優(yōu)化蔬菜廢棄物和玉米秸稈配比對堆肥腐熟度的影響

項(xiàng) 娟，李 冰，吳 迪，李 妍

（天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 天津 300000）

中國既是蔬菜生產(chǎn)大國，又是蔬菜消費(fèi)大國。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2021 年全國蔬菜種植面積約2 198.57 萬hm2，產(chǎn)量約7.75 億t[1]。由于蔬菜是時(shí)令產(chǎn)品，其生產(chǎn)、采摘、保鮮和貯存較難，蔬菜損失率在30%以上，在廚房加工過程中蔬菜的平均廢棄率為20.5%[2]。若將蔬菜產(chǎn)量與蔬菜廢棄物產(chǎn)生量（均為鮮質(zhì)量）按1∶1 測算[3]，我國蔬菜廢棄物年產(chǎn)生量高達(dá)7 億t，占農(nóng)作物秸稈總量的9.09%，而其中70%的蔬菜廢棄物未被利用[4]。蔬菜廢棄物若處置不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生惡臭氣體、滋生蚊蠅、傳播疾病，對食品安全和人體健康產(chǎn)生巨大威脅，給生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力[5]。因此，蔬菜廢棄物的有效處理與處置已經(jīng)成為亟待解決的重大問題。

好氧堆肥是好氧菌對有機(jī)物進(jìn)行吸收、氧化及分解后轉(zhuǎn)變?yōu)楦迟|(zhì)的過程，從而形成有機(jī)肥料，具有操作簡單、處理量大、殺滅病原菌等優(yōu)點(diǎn)。目前蔬菜廢棄物資源化利用的方式主要有直接還田、飼料化、肥料化、基質(zhì)化、能源化等[6]。我國對于蔬菜廢棄物的好氧堆肥工藝尚處于發(fā)展階段，蔬菜廢棄物碳氮比（C/N）低、含水率高、容重大、易腐爛變質(zhì)，導(dǎo)致蔬菜廢棄物單獨(dú)堆肥效果不佳，另外蔬菜廢棄物種類繁多、性質(zhì)差異大[7]，在實(shí)際生產(chǎn)中導(dǎo)致發(fā)酵不穩(wěn)定。因此研究者提出通過添加畜禽糞便、水稻秸稈、雜草、花卉廢物等輔料，調(diào)節(jié)發(fā)酵物料的含水率、C/N 以及孔隙結(jié)構(gòu)來提高堆肥質(zhì)量[8]，但是關(guān)于生物量較大的玉米秸稈與氮、磷含量較高的瓜果類蔬菜廢棄物混合堆肥技術(shù)尚缺乏系統(tǒng)研究。筆者以瓜果類蔬菜廢棄物資源化利用為目標(biāo)，采用好氧發(fā)酵的方式，監(jiān)測堆肥過程中發(fā)酵指標(biāo)和有機(jī)肥的養(yǎng)分變化，優(yōu)化蔬菜廢棄物和玉米秸稈堆肥的配比，保證好氧發(fā)酵的穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量，對推進(jìn)蔬菜清潔生產(chǎn)、發(fā)展綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)、建設(shè)美麗鄉(xiāng)村具有非常重要的意義。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈均采自天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院武清創(chuàng)新基地秸稈站，黃瓜+番茄廢棄物主要包括黃瓜和番茄的藤蔓、爛黃瓜、爛番茄等。秸稈站將收取的黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈切割成3～5 cm 備用，堆肥裝置為200 L 發(fā)酵反應(yīng)器，反應(yīng)器底部和頂部設(shè)有通風(fēng)口，為自然通風(fēng)方式。試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院武清創(chuàng)新基地秸稈站，堆期為2021 年12 月5－30 日。黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈的理化性質(zhì)見表1。

表1 原料的理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈為原料進(jìn)行聯(lián)合好氧發(fā)酵，分別按照黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈體積比5∶0、4∶1、3∶2、2∶3、1∶4 均勻混合，且分別記為T1、T2、T3、T4、T5，每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，添加自來水調(diào)節(jié)混合物料含水率均為65%左右，裝入發(fā)酵桶內(nèi)進(jìn)行好氧堆肥發(fā)酵。堆肥過程中每天同一時(shí)間用溫度計(jì)插入堆體表面下60 cm 處測定堆溫，分別于堆肥的第0、2、4、6、9、13、17、21、25 天采集樣品，從堆深10、60、120 cm 處3 點(diǎn)采樣求平均值。樣品分為1 式3 份，1 份約50 g 用于采樣當(dāng)日測定含水率，1 份約200 g 鮮樣用于pH 值、電導(dǎo)率（EC）、銨態(tài)氮（NH4+-N）含量、硝態(tài)氮（NO3--N）含量、種子發(fā)芽指數(shù)（germination index，GI）的測量，另1份約200 g 自然風(fēng)干后用于測定有機(jī)質(zhì)、全氮（total nitrogen，TN）含量。

1.3 測定指標(biāo)與方法

從不同配比堆肥中稱取30 g 鮮樣置于干燥箱（PH-140A，Blue Pard，上海）105 ℃的條件下烘干6 h 以上至恒質(zhì)量，計(jì)算含水率。從不同配比堆肥中稱取20 g 堆肥鮮樣與去離子水按照1∶10（質(zhì)量∶體積）混合，振蕩2.0 h，靜置0.5 h，離心過濾后取濾液用多參數(shù)分析儀（S470-K，METTLER TOLEDO，上海）測定pH 值、EC。取上述浸提液10 mL 加入置有濾紙的培養(yǎng)皿中，加入10 粒大小基本一致、飽滿的蘿卜種子，放入（25±2）℃的培養(yǎng)箱（PH-140A，Blue Pard，上海）中避光培養(yǎng)48 h，統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率，測量主根長后計(jì)算發(fā)芽指數(shù)（GI）。以去離子水為對照，計(jì)算公式如下：

從不同配比堆肥中稱取5 g 新鮮樣品和2 mol·L-1的KCl 溶液按照1∶10（m/V）混合，置于水平搖床振蕩2 h 后，靜置0.5 h。離心過濾后使用連續(xù)流動(dòng)分析儀（Auto Analyzer 3，Seal，德國）測定NH4+-N、NO3--N 含量。

有機(jī)質(zhì)含量的測定參照標(biāo)準(zhǔn) NY/T 525－2021[9]。具體步驟如下：取過1 mm 篩的風(fēng)干試樣0.4 g 于500 mL 三角瓶中，加入0.8 mol·L-1重鉻酸鉀溶液50 mL 和硫酸（ρ=1.84 g·mL-1）50 mL，沸水水浴30 min，冷卻至室溫。將三角瓶內(nèi)反應(yīng)物無損轉(zhuǎn)入250 mL 容量瓶中，定容搖勻。取50 mL溶液和50 mL 水于三角瓶內(nèi)，加2～3 滴鄰啡啰啉指示劑，用硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溶液由綠色變成暗綠色，再逐滴加入硫酸亞鐵溶液直至磚紅色，有機(jī)質(zhì)含量以質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w）表示，計(jì)算公式如下：。

式中：c為硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，單位為mol·L-1；V0為空白試驗(yàn)時(shí)，消耗硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，單位為mL；V為樣品測定時(shí)，消耗硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，單位為mL；3 為四分之一碳原子的摩爾質(zhì)量，單位為g·mol-1；1.724 為由有機(jī)碳換算為有機(jī)質(zhì)的系數(shù)；m為風(fēng)干樣質(zhì)量，單位為g；X0為風(fēng)干樣含水量，單位為%；D 為分取倍數(shù)，定容體積/分取體積，250/50。

采用自動(dòng)定氮儀法并參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2419—2013[10]測定TN 含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，應(yīng)用SPSS 22.0進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體的溫度變化

由圖1 可以看出，整個(gè)堆肥過程中環(huán)境溫度保持在5～10 ℃，堆肥第1 天各處理的堆體溫度均有所上升并高于環(huán)境溫度。各處理溫度變化均符合典型堆肥的特征，經(jīng)歷了升溫期、高溫期、降溫期和腐熟期4 個(gè)階段。T1～T5 處理分別于堆肥第5、11、3、2、1 天溫度上升至55 ℃以上，進(jìn)入高溫期，高溫期分別持續(xù)了3、1、5、7、1 d。T1、T2 處理升溫較慢且高溫持續(xù)時(shí)間短，T5 處理升溫較快但持續(xù)時(shí)間短，僅有T3 組和T4 組堆體溫度大于55 ℃的持續(xù)時(shí)間不低于5 d，最高溫度分別達(dá)到了68.6 ℃和73.4 ℃。T1～T5 處理高溫期平均溫度分別為62.5、80.8、62.0、63.7、63.8 ℃，高溫期平均溫度大小依次為T2＞T5＞T4＞T1＞T3。

圖1 不同處理的堆體溫度變化

2.2 堆料含水率、pH值和EC的變化

由圖2 可以看出，5 個(gè)處理控制堆料起始含水率均在65%左右。各處理含水率均隨處理時(shí)間的延長呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，分別于堆肥的第4、2、4、4、4 天達(dá)到含水率峰值65.5%、71.3%、72.2%、73.3%、68.1%。堆肥25 d 后，T3、T4 處理最終含水率高于其他各處理，T1～T5 處理含水率較初始值分別降低了15.1%、21.3%、5.2%、1.8%、24.0%，含水率下降程度從大到小依次為T5＞T2＞T1＞T3＞T4。

圖2 不同處理的含水率變化

由圖3 可以看出，隨著堆肥時(shí)間的延長，5 個(gè)處理的pH 值均呈先上升后趨于穩(wěn)定的趨勢，至堆肥結(jié)束，5 個(gè)處理的最終pH 值分別為8.91、7.88、8.48、8.45、7.34，其中T1 處理pH 值上升幅度最大。

圖3 不同處理的pH 值變化

由圖4 可以看出，隨著堆肥時(shí)間的延長，5 個(gè)處理的EC 均先升高后緩慢下降。堆肥25 d 時(shí)，T1～T5 處 理EC 分 別 為4.14、4.07、2.75、2.20、2.37 mS·cm-1，T1、T2 處理的EC 差別不大，高于其他各處理。T3、T4 處理堆肥25 d 與堆肥0 d的EC 相比均有所降低，且低于3 mS·cm-1，而T1、T2、T5 處理的EC 均高于堆肥0 d。

圖4 不同處理的電導(dǎo)率變化

2.3 堆料無機(jī)態(tài)氮含量的變化

由圖5 和圖6 可以看出，各處理的堆肥0 d 時(shí)NH4+-N 含量遠(yuǎn)大于NO3--N 含量，NH4+-N 含量變化隨處理時(shí)間延長均呈先升后降后趨于平衡的趨勢。堆肥前各處理NH4+-N 的含量依次為T1＞T2＞T3＞T4＞T5，T1～T5 處理分別于堆肥的第2、2、2、6、4 天達(dá)到NH4+-N 含量的峰值，分別為747.5、546.7、460.2、501.2、286.7 mg·kg-1。隨著堆體溫度降低、硝化細(xì)菌活性的恢復(fù)，堆體的NH4+-N 含量逐漸下降。堆肥后期有機(jī)物基本降解完成，NH4+-N 含量趨于穩(wěn)定，與堆肥0 d 相比，T1～T5 處理的NH4+-N含量最終分別減少了61.3%、59.5%、75.5%、68.8%、26.7%。

圖5 不同處理的NH4+-N 含量變化

由圖6 可知，隨著堆肥初期堆體溫度和pH 值逐漸升高，硝化細(xì)菌的生長和活動(dòng)受到抑制，T1～T5處理的NO3--N 含量均較低且變化不明顯，高溫期后NO3--N 含量快速增加，分別于堆肥第25、9、21、17、25 天達(dá)到NO3--N 含量峰值，分別為39.2、52.1、30.4、20.2、10.4 mg·kg-1。至堆肥結(jié)束NO3--N 的含量分別為39.2、48.6、26.3、18.9、10.4 mg·kg-1，分別為初始值的6.3、8.8、4.6、5.3、3.2 倍。

圖6 不同處理的NO3--N 含量變化

2.4 堆料有機(jī)質(zhì)、TN含量和C/N的變化

由圖7-a 可以看出，5 個(gè)處理的有機(jī)質(zhì)含量在整個(gè)堆肥過程中不斷下降。堆肥前期T1～T5 處理有機(jī)質(zhì)含量下降速度較快，堆肥中后期降解速率緩慢直至平穩(wěn)。堆肥25 d 時(shí)，T3、T4 處理的有機(jī)質(zhì)含量分別較初期下降了33.2%和35.3%，且下降幅度遠(yuǎn)大于T1、T2、T5 處理。

由圖7-b 可以看出，堆肥前T1 處理的TN 含量最高，T5 處理最低。堆肥初期，各處理的TN 含量均不同幅度的下降，其中T1 處理下降速度最快，在第6 天達(dá)到最低值2.22%，相比于初始值降低了25.5%。隨著堆肥時(shí)間的延長，各處理TN 含量均呈反彈升高的趨勢。至堆肥25 d 時(shí)，T1、T2 處理的TN 含量分別比堆肥0 d 時(shí)降低了8.4%和7.9%，而T3～T5 處理則分別比堆肥0 d 時(shí)增加了12.4%、28.1%、13.4%，T4 處理的TN 含量增幅最大。

圖7 不同處理的有機(jī)質(zhì)、TN 及C/N 變化

由圖7-c 可以看出，堆肥0 d 時(shí)T1～T5 處理的C/N 分別為12.6、15.1、18.5、24.4、30.3，堆肥25 d 后各處理的C/N 均有所降低，分別比堆肥0 d 下降了17.0%、13.7%、40.6%、49.5%、28.6%，T3、T4 的C/N下降幅度大于其他處理。

2.5 堆料GI的變化

從圖8 可知，堆肥結(jié)束后，各處理的蘿卜種子GI 分別為39.0%、44.5%、88.1%、129.5%、28.7%，僅有T3、T4 處理的GI 大于70%，達(dá)到了對種子無害化要求。統(tǒng)計(jì)分析表明，T1 處理和T2 處理的GI差異不顯著，其他處理間差異顯著。

圖8 不同處理種子發(fā)芽指數(shù)（GI）

3 討 論

溫度是堆肥過程中的重要參數(shù)，是直觀表達(dá)堆肥物料腐熟度和腐熟速率的指標(biāo)[11-12]。筆者的研究表明，堆肥第1 天各堆體溫度均不同程度的升高，T1 和T2 處理升溫緩慢，這可能與玉米秸稈添加量小、有機(jī)質(zhì)含量低、無法為微生物提供足夠的碳源有關(guān)[13]；T5 組雖升溫迅速但高溫時(shí)間持續(xù)太短，一方面與玉米秸稈添加量大、木質(zhì)素含量高且難降解有關(guān)，另一方面可能是C/N 高、氮源相對不足導(dǎo)致微生物生命力較弱[14]。根據(jù)蔬菜廢棄物高溫堆肥無害化處理技術(shù)規(guī)程（NY/T 3441—2019）[15]，主發(fā)酵周期內(nèi)堆體溫度大于55 ℃的持續(xù)時(shí)間不少于5 d，因此T1、T2、T5 處理均未達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)，T3、T4 處理符合標(biāo)準(zhǔn)。GI 能夠有效地體現(xiàn)堆料對種子的毒害程度，又能表征堆肥腐熟度，是評價(jià)堆肥無害化、穩(wěn)定化程度的一個(gè)重要指標(biāo)[16]。根據(jù)有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 525—2021）[9]，GI≥70%才能達(dá)到有機(jī)肥料的技術(shù)要求，僅有T3、T4 處理的GI 大于70%，達(dá)到了對種子無害化要求，T1、T2、T5 的GI 偏低可能是堆體高溫持續(xù)時(shí)間短、微生物活動(dòng)弱，導(dǎo)致有機(jī)酸、多酚類物質(zhì)降解不完全，氨氣排放不通暢。EC 是一個(gè)重要的堆肥腐熟度指標(biāo)，關(guān)于EC 目前沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有研究認(rèn)為，完全腐熟堆肥的EC 應(yīng)小于3 mS·cm-1[17]，也有認(rèn)為EC 超過4 mS·cm-1[18]才會(huì)對作物產(chǎn)生毒害作用。美國農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定堆肥結(jié)束后EC≤4.3 mS·cm-1，否則即為高含鹽堆肥，會(huì)對植物的生長造成危害[19]。筆者的研究中T3、T4處理堆肥25 d 后的EC 相比于堆肥0 d 時(shí)均有所降低且低于3 mS·cm-1，關(guān)于EC 與堆肥腐熟度關(guān)系需要進(jìn)一步研究。

水不僅為微生物生長提供必需生命活動(dòng)物質(zhì)同時(shí)也是微生物運(yùn)動(dòng)時(shí)的載體，而且具有調(diào)節(jié)堆體內(nèi)孔隙度和溫度的作用[20]。筆者試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)T1、T2處理桶底部均有少許的滲濾液，這可能是因?yàn)門1、T2 處理中黃瓜+番茄廢棄物含量太大，容易析出水分，超過了堆體中微生物活動(dòng)所需。T5 處理玉米秸稈占比最高，孔隙度大有利于水分揮發(fā)[21]，因此含水率下降幅度最大。T3、T4 處理含水率較初始值基本無變化，與胡雨彤等[22]的含水率隨堆肥時(shí)間延長逐漸下降的研究結(jié)論不一致，這可能是由于T3、T4處理的發(fā)酵桶密閉性好，能有效減少水分散失，微生物生長活動(dòng)所需的水分與有機(jī)物降解產(chǎn)生的水分處于一個(gè)相對平衡的狀態(tài)。5 個(gè)處理組的pH 值均呈先上升后趨于穩(wěn)定的趨勢，與黃曉鳳等[23]提出堆肥pH 值先增加后下降的研究結(jié)論不一致，這可能與堆肥后期硝化作用生成的H+與有機(jī)酸分解減少、NH3揮發(fā)速度也放慢、兩者中和有關(guān)。有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 525－2021）[9]規(guī)定有機(jī)肥料的pH 值要控制在5.5～8.5 之間，堆肥25 d 后除了T1 處理外其他各處理均符合有機(jī)肥料pH 值標(biāo)準(zhǔn)。在堆肥過程中，氮素主要以有機(jī)氮、NH4+-N、NH3、NO3--N、NO2--N 的形式存在并相互轉(zhuǎn)化[24]，各處理的初始態(tài)中NH4+-N 含量遠(yuǎn)大于NO3--N 含量，說明黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈中無機(jī)氮主要以NH4+-N 形式存在。堆肥前期各堆體中微生物氨化作用較強(qiáng)，造成大量的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH4+-N，NH4+-N 含量迅速增加，T1 處理因未添加玉米秸稈，具有較高的氮含量，NH4+含量峰值最大。高溫期NH4+-N 部分以NH3形式揮發(fā)，NH4+-N 含量降低，T3 和T4 處理高溫時(shí)間持續(xù)最長導(dǎo)致NH4+-N 含量下降幅度最大。而堆肥初期堆體溫度和pH 值逐漸升高，硝化細(xì)菌的生長和活動(dòng)受到抑制，NO3--N 含量均很低且變化較小，高溫期后NO3--N 含量大幅增加，T1、T2 處理的增幅最大，這與TN 含量高、高溫期持續(xù)時(shí)間較短、硝化細(xì)菌活性恢復(fù)較快有關(guān)。一般認(rèn)為，NH4+-N 的減少和NO3--N 的增加是發(fā)酵成熟的標(biāo)志[25]。

C 為微生物生長提供能量，N 是微生物的營養(yǎng)物質(zhì)。堆肥前期有機(jī)質(zhì)含量下降較快，中后期降低速率緩慢直至平穩(wěn)，這是因?yàn)槎逊食跗诳奢^快利用易降解有機(jī)質(zhì)，堆肥中后期因只能利用較難分解的有機(jī)質(zhì)（木質(zhì)素、纖維素、半纖維素）導(dǎo)致降解速率緩慢。T3、T4 處理高溫持續(xù)時(shí)間長、微生物活性高導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量降幅大于其他處理。堆肥初期在有機(jī)氮不斷礦化，無機(jī)氮以銨態(tài)氮形式積累并轉(zhuǎn)變?yōu)榘睔鈸]發(fā)[26]，堆肥初期，T1～T5 處理TN 均有不同幅度的下降，隨后TN 呈反彈升高的趨勢，至堆肥結(jié)束T1、T2 處理TN 含量分別比最初降低了8.4%和7.9%，而T3～T5 處理TN 含量卻比最初升高了，這可能是由于T3～T5 處理玉米秸稈添加量較大，微生物消耗碳水化合物，堆體總質(zhì)量減少，TN 相對增加，可見通過添加適量玉米秸稈可明顯減少氮素轉(zhuǎn)化為氨的揮發(fā)損失。

4 結(jié) 論

筆者的研究以黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈為原料，探討兩者不同配比的堆肥效果。從溫度來看，T1、T2、T5 高溫持續(xù)時(shí)間太短，未達(dá)到蔬菜廢棄物堆肥無害化要求，T3、T4 處理高溫期持續(xù)時(shí)間較長，結(jié)合腐熟度指標(biāo)EC 值、GI 值，T3、T4 處理達(dá)到了堆肥無害化標(biāo)準(zhǔn)且腐熟效果較好。另外，T3、T4處理有機(jī)質(zhì)含量分別比最初降低了33.2%和35.3%，遠(yuǎn)大于其他各處理，并且TN 含量分別比最初提高了12.4%、28.1%，這表明T3、T4 處理有機(jī)質(zhì)降解程度高，養(yǎng)分損失少。因此在實(shí)際堆肥操作中，建議控制黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈體積配比在3∶2 和2∶3 之間。