不同磷石膏添加比例對稻殼與油枯堆肥過程的影響及基質化利用的評價

陳雪嬌，王宇蘊，徐 智，趙乾旭

（云南農業大學資源與環境學院，昆明 650201）

當今社會，實現對固體有機廢棄物高效利用受到各級政府高度的重視，如何高效、無害利用這部分養分資源，不僅關系到社會環境安全，同時關系到農業與循環經濟可持續發展進程。稻殼作為稻谷加工主要的副產品之一，富含纖維素、木質素、二氧化硅等，且稻殼具有比重小、質量輕、疏松、孔隙度大等優良特點[1-2]。據報道，我國稻谷年產量近2億t，稻殼占稻谷籽粒重的20%左右[3]，大多企業將稻殼自然堆放或采取燃燒的方式處理，既浪費寶貴的土地資源，又增加周邊環境污染風險與火災隱患[4]。磷石膏是濕法磷酸、磷肥生產中的工業副產品之一，后續實際利用率僅有15%左右，其余85%的磷石膏未經進一步處理，若隨意堆放會對環境造成潛在的威脅[5]。因此，如何實現對稻殼和磷石膏兩種固體廢棄物資源可循環利用已成為環境研究領域熱點之一。大量研究表明，稻殼作為堆肥原料不僅可以調節堆體C/N比例，還可以調節堆體基質的疏松度，有利于通風供氧，加快堆體腐熟的進程[6-7]。有研究表明，在堆肥過程中，添加適當比例的磷石膏可以改變堆體腐熟的進程及其理化性質，已有研究證實，在膠籽油枯-鋸末-磷石膏聯合堆肥過程中，添加10%的磷石膏，堆體結束時的pH值穩定在6.0~6.5之間[8]。磷石膏可以有效地調節堆體的pH值，使之更加符合基質的要求[9]。磷石膏顆粒細小、容重大，添加磷石膏可以提高城市垃圾堆肥腐熟后基質的質量和保水性能，進而提高草坪質量，還可以促進多年生黑麥草和高羊茅的生長[10]。國內外研究者已在稻殼堆肥基質化方面做了大量研究[7，11-12]，目前存在的問題是稻殼雖然具有開發為優良基質的特點，但稻殼堆肥發酵制成的基質孔隙度大、容重小、含氮量低，稻殼單獨堆肥時存在一定的弊端[1]，因此，選擇油枯作為高氮物料的輔料并添加磷石膏將大幅提高稻殼資源化利用率。一方面，磷石膏會起到增加容重和持水孔隙度的作用，另一方面，考慮到堆體基質化發酵過程存在堿化的發展趨勢以及適當降低堆體的pH值可以降低氨素損失，因此在稻殼和油枯堆體發酵過程中添加不同比例磷石膏從而實現對磷石膏的資源化利用。本研究以稻殼、油枯為主要的發酵堆體原料，期望通過不同磷石膏添加量對稻殼油枯基質化發酵過程中腐熟程度、營養成分變化及基質品質的影響，探索稻殼和磷石膏兩種固體廢棄物資源化利用的新途徑，進一步為稻殼基質化大規模生產提供理論依據。

表1 供試材料基本理化性質Table 1 The basic physical and chemical propertiesof the experimental materials

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年5月19日至2016年6月14在云南農業大學實驗教學基地的溫室大棚內進行，周期為26 d。供試物料為稻殼和油枯，購買于云南省昆明市晉寧科貿有限公司，磷石膏來源于云南省昆明市晉寧昆陽磷肥廠。磷石膏 pH 4.5，CaO 282.35 g·kg-1，MgO 7.65 g·kg-1，Cd 0.68 mg·kg-1，Pb 42.53 mg·kg-1，Cr 36.13 mg·kg-1，As16.56 mg·kg-1，具體原料基本理化性質見表1。

1.2 試驗設計

1.2.1 好氧發酵裝置

本試驗采用好氧高溫腐熟方法，好氧發酵裝置為泡沫塑料材料（長54 cm，寬27 cm，高34 cm）。每個發酵箱體四周先用保鮮膜覆蓋，再用透明膠帶纏繞數次，起到良好的保溫效果。距離發酵箱體底部3 cm處的右側打一個小孔，空氣氣泵通過皮管從小孔進入箱體。

1.2.2 試驗處理

堆體物料混勻前，油枯需用植株粉碎機打成粉末狀，磷石膏過2 mm篩。以稻殼為碳源，油枯為氮源，按照C/N比為30配制和混合有機物料（稻殼和油枯），在保證每個堆肥處理的有機物料（稻殼和油枯）總量一致的條件下，按照有機物料干重的10%、20%、30%、40%和50%添加磷石膏（磷石膏的添加量以干重計，分別記作 A10、A20、A30、A40 和 A50處理），以磷石膏添加量為0作為對照（CK），堆體的含水率設置為55%，共6個處理（表2），每個處理重復3次。發酵過程中每隔1 h通氣5 min。堆體腐熟前期每日翻堆1次，之后每隔3 d翻堆1次。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集

分別于發酵過程中第 0、3、6、12、18、22、26 d 采樣。在翻堆充分混勻后，采用五點取樣法，每個堆體每次采集約300 g混合樣，平均分為兩份，一份置于4℃冰箱保存待用，另一份風干、磨碎過1 mm篩待測。

1.3.2 測定指標及方法

發酵過程中，每日上午9：00用水銀溫度計測定堆體中心溫度，并測定環境溫度。水分含量采用105℃烘箱干燥法測定；pH和電導率（Electrical conduc tivity，EC）測定方法均參見文獻[13]；全碳（Total carbon，TC）、全氮（Total nitrogen，TN）、全磷（Total phosphorus，TP）、全鉀（Total potassium，TK）含量測定參見文獻[14]。

樣品水溶性銨態氮（NH+4-N）、硝態氮（NO-3-N）含量測定：稱取2 g新鮮堆體樣品置于三角瓶中，加入1 mol·L-1KCl溶液 40 mL[6]，于恒溫搖床中 180 r·min-1下振蕩60 min后過濾。濾液保存于4℃冰箱中，1周內用AutoAnalyzer 3 High Resolution連續流動分析儀（德國SEAL公司）測定浸提液中水溶性NH+4-N、NO-3-N含量。

樣品容重、孔隙度測定：將風干后的基質裝入一定體積（V）的環刀（包括墊有濾紙的濾孔蓋，質量為m0）中，水中浸泡 24 h 后，稱其質量（m1），放在干砂上，待水分自由瀝干后稱重（m2），放入105~110℃烘箱內，烘干至恒重（m3）。根據文獻[15-16]，計算方法為：

式中，Wb為干密度，g·cm-3；Wt為總孔隙度；Wv為通氣孔隙度；Ww為持水孔隙度；Wa為氣水比。

種子發芽指數（Germination index，GI）測定：稱取待測新鮮堆體樣品10 g，與40 mL蒸餾水混合，振蕩60 min后過濾，吸取濾液10 mL加到墊有1張濾紙的干燥培養皿中，每個培養皿均勻放入20粒飽滿的小白菜種子，置于恒溫培養箱中，于30℃下培養48 h，測定根長和發芽率，同時以蒸餾水為對照，每個處理重復3次。根據文獻[6]和[17]提供的方法來計算：

GI=（堆體浸提液種子發芽率×種子根長）/（對照種子發芽率×種子根長）×100%。

C/N和TC/N值作為判斷堆體腐熟程度的指標[18-19]，其計算方法為：

TC/N=（不同時期C/N）/（初始C/N）。

表2 物料發酵處理設計Table 2 The treatment design of fermentingmaterials

1.4 試驗數據處理

采用OriginPro9.1軟件作圖，運用Microsoft Excel 2007對試驗數據進行統計與處理，采用SPSS19.0軟件對所有處理進行方差分析與LSD多重比較，P<0.05表示差異顯著。

2 結果與討論

2.1 不同磷石膏添加比例對稻殼和油枯堆肥過程的影響

2.1.1 磷石膏添加量對堆肥發酵過程中溫度變化的影響

堆體溫度是衡量與評價堆體腐熟質量和腐熟程度的指標之一，能影響微生物活動能力，也能反映出有機物料轉化進程。由圖1可知，堆體發酵過程中各處理溫度變化趨勢一致，均經歷了升溫階段、高溫階段和降溫階段。各處理比較來看，CK處理的堆體溫度在第8 d升溫至50℃以上，A40處理的堆體溫度在第2 d已進入高溫期（＞55 ℃），A10、A20、A30、A50處理的堆體溫度在第3 d才進入高溫期，CK、A10、A20、A30、A40和A50處理高溫（≥50℃）分解持續的時間分別為 7、12、12、11、11 d 和 9 d。一方面，這可能由于添加磷石膏增加了堆體孔隙結構，為堆體積累了大量熱量；另一方面，也可能由于添加磷石膏減少了堆體初期水分的蒸發，致使熱量累積。說明添加磷石膏有利于堆肥升溫和持續高溫，但磷石膏添加量超過有機物干物質的40%可能會對堆肥保持持續高溫的能力不利。

2.1.2 磷石膏添加量對堆肥發酵過程中水溶性銨態氮和硝態氮含量變化的影響

各堆體基質化腐熟過程中水溶性NH+4-N的變化情況從圖2A可以看出來，堆體發酵前期，各堆體水溶性NH+4-N含量迅速增加，在第6 d達到最大值后，趨于下降。這是因為在堆體升溫期及高溫期，微生物快速生長和繁殖加速有效N的分解，并以NH+4-N的形式快速累積[20]，而后隨著發酵物料的腐熟，水溶性NH+4-N一部分用于微生物的代謝和同化作用的消耗，一部分以NH3的形式損失掉[21]。本試驗研究結果表明，在水溶性NH+4-N上升階段，磷石膏添加處理的水溶性NH+4-N增加速率高于CK，其中A40處理增加速率最高，達26.63%。這可能與A40處理的堆體持續高溫時間較長，有機N的礦化作用較強有關。在水溶性NH+4-N下降階段，A40處理的水溶性NH+4-N減少速率最大，為67.84%，其次是A30處理，均顯著高于A10、A20和A50處理。按照堆體發酵腐熟時NH+4-N的含量低于400 mg·kg-1[22]這一標準判斷，除A10和A20處理外，其他處理堆體發酵結束時均已基本達到腐熟要求，其中以A40處理效果為最好。

圖1 不同處理對堆肥發酵過程中溫度變化的影響Fifure1Effects of different treatments on temperature variations during the composting process

圖2 不同處理對堆肥發酵過程中水溶性銨態氮（A）和硝態氮（B）含量變化的影響Figure2 Effectsof differenttreatmentson water soluble NH+4-N（A）and NO-3-N（B）contentsvariationsduringthecompostingprocess

堆體硝化細菌的活性易受到溫度的控制，最適溫度為30℃左右，溫度超過40℃時活性受到抑制[22]。由圖2B可知，堆體發酵前期，各處理堆體水溶性NO-3-N含量均較低，在前12 d內，各處理堆體水溶性NO-3-N含量雖有一定程度的增加，但增加速率緩慢，這是因為堆體發酵前期高溫抑制了硝化細菌的生長活動。這與徐智等[23]對不同牛糞添加比例與西番蓮果渣混合腐熟發酵的研究結果一致。堆體發酵12 d后，各處理堆體水溶性NO-3-N含量迅速升高，除A50處理外，隨著磷石膏添加量的增加，水溶性NO-3-N增加的速率增大，說明添加磷石膏對水溶性NO-3-N生成具有促進作用。

2.1.3 磷石膏添加量對堆肥發酵過程中碳氮比與TC/N值變化的影響

C/N是用于評價堆體腐熟度與穩定度的重要參數[22]。從圖3A可以看出，除A10和A20處理的C/N呈現先上升后下降的趨勢，其他處理堆體C/N的變化趨勢相同，即呈逐漸下降的趨勢。各處理分別從堆體初始C/N為30依次降至堆體發酵結束時的21.37、14.78、14.06、13.16、12.54 和 13.22，分別下降了28.77%、50.73%、53.13%、58.20%和55.93%，可以看出A40處理下的堆體C/N下降速率較快。有關研究[19，24]指出，當堆體發酵結束時C/N小于20被認為物料已腐熟，說明除CK處理外，其他處理堆體已達到腐熟標準。

TC/N值小于0.6可以作為判斷堆體物料完全腐熟的標準[25]。若以TC/N小于0.6作為判斷標準，由圖3B可知，至堆體發酵結束時，各處理的TC/N值依次為0.71、0.49、0.47、0.44、0.42、0.44。由此可知，除 CK 處理外，磷石膏添加處理的堆體已達到腐熟要求，其中以A40處理的腐熟效果較為理想。

2.1.4 磷石膏添加量對基質堆體種子發芽指數變化的影響

GI是用來判斷堆體物料腐熟效果與檢測植物毒性的一種直接、快速指標。Wong等[26]認為，當GI＞50%時，說明堆體基本腐熟，無毒性；當GI＞80%，堆體完全腐熟，對植物沒有毒性。如果以GI＞80%對植物沒有毒性為判斷標準，CK處理到堆肥結束時還達不到這個要求，A10、A20、A30、A40 和 A50 處理分別于堆肥第 22、22、18、12 d和 12 d達到這一要求（圖 4）。說明磷石膏添加處理可以促進堆體GI的提高，到堆肥結束時，A40處理的GI最高，為91.83%。這些結果與李赟等[7]研究的輔料添加對廚余垃圾快速堆肥腐熟度的影響得到的結果相似。這可能因為添加輔料增加了堆體孔隙度，為好氧微生物提供了良好的水、氣條件，從而促進堆體物料的腐熟脫毒。

圖3 不同處理對堆肥發酵過程中碳氮比（A）和T C/N值（B）變化的影響Figure 3 Effectsof different treatments on carbon-nitrogen ratio（A）and T C/N value（B）variationsduring the composting process

圖4 不同處理對堆肥發酵過程中種子發芽指數變化的影響Figure 4 Effectsof different treatments on germination index duringthe composting process

2.2 基于基質化要求對堆肥腐熟后理化性質的評價

栽培基質通常包括3部分：固體、氣體、液體。固體主要起到保護作物根系生長及固定植株的作用，液體用于供應作物水分和養分，氣體可以保持根系同外界的O2與CO2的交換。固體質量的好壞以體積質量表示[19]。由表3可知，至堆體發酵結束時，磷石膏添加對基質堆體容重、通氣孔隙度和持水孔隙度的影響具有顯著性（P<0.05）。A10、A20、A30、A40 和A50 處理下的容重均大于CK處理，分別提高了4.35%、13.04%、21.74%、39.13%和56.52%。A40和A50處理與CK相比，持水孔隙度分別增加了33.50%和22.16%。而磷石膏添加對總孔隙度和氣水比的影響均不顯著（P>0.05）。焦永剛等[27]指出，理想基質的體積質量范圍為0.1~0.8 g·cm-3，最佳體積質量為 0.5 g·cm-3[16]，連兆煌等[28]認為是容重<0.4 g·cm-3。依據農業標準，理想基質總孔隙度＞60%，持水孔隙度＞45%，通氣孔隙度＞15%，氣水比（通氣孔隙度/持水孔隙度）為0.25~0.5[29]。按照以上衡量基質標準，各堆體發酵結束時，除氣水比指標外，各處理的物理性質均達到理想基質的要求。但考慮到固定植株、促進植物根系生長、通氣及保水能力等對基質的要求，認為A40處理腐熟的基質較適合作物栽培。

表3 堆肥腐熟后不同處理的物理指標Table 3 Physical propertiesof different treatments after composting

適合作物生長的栽培基質除了具備良好的物理性質外，還應具備合適的化學性質，如pH值、EC值，營養元素種類及含量[30-31]。至堆體發酵結束時，磷石膏添加對基質堆體全N、全P、全K、TC/N值、pH值與電導率均具有顯著影響（P<0.05，表4）。處理間比較發現，A40處理下的基質堆體全N、全P及全K含量，具有最高值，與CK處理相比，分別提高了12.28%、44.34%和51.99%。一般認為，理想基質pH值為6~8[32]。綜上所述，按照此標準，考慮各個堆體基質養分供應能力，以A40處理腐熟的基質更適合作物栽培。

表4 堆肥腐熟后不同處理的化學指標Table 4 Chemical propertiesof different treatments after composting

3 結論

（1）從稻殼油枯堆肥的腐熟程度來看，A40處理下，持續高溫時間較長，加快了堆體腐熟進程；至堆體發酵結束時，有效控制了堆體發酵過程中NH3的損失，促進了水溶性硝態氮的累積，且能最大可能地促進堆體的腐熟脫毒。因此以40%磷石膏處理堆肥腐熟效果最好。

（2）從堆肥腐熟基質化利用來看，堆體腐熟結束后，40%磷石膏處理下的全磷和全鉀含量均顯著高于其他處理，增加了堆體容重和持水孔隙度，協調了通氣孔隙度，達到了理想性基質的要求，說明40%磷石膏處理腐熟后的基質更適合作物栽培。

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