5種熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥過程中的變化及堆肥產(chǎn)物施用效應(yīng)分析

黃艷艷, 楊 旭, 雷 菲, 楊紅竹, 吳榮芳, 李建宏, 林清火,①

(1. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所, 海南 ?？?571101; 2. 儋州橡膠林土壤環(huán)境海南省野外科學(xué)觀測(cè)站, 海南 儋州 571737;3. 海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與土壤研究所 海南省耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 海南 ?？?571199)

中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,每年可產(chǎn)生約1.04×109t的農(nóng)作物秸稈和3.05×109t的畜禽糞便,這些農(nóng)業(yè)廢棄物尚未得到有效利用,造成了重大的資源浪費(fèi),并產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題[1]。好氧堆肥是目前實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物減量化、無害化和資源化的主要措施之一,已成為國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[2-3]。已有研究發(fā)現(xiàn),椰糠與馬糞混合堆肥,能有效調(diào)節(jié)堆肥進(jìn)程,提高養(yǎng)分回收率[4];施用香蕉(MusananaLour.)和菠蘿〔Ananascomosus(Linn.) Merr.〕莖葉為主料、雞糞為輔料的堆肥產(chǎn)物,可提高芥菜〔Brassicajuncea(Linn.) Czern.〕的產(chǎn)量和品質(zhì)[5];木薯(ManihotesculentaCrantz)莖葉堆肥產(chǎn)物可提高土壤養(yǎng)分含量,促進(jìn)水稻(OryzasativaLinn.)養(yǎng)分吸收[6];蔗渣與雞糞的堆肥效果良好,并能有效降解99.0%以上的抗生素[7];蔗渣與污泥的堆肥產(chǎn)物可作為苗木栽培基質(zhì)[8];蔗渣與魚廢棄物或城市污泥堆肥亦能制成有機(jī)肥,用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[9-10]。還有研究發(fā)現(xiàn),將堆肥產(chǎn)物還田可提高土壤孔隙度,改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),提高土壤養(yǎng)分含量,增強(qiáng)土壤中動(dòng)物和微生物的活性[11-13]。由此可見,農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥可用于作物生產(chǎn)實(shí)踐,起到增產(chǎn)、培肥地力、改良土壤等效果。

熱帶地區(qū)終年可以進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn),因此,每年會(huì)產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì),海南省熱帶植物纖維性廢棄物年產(chǎn)量不少于1.0×107t[4,14]。這些熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物含有未被分解的蛋白質(zhì)、脂肪和糖類等物質(zhì),有利于細(xì)菌的生長(zhǎng),若將其隨意丟棄或排放到環(huán)境中,定會(huì)造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。眾所周知,熱帶地區(qū)的耕地使用強(qiáng)度較高,土壤酸化、板結(jié)、有機(jī)質(zhì)含量下降等問題較為嚴(yán)重,農(nóng)業(yè)廢棄物的堆肥發(fā)酵產(chǎn)物可有效改善熱帶地區(qū)土壤質(zhì)量退化問題[15]。因此,利用熱帶地區(qū)的典型農(nóng)業(yè)廢棄物資源進(jìn)行堆肥,并將堆肥產(chǎn)物用于土壤改良,是實(shí)現(xiàn)熱帶地區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物綠色環(huán)保利用的一種有效方式。

為了探究中國熱帶地區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物的堆肥效果及堆肥產(chǎn)物的施用效應(yīng),筆者選用海南省5種典型農(nóng)業(yè)廢棄物(包括蔗渣、橡膠木屑、椰糠、菠蘿葉和木薯?xiàng)U)進(jìn)行好氧堆肥實(shí)驗(yàn),比較了不同農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥過程中溫度、養(yǎng)分含量和堆肥腐熟度指標(biāo)的變化,并分析了不同農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥產(chǎn)物對(duì)連茬小白菜(Brassicacampestrissubsp.chinensisMakino)單株干質(zhì)量和土壤主要理化指標(biāo)的影響,以期為熱帶地區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用研究提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 堆肥原料來源 堆肥選用的農(nóng)業(yè)廢棄物中,蔗渣來自洋浦綠寶豐農(nóng)資有限公司堆肥廠;橡膠木屑來自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所木材廠;椰糠、菠蘿葉和木薯?xiàng)U來自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所土壤肥料基地周邊農(nóng)場(chǎng),經(jīng)風(fēng)干粉碎成長(zhǎng)度2～3 cm的小段。堆肥使用的氮源為雞糞,來自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所蛋雞養(yǎng)殖場(chǎng)。上述堆肥原料的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 不同堆肥原料的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of different compost raw materials

1.1.2 堆肥裝置 采用WD-FYQ60L密閉發(fā)酵罐(北京鴻遠(yuǎn)鵬奧科技有限公司)進(jìn)行好氧堆肥實(shí)驗(yàn)。使用的密閉發(fā)酵罐由進(jìn)氣泵、進(jìn)氣管道、金屬罐體、溫度記錄系統(tǒng)、排水管道和排氣管道組成。

1.1.3 土壤來源 使用的土壤為中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所土壤肥料基地內(nèi)0～20 cm土層的土壤,為片麻巖發(fā)育的磚紅壤。將土壤風(fēng)干,過篩(孔徑2 mm),備用。土壤有機(jī)質(zhì)含量18.55 g·kg-1、全氮含量0.88 g·kg-1、全磷含量0.79 g·kg-1、全鉀含量17.73 g·kg-1、有效磷含量8.02 mg·kg-1、速效鉀含量20.58 mg·kg-1,pH 4.86。

1.1.4 小白菜種子和化肥來源 使用的小白菜種子為在當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)購買的品種‘速生5號(hào)’(‘Fast Growing No. 5’)種子。使用的化肥有尿素(云南云天化股份有限公司)、鈣鎂磷肥(南寧市廣肥農(nóng)資有限公司)和氯化鉀(濟(jì)南眾鑫化工有限公司),均購自儋州大成福盛源農(nóng)資服務(wù)站。

1.2 方法

1.2.1 農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥及采樣方法 在2021年11月20日,將5種農(nóng)業(yè)廢棄物分別與雞糞充分混勻,各自裝入體積60 L的密閉發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行好氧堆肥實(shí)驗(yàn),共持續(xù)28 d。每個(gè)處理1個(gè)發(fā)酵罐,每個(gè)發(fā)酵罐物料的初始碳氮比在25∶1左右,含水量在60%～70%。發(fā)酵罐的通風(fēng)供氧方式為間歇通風(fēng)和定期翻堆,設(shè)置為每小時(shí)通風(fēng)30 min后暫停通風(fēng)30 min,通風(fēng)速率為0.2 m3·h-1,并在好氧堆肥第1、第3、第7、第14、第21和第28天進(jìn)行翻堆和樣品采集。翻堆后,將堆體平鋪,采用對(duì)角線采集法采集至少5個(gè)點(diǎn)的樣品,樣品總質(zhì)量約600 g,每個(gè)發(fā)酵罐每次采集3份樣品。每份樣品混勻后平均分成2份,一份置于4 ℃冰箱內(nèi)保存,用于pH值、電導(dǎo)率、小白菜種子發(fā)芽指數(shù)、銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量測(cè)定;另一份風(fēng)干后粉碎并過篩(孔徑2 mm),用于有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷(以P2O5計(jì))和全鉀(以K2O計(jì))含量測(cè)定。

1.2.2 堆肥過程中相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定

1.2.2.1 溫度測(cè)定 每天9:00,通過發(fā)酵罐上的自動(dòng)控制系統(tǒng)直接讀取不同處理堆體中心的溫度,同時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)酵罐周圍環(huán)境的空氣溫度。

1.2.2.2 主要養(yǎng)分含量測(cè)定 參照NY/T 525-2021中的方法測(cè)定有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量;參考魯如坤[16]159-162的方法,將樣品與2 mol·L-1KCl溶液1∶10(m/V)混勻,振蕩30 min后靜置5 min,用定性濾紙過濾;取上清液,用AutoAnalyzer3全自動(dòng)連續(xù)流動(dòng)分析儀(德國Seal公司)測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。計(jì)算有機(jī)碳含量,計(jì)算公式為有機(jī)碳含量=有機(jī)質(zhì)含量/1.724,再計(jì)算有機(jī)碳含量與全碳含量的比值,即C/N。總養(yǎng)分含量為全氮、全磷和全鉀含量的總和。每份樣品各指標(biāo)重復(fù)測(cè)定2次。

1.2.2.3 堆肥腐熟度指標(biāo)測(cè)定 將pH值、電導(dǎo)率和小白菜種子發(fā)芽指數(shù)作為判定堆肥腐熟度的重要指標(biāo)[17]。將樣品與去離子水1∶10(m/V)混勻,振蕩30 min后靜置4 h以上,定性濾紙過濾,取上清液,待測(cè)。取20 mL上清液,采用S220-B pH計(jì)(瑞士Mettler-Toledo公司)測(cè)定pH值,采用FE38電導(dǎo)率儀(瑞士Mettler-Toledo公司)測(cè)定電導(dǎo)率。另取10 mL上清液,滴入墊有2層定性濾紙的培養(yǎng)皿(直徑9 cm)中,均勻擺放10粒小白菜種子,置于25 ℃培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)48 h后,統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù)(胚根與種子等長(zhǎng)視為種子發(fā)芽),并使用游標(biāo)卡尺(精度1 mm)測(cè)量主根長(zhǎng)度。以同體積去離子水代替上清液為對(duì)照,每個(gè)處理3次重復(fù)。分別計(jì)算種子發(fā)芽率和種子發(fā)芽指數(shù),計(jì)算公式分別為種子發(fā)芽率=(發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù))×100%和種子發(fā)芽指數(shù)=〔(處理組種子發(fā)芽率×處理組主根平均長(zhǎng)度)/(對(duì)照組種子發(fā)芽率×對(duì)照組主根平均長(zhǎng)度)〕×100%。

1.2.3 堆肥產(chǎn)物施用效應(yīng)分析

1.2.3.1 堆肥產(chǎn)物種植小白菜的方法 于2022年3月至5月采用5種農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥28 d后的有機(jī)物料在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所土壤肥料基地進(jìn)行堆肥產(chǎn)物施用效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。共設(shè)置7個(gè)處理,CK1組為無肥料處理組(即空白對(duì)照),CK2組為化肥處理組(即陽性對(duì)照),Ba組為蔗渣堆肥產(chǎn)物處理組,RS組為橡膠木屑堆肥產(chǎn)物處理組,CH組為椰糠堆肥產(chǎn)物處理組,PL組為菠蘿葉堆肥產(chǎn)物處理組,CS組為木薯?xiàng)U堆肥產(chǎn)物處理組。采用盆栽法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),使用的花盆為長(zhǎng)18 cm、寬16 cm、高25 cm的塑料花盆,每盆裝土9.5 kg,施肥量為土壤質(zhì)量的5%,以N、P、K含量最高的CK2組為標(biāo)準(zhǔn),N、P2O5、K2O施用量分別為0.150、0.052和0.090 g·kg-1[18],其他組用尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀補(bǔ)充到等量的N、P、K水平。播種前將肥料與土壤充分混勻。每個(gè)處理連茬種植兩季,出苗后每盆保留長(zhǎng)勢(shì)較一致的幼苗5株,每季種植時(shí)間均為40 d,每個(gè)處理3次重復(fù)。實(shí)驗(yàn)期間,每2～4 d澆1次水,并在播種后第3和第5周,采用廣譜性低毒農(nóng)藥(阿維菌素和多菌靈)噴施幼苗各1次(2種藥間隔2～3 d),預(yù)防病蟲害。

1.2.3.2 小白菜單株干質(zhì)量測(cè)定 在每季小白菜成熟時(shí),收集地上部分,先于105 ℃殺青30 min,再于85 ℃烘干至恒質(zhì)量;用精度0.01 g電子天平稱量每盆所有幼苗的地上部總干質(zhì)量,再計(jì)算單株地上部干質(zhì)量。每處理3次重復(fù)。

1.2.3.3 土壤理化指標(biāo)測(cè)定 待第2季小白菜收獲后,參照王瑋璐等[19]的研究方法,采用環(huán)刀法測(cè)定每盆中間位置的土壤容重,計(jì)算土壤總孔隙度,采用環(huán)刀浸水法測(cè)定毛管孔隙度。采用四分法在每個(gè)花盆中采集土壤樣品500 g,風(fēng)干后過篩(孔徑2 mm),采用電位法[16]13-14測(cè)定pH值,采用重鉻酸鉀容量法[16]107-108測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量,采用凱氏定氮法[16]147-148測(cè)定全氮含量,采用堿解蒸餾法[16]150-152測(cè)定堿解氮含量,采用[16]181-182鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷含量,采用乙酸銨浸提-火焰光度法[16]193-194測(cè)定速效鉀含量。每份樣品各指標(biāo)重復(fù)測(cè)定2次。

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

采用EXCEL 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、制表和制圖,并采用SPSS 22.0軟件對(duì)不同處理間的各指標(biāo)進(jìn)行方差分析(P<0.05)。

2 結(jié)果和分析

2.1 堆肥過程中溫度的變化

不同熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥過程中溫度的變化見圖1。各處理的溫度均呈現(xiàn)升溫期、高溫期、降溫期和腐熟期4個(gè)階段,但每個(gè)處理不同階段溫度變化有較大差異。升溫期,橡膠木屑和椰糠堆肥處理組的升溫速度最快,溫度均在第2天達(dá)到最高值(分別為69.93 ℃和69.40 ℃),菠蘿葉堆肥處理組的溫度在第3天達(dá)到最高值(67.80 ℃),蔗渣堆肥處理組的溫度在第5天達(dá)到最高值(67.23 ℃),而木薯?xiàng)U堆肥處理組的升溫速度最慢,溫度在第11天才達(dá)到最高值(68.90 ℃)。供試的5個(gè)堆肥處理組基本上都存在翻堆后溫度短暫下降、而后迅速升高的現(xiàn)象。比較發(fā)現(xiàn),橡膠木屑堆肥處理組高溫期(溫度超過50 ℃)時(shí)間最長(zhǎng),共持續(xù)了11 d;蔗渣堆肥處理組高溫期時(shí)間最短,只維持了6 d;其余3個(gè)堆肥處理組高溫期時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),維持了8～9 d。

: 環(huán)境溫度Ambient temperature; : 蔗渣Bagasse; : 橡膠木屑Rubber sawdust; : 椰糠Coconut husk; : 菠蘿葉Pineapple leaf; : 木薯?xiàng)UCassava stalk.圖1 不同熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥過程中溫度的變化Fig.. 1 Change of temperature of different tropical agricultural wastes during aerobic composting process

2.2 堆肥過程中堆肥腐熟度指標(biāo)的變化

不同熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥過程中的pH值、電導(dǎo)率和小白菜種子發(fā)芽指數(shù)變化見圖2。結(jié)果表明:雖然不同農(nóng)業(yè)廢棄物在堆肥前(堆肥0 d)的pH值差異較大,但在堆肥后(堆肥28 d)的pH值(pH 7.81至pH 8.55)差異變小。值得注意的是,堆肥7 d內(nèi),蔗渣和木薯?xiàng)U的pH值呈下降趨勢(shì)。堆肥后菠蘿葉、木薯?xiàng)U、蔗渣、木屑和椰糠的電導(dǎo)率分別為3 235、2 455、3 604、2 112和1 575 μS·cm-1,均較堆肥前有一定下降,且彼此間差異小于堆肥前。堆肥過程中,5種農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥產(chǎn)物培養(yǎng)的小白菜種子發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì),且在堆肥7 d內(nèi)快速升高、在堆肥7 d后緩慢升高;堆肥后各處理的小白菜種子發(fā)芽指數(shù)為106.7%～140.0%。

: 蔗渣Bagasse; : 橡膠木屑Rubber sawdust; : 椰糠Coconut husk; : 菠蘿葉Pineapple leaf; : 木薯?xiàng)UCassava stalk.圖2 不同熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥過程中堆肥腐熟度指標(biāo)的變化Fig. 2 Changes of compost maturity indexes during aerobic composting of different tropical agricultural wastes

2.3 堆肥前后主要養(yǎng)分含量的變化

不同熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥前后主要養(yǎng)分含量的變化見表2。結(jié)果表明:不同農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥前后的養(yǎng)分含量總體上存在顯著(P<0.05)差異。其中,5種農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥后的全氮、全磷、全鉀和硝態(tài)氮含量總體上顯著升高,升高幅度分別為32.85%～85.24%、20.36%～130.59%、26.27%～50.00%和33.04%～148.57%,而5種農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥后的有機(jī)質(zhì)和銨態(tài)氮含量及C/N則顯著降低,降低幅度分別為11.53%～28.08%、5.29%～99.76%和42.61%～58.48%。

表2 不同熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥前后主要養(yǎng)分含量變化Table 2 Changes of main nutrient contents of different tropical agricultural wastes before and after composting

由表2可見:堆肥后,木薯?xiàng)U的有機(jī)質(zhì)含量最高(47.26%),橡膠木屑的有機(jī)質(zhì)含量最低(40.46%);蔗渣的全氮含量最高(2.28%),菠蘿葉的全氮含量最低(1.82%);菠蘿葉的全磷含量最高(2.62%),蔗渣的全磷含量最低(1.96%);橡膠木屑的全鉀含量最高(2.04%),木薯?xiàng)U的全鉀含量最低(1.45%);蔗渣的銨態(tài)氮含量最高(580.40 mg·kg-1),橡膠木屑的銨態(tài)氮含量最低(5.98 mg·kg-1),并且,除蔗渣外,其余4種農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥后的銨態(tài)氮含量均低于400 mg·kg-1,達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn);菠蘿葉的硝態(tài)氮含量和C/N均最高(分別為2 526.64 mg·kg-1和13.78),橡膠木屑的硝態(tài)氮含量和C/N均最低(分別為1 014.26 mg·kg-1和10.48);橡膠木屑的總養(yǎng)分含量最高(6.31%),木薯?xiàng)U的總養(yǎng)分含量最低(5.74%)。

由表2還可見:堆肥前,不同農(nóng)業(yè)廢棄物間的有機(jī)質(zhì)、全磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量總體上存在顯著差異,木薯?xiàng)U的總養(yǎng)分含量顯著低于蔗渣,不同農(nóng)業(yè)廢棄物間的其他指標(biāo)則基本上無顯著(P>0.05)差異。堆肥后,不同農(nóng)業(yè)廢棄物間的有機(jī)質(zhì)、全磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量仍總體上存在顯著差異,且不同農(nóng)業(yè)廢棄物間的全鉀含量也存在顯著差異,但不同農(nóng)業(yè)廢棄物間的總養(yǎng)分含量無顯著差異。

2.4 堆肥產(chǎn)物的施用效應(yīng)分析

2.4.1 堆肥產(chǎn)物對(duì)小白菜單株干質(zhì)量的影響 不同熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥產(chǎn)物對(duì)小白菜單株干質(zhì)量的影響見圖3。結(jié)果表明:與無肥料處理組相比,5種農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥產(chǎn)物處理組的小白菜單株干質(zhì)量均升高,且除木薯?xiàng)U堆肥產(chǎn)物處理組外,其余農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥產(chǎn)物處理組的小白菜單株干質(zhì)量均顯著(P<0.05)升高。與化肥處理組相比,木薯?xiàng)U堆肥產(chǎn)物處理組的小白菜單株干質(zhì)量降低,其余農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥產(chǎn)物處理組的小白菜單株干質(zhì)量均升高,其中,蔗渣、橡膠木屑和椰糠堆肥產(chǎn)物處理組的小白菜單株干質(zhì)量顯著升高,增幅分別為34.48%、19.04%和10.94%。

CK1: 無肥料處理組No fertilizer treatment group; CK2: 化肥處理組Chemical fertilizer treatment group; Ba: 蔗渣堆肥產(chǎn)物處理組Bagasse compost product treatment group; RS: 橡膠木屑堆肥產(chǎn)物處理組Rubber sawdust compost product treatment group; CH: 椰糠堆肥產(chǎn)物處理組Coconut husk compost product treatment group; PL: 菠蘿葉堆肥產(chǎn)物處理組Pineapple leaf compost product treatment group; CS: 木薯?xiàng)U堆肥產(chǎn)物處理組Cassava stalk compost product treatment group.柱子上方的不同小寫字母表示在不同處理組間差異顯著(P<0.05) Different lowercases above the columns indicate the significant (P<0.05) differences between different treatment groups.圖3 不同熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥產(chǎn)物對(duì)小白菜單株干質(zhì)量的影響Fig.. 3 Effects of aerobic compost products of different tropical agricultural wastes on dry mass per plant of Brassica campestris subsp. chinensis Makino

2.4.2 堆肥產(chǎn)物對(duì)土壤主要理化指標(biāo)的影響 不同熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥產(chǎn)物對(duì)土壤主要理化指標(biāo)的影響見表3。由表3可見:5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組中,蔗渣堆肥產(chǎn)物處理組的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高(27.59 g·kg-1),木薯?xiàng)U堆肥產(chǎn)物處理組的土壤有機(jī)質(zhì)含量最低(18.75 g·kg-1);菠蘿葉、蔗渣和椰糠堆肥產(chǎn)物處理組的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于無肥料處理組和化肥處理組,較無肥料處理組升高了68.20%～104.52%,較化肥處理組升高了60.47%～95.12%。5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組中,蔗渣堆肥產(chǎn)物處理組的土壤全氮含量最高(1.69 g·kg-1),椰糠堆肥產(chǎn)物處理組的土壤全氮含量最低(1.40 g·kg-1);5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組的土壤全氮含量顯著高于無肥料處理組和化肥處理組,較無肥料處理組升高了62.79%～96.51%,較化肥處理組升高了50.54%～81.72%。5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組中,椰糠堆肥產(chǎn)物處理組的土壤堿解氮含量最高(133.52 mg·kg-1),菠蘿葉堆肥產(chǎn)物處理組的土壤堿解氮含量最低(100.71 mg·kg-1);5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組的土壤堿解氮含量顯著高于無肥料處理組,升高幅度為203.34%～302.17%,且僅椰糠堆肥產(chǎn)物處理組的土壤堿解氮含量顯著高于化肥處理組,升高幅度為48.93%。5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組中,菠蘿葉堆肥產(chǎn)物處理組的土壤有效磷含量最高(27.86 mg·kg-1),椰糠堆肥產(chǎn)物處理組的土壤有效磷含量最低(18.39 mg·kg-1);除椰糠堆肥產(chǎn)物處理組的土壤有效磷含量略低于化肥處理組外,5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組的土壤有效磷含量顯著高于無肥料處理組和化肥處理組,較無肥料處理組升高了184.48%～254.45%,較化肥處理組升高了20.28%～49.86%。5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組中,椰糠堆肥產(chǎn)物處理組的土壤速效鉀含量最高(76.43 mg·kg-1),菠蘿葉堆肥產(chǎn)物處理組的土壤速效鉀含量最低(45.11 mg·kg-1);5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組的土壤速效鉀含量顯著高于無肥料處理組和化肥處理組,較無肥料處理組升高了130.39%～290.35%,較化肥處理組升高了12.46%～90.55%。5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組中,蔗渣堆肥產(chǎn)物處理組的土壤pH值最高(pH 8.36),椰糠堆肥產(chǎn)物處理組的土壤pH值最低(pH 7.41);5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組的土壤pH值顯著高于無肥料處理組和化肥處理組,較無肥料處理組升高了24.75%～40.74%,較化肥處理組升高了49.40%～68.55%。

表3 不同熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥產(chǎn)物對(duì)土壤主要理化指標(biāo)的影響Table 3 Effects of aerobic compost products of different tropical agricultural wastes on main physicochemical indexes of soil

由表3還可見:5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組中,木薯?xiàng)U堆肥產(chǎn)物處理組的土壤容重最高(1.20 g·cm-3),蔗渣堆肥產(chǎn)物處理組的土壤容重最低(0.87 g·cm-3);除木薯?xiàng)U堆肥產(chǎn)物處理組的土壤容重略低于化肥處理組外,5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組的土壤容重顯著低于無肥料處理組和化肥處理組,較無肥料處理組降低了21.57%～43.14%,較化肥處理組降低了13.67%～37.41%。5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組中,菠蘿葉堆肥產(chǎn)物處理組的土壤總孔隙度最高(65.32%),椰糠堆肥產(chǎn)物處理組的土壤總孔隙度最低(54.37%);除椰糠堆肥產(chǎn)物處理組的土壤總孔隙度略高于化肥處理組外,5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組的土壤總孔隙度顯著高于無肥料處理組和化肥處理組,較無肥料處理組升高了25.74%～51.06%,較化肥處理組升高了13.25%～36.05%。5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組中,蔗渣堆肥產(chǎn)物處理組的土壤毛管孔隙度最高(39.11%),橡膠木屑堆肥產(chǎn)物處理組的土壤毛管孔隙度最低(30.78%);5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組與無肥料處理組和化肥處理組間的差異顯著。

3 討論和結(jié)論

3.1 不同熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥過程中相關(guān)指標(biāo)的變化特征

溫度是堆肥反應(yīng)無害化的重要指標(biāo)之一,是判斷堆肥能否順利進(jìn)行、物料是否腐熟的一個(gè)重要參考指標(biāo)[20]。觀測(cè)結(jié)果表明:供試5種農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥過程中的高溫期可持續(xù)6～11 d,滿足NY/T 525-2021公布的腐熟標(biāo)準(zhǔn),由此認(rèn)為供試5種農(nóng)業(yè)廢棄物的堆肥產(chǎn)物均達(dá)到有機(jī)肥料堆肥的無害化基本要求。堆肥后,5種農(nóng)業(yè)廢棄物的pH值均穩(wěn)定在pH 8.0左右,這可能與堆肥過程中形成了碳酸氫鹽緩沖體系有關(guān)[21-22],具體原因有待后續(xù)深入研究。各處理初始電導(dǎo)率差異較大,隨著堆肥進(jìn)程持續(xù),各處理電導(dǎo)率總體呈下降趨勢(shì),最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),這可能與堆肥時(shí)腐殖質(zhì)、胡敏酸等有機(jī)組分的生成有關(guān)[20]。堆肥產(chǎn)物培養(yǎng)的小白菜種子發(fā)芽指數(shù)則隨著堆肥進(jìn)程逐漸升高,堆肥7 d后均達(dá)到80%以上,說明供試農(nóng)業(yè)廢棄物在堆肥過程中逐漸腐熟,對(duì)植物的毒性越來越低,有機(jī)肥基本分解完畢[15,19,21,23]。

本研究結(jié)果表明:5種農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥后的全氮含量顯著(P<0.05)高于堆肥前,有機(jī)質(zhì)含量顯著低于堆肥前。究其原因可能是在不同農(nóng)業(yè)廢棄物的好氧堆肥過程中,含碳化合物的降解速率高于含氮化合物,隨著好氧堆肥進(jìn)程的持續(xù),全氮含量的“濃縮效應(yīng)”越來越明顯[24]。受濃縮效應(yīng)影響,堆肥后全磷和全鉀含量亦呈升高趨勢(shì)。一般認(rèn)為,堆肥產(chǎn)物的銨態(tài)氮含量低于400 mg·kg-1不會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生不良影響[15,21]。本研究結(jié)果顯示:除蔗渣外,其余4種農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥后的銨態(tài)氮含量均低于400 mg·kg-1,據(jù)此認(rèn)為,施用橡膠木屑、椰糠、菠蘿葉和木薯?xiàng)U堆肥產(chǎn)物不會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生負(fù)面影響。5種農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥后的硝態(tài)氮含量顯著高于堆肥前,這可能是因?yàn)樵诙逊屎笃跍囟冉档?硝化細(xì)菌活性明顯高于堆肥前期,使得硝化反應(yīng)能順利進(jìn)行,從而將銨態(tài)氮不斷轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,導(dǎo)致硝態(tài)氮含量明顯升高[25]。

3.2 不同熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥產(chǎn)物對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

與無肥料處理組相比,5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組的土壤全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均顯著升高,說明施用供試農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥產(chǎn)物能夠有效提升土壤的全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量,土壤有機(jī)質(zhì)含量總體上也呈現(xiàn)升高趨勢(shì)[26-27]。全氮含量是衡量土壤氮素水平的一個(gè)重要指標(biāo),與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解和積累密切相關(guān)[28]。受土壤微生物代謝活動(dòng)影響,土壤C/N通常會(huì)穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi),有機(jī)碳和全氮含量會(huì)呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)[29]。農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥產(chǎn)物中含有大量的水溶性碳[3,20],可為微生物生長(zhǎng)提供充足的碳源,促進(jìn)微生物繁殖,從而在土壤養(yǎng)分含量上表現(xiàn)出較化肥處理組明顯升高的特征,說明堆肥產(chǎn)物內(nèi)充足的養(yǎng)分不僅能夠補(bǔ)充土壤養(yǎng)分,而且能夠促進(jìn)土壤的可持續(xù)耕作[30]。研究結(jié)果表明:5個(gè)堆肥產(chǎn)物處理組的土壤pH值在pH 7.41至pH 8.36之間,可有效改善土壤酸堿性。這是因?yàn)楣┰嚨?種農(nóng)業(yè)廢棄物的堆肥產(chǎn)物呈堿性,可中和土壤中的部分H+[6]。土壤容重是衡量土壤疏松程度和孔隙狀況的一個(gè)重要指標(biāo),能夠反映土壤的通透性和通氣性[31]。本研究發(fā)現(xiàn),不同堆肥產(chǎn)物均能夠降低土壤容重,這可能是因?yàn)楣┰嚩逊十a(chǎn)物疏松多孔,含有大量的腐殖質(zhì)和未腐熟生物質(zhì)[32-33]。

眾所周知,土壤養(yǎng)分提高和物理結(jié)構(gòu)改善有利于作物生長(zhǎng)[34-39],本研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)?？傮w來看,與無肥料處理組和化肥處理組相比,不同堆肥產(chǎn)物處理組的土壤養(yǎng)分水平顯著提高,土壤容重顯著下降,土壤總孔隙度顯著升高,小白菜單株干質(zhì)量顯著升高。然而,本實(shí)驗(yàn)存在種植面積小、周期短、種植作物種類少、檢測(cè)作物生長(zhǎng)指標(biāo)少等問題,后續(xù)應(yīng)進(jìn)行深入和系統(tǒng)研究,尤其要增加對(duì)大田常見作物的相關(guān)研究。

3.3 結(jié) 論

依據(jù)NY/T 525-2021,供試5種熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥過程中高溫期持續(xù)時(shí)間均超過5 d,pH值和電導(dǎo)率均達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn),堆肥產(chǎn)物培養(yǎng)的小白菜種子發(fā)芽指數(shù)超過80%,也達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。5種農(nóng)業(yè)廢棄物的堆肥效果總體較好,其堆肥產(chǎn)物能夠改善土壤理化性質(zhì),促進(jìn)小白菜生長(zhǎng),其中,蔗渣、橡膠木屑和椰糠堆肥產(chǎn)物對(duì)小白菜的增產(chǎn)效果明顯優(yōu)于菠蘿葉和木薯?xiàng)U堆肥產(chǎn)物。