楊樹皮堆腐過程中碳和氮及腐殖酸的變化特征

李煥應

摘要? ? 為研究楊樹皮堆腐過程中碳、氮及腐殖酸的動態變化特征，進行了楊樹皮粒徑大小及微生物菌劑添加水平對堆腐進程的影響試驗。結果表明，總有機碳（TOC）呈下降趨勢，全氮（TN）相對含量呈升高趨勢;各處理的氨氮（NH4+-N）含量均在7 d內達到最大值，后期降至0.04%水平以下;各處理的最終氨氮與硝氮比（NH4+-N/NO3--N）均降到較低水平，但仍高于0.16;楊樹皮堆腐過程中，胡敏酸（HA）變化規律不明顯，富里酸（FA）呈降低趨勢，各處理最終聚合指數（HA/FA）均大于1.4。綜合各指標分析結果，粗粒徑楊樹皮的腐熟效果優于細粒徑楊樹皮處理，而微生物菌劑添加量對楊樹皮腐熟進程影響不顯著。

關鍵詞? ? 楊樹皮;堆腐;碳;氮;腐殖酸;變化特征

中圖分類號? ? Q792.11? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）15-0141-04

Change? Characteristics? of? Carbon，Nitrogen? and? Humic? Acid? of? Poplar? Bark? During? Composting

LI Huan-ying

（Agricultural and Rural Development Bureau of Xinhang Town of Guangde County in Anhui Province，Guangde Anhui 242234）

Abstract? ? In order to study the dynamic change characteristics of carbon，nitrogen and humic acid of poplar bark during composting，the effects of poplar bark size and microbial agent addition level on the composting process were studied.The results showed that the total organic carbon（TOC）showed a downward trend，and the relative content of total nitrogen（TN）increased.The content of ammonia nitrogen（NH4+-N）in each treatment reached the maximum within 7 days and decreased to below 0.04% in the later period.The ultimate ammonia and nitrate nitrogen ratio（NH4+-N/NO3--N）decreased to a lower level，but still higher than 0.16.During composting process of poplar bark，the change of humic acid-like organic-C（HA）was not obvious，and fulvic acid-like organic-C（FA）showed a trend of decrease.The final polyme-rization index（HA/FA）of each treatment was greater than 1.4.According to the analysis results of various indicators，the composting quality of coarse particle size bark was better than fine particle size，and microbial additive amount had no significant effect on compost maturity.

Key words? ? poplar bark;composting;carbon;nitrogen;humic acid;change characteristic

楊樹（Populus spp.）在我國營林面積多達600萬hm2[1]，楊樹皮約占干枝的10%左右[2]，目前主要用作燃料。一些學者曾對楊樹皮的利用進行了探索，如可用于包括制藥[3]、制作飼料及栽植菌菇等[4-5]，但鮮有對楊樹皮高溫堆腐物質轉化機理的研究。堆腐化就是在一定的水分、C/N和通風條件下通過微生物的發酵作用，對有機物有控制地進行生物降解，使之轉化為腐殖質的生物化學處理技術[6]，研究有機物的動態變化是揭示堆腐過程物質轉變機理的基礎。有機物主要包括有機碳、氮（有機氮及無機氮）及腐殖酸，國內外學者針對堆腐過程中主要有機物的變化動態進行大量的探討。Sánchez Monedero等[7]研究了6種固廢堆腐過程中的氮轉化，認為氮的轉化取決于堆腐原料以及有機質的降解速率。陳廣銀等[8]采用高溫好氧試驗研究了落葉堆腐過程中的有機物變化，發現有機質、腐殖質及富里酸等呈下降趨勢，聚合指數增大，表明堆腐有機物向著腐殖化和穩定化轉變。本文研究了不同粒徑大小及微生物菌劑添加量對楊樹皮腐熟過程中有機物變化的影響，以期為楊樹皮堆腐化生產提供參考。

1? ? 材料與方法

1.1? ? 試驗材料

楊樹皮取自江蘇省泗洪縣楊樹木材加工基地，樹種為南林895楊樹（Populus euramericana ‘N-895）。樹皮曬干后用BEARCAT（Model 70380）柴油粉碎機將楊樹皮粉碎，過篩分為2種粒徑大小，即細粒徑（<0.5 cm）、粗粒徑（0.5～2.0 cm）。復合微生物菌劑（有機肥發酵劑Ⅰ）購買于北京京圃園生物工程有限公司;尿素（全碳含量為20%，全氮含量為46.3%）為中石化生產。各原料的特性參數見表1。

1.2? ? 試驗設計

試驗采取雙因素完全隨機區組設計。因素一為楊樹皮粒徑大小，設為2個水平，即粗粒徑與細粒徑;因素二為微生物菌劑添加量，設為3個水平，分別為0.3%、0.5%、1.0%（以楊樹皮干重計），共6個處理，具體處理設計見表2，每個處理3次重復。試驗于南京林業大學種子中心實驗室內進行，環境溫度控制為25 ℃。本試驗的堆體呈長方體，長90 cm、寬70 cm、高50 cm。為了提高堆溫、減少水分散失并改善堆腐物質量，采用棚膜覆蓋法[9]進行試驗。為使各處理的初始C/N達到適合微生物活動的比值，以尿素為氮源，根據粗、細粒徑原始碳氮比的不同，粗粒徑楊樹皮各處理分別添加尿素0.4 kg，細粒徑楊樹皮各處理分別添加尿素0.6 kg，最終各處理的C/N維持在28左右。將微生物菌劑、尿素與水40 kg混合，均勻噴灑于各處理楊樹皮上后，經多次翻堆，混合均勻。

1.3? ? 翻堆取樣

分別于堆制的第0、7、14、21、31、41、55、69天翻堆取樣，以保證堆體氧氣的供應。將堆體各部位材料混合均勻，采取多點取樣（取樣點>10），取樣至2 000 g左右再采用四分法[10]分縮至500 g。鮮樣用于物理及部分化學指標的測定，其余樣品風干后粉碎，過1 mm篩后裝于自封袋，于避光處儲存備用。

1.4? ? 測定指標

1.4.1? ? 溫度。采用清勝電子科技有限公司生產的多點土壤溫濕度記錄儀（JL-01）測定堆體內溫度，記錄儀的探頭位于堆體的上、中、下3個部位，設定為每6 h自動測定并記錄堆體內溫度。

1.4.2? ? 化學指標。全氮的測定用H2SO4-H2O2消煮-奈氏比色法;全磷的測定用 H2SO4-H2O2消煮-釩鉬黃比色法;全鉀的測定用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度計法測定[11];有機碳采用直接測定法（灼燒法）[12];氨氮測定采用2 mol/L KCl浸提-MgO蒸餾法[11];硝態氮測定用2 mol/L KCl浸提-還原蒸餾法[11];腐殖質酸碳量及其組分測定采用Na4P2O4與NaOH提取K2Cr2O7容量法[13];T值[14]為終點時的C/N與初始C/N的比值。

2? ? 結果與分析

2.1? ? 堆體溫度變化

堆體內溫度是表征堆腐是否達到無害化和穩定化的重要標準，其高低直接影響微生物的種類和生長，從而影響了有機物的轉化[15]。

由圖1可以看出，各處理溫度均在堆腐的2～3 d內達到最高，然后下降，直到第1次翻堆后，堆溫又有所回升，但都明顯低于最高溫度。以后每次翻堆后，各處理堆體的溫度均有所回升，但上升幅度較小，至堆腐結束時，各堆體的溫度均在29～32 ℃之間。從表3可以看出，粗粒徑楊樹皮各處理堆腐初期升溫速率及高溫期持續時間均顯著大于細粒徑各處理;微生物菌劑添加量對高溫期持續時間影響不顯著;粒徑大小及微生物菌劑添加水平對各處理均溫影響呈顯著性差異（P<0.05），粗粒徑各處理均溫顯著高于細粒徑各處理，微生物菌劑添加量越多則堆體均溫越高。

2.2? ? 有機碳的變化

堆腐材料中碳素物質主要為微生物活動提供能源和碳源，微生物首先利用簡單、易降解的有機物進行新陳代謝和礦化[16]。從表4可以看出，各處理總有機碳含量整體呈現下降趨勢。方差分析表明，粒徑大小對各處理總有機碳降解程度影響差異顯著（P<0.05），而微生物菌劑添加量對有機碳的影響不顯著。

2.3? ? 氮的變化

2.3.1? ? 全氮（TN）的變化。有機固體廢物的堆腐過程中，氮的轉化主要包括有機氮素的礦化、氨氣的揮發、硝化及反硝化作用，其中氮的礦化將有機氮轉化為氨氮，氨的揮發和反硝化作用則導致了氮素的損失。由表5可以看出，各處理楊樹皮全氮相對含量在堆腐過程總體呈現上升趨勢。粗粒徑楊樹皮全氮含量的上升幅度顯著高于細粒徑楊樹皮，一方面是由于粗粒徑楊樹皮的初始C/N高，揮發性固體損失多，從而導致了堆體縮小;另一方面則由于細粒徑楊樹皮初始NH4+-N含量較高，高溫以及高pH值導致其以氨氣形式揮發，從而降低了堆體的含氮量。方差分析表明，粒徑大小對堆腐過程的全氮影響差異顯著（P<0.05），而微生物菌劑添加量對全氮的影響不顯著。

2.3.2? ? T值變化。從圖2可以看出，粗粒徑楊樹皮處理的T值均<0.7，極顯著小于細粒徑楊樹皮處理。方差分析表明，粒徑大小對T值影響差異極顯著（P<0.01），但微生物菌劑添加水平的影響不顯著。

2.3.3? ? 無機氮變化。楊樹皮各腐熟處理的氨態氮含量均在7 d內達到較高水平，這是因為添加的尿素在脲酶作用下水解成碳酸銨，增加了堆體內的氨氮離子含量。由于細粒徑楊樹皮的尿素添加量高于粗粒徑，因而其初始氨氮含量顯著高于粗粒徑。堆置的前21 d內各處理的氨氮含量變化不大，可能是由于有機氮持續礦化所產生的氨離子與高溫狀態下損失的氨態氮達到了相對平衡[2]。堆腐的中后期，由于有機質的降解速率趨緩，各處理氨態氮含量迅速下降，至堆腐結束時，各處理的氨態氮含量均小于0.04%（表6）。

硝化作用一般發生在堆溫降至40 ℃以下時[17]，過高溫度會抑制硝化細菌的活性，因而堆腐的前14 d內，硝態氮含量變化平穩。14 d后，當堆溫低于40 ℃時，硝化作用將大量的氨氮轉化為硝態氮（表7）。

各處理堆腐初始時的NH4+-N/NO3--N均較高，經過70 d的堆腐處理，該比值顯著下降，但均大于0.16（表8），這與堆腐中后期堆體的通氣狀況不佳導致硝態氮含量下降有關。粗粒徑楊樹皮處理的最終NH4+-N/NO3--N顯著低于細粒徑處理。方差分析顯示，粒徑大小、微生物菌劑添加量及兩者的交互效應對堆腐過程中NH4+-N/NO3--N的影響呈顯著性差異（P<0.05）。

2.4? ? 胡敏酸、富里酸變化

在堆腐過程中，分子量較小的富里酸逐漸被礦化或轉化，其含量在后期通常大幅下降。而分子量較大的胡敏酸則會隨著有機質腐殖化進程而有所增加[18]。至堆腐結束時，處理M1、M2、M3、M5的胡敏酸含量較初始值有所增加，而處理M4、M6的胡敏酸含量略低于初始值（表9）。由此可見，粗粒徑楊樹皮處理的胡敏酸含量顯著高于細粒徑楊樹皮處理，而對于細粒徑處理，0.5%的微生物菌劑添加量利于胡敏酸的形成。從整個堆腐過程看，各處理富里酸含量呈下降趨勢（表10）。

腐殖酸胡敏酸碳與富里酸碳含量之比稱為聚合系數（PI=HA/FA），李國學等[19]指出當PI達到1.4以上時，可認為已達到腐熟。本研究各處理的最終聚合指數（PI）均高于其初始值（表11），根據李國學等人的研究結果，各處理楊樹皮均達到腐熟標準。對各處理的PI值進行方差分析可知，粒徑大小、微生物菌劑添加量及兩者的交互效應皆對堆腐過程中PI的影響差異顯著（P<0.05）。

3? ? 結論與討論

我國衛生學標準規定堆體內溫度應維持在50～55 ℃之間5～7 d，以達到殺滅病原菌及雜草種子的目的。本研究中只有粗粒徑楊樹皮添加0.5%微生物菌劑處理滿足要求，可能由于楊樹皮內微生物可直接利用的水溶性碳化物較少，因而高溫期較短。研究證明，大量的氨氮會抑制微生物的活性，從而延緩高溫期到來[20]，因而粗粒徑楊樹皮處理堆置初期升溫速率高于細粒徑處理。

C/N是常用的堆腐腐熟度評價指標之一，趙由才[21]認為，腐熟后的堆腐碳氮比應該在16左右，本試驗各處理最終碳氮比均高于這一值，這是由于樹皮中含有大量的木質素、纖維素和半纖維素，木質素和半纖維素通過化學鍵緊密連接，包裹在纖維之外，這種生物組分使得樹皮具有較大的硬度，能夠抵抗微生物的腐蝕和機械壓力[22]，因而有機質降解難度大。有研究表明，由于堆腐原料的不同，一些已達腐熟的堆料其碳氮比相差很大，一般在8～29∶1之間[23]，因而可以使用T值作為堆腐腐熟標準，考慮到堆腐原料為難降解的植物性材料，當T值在0.5～0.7時堆體已腐熟[24]。粗粒徑楊樹皮T值均位于理想范圍內，而細粒徑處理均大于0.7，可見粗粒徑腐熟效果優于細粒徑楊樹皮。

黃國鋒等[25]利用豬糞堆腐表明，當NH4+-N的含量小于0.04%時即證明堆體已腐熟，本試驗各處理最終NH4+-N均小于0.04%，但考慮到堆腐原料差別大，還需綜合其他指標以評判最終堆腐質量。與其他學者研究結果[26]不同的是，本試驗各處理（除粗粒徑楊樹皮添加1.0%微生物菌劑處理）的硝態氮含量均在42 d前達到最大值，之后又迅速下降，以至堆腐結束時各處理的硝氮含量較低。可能是后期翻堆頻率低，導致堆體內缺氧，大量硝態氮在反硝化細菌作用下轉化為氮氧化合物而揮發流失。由于粗粒徑楊樹皮堆體內空隙大，通氣狀況稍佳，因而至堆腐結束時，其硝氮含量顯著高于細粒徑處理。NH4+-N/NO3--N已經作為評價多種堆體腐熟度的指標，Finstein等[27]認為，在通氣狀況良好的情況下，堆腐后期的硝態氮含量應大于氨態氮。Bernal等[28]認為，當NH4+-N/NO3--N這一比值小于0.16時，堆體基本達到腐熟。各處理最終NH4+-N/NO3--N值均大于0.16，這與后期硝氮含量下降有關。

楊樹皮堆腐過程中，胡敏酸變化規律不強，富里酸呈降低趨勢，堆體內小分子腐殖酸不斷減少。各處理最終聚合指數均大于1.4，滿足腐熟化標準，也說明楊樹皮向著腐殖化和穩定化轉變[3]，堆腐物農業價值提高。

粗粒徑楊樹皮能顯著降低堆腐的T值、最終NH4+-N/NO3--N值，因而粗粒徑處理的腐熟效果優于細粒徑處理，這可能是由于粗粒徑堆體內空隙大，空氣流通滲透率高于細粒徑所致。因而，細粒徑楊樹皮的翻堆周期應小于粗粒徑楊樹皮，生產中還可以通過改進堆腐設施及條件等措施以改善各堆體的通氣狀況。微生物菌劑添加量對腐熟效果的影響不顯著，為了節約成本，建議采用0.3%的微生物菌劑添加水平。

由于試驗條件的限制，各堆體后期通氣狀況不佳，影響了堆腐品質的同時也延緩了腐熟進程，今后可以考慮采用Rutgers堆置系統來保證堆體的供氧需求。本試驗只測定了堆腐常規指標，未研究堆腐過程中微生物種類、數目及相關酶活性的變化情況，今后可以深入這方面的研究，以全面揭示堆腐過程中有機物質變化機理。

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