園林廢棄物高溫堆肥過程的水溶性有機(jī)物轉(zhuǎn)化特征*

李偉雄 曾 雷 謝繼紅 陳穎樂

（廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520）

隨著城市綠化覆蓋率上升，樹葉、草屑、樹木與灌木剪枝等園林廢棄物產(chǎn)量劇增[1-3]，利用焚燒等方式進(jìn)行處置不僅造成資源浪費(fèi)，而且導(dǎo)致大量碳排放與空氣污染[2,4]。高溫堆肥（好氧發(fā)酵）在微生物作用下將有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為可供土壤利用的腐殖質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)園林廢棄物資源化利用的重要手段[4]。但園林廢棄物主要成分為木質(zhì)纖維，直接堆肥時(shí)碳氮比（C/N）過高，微生物難以降解與利用[5-7]。雞糞等畜禽養(yǎng)殖廢棄物含有豐富的氮素和養(yǎng)分，可作為園林廢棄物堆肥時(shí)的優(yōu)良輔料（調(diào)節(jié)堆體C/N）[8]。共堆肥處理不僅能減少畜禽養(yǎng)殖廢棄物排放造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，而且可顯著提高堆肥效率和堆肥產(chǎn)品肥效。

目前，促進(jìn)園林廢棄物高溫堆肥的主要方法包括：優(yōu)化堆肥原料配比[5]、添加高效降解菌劑[1]、提高堆體溫度[8-9]等，但相關(guān)研究未能深入探討園林廢棄物堆肥過程的腐殖化特征及有機(jī)物轉(zhuǎn)化機(jī)制，促進(jìn)園林廢棄物資源化利用。由于堆肥體系的所有生化反應(yīng)均發(fā)生在液－固兩相界面，水溶性有機(jī)物（DOM）作為該界面最為活躍的組分，不僅為微生物代謝提供碳源，而且能充分反映堆肥過程的有機(jī)物轉(zhuǎn)化規(guī)律[8]。激發(fā)－發(fā)射矩陣－平行因子分析（EEM-PARAFAC）等現(xiàn)代光譜學(xué)方法是解析DOM 分子結(jié)構(gòu)特征與演變規(guī)律的重要手段[10-11]。例如，Liu 等[9]采用上述組合方法研究了超高溫堆肥過程的DOM 轉(zhuǎn)化規(guī)律，在分子層面揭示了高溫對(duì)堆肥腐殖酸形成的影響及作用機(jī)制。為此，本文以添加雞糞作為輔料的園林廢棄物堆肥過程為研究對(duì)象，采用UV-vis 和EEM-PARAFAC 等多重光譜學(xué)方法研究園林廢棄物在持續(xù)高溫堆肥條件下的DOM 結(jié)構(gòu)特征與轉(zhuǎn)化規(guī)律，明確相關(guān)參數(shù)與堆肥腐殖化過程的關(guān)系，以期為實(shí)現(xiàn)難降解有機(jī)固體廢棄物的高效資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

堆肥主要原料為園林廢棄物，取自廣東省林業(yè)科學(xué)研究院內(nèi)的綠植修剪剩余物，發(fā)酵前用樹枝粉碎機(jī)加工成粒徑2～5 cm 的顆粒；堆肥輔料為新鮮雞糞，取自廣州增城一處規(guī)?；怆u養(yǎng)殖場。堆肥開始前，以高溫發(fā)酵菌活躍狀態(tài)所需養(yǎng)份為參考，將2 t 左右新鮮雞糞與20 t 園林廢棄物均勻混合，按物料總質(zhì)量的0.1%接種高溫發(fā)酵菌劑（購自廣州佰佳生物科技有限公司），并以高溫發(fā)酵菌活躍狀態(tài)所需溫度為參考，將調(diào)節(jié)物料含水率至65%左右后，在陽光棚混凝土發(fā)酵槽（半封閉）內(nèi)堆制成15 m × 4 m × 1.5 m（長×寬×高）的堆體。發(fā)酵過程中，利用專用翻拋機(jī)對(duì)堆體進(jìn)行強(qiáng)制供氧，整個(gè)發(fā)酵過程持續(xù)200 d；在堆肥前期與高溫階段（發(fā)酵槽內(nèi)＞50 ℃）每天翻堆一次，之后隔天翻堆一次，并定期向堆體補(bǔ)充水分保持微生物活性。每天定時(shí)監(jiān)測堆體溫度，并在第0、30、70、120、200 天采集堆肥樣品；采樣位置為堆體兩端和中段固定的3 個(gè)點(diǎn)位；采樣時(shí)，將同一點(diǎn)位不同深度樣品制成混合樣，每次采樣均得到3 個(gè)平行樣。新鮮堆肥樣品和自然風(fēng)干后的堆肥樣品分別置于4℃和常溫下保存，用于后續(xù)堆肥理化性質(zhì)測定和DOM 樣品制備。

1.2 堆肥理化性質(zhì)測定

利用WSS301 型工程指針式溫度計(jì)在3 個(gè)采樣點(diǎn)監(jiān)測堆體溫度。用超純水按1 : 10 固液比提取堆肥樣品，利用搖床在室溫下200 rpm 震蕩1 h 后，采用pH 計(jì)（迅博PB-10 型）測量濾液pH 值。總有機(jī)碳（TOC）和總氮（TN）參照文獻(xiàn)[10,12]方法測定。TOC 測定方法：稱取0.20 g 過0.25 mm 篩后的風(fēng)干樣品置于消解管，加入50 mL 0.80 mol/L 重鉻酸鉀溶液和8 mL 濃硫酸在175 ℃下消解90 min后，用硫酸亞鐵銨溶液滴定。TN 測定方法：稱取0.50 g 過0.25 mm 篩后的風(fēng)干樣品置于消解管，加入1 mL 50 g/L 的高錳酸鉀溶液和2 mL 8 mol/L 的硫酸溶液，在375 ℃下消煮2 h；消煮液經(jīng)冷卻后用定氮儀（華燁KDN-103F）蒸餾；餾出液用硼酸溶液吸收后，用0.01 mol/L 的硫酸溶液滴定。

1.3 DOM 的光譜分析

1.3.1 DOM 提取與定量 堆肥樣品的DOM 提取參照文獻(xiàn)[13]報(bào)道的方法。稱取5 g 過0.25 mm 篩后的風(fēng)干樣品，按質(zhì)量比1 : 10 與超純水混合后，在室溫下200 rpm 振蕩24 h。用離心機(jī)（Allegra 64R）在10 000 rpm 轉(zhuǎn)速下將浸提液離心15 min，離心后上清液過0.45 μm 濾膜，獲得的濾液為堆肥樣品DOM 提取液。使用總有機(jī)碳分析儀（島津TOC-L）測定DOM 中水溶性有機(jī)碳（DOC）的濃度，光譜測定前用超純水將DOM 提取液稀釋至10 mg/L。

1.3.2 DOM 的UV-Vis 光譜測定 用雙束紫外-可見光光度計(jì)（普析TU-1901）對(duì)堆肥DOM 樣品進(jìn)行UV-Vis 光譜掃描；掃描波長為200～400 nm，波長間隔為2 nm。在UV-Vis 光譜測定結(jié)果中，掃描波長254 nm 和280 nm 處吸光強(qiáng)度與DOC 濃度比值分別記為SUVA254和SUVA280。

1.3.3 DOM 的EEM 光譜測定 室溫下使用熒光光譜儀（Hitachi FP-7000）對(duì)堆肥樣品DOM進(jìn)行EEM 光譜掃描，條件設(shè)置如下：掃描電壓750 mV、掃描速度2 400 nm/min、激發(fā)波長（Ex）200～450 nm、發(fā)射波長（Em）250～550 nm、Ex和Em掃描波長間隙均為5 nm。

1.3.4 PARAFAC 分析 PARAFAC 分析前，去除EEM 光譜結(jié)果中的拉曼和瑞利散射。采用MATLAB 7.0（Mathworks, USA）和DOMFluor 工具箱（http://www.models.kvl.dk/）進(jìn)行PARAFAC 分析。根據(jù)半分析、殘差分析和負(fù)載分析確定DOM 樣品中特征熒光峰的組成。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用OringinPro 8.5（OringinLab, USA）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與繪圖；采用Rstudio 軟件（v 0.4.7）中plspm 工具包創(chuàng)建PLS-PM 模型，建模參數(shù)包括堆肥樣品理化性質(zhì)及DOM 光譜分析結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 園林廢棄物高溫堆肥腐熟過程分析

溫度能有效反映堆肥過程中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率和微生物活性，是指示堆肥腐熟的重要指標(biāo)。如圖1（A）所示，園林廢棄物的堆肥過程大體分為3 個(gè)階段：（1）升溫階段（＜50℃，0～5 d）；（2）高溫階段（≥50 ℃，6～170 d），溫度最高可達(dá)65℃；（3）腐熟階段（室溫～50℃，171～200 d）。堆肥前期溫度逐步上升，第5 天達(dá)到50 ℃以上的高溫期，并且發(fā)酵槽內(nèi)一直維持時(shí)間達(dá)到160 d左右。在堆肥后期，隨著易降解有機(jī)質(zhì)耗盡，微生物代謝活性明顯減弱，堆體溫度趨近室溫。堆肥過程的pH 呈先上升后降低趨勢（圖1B），而120～200 d pH 的下降趨勢同樣指示微生物代謝活性降低，堆肥過程趨于穩(wěn)定。

水溶性有機(jī)碳（DOC）在堆肥前期含量顯著降低，反映微生物代謝活性下降；而DOC 在70～120 d 上升，這可能與堆肥腐殖化過程中富里酸類可溶性有機(jī)物的產(chǎn)生有關(guān)；120～200 d 的下降趨勢則反映了富里酸向更為穩(wěn)定的腐殖酸轉(zhuǎn)化。與pH 變化趨勢類似，TN 在0～120 d 從11.60 g/kg增加至21.59 g/kg，這可能由于堆肥過程中有機(jī)碳被微生物大量消耗。正如圖1（C）所示，整個(gè)堆肥過程TOC 含量從487.38 g/kg 降至330.36 g/kg，這也是堆體能夠長時(shí)間維持50 ℃以上高溫的主要原因，也進(jìn)一步證明添加雞糞作為園林廢棄物堆肥輔料能夠明顯促進(jìn)木質(zhì)纖維素類有機(jī)物的降解。C/N 是堆肥過程中評(píng)價(jià)腐熟度的重要指標(biāo)，而圖1（D）中C/N 的動(dòng)態(tài)變化很好地指示了園林廢棄物高溫堆肥過程腐熟度的變化情況。經(jīng)過170 d 堆肥后，堆體的C/N 由初始33.16%下降至15%左右，之后基本穩(wěn)定，指示堆肥在170 d 左右達(dá)到完全腐熟。該結(jié)果也表明含較多木質(zhì)纖維的園林廢棄物堆肥腐熟時(shí)間比污泥[10]、畜禽糞便[14]等有機(jī)固廢的堆肥腐熟時(shí)間（90～120 d）明顯更長。

2.2 UV-vis 光譜分析

圖1 園林廢棄物堆肥過程中溫度、pH 和可溶性有機(jī)碳（DOC）、總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN）、C/N 的動(dòng)態(tài)變化Fig. 1 Dynamic changes of temperature; pH and dissolved organic carbon (DOC); total organic carbon(TOC) and total nitrogen (TN) and C/N in manure green waste composting

圖2 園林廢棄物堆肥過程中不同階段DOM 的紫外-可見光吸收光譜、SUVA254 和SUVA280 動(dòng)態(tài)變化Fig. 2 UV-vis spectra of DOM at different stages; dynamic changes of SUVA254 和SUVA280

UV-vis 光譜被廣泛用于表征DOM 的分子結(jié)構(gòu)特征[15]，園林廢棄物堆肥DOM 的UV-vis 光譜如圖2（A）所示。隨著堆肥進(jìn)行，DOM 的UV-vis 曲線逐漸上移，表明DOM 中腐殖質(zhì)類物質(zhì)（富里酸、腐殖酸等）不斷生成。SUVA254和SUVA280是用于指示DOM 中芳烴碳含量的重要指標(biāo)，與分子量大小有關(guān)[16]。如圖2（B）所示，SUVA280和SUVA254值隨著堆肥過程分別從0.11增加到0.18 以及從0.14 增加到0.22，反映堆肥過程中DOM 的分子量呈現(xiàn)增加趨勢。此外，也有研究表明SUVA254和SUVA280值與芳香碳含量和芳構(gòu)化程度有關(guān)[17]。SUVA254和SUVA280值逐漸上升的趨勢，同樣也反映了園林廢棄物堆肥的穩(wěn)定性和腐殖化程度不斷增加。

2.3 EEM 光譜分析

圖3 直觀反映了園林廢棄物堆肥過程中DOM熒光有機(jī)組分的動(dòng)態(tài)變化。檢測到的特征熒光峰Ex/Em= 430/275 位于典型類腐殖質(zhì)物質(zhì)區(qū)域[11]。在0～120 d，特征峰的熒光強(qiáng)度（SFI）從1 771 增加到2 683，而120～200 d 的SFI 略有降低，這表明在持續(xù)高溫堆肥條件下，木質(zhì)纖維等難降解有機(jī)組分也逐漸轉(zhuǎn)化為利于土壤穩(wěn)定的腐殖質(zhì)類物質(zhì)。與已有的堆肥DOM 熒光光譜相比，園林廢棄物堆肥樣品DOM 中未檢測到明顯蛋白類物質(zhì)的特征峰[8,11]。這可能與堆肥原料中富含蛋白類物質(zhì)的雞糞添加比例較低有關(guān)。

為了更好地比較園林廢棄物不同堆肥階段的DOM 熒光特性，對(duì)EEM 光譜各個(gè)區(qū)域的積分面積百分比（P）進(jìn)行了計(jì)算。Chen 等[18]將EEM光譜劃分為類蛋白物質(zhì)（Ⅰ+Ⅱ）、類富里酸物質(zhì)（Ⅲ）、可溶性微生物代謝產(chǎn)物（Ⅳ）和類腐殖質(zhì)物質(zhì)（Ⅴ）等4 個(gè)區(qū)域。如表1 所示，在園林廢棄物堆肥過程中，PⅠ+Ⅱ值從5.94%降低至4.38%，PⅣ值從8.12%減少到5.15%；相反地，PⅤ值從65.51%上升到70.17%。與其他有機(jī)固廢堆肥過程類似，PⅢ值則呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。這些參數(shù)的變化趨勢表明，在堆肥微生物作用下，蛋白類物質(zhì)以及微生物代謝副產(chǎn)物均隨堆肥腐殖化過程轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)類物質(zhì)，而其中的富里酸可能是腐殖酸形成的關(guān)鍵中間產(chǎn)物。

表1 三維熒光光譜圖的區(qū)域積分面積百分比 %Table 1 The percent of integral area in fluorescence excitation-emission matrix spectra

2.4 EEM-PARAFAC 分析

為了定量表征園林廢棄物堆肥過程DOM 特征熒光組分的變化，采用PARAFAC 對(duì)DOM 的EEM光譜進(jìn)行解析。如圖4 所示，PARAFAC 將EEM光譜數(shù)據(jù)分解成4 個(gè)不同組分，C1：Ex/Em=（260,350）/445、C2：Ex/Em=（225, 300）/410、C3：Ex/Em=（275, 395）/480 和C4：（Ex/Em=（200, 275）/350。其中，C1 和C3 組分的特征峰位置與類腐殖質(zhì)物質(zhì)的熒光峰相似，被鑒定為堆肥DOM 中的類腐殖質(zhì)[19]；C2 組分被鑒定為短波長類腐殖質(zhì)，主要代表類富里酸[20]；C4 組分由兩類物質(zhì)組成：Ex/Em= 200/350 特征峰具有色氨酸類物質(zhì)的熒光特性。He 等[21]在研究地下水滲濾液DOM 組成結(jié)構(gòu)時(shí)報(bào)道了類似組分。另外，C4 中的Ex/Em=275/350 被鑒定為微生物代謝副產(chǎn)物，因此C4 組分被鑒定為與微生物代謝相關(guān)的類蛋白質(zhì)組分，其強(qiáng)度變化在一定程度上反映了堆肥微生物活性。

圖3 園林廢棄物堆肥過程中不同階段DOM 的三維熒光光譜Fig. 3 Fluorescence excitation-emission matrix spectra of DOM at different stages of green waste composting

基于EEM-PARAFAC 得到C1、C2、C3 和C4組分的最大熒光強(qiáng)度（Fmax），F(xiàn)max隨堆肥時(shí)間的變化情況如圖5 所示。C1、C2 和C3 組分的Fmax值為總熒光強(qiáng)度的84.28%～87.58%，與EEM 圖譜中區(qū)域積分面積百分比值較為接近。由圖5 可知，C3組分的Fmax在整個(gè)堆肥過程中明顯上升，從初始的494.66 增加到957.24；而C1 和C2 組分的Fmax先增加后降低，在堆肥第120 天時(shí)分別達(dá)到最大值1 767.75 和1 378.50。堆肥后期，C2 組分的Fmax的下降趨勢證實(shí)，富里酸類物質(zhì)是堆肥腐殖質(zhì)形成的關(guān)鍵中間體。C4 組分的Fmax在堆肥前期持續(xù)增加并在70 d 時(shí)達(dá)到最高623.70，之后穩(wěn)定降低，表明在堆肥70 d 左右微生物的分解代謝與腐殖質(zhì)形成基本達(dá)到平衡，之后堆肥進(jìn)程主要進(jìn)入腐殖質(zhì)合成階段。

2.5 園林廢棄物堆肥腐殖化機(jī)制及其影響因素

利用偏最小二乘路徑模型（PLS-PM）建立了堆肥理化參數(shù)、DOM 組分特征與堆肥腐熟度指標(biāo)的相互關(guān)系，結(jié)果如表2 所示。由于SUVA254在本研究與先前大量研究中均被證實(shí)能夠指示堆肥腐熟過程[22]，因此被作為PLS-PM 模型中的堆肥腐熟度參數(shù)。由表2 可知，堆肥理化參數(shù)與類富里酸物質(zhì)的變化呈顯著負(fù)相關(guān)（路徑系數(shù)PC= -0.540），而類蛋白質(zhì)物質(zhì)與類富里酸物質(zhì)呈顯著正相關(guān)（PC=0.618）。這表明在園林廢棄物堆肥過程中各種理化參數(shù)和微生物代謝作用是類富里酸物質(zhì)形成的控制因素。類富里酸物質(zhì)作為堆肥腐殖質(zhì)過程的關(guān)鍵中間體，主要由聚合物蛋白和低分子量的芳香族酸類物質(zhì)組成[23]。類富里酸物質(zhì)直接影響類腐殖質(zhì)物質(zhì)的生成（PC=1.045），而類腐殖質(zhì)物質(zhì)的生成與堆肥腐熟度呈極顯著正相關(guān)（PC=1）。

3 結(jié)論與討論

本研究明確了園林廢棄物堆肥過程的腐殖化機(jī)制及其影響因素，建立了堆肥理化參數(shù)、DOM 組分特征與堆肥腐熟度指標(biāo)的相互關(guān)系。其中，堆肥理化參數(shù)與類富里酸物質(zhì)的變化呈顯著負(fù)相關(guān)（路徑系數(shù)PC=-0.540）；類蛋白質(zhì)物質(zhì)與類富里酸物質(zhì)呈顯著正相關(guān)（PC=0.618）；林廢棄物堆肥過程中各種理化參數(shù)和微生物代謝作用是類富里酸物質(zhì)形成的控制因素；類富里酸物質(zhì)直接影響類腐殖質(zhì)物質(zhì)的生成（PC=1.045），而類腐殖質(zhì)物質(zhì)的生成與堆肥腐熟度呈極顯著正相關(guān)（PC=1）。這些結(jié)果表明，在園林廢棄物堆肥過程中，微生物和堆肥理化參數(shù)通過直接影響類富里酸物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，間接影響堆肥類腐殖質(zhì)物質(zhì)形成與堆肥腐熟。

圖4 EEM-PARAFAC 鑒定的園林廢棄物堆肥水溶性有機(jī)物的4 種熒光組分Fig. 4 Four fluorescence components obtained by fluorescence excitation-emission matrix spectra combined with parallel factor analysis during agro-forestry wastes composting

圖5 PARAFAC 定量表征堆肥水溶性有機(jī)物4 種組分的最大熒光強(qiáng)度Fig. 5 The maximum fluorescence intensity (Fmax) of four fluorescence components in DOM identified by parallel factor analysis

表2 園林廢棄物堆肥腐殖化過程的關(guān)聯(lián)因素Table 2 Factors associated with humification process of garden waste composting

在自然條件下，園林廢棄物中木質(zhì)纖維素類的碳轉(zhuǎn)化為土壤中腐殖質(zhì)碳的周期很長，而在與雞糞堆肥的堆體中接種高溫發(fā)酵菌劑明顯促進(jìn)了園林廢棄物中木質(zhì)纖維類有機(jī)物的降解，從而縮短腐殖化周期。楊等也報(bào)道雞糞與園林廢棄物共堆肥條件下，高溫環(huán)境有利于微生物的生長與代謝[5]。本研究中堆體50℃以上的高溫持續(xù)160 d 左右，也證實(shí)雞糞和發(fā)酵菌劑的添加有利于園林廢棄物中木質(zhì)纖維素類物質(zhì)的降解，并有效殺堆肥原料中的病原體和雜草籽等有害成分[10]。基于光譜學(xué)方法獲得的DOM 轉(zhuǎn)化特征也表明，雞糞等高含氮有機(jī)物作為園林廢棄物堆肥初始C/N 的輔料，其核心作用機(jī)制則是為微生物代謝提供氮源，并使微生物代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為堆肥腐殖化過程的關(guān)鍵中間體類富里酸物質(zhì)。這也為調(diào)控園林廢棄物等高含碳有機(jī)固廢的堆肥快速腐熟提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。