凹凸棒土添加對結球甘藍廢棄物堆肥腐殖化過程的影響

2023-10-19 12:59:26朱義娟肖紅琳劉洋廷朱康文楊志敏楊紅軍陳玉成

農業環境科學學報 2023年9期

朱義娟，肖紅琳，劉洋廷，朱康文，楊志敏，楊紅軍，陳玉成*

（1.西南大學資源環境學院，重慶 400716；2.重慶市生態環境農用地土壤污染風險管控重點實驗室，重慶 400716；3.重慶市生態環境科學研究院，重慶 401147；4.重慶交通大學智慧城市學院，重慶 400074）

蔬菜是我國居民的主要膳食材料之一，2021 年其播種面積高達2 198.6萬hm2，僅次于糧食[1]；與此同時，我國每年蔬菜產業所產生的廢物也達到其總產的40%～50%[2]，其中約60%未經任何處理就被丟棄[3]，而蔬菜廢物中含有較高的水分、營養物質和病原體，直接施于土壤會極大增加土壤和農產品的環境風險[4-6]。目前通過好氧堆肥來降低蔬菜廢物環境風險是具有良好應用前景的資源化利用方式[7-8]。但由于蔬菜廢物含水率高、易腐爛、微生物活性小且木質纖維素難以降解，使其堆肥腐熟效果較差[9]，因此為了促進蔬菜廢物堆肥中有機質分解，加快堆肥腐熟，常在堆肥中添加微生物菌劑、起爆劑、疏松劑等調理劑[7，10-11]。

好氧堆肥是一個有機物降解和腐殖化的微生物過程[12]，隨著堆肥的進行，有機質在微生物的作用下逐漸轉化為腐殖類物質，其中大分子的胡敏酸因具有難降解的芳香結構而更為穩定[13]。腐殖質作為堆肥的重要副產品，是表征堆肥穩定和腐熟的關鍵指標[14]。腐殖質不僅可以促進植物生長、修復污染土壤，還有利于提高土壤肥力[15-16]，因此增強堆肥腐殖化程度對于提高堆肥產品質量至關重要。近年來，黏土礦物因分布廣泛、價格低廉，且具有較高的比表面積、孔隙度和優異的吸附特性而作為添加劑應用于堆肥[17-18]。添加黏土礦物是促進堆肥腐殖化的有效方法，Wang 等[12]發現，麥飯石的加入在促進有機碳和木質素降解的同時顯著提高了堆肥的腐殖化程度。Meng等[19]指出在牛糞堆肥中添加伊/蒙黏土可以刺激堆肥中微生物的活性，從而促進木質纖維素的降解和腐殖質化過程。Pan等[20]發現經過熱處理后的伊利石和蒙脫石有效調整了雞糞中腐殖質的形成過程。目前已有研究表明，凹凸棒土的加入可以加速動物糞便中有機質的降解，促進堆肥腐殖化[21-22]。然而，在蔬菜廢物堆肥中添加凹凸棒土的研究相對較少，且凹凸棒土對腐殖化過程的影響機制也尚不清楚。

因此，本文以結球甘藍廢棄物為堆肥主料，凹凸棒土為添加劑，探討不同添加量的凹凸棒土對堆肥基本理化性質、有機質組分以及腐殖化的影響，并結合相關性分析和結構方程模型，探究凹凸棒土影響腐殖化過程的途徑，從而為蔬菜廢物資源化和凹凸棒土在堆肥中的應用提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

蔬菜廢物取自結球甘藍（Brassica oleraceaL.var.capitataL.），取于重慶市某蔬菜基地；玉米秸稈購于江蘇連云港蘇銳秸稈加工有限公司，凹凸棒土購于河北泓耀礦產品加工有限公司（SiO2：53.6%，Fe2O3：1.86%，Al2O3：14.33%，粒徑0.048 mm），微生物菌劑由西南大學資源環境學院微生物實驗室代為培養，以米糠為載體將功能性微生物按照比例復合配置（高溫纖維分解菌∶解淀粉芽孢桿菌∶除臭細菌=1∶1∶1），菌劑的有效活菌數≥1010CFU·g-1。因結球甘藍廢棄物含水率過高（＞90%），故采用晾曬脫水，使用前粉碎至2～3 cm，堆肥原料的基本理化性質如表1所示。

表1 堆肥原料的基本理化性質Table 1 Basic physicochemical properties of composting materials

1.2 試驗設計

將結球甘藍廢棄物與玉米秸稈按照比例3∶1（以干質量計）均勻混合，混合后物料C/N比約為22；為保證較好的堆肥腐熟度[2，9]，按干物料總質量的5%[23-24]添加微生物菌劑接種量，并用純水調節含水率為62%左右，充分混勻后進行好氧堆肥，每個堆體總質量為33 kg。以不添加凹凸棒土的處理作對照，記為CK；添加質量分數為2.5%、5%、7.5%（以干質量計）凹凸棒土的處理作試驗組，記為T1、T2、T3，所有處理皆設置3個重復。

堆肥裝置為110 L 的泡沫容器，長×寬×高為615 mm×390 mm×460 mm，結構如圖1 所示?？諝鈴牡撞科貧夤鼙萌?，經孔徑為0.5 mm 的鐵網平均氣流，采用持續性通風[25]，通風量為0.1 L·kg-1·min-1。整個堆肥周期為45 d，每日8：00、14：00、20：00 記錄堆體和環境平均溫度。每周人工翻堆1次，在第1、4、7、14、21、30、45 天采集堆肥樣品，多點取樣混合后，采用四分法分取樣品500 g左右，并分為兩部分：一部分作為鮮樣，存放在4 ℃冰箱中，用于測定基本理化性質；另一部分作為干樣，冷凍干燥后粉碎，用于測定有機質、腐殖質及其組分。

圖1 好氧堆肥裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of the aerobic fermentation reactor

1.3 樣品測定與方法

采用探針式電子溫度計對堆體進行測溫。采用烘干法（105 ℃，8 h）測定含水率。鮮樣按照1∶10（m/V）的固液比用去離子水浸提，并在200 r·min-1條件下振蕩2 h，離心過濾后的濾液用電導率儀（Mettler Toledo，瑞士）和pH 計（Sartorius，德國）測定電導率（EC）和pH。取上述濾液10 mL 于墊有濾紙的9 cm 培養皿中，濾紙上均勻放置10 粒顆粒飽滿、均勻一致的小白菜（Brassica chinensisL.）種子，放入25 ℃的恒溫培養箱中避光培養72 h[26]，統計發芽率和測定根長，得到種子發芽指數（GI）：

GI=（堆肥浸提液培養種子發芽數×發芽種子根長）/（去離子水培養種子發芽數×發芽種子根長）×100%

總氮（TN）測定采用凱氏定氮法，有機質測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化法，除以系數1.724 得總有機碳（TOC）（C/N=TOC/TN）。溶解性有機碳用TOC 儀（TOC-L，日本島津）測定。SUVA254和SUVA280（水溶性有機碳在波長254 nm 和280 nm 處的比紫外吸光度）的計算基于以下公式[27]，為了確保樣品之間的可比性，測定前將各樣品TOC濃度調整一致[28]。

式中：ABS254和ABS280是指水溶性有機碳在波長254 nm和280 nm處的吸光度。

多酚采用福林-酚比色法測定。還原糖采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定。氨基酸采用茚三酮顯色法測定。腐殖質含量及組分的測定采用國際腐殖酸協會（IHSS）的焦磷酸鈉+氫氧化鈉堿提取法[29]。腐殖化指數和聚合度計算公式如下[20]：

式中：CHA為胡敏酸含量，g·kg-1；TOC 為總有機碳含量，g·kg-1；CFA為富里酸含量，g·kg-1。

1.4 數據分析

采用Excel 2019 統計整理數據，Origin 2021 制圖，使用SPSS 22.0 中的單因素方差分析（One-way ANOVA）進行顯著性檢驗，采用Amos 24.0 構建結構方程模型，并用Powerpoint 2019繪制轉化關系圖。

2 結果與討論

2.1 凹凸棒土對堆肥理化性質的影響

各個處理都經歷了升溫、高溫和降溫三個階段（圖2a），并在堆肥開始后的第2～3 天進入高溫期（＞50 ℃），CK、T1、T2 和T3 處理在高溫期分別持續了12、14、13 d 和15 d，最高溫度分別為63.7、62.8、63.7 ℃和64.5 ℃，均滿足標準衛生要求[30]。從第43天開始，所有處理自然冷卻至室溫，直至堆肥結束。結果表明凹凸棒土的添加延長了堆肥的高溫期。這可能是由于黏土礦物較高的比表面積和孔隙度提供了適宜的微生物環境，使微生物能夠持續地分解有機物，從而產生更多的熱量[31]。各處理處于高溫期時，物料水分迅速蒸發，堆體含水率下降幅度達到最大，后期各處理含水率緩慢下降到20%左右（圖2b）。隨著堆肥的進行，C/N 值逐漸降低（圖2c），說明各處理有機質礦化的速度均快于氮損失的速度。堆肥結束時，各處理C/N值在13左右，差異不顯著。

圖2 堆肥過程中基本理化性質的變化Figure 2 Changes of basic physicochemical properties during composting

堆肥初期，堆體pH 值呈現出酸性（圖2d），所有處理的pH值變化趨勢皆為先降低再升高。這可能是由于堆肥初期有機物分解出大量的小分子有機酸導致pH 值降低；而隨著有機酸的轉化和有機氮的氨化[32-33]，pH 值逐步升高至中性。堆肥結束時CK、T1、T2 和T3 處理的pH 值分別為6.92、6.81、7.12 和7.07，各處理間沒有顯著差異。在整個發酵過程中，EC 值先增加再減?。▓D2e）。這是因為高溫期結球甘藍廢棄物在眾多微生物的作用下分解產生大量可溶性銨鹽、磷酸鹽等物質[34]。隨后，微生物對分解出的鹽類物質進行利用，導致堆肥的EC值迅速下降，各處理堆肥結束時EC 值都小于4 mS·cm-1，均符合無公害堆肥處理標準[35]。通常，當GI＞50%時，認為堆肥樣品達到了無毒的要求，堆肥已經基本腐熟；當GI＞80%時，就認為堆肥對植物完全沒有毒性[36]。各處理的GI 變化趨勢基本相同（圖2f），GI 值最終都達到50%以上，即CK（52.78%）、T1（51.59%）、T2（80.75%）、T3（94.84%），均滿足腐熟要求。由此可以看出，與CK、T1 處理相比，T2、T3 處理更能顯著促進蔬菜廢棄物堆肥腐熟和穩定化（P＜0.05）。

2.2 凹凸棒土對堆肥有機質組分的影響

研究發現（圖3a），T2、T3 處理有機質含量的初始水平顯著低于CK、T1處理（P＜0.05），這是因為凹凸棒土作為一種黏土礦物，有機質含量可以忽略不計，當其用量增加到一定程度時會對堆體產生稀釋作用[37]。隨著堆肥的進行，有機物逐漸被微生物分解和礦化，含量減少。試驗結束時，有機質含量以T1（611.84 g·kg-1）為最高，其次為CK（602.14 g·kg-1）、T2（533.98 g·kg-1）、T3（513.92 g·kg-1）。CK、T1、T2、T3有機質降解率分別為：7.41%、6.23%、9.08%、14.33%。這一結果表明T2、T3 處理與CK、T1 處理相比更能顯著促進有機物的降解（P＜0.05），且其降解程度隨著凹凸棒土添加量的增加而提高，這與Wang 等[12]研究黏土礦物麥飯石對豬糞堆肥質量的改善中得到的結果一致。一方面，凹凸棒土的添加增加了堆肥基質的孔隙度，能夠為微生物分解有機物提供充足的氧氣[38]。另一方面，凹凸棒土還能提供營養物質促進微生物新陳代謝，從而提高有機質的降解率[39-40]。在整個發酵過程中，各處理DOC 含量都呈上升趨勢（圖3b）。堆肥結束時，CK、T1、T2、T3的DOC 含量分別為76.38、76.30、68.45、62.99 g·kg-1，表明了在堆肥中添加凹凸棒土能夠有效抑制有機物的礦化，并且隨著其添加量的增加，抑制效果也更加明顯。相似的是，Zhang等[22]發現礦物和生物炭的加入能夠在促進腐殖化的同時有效抑制有機物礦化。

圖3 堆肥過程中有機質、水溶性有機碳、腐殖質組分及前驅體含量的變化Figure 3 Changes of organic matter，dissolve organic carbon，humus components and precursor content during composting

在堆肥的過程中，有機物經微生物分解后會產生還原糖、多糖、氨基酸、羧基、多酚等小分子有機組分，其中多酚（PP）、氨基酸（AA）和還原糖（RS）是木質素/酚蛋白理論和美拉德反應中影響腐殖質生成的關鍵前體[41-42]。RS 含量在堆肥前期迅速下降（圖3c），前7 d T2 和T3 處理的RS 消耗速率分別為58.43% 和59.24%，皆顯著高于CK（47.25%）（P＜0.05），這說明與CK 相比，T2和T3處理更能促使微生物在高溫期迅速消耗RS，同時還可能會促進其通過美拉德反應生成腐殖質。直至堆肥結束，CK、T1、T2、T3的RS 含量分別為23.65、23.76、17.28、13.85 mg·g-1，即T3 處理能更好地利用RS。由圖3d 和圖3e 可知，氨基酸（AA）含量和多酚（PP）含量皆呈波動變化趨勢，這與微生物活動引起的AA 和PP 形成與利用之間的微觀動態平衡有關[43]。一方面，腐殖化過程需要消耗前體物；另一方面，一些活性高且分子量小的不穩定腐殖質又會礦化形成前體物[44]。堆肥結束時，CK、T1、T2 和T3 處理的AA 濃度為101.75、101.46、74.56 μmol·g-1和90.94 μmol·g-1，與初始狀態相比分別下降了21.48%、23.87%、38.08%和27.00%，這一結果證實了T2 處理組能更好地利用AA。上述結果證明了在堆肥中添加凹凸棒土能夠增強對RS和AA的利用，并且可能會促進其聚合形成腐殖質。堆肥進入高溫期后PP含量快速升高，這可能與結球甘藍廢棄物的分解有關，因為多酚類是植物次生代謝產物的主要類別，在植物組織中廣泛且大量存在[45]；發酵結束時CK、T1、T2 和T3 處理的PP 含量分別為0.60、0.67、0.56 mg·g-1和0.49 mg·g-1，各處理間沒有顯著差異。

2.3 凹凸棒土對堆肥腐殖化的影響

2.3.1 腐殖質組分含量的變化

隨著發酵過程的進行，各處理腐殖質（HS）含量呈下降趨勢（圖3f），這主要是由于初始狀態時腐殖質中有較高含量的富里酸，而富里酸屬于腐殖質的簡單活性成分，更容易被微生物消耗或轉化為更復雜的腐殖質成分（即胡敏酸）[15]。這與Chen等[46]研究Fenton類工藝對堆肥腐殖化影響中的結果一致，同時也證明了結球甘藍廢棄物中腐殖質的性質是不穩定的。發酵結束時CK、T1、T2、T3的HS含量降幅分別為33.75%、32.31%、29.33%、32.81%，各處理間差異不顯著。FA 含量在前14 d迅速下降（圖3g），與HS變化趨勢一致，隨后保持勻速下降，直至堆肥結束。CK、T1、T2和T3處理的FA由184.60、177.35、177.35 g·kg-1和168.27 g·kg-1下降至110.98、101.24、93.50 g·kg-1和88.04 g·kg-1，降幅分別為39.88%、42.92%、47.28%和47.68%。各處理的HA含量在堆肥進入降溫期后才開始緩慢升高（圖3h），這說明高溫期分解成的小分子有機物更偏向于在腐熟階段合成HA。堆肥結束時，CK、T1、T2 和T3 處理的HA 由17.85、13.50、13.73 g·kg-1和12.64 g·kg-1上升至33.75、31.02、32.38 g·kg-1和33.18 g·kg-1，增幅分別為89.08%、129.78%、135.83%和162.50%，各處理的HA含量均極顯著高于CK（P＜0.01）。由此可以說明，在堆肥中添加凹凸棒土對小分子FA 的降解和大分子HA的合成具有積極效應，并且其影響程度隨著凹凸棒土添加量的提高而增大。

2.3.2 腐殖化程度指標的變化

SUVA254和SUVA280值越大，DOM 芳香族化合物的含量和腐殖化程度越高[47]。隨著發酵過程的進行，SUVA254和SUVA280值逐漸提高（表2）。堆肥結束時CK、T1、T2、T3 處理的SUVA254和SUVA280值分別為1.73、1.65、1.80、1.78 和1.47、1.40、1.52、1.49，差異不顯著。聚合度和腐殖化指數是表征腐殖化程度的兩個重要指標[48]。在堆肥過程中，各組的DP 和HI 均有所增加。發酵結束時，T2 和T3 處理的DP 和HI 值比CK 提高了10.22%、8.28%和9.11%、15.22%。這說明與CK 和T1 處理相比，T2 和T3 處理腐殖質的腐殖化程度更高，腐殖質結構更復雜。同時，上述幾個腐殖化程度指標也解釋了在T2 和T3 處理中，可能有更多的FA 轉化為HA。這也許是由于黏土礦物凹凸棒土具有較高的比表面積和孔隙度，為微生物提供了適宜的環境，進一步促進大分子物質分解成小分子物質[17，49]。隨后，這些小分子中間物被聚合成分子量更高的分子，從而促進了腐殖質化[50]。綜上所述，凹凸棒土的加入雖沒能促進腐殖質的形成，但明顯促進了HA 的合成，并提升了腐殖質的芳香度和結構的穩定性。

表2 堆肥過程中腐殖化程度指標的變化Table 2 Changes of humification index during composting

2.4 腐殖質組分與前驅體、理化性質之間的關系

以上腐殖質組分和腐殖化程度的變化證實了添加凹凸棒土可以促進結球甘藍廢棄物堆肥的腐殖化，然而其促進作用機制還不夠明確。因此，通過相關性分析和結構方程模型探究了堆肥過程中腐殖質組分與腐殖質前驅體、理化性質之間的關系，研究了凹凸棒土影響結球甘藍廢棄物堆肥腐殖質形成過程可能的途徑（圖4）。凹凸棒土的加入改變了DOC 與腐殖質組分、前驅體之間的關系及其顯著性，不添加凹凸棒土時，DOC 與HS、FA、AA、RS、PP 呈正相關，與HA呈負相關，其相關性皆不顯著。而凹凸棒土的引入使DOC 與HA 呈正相關，與HS、FA、AA、RS、PP 呈負相關，并且增加了它們之間的相關性。這一結果表明凹凸棒土可以通過影響DOC 來促進HA 的形成，同時還可能促進前驅體、FA向HA轉化。其他理化指標與腐殖質組分、前驅體之間的關系相似，唯一不同的是相關性程度。在各處理的堆肥過程中，AA、RS 和PP 與HA 呈負相關關系，表明以上前驅體起促進腐殖化過程的作用，這可能是由于其合成到HA 結構中導致的濃度降低[51]。同時，與CK 相比，T1、T2 處理促進了前驅體與腐殖質組分的關系，并且其影響程度隨著添加量的提高而增大。

圖4 堆肥過程中腐殖質組分與前驅體、理化性質之間的關系Figure 4 Relationship between humus components and precursors，physicochemical properties during composting

研究表明，pH、OM、NH+4-N 等環境因素會影響堆肥的腐殖化過程[16，20]。根據以上相關性分析結果可以得出pH、OM、TN、C/N 為各處理顯著影響腐殖質組分的環境因素（P＜0.05）。因此選取pH、C/N作為環境因素，前體RS、AA、PP 作為驅動因子，擬合結構方程模型。在SEM 中，正相關表示兩個因素之間的相互促進，負相關表示兩者之間的利用或形成關系[29]。由SEM 圖可知，不添加凹凸棒土時，僅有pH 顯著影響HA的形成（P＜0.001），而凹凸棒土的加入不僅使顯著影響HA形成的路徑增多，還促使了FA向HA轉化（P＜0.05）。與CK 處理相比，T2、T3 處理促進了環境因素對前驅體的影響，同時促進了前驅體合成HA。由圖4可知，T2處理能更好地利用AA，T3處理能更好地利用RS，進一步證實了其分別優先選擇AA 和RS 合成HA。綜上所述，在結球甘藍廢棄物堆肥中添加凹凸棒土可以顯著活躍前驅體，促進AA、RS、FA 向HA 轉化，從而提高腐殖質的芳香性和腐殖化程度。