中圖分類號:S141.4 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:2095-5553(2025)07-0288-07
Abstract:Toasssstheeffectsof differentconditioners onhumificationand nutritioncontentduring theco-compostingof vegetable waste biogas residue and sheep manure,this study employed aerobic composting using three types of conditioners:cornstraw,corncoband wheat straw.Thecomposting performance was evaluated by monitoring key indices throughout the composting process.Theresultsindicated that all three conditioners efectively promoted the aerobic composting. The composting process featured a high-temperature phase lasting 7 to ,with moisture content ranging from 24.2% to 29.9% , ΔpH around 7.8,electrical conductivity (EC)between 2.4 and
(20 cm,germination index (GI) ranging from 87.1% to 98.3% ,organic matter content between 65.0% and 71.6% ,and total nutrient content ranging from 6.7% to 7.9% . Compared to wheat straw,both corn straw and corn cob improved the humification coefficient(HR)and humification index(HI)of the composting pile tovarying degres, significantly increasing humic substance content.Among the treatments,the corncob group achieved thehighest humic substance content (72.67g/kg) ,with an aggregation degree(DP)of 71.73% and a humic acid proportion (PHA) of 31.11% . In summary,both corn straw and corn cob are effective conditioners for co-composting vegetable waste biogas residue and sheep manure,with corn straw showing the best overall performance. Keywords:vegetable waste biogas residue;aerobic composting;conditioners; sheep manure;humification
0 引言
尾菜是指蔬菜在采摘、加工、儲運和銷售過程中產(chǎn)生的大量廢棄物或剩余物1。大量尾菜隨意丟棄,存在污染環(huán)境和傳播疾病的潛在風(fēng)險[2]。尾菜沼渣是尾菜經(jīng)工廠化干濕分離處理,再通過慶氧發(fā)酵、固液分離后產(chǎn)生的殘留物。尾菜沼渣富含大量有機質(zhì)、氮、磷、鉀和微量元素,被視為土壤的優(yōu)質(zhì)有機改良劑,也被認為是尾菜資源化利用的有效措施[3]。然而,厭氧發(fā)酵時間短、溫度低,致使尾菜沼渣含有病原微生物、有毒化合物和植物毒素,降低了沼渣的生物穩(wěn)定性,若作為有機肥直接還田利用,存在二次污染環(huán)境的風(fēng)險[4]
好氧堆肥是處理農(nóng)業(yè)有機廢棄物的主要途徑,具有處理規(guī)模大、經(jīng)濟可行的特點。研究表明,各類沼渣經(jīng)好氧堆肥處理后,其中的有機質(zhì)可轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的腐殖質(zhì),同時殺滅病原微生物,堆肥產(chǎn)品具有優(yōu)質(zhì)、安全、穩(wěn)定和高肥效的特點[5,6]。然而,尾菜C/N比和有機質(zhì)含量低,含水率高,嚴重影響好氧堆肥的進程,不宜單獨使用,因此需要添加調(diào)理劑輔助堆肥。調(diào)理劑具有分解蛋白質(zhì)、殺滅病蟲害及有害微生物、增加土壤養(yǎng)分的效果,常用的堆肥調(diào)理劑有農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便。研究發(fā)現(xiàn),玉米芯作為調(diào)理劑,在沼渣堆肥過程中不僅可提高土壤肥力,同時還能降低過氧化氫產(chǎn)生的毒害。此外,將農(nóng)作物秸稈與畜禽糞便混合,開展聯(lián)合堆肥,也可有效彌補沼渣單獨堆肥的缺陷,解決農(nóng)業(yè)廢棄物資源化綜合利用的技術(shù)難題[8,9]。白玲等[10,11]研究發(fā)現(xiàn),牛糞與玉米秸稈或木屑共堆肥,可顯著提升堆體胡敏酸含量。
目前,沼渣好氧堆肥研究多聚焦于污泥沼渣、畜禽糞污沼渣和秸稈沼渣,針對尾菜沼渣堆肥研究較少[12,13]。甘肅省是我國五大蔬菜產(chǎn)區(qū)之一,每年產(chǎn)生大量的尾菜,2023年尾菜產(chǎn)量高達 6 124kt[14] 。為減少尾菜對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的污染,同時實現(xiàn)尾菜的資源化利用,本文以尾菜沼渣和羊糞為原料,通過添加不同調(diào)理劑(玉米秸稈、玉米芯和小麥秸稈),開展聯(lián)合好氧堆肥試驗,研究堆肥過程中理化性質(zhì)、養(yǎng)分及腐殖質(zhì)演化規(guī)律,以期為尾菜沼渣消納提供實踐依據(jù)和技術(shù)支持。
1 材料與方法
1. 1 供試原料
尾菜沼渣由蘭州某公司提供。玉米秸稈、玉米芯和小麥秸稈均來自蘭州新區(qū)西岔鎮(zhèn)種植農(nóng)戶,經(jīng)自然風(fēng)干,粉碎至 1~3mm 粒徑備用。羊糞來自蘭州新區(qū)中澤養(yǎng)殖場,風(fēng)干、粉碎后備用。堆肥原料理化指標(biāo)如表1所示。
表1堆肥原料理化指標(biāo) Tab.1 Physical and chemical indicators of compostingrawmaterials
注:總磷為 P2O5 的含量;總鉀為 K2O 的含量。
1.2 試驗設(shè)計
試驗設(shè)置T1、T2和T3三個處理,分別代表發(fā)酵堆體的不同調(diào)理劑組成,堆肥原料配比如表2所示。通過添加調(diào)理劑,使堆料初始 C/N 比約為25;加人適量水,調(diào)節(jié)堆料初始含水率至 65% 左右。原料質(zhì)量均按濕重質(zhì)量計算,每組試驗重復(fù)3次。充分混勻原料,裝人 70L 塑料泡沫箱,堆肥時間持續(xù) 30d 。堆肥過程采用人工翻堆的方式進行通風(fēng),前期( (1~9 天每隔2天翻堆一次,此后每隔4天翻堆一次。
表2原料配比用量Tab.2 Raw material ratio and dosage
注:原料配比均為濕重比。
1.3樣品采集及檢測
在堆肥的第0天、3天、6天、9天、15天、20天、25天和30天,分別進行堆體內(nèi)五點采樣。樣品混勻后分為兩等份,其中一份取鮮樣 10.0g ,加人 100mL 去離子水(固液比 1:10) 于 150mL 具塞三角瓶中混勻,混合物置于25°C 恒溫振蕩器,以 180r/min 轉(zhuǎn)速水平振蕩 60min 后,過濾得到浸提液,用于 pH 值、電導(dǎo)率 (EC) 和種子發(fā)芽指數(shù) (GI) 的測定。另一份樣品經(jīng)風(fēng)干、磨碎、過篩 (1mm) 處理后,用于總氮(TN)、總磷(TP)、總鉀(TK)、有機質(zhì)、胡敏酸(HA)、富里酸(FA和總有機碳(TOC含量測定。
樣品各指標(biāo)測定方法:(1)溫度:每日8:00、14:00和20:00用電子溫度計分別測定堆體上、中、下3處溫度,取平均值。(2)含水率:采用烘干法。(3)pH 值、 .EC 值和 GI 值:將上述步驟得到的浸提液,分別用PHSJ-4F型 pH 計和 DDSJ-308F 型電導(dǎo)率儀測定 pH 值和 EC 值。 GI 值測定參考 NY525- 2021《有機肥料》。(4)TN、TP、TK、TOC、HA、FA:用濃 H2SO4-H2O2 消解樣品,采用全自動凱氏定氮法測定TN含量;釩鉬酸銨比色法測定TP含量;原子吸收分光光度計法測定TK含量;重鉻酸鉀容量法測定有機質(zhì)和TOC含量。采用 Na4P2O7-NaOH 提取重鉻酸鉀氧化容量法測定HA和FA含量。(5)腐殖化系數(shù)( .HR )、腐殖化指數(shù)( HI )、聚合程度( ?DP )和胡敏酸占有率( PHA ):參照白玲等[15]方法計算。以上指標(biāo),每個取3次平行樣,測定后取平均值。
1.4 數(shù)據(jù)計算和統(tǒng)計分析
種子發(fā)芽指數(shù) GI 、腐殖化系數(shù) HR 、腐殖化指數(shù) HI 、聚合程度 DP 、胡敏酸占有率 PHA 計算如式 (1)~ 式(5)所示。
式中: b1 ———有機肥浸提液培養(yǎng)的種子發(fā)芽率 % :c1 一 有機肥浸提液培養(yǎng)的種子平均根長, mm b2 ——去離子水培養(yǎng)的種子發(fā)芽率, % :c2 去離子水培養(yǎng)的種子平均根長, mm s 1 腐殖質(zhì)碳(HS—C)質(zhì)量比, g/kg t 總有機碳(TOC)質(zhì)量比, g/kg ·h 1 胡敏酸碳(HA—C)質(zhì)量比, g/kg 手S 富里酸碳(FA—C)質(zhì)量比, g/kg 。
采用 Excel2021 軟件進行數(shù)據(jù)處理,SPSS19.0進行顯著性和相關(guān)性分析,采用Origin2021軟件繪圖,運用Image軟件測定種子根長。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同調(diào)理劑對堆肥理化性質(zhì)的影響
2.1.1不同調(diào)理劑對堆肥溫度的影響
溫度是堆肥過程的重要物理指標(biāo)[16]。好氧堆肥發(fā)酵溫度有升溫、高溫、降溫和低溫腐熟4個階段,高溫階段時的溫度及持續(xù)時間對堆肥原料有機質(zhì)代謝、腐殖質(zhì)聚合、病原微生物殺滅和有毒污染物(抗生素和農(nóng)藥殘留)降解尤為關(guān)鍵,也是決定堆肥產(chǎn)品安全性和品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)[17]。由圖1可知,與環(huán)境溫度相比,添加3種調(diào)理劑,均顯著提高堆肥溫度,且呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢。其中,T1、T3處理組在堆肥第2天進入高溫期 ,第5天達到最高溫,分別為65.5°C.62.7°C;T 2處理組在第4天進入高溫期,第11天達到最高溫 63.3°C 。
根據(jù)GB/T36195—2018《畜禽糞污無害化處理技術(shù)規(guī)范》要求[18],堆體溫度高于 50°C 并持續(xù)7天,就能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。T1、T2、T3處理組高溫期分別持續(xù)8天、12天、7天,均達到固體堆肥無害化處理要求。
2.1.2不同調(diào)理劑對堆肥含水率的影響
堆肥過程中,過高的含水率會影響空氣擴散,導(dǎo)致有機物因供氧不足出現(xiàn)缺氧。3種調(diào)理劑對堆肥含水率的影響結(jié)果如圖2所示,加入3種調(diào)理劑后,堆肥含水率均顯著降低,由初始 65% 降至 30% 以下,其中,T2處理組含水率最低,為 24.2% ,低于T1處理組的26.8% 和T3處理組的 29.9% 。
研究表明[19],含水率與高溫期持續(xù)時間呈負相關(guān)。這與本文研究結(jié)果一致,即含水率在高溫階段下降速率更快,高溫期持續(xù)時間為 T2gt;T1gt;T3 ,堆肥結(jié)束時,含水率為 T2
2.1.3不同調(diào)理劑對堆肥 pH 的影響
堆肥溫度變化會影響微生物代謝的活性,進而影響堆肥體系理化性質(zhì)的變化。通過監(jiān)測堆肥過程中ΔpH 的變化,評價3種調(diào)理劑的作用效果。由圖3可知, pH 在堆肥過程中呈先升后降的變化趨勢,且均處于 5.5~8.5 。其原因在升溫和高溫階段,微生物分解代謝活躍,堆體內(nèi)蛋白質(zhì)等含氮有機物分解形成大量 NH3 . pH 快速升高。其中,T3處理組在堆肥后的第6天達到峰值,早于T1(10天)和T2(15天)處理組;T1處理組 pH 峰值為8.8,略高于T2處理組的8.6和T3處理組的8.4。在堆肥的降溫期和低溫期,由于含氮有機物分解率下降,硝化產(chǎn)生大量 H+ ,腐殖酸累積,導(dǎo)致堆體pH下降[20],本文中3個處理組 ΔpH 值均回落至7.8,符合堆肥腐熟 ΔpH 要求[21]
2.1. 4 不同調(diào)理劑對堆肥 EC 的影響
EC 是評價堆肥腐熟的重要指標(biāo)。試驗結(jié)果表明(圖4),堆肥過程中, EC 值均處在 4.0mS/cm 以下。其中,在升溫和高溫階段, EC 值呈上升趨勢,由1.8mS/cm 緩慢上升至 2.8~3.5mS/cm ,其原因可能是該期堆體有機物分解礦化形成銨鹽、硝酸鹽和磷酸鹽等可溶性鹽。在降溫和低溫腐熟階段, EC 值逐漸下降,堆肥結(jié)束時,T1、T2、T3處理組分別下降至3.0mS/cm.3.1mS/cm.2.4mS/cm 。堆肥后期形成碳酸鹽、磷酸鹽等難溶性鹽,致使EC值下降,這一結(jié)果與史昌明等[19]研究一致。
2.1.5 不同調(diào)理劑對堆肥GI的影響
國內(nèi)研究者將種子發(fā)芽指數(shù)(GI)作為堆肥腐熟度最具說服力的綜合性生物學(xué)評價指標(biāo)[23],認為當(dāng)GI‰ 時,基本沒有毒性; GI≥80% 時,完全沒有毒性[24]。由圖5可知,在堆肥前3天, GI 值持續(xù)降低,這可能是由于堆體溫度迅速上升,堆體中微生物快速繁殖,釋放大量氨、酚類物質(zhì)和各種無機鹽離子積聚,抑制種子發(fā)芽和生長。隨著堆肥時間推移,各堆體 GI 值從第3天小于 30% 快速增加到第20天大于 80% .這一結(jié)果與牛明芬等[24研究一致,其原因可能是有機質(zhì)分解代謝,轉(zhuǎn)化為促進植物生長的腐殖質(zhì)和難溶性無機鹽離子,堆體完成腐殖化和礦化,降低植物毒性,促進了植物生長。待堆肥結(jié)束時,T1、T2、T3處理組GI值分別為 98.3%.93.2%.87.1% ,表明均已完全腐熟,且對植物生長無毒害作用。
2.2 不同調(diào)理劑對堆料養(yǎng)分的影響
2.2.1不同調(diào)理劑對堆料有機質(zhì)含量的影響
由圖6可知,3個處理組有機質(zhì)含量均呈逐漸下降趨勢。T1、T2、T3處理組有機質(zhì)含量由堆肥開始時的 81.8% 7 83.4% 1 85.6% ,降至堆肥結(jié)束時的65.0%.67.2%.71.6%,T1 處理組分解率為 20.5% ,高于T2處理組的 19.5% 和T3處理組的 16.3% 。這可能與玉米秸稈增加堆體孔隙,提高 O2 含量,利于微生物繁殖,便于有機質(zhì)分解有關(guān)。
研究表明,溫度會影響有機質(zhì)的分解,在堆肥升溫和高溫階段,有機質(zhì)分解率更高,這可能與堆肥初期細菌大量繁殖,分解堆料有機物,為微生物繁殖提供能源有關(guān)。在堆肥后期,易分解的有機物消耗殆盡,微生物繁殖受到抑制,有機質(zhì)分解率下降,這與趙龍彬研究結(jié)果一致。
2.2.2不同調(diào)理劑對堆料TN、TP、TK和總養(yǎng)分含量的影響
大量研究表明,農(nóng)業(yè)有機廢棄物經(jīng)過好氧堆肥轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C肥,其目的除無害化處理,降低病原微生物疾病傳播風(fēng)險外,還要確保堆肥產(chǎn)品養(yǎng)分不損失,同時提高有機肥N、P、K等養(yǎng)分含量[25]。結(jié)果顯示,3個處理組的TN、TP、TK和總養(yǎng)分含量在堆肥結(jié)束后均有不同程度的增加,這可能是在堆肥過程中,物質(zhì)代謝產(chǎn)生 H2 0、CO2、NH3 等物質(zhì),導(dǎo)致堆體物質(zhì)總量減少,表現(xiàn)為濃縮效應(yīng)。由圖7可知,TN含量增加 29.39%~41.33% ;TP含量增加 46.80%~57.18% ;TK含量增加 23.89% ~36.08% ;總養(yǎng)分含量增加 38.59%~42.79% 。
2.3不同調(diào)理劑堆肥前后腐殖化參數(shù)的變化
腐殖化參數(shù)是評價堆肥腐熟的指標(biāo)。腐殖化參數(shù)包括堆肥前后腐殖質(zhì)各組分HS、HA、FA的含量及 HR、HI、DP、PHA 指標(biāo)。
2.3.1不同調(diào)理劑堆肥前后腐殖質(zhì)組分的變化
堆肥是將分子量較小、性質(zhì)活躍、結(jié)構(gòu)簡單的小分子物質(zhì)FA轉(zhuǎn)換為分子量大、活性穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大分子物質(zhì)HA的過程[26],因此,HA和FA含量是判斷腐殖化進程的重要指標(biāo)[27]。如表3所示,堆肥結(jié)束后,T1、T2、T3處理組 HS—C、HA—C和FA—C含量均有所增加。與堆肥前相比,T1處理組HS—C含量增加19.39g/kg ,顯著高于T2處理組的 15.38g/kg.T3 處理組的 10.94g/kg(Plt;0.05) ;T1、T2處理組HA-C含量分別增加 15.29g/kg.16.20g/kg ,顯著高于T3處理組的 10.44g/kg(Plt;0.05);3 個處理組FA—C增加量較HS—C、HA—C偏低,T1、T3處理組FA—C含量分別增加 4.11g/kg.0.50g/kg,T2 處理組FA—C含量減少 0.84g/kg 。
表3不同調(diào)理劑堆肥前后腐殖質(zhì)各組分及 HR、HI、DP、PHA 變化
b. 3Changes in humus components,HR, HI , DP ,and PHA before and after composting with different conditioning ag
2.3.2不同調(diào)理劑堆肥前后腐殖化程度的變化
腐殖化程度的變化與腐殖質(zhì)組分變化規(guī)律一致,堆肥結(jié)束時, HR,HI,DP 和 PHA 均有所增加,如表3所示。與堆肥前相比,T1處理組 HR 增加55.83% ,顯著高于T2處理組的 36.77% 、T3處理組的 33.18% ( Plt;0.05) ;T1、T2處理組 HI 分別增加89.64%.79.07% ,顯著高于T3處理組的 62.98% 0 ?Plt;0. 05 ;T2處理組 DP 增加 71.73% ,顯著高于T1處理組的 47.19% 和T3處理組的 45.81% ( Plt; 0.05);T1、T2、T3處理組 PHA 分別增加 21.70% 、31.11%.22.35% ,組間差異性均不顯著 Pgt;0.05 。
HR、HI、DP、PHA 均有所增加,其中T1處理組 HR,HI 增加最多,說明在堿性條件下碳含量最高,腐殖質(zhì)分子結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,分子量最大;T2處理組DP、PHA增加最多,表明小分子的FA轉(zhuǎn)換為大分子的HA最多,且腐殖質(zhì)組分中HA所占比例最高。其原因可能是玉米秸稈和玉米芯纖維素含量較小麥秸稈高,堆肥過程將其降解為芳香化合物,使腐殖質(zhì)分子更加復(fù)雜和穩(wěn)定,利于堆肥的腐熟化[17]
2.3.3 不同調(diào)理劑堆肥后腐殖化參數(shù)之間的相關(guān)性分析
腐殖化參數(shù)之間的相關(guān)性分析是反映堆肥腐熟化和評價堆肥腐殖化程度的另一關(guān)鍵指標(biāo)。堆肥后腐殖化參數(shù)之間的相關(guān)性分析如表4所示。TOC與FA—C、HR、 HI 呈正相關(guān)( ?Pgt;0.05) ,與HS-C、HA-C、DP、PHA 呈負相關(guān)( Pgt;0.05 ;HS-C與FA-C、
DP、PHA 呈正相關(guān)( ,與 HR,HI 呈顯著性正相關(guān)( ?Plt;0.05) ,與HA—C呈極顯著性正相關(guān)( Plt;0.01 ;HA-C與FA-C、 HR 呈正相關(guān)( Pgt; 0.05),與 HI,DP,PHA 呈極顯著性正相關(guān)( Plt; 0.01);FA—C與 HR,HI 呈正相關(guān)( Pgt;0.05 ,與DP、 PHA 呈負相關(guān)( ?Pgt;0. 05 ); HR 與 HI 呈極顯著性正相關(guān)( Plt;0.01 ,與 DP,PHA 呈正相關(guān)( Pgt; 0.05); HI 與 DP、PHA 呈顯著性正相關(guān)( ?Plt;0.05) ;DP 與 PHA 呈極顯著性正相關(guān)( Plt;0.01 。
相關(guān)性分析表明,好氧堆肥可有效促進有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì),腐殖質(zhì)中HA含量越高、FA含量越低,表明堆肥腐殖化程度越高,產(chǎn)品品質(zhì)越好。
表4堆肥后腐殖質(zhì)各組分及 HR、HI、DP、PHA 之間的相關(guān)性分析 Correlation analysis between humic substances components and HR , HI , DP ,PHA after compostir
注:**表示在0.01水平上相關(guān)性顯著;*表示在0.05水平上相關(guān)性顯著。
3結(jié)論
1)玉米秸稈、玉米芯和小麥秸稈作為調(diào)理劑,均能使尾菜沼渣和羊糞聯(lián)合好氧堆肥成功。堆肥結(jié)束時,高溫持續(xù)時間為 7~12 d,含水率為 24.2%~ 29.9% ,pH值為7.8,電導(dǎo)率為 2.4~3.1mS/cm ,種子發(fā)芽指數(shù)為 87.1%~98.3% ,有機質(zhì)含量為65.0%~71.6% ,總養(yǎng)分含量為 6.7%~7.9% ,均符合NY/T525—2021《有機肥料》技術(shù)指標(biāo)要求。
2)以堆肥產(chǎn)品TN、TP、TK、總養(yǎng)分等營養(yǎng)成分變化為評價指標(biāo),玉米芯處理組在堆肥前后的TN、TK及總養(yǎng)分變化最大,分別增加 41.33% 、36.08%.42.79% 。
3)腐殖化特征研究表明,添加玉米秸稈的 HI 和 HR 最高,以玉米秸稈為調(diào)理劑可加快堆肥腐殖化進程,且形成的腐殖質(zhì)分子結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,分子量最大;添加玉米芯的 DP 和 PHA 最高,以玉米芯為調(diào)理劑的堆肥過程中小分子的FA轉(zhuǎn)換為大分子的HA最多,且腐殖質(zhì)組分中HA所占比例最高。
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