添加玉米秸稈對胡蘿卜尾菜堆肥過程的影響

許淑妮 ，馮曉璐 ，陳延玲 ，李 赟

（青島農業大學資源與環境學院，青島，266109）

0 引 言

近年來，中國蔬菜年產量呈不斷增加的趨勢，2021 年中國蔬菜產量高達 7.75×108t[1]。與此同時，蔬菜在收獲后殘留的尾菜產量也隨之不斷增加，每畝年產廢棄物達3 t 左右[2]，其中超過60%的尾菜未經處理丟棄在田間大棚中、河流及道路兩旁、農貿市場。隨意丟棄的尾菜不僅釋放污染氣體，還存在潛在的病原體傳播，對環境造成嚴重的影響[3-4]。胡蘿卜尾菜的產量較大，其富含植物所需的營養物質，但易腐爛變質，散發病原菌。目前，對于尾菜的處理方式大多為生成飼料、生成能源、直接還田、生成肥料、厭氧消化生物質回收。雖然飼料化、能源化可有效解決尾菜的資源化再利用，但其生產設備投資大，技術復雜，難以推廣；就地還田雖然簡單且成本低，但無法控制病蟲害的傳播，同時該方式滲濾液產生較多，污染環境風險大[5-6]。厭氧消化、生物質回收在作為液肥和能源回收領域有所潛力，但存在技術經濟因素、生產效率較低和運行控制條件難等問題[7]。肥料化是利用高溫好氧堆肥生產有機肥料，其所需設備簡單，腐熟周期短，且被廣泛應用于固體有機廢物處理[8]。

高溫好氧堆肥是廢棄物肥料化的重要方法之一，可以將尾菜轉化為穩定和有價值的有機肥料，可以改善土壤質量和促進植物生長[9]。而尾菜單獨進行堆肥受限于其C/N 比低、含水率高等問題[10]，難以進行高質量的好氧發酵[11]，且在堆肥期間易產生滲濾液，后期難以進行管理。目前，對于尾菜堆肥的研究已有在添加劑對堆肥生產效率和堆肥質量領域的探索[12]，堆肥輔料的添加可以調節物料的物理化學性質，從而進行更有效的堆肥[13]，如廢棄的蘑菇種植基質和農林廢棄物[14]。農林廢棄物玉米秸稈是一種常用的堆肥輔料，與胡蘿卜尾菜在同一區域產生，其年產量在中國達26.4×108t[15]，亟需進行資源化利用。

此外，堆肥過程中二氧化碳（CO2）、氨氣（NH3）等氣體的排放會對環境造成二次影響[16]，碳、氮元素的損失會降低堆肥品質[17]。而堆肥初期主要由水解酶（脲酶、蔗糖酶、纖維素酶等）促進礦質化作用；后期主要由氧化還原酶（過氧化氫酶、多酚氧化酶等）發生腐殖化反應[18-19]。酶的活性直接受溫度、水分、pH 值、養分利用率以及堆肥物料的理化性質影響[20]。因此，酶活性不僅決定堆肥的速度，還會影響堆肥產品的質量。闡明與胡蘿卜尾菜同源產生的農林廢棄物作為輔料對堆肥過程中的腐熟度、氣體排放和酶活性的響應關系及調控作用，可以促進區域農業廢棄物收集利用處理體系，推進農業綠色發展。

本研究針對胡蘿卜尾菜堆肥過程中基礎理化性質以及氣體排放、酶活性響應關系不明等問題，以農林廢棄物玉米秸稈為主要輔料進行好氧堆肥試驗。以期探究不同添加比例輔料對胡蘿卜尾菜堆肥過程中的腐熟度、氣體排放和酶活性的影響，以及不同因子之間的響應關系，并確定胡蘿卜尾菜堆肥的最優輔料添加比例，以期為胡蘿卜尾菜無害化和資源化利用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用堆肥主料為胡蘿卜尾菜，采集于青島萊西市山東省產教融合基地；輔料為玉米秸稈、雞糞，均來自萊西市店埠鎮周圍農田及養殖場。所用堆肥原料基本理化性質如表1 所示。

表1 不同物料配比堆肥試驗設計Table 1 Composting experimental design for different material ratios

1.2 試驗設計

堆肥試驗在60 L 發酵罐（如圖1）中進行。該發酵罐的直徑、高度分別為45、75 cm，并有5 cm 厚的保溫材料以減少熱量損失。通過系統控制柜連接的溫度傳感器插入堆體中心以監測堆體溫度。堆肥罐的底部均放置了一個3 mm 的不銹鋼篩板，以支撐堆肥材料，使空氣擴散均勻，并為滲濾液的排放提供空間。空壓機（GT-400-ET，Juba，中國）自動控制氣體，按照國家蔬菜廢棄物高溫堆肥標準要求[21]，以0.05 m3/min 的通風速率從堆肥罐底部進行間歇通風（通風30 min、停止30 min）。

如表2 所示，本研究以胡蘿卜尾菜單獨堆肥作為對照（CK），以玉米秸稈和雞糞作為輔料，分別添加基于物料總濕質量7.5%（T1）、15%（T2）、22.5%（T3）的秸稈，與7.5%的秸稈和7.5%的雞糞（T4）不同處理。各個處理的初始物料度分別為114.1、115.8、116.6、116.6、117.4 kg/m3。堆肥試驗直到堆體溫度穩定在環境水平下停止堆肥，進行了21 d。通過實驗室規模的人工翻堆模擬工業化的攪拌，在堆肥第一周內的第3、7 天進行翻堆、取樣，之后每7 d 進行一次翻堆、取樣。每次收集大約250 g 的固體樣品、一部分進行風干、粉碎處理，一部分放置-20 ℃冰箱中，以便后續的分析。堆肥的每一天從罐體中收集氣體并進行定性和定量分析，同時每天從罐體底部收集滲濾液，記錄滲濾液產生情況。

1.3 試驗方法

溫度是由系統控制箱（WDC-5 100，北京佳潤恒業科技有限公司，中國）測定，實時監測、隨時讀取且能自動記錄；CO2含量由泵吸式氣體檢測儀（GT-903，科爾諾，中國）測定；NH3采用滴定法，將裝有濃度為2%的硼酸吸收瓶直接吸收氣體，用標準濃度的酸滴定進行測定；含水率采用烘干法進行測定即樣品設置3 個重復，在105 ℃下烘至恒質量測定；揮發性固體含量（VS）在樣品烘干后，置于馬弗爐（SGM08/10A，西格馬高溫電爐有限公司，中國）中于550 ℃下灼燒4 h 后進行質量的測定；總氮（TN）含量采用凱氏定氮法測定；總碳（TC）參照《有機肥料》（NY/T 525—2021）重鉻酸鉀容量法測定。

pH 值、電導率（EC）、465 和665 nm 波長下的紫外-可見吸收（E4/E6）、種子發芽率指數（Germination index，GI）測定[22]：新鮮樣品與去離子水按照1：10 比例進行混合：在搖床上以150 r/min 的轉速振蕩30 min，靜置10 min 過濾，再用離心機進行離心，取上清液作為待測液。pH 值、EC 采用pH/電導率測量儀（MP521，上海三信儀表廠，中國）進行測定，E4/E6 分別使用紫外可見分光光度計（UV-5100B，上海元析儀器有限公司，中國）在波長為465 和665 nm 下進行測定。GI 的測定和計算方法參照《有機肥料》（NY/T 525—2021），取待測液 5 mL 于鋪有濾紙的培養皿中，均勻放置 10 粒蘿卜種子，在培養箱中（SPX-460Y，寧波科晟實驗儀器公司，中國），于（25 ± 1 ） ℃恒溫黑暗條件下培養 48 h，共設置 3 個重復。

過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法進行測定，搖床進行培養20 min 后，用消耗0.02 mol/L KMnO4的體積（mL）來表示過氧化氫的釋放含量；蔗糖酶和纖維素酶采用二硝基水楊酸比色法進行測定，使用培養箱分別培養24 和72 h 之后在波長為508 和540 nm 下進行測定；脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法進行測定，培養24 h 之后在波長為578 nm 下進行測定。

1.4 數據分析

本研究數據采用Microsoft Excel 2022 數據統計分析，采用 Origin 2019 進行繪圖，采用Origin 2021 繪制皮爾遜相關性熱圖，采用Canoco 5 進行冗余分析。

2 結果與分析

2.1 溫度與CO2

所有堆體溫度均呈先升高后降低的趨勢，之后逐漸接近室溫（圖2a），且所有處理均出現升溫期、高溫期、降溫期和腐熟期。除CK 處理外，所有處理在第1 天均進入高溫期，而在堆肥第2 天，隨著易被降解有機物的消耗[23]，所有處理溫度均略微下降；而伴隨著第3 天的翻堆，所有處理均呈現迅速升溫狀態，這主要是因為翻堆增加了堆體氧氣含量，重新激活了嗜熱微生物，促進微生物生長代謝分解[24]。CK 處理升溫慢，初始升溫速率較其余處理均值低26.3%～34.3%，是因為胡蘿卜尾菜本身的C/N 較其余處理低，對于微生物的營養供給能力較弱，微生物停滯生長期所需時間較長。溫度除CK 處理，所有處理溫度超過50 ℃均達到5 d，符合有機肥生產的衛生標準[25]。T2 和T3 處理在高溫期出現最高值，分別達到69.3 和68.9 ℃，這也表明添加一定量的玉米秸稈，可以為微生物提供充足的碳源，使得它們有充足的養分進行呼吸作用。張曦等[11]研究表明蔬菜廢棄物高溫堆肥可以保持7 d，比本研究高溫維持時間長，這可能是因為本研究通風速率較高，熱量容易散發，其次相較于本研究，其研究選用畜禽糞便作為輔料，其含有各種大量和中微量元素維持微生物活動所需。

圖2 尾菜堆肥中溫度、CO2 排放速率變化Fig.2 Changes of temperature and CO2 emission rate during vegetables waste composting

二氧化碳的排放速率可以直接反映堆肥過程中微生物的活動和有機質降解和礦化率[26]。所有處理的CO2排放速率均呈先增高后降低，之后趨于平緩的趨勢（圖2b）。在第2 天，所有處理的CO2排放速率均呈現最高值，特別是CK 處理，其含水率含量最高，孔隙度最低，氧氣伴隨著微生物的活動而被利用，形成局部厭氧環境，產生較多CO2[27]。其次是T2、T3 處理，可能是因為秸稈輔料的添加提高堆肥孔隙度，微生物活性較好。但是相較于CK 處理，其CO2排放總量分別降低6.63%、3.18%。第3 和第7 天翻堆后，所有處理的CO2排放速率又出現不同程度的升高，這可能是因為易降解的有機質在翻堆后重新被分解利用，這也與CHEN 等[28]的研究結果相似。T2 的CO2排放比CK 處理降低14.83%。

2.2 腐熟度指標

所有處理的含水率均呈先上升，后趨于平緩的趨勢（圖3a）。物料初始含水率隨著秸稈的添加逐漸降低，且隨著堆肥的進行，各處理含水率逐漸增大，特別是CK處理和T1 處理的含水率較高，最高達84.78%、84.25%，這是因為堆肥主要以胡蘿卜尾菜為原料，尾菜中結合水含量較高，經過高溫發酵分解后以自由水形式散出[27]，因此高溫期含水率升高。而高含水率會影響的透氣性，不利于物料與氧氣進行充分接觸，同時不利于升溫。

圖3 尾菜堆肥中含水率、pH 值、電導率、E4/E6、種子發芽率指數、可揮發性固體含量變化Fig.3 Changes of moisture content, pH value, electrical conductitivy, E4/E6, germination index and volatile solid during vegetables waste composting

此外，堆肥期間含水率較高，堆體也易產生滲濾液。在高溫期，滲濾液產出較多，其中CK 處理的滲濾液產出量最大，總量達1 621.7 g；其次是T1、T4 處理，總量分別為357.9、365.4 g。第7 天之后，除CK、T1、T4處理，其他處理的含水率均有不同程度的下降，可能是因為秸稈添加量較大，物料孔隙度高，通風過程中一部分水分被帶走。而在第14 天之后，所有處理的含水率均下降，這是因為堆肥進入腐熟期，有機物降解完成，微生物活性與酶活性變弱。在堆肥第21 天，各個處理含水率仍大于70%，是因為伴隨著高溫期含水率的提升，通風速率未相應提高，不能及時將尾菜中的自由水帶出堆體，反而容易凝結重新附著在物料表面，這是原料性質和通風率共同作用的結果[29]。在堆肥結束后，一般會將堆肥產品再經過一定時間的陳化處理，將有機物中剩余大分子有機物進一步分解、穩定、干燥，以滿足后續制肥工藝的要求。所有處理pH 值呈先上升后趨于平緩的趨勢，且在堆肥的第21 天均為弱堿性（圖3b）。這與嘎畢拉等[30]研究相一致，但與王麗麗等[31]研究相比，本研究pH 值較低，因為本研究所選用原材料為胡蘿卜尾菜，因其初始pH 值為中性，導致NH4+的釋放量較低。第0～3 天，CK、T4 處理的pH 值迅速下降，可能是因為尾菜的單獨堆肥和雞糞的添加導致堆體中含有大量易降解的有機物，可使微生物迅速分解有機物產生有機酸[32]。之后又同其他處理呈上升的趨勢，這也同 NH3排放速率呈正相關關系，可能與蛋白質的降解和NH4+的積累有關。

堆肥浸提液的電導率可反應堆肥含鹽量，并表示堆肥產品是否對植物存在抑制作用。所有處理的EC 值呈緩慢上升之后下降的趨勢（圖3c），這與LI 等[33]研究結果相似。在堆肥的第0 天，T3、T4 處理由于添加較高比例的秸稈與雞糞，因其二者本身的電導率含量高，所以物料初始EC 值較高。在高溫階段后，除CK 處理，其他處理均有不同程度的增加，這可能與無機化合物的產生和有機物降解導致離子濃度相對增加有關。而CK處理EC 值的減少可能由于胡蘿卜尾菜中的木質纖維素對礦物鹽有沉淀和吸附作用[34]。E4/E6 是指腐殖酸在波長為 465 和 665 nm 下兩數值的比值，表示腐殖酸分子的復雜程度[35]。所有處理的E4/E6 值呈先上升后下降的趨勢（圖3 d）。在堆肥的第 0～3 天，CK 處理的E4/E6 值降低，由于小分子有機物降解速率小于其生成速率；而其他處理的E4/E6 值升高，是因為糖類、蛋白質等有機物被分解為簡單的有機物或無機物，而后CK 處理也同其它處理呈升高的趨勢。在堆肥結束時，T4 處理的E4/E6 值最小，表明其腐殖酸分子中芳香環的縮合度、芳構化度和分子量較大，腐殖酸較為穩定。所有處理第21 天的E4/E6 值略高于第14 天，說明第21 天的堆肥產品腐殖質化程度較高，這也與GI 指數的變化趨勢呈一致。

所有處理的發芽率指數均呈先上升后趨于平緩的趨勢（圖3e），且在堆肥結束時，GI 值均大于70%，符合（NY 525-2021）的要求。T2 的GI 值為100.4%除T2處理外，其他處理GI 值在堆肥結束時均大于100%，研究表明GI 值大于90%時，堆肥產品對植物毒性較低[25]。GI 值在初期含量低，可能與揮發性脂肪酸和有毒物質的釋放相關。T4 處理從堆肥第0 天到結束，GI 值均高于其他處理， 這也同VS 含量呈負相關關系。其次是T3處理，GI 值較高，這表明雞糞的添加和高比例秸稈輔料的添加會提高C/N 比，促進物料腐熟發酵。這與WANG 等[36]研究一致，進一步證實碳、氮含量影響GI值。幾乎所有的有機物都是揮發性固體，因此揮發性固體總量能用于表征尾菜中可被生物降解的有機物含量。所有處理的VS 含量呈下降的趨勢（圖3f），這也與LIU 等[37]研究一致。堆肥結束后，除T4 處理外，所有處理的揮發性固體總量穩定在73.47%～77.54%之間。而T4 處理為65.11%，表明添加雞糞促進堆肥的腐熟，這可能是因為雞糞的添加導致有機質在堆肥過程中更容易被分解礦化，而其他處理中尾菜的木質素、纖維素等難降解的物質依舊存在。

2.3 氨氣排放

所有處理的NH3排放速率呈先增加后降低之后趨于平緩的趨勢（圖4a）。在高溫、堿性條件下，由于有機質的快速降解會導致NH4+-N的累積，從而加速NH3排放[38]。在前4 d，所有處理NH3排放速率較低，可能與堆肥的pH 值有關，pH 值呈酸性可中和產生的NH3[39]，導致前4 d 排放量極低。伴隨著第3 天的翻堆，使其微生物代謝活躍，所有處理的排放速率均出現峰值，CK、T1、T2、T3、T4 處理的排放速率分別達0.10、0.30、0.68、0.90、1.03g/d，這也進一步證實隨著溫度的上升，NH3的排放量增大[40]。而雞糞的添加促使T4處理的pH 值相較于其他處理較高，提供了良好的堿性環境，而伴隨著有機質的降解使NH4+累積，導致NH3累積排放量最大。同時隨著秸稈添加的比例增大，NH3排放量增大，氮損失量增加。與楊燕等[41]研究相比，本研究NH3排放量較低，也進一步證實畜禽糞便因其有機質含量高，蛋白質含量高等特點，在堆肥過程中易被分解，產生較多NH3。

圖4 尾菜堆肥中NH3 排放速率及NH3 累積排放量變化Fig.4 Changes of NH3 emission rate and NH3 accumulation emission during vegetables waste composting

2.4 酶活性

酶與養分循環有關，其活性是堆肥生化功能的指標。過氧化氫酶可以分解過氧化氫，減少堆肥過程中其對微生物的毒性影響[42]。所有處理過氧化氫酶含量均呈上升的趨勢（圖5a）。在第0～7 天，除T1 和T2 處理外，其他處理過氧化氫酶含量均迅速上升，可能是因為微生物新陳代謝在第0～7 天加速，導致過氧化氫分解也加速[19]。在堆肥的第21 天，T2 處理過氧化氫酶含量最高，表明堆肥產品毒性最低，相反CK 處理的過氧化氫酶活性最低。脲酶與氮礦化有密切關系，在農業廢棄物的分解中發揮著重要作用，可催化尿素水解為氨和二氧化碳[43]。所有處理的脲酶呈逐漸下降的趨勢（圖5b）。在堆肥的最初，所有處理脲酶含量較高，因為含氮有機物較多，隨著堆肥的進行堆體溫度逐漸升高，含氮有機物分解成氨，抑制脲酶活性，或者升溫使脲酶菌群不耐熱死亡。在堆肥結束時，T2、T3 處理的脲酶含量較其他處理較高。在GE 等[44]研究中脲酶含量在高溫期有升高現象，本研究只有T1 處理有略微升高的趨勢，而其他處理全部為下降的趨勢，這可能是因為其高通風能提高脲酶的最大活性，但是相較于較低通風不利于保持脲酶活性。

圖5 尾菜堆肥中過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、纖維素酶含量變化Fig.5 Changes of catalase, urease, surase, cellulase content during vegetables waste composting

蔗糖酶在堆肥過程中起著分解蔗糖，產生葡萄糖、果糖等小分子物質的重要作用，這些分子物質是微生物繁殖的碳源。在堆肥過程中，所有處理的蔗糖酶活性都急速下降，之后趨于平緩（圖5c）。CK、T3 處理的蔗糖酶含量在堆肥的第0～7 天迅速下降，可能因為堆肥中幾種碳源物質被蔗糖酶分解。同時蔗糖酶的活性受溫度影響較大，在堆肥第5～7 天（降溫階段），該階段溫度有利于微生物的代謝和繁殖，使堆肥過程中蔗糖酶活性較其他階段迅速下降[19]。纖維素酶可以將纖維素分解成葡萄糖和果糖等能量物質，供微生物利用[45]。纖維素酶含量總體呈逐漸下降的趨勢（圖5 d），在堆肥第0 天，所有處理的纖維素質量分數為19.1～40.0 mg/g，第21 天為2.7～4.1 mg/g。在堆肥第0～3 天，T3、T4 處理呈現上升的趨勢，這可能因為T3、T4 處理的溫度較高，促進微生物快速代謝從而消耗一部分的纖維素，導致其纖維素酶活性增強，且達到最高值為29.4、27.5 mg/g。纖維素含量變化曲線與LU 等[46]研究結果相似，但是本研究纖維素酶活性含量降低較大，可能因為玉米秸稈本身纖維素含量高，隨著堆肥的進行，纖維素被大量降解。T2 相比CK 過氧化酶、脲酶、纖維素酶活性相對增加7.5%、53.7%、32.5%。

2.5 腐熟度指標、氣體排放與酶活性之間的相關性

為探究腐熟度、氣體排放與酶活性變化的主要原因，通過相關性熱圖與冗余分析分別對5 個處理（圖6a～6j）的腐熟度指標、氣體排放和酶活性進行顯著性分析和相關性分析。冗余分析表明兩軸的解釋變量差異總比例在88.25%～94.30%之間。

圖6 尾菜堆肥中腐熟度指標、氣體排放、酶活性的相關性、冗余分析圖Fig.6 Correlation analysis and redundancy analyses of ripeness index, gas emissions and enzyme activity during vegetables waste composting

各處理酶活性對氣體排放、腐熟度指標的貢獻度均不同，其中CK 處理的過氧化氫酶（P＜0.05）貢獻度最高，達55.2%（圖6b）；T2 處理的脲酶（P＜0.01）貢獻度達59.0%（圖6f）；T1、T2、T3 處理的纖維素酶貢獻度最高，分別為51.6%、64.4%和61.7%（圖6d、6f、6h）。研究表明GI、EC 和pH 值是影響腐熟度的重要影響因素[47]，過氧化氫酶和腐熟度指標pH 值、EC、GI 值呈顯著正相關，這表明過氧化氫酶的含量越高，代表堆肥毒性越低。除CK 處理，纖維素酶、蔗糖酶與溫度、VS 呈正相關，顯著性較高，其中T3、T4 處理纖維素酶與溫度極顯著（圖6g、6i）；T2～T4 處理纖維素酶與VS 呈極顯著關系（圖6e、6g、6i；圖6f、6h、6j）。這表明較高的溫度有助于激發纖維素酶的活性，從而提高堆肥的腐熟度，促進有機質的降解。同時脲酶也與VS呈正相關關系，各處理均為極顯著性關系。除T2 處理NH3與溫度呈負相關關系，其他處理CO2、NH3與溫度均呈正相關關系，表明氣體排放速率與溫度的高低有直接關系。

3 結 論

從本試驗結果來看，添加輔料為15%的玉米秸稈（T2）可降低胡蘿卜尾菜堆肥初始含水率、提高C/N，在減少成本的基礎上，改善孔隙度、降低滲濾液產出情況。

1）與胡蘿卜尾菜單獨堆肥處理相比，添加15%秸稈處理的CO2排放降低14.83%；過氧化氫酶、脲酶、纖維素酶活性相對增加7.5%、53.7%、32.5%，同時種子發芽率指數高達100.4%，衛生學特性狀況良好。

2）除胡蘿卜尾菜單獨堆肥處理以外，其他胡蘿卜尾菜堆肥處理高溫期（≥50 ℃）持續5 d 以上，符合衛生標準，堆肥產品腐熟度較高，添加玉米秸稈與雞糞的堆肥處理促進了溫度上升和腐熟。

3）氣體排放與溫度、pH 值有顯著性關系，其溫度越高，氣體排放量越大，pH 值越低，NH3排放量越低。過氧化氫酶與腐熟度指標pH 值、EC、GI 值呈顯著正相關，纖維素酶、蔗糖酶與溫度、VS 呈正相關，酶活性影響堆肥產品的腐熟度。