優化蔬菜廢棄物和玉米秸稈配比對堆肥腐熟度的影響

項 娟，李 冰，吳 迪，李 妍

（天津市農業科學院 天津 300000）

中國既是蔬菜生產大國，又是蔬菜消費大國。根據國家統計局發布的數據，2021 年全國蔬菜種植面積約2 198.57 萬hm2，產量約7.75 億t[1]。由于蔬菜是時令產品，其生產、采摘、保鮮和貯存較難，蔬菜損失率在30%以上，在廚房加工過程中蔬菜的平均廢棄率為20.5%[2]。若將蔬菜產量與蔬菜廢棄物產生量（均為鮮質量）按1∶1 測算[3]，我國蔬菜廢棄物年產生量高達7 億t，占農作物秸稈總量的9.09%，而其中70%的蔬菜廢棄物未被利用[4]。蔬菜廢棄物若處置不當，會產生惡臭氣體、滋生蚊蠅、傳播疾病，對食品安全和人體健康產生巨大威脅，給生態環境帶來巨大壓力[5]。因此，蔬菜廢棄物的有效處理與處置已經成為亟待解決的重大問題。

好氧堆肥是好氧菌對有機物進行吸收、氧化及分解后轉變為腐殖質的過程，從而形成有機肥料，具有操作簡單、處理量大、殺滅病原菌等優點。目前蔬菜廢棄物資源化利用的方式主要有直接還田、飼料化、肥料化、基質化、能源化等[6]。我國對于蔬菜廢棄物的好氧堆肥工藝尚處于發展階段，蔬菜廢棄物碳氮比（C/N）低、含水率高、容重大、易腐爛變質，導致蔬菜廢棄物單獨堆肥效果不佳，另外蔬菜廢棄物種類繁多、性質差異大[7]，在實際生產中導致發酵不穩定。因此研究者提出通過添加畜禽糞便、水稻秸稈、雜草、花卉廢物等輔料，調節發酵物料的含水率、C/N 以及孔隙結構來提高堆肥質量[8]，但是關于生物量較大的玉米秸稈與氮、磷含量較高的瓜果類蔬菜廢棄物混合堆肥技術尚缺乏系統研究。筆者以瓜果類蔬菜廢棄物資源化利用為目標，采用好氧發酵的方式，監測堆肥過程中發酵指標和有機肥的養分變化，優化蔬菜廢棄物和玉米秸稈堆肥的配比，保證好氧發酵的穩定運行和發酵產品的質量，對推進蔬菜清潔生產、發展綠色循環農業、建設美麗鄉村具有非常重要的意義。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗所用黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈均采自天津市農業科學院武清創新基地秸稈站，黃瓜+番茄廢棄物主要包括黃瓜和番茄的藤蔓、爛黃瓜、爛番茄等。秸稈站將收取的黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈切割成3～5 cm 備用，堆肥裝置為200 L 發酵反應器，反應器底部和頂部設有通風口，為自然通風方式。試驗地點選擇在天津市農業科學院武清創新基地秸稈站，堆期為2021 年12 月5－30 日。黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈的理化性質見表1。

表1 原料的理化性質

1.2 試驗設計

以黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈為原料進行聯合好氧發酵，分別按照黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈體積比5∶0、4∶1、3∶2、2∶3、1∶4 均勻混合，且分別記為T1、T2、T3、T4、T5，每個處理設置3 個重復，添加自來水調節混合物料含水率均為65%左右，裝入發酵桶內進行好氧堆肥發酵。堆肥過程中每天同一時間用溫度計插入堆體表面下60 cm 處測定堆溫，分別于堆肥的第0、2、4、6、9、13、17、21、25 天采集樣品，從堆深10、60、120 cm 處3 點采樣求平均值。樣品分為1 式3 份，1 份約50 g 用于采樣當日測定含水率，1 份約200 g 鮮樣用于pH 值、電導率（EC）、銨態氮（NH4+-N）含量、硝態氮（NO3--N）含量、種子發芽指數（germination index，GI）的測量，另1份約200 g 自然風干后用于測定有機質、全氮（total nitrogen，TN）含量。

1.3 測定指標與方法

從不同配比堆肥中稱取30 g 鮮樣置于干燥箱（PH-140A，Blue Pard，上海）105 ℃的條件下烘干6 h 以上至恒質量，計算含水率。從不同配比堆肥中稱取20 g 堆肥鮮樣與去離子水按照1∶10（質量∶體積）混合，振蕩2.0 h，靜置0.5 h，離心過濾后取濾液用多參數分析儀（S470-K，METTLER TOLEDO，上海）測定pH 值、EC。取上述浸提液10 mL 加入置有濾紙的培養皿中，加入10 粒大小基本一致、飽滿的蘿卜種子，放入（25±2）℃的培養箱（PH-140A，Blue Pard，上海）中避光培養48 h，統計發芽率，測量主根長后計算發芽指數（GI）。以去離子水為對照，計算公式如下：

從不同配比堆肥中稱取5 g 新鮮樣品和2 mol·L-1的KCl 溶液按照1∶10（m/V）混合，置于水平搖床振蕩2 h 后，靜置0.5 h。離心過濾后使用連續流動分析儀（Auto Analyzer 3，Seal，德國）測定NH4+-N、NO3--N 含量。

有機質含量的測定參照標準 NY/T 525－2021[9]。具體步驟如下：取過1 mm 篩的風干試樣0.4 g 于500 mL 三角瓶中，加入0.8 mol·L-1重鉻酸鉀溶液50 mL 和硫酸（ρ=1.84 g·mL-1）50 mL，沸水水浴30 min，冷卻至室溫。將三角瓶內反應物無損轉入250 mL 容量瓶中，定容搖勻。取50 mL溶液和50 mL 水于三角瓶內，加2～3 滴鄰啡啰啉指示劑，用硫酸亞鐵標準溶液滴定，溶液由綠色變成暗綠色，再逐滴加入硫酸亞鐵溶液直至磚紅色，有機質含量以質量分數（w）表示，計算公式如下：。

式中：c為硫酸亞鐵標準溶液的濃度，單位為mol·L-1；V0為空白試驗時，消耗硫酸亞鐵標準溶液的體積，單位為mL；V為樣品測定時，消耗硫酸亞鐵標準溶液的體積，單位為mL；3 為四分之一碳原子的摩爾質量，單位為g·mol-1；1.724 為由有機碳換算為有機質的系數；m為風干樣質量，單位為g；X0為風干樣含水量，單位為%；D 為分取倍數，定容體積/分取體積，250/50。

采用自動定氮儀法并參照標準NY/T 2419—2013[10]測定TN 含量。

1.4 數據分析

使用Excel2013 進行數據整理，應用SPSS 22.0進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 堆體的溫度變化

由圖1 可以看出，整個堆肥過程中環境溫度保持在5～10 ℃，堆肥第1 天各處理的堆體溫度均有所上升并高于環境溫度。各處理溫度變化均符合典型堆肥的特征，經歷了升溫期、高溫期、降溫期和腐熟期4 個階段。T1～T5 處理分別于堆肥第5、11、3、2、1 天溫度上升至55 ℃以上，進入高溫期，高溫期分別持續了3、1、5、7、1 d。T1、T2 處理升溫較慢且高溫持續時間短，T5 處理升溫較快但持續時間短，僅有T3 組和T4 組堆體溫度大于55 ℃的持續時間不低于5 d，最高溫度分別達到了68.6 ℃和73.4 ℃。T1～T5 處理高溫期平均溫度分別為62.5、80.8、62.0、63.7、63.8 ℃，高溫期平均溫度大小依次為T2＞T5＞T4＞T1＞T3。

圖1 不同處理的堆體溫度變化

2.2 堆料含水率、pH值和EC的變化

由圖2 可以看出，5 個處理控制堆料起始含水率均在65%左右。各處理含水率均隨處理時間的延長呈現出先升高后降低的變化趨勢，分別于堆肥的第4、2、4、4、4 天達到含水率峰值65.5%、71.3%、72.2%、73.3%、68.1%。堆肥25 d 后，T3、T4 處理最終含水率高于其他各處理，T1～T5 處理含水率較初始值分別降低了15.1%、21.3%、5.2%、1.8%、24.0%，含水率下降程度從大到小依次為T5＞T2＞T1＞T3＞T4。

圖2 不同處理的含水率變化

由圖3 可以看出，隨著堆肥時間的延長，5 個處理的pH 值均呈先上升后趨于穩定的趨勢，至堆肥結束，5 個處理的最終pH 值分別為8.91、7.88、8.48、8.45、7.34，其中T1 處理pH 值上升幅度最大。

圖3 不同處理的pH 值變化

由圖4 可以看出，隨著堆肥時間的延長，5 個處理的EC 均先升高后緩慢下降。堆肥25 d 時，T1～T5 處 理EC 分 別 為4.14、4.07、2.75、2.20、2.37 mS·cm-1，T1、T2 處理的EC 差別不大，高于其他各處理。T3、T4 處理堆肥25 d 與堆肥0 d的EC 相比均有所降低，且低于3 mS·cm-1，而T1、T2、T5 處理的EC 均高于堆肥0 d。

圖4 不同處理的電導率變化

2.3 堆料無機態氮含量的變化

由圖5 和圖6 可以看出，各處理的堆肥0 d 時NH4+-N 含量遠大于NO3--N 含量，NH4+-N 含量變化隨處理時間延長均呈先升后降后趨于平衡的趨勢。堆肥前各處理NH4+-N 的含量依次為T1＞T2＞T3＞T4＞T5，T1～T5 處理分別于堆肥的第2、2、2、6、4 天達到NH4+-N 含量的峰值，分別為747.5、546.7、460.2、501.2、286.7 mg·kg-1。隨著堆體溫度降低、硝化細菌活性的恢復，堆體的NH4+-N 含量逐漸下降。堆肥后期有機物基本降解完成，NH4+-N 含量趨于穩定，與堆肥0 d 相比，T1～T5 處理的NH4+-N含量最終分別減少了61.3%、59.5%、75.5%、68.8%、26.7%。

圖5 不同處理的NH4+-N 含量變化

由圖6 可知，隨著堆肥初期堆體溫度和pH 值逐漸升高，硝化細菌的生長和活動受到抑制，T1～T5處理的NO3--N 含量均較低且變化不明顯，高溫期后NO3--N 含量快速增加，分別于堆肥第25、9、21、17、25 天達到NO3--N 含量峰值，分別為39.2、52.1、30.4、20.2、10.4 mg·kg-1。至堆肥結束NO3--N 的含量分別為39.2、48.6、26.3、18.9、10.4 mg·kg-1，分別為初始值的6.3、8.8、4.6、5.3、3.2 倍。

圖6 不同處理的NO3--N 含量變化

2.4 堆料有機質、TN含量和C/N的變化

由圖7-a 可以看出，5 個處理的有機質含量在整個堆肥過程中不斷下降。堆肥前期T1～T5 處理有機質含量下降速度較快，堆肥中后期降解速率緩慢直至平穩。堆肥25 d 時，T3、T4 處理的有機質含量分別較初期下降了33.2%和35.3%，且下降幅度遠大于T1、T2、T5 處理。

由圖7-b 可以看出，堆肥前T1 處理的TN 含量最高，T5 處理最低。堆肥初期，各處理的TN 含量均不同幅度的下降，其中T1 處理下降速度最快，在第6 天達到最低值2.22%，相比于初始值降低了25.5%。隨著堆肥時間的延長，各處理TN 含量均呈反彈升高的趨勢。至堆肥25 d 時，T1、T2 處理的TN 含量分別比堆肥0 d 時降低了8.4%和7.9%，而T3～T5 處理則分別比堆肥0 d 時增加了12.4%、28.1%、13.4%，T4 處理的TN 含量增幅最大。

圖7 不同處理的有機質、TN 及C/N 變化

由圖7-c 可以看出，堆肥0 d 時T1～T5 處理的C/N 分別為12.6、15.1、18.5、24.4、30.3，堆肥25 d 后各處理的C/N 均有所降低，分別比堆肥0 d 下降了17.0%、13.7%、40.6%、49.5%、28.6%，T3、T4 的C/N下降幅度大于其他處理。

2.5 堆料GI的變化

從圖8 可知，堆肥結束后，各處理的蘿卜種子GI 分別為39.0%、44.5%、88.1%、129.5%、28.7%，僅有T3、T4 處理的GI 大于70%，達到了對種子無害化要求。統計分析表明，T1 處理和T2 處理的GI差異不顯著，其他處理間差異顯著。

圖8 不同處理種子發芽指數（GI）

3 討 論

溫度是堆肥過程中的重要參數，是直觀表達堆肥物料腐熟度和腐熟速率的指標[11-12]。筆者的研究表明，堆肥第1 天各堆體溫度均不同程度的升高，T1 和T2 處理升溫緩慢，這可能與玉米秸稈添加量小、有機質含量低、無法為微生物提供足夠的碳源有關[13]；T5 組雖升溫迅速但高溫時間持續太短，一方面與玉米秸稈添加量大、木質素含量高且難降解有關，另一方面可能是C/N 高、氮源相對不足導致微生物生命力較弱[14]。根據蔬菜廢棄物高溫堆肥無害化處理技術規程（NY/T 3441—2019）[15]，主發酵周期內堆體溫度大于55 ℃的持續時間不少于5 d，因此T1、T2、T5 處理均未達到無害化標準，T3、T4 處理符合標準。GI 能夠有效地體現堆料對種子的毒害程度，又能表征堆肥腐熟度，是評價堆肥無害化、穩定化程度的一個重要指標[16]。根據有機肥料標準（NY/T 525—2021）[9]，GI≥70%才能達到有機肥料的技術要求，僅有T3、T4 處理的GI 大于70%，達到了對種子無害化要求，T1、T2、T5 的GI 偏低可能是堆體高溫持續時間短、微生物活動弱，導致有機酸、多酚類物質降解不完全，氨氣排放不通暢。EC 是一個重要的堆肥腐熟度指標，關于EC 目前沒有一個統一的標準，有研究認為，完全腐熟堆肥的EC 應小于3 mS·cm-1[17]，也有認為EC 超過4 mS·cm-1[18]才會對作物產生毒害作用。美國農業部標準規定堆肥結束后EC≤4.3 mS·cm-1，否則即為高含鹽堆肥，會對植物的生長造成危害[19]。筆者的研究中T3、T4處理堆肥25 d 后的EC 相比于堆肥0 d 時均有所降低且低于3 mS·cm-1，關于EC 與堆肥腐熟度關系需要進一步研究。

水不僅為微生物生長提供必需生命活動物質同時也是微生物運動時的載體，而且具有調節堆體內孔隙度和溫度的作用[20]。筆者試驗發現T1、T2處理桶底部均有少許的滲濾液，這可能是因為T1、T2 處理中黃瓜+番茄廢棄物含量太大，容易析出水分，超過了堆體中微生物活動所需。T5 處理玉米秸稈占比最高，孔隙度大有利于水分揮發[21]，因此含水率下降幅度最大。T3、T4 處理含水率較初始值基本無變化，與胡雨彤等[22]的含水率隨堆肥時間延長逐漸下降的研究結論不一致，這可能是由于T3、T4處理的發酵桶密閉性好，能有效減少水分散失，微生物生長活動所需的水分與有機物降解產生的水分處于一個相對平衡的狀態。5 個處理組的pH 值均呈先上升后趨于穩定的趨勢，與黃曉鳳等[23]提出堆肥pH 值先增加后下降的研究結論不一致，這可能與堆肥后期硝化作用生成的H+與有機酸分解減少、NH3揮發速度也放慢、兩者中和有關。有機肥料標準（NY/T 525－2021）[9]規定有機肥料的pH 值要控制在5.5～8.5 之間，堆肥25 d 后除了T1 處理外其他各處理均符合有機肥料pH 值標準。在堆肥過程中，氮素主要以有機氮、NH4+-N、NH3、NO3--N、NO2--N 的形式存在并相互轉化[24]，各處理的初始態中NH4+-N 含量遠大于NO3--N 含量，說明黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈中無機氮主要以NH4+-N 形式存在。堆肥前期各堆體中微生物氨化作用較強，造成大量的有機氮轉化為NH4+-N，NH4+-N 含量迅速增加，T1 處理因未添加玉米秸稈，具有較高的氮含量，NH4+含量峰值最大。高溫期NH4+-N 部分以NH3形式揮發，NH4+-N 含量降低，T3 和T4 處理高溫時間持續最長導致NH4+-N 含量下降幅度最大。而堆肥初期堆體溫度和pH 值逐漸升高，硝化細菌的生長和活動受到抑制，NO3--N 含量均很低且變化較小，高溫期后NO3--N 含量大幅增加，T1、T2 處理的增幅最大，這與TN 含量高、高溫期持續時間較短、硝化細菌活性恢復較快有關。一般認為，NH4+-N 的減少和NO3--N 的增加是發酵成熟的標志[25]。

C 為微生物生長提供能量，N 是微生物的營養物質。堆肥前期有機質含量下降較快，中后期降低速率緩慢直至平穩，這是因為堆肥初期可較快利用易降解有機質，堆肥中后期因只能利用較難分解的有機質（木質素、纖維素、半纖維素）導致降解速率緩慢。T3、T4 處理高溫持續時間長、微生物活性高導致有機質含量降幅大于其他處理。堆肥初期在有機氮不斷礦化，無機氮以銨態氮形式積累并轉變為氨氣揮發[26]，堆肥初期，T1～T5 處理TN 均有不同幅度的下降，隨后TN 呈反彈升高的趨勢，至堆肥結束T1、T2 處理TN 含量分別比最初降低了8.4%和7.9%，而T3～T5 處理TN 含量卻比最初升高了，這可能是由于T3～T5 處理玉米秸稈添加量較大，微生物消耗碳水化合物，堆體總質量減少，TN 相對增加，可見通過添加適量玉米秸稈可明顯減少氮素轉化為氨的揮發損失。

4 結 論

筆者的研究以黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈為原料，探討兩者不同配比的堆肥效果。從溫度來看，T1、T2、T5 高溫持續時間太短，未達到蔬菜廢棄物堆肥無害化要求，T3、T4 處理高溫期持續時間較長，結合腐熟度指標EC 值、GI 值，T3、T4 處理達到了堆肥無害化標準且腐熟效果較好。另外，T3、T4處理有機質含量分別比最初降低了33.2%和35.3%，遠大于其他各處理，并且TN 含量分別比最初提高了12.4%、28.1%，這表明T3、T4 處理有機質降解程度高，養分損失少。因此在實際堆肥操作中，建議控制黃瓜+番茄廢棄物和玉米秸稈體積配比在3∶2 和2∶3 之間。