鄭衛(wèi)聰，王 俊，王曉明，陳曉蓉，毛小云，3

(1 深圳市綠化管理處，廣東深圳 518000;2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東廣州 510642;3 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，生物材料研究所，廣東廣州 510642）

園林有機(jī)廢棄物是指城市園林綠化養(yǎng)護(hù)過(guò)程中所產(chǎn)生的喬灌木修剪物、草坪修剪物、雜草、枯枝落葉等廢棄物.早在20世紀(jì)90年代，不少發(fā)達(dá)國(guó)家已頒布法令禁止園林有機(jī)廢棄物的填埋和焚燒處理［1］，受政策、資金和技術(shù)等多方面的影響目前國(guó)內(nèi)大部分城市的園林有機(jī)廢棄物仍然采用填埋或焚燒等處理途徑［2-3］，隨著城市綠化建設(shè)的快速發(fā)展，園林有機(jī)廢棄物的產(chǎn)生量迅速增加，填埋或焚燒等非資源化的處理方式在填埋土地緊張和潛在的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)等壓力下，已越來(lái)越不適應(yīng)城市發(fā)展要求.園林有機(jī)廢棄物含有豐富的有機(jī)質(zhì)，堆肥處理后應(yīng)用于園林綠化等方面可補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的物質(zhì)循環(huán)，被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是適合城市可持續(xù)發(fā)展的處置方式［4-6］.然而，由于園林有機(jī)廢棄物C/N高，以纖維素和木質(zhì)素等難降解成分為主，自然堆腐時(shí)間長(zhǎng)，傳統(tǒng)耗時(shí)占地的堆肥處理方法不能適應(yīng)現(xiàn)代城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，針對(duì)園林有機(jī)廢棄物特點(diǎn)研發(fā)快速堆肥化處理技術(shù)對(duì)促進(jìn)其資源化利用實(shí)現(xiàn)城市節(jié)能減排具有重要意義.過(guò)去我國(guó)關(guān)于廢棄物堆肥的研究主要側(cè)重于禽畜糞便、城市污泥、生活垃圾和農(nóng)業(yè)秸稈等，近年來(lái)關(guān)于園林有機(jī)廢棄物堆肥方面的研究逐漸受到關(guān)注，但由于研究者多采用混合物料堆肥，在腐熟時(shí)間、腐熟評(píng)價(jià)指標(biāo)等方面的研究結(jié)果存在較大的差異［7-9］.本文對(duì)單一園林有機(jī)廢棄物采用不同堆置措施，研究了堆肥過(guò)程中有機(jī)物的動(dòng)態(tài)變化和生物學(xué)指標(biāo)，為評(píng)價(jià)堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)、判定單純園林有機(jī)廢棄物堆肥的腐熟度和穩(wěn)定性提供理論依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)園林有機(jī)廢棄物的可持續(xù)資源利用提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 堆肥原料和裝置

堆肥原料:園林修剪樹(shù)枝等，粉碎至5 cm以下，由深圳市綠化管理處樹(shù)枝粉碎場(chǎng)提供，其主要理化性狀為:w(水)為40.1%，全氮6.54 g/kg，全磷6.17 g/kg，全鉀4.73 g/kg，w(有機(jī)質(zhì))為58.52%，C/N 為80;復(fù)合微生物菌種(包括放線菌、真菌、細(xì)菌、芽孢桿菌、酵母菌等，總含菌不少于6.5×109cfu·mL－1，各菌種不少于3×108cfu·mL－1)，由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)新肥料資源研究中心提供;w(N)為46%的尿素，產(chǎn)自海南;w(P2O5)為12%的過(guò)磷酸鈣，產(chǎn)自廣東湛江.

堆肥場(chǎng)地及設(shè)備:試驗(yàn)在堆肥水泥槽內(nèi)進(jìn)行，堆肥槽長(zhǎng)×寬×高為12.5 m×2.0 m×1.2 m;翻堆采用槽式強(qiáng)力堆肥翻拋機(jī).

1.2 堆置方案及采樣方法

試驗(yàn)于2008年4—5月在深圳市綠化管理處樹(shù)枝粉碎場(chǎng)進(jìn)行.共設(shè)3個(gè)處理(每處理堆肥物料30 m3):對(duì)照(CK)，不調(diào)節(jié)C/N且不加菌種僅調(diào)節(jié)物料w(水)至65%;T1，添加尿素5 kg/m3，調(diào)節(jié)物料C/N至30左右，同時(shí)添加過(guò)磷酸鈣1 kg/m3，T2，在T1的基礎(chǔ)上再添加復(fù)合菌劑0.3 kg/m3，用水稀釋后噴灑于堆肥物料中.各處理通過(guò)翻堆機(jī)將物料混合均勻并調(diào)節(jié)物料w(水)至65%左右，在堆肥槽中堆成長(zhǎng)×寬×高為12.5 m×2.0 m×1.2 m的條形堆.

每天上午10:00和下午3:00測(cè)定堆體溫度，并觀察其顏色和氣味變化.堆置第3天當(dāng)堆溫升至65℃左右時(shí)進(jìn)行第1次翻堆，其后每隔2 d翻堆1次.分別于堆肥第5、11、16、25和31天時(shí)取樣測(cè)定相關(guān)指標(biāo)，每處理分層多點(diǎn)取樣混合以保障樣品的代表性.

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

有機(jī)質(zhì)采用1.0 mol·L－1K2Cr2O7－H2SO4外加熱法(NY525—2002);總腐植酸采用焦磷酸鈉(Na4P2O7)浸提－K2Cr2O7容量法;游離腐植酸采用1%NaOH浸提－K2Cr2O7容量法［8］;胡敏酸和富里酸的測(cè)定采用 0.1 mol·L－1Na4P2O7+0.1 mol·L－1NaOH浸提K2Cr2O7容量法;揮發(fā)性固體(VS)的測(cè)定采用550℃灼燒4 h差重法測(cè)定［8］.

取第16和31天樣品采用稀釋平板計(jì)數(shù)法測(cè)定細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量.

堆肥對(duì)種子發(fā)芽的影響測(cè)定:稱取2.00 g風(fēng)干的堆肥樣置于直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中，把2張大小合適的濾紙放入培養(yǎng)皿中，吸取20 mL蒸餾水于培養(yǎng)皿中，均勻放30粒顆粒飽滿的番茄種子(品種為益豐4號(hào)，廣州市蔬菜研究所提供)，對(duì)照為蒸餾水.每個(gè)處理作5次重復(fù)，每24 h測(cè)定種子發(fā)芽率和發(fā)芽種子的芽長(zhǎng)［9］.發(fā)芽指數(shù)(Germination index，GI)用下式計(jì)算:

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體溫度的變化情況

堆肥過(guò)程中的溫度變化是評(píng)價(jià)堆肥是否腐熟的重要指標(biāo)之一，高溫不僅能夠殺死堆料中所含致病微生物，而且能分解其中的有毒物質(zhì)，保證堆肥無(wú)害化和腐熟［9－10］.圖1是各處理堆體的溫度變化曲線.圖1的結(jié)果表明，各處理在堆制第3天均已達(dá)到55℃以上的高溫，其中T1升溫最快，在堆制第2天時(shí)達(dá)到60℃，第3天時(shí)達(dá)到65℃.T2升溫亦明顯快于CK，堆肥第2天即達(dá)60℃高溫，但最高溫低于T1.這說(shuō)明合理的C/N有利于堆溫的快速升高，而復(fù)合菌劑的添加則有利于控制堆體溫度過(guò)高，這也許與復(fù)合菌劑中的腐解功能菌(真菌類)的繁殖對(duì)產(chǎn)熱菌(細(xì)菌類)的生長(zhǎng)有抑制作用有關(guān).在本試驗(yàn)中，T1和T2在60℃左右的高溫階段維持了15 d左右，CK在52～60℃之間持續(xù)了13 d左右，隨后堆溫開(kāi)始下降，32 d后穩(wěn)定在40℃左右.

圖1 堆肥過(guò)程堆體溫度及氣溫變化情況Fig 1 Changes of temperature during composting

2.2 有機(jī)質(zhì)含量和揮發(fā)性固體(VS)的動(dòng)態(tài)變化

堆肥腐熟是有機(jī)物的降解過(guò)程，表現(xiàn)為堆肥物料有機(jī)質(zhì)含量的降低.由圖2a可知，各處理有機(jī)質(zhì)含量在堆肥期間呈明顯的下降趨勢(shì)，且表現(xiàn)為前期(前11 d)降低較快，后期相對(duì)較小.這與堆肥前期易降解的有機(jī)物(如可溶性糖、有機(jī)酸、淀粉等)分解速率較快，而中后期隨著易降解物質(zhì)的減少，微生物需利用較難降解的有機(jī)物質(zhì)(如纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等)作為碳源，分解相對(duì)緩慢有關(guān)［11-12］.T2堆肥有機(jī)質(zhì)含量最低，在31 d時(shí)較堆肥開(kāi)始時(shí)降低了25.5%;其次是添加了氮磷肥的T1，降低了23.0%;CK有機(jī)質(zhì)降幅最小，為19.3%.

圖2 堆肥有機(jī)質(zhì)和揮發(fā)性固體變化情況Fig 2 Changes of organic matter and volatile solid contents during composting

揮發(fā)性固體(VS)含量的變化可反映堆肥有機(jī)物降解程度的變化［7］.VS代表著堆肥中可被微生物利用的總能量，影響著堆肥過(guò)程的溫度變化.在適宜的條件下，當(dāng)VS含量高時(shí)(堆肥初期)，微生物有大量可以利用的能源，使堆體溫度上升，隨VS含量的減少，堆體溫度降低［13］.

如圖2b所示，在堆肥的過(guò)程中，VS含量逐漸減少，其中T2減少幅度最大，CK的降低幅度最小.說(shuō)明在微生物的作用下，堆肥過(guò)程中部分難降解有機(jī)物也被降解.同時(shí)說(shuō)明C/N的調(diào)節(jié)及復(fù)合菌劑的添加能促進(jìn)揮發(fā)性固體的降解，有利于加快堆肥的腐熟并提高堆肥的質(zhì)量.

2.3 腐植酸的變化

堆肥進(jìn)程中，微生物不僅降解有機(jī)質(zhì)，而且還伴隨著腐殖化過(guò)程，產(chǎn)物中腐殖質(zhì)含量及組成是評(píng)價(jià)堆肥質(zhì)量的關(guān)鍵［14-15］.胡敏酸(HA)和富里酸(FA)是腐殖質(zhì)的重要組成成分，在很大程度上決定腐殖質(zhì)的質(zhì)量［5，8，16］，游離腐殖酸指結(jié)合態(tài)的大分子腐殖酸，具有相對(duì)較高的活性，是總腐殖酸的主要組成成分，其在堆肥中的含量會(huì)直接影響到堆肥的質(zhì)量及應(yīng)用效果［17］.

由圖3a可知，在堆肥的過(guò)程中，富里酸的變化經(jīng)歷了先降后升再降低的過(guò)程.堆肥結(jié)束時(shí)，CK的降幅為37.94%，T1和T2分別比CK下降4.54%和7.69%.胡敏酸的變化情況如圖3b所示，3處理的胡敏酸含量變化經(jīng)歷了先升后降再升，最后趨于穩(wěn)定，在堆肥結(jié)束時(shí)，T1和T2與堆肥起始相比胡敏酸含量分別上升了46.24%和59.19%，分別比 CK高13.37%和26.32%.表明C/N的調(diào)節(jié)及復(fù)合菌劑的添加都能促進(jìn)堆肥過(guò)程中富里酸向胡敏酸轉(zhuǎn)化，且添加復(fù)合菌劑能促進(jìn)堆肥中胡敏酸的合成.堆肥總腐植酸與游離腐植酸含量見(jiàn)圖3c和3d，在堆肥前16 d各處理總腐植酸含量迅速降低，其后趨于穩(wěn)定，堆肥結(jié)束時(shí)，CK、T1和 T2分別下降了 51.09%、59.84%和65.02%.T1和T2相對(duì)CK下降速度快，說(shuō)明合適的C/N以及復(fù)合菌劑可加速堆肥過(guò)程中總腐植酸的分解.至堆肥腐熟時(shí)，T1和T2游離腐植酸含量下降幅度分別為39.60%和45.29%，分別比CK高10.99%和16.68%.表明堆肥過(guò)程中游離腐植酸中不穩(wěn)定成分在合適C/N和復(fù)合菌劑下易被分解.

圖3 堆肥過(guò)程中富里酸、胡敏酸、總腐植酸和游離腐植酸含量動(dòng)態(tài)變化Fig 3 Changes of fulvic acid，humic acid，total humic acid and free humic during composting

堆肥的腐熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)因堆肥物料的不同差異顯著，尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).Roletto等［18］將胡富比［w(HA)/w(FA)］≥1.0、腐殖化速率(HR)≥7.0%、總胡敏酸碳與總有機(jī)碳之比(CHA/CO)≥3.5%、腐殖質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3%作為木質(zhì)素－纖維素類堆肥腐熟的指標(biāo)，呂子文等［9］在對(duì)園林有機(jī)廢棄物與城市污泥混合堆肥的研究中認(rèn)為這些指標(biāo)可以作為單綠化植物廢棄物堆肥腐熟評(píng)價(jià)指標(biāo).如圖4所示，胡富比在整個(gè)過(guò)程總體保持增加趨勢(shì)，CK、T1、T2分別從初始的0.41增加到堆肥結(jié)束時(shí)的0.89、1.04、1.2，說(shuō)明C/N的調(diào)節(jié)及復(fù)合菌劑的添加都可以提高堆肥中的胡富比，促進(jìn)胡敏酸形成，提高堆肥產(chǎn)物中腐植質(zhì)含量與質(zhì)量.有研究表明［14，19］，當(dāng) HR 趨于穩(wěn)定時(shí)，表明堆肥已達(dá)到腐熟.本研究T1和T2的HR在堆肥16 d時(shí)變化趨于平緩，而CK在25 d時(shí)趨于平緩，說(shuō)明調(diào)節(jié)C/N比能顯著縮短園林有機(jī)廢棄物的腐熟時(shí)間.

與Roletto等［18］提出的堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)比較結(jié)果(表1)表明，在堆肥結(jié)束時(shí)，T1、T2的各指標(biāo)均達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，而CK的胡富比指標(biāo)尚未達(dá)標(biāo).

圖4 不同堆肥處理中胡富比、腐殖化速率和w(CHA)/w(CO)的變化Fig 4 Changes of w(HA)/w(FA)、HR and w(CHA)/w(CO)during composting

表1 堆肥結(jié)束時(shí)胡富比、HR、CHA/CO、腐殖質(zhì)含量與Roletto標(biāo)準(zhǔn)比較Tab.1 Comparison between Roletto criteria and w(HA)/w(FA)，HR，CHA/CO and total humic acid

2.4 種子發(fā)芽指數(shù)的變化情況

種子發(fā)芽指數(shù)(GI)是評(píng)價(jià)堆肥腐熟度的一個(gè)非常重要的指標(biāo).當(dāng)GI﹥50%時(shí)，即表明這種堆肥已達(dá)到可接受的腐熟度;若GI﹥80%則表明堆肥已達(dá)到完全腐熟［15］.

圖5 種子發(fā)芽指數(shù)變化情況Fig 5 Changes of germination index

由圖5可知，3個(gè)處理的GI變化趨勢(shì)完全相同:在堆肥的初期，呈現(xiàn)出短暫的上升，然后又下降，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的種子抵制期后，開(kāi)始回升.到第31天，各處理GI均大于等于80%，表明堆肥已基本無(wú)害于植物生長(zhǎng).至堆肥腐熟時(shí)，CK的GI為90.8%，較初始值升高了351.1%，T1和 T2的 GI分別為110.3%和121.9%，較初始值上升了436.7%和488.0%.

2.5 微生物數(shù)量的變化情況

堆肥是由群落結(jié)構(gòu)演替非常迅速的多個(gè)微生物群體共同作用而實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，是微生物與其周圍環(huán)境相互影響和相互作用的結(jié)果，所以對(duì)該過(guò)程微生物生態(tài)學(xué)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控有利于有效地管理堆肥過(guò)程［20］.從表2可見(jiàn)，堆肥中的細(xì)菌數(shù)量比放線菌和真菌高2～4個(gè)數(shù)量級(jí).堆肥過(guò)程中，細(xì)菌的數(shù)量最多，T2 達(dá)到30.0 ×109cfu·g－1，CK 28.0 ×109cfu·g－1.CK的細(xì)菌總數(shù)在腐熟后大幅度減少，而 T1、T2的細(xì)菌總數(shù)均有明顯的提高，分別達(dá)到34.0×109與67.0×109cfu·g－1，由始至終，T2的細(xì)菌數(shù)量都是3種處理中最高的.在整個(gè)堆肥過(guò)程中真菌數(shù)量都顯示出明顯的增加趨勢(shì)，CK、T1、T2的真菌數(shù)量分別從1.2 ×105、2.6 ×105、11.0 ×105cfu·g－1增加到3.1 ×106、7.1 ×106、27.0 ×106cfu·g－1，增加了 1 個(gè)數(shù)量級(jí).與真菌相反，放線菌數(shù)量在堆肥過(guò)程中表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，從107降到105，降低了接近2個(gè)數(shù)量級(jí)，T2的真菌和放線菌數(shù)量也高于其他2種處理.在堆肥化過(guò)程中，微生物數(shù)量總的趨勢(shì)是細(xì)菌數(shù)量最多，放線菌次之，真菌數(shù)量最少，腐熟后細(xì)菌數(shù)量仍然最多，但真菌次之，放線菌數(shù)量最少.總的來(lái)說(shuō)，T2的三大菌數(shù)量都是最高的，再次證明T2的堆肥處理效果最好.

表2 堆肥過(guò)程中三大菌數(shù)量變化1)Tab.2 Changes of bacterium，fungi and actinomycetes during composting Mcfu·g－1

3 討論與結(jié)論

調(diào)節(jié)C/N和添加復(fù)合菌劑可以加速有機(jī)碳的分解和腐熟，加速堆肥過(guò)程中總腐植酸和游離腐植酸的分解，促進(jìn)揮發(fā)性固體的降解，提高堆肥中的胡富比.堆溫的升高和腐熟的加快有利于加快堆肥的腐熟和堆肥質(zhì)量的提高.

采取合理的堆肥措施處理城市枯枝落葉等固體廢棄物可提高堆肥品質(zhì).C/N比是影響堆肥腐熟速度及堆肥質(zhì)量的重要因素，而復(fù)合菌劑的添加不僅能加快堆肥的腐熟進(jìn)程，還能增加堆肥中微生物種群和數(shù)量，有利于提高土壤肥力，減輕作物病蟲(chóng)害并提高作物品質(zhì).

陳廣銀等［7-8］采用落葉、雞糞、蘑菇渣等在實(shí)驗(yàn)室自制堆肥反應(yīng)器中經(jīng)過(guò)50 d的好氧堆肥研究了物料腐熟過(guò)程中有機(jī)物的動(dòng)態(tài)變化，認(rèn)為堆肥物料中腐殖質(zhì)碳占總有機(jī)碳比例趨于穩(wěn)定時(shí)可視為腐熟;呂子文等［9］研究了城市污泥與園林廢棄物混合堆肥，認(rèn)為綠化植物廢棄物的高木質(zhì)素含量決定了C/N、T值－N/－N不宜作為其腐熟評(píng)價(jià)指標(biāo)，但溫度、腐殖化參數(shù)、種子發(fā)芽指數(shù)可作為綠化植物廢棄物和污泥混合堆肥的腐熟評(píng)價(jià)指標(biāo).目前園林廢棄物堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)還存在爭(zhēng)議.由于堆肥產(chǎn)品最終要回歸土壤，為植物提供養(yǎng)分，堆肥腐熟的生物學(xué)指標(biāo)和物理化學(xué)指標(biāo)相結(jié)合有利于在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用.

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