不同堆肥材料及其碳氮比對餐廚廢棄物堆肥進程中養分及微生物的影響

游宏建, 張美君，安明遠,申佳麗，曹云娥

(寧夏大學農學院，銀川 750000)

【研究意義】隨著當今社會的快速發展，人們經濟水平的提高，隨之而來的餐廚垃圾逐年增加。我國一些城市餐廚廢物在生活垃圾中占比為：北京 37%、天津 54%、上海 59%、沈陽 62%、深圳 57%、廣州 57%、濟南 41%[1-2]。2017 年，我國餐廚廢棄物總量達到 9900萬t[3]。如果餐廚廢棄物沒有可行的處理方式，就會影響城市環境，污染水資源、甚至污染人體健康[4]。因此，餐廚垃圾的無公害處理已經成為一個世界性問題。鑒于餐廚廢棄物具有高度資源性和嚴重污染性的雙重特點[5]，如何環無公害的處置餐廚廢棄物,一直都是研究的重點[6]。【前人研究進展】研究發現，通過堆肥腐熟的過程可以將餐廚廢棄物充分腐熟，將餐廚廢棄物轉化為有機肥料，達到回收利用水平[7-8]。影響堆肥腐熟進程的因素一般分為環境條件(溫度、含水率、pH、EC等)和物料特性(C/N比、養分含量、顆粒大小、孔隙度等)[9-11]。其中，堆肥物料C/N比會直接影響微生物代謝過程，也是影響堆肥產品質量的關鍵因素[12]。一般研究認為，堆肥過程中微生物生長發育最佳C/N比是20～35。比值過高，氮素不足，導致微生物的活動受到限制；比值過低，氮素不足，多余的氮素以NH3或者滲濾液的形式損失[13]。目前，關于不同材料對堆肥腐熟程度和堆肥品質的影響已有相關研究。趙建榮等[14]研究發現，以雞糞、小麥秸稈為原料，C/N比25時堆肥腐熟程度和養分較高。Zhou等[15]以豬糞、食用菌渣和米糠為原料，研究得出C/N比20～25時對氮素損失小，堆肥品質高。陳雅娟[16]等研究發現，C/N比25時對雞糞中碳素和氮素的轉化最優。【本研究切入點】目前對于不同C/N比和材料聯合堆肥相關研究較少，因此本試驗通過設置不同的碳氮比，添加木屑和秸稈聯合堆肥，測定堆肥過程中的各個堆肥指標的變化過程，利用種子發芽試驗驗證堆肥的腐熟程度。【擬解決的關鍵問題】探索餐廚廢棄物堆肥在設施園藝栽培中的應用價值提供依據，同時對于實現餐廚垃圾資源合理化利用和無污染處理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

堆肥材料采用餐廚廢棄物、玉米秸稈、木屑，分別由銀川市寶綠特公司、寧夏萬輝生物科技有限公司和銀川園林場地提供，玉米秸稈未作任何處理，木屑用粉粹機粉粹成5 cm左右的碎屑(表1)。

表1 各種原材料的基本養分含量

1.2 實驗裝置

堆肥試驗在寧夏回族自治區園林廠進行，位于中國季風區的西緣，夏季受東南季風影響，時間短，降水少，7月最熱，平均氣溫24 ℃；冬季受西北季風影響大，時間長，氣溫變化起伏大，1月最冷，平均氣溫-9 ℃，全區年降水量在150～600 mm。

1.3 實驗方法

本試驗采用戶外堆置的方式進行，試驗周期為100 d。選擇餐廚廢棄物、木屑和秸稈為試驗材料，根據不同的碳氮比(20∶1、25∶1、30∶1)，將3種堆肥材料單一或混合配用，T1餐廚廢棄物(3.85 t)+木屑(0.54 t)，碳氮比20∶1；T2餐廚廢棄物(3.3 t)+木屑(0.8 t)，碳氮比25∶1；T3餐廚廢棄物(2.8 t)+木屑(1.04 t)，碳氮比30∶1；T4餐廚廢棄物(3.9 t)+玉米秸稈(0.48 t)，碳氮比20∶1；T5餐廚廢棄物(3.5 t)+玉米秸稈(0.69 t)，碳氮比25∶1；T6餐廚廢棄物(2.8 t)+木屑(0.93 t)，碳氮比30∶1。最后將腐熟好的餐廚廢棄物，取浸提液8 mL，置于墊有濾紙的培養皿中，取20粒小白菜種子，放在20 ℃的光照培養箱中，并且在黑暗條件下進行培養，48 h后測定其發芽率。

1.4 分析方法

在翻堆初期和翻堆時進行取樣，分別在堆體四邊和中心處，取150 g，然后將樣品混勻，分為兩份。一份自然風干后，經研磨過0.5 cm篩后，另一份4 ℃冰箱保存。

測定項目包括堆肥的溫度、含水量、pH、速效養分、全效養分、有機質、土壤酶活性及其微生物，最后在發芽試驗中測定土壤堆肥過程中的種子的發芽指數。5 d測定1次溫度，五點法取平均值，其余的指標均20 d采一次樣；含水量采用烘干質量法測定；速氮、全氮采用凱氏定氮儀進行測定；速磷、全磷采用鉬銻抗比色法測定；速鉀、全鉀采用0.5 mol/L NaHCO3浸提——火焰光度法測定，有機質采用丘林法進行測定；纖維素酶和蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定，過氧化氫酶采用高錳酸鉀比色法測定，脲酶采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法進行測定。

微生物培養采用平板菌落計數法，細菌采用LB營養瓊脂培養基，真菌采用孟加拉紅培養基，放線菌采用高氏1號培養基，將堆肥菌液劃線于細菌培養基、放線菌培養基和真菌培養基上，前兩者30 ℃倒置培養3 d，后者28 ℃倒置培養6 d。其中，每克堆肥樣品中含有的活菌數(CFU/g)=(菌落平均數×稀釋倍數)/接種量(mL)×(1-樣品含水量)。

1.5 數據分析

采用Excel 2019對數據進行整理與統計，采用Origin 2018進行作圖，并用SPSS 26.0進行單因素方差分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中溫度和含水量的變化

由圖1-a可知，所有處理的土壤溫度都是呈現先上升，達到溫度最高點后逐漸平緩，然后快速下降，最后趨于環境溫度。T1、T4、T5、T6均在5 d就達到高溫期，分別為63、63、66、70 ℃，T2和T3則在20 d左右達到高溫期，分別為72、58 ℃，隨后所有處理達到最高溫度后趨于平緩，在85～90 d的時候迅速進入降溫期，在10～15 d左右堆肥溫度和環境溫度趨于一致。

從圖1-b可知，由于初期餐廚廢棄物含有大量的水分，T1～T6的堆肥初期的含水量均在63%左右，但是隨著堆肥的進行，堆肥含水量迅速下降，直到堆肥末期，所有處理的含水量均降至5%以下，分別為4.56%、4.97%、4.24%、3.53%、5.28%、3.81%。

圖1 堆肥過程中溫度(a)和含水量(b)的變化Fig.1 Changes of compost temperature (a) and moisture content (b) during composting

2.2 堆肥過程中堆肥電導率(EC)和pH的變化

由圖2-a可知，堆肥初期，所有處理的電導率均較高，其中T6值最高，達到5.24 mS/cm，是由于堆肥初期餐廚廢棄物的高鹽分所導致。美國農業部標準規定堆肥結束后 EC 值需≤4.3 mS/cm， 否則即為高含鹽堆肥，會對植物的生長造成危害，到堆肥末期，T1～T6的電導率(EC)均在4 mS/cm以下，符合標準。

圖2 堆肥過程中EC(a)和pH(b)的變化Fig.2 Changes of EC(a) and pH(b) during composting

由圖2-b可知，堆肥初期所有處理的pH都較低，其中T1的pH最低，為5.69，T5最高，為7.11，均呈現弱酸性，隨著堆肥的進行，微生物活動，分解含氮的有機質而產生氨，導致pH的升高，最后pH穩定在8左右，呈現弱堿性。

2.3 堆肥過程中全效、速效養分的變化

從圖3-a～圖3-c可知，速效氮在堆肥初期含量較低，均在10 mg/kg以下，T1含量最低，為2.24 mg/kg，T4含量最高，為7.75 mg/kg。隨著堆肥的進行，在40 d的時候，速效氮的含量劇烈上升，其中T1、T2、T3在60 d的時候達到最高點，速效氮的含量分別為100.52、68.81、73.36 mg/kg，然后在60 d之后慢慢下降；T4、T5、T6在80 d的時候達到峰值，含量分別為120.96、118.16、104.16 mg/kg，之后，在后20 d含量逐漸下降。速效磷在堆肥前中期，變化較穩定，呈上升趨勢，在后期逐漸下降。T1、T2分別在100和40 d的時候達到最大值，分別為59.98、60.14 mg/kg；T3、T4、T5、T6則在60 d達到最大值，分別為60.66、53.70、52.25、60.18 mg/kg。速效鉀與速效氮和速效磷呈現類似趨勢，在80 d的時候達到最大值，隨后降低。其中，T1～T6的最大值分別為345.17、355.71、337.26、370.22、372.86、378.13 mg/kg。

從圖3-d～圖3-f可知，其中全氮在堆肥20 d時，T1、T2、T3呈下降趨勢，T4、T5、T6呈上升趨勢，并達到最大值，分別為17.00%、9.06%、9.86%，然后所有處理均呈下降趨勢，到80 d的時候達到最低值，T1～T6分別為0.63%、0.85%、0.88%、1.83%、1.64%、1.96%，隨后又逐漸上升。在全磷的變化曲線中，T1、T2、T3在堆肥前60 d呈上升趨勢，并達到最大值，分別為2.53%、3.05%、3.23%，隨后逐漸降低。T4、T5、T6的變化曲線與前3個處理不同，在堆肥前期呈上升狀態，并在20 d時達到最大值，分別為5.16%、4.78%、6.34%，然后再20～40 d降低，隨后在40～80 d有呈現上升趨勢，隨之下降，到100 d趨于穩定，T1～T6分別為1.80%、1.51%、1.52%、1.82%、2.16%、1.68%。全鉀呈現于全氮、全磷不同的趨勢，其中，T1、T2、T3堆肥前20 d呈上升趨勢，隨后降低，到60 d達到較低值，60～80 d緩慢上升，在80～100 d劇烈上升，達到峰值，分別為26.83%、28.73%、22.72%，T4、T5、T6在堆肥前60 d呈下降趨勢，并達到最低值，分別為6.26%、5.31%、6.58%，隨后劇烈上升，達到峰值，分別為31.26%、27.15%、33.79%。

圖3 堆肥過程中速效養分(a、b、c)和全效養分(d、e、f)的變化Fig.3 Changes of available and total nutrients during composting

2.4 堆肥過程中有機質的變化

由圖4可知，有機質的含量呈現總體下降的趨勢，在堆肥0～40 d，有機質含量緩慢下降，40～60 d含量劇烈增加，并達到最大值，其中，T1～T6有機質含量分別為224.26%、251.88%、254.05%、275.15%、216.81%、247.22%，達到最大值之后持續下降，100 d時T1～T6有機質含量分別為73.65%、65.99%、67.85%、80.89%、75.71%、94.31%，從60 d最高值到堆肥結束，有機質損失率達到67.19%、73.81%、73.29%、70.60%、65.17%、61.85%。

圖4 堆肥過程中堆肥有機質的變化Fig.4 Changes of organic matter during composting

2.5 堆肥過程中酶活性變化

由圖5-a可知，過氧化氫酶的含量呈現總體下降的趨勢，在堆肥20 d時，T4、T5達到峰值，分別為4.63、3.75 mg/(g·h)，40 d時，T1、T2、T3、T6達到峰值，分別為3.30、3.25、3.33、5.09 mg/(g·h)，隨著堆肥時間的延長，含量逐漸下降，100 d基本均已達到最小值，T1～T6的過氧化氫酶的含量分別為0.46、0.43、0.45、0.42、0.47、0.44 mg/(g·h)。

圖5 堆肥過程中酶活性的變化Fig.5 Changes of enzyme activity during composting

由圖5-b可知，蔗糖酶的含量有呈總體下降的趨勢，在堆肥初期，T3、T4、T5含量均已達到峰值，分別為8243.00、8445.72、5844.36 mg/(g·h)，20 d時，T1、T2、T6達到峰值，為9129.00、6666.44、7688.95 mg/(g·h)，隨后降低，100 d時達到最低值，T1～T6的蔗糖酶的含量分別為207.50、273.13、330.20、402.06、336.95、372.09 mg/(g·h)。

由圖5-c可知，堆肥中脲酶總體呈現出先上升，然后下降，再上升的趨勢，20 d時，T6達到峰值，為220.94 mg/(g·h)，40 d時，T1～T5達到峰值，分別為485.42、433.88、489.82、362.77、397.13 mg/(g·h)，60 d時，T4、T6達到最低值，為32.36、21.58 mg/(g·h)，T1、T2、T3、T5達到最低值分別為23.93、38.35、13.58、7.49 mg/(g·h)，隨后逐漸上升。

由圖5-d可知，堆肥中纖維素酶總體呈現下降趨勢，T1、T2、T3在初始時達到峰值，為7.20、7.92、4.69 mg/(g·h)，20 d時，T4、T5、達到峰值，為7.02、7.57 mg/(g·h)，T6在60 d時達到峰值，為4.92 mg/(g·h)。

2.6 堆肥過程中微生物數量的變化

由圖6-a可知，堆肥中細菌總體趨勢為先上升，后下降，隨后又上升的趨勢。T1在堆肥40 d達到峰值，為27.33×108CFU/g，T2～T6均在60 d時達到峰值，分別為23.36×108CFU/g、26.03×108、27.84×108、29.28×108、29.45×108CFU/g，然后60～80 d時迅速下降，80～100 d又呈現上升趨勢。

圖6 堆肥過程中細菌(a)、真菌(b)和放線菌(c)的變化Fig.6 Microbial changes during composting

由圖6-b可知，堆肥過程中真菌總體呈上升趨勢，除了T2在堆肥0～20 d呈上升趨勢外，其余處理均是下降趨勢，T1在60 d達到峰值，為2.91×108CFU/g，其余處理盡在堆肥末期達到峰值，T2～T6的真菌數量分別為2.00×108、1.67×108、4.67×108、2.00×108、7.33×108CFU/g。

由圖6-c可知，堆肥過程中放線菌總體趨勢呈下降趨勢。在堆肥0～20 d時，T3、T5呈現下降趨勢，其余處理均呈現上升趨勢，在60 d時均達到峰值，T1～T6分別為25.50×108、16.01×108、28.17×108、27.06×108、26.05×108、26.37×108CFU/g，隨后降低，在100 d時均呈現最低值，T1～T6分別為2×108、8.33×108、4.67×108、2.33×108、3×108、4.33×108CFU/g。

2.7 堆肥過程中腐熟土壤種子發芽指數的變化

由圖7可知，堆肥過程中種子發芽指數(GI)總體呈現上升趨勢，最低值均出現在堆肥前期，也就是餐廚廢棄物未腐熟時，T1～T6分別為22.01%、15.30%、11.02%、24.57%、34.79%、23.76%，隨著堆肥時間的延長，種子發芽指數不斷提高，所有處理的種子發芽指數均在80或100 d達到峰值，T1～T6分別為166.52%、120.32%、87.56%、124.79%、136%、144.05%。種子發芽指數的不斷提高，說明餐廚廢棄物已經完全腐熟，已經達到可以再利用水平。

圖7 堆肥過程中腐熟土壤種子發芽指數的變化Fig.7 Changes in seed germination index of mature soil during composting

2.8 各堆肥腐熟指標之間相關性分析

由表2可得，pH與纖維素酶、種子發芽指數負相關(P<0.05)，相關性為-0.859、-0.817；速磷與放線菌負相關(P<0.05)，相關性為-0.842，與細菌顯著相關(P<0.01)，相關性-0.984；速鉀與過氧化氫酶、脲酶、真菌相關(P<0.05)，相關性為0.838、-0.824、0.821；全磷與真菌相關(P<0.05)，相關性為0.901，與過氧化氫酶、脲酶顯著相關(P<0.01)，相關性為0.962、-0.99；全鉀與真菌相關(P<0.05)，相關性為0.849，與過氧化氫酶、脲酶顯著相關(P<0.01)，相關性為0.946、-0.90；有機質與過氧化氫酶、脲酶顯著相關(P<0.01)，相關性為0.951、-0.973。

表2 各堆肥腐熟指標之間的相關性分析

2.9 各腐熟指標的主成分分析(PCA)

將具有相關性的指標，pH、速磷、速鉀、全磷、全鉀、有機質、過氧化氫酶、脲酶、纖維素酶、放線菌、細菌、真菌、種子發芽指數進行主成分分析(PCA)，自動擬合出3個主成分。從表3可以看出，擬合的3個主成分累計貢獻率為94.22%，可以反映處理的主要信息。

表3 堆肥腐熟指標主成分的特征值及貢獻率

將擬合好的數據代入進行計算，主成分得分計算公式如下：

F1=-0.27X1-0.17X2+0.3X3+0.35X4+0.33X5+0.33X6+0.34X7-0.35X8+0.26X9+0.1X10+0.16X11+0.32X12+0.12X13

F2=-0.29X1+0.47X2+0.2X3-0.03X4+0.04X5-0.13X6-0.05X7-0.02X8+0.27X9-0.42X10-0.48X11+0.05X12+0.38X13

F3=-0.35X1-0.21X2-0.18X3-0.03X4-0.27X5-0.19X6-0.174X7-0.15X8+0.11X9+0.51X10+0.08X11+0.08X12+0.6X13

F=W1F1+W2F2+W3F3

經過計算，各處理得分情況如表4所示，T6腐熟后效果最好，排序結果為T6>T4>T5>T1>T2>T3。

表4 堆肥腐熟指標的主成分分析及得分情況

3 討 論

3.1 餐廚廢棄物腐熟過程中理化性質的變化

腐熟溫度的變化和腐熟過程中與微生物有一定的相關性，并且微生物會影響有機物的分解速率，是堆肥成功與否的重要指標[16]。含水率堆肥末期含水量均降至6%以下，值得注意的是，中C/N比處理的含水率至末期均最高，可能是因為中C/N比最有利于微生物繁殖，從而導致堆肥含水率較高。

3.2 餐廚廢棄物腐熟過程中堆肥生化性質的變化

在餐廚廢棄物腐熟過程中，酶參與其生理生化變化，分析相關的酶活性，可以反映餐廚廢棄物腐熟的進程[23]。餐廚廢棄物中有機物的分解主要取決于過氧化氫酶的活性，本試驗中過氧化氫酶的濃度呈現下降趨勢，主要與堆肥的溫度密切相關。蔗糖酶的作用主要是分解堆肥過程中的一些蔗糖類物質[24]，由于本試驗各處理碳氮比不同，出現高溫的時間也不同，因此蔗糖酶的變化也不同，但是所有處理均呈現下降趨勢。脲酶屬于酰胺酶，與氮素密切相關，且只能水解尿素[25]，本試驗呈現上升、下降、再上升的趨勢，脲酶主要與嗜熱菌微生物數量多少有關，與溫度呈現負相關。纖維素酶是植物碳循環過程的關鍵酶，主要用于分解處理秸稈和木屑中的纖維素和木質素[26]，因此纖維素酶的活性直接影響本試驗的堆肥腐熟進程，本試驗中纖維素酶呈現下降趨勢，在初期，纖維素酶的喜低溫微生物含量多，因此前期活性較高，后期由于溫度的升高，喜低溫微生物被殺死，影響其活性。

有機質的含量是評價土壤肥力的重要指標，也是體現餐廚廢棄物堆肥腐熟后能否利用的關鍵。在本試驗中，有機質呈現先上升后下降趨勢，與溫度、pH、微生物活動都密切相關[27]，前期隨著溫度和pH的升高，微生物活動頻繁，有機質含量隨之升高，后期溫度下降，有機質含量隨之降低。

3.3 餐廚廢棄物腐熟過程中微生物的變化

微生物的活性與堆肥腐熟進程密切相關[28]。溫度、pH、EC、水分等都可能影響微生物的活性。本試驗中，細菌和放線菌呈下降趨勢，真菌相反，呈現上升趨勢。細菌在初期，由于堆肥溫度上升，嗜溫細菌死亡，嗜熱細菌增多，中后期溫度達到峰值，細菌數量減少，放線菌主要作用是分解纖維素和木質素[29]，前期木屑和秸稈較多，所以放線菌增多，后期由于纖維素和木質素的分解導致含量減少，因此放線菌減少。在堆肥腐熟過程中，嗜溫真菌占大多數[30]，隨著堆肥溫度的升高，嗜溫真菌減少，到堆肥后期，溫度下降，真菌增多。

3.4 餐廚廢棄物堆肥腐熟過程的綜合評價

堆肥水浸提液對植物種子的毒性試驗是檢驗堆肥腐熟度最有效、最精確的方法，一般可用種子發芽指數(GI)來測定。一般認為，GI<50%，可認為堆肥未腐熟，50%

4 結 論

(1)T6處理，餐廚廢棄物(2.8 t)+木屑(0.93 t)，碳氮比30∶1，經過主成分分析，得分最高，腐熟效果最好。

(2)餐廚廢棄物加木屑組合得分均高于餐廚廢棄物加玉米秸稈組合，另外，在相同的碳氮比下，結果一樣，也是餐廚廢棄物加木屑組合優于餐廚廢棄物加玉米秸稈組合，說明木屑堆肥腐熟效果好于玉米秸稈。

(3)各處理堆肥結束后，各項指標均符合有機肥行業標準(NY525—2012)，GI均高于80%，達到可利用水平。