鳥糞石結(jié)晶反應(yīng)在香蕉秸稈堆肥中的試驗研究

滕青，林炫潔，劉維

（1廣東石油化工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東茂名 525000；2茂名市盈峰環(huán)境水處理技術(shù)有限公司，廣東茂名 525000）

0 引言

農(nóng)戶為追求產(chǎn)量，在種植過程中往往過量施加化肥，這種方法的肥料利用效率卻不高，以至于肥料資源被大大浪費，還會造成環(huán)境污染[1-2]。緩釋肥料與化肥相比，其養(yǎng)分釋放速度緩慢，持續(xù)時間長，更有利于作物吸收，減少養(yǎng)分流失[3]。陳藝易等[4]通過試驗發(fā)現(xiàn)，施加了緩釋肥的生菜與施加了當(dāng)?shù)仄胀ㄊ┓实纳俗鞅容^，前者的株高、莖粗、莖長和根長都有明顯變化，皆有增長。何軍等[5]研究發(fā)現(xiàn)水稻在施加了緩釋肥之后，在一定范圍內(nèi)其株高和葉綠素SPAD 值與施加肥料的水平呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。楊兵麗等[6]通過試驗發(fā)現(xiàn)，韭菜在施加緩釋肥的情況下，其產(chǎn)量有明顯的增長，而且韭菜含有的維生素C含量也有所提高。

鳥糞石，成分為磷酸銨鎂，其化學(xué)式為MgNH4PO4· 6H2O，其分子式為245，密度為1.65～1.75 g/cm3，通常情況下主要以白色或淡黃色晶體形式存在，具有玻璃光澤[7]。當(dāng)鎂、氨、磷3種元素同時存在時，會形成不溶性磷酸銨鎂晶體，這種晶體可以緩慢釋放出營養(yǎng)物質(zhì)。鳥糞石的溶解度隨pH的變化而變化，在酸性溶液中很難溶解，在堿性溶液的溶解度較高。鳥糞石作為緩釋肥，具有純度較高，生產(chǎn)過程簡單，含有氮素、磷素和鎂素，營養(yǎng)成分較多，能被農(nóng)作物較好地吸收；在pH為中性的水中的溶解度較低，釋放營養(yǎng)物質(zhì)的速度較慢，不僅能避免出現(xiàn)燒秧現(xiàn)象，還能減少施加肥料后養(yǎng)分的散失，因此，鳥糞石是一種理想的緩釋肥料[8]。

香蕉秸稈，包括其葉、莖等，是中國熱帶廣東、廣西、海南等地區(qū)的一種主要作物秸稈。香蕉具有生長周期短，產(chǎn)量高的特點，部分農(nóng)民會選擇種植香蕉以獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。因此香蕉的莖葉等廢棄物就會被遺棄，香蕉秸稈利用率較低，農(nóng)戶往往丟棄，進(jìn)一步污染環(huán)境[9]。鑒于此，利用鳥糞石結(jié)晶原理達(dá)到固氮目的，將香蕉秸稈進(jìn)行處理后發(fā)酵制成含有磷酸銨鎂的優(yōu)質(zhì)肥料。在發(fā)酵的過程中形成磷酸銨鎂可以有效防止養(yǎng)分損失，利用形成高效的緩釋肥料，提高利用率，將其資源化，避免使用動物糞便帶入的生長激素和抗生素影響效果。香蕉副產(chǎn)物的綜合利用可以達(dá)到減少環(huán)境污染程度，促進(jìn)香蕉行業(yè)的全面發(fā)展趨勢和提高農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堆肥桶為圓柱形，高40 cm，直徑為20 cm；發(fā)酵菌劑為EM 堆肥菌（山東君德科技有限公司），主要含有光合菌、乳酸菌、酵母菌、發(fā)酵絲狀菌、放線菌等多種微生物。主要堆肥發(fā)酵使用藥劑及調(diào)節(jié)劑為磷酸二氫鉀、氯化鎂和尿素，香蕉秸稈取自本地農(nóng)戶。將收集的廢棄香蕉秸稈鋪開，自然干燥至含水率為60%～70%，再將其剪至1～5 cm大小的塊狀備用，本試驗預(yù)處理后的香蕉秸稈的理化性狀如表1所示。

表1 預(yù)處理后香蕉秸稈的理化性質(zhì)

1.2 試驗布置

試驗設(shè)2個處理，處理1：空白組，稱取一定量的香蕉秸稈，用尿素調(diào)節(jié)物料C/N比到20，再添加EM菌混合均勻后放入堆肥桶；處理2：試驗組，稱取一定量的香蕉秸稈，用尿素調(diào)節(jié)物料C/N 比到20，將氯化鎂和磷酸二氫鉀按比例配置成水溶液后灑在香蕉秸稈表面，控制氯化鎂和磷酸二氫鉀和香蕉秸稈干物質(zhì)的N的摩爾比為0.15:0.15:1。添加EM 菌充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠓湃攵逊释?，EM 菌的投加量為香蕉秸稈鮮物質(zhì)重量的4%。每個處理設(shè)3個平行，堆肥周期為50 d。

1.3 樣品采集與分析

堆肥發(fā)酵時依據(jù)發(fā)酵情況進(jìn)行翻堆，翻堆時均勻的采樣約為100 g左右，樣品分為2份，一份（約20 g）保存在冰箱內(nèi)用以測定pH、EC值；一份（約80 g）自然風(fēng)干，然后將自然風(fēng)干的樣品用破碎機(jī)進(jìn)行破碎處理后測定其養(yǎng)分。pH 測定采用pH 計測定，電導(dǎo)率采用水浸提法用電導(dǎo)率儀測定，全氮測定采用凱氏定氮法，全磷含量測定采用酸溶—鉬銻抗比色法，有效磷含量測定采用氟化銨、鹽酸浸提—鉬銻抗比色法，檸檬酸溶性磷測定采用鉬藍(lán)比色法，堿解氮測定采用擴(kuò)散法，有機(jī)質(zhì)的測定采用鄰菲羅啉滴定法[10]。試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥過程中溫度的變化

在堆肥過程中，溫度是一個非常重要的因素。如果溫度過低，就不能達(dá)到成熟度標(biāo)準(zhǔn)，如果溫度過高，不利于堆肥中的微生物的生長[11]。兩組堆肥的初始溫度相差不大，分別為31.1℃和32.6℃（圖1）。在堆肥的前15 d，兩組的溫度整體呈上升趨勢，并在發(fā)酵的第16 d 達(dá)到了溫度最高峰，分別為41.6℃和42.8℃，由于堆肥過程受到天氣的影響，高峰溫度沒有持續(xù)，而且兩組堆體的發(fā)酵完成時間也延長了一個月左右，才達(dá)到香蕉秸稈堆肥終點。從肉眼上可看到腐熟的秸稈顏色變?yōu)楹诤稚?，而且秸稈變?yōu)槌跏紩r狀態(tài)體積的1/3，用手握住可感受到秸稈已變得柔軟。

圖1 堆肥過程中溫度的變化

2.2 堆肥過程中pH的變化

在發(fā)酵過程中，大部分的堆肥微生物都在中性或偏堿性環(huán)境中能有良好的生長和較高的效率[12]。適宜的pH 可以使堆肥過程得到順利進(jìn)行。通過近2 個月的堆肥發(fā)酵，2 組樣品的pH 變化幅度有所不同，空白組的變化幅度在1單位以內(nèi)，而試驗組的pH變化范圍在2 單位以內(nèi)。在堆肥初期，空白組pH 9.04，而試驗組pH 8.06，是因為氯化鎂水溶液呈酸性，所以試驗組的初始pH會比空白組的低（圖2）。從整體上看，空白組均pH＞9，最大值達(dá)到了pH 9.6，一般來說pH＞9.5的為強(qiáng)堿性，不利于微生物的生存，會對堆肥發(fā)酵不利，而試驗組均pH＜9.4（圖2），堆肥能較好地進(jìn)行發(fā)酵。

圖2 堆肥過程中pH的變化

2.3 堆肥過程中電導(dǎo)率的變化

電導(dǎo)率可以反應(yīng)出堆體內(nèi)可溶性鹽的濃度，研究表明，堆體內(nèi)含有的可溶鹽含量是其毒性效應(yīng)的主要影響因素之一，可溶鹽主要包括有機(jī)酸鹽和無機(jī)鹽，當(dāng)電導(dǎo)率過高時會對環(huán)境造成危害[13]。

電導(dǎo)率的變化曲線如圖3 所示，可看出兩組的初始電導(dǎo)率差值較大，這是因為試驗組外加了氯化鎂和磷酸二氫鉀，增加了可溶性鹽的濃度，增大了試驗組的電導(dǎo)率。從整體上看，空白組的電導(dǎo)率呈上升趨勢，而試驗組的電導(dǎo)率有波動，在10月11號到達(dá)就高峰后又降下，但空白組與試驗組的終點電導(dǎo)率分別為3.89 mS/cm 和3.78 mS/cm（圖3），均在4 mS/cm 以下，可得知兩組堆肥皆有較好的肥效。

圖3 堆肥過程中電導(dǎo)率的變化

2.4 堆肥過程中全磷含量的變化

土壤中磷主要為速效狀態(tài)和緩效狀態(tài)，通常情況下，大多數(shù)的磷以緩效狀態(tài)存在，而且堆肥中的全磷包括有機(jī)磷和無機(jī)磷，因此，土壤的全磷含量不能用作土壤磷供應(yīng)的指標(biāo)，在堆肥過程中各種形式的磷會相互轉(zhuǎn)化。全磷含量高時，也不一定能提供充足的磷供給，但當(dāng)全磷含量過低時可能會發(fā)現(xiàn)磷的供給不足。

由圖4 可看出，外加氯化鎂和磷酸二氫鉀的試驗組中的全磷含量遠(yuǎn)高過于空白組的含量，堆肥開始時空白組和試驗組的含量分別為4.58、27.71 g/kg，堆肥結(jié)束時空白組和試驗組的全磷含量分別為6.70、31.37 g/kg（圖4）。從整體上看，空白組中的全磷含量呈上升趨勢，而試驗組的全磷含量呈下降趨勢。但堆肥結(jié)束比堆肥開始時的全磷含量均有提高，空白組和試驗組的全磷含量分別提高了46.29%和13.21%。

圖4 堆肥過程中全磷的變化

2.5 堆肥中有效磷含量的變化

外加氯化鎂和磷酸二氫鉀的試驗組中的有效磷含量遠(yuǎn)高過于空白組的含量，空白組中的有效磷含量整體呈下降趨勢，而試驗組中的有效磷含量整體呈上升趨勢。在堆肥結(jié)束時，空白組的有效磷含量低于初始堆肥含量，降低了24.29%，而試驗組的有效磷含量與初始堆肥相比增加了64.79%（圖5）。堆肥開始時空白組和試驗組的有效磷含量分別為0.70、7.30 g/kg，分別占全磷含量的15.28%、26.34%（表2）；堆肥結(jié)束時空白組和試驗組的有效磷含量分別為0.53、12.03 g/kg，分別占全磷含量的7.91%、38.35%（表2）。

圖5 堆肥過程中有效磷的變化

表2 堆肥過程中有效磷占全磷含量的百分比 %

2.6 堆肥中檸檬酸溶性磷含量的變化

檸檬酸溶性磷可以反應(yīng)堆肥期間的肥力變化情況，可以了解到每一次翻堆時磷元素的變化情況?？瞻捉M和試驗組中的檸檬酸溶性磷含量整體皆呈上升趨勢。外加氯化鎂和磷酸二氫鉀的試驗組中的檸檬酸溶性磷含量遠(yuǎn)高過于空白組的含量，空白組的檸檬酸溶性磷含量最大值為1.35 g/kg，而試驗組的最大值為13.94 g/kg（圖6），約是空白組最大值的10倍。堆肥結(jié)束比堆肥初始時的檸檬酸溶性磷含量均有提高，空白組和試驗組的檸檬酸溶性磷含量分別提高了114.28%和59.13%。

圖6 堆肥過程中檸檬酸溶性磷的變化

2.7 堆肥中堿解氮含量的變化

堿解氮含量可以反映土壤氮素的供應(yīng)狀況，能夠作為施肥的科學(xué)依據(jù)，其中包括無機(jī)氮、礦物態(tài)氮和部分有機(jī)態(tài)氮，是反映土壤供氮能力的指標(biāo)之一[14]。在農(nóng)作物的氮含量方面，堿解氮與無機(jī)氮具有良好的相關(guān)性，常被用作土壤氮有效性的指標(biāo)[15]。

試驗組中的堿解氮含量遠(yuǎn)高于空白組的含量，空白組和試驗組中的堿解氮含量整體呈上升趨勢，堆肥開始時空白組和試驗組的含量分別為663.6 mg/kg 和1722.0 mg/kg，試驗組的堿解氮含量約是空白組的3倍（圖7）；堆肥結(jié)束時空白組和試驗組的堿解氮含量分別為996.8 mg/kg 和1974.0 mg/kg，試驗組的堿解氮含量約是空白組的2 倍（圖7）。堆肥結(jié)束比堆肥初始時的堿解氮含量均有提高，空白組和試驗組的堿解氮含量分別提高了50.21%和14.63%。

圖7 堆肥過程中堿解氮的變化

3 結(jié)論

添加氯化鎂和磷酸二氫鉀的香蕉秸稈堆肥與普通的香蕉秸稈堆肥過程中溫度的變化幅度是相似的，達(dá)到溫度最高峰是在同一天，最高溫度相近。相較兩組堆肥的pH 可發(fā)現(xiàn)普通堆肥法的空白組較大，pH 過高會對堆肥過程造成不利的影響；而電導(dǎo)率是利用鳥糞石結(jié)晶法的試驗組較大，堆體中的可溶性鹽含量較高但未造成危害。堆肥結(jié)束時試驗組養(yǎng)分含量顯著高于空白組養(yǎng)分含量。兩組堆肥中檸檬酸溶性磷和堿解氮含量皆呈增加趨勢，空白組的全磷含量呈上升趨勢、而有效磷含量呈下降趨勢，試驗組的全磷含量呈下降趨勢、而有效磷含量呈上升趨勢。此外，空白組的有效磷與總磷的比例會隨著堆肥時間的增加而降低，而試驗組中的有效磷占總磷的比例隨著堆肥時間的增加而增加。在香蕉秸稈堆肥中添加氯化鎂和磷酸二氫鉀可以有效減少氮磷的流失，增加堆肥產(chǎn)品中氮磷的含量，加速有機(jī)物的降解。