不同濕度葡萄冬剪廢棄物堆肥效果研究

商佳胤，李凱，王丹，蘇宏，張鶴，田淑芬，董永

（1.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，天津 300192；2.天津農(nóng)學(xué)院 300384；3.天津雙街農(nóng)業(yè)科技有限公司，天津 300403）

近幾年，隨著我國葡萄產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，葡萄園修剪廢棄物的無害化處理顯得越來越重要。果樹修剪枝條亂堆、亂放不僅會(huì)導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，還會(huì)引起病蟲害傳播和火災(zāi)隱患[1]，而直接焚燒處理會(huì)加劇空氣污染[2]。根據(jù)本課題組前期的研究，不同葡萄品種和種植模式在豐產(chǎn)期每667 m2每年可以產(chǎn)生110～170 kg冬季修剪廢棄物，如果采用隨意丟棄甚至焚燒的方式，會(huì)給葡萄園及周圍環(huán)境造成極大的負(fù)面影響。作為果園廢棄物，葡萄枝條中含有豐富的生物質(zhì)能源[3]、有機(jī)活性物質(zhì)[4-5]和無機(jī)元素[6-7]，枝條還田可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，降低化肥的施用量，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[8-10]，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效應(yīng)[8]。

前人針對(duì)發(fā)酵菌劑、堆肥物料、堆肥溫度對(duì)堆肥效果的影響開展了諸多研究。報(bào)道中發(fā)現(xiàn)，在堆肥過程中添加有機(jī)物或微生物菌劑能提高碳源的利用率，通過改變堆肥過程中生物酶活性以及微生物功能多樣性，了解堆肥腐熟程度有著非常重要的價(jià)值[11-12]。添加畜禽糞便可以改善堆肥環(huán)境，提高堆肥效率和后期還田肥力[13-15]，堆肥積溫則與堆肥進(jìn)程的腐熟度有關(guān)[16]。因此，研究堆肥過程中溫度、營養(yǎng)成分以及各種酶活性的變化對(duì)于了解堆肥效果有非常重要的價(jià)值。

調(diào)節(jié)堆肥初始含水量是最簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的改善發(fā)酵環(huán)境的方法，但是前人關(guān)于水分對(duì)葡萄枝條的堆肥效果以及對(duì)于堆肥進(jìn)程相關(guān)營養(yǎng)和酶活性指標(biāo)研究還比較少。因此，設(shè)計(jì)不同的初始補(bǔ)水處理方法，希望獲得處理葡萄冬季修剪廢棄物堆肥最佳、最經(jīng)濟(jì)的水分補(bǔ)充方案。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年1月至5月在天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新基地和天津雙街農(nóng)業(yè)科技有限公司基地進(jìn)行。葡萄冬季修剪廢棄物為天津雙街農(nóng)業(yè)科技有限公司基地設(shè)施種植的5年生‘夏黑’葡萄。冬季修剪后，使用大型園林枝干破碎機(jī)進(jìn)行枝條粉碎，然后在天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新基地進(jìn)行堆肥試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，每個(gè)堆肥葡萄枝條質(zhì)量為10 kg，按照堆肥質(zhì)量的5%、10%、15%、20%、25%補(bǔ)水，然后混拌。每個(gè)處理3次重復(fù)，以不補(bǔ)水為對(duì)照（CK）。

1.2 試驗(yàn)管理及取樣

根據(jù)溫度變化，堆肥開始后前2周，每周翻1次堆，保證堆溫不超過70 ℃。使用“杭州路格科技有限公司”生產(chǎn)的溫濕度記錄儀全天記錄堆體多點(diǎn)溫度，記錄間隔為1 h，每個(gè)處理設(shè)置2個(gè)探頭，以其算術(shù)平均值描述堆體溫度的變化。堆肥周期為75 d，其中在堆肥過程中分別在第15天和第75天各采樣一次。采樣方式為五點(diǎn)采樣法，即在中心及四角部位采集樣品共約200 g，采樣點(diǎn)為堆體表面以下20～30 cm處。將采集的新鮮樣品放于室內(nèi)風(fēng)干粉碎后用于測(cè)定各指標(biāo)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

總有機(jī)碳采用有機(jī)肥料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY 525—2002）中規(guī)定的方法測(cè)定；全氮使用GB 7173—87d半微量開氏法測(cè)定；C/N采用總有機(jī)碳與全氮的值進(jìn)行計(jì)算；全磷含量采用試劑盒比色法測(cè)定；全鉀含量采用GB 9836—88：土壤全鉀測(cè)定法測(cè)定；蛋白酶、脲酶、纖維素酶、硝酸還原酶、蔗糖酶均采用酶聯(lián)免疫吸附法測(cè)定（ELISA）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用SPSS 24.0進(jìn)行單因素的方差分析，使用T-best法進(jìn)行顯著性分析，使用皮爾遜雙變量法進(jìn)行相關(guān)性分析；使用Excel 2007進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理堆肥過程中溫度的變化

溫度是影響微生物生長(zhǎng)與繁殖的最顯著因子，也是堆肥過程控制中的最重要物理參數(shù)之一。高溫可殺死病原菌，且在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)有助于降解有機(jī)質(zhì)。因此，堆體溫度的高低決定堆肥速度。從圖1中可以看出，所有處理堆肥的溫度變化趨勢(shì)基本一致，經(jīng)歷迅速升溫階段、高溫階段和后熟降溫階段。補(bǔ)水處理分別在11、12、13、11、12 d溫度升到50 ℃以上，可見補(bǔ)水處理對(duì)于堆肥達(dá)到高溫的時(shí)間影響不大。在達(dá)到高溫維持天數(shù)和堆肥最高溫方面，W5%處理為8 d，最高溫為55.31 ℃，出現(xiàn)在第17天；W10%處理為7 d，最高溫為59.33 ℃，出現(xiàn)在第14天；W15%為11 d，最高溫為63.35 ℃，出現(xiàn)在第14天；W20%為9 d，最高溫為61.27 ℃，出現(xiàn)在第14天；W25%為7 d，最高溫為59.65 ℃，出現(xiàn)在第13天；對(duì)照為8 d，最高溫為56.89 ℃，出現(xiàn)在第12天。可見，5個(gè)處理和對(duì)照的堆肥溫度最高溫出現(xiàn)的時(shí)間差異不大，基本都在第11天以后出現(xiàn)，但是堆肥高溫維持時(shí)間差異顯著，表現(xiàn)為W15%處理最高溫及維持時(shí)間高于其它處理。

圖1 不同補(bǔ)水處理堆肥過程中溫度的變化Figure 1 Dynamics of temperature during the composting in different treatments

2.2 不同處理堆肥日平均積溫

由從圖2中可以看出，0～25 d時(shí)，W15%的積溫最高，為1131.78 ℃，顯著高于其它處理，各處理間差異不明顯，可見，提高堆肥濕度可以提高堆肥前期溫度。在26～50 d時(shí)，各處理間以及處理和對(duì)照間均無顯著差異；在51～75 d時(shí)，高水分處理（W20%和W25%）的積溫顯著高于低水分處理。從總的積溫可以看出，W15%（2609.38 ℃）積溫顯著高于其它處理，W5%和W10%與對(duì)照的差異不顯著，但是高含水量處理W20%和W25%則顯著低于對(duì)照。

圖2 不同處理的堆肥積溫Figure 2 Cumulative temperatures of composts with different treatments

2.3 含水量對(duì)修剪廢棄物堆肥的理化指標(biāo)影響

在整個(gè)堆肥過程中，碳作為堆料中各種微生物優(yōu)先利用的能源物質(zhì)，被微生物不斷分解利用并以CO2和H2O的形式揮發(fā)。由表1可以看出，堆肥后15 d，所有處理在總有機(jī)碳含量較初值的40.50%均有顯著降低，全氮含量較初值的0.76%有所上升，C/N則較初值（53.29%）顯著下降；5個(gè)處理的總有機(jī)碳、全氮、C/N和全鉀與對(duì)照相比均無顯著差異；W5%和對(duì)照在全磷含量無顯著差異，但是均顯著高于另外4個(gè)處理。堆肥75 d時(shí)，各處理和對(duì)照的總有機(jī)碳含量較堆肥15 d時(shí)均有一定程度地下降，分別降低24.37%、22.89%、29.15%、29.81%、31.79%和20.21%，可見增加枝條堆肥初始的含水量，對(duì)于碳的轉(zhuǎn)化均有一定提升作用。與此同時(shí)，堆肥75 d與堆肥15 d相比，5個(gè)處理的全氮含量則有升有降，無明顯規(guī)律；在衡量堆肥效果主要指標(biāo)碳氮比方面，隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)，其碳氮比均明顯下降，分別降低27.23%、25.03%、25.42%、26.02%、22.05%和9.17%。有研究認(rèn)為[16-18]，當(dāng)T（終點(diǎn)C/N與初始C/N的比）值小于0.6時(shí)，表示堆肥已達(dá)腐熟，說明在堆肥過程中，C/N較初值下降速率越快，其堆肥腐熟越快。在堆肥過程中全磷在處理間無明顯得規(guī)律；全鉀則表現(xiàn)為初始含水量高的處理（10%、15%、20%、25%）顯著高于低含量處理W5%和對(duì)照。

表1 不同處理堆肥的營養(yǎng)指標(biāo)變化Table 1 Changes of nutrient indexes in compost with different treatments

2.4 含水量對(duì)修剪廢棄物堆肥活性酶的影響

由表2可以看出，各處理在堆肥過程中的5種酶活性基本表現(xiàn)出15 d高于75 d的結(jié)果。但是，不同處理的酶活性存在一定的差異，其中蛋白酶、硝酸還原酶和蔗糖酶在堆肥15 d和75 d無明顯趨勢(shì)；脲酶和纖維素酶在堆肥15 d和75 d表現(xiàn)為初始含水量高的處理（10%、15%、20%、25%）其活性顯著高于W5%和對(duì)照。在堆肥75 d時(shí)，含水量最高的2個(gè)處理其酶活性顯著高于其它處理和對(duì)照。

表2 不同處理堆肥的活性酶變化Table 2 Changes of active enzymes in different composting treatments

2.5 含水量對(duì)堆肥指標(biāo)影響的相關(guān)性分析

總有機(jī)碳、全氮和C/N，以及蛋白酶和脲酶等是堆肥進(jìn)程的重要指標(biāo)。通過對(duì)10個(gè)枝條腐熟指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（表3），在主要營養(yǎng)成分方面，總有機(jī)碳與C/N呈極顯著相關(guān)性，與全磷和蔗糖酶呈顯著相關(guān)性。C/N、全磷和全鉀與其它各指標(biāo)均無顯著相關(guān)性。對(duì)于5個(gè)酶活性的分析發(fā)現(xiàn)，蛋白酶與其它各指標(biāo)均無顯著相關(guān)性；纖維素酶與脲酶和硝酸還原酶呈極顯著相關(guān)；蔗糖酶與總有機(jī)碳呈顯著相關(guān)性。

表3 不同處理堆肥指標(biāo)影響的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of different composting indexes

3 討論與結(jié)論

果樹枝條中含有大量的纖維素和木質(zhì)素，許多研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)纖維素和木質(zhì)纖維素的降解可限制堆肥腐熟進(jìn)程[19]。本研究結(jié)果顯示，補(bǔ)充水分不會(huì)影響堆肥達(dá)到高溫的時(shí)間，但是W15%最高溫、高溫維持時(shí)間和總積溫高于其它處理和對(duì)照，說明該處理為堆肥創(chuàng)造的高溫環(huán)境效果更好；水分含量≥20%時(shí)，會(huì)影響堆肥的總積溫。

碳氮比是重要的堆肥進(jìn)程指標(biāo)，碳氮比的高低影響堆肥的進(jìn)程。有研究表明[20]，C/N低，有機(jī)質(zhì)降解強(qiáng)度小，溫度上升迅速，高溫期及堆肥周期短，積溫低；C/N高，有機(jī)質(zhì)降解強(qiáng)度大，微生物分解速度緩慢，溫度上升慢，高溫期及堆肥周期長(zhǎng)，積溫高。因此，總有機(jī)碳、全氮和C/N會(huì)間接影響堆肥的溫度，直接影響堆肥效果。從本研究結(jié)果看，補(bǔ)充水分可以提高碳的轉(zhuǎn)化效率；同時(shí)，初始含水量高（＞5%）的處理堆肥后其全鉀的含量較高。

堆肥的肥化過程是在一系列酶的作用下，把大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成對(duì)環(huán)境無害、對(duì)作物安全的生物化學(xué)過程[19,21]。本研究也表明，在堆肥溫度較高的15 d時(shí)，測(cè)定的5種酶活性普遍高于溫度下降后的75 d；初始含水量高的處理，其脲酶和纖維素酶活性更高。相關(guān)性方面，蔗糖酶與總有機(jī)碳呈顯著的相關(guān)性，而纖維素酶與脲酶和硝酸還原酶呈極顯著的相關(guān)性。綜上所述，在堆肥初始階段，補(bǔ)充堆肥質(zhì)量的15%的水分效果最佳。