碳氮比對白三葉和小麥秸稈堆肥的肥力影響

范肖龍，文素蕓，陳 佳，萬依陽，程宇陽，寇建村

(西北農林科技大學 動物科技學院，陜西楊凌 712100)

黃土高原是蘋果(Malussieversii)的優勢產區，蘋果產業的發展對當地經濟發展具有重要的作用，但近來由于有機肥源短缺，化肥過量施用，導致蘋果園土壤肥力退化、養分失調、有機質含量偏低，嚴重制約蘋果產業的發展[1-2]。

果園生草是一種新興的果園土壤管理方式，既能有效減少蒸發，保持土壤含水量，同時，所生果園草刈割后又可通過覆蓋或埋置等方式降解還田，改善土壤肥力，保持果園土壤有機質平衡[1-2]。白三葉(Trifoliumrepens)為豆科車軸草屬多年生草本植物，具有良好的蓄水保墑作用，且根瘤菌固氮作用優勢明顯，是目前黃土高原蘋果園應用最廣、效果最佳的果園草種之一[3]。目前，對果園生草的研究多集中于生草本身對提高果園土壤肥力、促進果樹生長發育以及影響果園小氣候等方面[4-6]，而果園草降解利用等方面的研究鮮有報道[7]。已有研究表明，果園白三葉刈割后通過埋置或覆蓋的方式返園，其降解速度較慢，需時較長[8]。

好氧堆肥主要利用微生物好氧發酵降解有機物質，使堆肥材料最終達到無害化及資源化的目的，得到可作為肥料的最終產物[9]。影響堆肥的因素有溫度、含水率、pH、C/N、有機質含量以及氧氣含量等，其中，C/N是影響堆肥成功與否及堆肥肥力的最關鍵因素[10]。當堆肥中C/N 過低時，堆體中的氮以 NH3形式大量揮發損失從而降低肥效；當堆肥C/N 過高時，會降低微生物降解速度，延長堆肥時間[11]。以往的研究表明，C/N 為25～35均可進行高效堆肥[12]。

將果園白三葉堆肥后返園，一方面可以提高果園土壤肥力，另一方面可以縮短有機物的轉化時間，是一種較好的果園草利用方式。但由于白三葉單獨堆肥時C/N過低，影響堆肥效果。而小麥作為黃土高原最重要的農作物之一，其秸稈量大、價廉，C/N較高。如將白三葉和小麥秸稈適量混合進行堆肥，既利用現有資源，又能獲得較好的堆肥效果，但是此方面研究未見報道。本研究以白三葉為材料，用小麥秸稈為碳源調節C/N，研究不同初始C/N下白三葉堆制有機肥的肥效，以期確定白三葉、小麥秸稈的最佳堆肥比例，為實現白三葉高效利用，緩解蘋果園有機肥短缺問題提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2017年5-7月進行。供試白三葉取自陜西楊凌國際合作科技園——現代農業創新園的蘋果試驗基地，新鮮莖葉刈割后隨即進行風干，備用；小麥秸稈由農戶提供(秸稈新鮮、未見發霉和明顯的感病植株)，物料基本性質見表1。

1.2 試驗設計

將小麥秸稈、白三葉切碎至長度10 cm左右。以不同比例混合，使初始C/N分別為25(T25)、30(T30)和35(T35)，3次重復。調節混合物料含水量至 60% 左右后混合均勻，裝入發酵箱，發酵箱容器規格為0.60 m×0.45 m×0.46 m(長×寬×高)。為避免局部厭氧，在堆置的前2周，每周翻堆2次，之后每周翻堆1次。為保證良好的微生物生活環境，堆肥前期定期添加滅菌去離子水，使物料含水量維持在60%左右。

1.3 測定指標與方法

堆體溫度：每日10:00和17:00用水銀溫度計測定堆體中部同一高度(23 cm)隨機5個位置的平均值作為堆體溫度，同時記錄環境溫度。

表1 物料基本性質Table 1 Basic properties of materials

于堆肥開始(0 d)和結束(51 d)時取樣。采取多點采樣法取樣，均勻混合樣品后，四分法保留200 g，分為風干樣與鮮樣(4 ℃冰箱保存) 2 份，分別密封后保存。鮮樣用于銨態氮和硝態氮的測定。將鮮樣與1 mol/L NaCl溶液1∶10混合(質量/體積)，水平搖床震蕩混勻2 h后靜置過濾，用流動分析儀測定銨態氮和硝態氮的質量分數。風干樣用于全碳、全氮、全磷、全鉀、速效磷和速效鉀的測定，參照文獻[13]的方法測定。其中，全碳采用灼燒法測定，全氮和全磷采用元素分析儀測定，全鉀和速效鉀采用火焰光度法測定，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3法測定。

1.4 數據處理

采用DPS 7.05對試驗數據進行整理、方差分析和多重比較，Microsoft Office Excel 2007作圖。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中堆體溫度的變化

由圖1可以看出，白三葉和小麥秸稈混合后，3個處理均從堆肥后的第2 天開始升溫，經歷升溫期、高溫期和降溫期3個階段。T25、T30和T35達到最高溫度所需時間分別為26、5和6 d，最高溫度分別為47、58和67 ℃，50 ℃以上持續時間分別為0、7和9 d。

圖1 堆肥過程中的溫度Fig.1 Temperature during composting process

2.2 堆肥前后全碳質量分數的變化

堆肥前(0 d)，T30和T35處理的全碳質量分數顯著低于T25(P<0.05)，堆肥結束(51 d)時，T25處理的全碳質量分數顯著高于T30和T35；T25、T30和T35處理堆肥后比堆肥前全碳質量分數分別降低17.4%、22.1%和23.1%；T35處理有機碳降解較快，T30次之(圖2)。

2.3 堆肥前后全量養分質量分數變化

堆肥前，3個處理全氮質量分數為T25>T30>T35，結束時分別提高12.2%、54.6%和91.7%(圖3-A)。但是，堆肥前，T25和T30處理的全磷質量分數顯著高于T35(P<0.05)，結束時，全磷質量分數大小為T30>T25>T35，且差異顯著(P<0.05)，分數分別較堆肥前提高63.1%、71.1%和101.1%。(圖3-B)。而堆肥前，3 個處理全鉀質量分數無顯著差異，堆肥結束時，T25、T30和T35處理比堆肥前分別提高63.9%、61.1%和102.6%(圖3-C)。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同

Different lowercase letters show significant difference(P<0.05). The same bellow

圖2堆肥前后全碳的質量分數
Fig.2Totalcarbonmassfractionbeforeandaftercompostingprocess

圖3 堆肥前后全氮(A)、全磷(B)和全鉀(C)的質量分數Fig.3 Total nitrogen(A), phosphorus(B) and potassium(C) mass fraction before and after composting process

2.4 堆肥前后速效養分質量分數變化

由圖4-A可知，堆肥前，T25處理的銨態氮質量分數顯著高于T30和T35(P<0.05)，堆肥結束時，T25和T30比堆肥前分別提高3.2 倍和2.7倍，而T35降低58.3%。堆肥前，T30和T35處理的硝態氮顯著高于T25(P<0.05)，堆肥結束時， T25、T30和T35處理分別提高3.0倍、2.0 倍和1.6倍(圖4-B)。

堆肥前，T25和T35處理的速效磷質量分數顯著高于T30(P<0.05)，堆肥結束時，T25、T30和T35處理分別提高65.1%、88.8%和49.6%，T25和T30顯著高于T35(圖4-C)。T35處理速效鉀質量分數在堆肥前顯著高于T25(P<0.05)，堆肥后，T35處理顯著高于T25和T30(P<0.05)，T25、T30和T35處理分別較堆肥前提高82.7%、84.1% 和107.4%(P<0.05)(圖4-D)。

3 討 論

3.1 堆肥的溫度變化表明白三葉可以成功堆制有機肥

溫度是好氧堆肥過程的關鍵指標，其變化可以直觀反映堆肥過程中的微生物活性[14]和堆肥進程[15]。溫度的變化也與堆肥中可被氧化分解的有機質含量呈正相關[16]。本研究中，T25處理最高溫度為47 ℃，這可能是由于該處理條件下碳源不足，不利于微生物的活動，因此不利于白三葉和秸稈的完全腐熟[17]。而T30和T35處理50 ℃以上高溫均持續在7 d以上，說明在白三葉和小麥秸稈混合后堆肥時，C/N高有利于微生物的活動，從而能夠有效促進堆體腐熟。3個處理堆肥完成后，有機碳質量分數均降低，這是由于堆肥過程中微生物降解消耗有機碳，使全碳質量分數下降，與趙建榮等[18]的研究結果一致，但T30和T35處理降低22.1%和23.1%，說明降解腐熟效果較好。

圖4 堆肥前后銨態氮(A)、硝態氮(B)、速效磷(C)和速效鉀(D)的質量分數 , available phosphorus(C) and available potassium(D) mass fraction before and after composting process

一般認為，堆肥溫度在50～55 ℃以上保持5～7 d，或者55 ℃以上維持3 d 以上可以滅殺物料中所含病原菌，達到堆肥衛生學指標和腐熟的標準[10]。本試驗中，白三葉堆肥的C/N分別為25、30和35時，50 ℃以上持續時間分別為0、7和9 d，因此，在C/N為30或35時，白三葉可以堆制安全有機肥。

3.2 白三葉堆肥后養分質量分數增加，堆制的有機肥肥力較高

隨著好氧堆肥的進行，物料中的有機物分解礦化，物料發生“濃縮效應”[19]，使堆體的體積隨之減小，堆肥后總氮、總磷以及總鉀質量分數因被濃縮而增加[20-21]。本研究也得到相同的結果，C/N 為35時，堆肥后全氮、全磷和全鉀增加，較堆肥前分別提高91.7%、101.1%和102.6%；3個處理的速效磷和速效鉀質量分數均提高。在堆肥過程中，銨態氮先迅速上升后快速下降，但最終銨態氮降低。銨態氮增加的主要原因是有機物氨化和有機氮礦化作用，微生物作用于有機氮使其轉化為簡單含氮有機物，然后再進一步反應生成NH3，而NH3可以溶于堆肥產生的水中轉化為銨態氮，因而銨態氮含量表現為上升趨勢[22]。隨后銨態氮的降低是因為隨著堆肥進程，在硝化細菌作用下，將銨態氮轉化所致[18]。但是，在本研究中，C/N為25和30的處理銨態氮質量分數增加，而C/N為35的處理銨態氮質量分數降低。這可能是因為碳氮比為25和30時，堆肥進程較慢，硝化細菌活性較低，使得部分銨態氮未能及時轉化所致。

白三葉用小麥秸稈調整C/N為35時，堆肥后全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀質量分數較堆肥前分別提高91.7%、101.1%、102.6% 、49.6%和107.4%，而在小麥秸稈與雞糞的高溫好氧堆肥中，全氮、磷、鉀以及速效磷、鉀的質量分數分別提高21.8%、11.5%、15.8%、25.9%和12.4%[23]。表明白三葉和秸稈堆肥降解腐熟濃縮效果較好，可以快速提供有效的有機肥源。

3.3 C/N是影響白三葉堆肥的重要因素

C/N是影響堆肥進程及其腐熟情況的重要因素。C/N為25～35 均可進行高效堆肥[12]。本研究比較白三葉和小麥秸稈混合后3種不同 C/N(分別為25、30和35)的堆肥過程中溫度及其碳、氮、磷、鉀養分的變化差異，發現C/N為25、30和35的處理，全氮質量分數分別提高12.2%、54.6%和91.7%，全磷質量分數分別提高63.1%、71.1%和101.1%，全鉀質量分數分別提高63.9%、61.1%和102.6%，硝態氮質量分數分別提高3.0倍、2.0倍和1.6倍，速效磷質量分數分別提高65.1%、88.8%和49.6%，速效鉀質量分數分別提高82.6%、84.1%和107.4%。因此，白三葉堆肥時，用秸稈調節的C/N不同，堆肥效果不同。這與牛糞[10]、豬糞[11]堆肥的研究結果存在差異，牛糞、豬糞堆肥時，C/N為25 時堆肥效果最佳。這可能是因為白三葉養分質量分數和其他物料存在差異。同時，好氧堆肥是一系列微生物參與及酶促反應的過程，本研究僅對堆肥前后的肥力變化進行測定，后續需對白三葉堆肥過程中微生物種類、數量及酶活性變化機制進行進一步研究。