不同保氮?jiǎng)?duì)空心蓮子草堆肥的影響

賀麗, 陳英, 鄧東周*, 黃琴, 劉成, 陳德朝, 吳世磊, 李紅霖

1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，森林和濕地生態(tài)恢復(fù)與保育四川重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610081；

2.四川省林產(chǎn)公司，四川 成都 610081；

3.四川省林業(yè)和草原調(diào)查規(guī)劃院，四川 成都 610081

空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）又名喜旱蓮子草、水花生、空心莧、革命草、水蕹菜，屬莧科(Amaranthaceae)蓮子草屬(Alternanthera)?？招纳徸硬輰?duì)水體中Hg、Cd、Pb、Cr、Cu和Zn等重金屬和土壤中Mn、Zn、Cr、Cu、Co、Pb和Cd較高的富集系數(shù)，對(duì)中度以下的重金屬污染水體、土壤的修復(fù)有著比較好的效果[1-2]。所以將空心蓮子草用于修復(fù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的技術(shù)被廣泛應(yīng)用[3-4]。然而，空心蓮子草繁殖快，可在節(jié)處生根，然后萌生成株，生長(zhǎng)快，生物量大，并短時(shí)期內(nèi)會(huì)形成大面積且具有一定厚度的漂浮植氈層，覆蓋住水面，導(dǎo)致水中溶解氧降低，使水體富營(yíng)養(yǎng)化。因此，用于修復(fù)水體后空心蓮子草的后續(xù)利用問(wèn)題成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，通常包括肥料化、飼料化和能源化3種資源化利用途徑[5]。

在堆肥過(guò)程中，有機(jī)物在微生物作用下以CO2、NH3等形式揮發(fā)掉，總有機(jī)碳等養(yǎng)分元素隨著堆肥進(jìn)程逐漸減少。堆肥過(guò)程中養(yǎng)分元素?fù)p失的影響因素很多，主要受溫度、pH、供氧量、含水率、C/N和堆肥外源添加劑等的共同影響[6-7]。堆肥的升溫和高溫階段是氮素?fù)p失的主要時(shí)期，主要損失途徑是堆體中的氮在高pH和高溫的條件下以NH3的形式逸出[8-10]。pH是影響微生物生長(zhǎng)繁殖的重要因素之一，多數(shù)堆肥微生物適合在中性或偏堿性環(huán)境中繁殖與活動(dòng)[11]，有研究指出，當(dāng)pH在5～7時(shí)，氨氣損失最少，pH≥8時(shí)，堆肥中氨氣的揮發(fā)損失最大[12]。如何控制高溫堆肥過(guò)程中養(yǎng)分元素的損失，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[13]。有研究表明，堆肥過(guò)程中適當(dāng)添加過(guò)磷酸鈣等金屬鹽或硫酸亞鐵、腐殖酸等一些酸性物質(zhì)，調(diào)節(jié)堆體pH值、縮短堆肥時(shí)間、減少氨揮發(fā)[14-23]。過(guò)磷酸鈣可通過(guò)調(diào)節(jié)堆肥物料pH值和含水率而減少氨氣揮發(fā)[17-18]。腐殖酸能夠促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解，有效控制氮素?fù)p失[19]。硫酸亞鐵能減少氨揮發(fā)，提高堆肥銨態(tài)氮及全氮含量[20,24]。在堆肥過(guò)程中單獨(dú)添加過(guò)磷酸鈣、硫酸亞鐵、腐殖酸均能減少氮素?fù)p失，提升堆肥品質(zhì)。但比較3種保氮?jiǎng)?duì)同一種物質(zhì)堆肥進(jìn)程中養(yǎng)分元素的影響尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究通過(guò)比較過(guò)磷酸鈣、硫酸亞鐵、腐殖酸對(duì)空心蓮子草堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)、全氮等養(yǎng)分元素含量及基礎(chǔ)理化性質(zhì)的影響，探討出適宜空心蓮子草堆肥的保氮?jiǎng)?，以期為空心蓮子草殘?bào)w堆漚有機(jī)肥的環(huán)保和高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

空心蓮子草（A.philoxeroide）

1.2 試驗(yàn)處理

材料采集與成都市青白江區(qū)泰興鎮(zhèn)（30°48'58.01"N,104°14'55.66"E）。然后在四川省林業(yè)科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)大棚里經(jīng)自然晾曬，控制適宜的含水量作為堆肥原料。

試驗(yàn)于2019年7—8月在四川省林業(yè)科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展。采用室內(nèi)靜態(tài)通風(fēng)堆漚方式進(jìn)行，堆肥堆箱頂部無(wú)蓋 (長(zhǎng)×寬×高=55 cm×30 m×30 m)，四周分布有均勻通氣孔(Φ=1.5 cm)，每個(gè)堆箱裝入堆料約10 kg。

試驗(yàn)共設(shè)置5組處理：

CK：空心蓮子草單一原料自然腐化形式；

A：空心蓮子草+好氧菌處理；

B：空心蓮子草+好氧菌+過(guò)磷酸鈣（原料干質(zhì)量的6.6%，過(guò)磷酸鈣0.33 kg，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥18%）處理；

C：空心蓮子草+好氧菌+硫酸亞鐵處理（添加量為堆肥原料干重的2%，先將硫酸亞鐵溶于水中，在堆料攪拌過(guò)程中均勻噴灑）；

D：空心蓮子草+好氧菌+腐殖酸（占原料質(zhì)量5%）處理。

各處理在堆肥開(kāi)始前均加入原堆體質(zhì)量1%的發(fā)酵菌劑（發(fā)酵菌劑是用于有氧發(fā)酵的添加劑），充分混合均勻，加水調(diào)節(jié)含水量為45%～60%（以手捏成團(tuán)不滴水，但松開(kāi)即散為宜），每組設(shè)置4個(gè)重復(fù)。

指標(biāo)測(cè)定：

溫度的測(cè)定：堆肥期間每天9:00—10:00在不同位置同一深度處插入5個(gè)溫度計(jì)，算其平均值，測(cè)量堆體溫度，同時(shí)測(cè)室溫。

理化指標(biāo)測(cè)定：堆肥固體樣本分別在第0、7、14、21、28、35天進(jìn)行翻堆混合。每次翻堆混合時(shí)采集樣品（約300 g），在每個(gè)堆體的上中下3個(gè)層面分別取樣并混勻。每份固體樣本均分為2部分保存。一份鮮樣用于pH；一份自然風(fēng)干、粉碎后過(guò)0.5 mm篩，測(cè)定有機(jī)碳、全N、全P、全K。C、N、P的測(cè)定分別采用重鎘酸鉀外加熱法[25]，凱氏定N法(K-370，瑞士生產(chǎn))和紫外分光光度法(UV-2450，日本生產(chǎn))，pH采用電位法測(cè)定 (奧立龍868型酸度計(jì))。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 堆肥過(guò)程中 pH 的變化

圖1是本次堆肥實(shí)驗(yàn)的pH值變化。在空心蓮子草堆肥進(jìn)程中，5種處理的pH值總體上隨堆肥時(shí)間延長(zhǎng)呈先降低后上升，最后趨于平穩(wěn)。在堆肥開(kāi)始時(shí)，各處理pH值在6.95左右。與對(duì)照組相比，添加過(guò)磷酸鈣、硫酸亞鐵和腐殖酸的處理均可在7天內(nèi)顯著降低堆肥的pH值，3組處理的pH值分別為6.17、6.05、6.01，而對(duì)照組最低pH值則出現(xiàn)在第14天。隨后各處理組pH值逐漸升高，只添加好氧菌和添加保氮?jiǎng)┨幚斫M第21天pH值達(dá)到最高值，且保氮?jiǎng)┨幚淼膒H值均顯著高于對(duì)照。堆肥第28天之后至結(jié)束，各組pH值變化幅度較小且差異不顯著。

2.2 堆肥過(guò)程中溫度的變化

從圖2中可以看出，整體上各處理堆體溫度變化趨勢(shì)基本一致，大體分為升溫期、高溫期、降溫期和穩(wěn)定期4個(gè)階段。從堆肥開(kāi)始到第二次翻堆混合前，處于升溫和高溫階段。在該階段，各組在堆肥第4天升溫到45 ℃以上，且進(jìn)入高溫期，第6天達(dá)到最高溫度，此時(shí)保氮?jiǎng)┨幚斫M堆體溫度均顯著高于對(duì)照組，保氮?jiǎng)┨幚斫M中以添加硫酸亞鐵處理組溫度最高，達(dá)到65.19 ℃，其次為添加腐殖酸處理組，為62.05 ℃。在堆肥20天之后，各組溫度差異逐漸減小。就堆體溫度變化情況來(lái)看，添加過(guò)磷酸鈣、硫酸亞鐵、腐殖酸能加快空心蓮子草堆體的升溫，促進(jìn)堆肥過(guò)程提前進(jìn)入穩(wěn)定期，其中以添加硫酸亞鐵處理效果最明顯。因此，從溫度角度考慮，添加硫酸亞鐵更有利于空心蓮子草堆肥。

圖1 空心蓮子草堆肥過(guò)程中不同處理pH的變化Fig.1 Changes of pH in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting

圖2 空心蓮子草堆肥過(guò)程中不同處理溫度的變化Fig.2 Changes of temperature in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting

2.3 堆肥過(guò)程中有機(jī)碳的變化

由圖3可知，空心蓮子草在堆肥過(guò)程中各處理組有機(jī)碳含量總體上呈下降趨勢(shì)，且添加過(guò)磷酸鈣、硫酸亞鐵、腐殖酸處理組在堆肥初期下降幅度顯著高于對(duì)照和只添加好氧菌組。到堆肥第7天，過(guò)磷酸鈣、硫酸亞鐵、腐殖酸處理組有機(jī)碳下降幅度分別為18.42%、21.93%、27.19%。對(duì)照組和添加好氧菌組分別為6.14%、13.16%。由此可知，添加腐殖酸處理組有機(jī)碳含量下降幅度最大，反應(yīng)速度最快，最有利于有機(jī)質(zhì)分解。

圖3 空心蓮子草堆肥過(guò)程中不同處理有機(jī)碳的變化Fig.3 Changes of organic carbon in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting

空心蓮子草堆肥結(jié)束后，各組有機(jī)碳含量下降幅度分別為 62.76%、56.66%、47.37%、44.45%、54.87%。添加過(guò)磷酸鈣和硫酸亞鐵有機(jī)碳含量下降幅度相對(duì)較小，說(shuō)明過(guò)磷酸鈣和硫酸亞鐵添加劑減少了堆肥總碳素消耗。這與羅一鳴等人的類似研究結(jié)果一致[11]。

2.4 堆肥過(guò)程中全氮的變化

由圖4可知，各處理的全氮含量隨著堆肥的進(jìn)行呈先降低后升高的趨勢(shì)，最低值出現(xiàn)在第14天。隨后，全氮含量呈逐漸增加趨勢(shì)，過(guò)磷酸鈣、硫酸亞鐵、腐殖酸處理組與只添加好氧菌、對(duì)照組處理間的全氮含量差異也逐漸增大。從14天至堆肥結(jié)束，過(guò)磷酸鈣、硫酸亞鐵、腐殖酸處理組總氮含量顯著高于只添加好氧菌和對(duì)照組，且腐殖酸處理組總氮含量高于其余2組。堆肥結(jié)束后，各組全氮含量與原始物料相比分別降低了36.65%、27.16%、17.36%、17.55%、12.63%，說(shuō)明過(guò)磷酸鈣、硫酸亞鐵、腐殖酸在空心蓮子草堆肥過(guò)程中具有較好的保氮效果，且以腐殖酸保氮效果為最佳。

2.5 堆肥過(guò)程中全磷、全鉀含量的變化

由于磷、鉀元素不可能通過(guò)揮發(fā)等形式損失，所以TP、TK含量的上升是C、N等元素以CO2、NH3、N2O等形式揮發(fā)造成總干物質(zhì)減少，同時(shí)部分水分蒸發(fā)流失，產(chǎn)生的相對(duì)上升[26]。

從圖5、圖6可以看出，全磷、全鉀含量總體上呈上升趨勢(shì)，且對(duì)照和只添加好氧菌組上升幅度較大，且在第7天之后顯著高于其余3組。堆肥結(jié)束后，各組全磷含量分別上升了58.45%、52.91%、38.40%、32.95%、34.86%，全鉀含量分別是原始物料的2.00倍、1.88倍、1.29倍、1.26倍、1.15倍。腐殖酸處理組TP、TK含量上升幅度較小。因此，腐殖酸處理組C、N等元素?fù)p失最少。

圖4 空心蓮子草堆肥過(guò)程中不同處理全氮的變化Fig.4 Changes of total nitrogen in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting

圖5 空心蓮子草堆肥過(guò)程中不同處理全磷的變化Fig.5 Changes of total phosphorus in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting

圖6 空心蓮子草堆肥過(guò)程中不同處理全鉀的變化Fig.6 Changes of total potassium in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，添加過(guò)磷酸鈣、硫酸亞鐵、腐殖酸處理的能快速降低堆肥pH值，但在堆肥中、后期卻促進(jìn)堆體pH值提升，且部分階段高于對(duì)照和只添加好氧菌處理。堆肥高溫期，添加過(guò)磷酸鈣、硫酸亞鐵、腐殖酸處理的堆體溫度顯著高于對(duì)照，但與只添加好氧菌組差異不顯著。堆肥完成后，添加過(guò)磷酸鈣、硫酸亞鐵、腐殖酸處理的有機(jī)碳、全氮含量與對(duì)照相比均顯著增加，而全鉀、全磷含量則顯著低于對(duì)照和只添加好氧菌組。結(jié)果表明空心蓮子草堆肥過(guò)程中添加過(guò)磷酸鈣、硫酸亞鐵、腐殖酸可加快啟動(dòng)速度、縮短堆肥時(shí)間，并能減少氮素?fù)p失。綜合以上各個(gè)指標(biāo)，3種保氮?jiǎng)┲锌傮w上以腐殖酸處理效果最佳。