農業廢棄物堆肥碳素動態轉化規律及其在柑橘園的施用效果

廖磊　熊峰　周月明　雷陽明

摘要：采用Van Soest分析法對堆肥過程中有機碳組成和數量進行動態分析，結合堆肥化進程及堆肥產品品質指標，分析堆肥化過程中不同的碳素形態對肥料品質的影響機制。結果表明，堆肥高溫期持續時間36 d，最終pH 8.11，最終含水率25.17%，所得肥料OM最終含量為52.34%，總養分5.41%，有效活菌數為9.6×108 CFU/g，大腸桿菌值為35 CFU/g，蛔蟲卵死亡率為98%，發芽指數為93.09%，符合NY 884-2012對生物有機肥的要求。碳素組分中不溶性LIG、HEM和CEL與總養分、OM、C/N呈現顯著相關性（相關性系數≥0.875），不溶性大分子物質降解為容易被微生物利用的小分子物質是堆肥品質提升的關鍵，而TOC的損失會顯著降低堆肥產品的品質。該有機肥在柑橘種植園的施用可以提高柑橘品質和產量，施用量為2.0 kg/m2時，柑橘品質最優且增產量最大。

關鍵詞：堆肥化;柑橘廢棄物;資源化利用;碳素形態;施肥效果

中圖分類號：X71;S141.4;S666.2? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）02-0030-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.02.007? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Dynamic transformation of carbon in agricultural waste-compost

and its fertilizer efficiency in citrus planting

LIAO Lei1，XIONG Feng1，ZHOU Yue-ming2，3，LEI Yang-ming4

（1.Jiulongpo Ecological Environment Monitoring Station of Chongqing，Chongqing 400050，China;2.National Research Base of Intelligent Manufacturing Service，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China;3.Chongqing South-to-Thais Environmental Protection Technology Research lnstitute Co.，Ltd.，Chongqing 400069，China;4.Institute of Environment and Resources，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

Abstract： The dynamic composition and quantity of organic carbon in composting were analyzed by Van Soest analysis method， its influence mechanism on product quality during composting was also analyzed combined with procedure parameter. The results showed that， the duration of the high temperature period was 36 days， pH was 8.11， moisture content was 25.17%， OM was 52.34%， TN was 5.41%， effective number of viable bacteria was 9.6×108 CFU/g， value of escherichia coli was 35 CFU/g， mortality of ascarid egg was 98%， germination index was 93.09%， which satisfied the requirements of NY 8884-2012 for biological organic fertilizer. The insoluble components of LIG， HEM and CEL in carbon composition were significantly correlated with total nutrients， OM， C/N（correlation coefficient was all greater than 0.875）. The degradation of insoluble macromolecular substances into small molecular substances which easily used by microorganisms is the key factors to improve the quality of fertilizer， whereas the loss of TOC will significantly reduce the quality of fertilizer. The application of the organic fertilizer in citrus plantations showed that the organic fertilizer could improve the quality and yield of citrus. The best quality and maximum yield of citrus were got with the application amount of 2.0 kg/m2.

Key words： composting; citrus waste; resource utilization; carbon composition; effect of fertilization

柑橘皮渣是柑橘榨汁后的剩余物，營養豐富，但具有苦味重、酸度大、含水率高、處理費用高等缺點[1，2]。以柑橘產業為支柱的農業園區，會產生多種農業廢棄物，包括柑橘皮渣、爛蔬菜葉、動物糞便、秸稈等物質，這些物質常以填埋或焚燒的方式處理，會造成資源的浪費和嚴重的環境污染，如果把這些廢棄物進行堆肥處理，制作成生物有機肥，不但可以大大降低環境污染，還可以獲得可觀的經濟收入，實現人與自然的和諧發展。

堆肥化的實質是微生物將堆肥物料中的大分子有機物分解為小分子物質，并部分轉化為自身組成成分的過程，該過程包括有機質（OM）的礦化分解以及分解后的產物在微生物作用下合成新活性物質的過程[3]，因此，堆肥化也是一個OM的組成和數量動態變化的過程[4，5]，柑橘皮渣中含有大量OM，包括纖維素（9.21%，CEL）、半纖維素（10.5%，HEM）、木質素（5.43%，LIG）等[1]，這些物質較難被微生物降解利用，但在腐熟過程中，纖維素類物質的分解對堆肥過程中活性OM的形成具有非常重要的作用[1，4]。

已有對堆肥OM的研究集中在對堆肥過程中腐殖酸的變化方面，但是腐殖酸的形成具有滯后性，不能及時反映OM的變化特征[3，4]，而對總有機碳（TOC）的研究較少[6]，所以本研究分析了TOC的組成和含量在堆肥過程中的變化規律，及其與所得肥料品質的相關性，分析其成因，考察所得有機肥在柑橘園的施用效果，提供有機肥最佳施用量，為農業廢棄物資源化利用提供技術支持和理論依據。

1? 材料與方法

1.1? 堆肥試驗方案

試驗原料：柑橘皮渣采自重慶市榮昌縣某小型柑橘榨汁廠，動物糞便、菜葉收集自榨汁廠附近的農業園區。堆肥地點為榮昌縣榮隆鎮小型榨汁廠附近，堆肥時間為2017年12月至2018年1月。將秸稈切成3～4 cm小段，菜葉與動物糞便、柑橘皮渣質量按照1∶2∶3比例混勻，用石灰調節原料pH與C/N。采用規模為長2 m、寬1 m、高0.8 m的條垛進行堆肥試驗，接種菌劑為自主研發菌劑，以Bacillus、Pseudomonas等為主。按照菌料質量比5‰（m/m）添加菌劑，每天8：00測定堆肥體各層溫度，在中溫及高溫階段，每1天翻堆1次，在降溫階段，每3天翻堆1次，堆肥共持續40 d。分別在0、5、10、20、30、40 d取樣，測定總養分（N+P2O5+K2O）、OM、pH、含水率、糞大腸桿菌值、蛔蟲卵死亡率、發芽指數（GI）、TOC、有機碳組分等指標。

1.2? 肥效試驗方案

試驗共設4個處理，每個處理在相同常規化肥施用量的基礎上增施不同量的發酵有機肥，以常規施肥為對照，施肥量分別為1.0 kg/m2（A組）、2.0 kg/m2（B組）、3.0 kg/m2（C組）以及不施肥的對照組（P組）。選擇樹齡均為8年，長勢相近的柑橘單株隔開作小區，每個小區6株，同時設置3個重復。常規化施肥按照氮肥以春肥∶夏肥4∶6，磷肥以春肥∶秋肥4∶6;鉀肥以春肥∶秋肥4∶6施用。肥效試驗于2018年1月28日上季果實采收后開始，于2019年2月3日果實采收結束。有機肥與春肥同時施用，混合均勻后一次性施入施肥槽中，施肥槽寬40 cm左右，長80 cm左右，其他栽培方式相同。

1.3? 測試方法

pH采用梅特勒-托多利FE20型pH計測定[1]。含水率測定采用烘干恒重法測定[1]。P2O5采用H2SO4-H2O2消煮-釩鉬酸銨比色法測定，K2O采用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度法測定[1]。OM測定采用差重法[7]。有效活菌數測定采用稀釋平板法[8]。糞大腸桿菌群計數方法參見GB/T 19524.1-2004[9]。蛔蟲卵死亡率測定參見GB/T 19524.2-2004[10]。GI測定采用當地普遍種植的小白菜種子培養72 h計[11]。TOC測定釆用重鉻酸鉀容量法-磷酸浴外加熱法測定[12]。有機碳組分（WSOC、NDSOC、HEM、CEL、LIG）的測定采用改進的Van Soest方法。取風干的肥料9.0 g，加入沸騰的去離子水中，煮沸30 min，離心并過濾，濾液用重鉻酸鉀氧化法測定有機碳即為WSOC;剩余的濾渣冷凍干燥后加入熱中性溶液（30 g那月桂醇硫酸鹽，18.61 g二氫鈉乙二胺，6.81 g十水四硼酸鈉，4.56 g磷酸氫鈉，10 mL三甘醇，定容至1 000 mL，pH=7.0），沸騰1 h，離心并過濾，濾液用重鉻酸鉀氧化法測定有機碳即為NDSOC;剩余的物質洗滌干燥后加入酸性溶液（20 g十六烷基三甲基溴化銨溶于0.5 mol/L硫酸溶液中，定容至1 000 mL），沸騰2 h，離心過濾，濾液用重鉻酸鉀氧化法測定有機碳即為HEM;剩余殘渣用72%硫酸溶液在3 ℃放置24 h，使纖維素徹底溶解，在冰水浴中加水稀釋，用古氏坩堝抽濾，濾液用于測定CEL;剩余殘渣風干后稱重即為LIG含量。各組分含量均以占初始有機碳的百分比來表示[13，14]。果實營養成分維生素C、可滴定酸、可溶性固形物、總糖的分析采用鮑士旦[15]的分析方法。

1.4? 數據分析

采用Excel 2010、SPSS 20.0軟件處理試驗所得數據，采用Origin Pro 8.0軟件繪制圖表，圖表中所有數據均為3次測量平均值。

2? 結果與分析

2.1? 堆肥化進程評價

2.1.1? 溫度變化? 溫度是評價堆肥腐熟程度的重要指標[7]。由圖1可以看出，本次堆肥分為升溫、高溫、穩定、腐熟4個階段。通過對堆體表層、中間、底層的溫度進行檢測發現，表層溫度在3 d達到53 ℃，并維持26 d，最高溫度71 ℃，其中，70 ℃以上持續時間為6 d，在30 d降至50 ℃以下。中間溫度在4 d達到50 ℃以上，并維持29 d，最高溫度68 ℃。底層溫度也在4 d達到50 ℃以上，并維持36 d，最高溫度61 ℃。表層溫度上升最快且最高溫度值最大，但高溫期持續時間最短，主要因為前期物料含水率高，氧氣由外而內的傳遞受到限制，氧氣成為堆體中間與底部升溫的限制因素，從而影響了微生物活性，導致由外至內升溫減慢[16]。隨著堆肥的進行，堆肥體表層的水分和易降解物質逐漸被消耗，物料變得疏松多孔，氧氣可以傳遞至堆肥體中間以及底部，所以堆肥體中間及底部溫度相對表層晚達到最大值。此外，由于表層溫度最高且通風良好，加之易降解有機物被快速分解，堆肥體表層易被微生物利用的養分迅速減少，微生物活性降低，導致表層高溫期持續時間最短，而底層高溫期持續時間最長。

2.1.2? pH變化? 如圖2所示，pH的變化趨勢為先降低后升高，后趨于穩定。由于柑橘皮渣呈酸性，堆肥初期，大量小分子有機酸被釋放出來，導致pH顯著降低，微生物適應環境之后開始利用有機酸合成自身細胞成分，并將含氮物質轉化為氨，導致pH逐漸升高[17]。滿足NY 884-2012對生物有機肥pH范圍的要求[18]。

2.1.3? 含水率變化? 水分是影響微生物新陳代謝的重要因素，堆肥的初始含水率在60%左右最佳[19]。如圖3所示，隨著堆肥的進行，含水率逐漸降低，主要是因為隨著堆肥的進行微生物活性逐漸增強，對水分的利用率越來越高，并且堆肥體溫度升高導致水分的揮發量增加，堆肥后期，微生物活性降低，對水分的需求也隨之降低，使含水率趨于穩定。最終含水率為25.17%，符合NY 884-2012對生物有機肥含水率的要求[18]。

2.1.4? C/N變化? C/N是影響微生物活性，決定發酵進程和產品品質的關鍵因素[20]。優良的堆肥化進程，C/N逐漸降低，C/N過高，施用于土壤后，會吸取土壤中的氮元素，導致土壤品質下降[21]。如圖4所示，C/N在堆肥前期迅速降低，并于20 d趨于穩定。T=（結束C/N）/（初始C/N）可以指示堆肥終點[22]，當T≤0.6時，可以認定為堆肥終點。本次堆肥T為0.52，堆肥達到了腐熟要求。

如表1所示，綜合溫度、含水率、pH以及C/N等6個指標可以認定，本次堆肥化符合國家對堆肥進程的要求。

2.2? 堆肥產品品質分析

2.2.1? 有機質（OM）含量變化? 在堆肥過程中，微生物將OM分解為CO2、腐殖酸、H2O和礦物質等小分子物質，并為自身生長提供能量[23]。從圖5可以看出，OM不斷被分解消耗，堆肥前10 d，OM的降解率為15.76%，而堆肥過程中OM的總降解率為20.66%，OM最終含量為52.34%。所以，可以推測OM的降解主要發生在堆肥前10 d，OM的快速降解為微生物保持高活性提供了充足的營養物質，確保堆肥體可以持續維持較高溫度。

2.2.2? 總養分（N+P2O5+K2O）含量變化? 總養分含量是評價肥效的重要指標[2]。如圖6所示，隨著堆肥的進行，總養分含量在前10 d快速增加，增加率為48.01%，而堆肥結束時，總養分增加率為53.84%，這與OM的變化趨勢相反，主要是由于OM被降解，堆肥體總質量下降，總養分百分比上升，在堆肥進入腐熟期后趨于穩定。總養分最終含量達到5.41%，符合NY 884-2012對生物有機肥品質的要求[18]。

2.2.3? 有效活菌數、大腸桿菌值與蛔蟲卵死亡率? 發酵結束時，產品有效活菌數、大腸桿菌值與蛔蟲卵死亡率如表2所示，其值均達到NY 884-2012對生物有機肥的要求[18]。有效活菌可以耐高溫，在造粒烘干過程中不失活，并且可以促進農作物生長，提高農產品品質，預防病蟲害[12]，本次堆肥產品中有效活菌數高于標準值的48倍，說明有機肥品質較高。

2.2.4? 發芽指數變化? 發芽指數可以直接反映堆肥浸提液對植物毒性大小，未腐熟的堆肥產品提取液中含有大量的氨、小分子有機酸、重金屬等有毒有害物質，對種子的生長有強烈的抑制作用[12]。如圖7所示，GI發酵5 d降低了8.27%，結合pH及OM變化趨勢可知，GI降低主要因為堆肥前期OM被快速分解，產生小分子有機酸、氨等物質導致GI降低，隨著堆肥的進行，有機酸等物質被微生物利用，pH上升，GI同時上升，通常認為GI≥50%堆肥基本腐熟，GI≥80%堆肥完全腐熟且植物毒素完全降解[17]，本次堆肥GI于17 d達到50%以上，于27 d達到80%以上，堆肥成功。

綜合OM、總養分、有效活菌數、大腸桿菌值與蛔蟲卵死亡率、GI指標可知，堆肥產品品質滿足NY 884-2012標準中對生物有機肥產品品質的要求[18]。

2.3? 碳素物質形態轉化規律研究

2.3.1? 總有機碳（TOC）含量變化? TOC是微生物活動的重要碳源和能源[24]。易分解的OM被快速分解成小分子有機酸以及CO2、H2O等無機物，所以TOC含量在前5 d急速降低了6.70%，隨著堆肥的進行，易降解OM逐漸消耗殆盡，剩余木質素（LIG）、纖維素（CEL）及半纖維（HEM）等難降解OM降解緩慢，TOC含量趨于穩定，總損失率為10.88%（圖8）。

2.3.2? 總有機碳（TOC）組成變化? 堆肥過程中碳物質組成及變化不僅影響著堆肥的無害化和穩定化進程，而且決定著施用土壤OM提高的效率，尤其是TOC組成的變化[25]。TOC由水溶性有機碳（WSOC）、溶于中性洗滌劑的有機碳（NDSOC）、HEM、CEL、LIG組成[6]，以初始時TOC含量（40.79%）作為有機碳組成的100%，以結束時TOC含量（36.35%）作為有機碳組成的89.12%，差值10.88%視為被微生物分解并以氣態形式（CO2和CH4等）揮發的碳量。不同形態碳素降解的難易程度為WSOC>HEM>CEL>NDSOC>LIG[12]。

WSOC包括小分子糖類、有機酸、氨基酸、肽等易被微生物利用的成分[6]，它的含量是一個動態變化的過程，呈現先降低后升高，再次降低的趨勢，前5 d WSOC降解率為32.99%（干重），而10 d時，WSOC在5 d的基礎上增加了7.14%（干重），之后逐漸降低，隨著堆肥的進行，WSOC一邊被釋放一邊被利用，最終含量為26.92%，實際利用率大于此值。

HEM與CEL是由葡萄糖組成的大分子多糖，是植物細胞壁的主要成分，較難降解。從圖9可以看出，HEM的降解主要在堆肥的前20 d完成，20 d時，降解率為29.22%（干重），而40 d時降解率為29.37%（干重）;CEL的降解主要在堆肥的前30 d完成，最終降解率為29.55%（干重）。由此可見，HEM比CEL更容易降解，且降解速率更快。

NDSOC是降解緩慢的有機物，包括堆體中死亡的微生物殘體補充形成的有機物[26]。NDSOC降解緩慢，在20 d時的降解率為17.06%（干重），30 d時含量較20 d有所增加，原因是在高溫下死亡的菌體，導致NDSOC含量略有升高，NDSOC最終降解率為13.99%（干重），但其實際被微生物利用的量要遠遠高于此值。

LIG是結構復雜的芳香族高聚物，是生物發酵中最難降解的組分，其相對含量不發生變化或呈現出小幅度變化趨勢[27，28]。堆肥過程中，LIG相對含量略有上升，實際降解反應發生在20 d以后，最終降解率為5.11%（干重）。

2.3.3? 碳素形態變化規律解析? 堆肥物料中的碳素形態變化能表征堆肥的腐熟程度。堆肥過程中約有2/3的TOC被微生物分解完全，1/3的TOC分解不完全，其產物用于新陳代謝。前期微生物分解OM為自身生長提供營養，后期腐殖化作用增加，合成穩定的腐殖質，堆肥產品品質得以提高[24]。WSOC和NDSOC是能被生命體直接利用的碳源，是微生物在分解物料中的LIG、HEM和CEL等組分的中間產物[4]。堆肥過程中，WSOC和NDSOC總量呈現先降低后升高，之后逐漸降低的趨勢，前期微生物的生長消耗了大量的可溶性有機物，導致總量降低，微生物適應環境之后開始分解堆體中的有機質，包括HEM和CEL以及一部分NDSOC，產生了大量的WSOC，同時菌體自身的衰亡補充了部分NDSOC的損失，導致NDSOC含量變化幅度較小。隨著堆肥的進行，HEM和CEL的降解速率先后降低，降解率趨于穩定，同時微生物開始降解LIG，WSOC一邊消耗一邊產生，總量呈現小幅度上升趨勢，由于堆肥進入腐熟期，微生物活性降低，大量衰亡菌體導致NDSOC含量上升。碳素總損失量為10.88%，可認為堆肥物料減量較少，堆肥品質較高。

2.4? 堆肥過程中碳素形態與堆肥品質相關性分析

肥料品質指標與碳素形態變化的相關性指標見表3。從表3可以看出，TOC與總養分、OM、C/N呈極顯著相關，說明碳素影響了堆肥產品的品質。而碳素組成中，可溶解部分WSOC和NDSOC與品質指標沒有明顯相關性，相反不溶部分LIG、HEM和CEL與總養分、OM、C/N呈現顯著相關性，說明不溶的大分子物質降解為易被微生物利用的小分子物質是堆肥品質提高的關鍵，而TOC的損失會顯著降低產品的品質。總之，堆肥化過程就是一個難降解物質轉化為易被微生物利用的物質，同時減少物質損失的過程，碳素形態的動態變化在這個過程中起到了決定性的作用。

2.5? 堆肥在柑橘園區的施用效果研究

柑橘的品質和產量是決定其經濟效益的決定性因素[29]。農業廢棄物發酵有機肥在柑橘種植園的應用效果如表4所示，主要考察施用有機肥對柑橘果實品質和產量兩方面的影響。A、B、C組中維生素C、可溶性固形物、總糖含量都高于不施用有機肥的P組，而可滴定酸含量都低于P組，說明本研究所得有機肥可以提高柑橘品質。同時，在施用有機肥的A、B、C組中，B組中維生素C、總糖含量最高，可滴定酸含量最低，C組中可溶性固形物含量最高，說明B、C組品質高于A組。B組的固酸比和糖酸比都高于C組，這說明B組柑橘的綜合品質高于C組。在柑橘產量方面，A、B、C組均高于P組，其中B組最高， 其相對于P組的增加率為17.76%，這說明施用本研究所得有機肥對柑橘增產效果明顯。施用量為2.0 kg/m2時，柑橘品質最優且增產量最大。

3? 小結

1）堆肥過程中，高溫期持續時間36 d，最終pH 8.11，最終含水率25.17%，堆肥40 d時，C/N降為12.86，T為0.52，符合國家對堆肥進程的要求。

2）所得肥料品質中，OM最終含量為52.34%，總養分最終含量為5.41%，有效活菌數為9.6×108 CFU/g，大腸桿菌值為35 CFU/g，蛔蟲卵死亡率98%，最終發芽指數為93.09%，符合NY 884-2012對生物有機肥的要求。

3）堆肥前期，微生物的生長消耗了大量的可溶性有機物，致使WSOC和NDSOC總量降低，微生物適應之后開始分解包括HEM、CEL以及一部分NDSOC在內的有機質，產生了大量的WSOC，同時菌體自身的衰亡補充了部分NDSOC的損失，導致NDSOC含量變化幅度較小。隨著HEM和CEL的降解趨于穩定，微生物開始降解LIG，WSOC一邊消耗一邊產生，總量呈現小幅度上升趨勢，堆肥后期，大量衰亡菌體導致NDSOC含量上升。

4）碳素中不溶組分LIG、HEM和CEL與總養分、OM、C/N呈現顯著相關性，不溶的大分子物質降解為易被微生物利用的小分子物質是生物有機肥品質提升的關鍵，而TOC的損失會顯著降低產品的品質。碳素形態的動態變化在堆肥進程中起到了至關重要的作用。

5）施用本研究所得有機肥可以提高柑橘品質和產量，施用量為2.0 kg/m2時，柑橘品質最優且增產量最大。

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收稿日期：2019-04-25

基金項目：國家青年自然科學基金項目（51608505）;滴流床生成雙氧水及電-Fenton降解水中殘留農藥研究項目

作者簡介：廖? 磊（1986-），男，重慶人，助理工程師，主要從事環境監測分析工作，（電話）13708387807（電子信箱）187148606@qq.com;

通信作者，周月明（1986-），女，吉林吉林人，博士，主要從事環境微生物技術及固體廢棄物處理處置的研究，（電話）18623633600

（電子信箱）zhouyueming@cigit.ac.cn。