雞糞添加對(duì)蔬菜廢棄物堆肥腐殖化過程的影響*

張 陸,曹玉博,王惟帥,張新媛,王 選,5,姚培清,劉 雙,王 紅,

馬 林1,2**

(1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3.滄州市青縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 滄州 062650; 4.河北省畜牧總站 石家莊 050030; 5.中國科學(xué)院雄安創(chuàng)新研究院 雄安 071700)

中國蔬菜廢棄物的年產(chǎn)生量高達(dá)2.45 億t,且隨著人口和消費(fèi)需求的急劇增加,產(chǎn)生量將進(jìn)一步加大。蔬菜廢棄物是指蔬菜產(chǎn)品在收獲、加工以及運(yùn)輸過程中丟棄的無商品價(jià)值的根、莖、葉、爛果以及尾菜等。蔬菜廢棄物具有營(yíng)養(yǎng)成分高、有機(jī)質(zhì)含量豐富等特點(diǎn),主要的資源化利用途徑為還田處理,但是,直接還田易造成病原菌等有害物質(zhì)的傳播。好氧堆肥可通過高溫發(fā)酵對(duì)蔬菜廢棄物進(jìn)行無害化處理,殺死蔬菜廢棄物中的蟲卵、病原菌、草籽等,并使廢棄物轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥,是實(shí)現(xiàn)蔬菜廢棄物無害化和資源化的有效措施。其中瓜果類蔬菜生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的藤秧類廢棄物,約占蔬菜總產(chǎn)量的10%～28%,且多被棄置在蔬菜產(chǎn)地,造成了環(huán)境污染,同時(shí)瓜果類蔬菜中間生產(chǎn)過程中易因病蟲害產(chǎn)生大量黃化干枯的藤秧,黃化干枯后的藤秧具有含水量低、木質(zhì)纖維素含量高等特點(diǎn),難以進(jìn)行單獨(dú)堆肥。 雞糞含水量大,C/N 比低,其所含的豐富的活性物質(zhì)對(duì)促進(jìn)堆肥啟動(dòng)起著重要作用。此外,聯(lián)合堆肥可同時(shí)管理不同類型的廢棄物,提高處理效率。

堆肥過程中有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化包括礦化和腐殖化兩種途徑,大分子有機(jī)質(zhì)在堆肥前期被降解為小分子物質(zhì),小分子物質(zhì)或被微生物礦化為CO排放到空氣中,或在堆肥后期通過特定途徑聚合形成腐殖質(zhì);CO過量排放易引起溫室效應(yīng),并降低堆肥產(chǎn)品碳含量。因此,加強(qiáng)腐殖化過程對(duì)減少環(huán)境污染和提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量均具有重要意義。研究表明,雞糞中富含易降解組分和活性微生物,添加雞糞可提高蔬菜廢棄物堆肥過程中微生物的活性,加快木質(zhì)纖維素等有機(jī)質(zhì)組分的降解。木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)物,如多酚和碳水化合物,可作為前體物質(zhì)參與腐殖酸(HA)的形成; 但由于前體物質(zhì)較為簡(jiǎn)單,易被微生物進(jìn)一步礦化,以CO形式排放。然而目前關(guān)于雞糞等易降解活性物質(zhì)添加對(duì)黃化干枯的蔬菜廢棄物堆肥過程中腐殖化的影響尚不清楚。

因此,本試驗(yàn)以黃化干枯的瓜果類蔬菜藤秧為主料,利用實(shí)驗(yàn)室堆肥反應(yīng)裝置進(jìn)行堆肥試驗(yàn),探討了雞糞添加比例(25%、50%)對(duì)瓜秧堆肥過程中有機(jī)質(zhì)降解及腐殖化過程的影響,并明確影響瓜秧堆肥過程中腐熟程度的關(guān)鍵因素,從而為畜禽糞便與蔬菜廢棄物聯(lián)合處理提供新思路,為提高堆肥產(chǎn)品腐殖化程度提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究堆肥試驗(yàn)原料為黃化干枯的甜瓜()秧,取自于河北省滄州市青縣的溫室大棚,將瓜秧切段后粉碎為<5 cm 的小段后用于堆肥。雞糞取自于中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站周邊養(yǎng)殖場(chǎng)。瓜秧與雞糞的基本理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 堆肥材料的理化性狀Table 1 Characters of composting materials

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,采用50 L 不銹鋼堆肥反應(yīng)器裝置進(jìn)行堆肥試驗(yàn)。反應(yīng)器底部和頂部分別置有進(jìn)氣口和出氣口,反應(yīng)器內(nèi)置溫度傳感器,與溫度記錄儀相連,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄溫度數(shù)據(jù),反應(yīng)器系統(tǒng)詳細(xì)描述參考文獻(xiàn)[15]。

堆肥試驗(yàn)以甜瓜秧為主料,雞糞為輔料,旨在探究不同雞糞添加比例對(duì)堆肥腐殖化的影響。共設(shè)置3 個(gè)處理:雞糞添加比例(鮮重計(jì),/)依次為0 (CK)、25% (CM25)和50% (CM50),同時(shí)以水調(diào)節(jié)各處理的初始含水率均至60%左右,物料充分混合均勻后放入發(fā)酵罐中,采用底部供氣的方式,通氣速率設(shè)置為0.01 m?m?min,堆肥發(fā)酵周期設(shè)定為35 d。各處理中物料配比和理化性質(zhì)如表2 所示。

表2 試驗(yàn)處理及初始理化性質(zhì)Table 2 Experimental treatments and initial physicochemical properties

在堆肥第0 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、35 d進(jìn)行翻堆并取樣,共采集7 次樣品。所有樣品采集時(shí),均按照多點(diǎn)取樣法取樣,并將每次采集的樣品進(jìn)行充分混合均勻,將混合樣品分為兩份,一份經(jīng)風(fēng)干后過80 目篩后備用,用于有機(jī)質(zhì)(OM)、總氮(TN)、木質(zhì)纖維素(Lce)、腐殖質(zhì)(HS)、富里酸(FA)、腐殖酸(HA)的測(cè)定; 另一份進(jìn)行?20 ℃冷凍保存,待樣品收集齊后統(tǒng)一進(jìn)行pH、電導(dǎo)率(EC)、發(fā)芽指數(shù)(GI)、含水量(MC)、可溶性有機(jī)碳(DOC)以及水溶性氮(SN)等的測(cè)定。

1.3 樣品分析

堆肥溫度通過固定在堆肥罐體中央的溫度傳感器檢測(cè),每1 h 自動(dòng)記錄1 次; 含水率通過105 ℃烘干法測(cè)得; 新鮮樣品與蒸餾水按1∶10 比例混合,室溫振蕩30 min 后過濾,獲得浸提液,利用pH 計(jì)和電導(dǎo)率儀測(cè)定pH 和EC 值; 發(fā)芽指數(shù)的測(cè)定參考文獻(xiàn)[15],將10 顆水芹()種子和10 mL 堆肥浸提液加入墊有濾紙的培養(yǎng)皿中,培養(yǎng)皿在恒溫(25 ℃)下培養(yǎng)48 h 測(cè)量發(fā)芽數(shù)和根長(zhǎng),同時(shí)以蒸餾水作為空白對(duì)照,GI 的計(jì)算公式如式1 所示:

按上述方式獲得浸提液后,將浸提液過0.45 μm的濾膜,稀釋合適倍數(shù)后用流動(dòng)分析儀(Vario TOCselect,Elementar,Germany)測(cè)定DOC、SN 含量。

有機(jī)質(zhì)(OM)的測(cè)定采用馬弗爐550 ℃灼燒法,灼燒后剩余部分為灰分; 全氮(TN)含量采用凱氏定氮法測(cè)定; 木質(zhì)纖維素含量采用范式洗滌法; 有機(jī)質(zhì)損失及木質(zhì)纖維素降解公式如式2 所示:

式中:為有機(jī)質(zhì)或木質(zhì)纖維素降解率(%),1、2為初始和最終灰分含量,1、2 為初始和最終有機(jī)質(zhì)或木質(zhì)纖維素含量。

腐殖質(zhì)(HS)含量及組分(HA、FA)測(cè)定采用絮凝容量法,腐殖化指數(shù)(HI)、聚合度(DP)計(jì)算如公式4、公式5 所示:

式中:為腐殖質(zhì)-碳含量,為腐殖酸-碳含量,為富里酸-碳含量,TOC 為總有機(jī)碳含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和圖表繪制,采用SPSS 21.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行顯著性和相關(guān)性分析,冗余分析采用R version 4.0.2 中vegan 包制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 雞糞添加比例對(duì)堆肥過程中理化性質(zhì)的影響

堆體的溫度變化可體現(xiàn)微生物代謝活動(dòng)的強(qiáng)弱,是反映堆肥進(jìn)程的重要標(biāo)志,根據(jù)溫度可將堆肥劃分為:升溫期、高溫期(>55 ℃)、降溫期和腐熟期。如圖1a 所示,在以干瓜秧為主料的堆肥過程中,堆體在堆肥開始的第1 d 內(nèi)均開始升溫,而CK 處理升溫緩慢,且CM25 和CM50 處理溫度高于CK,表明添加雞糞利于堆肥的啟動(dòng)。CM25 和CM50 處理溫度在第1 d 內(nèi)即達(dá)到峰值,分別為66 ℃和68 ℃,且高溫期持續(xù)時(shí)間可達(dá)7 d; 而CK 處理整個(gè)堆肥過程中最高溫度僅能達(dá)到55 ℃,且僅能保持1 d。在好氧堆肥過程中,堆體中的細(xì)菌、真菌等微生物分解有機(jī)物過程中會(huì)釋放熱量、形成高溫環(huán)境,從而達(dá)到殺滅病原菌的目的。CM25 和CM50 處理在55 ℃以上均保持了7 d,達(dá)到了堆肥化標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 36195?2018)。所有處理在14 d 后溫度不再上升,表明易降解物質(zhì)消耗殆盡,微生物活動(dòng)減少,堆肥進(jìn)入腐熟期。整體來講,添加雞糞提供了更多的可利用有機(jī)質(zhì),利于堆肥的啟動(dòng),顯著提高了堆體溫度并延長(zhǎng)高溫持續(xù)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)無害化。

pH 同樣是影響堆肥的一個(gè)重要因素,pH 過高或過低均不利于微生物的生長(zhǎng)。堆肥過程中,微生物降解活性的最佳pH 為7～8。如圖1b 所示,堆肥過程中3 個(gè)處理的pH 整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),在堆肥開始的前3 d,pH 均出現(xiàn)快速上升的現(xiàn)象,主要是由于前期有機(jī)氮礦化和有機(jī)酸降解所導(dǎo)致,而隨后NH的揮發(fā)導(dǎo)致pH 降低; 堆肥后期,pH 的緩慢上升可能由于部分有機(jī)酸的降解。所有處理最終的pH值穩(wěn)定在8.5 左右,達(dá)到成熟堆肥產(chǎn)品的普遍要求。

可溶性有機(jī)碳(DOC)為高活性的有機(jī)碳組分,大分子有機(jī)碳可通過水解作用形成DOC,DOC 可直接被微生物消耗利用或通過聚合作用形成大分子腐殖質(zhì)物質(zhì),其轉(zhuǎn)化可反映出堆肥物料可降解的強(qiáng)度和堆肥進(jìn)程,如圖1c 所示,初始物料的DOC 含量隨著雞糞添加比例的增加而增加,這在一定程度上解釋了添加雞糞后堆體升溫加快的原因,即添加雞糞提高了物料初始可利用碳含量和微生物活性。堆肥前3 d,DOC 含量均呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì),表明前期微生物活性較高,消耗了大部分的DOC,第3 d 時(shí)3個(gè)處理的DOC 含量已下降至相同水平,而隨后木質(zhì)纖維素等難降解組分的降解促進(jìn)了DOC 的形成,導(dǎo)致濃度出現(xiàn)回升現(xiàn)象; 而后7～21 d,CM50 處理的DOC 含量高于CK、CM25 處理,由于此期間CM50 處理木質(zhì)纖維素降解率較高(圖2b),形成了更多DOC(圖1c),而CM25 處理DOC 濃度較低,可能是DOC 中腐殖酸前體物聚合形成了腐殖酸,這與腐殖酸的變化規(guī)律也相符合(圖3c)。雞糞添加比例的增加同樣提高了初始水溶性氮(SN)的含量(圖1d),前期有機(jī)氮的礦化增加了SN 含量,而隨著氮素?fù)p失(NH揮發(fā)、NO 排放)以及微生物固持和腐殖化作用,SN 含量逐漸下降,整個(gè)堆肥過程中,添加雞糞處理(CM25、CM50)的水溶性氮的變化相對(duì)較小,可能由于添加雞糞增加了微生物量,微生物對(duì)無機(jī)氮的釋放和固持作用穩(wěn)定了堆肥中的無機(jī)氮庫。

圖1 添加不同比例雞糞下堆肥過程中的理化性質(zhì)變化Fig.1 Variations of physicochemical properties during composting under different addition rates of chicken manure

C/N 是影響堆肥過程和堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。如圖1e 所示,堆肥物料初始C/N 分別為16.47、15.76 和15.27,添加雞糞降低了初始物料的C/N,但影響相對(duì)較小,是由于雞糞添加按照鮮重計(jì)算,而實(shí)際加入的干物質(zhì)量相對(duì)較少,堆肥前3 d C/N 比呈現(xiàn)上升現(xiàn)象,主要是由于前期NH的揮發(fā)量較高,造成了氮素的大量損失,隨后氮素?fù)p失減少,碳素?fù)p失相對(duì)較多,C/N 呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),3 個(gè)處理最終C/N 分別降至13.44、 13.23 和10.48,CM50 處理的最終C/N 顯著低于CK 和CM25 處理(<0.01),是由于CM50 處理總有機(jī)質(zhì)損失率較高所致(圖2c)。堆肥物料的總C/N 變化易受到有機(jī)質(zhì)組成成分的影響,尤其是木質(zhì)纖維素等難降解組分,而堆肥中的生化反應(yīng)主要發(fā)生在水相中,微生物可直接利用水溶性碳氮組分,因此相比較于總C/N,可溶性C/N 更適合作為衡量堆肥穩(wěn)定性的指標(biāo),2 個(gè)處理的可溶性C/N 在整個(gè)堆肥過程中呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)(圖1f),最終堆肥產(chǎn)品的可溶性C/N 穩(wěn)定在5～6,堆肥產(chǎn)品已達(dá)穩(wěn)定水平。

2.2 雞糞添加比例對(duì)堆肥過程中有機(jī)質(zhì)組分降解的影響

如圖2a 所示,有機(jī)質(zhì)(OM)在堆肥0～14 d 降解較快,這與溫度變化特征相符合。3 個(gè)處理的有機(jī)質(zhì)降解率分別達(dá)54%、53%、64% (圖2c),其中CM25處理降解率較低,與其腐殖化作用較強(qiáng)有關(guān),而CM50 處理有機(jī)質(zhì)降解率最高。CM50 處理在14～21 d之間有機(jī)質(zhì)呈明顯降低趨勢(shì),是由于添加50%的雞糞提供了大量的活性微生物和易降解組分,木質(zhì)纖維素等難降解組分被微生物降解成小分子有機(jī)質(zhì);且此期間SN 含量降低較小,在較高的SN 環(huán)境下有機(jī)質(zhì)被微生物進(jìn)一步礦化分解,最終以CO的形式損失,表明堆肥中SN 等活性物質(zhì)是影響堆肥后期微生物礦化及同化合成的關(guān)鍵因素。

木質(zhì)纖維素主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3 種組分,其中纖維素和半纖維素被木質(zhì)素所包裹,從而限制了微生物對(duì)纖維素降解和轉(zhuǎn)化。瓜秧堆肥過程,木質(zhì)纖維素組分在前3 d 呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)(圖2b),主要由于前期易降解組分先被微生物利用轉(zhuǎn)化,從而導(dǎo)致木質(zhì)纖維素濃度升高; 木質(zhì)纖維素在3～7 d 內(nèi)降解率最高,隨后降解趨勢(shì)趨于平緩,3 個(gè)處理木質(zhì)纖維素降解率分別達(dá)到59%、61%和69%(圖2c)?？梢婋u糞添加量越高,木質(zhì)纖維素的降解率越高,表明雞糞添加可提高堆肥過程中的微生物活性,加快了難降解組分的降解。

圖2 添加不同比例雞糞下堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量及木質(zhì)纖維素含量的變化Fig.2 Variation of organic matter content and lignocellulose content during composting under different addition rates of chicken manure

2.3 雞糞添加比例對(duì)堆肥過程中腐殖質(zhì)組分的影響

腐殖質(zhì)(HS)是在微生物和酶的作用下形成的具有不同分子量的有機(jī)聚合物,除具有改善土壤性質(zhì),增加土壤肥力的作用外,同時(shí)能夠吸附土壤重金屬和有機(jī)污染物等功能。腐殖質(zhì)(HS)主要包含腐殖酸(HA)和富里酸(FA)兩種組分,其中HA 為大分子復(fù)合物,活性相對(duì)穩(wěn)定,而FA 分子量較小,活性較高,可被微生物分解利用。本研究表明,初始堆肥物料中,FA 為HS 的主要組分。各處理的HS 含量在堆肥前期呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)(圖3a),這主要與FA 含量的急劇下降有關(guān); 隨后,HS 含量呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì),可能由于HA 的生成量低于FA 的降解量,這與Zhou 等的研究結(jié)果相似。在堆肥產(chǎn)品中,CK、CM25、CM50 處理的HS 含量分別為90 g?kg、98 g?kg和84 g?kg,其中CM25 處理的HS 含量最高,表明添加25%的雞糞促進(jìn)了腐殖質(zhì)的形成。

FA 的變化趨勢(shì)與HS 的變化趨勢(shì)相似,如圖3b所示,FA 在整個(gè)堆肥過程中逐步下降,3 個(gè)處理的FA含量分別從最初的138 g?kg、155 g?kg和152 g?kg降解至40 g?kg、22 g?kg和32 g?kg,FA 作為易降解組分,在堆肥過程中可被微生物分解利用或被聚合轉(zhuǎn)化為HA。在堆肥產(chǎn)品中,CM25 和CM50 處理的富里酸含量低于CK 處理,表明添加雞糞加快了FA 的降解與轉(zhuǎn)化。

HA 含量在整個(gè)堆肥過程中呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢(shì)(圖3c),CM25 處理最終堆肥產(chǎn)物的HA 含量達(dá)到77 g?kg,顯著高于CK (49 g?kg)和CM50 (52 g?kg)處理(<0.01)。表明CM25 處理的腐殖化過程較強(qiáng),添加一定量的雞糞增加了木質(zhì)纖維素的降解形成腐殖酸前體物,并加劇了腐殖酸前體物質(zhì)聚合形成HA,這也解釋了為何CM25 處理中FA、DOC 和SN 含量較低。而CM50 處理木質(zhì)纖維素降解率較高,但HA含量卻相對(duì)較低,表明雞糞的添加過多,微生物代謝活性較強(qiáng),木質(zhì)纖維素降解形成的腐殖質(zhì)前體物多被微生物降解生成CO,這與OM 的降解現(xiàn)象相符合。

圖3 添加不同比例雞糞下堆肥過程中腐殖質(zhì)組分的變化Fig.3 Variation of humus component during composting under different addition rates of chicken manure

2.4 雞糞添加比例對(duì)腐熟程度的影響

以目前常用的腐殖化指數(shù)(HI)、聚合度(HA/FA)、發(fā)芽指數(shù)(GI)表征堆肥產(chǎn)品的腐熟程度(圖4a),各處理的HI 隨堆肥的進(jìn)行呈穩(wěn)步上升的趨勢(shì),反映了有機(jī)碳發(fā)生了強(qiáng)烈的腐殖化作用,在堆肥結(jié)束時(shí),CK、CM25 和CM50 處理的HI 分別為8.3%、13.7%和10.8%,這與前人研究的20%有所差異,主要是由于物料原料的不同。腐殖酸與富里酸的比率(HA/FA)表證HA 和FA 轉(zhuǎn)化的相對(duì)速率,常被用于描述腐殖質(zhì)組分聚合度,HA/FA>1.9 時(shí)表明堆肥達(dá)到腐熟和穩(wěn)定。如圖4b 所示,3 個(gè)處理的HA/FA均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),但僅有CM25 處理增長(zhǎng)速率較快,在堆肥結(jié)束時(shí)(HA/FA=3.5)達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)芽指數(shù)(GI)可有效反映堆肥產(chǎn)品的生物毒性,是最常用的判斷堆肥無害化和腐熟度的指標(biāo),一般認(rèn)為GI>50%,即可認(rèn)為堆肥基本無毒性,當(dāng)GI>80%,可認(rèn)為堆肥完全腐熟。如圖4c 所示,以干瓜秧為主料的堆肥過程中,CK、CM25、CM50 處理的GI 均達(dá)50%以上,且CM25 處理的GI 最高,達(dá)88%,而CM50 處理的GI 相對(duì)較低,由于過量添加雞糞(CM50)在提高易降解有機(jī)質(zhì)含量的同時(shí)也會(huì)增加抑制種子萌發(fā)的毒性物質(zhì),大部分毒性物質(zhì)雖能隨著堆肥進(jìn)行被逐漸降解,但仍會(huì)存留部分毒性物質(zhì)對(duì)種子萌發(fā)產(chǎn)生一定的抑制?？傮w來講,多種腐熟指標(biāo)均表明,CM25 處理效果最佳,堆肥產(chǎn)品達(dá)到完全腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 添加不同比例雞糞下堆肥過程中腐熟程度的變化Fig.4 Variation of maturity degrees during composting under different addition rates of chicken manure

2.5 腐熟程度與各理化參數(shù)之間的關(guān)系

采用冗余分析(RDA)分析了各理化參數(shù)與腐熟程度之間的關(guān)系(圖5a),各指標(biāo)間的夾角為銳角時(shí)表示呈現(xiàn)正相關(guān)性關(guān)系,為鈍角時(shí)表示呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性,為直角時(shí)表示無相關(guān)性。在本研究中,RDA 的兩個(gè)軸解釋說明各理化性質(zhì)與腐熟程度之間差異的78%,其中DOC、木質(zhì)纖維素(Lce)、HA、FA 是影響腐熟程度的最主要因素(圖5b),DOC、Lce、FA與發(fā)芽指數(shù)(GI)、腐質(zhì)化指數(shù)(HI)、HA/FA 之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明DOC、Lce、FA 的降解有助于堆肥的腐熟,HA 與HI、HA/FA 之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性(<0.01),但與GI 之間的相關(guān)性卻并不明顯,可能由于GI 主要是評(píng)價(jià)堆肥植物毒性的標(biāo)準(zhǔn),而抑制種子生根發(fā)芽的因素主要為氨和低分子量的有機(jī)化合物。本研究結(jié)果也表明GI 與SN 和DOC 呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系?？傮w而言,加快木質(zhì)纖維素、DOC 和FA 的降解以及HA 的形成是促進(jìn)堆肥腐熟的關(guān)鍵。

圖5 堆肥腐熟程度與各理化參數(shù)之間的關(guān)系 (a:理化性質(zhì)與腐熟程度之間冗余分析; b:理化因子對(duì)腐熟程度解釋方差百分比)Fig.5 Relationship between maturity degree of decomposition and physical and chemical parameters (a:redundancy analysis between physicochemical properties and maturity degre; b:percentage of variance explained by physicochemical properties to maturity degree)

3 討論

蔬菜廢棄物種類繁多,且理化性質(zhì)差異較大,而黃化干枯的蔬菜秧木質(zhì)纖維素含量高,含水率低,同時(shí)自身缺乏微生物源和可利用的碳氮源,因此,針對(duì)黃化干枯的蔬菜秧堆肥,添加一定的外源輔料是必不可少的。龔建英等、霍凱麗等研究均表明,添加雞糞可加快蔬菜廢棄物堆肥進(jìn)程,加入雞糞后堆體的溫度有了明顯提高,且堆肥產(chǎn)品最終的發(fā)芽指數(shù)增加9.1%～23.5%。本試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象,添加25%、50%雞糞的處理堆體溫度均達(dá)65 ℃以上,達(dá)到蔬菜廢棄物中病原菌的致死溫度,同時(shí)也加快了木質(zhì)纖維素等難降解組分的降解?？梢?添加雞糞對(duì)促進(jìn)黃化干枯蔬菜秧堆肥具有積極意義,這主要與添加雞糞提高了堆體中的微生物活性有關(guān),添加雞糞主要通過兩種方式提高了堆體的微生物活性:一是雞糞自身富含大量的微生物,添加雞糞相當(dāng)于向蔬菜廢棄物中接種了外源微生物; 二是雞糞中含有微生物易降解利用的有機(jī)碳、氮組分(DOC、SN),能夠加快微生物的繁殖代謝,從而提高了微生物的活性。此外,雞糞的添加量越高,初始物料DOC、SN 含量也越高,堆肥初期溫度和木質(zhì)纖維素的降解率也越高。

然而,在蔬菜秧好氧堆肥過程中,既要考慮有機(jī)質(zhì)降解過程,以促進(jìn)堆體升溫實(shí)現(xiàn)無害化,同時(shí)要兼顧腐殖化過程,在實(shí)現(xiàn)無害化的前提下,盡量提高堆肥產(chǎn)品的腐殖酸含量。本研究發(fā)現(xiàn),雞糞添加量越高時(shí),木質(zhì)纖維素的降解雖呈現(xiàn)增加現(xiàn)象,但腐殖酸的含量并未與雞糞添加量呈現(xiàn)正相關(guān),僅添加25%的雞糞處理提高了堆肥產(chǎn)品的腐殖酸含量。Bai 等比較了牛糞添加量對(duì)沼渣堆肥腐殖化過程的影響,發(fā)現(xiàn)添加6.7%的牛糞(干重計(jì))最有利于促進(jìn)木質(zhì)纖維素向腐殖酸的轉(zhuǎn)化,這與本研究添加25% (干重計(jì)為8%)結(jié)果相似。因此添加雞糞可以解決黃化干枯的蔬菜秧單獨(dú)堆肥過程中存在的難題,但過量添加可能會(huì)使微生物活性較強(qiáng),在促進(jìn)木質(zhì)纖維素降解的同時(shí)也導(dǎo)致降解中間產(chǎn)物被微生物代謝利用并形成CO,不利于腐殖化,并引起碳素?fù)p失; 此外,過量添加易降解有機(jī)質(zhì)或過量接種微生物同樣可能不利于腐殖化的進(jìn)行,但過量的標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步研究,且針對(duì)不同物料可能存在一定差異。本研究提出了蔬菜秧與雞糞的聯(lián)合堆肥工藝,為優(yōu)化蔬菜秧堆肥,提高腐殖酸含量,減少有機(jī)質(zhì)損失提供理論支持,但雞糞添加對(duì)蔬菜秧堆肥過程中各種腐殖質(zhì)前體物以及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響仍需進(jìn)一步深入研究; 同時(shí),木質(zhì)纖維素的降解與腐殖酸的形成也并非呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,如何加強(qiáng)木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)物向腐殖酸的定向轉(zhuǎn)化應(yīng)成為未來的研究方向。

4 結(jié)論

木質(zhì)纖維素的降解是蔬菜廢棄物堆肥的限速步驟,本研究結(jié)果表明雞糞添加可加速木質(zhì)纖維素降解; 其中添加25%雞糞可提高堆肥無害化和腐殖化程度,提高堆肥質(zhì)量:

1)瓜秧堆肥過程中,添加雞糞可提高初始可利用碳氮含量,提高微生物活性,加快堆體升溫; 同時(shí)將高溫(>55 ℃)持續(xù)時(shí)間由1 d 延長(zhǎng)至7 d 左右,達(dá)到無害化要求,且堆肥產(chǎn)品pH、碳氮比均達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

2)適量雞糞的添加(25%)加快了木質(zhì)纖維素降解形成腐殖酸前體物,促進(jìn)了腐殖酸的形成; 而過量雞糞添加(50%),促進(jìn)木質(zhì)纖維素降解的同時(shí),并未提高堆肥產(chǎn)品中腐殖酸的含量,可能由于大量雞糞添加增加了堆體中活性碳氮含量,木質(zhì)纖維素降解形成的腐殖酸前體物更多地被微生物利用并被完全礦化而損失。

3)添加25%雞糞,可提高腐殖化指數(shù)、聚合度和發(fā)芽指數(shù),達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。冗余分析結(jié)果表明,可溶性碳、富里酸和木質(zhì)纖維素的降解以及腐殖酸的形成是促進(jìn)堆肥腐熟的關(guān)鍵。

綜上,本研究闡明了雞糞添加比例對(duì)蔬菜廢棄物堆肥過程中有機(jī)質(zhì)降解及腐殖化過程的影響,即添加雞糞可提高物料中的活性碳氮含量,加快木質(zhì)纖維素的降解,但過量添加會(huì)增加有機(jī)質(zhì)的完全礦化損失,適量添加可促進(jìn)腐殖酸的形成,提高堆肥腐熟度。因此,適量添加雞糞是加快瓜秧堆肥過程中木質(zhì)纖維素降解并促成腐殖酸形成的關(guān)鍵,為工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。