森林枯枝落葉堆肥過程中理化性質變化規律探究

張靜美 吳興興※

摘 要 以森林枯枝落葉和枯草芽孢桿菌腐熟菌劑為主要原料進行堆肥過程中，測定了溫度、pH值、含水率、銨態氮和硝態氮含量等理化性質的變化。其中溫度在30～35 d共出現升溫、高溫、降溫和腐熟4個顯著溫度變化階段;pH值在10～30 d先上升后穩定，幅度變化為7.0～8.8;5～7 d，NH4+-N含量由7.8 g·kg-1快速降低至3.5 g·kg-1，在7～30 d逐步緩慢降低至2.2 g·kg-1;N-NO3-含量在7～10 d由3.1 g·kg-1逐漸增加到5.7 g·kg-1，10～30 d增加幅度較小并保持在8.5 g·kg-1。約30 d后堆肥結構松散，無結塊、霉爛和酸敗氣味。

關鍵詞 森林;枯枝落葉;堆肥;方法

中圖分類號：S14 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.32.109

森林中的枯枝落葉是森林生態系統中的一部分，對維持森林生態系統物質循環和能量循環起到重要的作用。森林生態系統中的生物是枯枝落葉分解過程中的主要參與者，其中土壤動物使枯枝落葉實現物理性分解，土壤微生物則使枯落物碎片進一步分解為簡單無機分子或轉化為腐植質[1]。森林凋落物分解能使養分歸還于土壤層，激發微生物和酶的活性，維護土地生產力，是森林生態系統養分循環的一個重要過程[2]。森林凋落物的分解使得含有豐富營養元素的有機化合物降解為簡單的小分子[3]，從而形成土壤腐植質，調控整個森林生態系統的物質循環功能。森林凋落物從新鮮狀態到腐植質的分解過程中會釋放大量營養元素，其中氮和磷對植物的生長起到重要作用[4]。

微生物參與堆肥熟化過程，人為添加微生物菌劑可以顯著提高堆肥品質，提升物料淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶等的活性，從而加快堆肥發酵和熟化過程。如在堆肥進程中接種枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）可抑制枯萎病病原菌[5]，并加速物料的腐熟進程，還能降解生物毒性物質[6]。

在作物生長過程中，合理施肥是增產增收的重要因素之一。由枯枝落葉生產的堆肥是一種有機肥料，含有無機元素和有益微生物。在農田中施用有機肥能夠明顯提升農作物的產量和抗性，改善土壤的理化性質。傳統生產中廣泛使用的化肥，成分和功能相對較為單一，而堆肥含有豐富的營養元素和有機質，養分含量高、持續性好，能更好地滿足農作物的生長需求。在堆肥中添加有機功能菌，不僅可以加快發酵進程，還具有催生根系、改良土質、再造養分等功能，對植物的生長有著良好的促進作用。

用枯枝落葉生產堆肥，來源廣泛、價格低廉、易于獲得，肥料使用的成本相對較低。而經高溫腐熟的有機肥，還能殺死土壤中的蟲卵和病原物，也可從根源上減少作物病蟲害發生的概率。本研究以云南林業職業技術學院實習林場內產生的枯枝落葉為主要原料，通過添加枯草芽孢桿菌腐熟菌劑，研究靜態好氧堆肥生產有機肥的方法，從而為資源化利用提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料

枯枝落葉取自云南林業職業技術學院實習林場。林分結構中喬木主要有云南松、華山松、滇油杉、栓皮櫟、藍桉、黑荊樹、滇樸、沖天柏和榿木;灌木主要有油茶、小鐵子、火棘、厚皮香、楊梅、覆盆子和茶梅等;草本植物主要有紫莖澤蘭、鬼針草、鼠曲草、野古草和馬鞭草等。枯草芽孢桿菌由本實驗室保存。

試劑：氯化鉀（KCl），天津市福晨化學試劑廠;苯酚（C6H5OH）、乙二胺四乙酸二鈉（EDTA-2Na），天津科密歐化學試劑有限公司;硝基鐵氰化鈉[Na2Fe（CN）5NO2H2O]、酒石酸鉀鈉（KNaC4H4O6·4H2O，化學純），上海麥克林生化科技有限公司;次氯酸鈉（NaClO）、磷酸鈉（Na3PO4·12H2O），國藥集團化學試劑有限公司;氫氧化鈉（NaOH），廣州化學試劑廠;磷酸氫二鈉（Na2HPO4·7H2O），北京化工廠;次氯酸鈉（NaClO），天津市光復科技發展有限公司;濃硫酸（H2SO4），北京化工廠。所有試劑均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 腐熟菌劑的制備

將實驗室保存的枯草芽孢桿菌（B.subtilis）菌株活化，先在NA固體培養基上30 ℃條件下劃線培養，挑取單個菌落接種到50 mL種子液培養基中，相同溫度下置于轉速為250 r·min–1的搖床中培養 24 h，制得菌株的活化種子液。

菌株擴大培養時，在發酵罐中裝入15 L發酵培養液，調節pH為7.0±0.2，加入適量滅菌消泡劑，121 ℃條件下蒸汽滅菌30 min，待發酵液溫度下降至40 ℃后，按1%的體積分數接種150 mL種子液至發酵罐中，于250 r·min–1、30 ℃條件下發酵培養。發酵20 h后每隔1 h從發酵罐中取樣制片，結晶紫染色后將其置于光學顯微鏡下觀察菌體形態和芽孢產生情況，當芽孢生成率>95%且芽孢形態均一時結束發酵。

將發酵液分裝后，以25 ℃、3 600 r·min–1離心30 min，

棄上清液，按沉淀質量的5%添加CaCO3作為載體填料噴制菌粉。將制得的菌粉低溫密封保存，使用前測定芽孢含量，計算芽孢存活率。作為腐熟菌劑使用時，含菌量為2.5×1010 CFU·g-1。

1.2.2 物料制備

將枯枝落葉粉碎，物料顆粒直徑<7 mm。每噸物料拌入枯草芽孢桿菌（B. subtilis）腐熟菌劑和尿素各1 kg，控制水分含量65%左右，調整pH值為7.0～7.5。

1.2.3 渥堆發酵

露天渥堆時平均氣溫要求達到15 ℃以上。渥堆規格為：堆高1.5 m、寬2.0 m、長度約4.0 m。堆內發酵溫度控制在65 ℃以下，堆內溫度過高時應及時翻堆降溫和補充水分。

1.2.4 指標檢測

參照常規檢測方法，每3 d檢測堆肥中心溫度、pH值、含水率等理化性狀。將堆內溫度降至常溫作為發酵結束的主要依據之一，同時要求物料外觀黑褐色、結構松散，無結塊、霉爛和酸敗氣味。

2 結果與分析

2.1 溫度變化

堆肥溫度從逐步升溫到降低至常溫，共耗時30～35 d。

共出現4個顯著溫度變化階段，即升溫階段、高溫階段、降溫階段和腐熟階段。如圖1所示，在5～15 d，溫度由初始的9～15 ℃上升為50 ℃左右。第15～22 d，

溫度由50 ℃上升至60 ℃左右。第22～27 d，溫度由60 ℃逐步降低至25～30 ℃。第27～30 d，溫度由25～30 ℃降低并穩定在25 ℃左右，與環境溫度相近。

2.2 pH值變化

如圖2所示，pH值變化呈先上升后穩定的趨勢。在5～10 d，堆肥pH值由初始7.0～7.5上升為7.7～8.4，在10～30 d，pH值保持在8.4～8.8。

2.3 NH4+-N和NO3--N含量變化

如圖3a所示，NH4+-N變化呈逐漸降低的趨勢。在5～7 d，堆肥NH4+-N含量由初始時7.8 g·kg-1快速降低到3.5 g·kg-1;在7～30 d，堆肥NH4+-N含量逐步緩慢降低并保持在2.2 g·kg-1。

如圖3b所示，NO3--N含量變化呈現逐漸增加的趨勢。在7～10 d，堆肥NO3--N含量由初始時3.1 g·kg-1逐漸增加到5.7 g·kg-1;10～30 d，堆肥NO3--N含量增加幅度較

小，最終保持在8.5。

3 結論與討論

本研究測定了森林枯枝落葉添加枯草芽孢桿菌制作堆肥過程中溫度、pH值、含水率、銨態氮和硝態氮含量等理化性質的變化過程，這些指標對掌握堆肥熟化規律和指導生產具有參考價值。由該方法生產的堆肥熟化后，溫度、pH值、含水率穩定，銨態氮和硝態氮含量適中，物料結構松散，無結塊、霉爛和酸敗氣味，對促進森林枯枝落葉的資源化利用具有參考價值。

參考文獻：

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（責任編輯：劉 昀）