不同類型園林廢棄物堆肥過程中理化性質的動態變化

王瑞瑩+周童+萬可+王從梅+王宇東+韓國華+巢宇杰+王波

摘 要：為資源化利用數量日益膨大的園林廢棄物，設計不同類型園林廢棄物堆肥試驗以研究其在堆肥過程中溫度、pH值、有機碳和全氮含量的動態變化特征。結果表明：園林廢棄物在堆肥過程中，堆料溫度呈現先上升后下降，翻堆后再上升繼而再下降的趨勢；pH值呈現持續上升趨勢，與后期相比，前期上升速率相對較快；有機碳含量呈現逐漸下降的趨勢，但下降幅度不大；全氮含量保持逐漸上升的趨勢。

關鍵詞：園林廢棄物；堆肥；理化性質變化

中圖分類號：S141.4 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.11.023

Abstract： In order to make use of the increasing number of garden wastes， the different types of garden waste composting experiment were designed to study the dynamic characteristics of temperature， pH value， organic carbon and total nitrogen in composting process. The results showed that the temperature of the reclaimed waste in the process of composting increased first and then decreased， and increased again after turning over and then decreased. The pH value showed a continuous upward trend. Compared with the later stage， and the content of organic carbon showed a decreasing trend， but the decrease was not significant. The content of total nitrogen was kept increasing.

Key words： garden waste；compost；changes in physical and chemical properties

園林廢棄物（Garden waste）是指在城市綠化美化進程中，產生的枯枝、落葉、花敗及其他綠化修剪物等[1]。然而，隨著城市綠化在我國的快速發展，各個城市產生的園林廢棄物的量也隨之增大[2]，填埋和焚燒的傳統處置方法造成嚴重的環境污染和資源浪費，已無法適應當今城市的發展要求。園林廢棄物含有豐富的有機質，研究表明，園林廢棄物通過堆肥處理后將有機碳物質轉化為有機營養物或腐殖質[3]，不僅可以減少污染，而且還能改善土壤結構，提高土壤肥力，同時也能節約資源，美化城市景觀，降低綠地維護成本，實現節能減排，帶動經濟循環發展[4-5]。園林廢棄物作為一種廢棄材料，它的再利用也體現了一定的生態原則[6]，可使廢棄資源得到循環利用。

目前，有關園林廢棄物堆肥方面的研究越來越多，但大多數方法是采用混合物料進行堆肥 [7-9] 。由于不同種類和不同部位園林廢棄物的理化性質存在明顯差異，而利用不同類型園林廢棄物的堆肥研究卻較少。本研究以不同類型園林廢棄物為堆肥原料，探究在堆肥過程中其物理化性質的動態變化特征，以期為今后針對不同園林廢棄物的特點研發適宜的堆肥處理模式，促進其資源化利用不同類型園林廢棄物提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

堆肥原料由常州市新北區綠化服務處提供，經機器粉碎后粒徑為0.5～1 cm，其具體類別和基本性質見表1。試驗所用的菌劑為有機肥起爆菌劑，由江陰市聯業生物科技有限公司生產，其菌種主要為解淀粉芽孢桿菌、釀酒酵母、枯草芽孢桿菌、哈茨木霉等。

1.2 試驗方法

堆肥試驗在溫室大棚內進行，將不同類型園林廢棄物分別放置在長、寬、高均為1 m的堆肥發酵池中進行堆肥發酵試驗，堆肥的初始條件是將初始含水率調節至55%左右，并通過添加尿素調節C/N至25/1～30/1，按照堆體質量的0.5%添加外源微生物菌劑，同時按照堆體質量3%添加雞糞。發酵過程中每日上午10點記錄堆體溫度、氣溫，定時對含水率進行監控，并保證含水率在50%～55%之間，觀察堆料顏色和氣味變化。在堆肥發酵過程中，當堆體溫度下降至35 ℃左右并穩定2～3 d后及時進行翻堆。

1.3 樣品采集、制備與測定

1.3.1 樣品采集與制備 分別在堆肥開始的第0，7，14，21，28，35，42天取樣，每次分別于堆肥的上、中和下部共采10個點，每點采樣200 g，混合均勻后采用四分法取樣300 g，在105 ℃烘箱中烘至恒重，磨碎后過孔徑0.25 mm篩，用于測定各項理化性質指標，包括pH值、EC值、有機碳質量分數和全氮含量。

1.3.2 測定方法與數據處理 有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測定，全氮采用凱式定氮法[9]測定。將樣品采用固液質量體積比1∶10混合，振蕩30 min后過濾取濾液，使用S220K型臺式pH計、DDS-11A型數顯電導率儀測定濾液中的pH值和EC值。

數據分析和圖表制作使用Excel。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中溫度變化

堆肥溫度是表征堆肥穩定度的重要參數，堆肥溫度變化反映了堆體微生物活動的變化[10]。由圖1可知，不同種類園林廢棄物堆肥溫度變化略有差異，香樟樹枝和廣玉蘭樹枝在堆肥一開始就達到50 ℃以上的高溫，而法國冬青樹枝在整個堆肥過程中最高溫度僅為43.5 ℃，這可能是由于不同種類植物園林廢棄物成分具有差異。香樟樹枝與另外兩種植物樹枝廢棄物相比，高溫階段持續時間較長，整個堆肥腐熟過程所需時間也更長，但3種植物園林廢棄物堆肥溫度總體變化趨勢相似，最后階段接近室溫且變化不大，可以判斷3種不同植物堆肥處理達到腐熟度指標。endprint

圖2反映了植物樹枝和樹葉的園林廢棄物堆肥溫度的變化，從中可以看出，樹枝和樹葉堆肥腐熟所需的總時間基本相同，堆肥過程中變化趨勢相似，樹枝在高溫階段能達到的最高溫度略高于樹葉。

2.2 堆肥過程中pH值變化

由圖3可知，3種不同植物園林廢棄物的pH值在堆肥初期和中期總體呈現上升趨勢，而中后期pH值增長緩慢，有所下降后又在末期有小幅增長。法國冬青樹枝在堆肥過程中的pH值始終高于香樟樹枝和廣玉蘭樹枝，3種不同園林廢棄物pH 值表現為：法國冬青樹枝>廣玉蘭樹枝>香樟樹枝。樹葉和樹枝在堆肥過程中pH值的變化趨勢相似（圖4），總體呈上升趨勢，整個過程中樹葉的pH值略高于樹枝。

2.3 堆肥過程中有機碳含量變化

園林廢棄物中有機質含量豐富，通過堆肥發酵處理可將園林廢棄物中的有機碳物質降解轉化為有機營養物或腐殖質[11]。由圖5可知，3種不同植物的園林廢棄物在堆肥過程中有機碳含量較為穩定，變化不明顯，但總體均呈現略微下降的趨勢，廣玉蘭樹枝有機碳含量降幅最高，從初始的41.43%下降到38.33%。

由圖6可以看出，樹枝在初始和堆肥后期的有機碳含量均高于樹葉，整個堆肥過程中二者有機碳含量也較為穩定，最終略有下降。

2.4 堆肥過程中全氮含量變化

在園林廢棄物堆肥腐熟的過程中，氮素的含量變化是評價其成品質量的重要指標。堆肥過程中氮素的轉化十分復雜，主要包括氮素的固定和氮素釋放[12]。

由圖7可知，在本試驗中，堆肥后期全氮含量顯著高于初始階段，全氮含量總體呈逐漸升高的趨勢。3種不同植物園林廢棄物的全氮含量變化趨勢相似，堆肥初期高溫階段均呈現快速上升趨勢，堆肥中期3種植物園林廢棄物的全氮含量稍有差異，而在堆肥后期又逐漸趨于一致。樹枝與樹葉園林廢棄物在堆肥過程中全氮含量的變化趨勢基本相同（圖8），而樹葉的氮素含量在整個堆肥過程中均高于樹枝。

3 結論與討論

不同種類園林廢棄物在堆肥腐熟的過程中理化性質的變化雖不盡相同，但大體趨勢相似。香樟樹枝作為堆肥原料進行堆肥腐熟所需時間要多于法國冬青和廣玉蘭樹枝，高溫階段持續時間也較長，樹枝與樹葉作為堆肥原料相比，二者發酵腐熟所需時間基本相同。園林廢棄物一般3～5 d溫度上升至50 ℃進入高溫階段[13]，在本試驗中除法國冬青樹枝以外其他所有堆肥原料在堆肥開始第1～2天就可達到50 ℃以上溫度，這可能是由于本試驗在溫室大棚內進行，堆肥初期正值夏季炎熱，較高氣溫對堆體造成影響，加快了堆體升溫。堆肥過程中，堆體pH值是影響微生物活性和衡量堆肥腐熟質量的重要參數[14]。一般認為，中性或弱堿性是最適宜堆肥發酵過程中微生物生存的環境。本試驗中pH值總體呈上升趨勢，堆肥前期上升較快，而中后增長緩慢，甚至有所下降，末期又有小幅增長，可能是由于中后期階段堆肥原料基本腐化，堆體逐漸緊實，局部缺氧，微生物進行無氧呼吸而積累了部分有機酸導致pH值降低，隨著末期堆肥的進行，局部產生的少量有機酸被分解，pH值有所升高[12]。

在園林廢棄物堆肥化過程中，碳素和氮素的含量變化對發酵腐熟的影響至關重要。在堆肥過程中，往往伴隨著有機碳物質的降解，微生物會將不穩定的有機物質分解轉化為二氧化碳、水、礦物質、腐殖酸等物質并為自身提供必要的生長物質[15]，總有機碳含量也會因此減少。本試驗中有機碳含量變化總體呈現減少的趨勢，但較為緩慢。由于園林廢棄物與普通農業廢棄物或生活垃圾相比，含有大量木質素、纖維素等難分解的物質，且堆肥原料顆粒粗糙，比表面積小，微生物含量也較少，因此，降解速度與普通農業廢棄物堆肥相比較為緩慢[12]。

堆肥處理過程中氮素的含量變化是評價其成品質量的重要指標，本試驗中全氮含量變化呈現上升趨勢，尤其在堆肥初期階段上升較快。在堆肥初始階段，有機質在微生物的作用下礦化成簡單的蛋白質，并放出NH3，在堆肥開始一周內NH4+-N 首先達到最大濃度[16]，硝化、反硝化作用較弱[17]。因硝化、反硝化微生物一般不是嗜熱菌，所以在前期高溫階段很難發生硝化和反硝化作用，因此，堆體中全氮含量在該階段上升較快。在堆肥后期，堆體溫度接近氣溫時發生硝化作用，同時氨的揮發、硝態氮的反硝化作用等均會引起氮素的損失，故此階段全氮含量變化趨于平緩，甚至有部分下降。

本試驗還發現，植物不同部位有機碳和氮素含量有差異，堆肥腐熟效果也不盡相同，樹葉作為堆肥原料，氮素含量要高于樹枝，腐熟效果更好。

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