不同湿度葡萄冬剪废弃物堆肥效果研究

商佳胤，李凯，王丹，苏宏，张鹤，田淑芬，董永

（1.天津市农业科学院，天津 300192；2.天津农学院 300384；3.天津双街农业科技有限公司，天津 300403）

近几年，随着我国葡萄产业的快速发展，葡萄园修剪废弃物的无害化处理显得越来越重要。果树修剪枝条乱堆、乱放不仅会导致资源的浪费，还会引起病虫害传播和火灾隐患[1]，而直接焚烧处理会加剧空气污染[2]。根据本课题组前期的研究，不同葡萄品种和种植模式在丰产期每667 m2每年可以产生110～170 kg冬季修剪废弃物，如果采用随意丢弃甚至焚烧的方式，会给葡萄园及周围环境造成极大的负面影响。作为果园废弃物，葡萄枝条中含有丰富的生物质能源[3]、有机活性物质[4-5]和无机元素[6-7]，枝条还田可提高土壤有机质含量，降低化肥的施用量，提高作物的产量和品质[8-10]，具有显著的经济和环境效应[8]。

前人针对发酵菌剂、堆肥物料、堆肥温度对堆肥效果的影响开展了诸多研究。报道中发现，在堆肥过程中添加有机物或微生物菌剂能提高碳源的利用率，通过改变堆肥过程中生物酶活性以及微生物功能多样性，了解堆肥腐熟程度有着非常重要的价值[11-12]。添加畜禽粪便可以改善堆肥环境，提高堆肥效率和后期还田肥力[13-15]，堆肥积温则与堆肥进程的腐熟度有关[16]。因此，研究堆肥过程中温度、营养成分以及各种酶活性的变化对于了解堆肥效果有非常重要的价值。

调节堆肥初始含水量是最简单经济的改善发酵环境的方法，但是前人关于水分对葡萄枝条的堆肥效果以及对于堆肥进程相关营养和酶活性指标研究还比较少。因此，设计不同的初始补水处理方法，希望获得处理葡萄冬季修剪废弃物堆肥最佳、最经济的水分补充方案。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2018年1月至5月在天津市农业科学院创新基地和天津双街农业科技有限公司基地进行。葡萄冬季修剪废弃物为天津双街农业科技有限公司基地设施种植的5年生‘夏黑’葡萄。冬季修剪后，使用大型园林枝干破碎机进行枝条粉碎，然后在天津市农业科学院创新基地进行堆肥试验。试验设置5个处理，每个堆肥葡萄枝条质量为10 kg，按照堆肥质量的5%、10%、15%、20%、25%补水，然后混拌。每个处理3次重复，以不补水为对照（CK）。

1.2 试验管理及取样

根据温度变化，堆肥开始后前2周，每周翻1次堆，保证堆温不超过70 ℃。使用“杭州路格科技有限公司”生产的温湿度记录仪全天记录堆体多点温度，记录间隔为1 h，每个处理设置2个探头，以其算术平均值描述堆体温度的变化。堆肥周期为75 d，其中在堆肥过程中分别在第15天和第75天各采样一次。采样方式为五点采样法，即在中心及四角部位采集样品共约200 g，采样点为堆体表面以下20～30 cm处。将采集的新鲜样品放于室内风干粉碎后用于测定各指标。

1.3 测定指标与方法

总有机碳采用有机肥料行业标准（NY 525—2002）中规定的方法测定；全氮使用GB 7173—87d半微量开氏法测定；C/N采用总有机碳与全氮的值进行计算；全磷含量采用试剂盒比色法测定；全钾含量采用GB 9836—88：土壤全钾测定法测定；蛋白酶、脲酶、纤维素酶、硝酸还原酶、蔗糖酶均采用酶联免疫吸附法测定（ELISA）。

1.4 数据分析

数据统计采用SPSS 24.0进行单因素的方差分析，使用T-best法进行显著性分析，使用皮尔逊双变量法进行相关性分析；使用Excel 2007进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 不同处理堆肥过程中温度的变化

温度是影响微生物生长与繁殖的最显著因子，也是堆肥过程控制中的最重要物理参数之一。高温可杀死病原菌，且在适当的范围内有助于降解有机质。因此，堆体温度的高低决定堆肥速度。从图1中可以看出，所有处理堆肥的温度变化趋势基本一致，经历迅速升温阶段、高温阶段和后熟降温阶段。补水处理分别在11、12、13、11、12 d温度升到50 ℃以上，可见补水处理对于堆肥达到高温的时间影响不大。在达到高温维持天数和堆肥最高温方面，W5%处理为8 d，最高温为55.31 ℃，出现在第17天；W10%处理为7 d，最高温为59.33 ℃，出现在第14天；W15%为11 d，最高温为63.35 ℃，出现在第14天；W20%为9 d，最高温为61.27 ℃，出现在第14天；W25%为7 d，最高温为59.65 ℃，出现在第13天；对照为8 d，最高温为56.89 ℃，出现在第12天。可见，5个处理和对照的堆肥温度最高温出现的时间差异不大，基本都在第11天以后出现，但是堆肥高温维持时间差异显著，表现为W15%处理最高温及维持时间高于其它处理。

图1 不同补水处理堆肥过程中温度的变化Figure 1 Dynamics of temperature during the composting in different treatments

2.2 不同处理堆肥日平均积温

由从图2中可以看出，0～25 d时，W15%的积温最高，为1131.78 ℃，显著高于其它处理，各处理间差异不明显，可见，提高堆肥湿度可以提高堆肥前期温度。在26～50 d时，各处理间以及处理和对照间均无显著差异；在51～75 d时，高水分处理（W20%和W25%）的积温显著高于低水分处理。从总的积温可以看出，W15%（2609.38 ℃）积温显著高于其它处理，W5%和W10%与对照的差异不显著，但是高含水量处理W20%和W25%则显著低于对照。

图2 不同处理的堆肥积温Figure 2 Cumulative temperatures of composts with different treatments

2.3 含水量对修剪废弃物堆肥的理化指标影响

在整个堆肥过程中，碳作为堆料中各种微生物优先利用的能源物质，被微生物不断分解利用并以CO2和H2O的形式挥发。由表1可以看出，堆肥后15 d，所有处理在总有机碳含量较初值的40.50%均有显著降低，全氮含量较初值的0.76%有所上升，C/N则较初值（53.29%）显著下降；5个处理的总有机碳、全氮、C/N和全钾与对照相比均无显著差异；W5%和对照在全磷含量无显著差异，但是均显著高于另外4个处理。堆肥75 d时，各处理和对照的总有机碳含量较堆肥15 d时均有一定程度地下降，分别降低24.37%、22.89%、29.15%、29.81%、31.79%和20.21%，可见增加枝条堆肥初始的含水量，对于碳的转化均有一定提升作用。与此同时，堆肥75 d与堆肥15 d相比，5个处理的全氮含量则有升有降，无明显规律；在衡量堆肥效果主要指标碳氮比方面，随着堆肥时间的延长，其碳氮比均明显下降，分别降低27.23%、25.03%、25.42%、26.02%、22.05%和9.17%。有研究认为[16-18]，当T（终点C/N与初始C/N的比）值小于0.6时，表示堆肥已达腐熟，说明在堆肥过程中，C/N较初值下降速率越快，其堆肥腐熟越快。在堆肥过程中全磷在处理间无明显得规律；全钾则表现为初始含水量高的处理（10%、15%、20%、25%）显著高于低含量处理W5%和对照。

表1 不同处理堆肥的营养指标变化Table 1 Changes of nutrient indexes in compost with different treatments

2.4 含水量对修剪废弃物堆肥活性酶的影响

由表2可以看出，各处理在堆肥过程中的5种酶活性基本表现出15 d高于75 d的结果。但是，不同处理的酶活性存在一定的差异，其中蛋白酶、硝酸还原酶和蔗糖酶在堆肥15 d和75 d无明显趋势；脲酶和纤维素酶在堆肥15 d和75 d表现为初始含水量高的处理（10%、15%、20%、25%）其活性显著高于W5%和对照。在堆肥75 d时，含水量最高的2个处理其酶活性显著高于其它处理和对照。

表2 不同处理堆肥的活性酶变化Table 2 Changes of active enzymes in different composting treatments

2.5 含水量对堆肥指标影响的相关性分析

总有机碳、全氮和C/N，以及蛋白酶和脲酶等是堆肥进程的重要指标。通过对10个枝条腐熟指标进行相关性分析发现（表3），在主要营养成分方面，总有机碳与C/N呈极显著相关性，与全磷和蔗糖酶呈显著相关性。C/N、全磷和全钾与其它各指标均无显著相关性。对于5个酶活性的分析发现，蛋白酶与其它各指标均无显著相关性；纤维素酶与脲酶和硝酸还原酶呈极显著相关；蔗糖酶与总有机碳呈显著相关性。

表3 不同处理堆肥指标影响的相关性分析Table 3 Correlation analysis of different composting indexes

3 讨论与结论

果树枝条中含有大量的纤维素和木质素，许多研究结果已经证实纤维素和木质纤维素的降解可限制堆肥腐熟进程[19]。本研究结果显示，补充水分不会影响堆肥达到高温的时间，但是W15%最高温、高温维持时间和总积温高于其它处理和对照，说明该处理为堆肥创造的高温环境效果更好；水分含量≥20%时，会影响堆肥的总积温。

碳氮比是重要的堆肥进程指标，碳氮比的高低影响堆肥的进程。有研究表明[20]，C/N低，有机质降解强度小，温度上升迅速，高温期及堆肥周期短，积温低；C/N高，有机质降解强度大，微生物分解速度缓慢，温度上升慢，高温期及堆肥周期长，积温高。因此，总有机碳、全氮和C/N会间接影响堆肥的温度，直接影响堆肥效果。从本研究结果看，补充水分可以提高碳的转化效率；同时，初始含水量高（＞5%）的处理堆肥后其全钾的含量较高。

堆肥的肥化过程是在一系列酶的作用下，把大分子有机物转化成对环境无害、对作物安全的生物化学过程[19,21]。本研究也表明，在堆肥温度较高的15 d时，测定的5种酶活性普遍高于温度下降后的75 d；初始含水量高的处理，其脲酶和纤维素酶活性更高。相关性方面，蔗糖酶与总有机碳呈显著的相关性，而纤维素酶与脲酶和硝酸还原酶呈极显著的相关性。综上所述，在堆肥初始阶段，补充堆肥质量的15%的水分效果最佳。