(dòng)旺盛，使易降解有機(jī)質(zhì)快速分解，生成二氧化碳和水，有機(jī)質(zhì)含量下降明顯。研究中6個(gè)處理有機(jī)質(zhì)含量變化如圖1所示，在發(fā)酵腐熟過程中，6個(gè)處理有機(jī)質(zhì)含量均有不同程度的下降。在初次發(fā)酵后有機(jī)質(zhì)有所下降，但是下降并不明顯。經(jīng)過二次腐熟后，有機(jī)質(zhì)降解較為明顯，有機(jī)質(zhì)降解率大小依次為A6>A5>A4>A3>A2>A1，其中A5、A6降解率較為顯著，分別為27.38%、30.01%。結(jié)果表明枯枝落葉混合類可以更好的促進(jìn)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解。不論是枯枝類、落葉類還是枯枝落葉混合類型，綠化廢棄物、羊糞和豆餅的混合比為7∶2∶1時(shí)對(duì)分解有機(jī)物具有促進(jìn)作用。

圖1 不同處理有機(jī)質(zhì)含量變化

2.3 不同處理對(duì)綠化廢棄物發(fā)酵過程中電導(dǎo)率(EC值)變化的影響

電導(dǎo)率(EC)是評(píng)價(jià)堆肥安全性的重要指標(biāo)，其大小與堆肥浸提液的含鹽量相關(guān)，EC值越高則堆肥含鹽量越多，較高的EC值對(duì)植物的生長(zhǎng)具有一定的抑制作用[12～13]。從圖2中可以看出，在整個(gè)堆肥過程中各處理的EC值先下降后升高，在堆肥結(jié)束后各處理EC值均低于初始混合期。經(jīng)過設(shè)備發(fā)酵腐熟后EC值均有明顯下降，表明在集成化快速發(fā)酵設(shè)備能夠快速降低EC值，這可能是由于這個(gè)過程中隨著二氧化碳、氨氣快速揮發(fā)以及生成腐殖質(zhì)較多，引起EC值下降。初次發(fā)酵后，枯枝落葉混合型的兩個(gè)處理(A5、A6)EC值下降較為明顯，分別下降了3.15 ms·cm-1、3.44 ms·cm-1，其余處理下降幅度均小于0.6 ms·cm-1。二次腐熟后，各處理的EC值對(duì)二次腐熟后各處理EC值差異的顯著性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用SPSS軟件進(jìn)行0.05水平的鄧肯式(Duncan，S)新復(fù)極差檢驗(yàn)，結(jié)果表明，在羊糞和豆餅配比含量較低時(shí)，混合類和落葉類EC值相對(duì)較低，更接近植物生長(zhǎng)的需求。

圖2 不同處理電導(dǎo)率(EC值)變化

2.4 不同處理對(duì)綠化廢棄物腐熟前后養(yǎng)分的影響

綠化廢棄物發(fā)酵腐熟過程中，氮素含量直接影響腐熟產(chǎn)品的質(zhì)量[14]。圖3中可以看出，各處理從初次發(fā)酵前到二次腐熟后的全氮有所升高。在二次腐熟后，A4、A6的含氮量較其他處理高，其余處理間的差異并不明顯；從混合初期到完全腐熟后，各處理的全磷含量均有所增長(zhǎng)(圖4)，均增加了30%以上，其中A6增長(zhǎng)量最大，增加了109%，其次是其A2、A3、A4增長(zhǎng)量較大，分別增加了71%、73%、77%；各處理速效鉀的上升量較大，均達(dá)到了3倍以上(圖5)， 其中A4、A6這個(gè)兩個(gè)處理上升幅度較大，速效鉀含量分別是初始時(shí)期的5.59倍、4.03倍。從總養(yǎng)分來看，在二次腐熟后，各處理的總養(yǎng)分保持在較高水平，其中A1、A2、A4、A6的總養(yǎng)分含量較高，更有利于植物生長(zhǎng)，其余處理均能達(dá)到6%以上(如圖6)，完全符合有機(jī)肥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)NY525-2002總養(yǎng)分≥4%的要求。

圖3 不同處理全氮含量變化

圖4 不同處理全磷含量變化

圖5 不同處理全鉀含量變化

圖6 二次腐熟后不同處理總養(yǎng)分含量

2.5 不同處理對(duì)綠化廢棄物發(fā)芽指數(shù)影響

發(fā)芽指數(shù)(GI)是通過檢驗(yàn)堆肥產(chǎn)品對(duì)植物發(fā)芽是否產(chǎn)生抑制作用來評(píng)價(jià)堆肥產(chǎn)品無害化、穩(wěn)定化程度的指標(biāo)，是檢驗(yàn)堆肥腐熟度的有效方法[12]。許多研究表明，當(dāng)GI達(dá)50%以上時(shí)就可認(rèn)為對(duì)種子無害，GI達(dá)到80%以上時(shí)可認(rèn)為堆肥已經(jīng)腐熟[15]。筆者研究表明，所有處理二次發(fā)酵腐熟后的GI值在85%以上(如圖7)。其中發(fā)芽指數(shù)由大到小依次為A1>A5>A2>A6>A3>A4且A1>A2，A3>A4，A5>A6，可知，綠化廢棄物與羊糞、餅肥的比例在8∶1∶1時(shí)能夠提高綠化廢棄物的堆肥腐熟度，枯枝類和枯枝落葉混合類更具有優(yōu)勢(shì)。

圖7 不同處理腐熟后發(fā)芽指數(shù)

2.6 不同處理對(duì)綠化廢棄物T值影響

圖8 不同處理腐熟后T值

T值是﹝(C/N)終點(diǎn)/(C/N)起點(diǎn)﹞的比值，可作為堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。有研究提出，當(dāng)T值小于0.6時(shí)堆肥達(dá)到腐熟[16]。研究表明，不同處理的堆肥產(chǎn)品均達(dá)到了腐熟標(biāo)準(zhǔn)，T值均在0.6以下。不同處理的T值大小為A2>A1，A4>A3，A5>A6,可見，綠化廢棄物與羊糞、餅肥的比例在8∶1∶1時(shí)對(duì)降低T值有促進(jìn)作用，優(yōu)化了碳氮比，促進(jìn)了碳的消耗。

3 討論與結(jié)論

研究將枯枝類、落葉類和枯枝落葉混合類三種類型綠化廢棄物分別添加兩種比例的羊糞和豆餅后進(jìn)行高度集約化發(fā)酵堆肥，在堆腐過程中理化性質(zhì)變化趨勢(shì)相似。筆者研究中6個(gè)處理經(jīng)過集成化設(shè)備進(jìn)行初次發(fā)酵后，均能在2 d內(nèi)快速達(dá)到高溫60℃，且 A1到A6處理均能維持55℃以上高溫12 d以上，然而達(dá)到堆體腐熟所需時(shí)間則不同，A1處理腐熟所需時(shí)間最長(zhǎng)，腐熟最慢，A3、A4腐熟所需時(shí)間最短，腐熟最快速。這表明落葉類與枯枝類和枯枝落葉混合類相比，落葉類的兩種配比能加速堆肥腐熟進(jìn)度，而同一類型中綠化廢棄物、羊糞與豆餅在配比(8∶1∶1)下表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。

6個(gè)處理在堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量均有不同程度的下降，枯枝落葉類(A5、A6)有機(jī)質(zhì)降解較為明顯，表明枯枝落葉類可以更好地促進(jìn)纖維素的降解。6個(gè)處理堆肥過程中全氮、全磷、全鉀有所升高，其中A4、A6在二次腐熟后含氮量較高；A6的含磷量增長(zhǎng)量最大；各處理速效鉀的增量均達(dá)到了3倍以上，其中A4、A6這個(gè)兩個(gè)處理上升幅度較大。從總養(yǎng)分來看，二次腐熟后各處理的總養(yǎng)分均能達(dá)到6%以上，其中A1、A2、A4、A6的總養(yǎng)分含量較高，更有利于植物生長(zhǎng)。

在堆肥結(jié)束后6個(gè)處理EC值均低于初始混合期，枯枝落葉類(A3)和落葉類(A5)EC值相對(duì)較低，更接近植物生長(zhǎng)的需求。所有處理二次發(fā)酵腐熟后GI值在85%以上，T值在0.6以下，達(dá)到了有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)，筆者研究發(fā)現(xiàn)綠化廢棄物與羊糞、餅肥的比例在8∶1∶1時(shí)能夠提高綠化廢棄物的堆肥腐熟度，降低了T值，減少了對(duì)植物的毒性，其中枯枝類和枯枝落葉類更具有優(yōu)勢(shì)。

綜合各種指標(biāo)的研究分析，從堆肥進(jìn)度上，落葉類按照綠化廢棄物：羊糞：豆餅配比為8∶1∶1和7∶2∶ 1(A3、A4)的處理具有明顯優(yōu)勢(shì)，堆肥時(shí)間最短，pH適中，發(fā)芽指數(shù)、T值、養(yǎng)分含量均符合要求，有利于植物生長(zhǎng)；堆肥產(chǎn)品質(zhì)量上，枯枝類按照綠化廢棄物：羊糞：豆餅配比為8∶1∶1(A1)的處理具有明顯優(yōu)勢(shì)，總養(yǎng)分和發(fā)芽率較高，pH值、T值、EC值符合有機(jī)肥要求，有利于植物生長(zhǎng)；從經(jīng)濟(jì)適用性考慮，枯枝類和落葉類按照綠化廢棄物：羊糞：豆餅配比為8∶1∶1(A1、A3)的處理具有明顯優(yōu)勢(shì)，發(fā)芽率較高，養(yǎng)分含量豐富，對(duì)植物毒害作用小，堆肥時(shí)間適宜，且需要的羊糞含量較低，更加加具有經(jīng)濟(jì)適用性。