煙草易降解有機(jī)廢棄物田間就地堆肥方式的篩選

邸慧慧，蔡章春，余鳳敏，曾培芳，文 濤,陶德欣*

(1.湖北省煙草公司恩施州公司，湖北 恩施 445000；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；3.湖北民族大學(xué) 林學(xué)園藝學(xué)院，湖北 恩施 445000)

隨著卷煙工業(yè)企業(yè)對(duì)煙葉品質(zhì)需求的不斷提高，全國(guó)煙葉產(chǎn)區(qū)都在推行不適用煙葉田間處理工作，以?xún)?yōu)化煙葉結(jié)構(gòu)、提高煙葉品質(zhì)[1-4].這就使得田間產(chǎn)生巨量的廢棄鮮煙葉并呈逐年增加趨勢(shì)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)全國(guó)每年產(chǎn)生近100萬(wàn)t(鮮質(zhì)量)的煙田廢棄物.實(shí)際上廢棄鮮煙葉含有豐富的營(yíng)養(yǎng)元素，其干物質(zhì)中含有豐富的N源，如蛋白質(zhì)占10%左右；另外還含有豐富的礦物質(zhì)，約為干物質(zhì)的5%～10%，其中K占0.44%～0.53%[5].這些廢棄鮮煙葉中含有大量的蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素和脂肪等有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[6-8]，但如果任其腐爛極易引起周?chē)鸁熖锊∠x(chóng)害的發(fā)生，對(duì)植煙土壤造成污染.目前國(guó)內(nèi)外多集中于煙草工業(yè)廢棄物的堆肥研究，并且大部分基于較高要求的發(fā)酵設(shè)備及復(fù)雜的發(fā)酵工藝，而針對(duì)田間產(chǎn)生的易降解有機(jī)廢棄物(不適用鮮煙葉、煙花、煙杈)方面的堆肥研究多處于探索階段[9-12]，尋找一種易于推廣應(yīng)用的不適用煙葉資源化利用技術(shù)對(duì)煙葉生產(chǎn)具有重要意義.田間堆肥是對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行循環(huán)利用，回收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，減少碳排放[13]，并且技術(shù)簡(jiǎn)單、成本低廉，為農(nóng)民易于接受、能自給且可靠的一種改善土壤質(zhì)量的生態(tài)技術(shù).這種方式生產(chǎn)出的堆肥，可以改善土壤結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性[14]，加速養(yǎng)分動(dòng)員，為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分(氮、鉀等)[15]，還可改善土壤微生物環(huán)境[16]，抑制土壤病原體傳播.已有研究表明，采用好氧固態(tài)發(fā)酵法處理有機(jī)廢棄物，所得生物有機(jī)肥對(duì)改良土壤，培育壯苗具有良好效果[17-21].因此，針對(duì)煙田中產(chǎn)生的大量不適用鮮煙葉、煙花、煙杈進(jìn)行就地堆肥方式的篩選研究，尋找一種綠色、高效、成本低廉的資源循環(huán)利用方式，可為實(shí)現(xiàn)煙草農(nóng)業(yè)循環(huán)發(fā)展、綠色發(fā)展及煙草企業(yè)“降本增效”探索出一條具有推廣應(yīng)用前景的資源化利用途徑.

表1 堆肥方式與取樣時(shí)間Tab.1 Composting methods and sampling times

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1) 材料準(zhǔn)備：2020年6-7月在湖北恩施“清江源”現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)科技園區(qū)，以煙田中產(chǎn)生的鮮煙葉及煙葉生產(chǎn)中產(chǎn)生的煙花、煙杈為原料，并將原料堆積在一處，開(kāi)展田間就地堆肥.堆肥的添加劑分別為堆肥地塊耕層土壤、菜籽餅肥、過(guò)磷酸鈣.

2)儀器與設(shè)備：TU-1901紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，Hitachi F-4600熒光分光光度計(jì)，超聲波儀，恒溫水浴鍋.

1.2 堆肥方法

1) 堆肥方式.① 開(kāi)溝法：在田間挖寬20 cm，深20 cm的“十”字形條溝，后先用樹(shù)枝支撐再覆蓋雜草，鋪一層薄土，堆放20 cm左右高的鮮煙葉，再根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)堆置10 cm左右的土壤或土壤+添加劑，如此往復(fù)，堆置結(jié)束后留相鄰兩個(gè)通風(fēng)口，蓋好黑色塑料布，堆體約長(zhǎng)2 m、寬2 m、高1.2 m.堆置5 d后進(jìn)行翻堆，使鮮煙葉等與土壤充分混合，后靜置10個(gè)月，翻堆待用.② 裸地直堆法：在耕地上直接進(jìn)行堆肥，堆肥方法是不適用煙葉與土壤等添加劑按照體積比2∶1循環(huán)向上堆積，堆置結(jié)束后，不預(yù)留通風(fēng)口，用黑色塑料布蓋好，堆體約長(zhǎng)2 m、寬2 m、高1.2 m.堆置5 d后進(jìn)行翻堆，使鮮煙葉等與土壤充分混合，后靜置10個(gè)月，翻堆待用.

2) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與取樣.試驗(yàn)共堆置堆肥7堆，堆肥方式、取樣時(shí)間及樣品命名如表1所示.堆體M和堆體T分別在堆置的0、5、30、60 d取樣，堆體XT1～XT5分別在0和60 d取樣.取樣方法是均勻地從堆體內(nèi)部，采用多點(diǎn)取樣，然后混合均勻.樣品在陰涼處自然風(fēng)干、粉碎后用于測(cè)定總腐殖酸(total humus,HS)、游離腐殖酸(free humus,FHS)、水溶性腐殖酸(water-soluble humus,WSHS)及胡敏酸(Humic acid,HA)、富里酸(fulvic acid,FA)，各腐殖酸含量均以碳含量計(jì).

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1) OD540值.稱(chēng)取0.4 g堆肥樣品于25 mL離心管中，加入10 mL NaOH溶液，超聲波儀器震蕩10 min/次，震蕩3次后靜置沉淀，95 ℃水浴保溫1 h，保溫結(jié)束后立即用冷水終止反應(yīng).用TU-1901可見(jiàn)-紫外分光光度計(jì)測(cè)定其540 nm處的吸光度即OD540[22]，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.

2) 葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度.稱(chēng)取0.5 g堆肥樣品于試管當(dāng)中，加入10 mL 95%酒精溶液，輕輕震蕩5～10 s，避免樣品在底部沉淀，超聲波震蕩5 min，用0.45 μm濾膜過(guò)濾，濾液避光保存，熒光分光光度計(jì)測(cè)定，記錄低于Ex 450 nm、Em 670 nm的波峰值[23]，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.

3) 腐殖化指數(shù)(HIX)和熒光指數(shù)(FI).稱(chēng)取堆肥樣品0.5 g于10 mL的純水中，超聲波震蕩5 min后，4 000 r/min離心4 min，取上清液，過(guò)0.45 μm濾膜，熒光分光光度計(jì)測(cè)過(guò)濾液熒光強(qiáng)度(DOM).腐殖化指數(shù)(HIX)[24]為激發(fā)波長(zhǎng)λex=254 nm、發(fā)射波長(zhǎng)435～480 nm與300～345 nm波段內(nèi)的熒光強(qiáng)度積分值比率.熒光指數(shù)(FI)[25]是指激發(fā)波長(zhǎng)λex=370 nm、發(fā)射波長(zhǎng)450 nm與500 nm處的熒光強(qiáng)度比值，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.

圖1 堆肥方式及時(shí)間對(duì)堆肥的OD540的影響Fig.1 Changes of OD540 value of compost in different composting methods

圖2 不同堆肥方式過(guò)程中堆肥的腐殖化指數(shù)變化Fig.2 Changes of humification index of compost in different composting methods

2 結(jié)果與分析

2.1 OD540值

由圖1可知，堆體M的OD540值隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增加后略有降低的趨勢(shì)，腐殖化程度高于其他處理；堆體T的OD540值隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加且規(guī)律性顯著；堆置60 d時(shí)XT1至XT5樣本的OD540值僅XT2-2顯著高于XT2-1，其他處理差異性較小，XT5 0～60 d OD540值最低.由此可知，堆M(帶基質(zhì)的廢棄煙苗堆肥)腐殖化程度最高；堆T(裸地鮮煙葉+土壤)腐殖化程度隨堆肥時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增加；堆置60 d，堆XT2腐殖化程度顯著高于堆XT1，裸地+菜籽餅肥較開(kāi)溝+菜籽餅肥腐殖化程度更高；開(kāi)溝與裸地對(duì)加過(guò)磷酸鈣的堆肥影響較??；裸地直接堆置的純煙葉腐殖化程度最低，效果最差.

2.2 腐殖化指數(shù)

腐殖化指數(shù)(HIX)是指腐殖質(zhì)中胡敏酸(HA)和富里酸(FA)的比值，腐殖化指數(shù)越大，表明胡敏酸相對(duì)于富里酸的量越大.胡敏酸又稱(chēng)為腐殖酸，是腐殖質(zhì)的主要組成部分，它不是一個(gè)單一的酸，而是一個(gè)復(fù)雜含有多種官能團(tuán)的混合物，在自然界中常與離子形成絡(luò)合物.由圖2可知，堆T的腐殖化指數(shù)隨堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，堆置60 d較30 d其腐殖化指數(shù)增加率達(dá)到了118.09%；XT1至XT5在堆肥60 d時(shí)，除XT2以外，其他各處理的腐殖化指數(shù)均較初始階段降低，由此說(shuō)明，XT2在60 d時(shí)胡敏酸含量增加，腐熟程度較高，而其他處理的富里酸含量增加，腐熟程度處于較低水平.由此可知，堆置60 d時(shí)，處理T的堆肥方式腐殖化程度最高；處理XT5堆肥方式腐殖化程度最弱；處理M腐殖化程度變化較??；處理XT2堆肥方式腐殖化程度高于XT堆肥方式的其他處理.

2.3 熒光指數(shù)

由圖3可知各樣本的FI均小于1.9，因此樣本中的有機(jī)碳均是由細(xì)菌和真菌降解或土壤中動(dòng)植物殘?bào)w腐爛形成的陸地源DOM.生物源主要是類(lèi)蛋白類(lèi)成分，由活的生物活動(dòng)形成.由此可知，不同的堆肥方式腐殖質(zhì)的主要來(lái)源是煙葉的腐爛及土壤中的細(xì)菌和真菌而非其他活的生物.

圖3 堆肥方式及時(shí)間對(duì)堆肥的熒光指數(shù)影響Fig.3 Changes of composting fluorescence index in different composting methods

圖4 堆肥方式及時(shí)間對(duì)堆肥的葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度的影響Fig.4 Changes of chlorophyll content in compost under different composting methods

表2 不同堆肥方式的耗時(shí)成本Tab.2 Time cost of different composting methods

表3 不同堆肥方式的最高溫度及維持時(shí)間Tab.3 Maximum temperature and maintenance time of different composting methods

2.4 葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度

由圖4可知，堆體M隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)，堆肥中葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度逐漸增加；堆體T早期堆肥中葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度較低，在發(fā)酵后期葉綠素顯著增加；堆體XT3、XT4、XT5堆置前期及后期的葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度均較低.堆體XT1堆置前后堆肥中葉綠素變化較?。欢洋wXT2為異常值.由此可見(jiàn)，隨著堆肥時(shí)間的變化，堆體M、T中的植物腐爛，細(xì)胞被破壞，葉綠素滲出，堆肥的葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度增加.堆體XT1、XT3、XT4、XT5中植物腐爛程度變化較小，堆肥的葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度較低.

2.5 堆肥成本

田間堆置7堆體積為長(zhǎng)2 m、寬2 m、高1.2 m的堆肥，記錄不同堆肥方式堆置一堆所消耗的時(shí)間，如表2所示.廢棄煙苗為主要原料的堆肥，由于原料來(lái)源集中，所以收集材料所耗時(shí)間較短；開(kāi)溝堆置，挖溝等操作每堆需要消耗0.67 h；堆置過(guò)程中，添加除土壤外的添加劑會(huì)增加堆置的時(shí)長(zhǎng)，而直接在裸地堆置煙葉耗時(shí)最少；翻堆過(guò)程中，以純煙葉裸地堆置耗時(shí)最少，其次為廢棄煙苗堆置，再次為裸地?zé)熑~堆置，最后為開(kāi)溝煙葉堆置.不同的煙葉堆肥方式每堆的總耗時(shí)長(zhǎng)為裸+葉<裸+葉+土<裸+葉+土+肥<裸+葉+土+磷<溝+苗+土<溝+葉+土+磷<溝+葉+土+肥.

2.6 堆肥最高溫度

煙草易降解有機(jī)廢棄物不同的堆肥方式最高溫度及維持時(shí)間如表3所示，各處理的最高溫度均高于45 ℃，45 ℃以上高溫維持時(shí)間為裸地直接堆置高于開(kāi)溝堆置.由此可見(jiàn)，裸地直接堆置有利于堆體溫度的升高及增加高溫維持時(shí)間.

3 討論與結(jié)論

“打青積肥”是中國(guó)在化學(xué)肥料不發(fā)達(dá)時(shí)期農(nóng)田獲取肥料的主要方式.當(dāng)今，由于復(fù)合肥工業(yè)的快速發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越依賴(lài)復(fù)合肥，農(nóng)田也由于長(zhǎng)期依賴(lài)復(fù)合肥造成土壤嚴(yán)重退化，由此帶來(lái)一系列的生產(chǎn)問(wèn)題.煙草農(nóng)業(yè)受地域與生產(chǎn)水平限制，植煙土壤退化嚴(yán)重，煙草根莖部病害連年爆發(fā)，造成煙草連片死亡，已經(jīng)成為迫在眉睫的問(wèn)題.減少煙田復(fù)合肥投入，增施有機(jī)肥，是改良植煙土壤毋庸置疑的選擇.能夠在煙田中自生產(chǎn)出一種成本低、效果好、可持續(xù)的有機(jī)肥，是增施有機(jī)肥改良土壤措施的最佳選擇.煙田自產(chǎn)的煙草廢棄物，鮮煙葉中養(yǎng)分含量較高，尤其是鉀含量，堆肥中的腐殖質(zhì)具有抗病、促生長(zhǎng)的作用，通過(guò)“打青積肥”的這種方式將煙田中廢棄鮮煙葉轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的循環(huán)利用，減少煙田復(fù)合肥投入，將對(duì)煙草農(nóng)業(yè)產(chǎn)生重要意義.一般認(rèn)為，煙草廢棄物應(yīng)帶出煙田避免還田，以防造成病害傳播，但已有研究表明，腐殖質(zhì)具有刺激土壤微生物生長(zhǎng)、刺激植物代謝、促進(jìn)氮等礦質(zhì)元素的吸收、提高植物自然抗病等功能[26].

本研究通過(guò)對(duì)堆肥中的腐殖質(zhì)含量進(jìn)行研究，篩選出能夠在煙區(qū)推廣應(yīng)用的最佳堆肥方式.OD540代表著堆肥的腐殖化程度，直接影響著堆肥的質(zhì)量，腐殖化越高，堆肥品質(zhì)越好.熒光指數(shù)能為認(rèn)識(shí)DOM的組成和性質(zhì)提供有效的信息.通過(guò)對(duì)堆肥的OD540值及DOM的腐殖化指數(shù)、熒光指數(shù)和葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度變化分析，以及用工成本、最高溫度、高溫持續(xù)時(shí)長(zhǎng)等內(nèi)容綜合分析.堆M中含有大量的育苗基質(zhì)，因此其腐殖化程度顯著高于煙葉堆肥.堆T為裸地鮮煙葉加土壤堆肥，其隨時(shí)間變化顯著，效果較好；堆XT1～XT5，由于嚴(yán)格開(kāi)溝和裸地比較，減少非必要的干擾，在堆置60 d原料被充分轉(zhuǎn)化后進(jìn)行取樣.堆體XT2后期腐殖化程度顯著增加，可能是與菜籽餅肥腐殖質(zhì)含量較高相關(guān)；堆體XT3、XT4差異較??；堆體XT5為裸地?zé)熑~直接堆置，腐殖化程度變化最小，而且其值較低.因此，煙草易降解有機(jī)廢棄物的田間堆肥以裸地?zé)熗粱旌隙阎米顑?yōu)，淘汰純煙葉裸地直接堆置，其他堆肥方式可根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇.