初始物料水溶性有机碳含量对番茄秧堆肥进程的影响

郭秋月常瑞雪孙 霞李彦明*陈 清李国学

（1农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室，中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830052）

好氧堆肥是有机废弃物资源化处理的有效方式之一，是利用微生物降解有机物的生化过程（张园 等，2011），基于微生物利用碳氮养分的最适比例为25～30（李季和彭升平，2011），现有堆肥工艺中初始物料的调配通常根据混合物料的C/N进行，但是并非所有的有机质都可以被微生物直接或间接利用。有机质的组成成分很多，不同有机组分的理化性质不同，对堆肥进程的贡献率也不同（徐路魏，2016）；而不同物料之间，有机质组分的差异较大，这必然会对堆肥进程产生不同的影响。康军等（2009）提出，在选择碳源辅料调节堆肥物料初始C/N时，应重点关注有效碳源，减少粗纤维含量，以加速堆肥发酵进程。根据有机质降解的难易程度可以分为4类：可溶性有机质、半纤维素、纤维素、木质纤维素（Afnor，2005）。在堆肥过程中，微生物会优先降解较易降解的有机碳，对纤维素、木质素等降解很少（韩涛和任连海，2008），而被降解的有机碳所占比例几乎和水溶性有机碳含量相当（Francou et al.，2008）。Zhang等（2011）的研究结果也证实，水溶性有机碳组分对堆肥过程中物料减量化贡献最大。江连强（2005）研究发现，提高堆肥初期水溶性有机碳含量，有利于提高堆肥过程中有机物的降解率，加速堆肥进程。但常瑞雪等（2017）指出，并非易降解组分的含量越高越有利于堆肥的进行，适宜的易降解有机组分才会对堆肥进程和物料降解产生有益影响。目前对于初始物料中水溶性有机碳含量的调控在什么范围内会对堆肥过程产生有益的影响，以及影响程度如何的相关研究鲜见报道。本试验以番茄秧为主要堆肥原料，以麦秸、淀粉和尿素为调理剂，尝试探讨在初始物料C/N相同的情况下，水溶性有机碳含量差异对堆肥发酵进程的影响，以期为堆肥生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016年3～9月在中国农业大学（西校区）废弃物处理与资源化实验室进行。试验原料番茄秧取自北京市昌平区小汤山科技农业示范园，麦秸取自中国农业大学上庄试验站；将番茄秧和小麦秸秆分别粉碎至1 mm备用，理化性质如表 1 所示。淀粉〔（C6H10O5）n〕和尿素〔CO（NH2）2〕均经中国农业大学供应科购自国药集团化学试剂有限公司。

表1 主要堆肥原料的理化性质

1.2 试验设计

以粉碎好的番茄秧为堆肥处理对象，用小麦秸秆作为水分和碳源调理剂，用淀粉和尿素作为初始混合物料的碳氮调理剂，设置堆肥混合物料初始水溶性有机碳（DOC）含量分别为4%（A1）、8%（A2）和12%（A3）3个处理；3个处理混合物料的含水量均调整至60%，同时通过物料平衡法将所有处理的混合物料初始C/N控制在25左右，整个堆肥周期为49 d。

具体堆肥操作：分别将混匀的堆肥物料投入到自制小型密闭式堆肥反应器（图1）（Michel &Reddy，1998）中，确保每个反应器中投入堆肥物料的质量相同（以干质量计），并将通风量控制在0.1 L·min-1。在通风管路进入反应器前串接碱性气体和酸性气体吸收液；整个堆肥发酵期间，在出气管路后连接2%硼酸溶液和1 mol·L-1氢氧化钠溶液的吸收瓶，并定期更换吸收液，用于测定堆肥过程中产生的NH3和CO2。根据堆肥发酵进程，在第1、3、7、14、21、35、49天进行翻堆操作，确保物料结构和反应均匀度，同时根据需要补充水分，保持在60%左右。

图1 堆肥反应装置示意图

1.3 项目测定

堆肥初始物料的水溶性有机碳含量测定采用重铬酸钾外加热法（范芳，2007）。

在翻堆操作的同时进行固体样品采集，分别于第0、1、3、7、14、21、35、49天取样，采用多点采样法，每次收集100 mL，混合均匀后分成2份，1份置于-20 ℃条件下冷冻保存，1份经低温冷冻干燥后粉碎。鲜样用于测定pH和发芽指数（GI），参照龚建英等（2012）的方法；干样用于测定总有机碳（TOC）、总有机质、灰分含量，并计算物料损失和碳素损失（Bernal at al.，1996），TOC含量采用有机肥行业标准（NY 525-2012）推荐方法进行测定，总有机质和灰分含量采用热灼烧法进行测定（常瑞雪 等，2017）；每天定时测定出气口NH3和 CO2的累积量（Mal iń ska et al.，2014）。CO2每天的累积量与7 d的累积量变化趋势相同，故选择使用7 d累积量作图。

式中：X1、X2为堆肥初始和最终的灰分含量；N1、N2为堆肥初始和最终的碳素含量。

1.4 数据处理

采用美国微软公司的Office Excel软件进行数据整理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同水溶性有机碳含量对堆肥过程中pH值的影响

有机物料的堆肥化过程其实就是其生物转化过程，pH是影响微生物生长繁殖的重要指标，pH值过高或过低都会影响微生物的活性，改变堆体中的微生物种类和群落，进而影响堆肥发酵的进程，不同水溶性有机碳含量对堆肥过程中pH值的影响如图2所示。堆肥发酵初期，各处理pH值均呈弱酸性；随着堆肥的进程，各处理pH值均呈先下降后迅速上升再缓慢下降至平稳的变化趋势。第7天各处理的pH值均已大于8；第14天各处理pH值均达到最大值；之后随着堆肥时间增加pH值呈缓慢下降趋势至稳定，堆肥结束时各处理pH值均在9左右。产生这种现象的原因是，堆肥初期物料中易降解的有机物较多，供氧不足，使得降解过程不完全，堆体中储存大量的代谢产物如有机酸，致使pH值呈下降趋势，且水溶性有机碳含量越高，pH值下降的趋势越明显；之后，随着堆肥微生物的继续降解和有机质分解，温度的升高，一部分有机酸挥发，还有一部分有机酸被逐步分解或是与其他物质合成腐殖质，同时含氮物质分解产生的氨使物料的pH值又回升；在堆肥后期，由于硝化细菌的硝化作用释放出的H+和氨挥发作用，导致堆肥物料pH值小幅度降低，最后基本稳定（金树权 等，2015），这种现象与张蓓（2012）所研究的不同C/N对玉米秸秆发酵影响的变化趋势一致。

图2 不同水溶性有机碳含量对堆肥过程中pH值的影响

2.2 不同水溶性有机碳含量对堆肥过程中CO2累积释放量的影响

在好氧堆肥初期，微生物对有机物的氧化分解会产生大量的CO2；随着堆肥的进程，由于可供利用的有机质不断减少，使得微生物活动减缓，释放出的CO2含量减少，因此可以根据堆肥CO2的排放量判断微生物代谢活动强度和堆肥产品的稳定性（Garcia et al.，1992；黄国锋 等，2003）；当CO2的排放量非常低甚至消失时，可以认为堆肥已达腐熟（李国学和张福锁，2000）。从图3可以看出，各处理CO2排放量均呈逐渐上升直至稳定的趋势。堆肥处理前7 d，各处理CO2的排放速率和排放量均为A2＞A3＞A1，这是因为A2和A3处理的水溶性有机碳含量高于A1处理，易于微生物的快速分解，有机质的矿化速率高，从而导致CO2产生较快。第28天开始，A3处理反应变缓，第42天已经达到基本稳定，处于腐熟状态；而A2处理一直处于快速反应中，到第42天也基本稳定；A1处理由于水溶性有机碳含量较低，反应一直都比较缓慢。第49天，各处理的CO2累积排放量为A3＞A2＞A1。表明添加可溶性有机碳可以明显促进堆肥中有机碳和有机氮的矿化，即土壤中已被证实的“碳激发效应”（Shen & Bartha，1996）。而且堆肥初始阶段，A2、A3处理的CO2总累积量高于A1处理，表明高水溶性有机碳含量有利于微生物的快速启动，可以促进有机物质的分解，使物料达到稳定化。

图3 不同水溶性有机碳含量对堆肥过程中CO2累积释放量的影响

2.3 不同水溶性有机碳含量对堆肥过程中碳素损失的影响

有机质为微生物的生命活动提供能源和其自身生长繁殖所需的组成物质（贺琪 等，2005）。在堆肥系统中，不稳定的有机质在微生物的作用下分解为CO2、H2O和矿物质，同时分解产物在微生物的作用下又重新合成新的化合物，即腐殖质。随着CO2的释放，总有机碳含量呈现逐渐减少的趋势（潘飞，2010）。从图4可以看出，堆肥初期各处理的碳素损失均呈现轻微波动；第7天开始，各处理均出现明显的碳素损失现象，其中A3处理的碳素损失速率最大；至第35天，A1和A3处理的碳素损失已经基本稳定；第49天时，A3处理的碳素损失达到59.6%，远高于A1（47.3%）和A2（50.6%）处理。堆肥物料全碳的损失在一定程度上可以反映出堆肥的腐熟降解过程，全碳含量下降速度快，说明堆肥腐熟降解进程快（徐智 等，2008）。Francou等（2008）的研究也表明，在堆肥过程中50%的有机碳会被微生物迅速降解并无机化，这些被微生物降解的有机碳的含量几乎和水溶性有机碳含量相当。由此表明，堆肥初始物料中较高的水溶性有机碳含量有利于堆肥原料的快速启动，可以促进堆肥发酵进程，加速堆肥物料的稳定与腐熟。

图4 不同水溶性有机碳含量对堆肥过程中碳素损失的影响

2.4 不同水溶性有机碳含量对堆肥过程中有机质含量和物料损失的影响

有机质含量的变化可间接表征堆肥进程和腐熟情况（郑国砥 等，2009），在堆肥过程中，有机质含量必然会随着堆肥时间的进行而逐渐减少，图5中有机质含量变化趋势即是如此。堆肥处理前7 d，各处理的有机质含量均缓慢下降；第7～35天，A3处理的降解速率急剧增加，远高于其他两个处理；第35天开始，各处理的降解速率均趋于缓慢。整个堆肥周期内，A3处理的有机质降解量最高。从试验结果来看，堆肥初始阶段可溶性有机碳含量越高，堆肥物料质量下降至稳定所需时间越短；总有机质降解越快，越有利于堆肥品质的稳定。

固体废弃物进行堆肥化处理的主要目的之一是将废弃物进行减量化。如图6所示，在整个堆肥过程中，3个处理的物料损失变化趋势基本一致，堆体质量不断减少。前7 d，各处理物料质量下降均比较缓慢；之后，A3处理的物料损失下降速率急剧增加，表明堆肥反应剧烈，主要是因为A3处理可溶性有机碳含量高，有利于微生物的分解作用，堆肥反应快；至第21天，A3处理已经基本达到腐熟，而A1和A2处理从第7天开始均呈持续稳定的下降趋势，直至堆肥周期结束也未达到稳定的状态；第49天，A1、A2和A3处理的物料损失分别为49.04%、41.14%和43.19%。表明堆肥初始物料中较高的水溶性有机碳含量，可以促进堆肥原料快速发生反应，有利于堆肥快速达到稳定。

图5 不同水溶性有机碳含量对堆肥过程中总有机质含量的影响

图6 不同水溶性有机碳含量对堆肥过程中物料损失的影响

2.5 不同水溶性有机碳含量对堆肥过程中发芽指数（GI）的影响

堆肥物料中难免含有对种子萌发和植物生长有抑制作用的毒性物质，经过适当的高温堆肥发酵后，这些毒性物质会被逐渐消除（Chanyasak et al.，1983）。一般采用发芽指数（GI）来评价堆肥产品的生物毒性和腐熟度，当GI＞50%时，可认为堆肥产品已腐熟，并达到了可接受的程度，即基本没有生物毒性（Zucconi et al.，1981）；若GI＞80%，则堆肥产品已经完全腐熟，且没有生物毒性（Tiquia et al.，2002）。从图7可以看出，各处理初始物料的GI值均小于5%；经过24 h的发酵，堆肥物料中原有的生物毒性物质被迅速降解，发芽指数逐渐上升；随着微生物对有机物质的不断降解，微生物代谢活动中产生大量的次级代谢产物对种子萌发表现出抑制作用，因此在第1～7天各处理发芽指数呈下降趋势；第7天后，有机物和次级代谢产物在微生物的进一步分解下，生物毒性物质含量逐渐降低，对种子萌发的抑制作用逐渐减弱，发芽指数呈持续上升的趋势，但是在第7～14天A3处理的发芽指数远低于其他处理，可能是由于A3处理水溶性有机碳含量过高，在微生物的代谢活动中产生较多的次级代谢产物抑制了种子萌发；第21天后，A3处理的GI值迅速上升，最先超过60%；第49天，A1、A2和A3的发芽指数分别为72.79%、86.62%和86.05%。表明初始物料中添加外源可溶性有机碳对堆肥的腐熟有明显的促进作用，初始物料中较高的水溶性有机碳含量有利于促进堆肥腐熟，缩短堆肥腐熟周期。

图7 不同水溶性有机碳含量对堆肥过程中发芽指数的影响

3 结论

控制堆肥物料C/N在一定范围之内，随着水溶性有机碳含量的增加，初始CO2的释放速率越高且堆肥周期内累积释放量越高，堆肥物料损失越高，堆肥腐熟周期越短，腐熟度越好，因此可以利用初始物料中的水溶性有机碳含量指导堆肥生产的物料配比。当初始混合物料中水溶性碳含量大于8%时，即可实现对有机废物的快速堆肥化处理，发酵效果良好；若初始混合物料中水溶性碳含量低于8%，则发酵周期较长，且不利于后续利用。

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