腐熟菌剂和辅料组合对蔬菜废弃物堆肥进程和腐熟度的影响

张 惠 段亚军 王小敏 宁国辉 张小雪 刘 猛 刘月涵 杨志新

（河北农业大学资源与环境科学学院，河北保定 071000）

近年来，我国蔬菜种植面积不断增加，2017年全国蔬菜播种面积已达1 998 万hm2，约是1987年的6 倍（中华人民共和国国家统计局，2018）。蔬菜产量和产废系数是影响蔬菜废弃物量的重要因素（段亚军 等，2020）。据估算，我国每年产生各类蔬菜废弃物超过6 亿t，这些蔬菜废弃物被大量弃置，甚至焚烧，造成了严重的环境污染与资源浪费（常瑞雪，2017）。

目前，蔬菜废弃物资源化利用的研究主要有直接还田、饲料生产、厌氧发酵、好氧堆肥（曾咏梅等，2006；张继 等，2007；刘荣厚 等，2008；席旭东 等，2010）。其中高温好氧堆肥具有操作简单、处理量大、能有效杀灭致病微生物和虫卵、堆肥营养全面、品质好等特点，已引起越来越多的关注。但是对于蔬菜废弃物的好氧堆肥利用尚处于发展阶段。由于蔬菜废弃物存在含水率高、易腐烂、C/N较低、微生物活性较小、木质纤维素难降解等特点，再加上蔬菜种类繁多，废弃物性质差异较大等因素（王丽英 等，2014；陈孟立，2019），使得蔬菜废弃物堆肥腐熟效果较差。

针对上述问题一些学者开展了相关研究，Kulcu 等（2008）认为混合原料堆肥的腐熟进程比单一原料堆肥快。另一些研究表明在蔬菜废弃物堆肥中添加畜禽粪便、玉米秸秆、杂草、花卉废物等辅料可以通过改善蔬菜废弃物的含水率、C/N 以及孔隙结构来提高堆肥质量（张相锋 等，2003；袁顺全 等，2010；宋春丽，2019）。同时，为了增加堆肥中的微生物活性，促进物料降解，加快堆肥腐熟，可进一步外源添加各种微生物菌剂。研究表明，在蔬菜废弃物堆肥中添加复合微生物菌剂可以缩短堆肥周期，提高有机质降解和腐殖质的形成，减少养分损失，降低堆肥对后茬作物的毒害，有助于促进堆肥腐熟进程，提高堆肥质量（龚建英 等，2012；刘微 等，2014；劳德坤 等，2015；徐路魏，2016；宋春丽，2019）。

不同腐熟菌剂与各种辅料配伍的堆肥效果存在着较大的差异。豆渣和风化煤分别是豆制产品生产中产生的残渣和地表浅层暴露经风化作用已经失去燃料价值的废弃物，其中富含大量的碳氮元素。有研究表明，在牛粪、蘑菇菌渣堆肥中添加豆渣、风化煤可以有效调节C/N、含水率，改善通气性，减少氮损失，提高堆肥腐熟进程与堆肥质量（孙志华 等，2012；王艮梅 等，2019）。因此将豆渣和风化煤作为蔬菜废弃物堆肥的辅料，不仅可以调节蔬菜废弃物的含水率、C/N 以及孔隙结构，同时风化煤中含有的再生腐植酸随堆肥产品施入土壤还可以改良土壤理化性质，促进作物生长（Fan et al.，2014；Nardi et al.，2016）。目前，我国对于叶菜类蔬菜废弃物的高温好氧堆肥技术研究较多（席旭东等，2010；劳德坤 等，2015；霍凯丽 等，2019；宋春丽，2019），而对于豆渣及风化煤作为辅料进行蔬菜废弃物堆肥的研究鲜有报道。鉴于此，本试验以黄瓜、番茄、西瓜废弃物为研究对象，以豆渣和风化煤为辅料，接种不同种类及剂量的秸秆腐熟菌剂，进行不同组合处理，开展好氧堆肥试验，研究各处理对蔬菜废弃物好氧堆肥中各项指标以及腐熟度的影响，以期为蔬菜废弃物好氧堆肥化技术提供重要的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥物料：黄瓜、番茄、西瓜废弃物来自河北省廊坊市永清县农村蔬菜种植基地，豆渣、风化煤废弃物（均为粉末状）购于永清市场。各物料的成分含量见表1。

表1 堆肥物料的成分含量

腐熟菌剂：腐熟菌剂A（芽孢杆菌、酵母菌）由廊坊大耕源肥业有限公司提供，含菌量≥5×108cfu·g-1；腐熟菌剂B（枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和米曲霉）由河北闰沃生物技术有限公司提供，含菌量≥5×108cfu·g-1。以上2 种腐熟菌剂均为粉剂。

1.2 试验方案

试验于2018 年9—10 月在廊坊大耕源肥业有限公司厂房内进行。将黄瓜、番茄、西瓜废弃物用粉碎机粉碎至3～5 cm，等比例混合备用，其碳氮比为29.61。以豆渣和风化煤作为辅料，接种不同用量的2 种腐熟菌剂进行堆肥试验。共设置6 个处理，每个处理的物料和菌剂具体用量详见表2。堆肥试验的具体操作过程如下。

表2 不同物料和腐熟菌剂组合处理方案

堆肥试验在2.4 m×1.2 m×1.2 m 的3.5 m3发酵箱中进行。堆肥原料分3 层进行混匀。首先在清理干净的地面上加入1 层蔬菜废弃物混合物料，然后加入1 层豆渣和风化煤辅料，撒上菌剂，再加入适量水，调节含水率达55%～65%，人工混匀。以相同的方法加入第2 层、第3 层堆肥原料及菌剂，再次进行混匀，完成后全部转入发酵箱中，采用室内静态高温好氧的方式进行发酵。为了避免堆温过高不利于微生物活动的现象出现，当监测温度超过55 ℃时，进行人工翻堆调控，保障好氧分解需要的氧气得到有效补充。

1.3 样品采集与指标测定

样品的采集：于堆肥后0、2、7、14、26、50 d 采用对角线取样法采集20、40、60 cm 深度处5 点不同位置样品装入封口袋中，混合均匀，四分法取出一部分放置在-20 ℃冰箱中保存，用于测定pH 值、EC 值、发芽指数（GI）；剩余样品进行风干、粉碎、过筛、保存，用于测定总有机碳（TOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）含量。

温度：从9 月2 日到10 月2 日，共30 d，每天10：00、16：00 采用对角线取样法测定20、40、60 cm 深度处3 点不同位置的温度，取其平均值作为堆体温度，并测定环境温度。

总有机碳、全氮、全磷、全钾含量：参照有机肥测定标准方法（NY525—2012）测定。

pH 值、EC 值测定：称取新鲜堆肥样品5 g 于100 mL 三角瓶中，按固液比1∶10 加入去离子水，在200 r·min-1的速度下振荡浸提30 min，得到堆肥浸提液，上清液过滤后备用。分别将校准过的pH 计和EC 计电极插入堆肥滤液中读取数据。

发芽指数（GI）：在培养皿中垫1 张滤纸，均匀放入20 粒饱满的普通白菜种子，加入滤液5 mL，在25 ℃培养箱中培养48 h 后测定发芽率和根长，参照李吉进等（2006）的方法计算发芽指数。

GI（%）=（堆肥浸提的种子发芽率×种子根长）/（蒸馏水的种子发芽率×种子根长）×100

1.4 数据统计分析

使用Microsoft Excel 2010 和SPSS 24.0 软件来进行试验数据统计分析与制图。

2 结果与分析

2.1 不同堆肥处理温度的变化

试验结果表明（图1），随着堆肥时间延长，各处理的堆肥温度呈现出上升-下降的波动变化趋势，符合好氧堆肥的基本发酵特点。在蔬菜废弃物中只添加腐熟菌剂不添加辅料的C5、C6 处理的温度上升最快，明显高于其他处理，比其他处理提前1 d 进入高温期，其中C5 处理在堆肥3 d 时温度达到最高值67 ℃，主要原因可能为不添加豆渣及风化煤的堆体物料孔隙度较大，氧气供应充足，而且C/N 相对较高，碳源充足，使得堆肥处理升温较快。堆肥6 d 时翻堆，之后添加0.2%腐熟菌剂B、20%豆渣以及2%风化煤辅料的C4 处理温度上升最快，达到最高温64.5 ℃；堆肥12 d 时，C5、C6 处理开始迅速降温，呈直线下降趋势，堆肥逐渐进入腐熟期，而其他处理仍然处于高温期，其中C4 处理仍可达到64.7 ℃的最高温度状态；添加0.2%腐熟菌剂A、20%豆渣以及2%风化煤辅料的C3 处理在堆肥20 d 时，堆温才开始下降，在堆肥25 d 时进入低温腐熟期，相对其他处理腐熟最为缓慢。在蔬菜废弃物堆肥过程中，无论发酵快慢各处理的堆体高温持续时间达到7～16 d，完全满足温度达55～65 ℃且持续时间不少于5 d 的腐熟标准（NY/T3441—2019）。综合来看，在各处理中，C5 处理堆肥温度最高、升温最快、腐熟期最短。

图1 不同堆肥处理温度的变化

2.2 不同堆肥处理总有机碳含量的变化

在堆肥过程中，微生物利用碳氮元素与堆肥过程中释放的能量合成自身生长物质，有机碳是微生物生长必不可少的碳源。如图2 所示，随着堆肥时间的变化，各处理总有机碳含量整体呈逐渐下降的趋势，且下降速度呈现“先快后慢”的特征，这与堆肥过程中微生物活动强度的“先升后降”有关。C1、C2、C3、C4 处理堆肥初始的总有机碳含量为59.2%，C5、C6 处理的有机碳含量为57.2%。堆肥至7 d 时，C1 处理的总有机碳含量为33.14%，显著低于C3、C4 和C6 处理，与C2、C5 处理的差异未达显著水平，各处理的有机碳降解速率为32%～78%，其中C1 处理降解最快；堆肥后26 d时，C1 处理的总有机碳含量显著低于C3、C5、C6处理，分别降低了23、29、24 百分点；堆肥结束时，各处理的总有机碳含量除C2 处理低于26.1%（根据有机肥标准中有机质≥45%折算）未达到标准，其他处理均满足条件。其中，C1 处理自堆肥后7 d到堆肥结束，总有机碳含量变化缓慢，优先达到稳定。可见，添加0.1%腐熟菌剂A、豆渣及风化煤辅料的堆体有机碳降解速率较快，更利于腐熟。

图2 不同堆肥处理总有机碳含量的变化

2.3 不同堆肥处理全氮磷钾养分含量的变化

氮素是衡量堆肥养分含量的一个重要指标。图3-a 反映了堆肥过程中的氮素变化。在堆肥初期（0～7 d），物料中含氮有机物被分解，以氨气挥发等形式损失，C6 处理的全氮含量显著低于其他处理，分别低于其他处理21～31 百分点；同样地，C5 处理的全氮含量也小于除了C6 之外的其他处理，说明不添加辅料的蔬菜废弃物堆肥时原料孔隙较大、不利于氮素累积。堆肥7 d 后全氮含量开始缓慢上升，其原因可能为：一是物料中的氮素通过硝化作用得到固定；二是堆体物料质量与体积的减小、水分的散失及有机质的降解而产生的“浓缩效应”。堆肥结束时，C1、C2、C4 处理的全氮含量比初期显著增加，分别增加了19、22、38 百分点，其中，C4 处理的增长幅度明显高于其他处理，说明C4 处理的保氮能力最优，这可能是由于豆渣及风化煤的添加导致物料孔隙较小不利于氨气挥发，且0.2%腐熟菌剂B 的添加有利于堆肥中微生物的硝化固氮作用所致。

磷和钾元素是堆肥过程中较稳定的元素，其绝对含量一般不会随着发酵过程的进行而出现显著的变化，但是，由于“浓缩效应”其相对含量会有所增加。图3-b 反映了全磷含量在堆肥过程中的变化。堆肥14 d 时，C4 处理的全磷含量显著增加，其他处理则未达到显著水平；发酵结束时，各处理的全磷含量较初堆期均有所增加，但只有C4 处理达到了显著性水平，增长了23 百分点。在堆肥结束后，C4、C5 处理的全钾含量差异不显著，但均较堆肥初期显著增加，分别增长了14、10 百分点（图3-c）。与其他处理相比，堆肥结束后C4 处理的全磷和全钾含量较高，可能与堆体体积减小以及温度较高、水分散失较快有关。

图3 不同堆肥处理全氮、全磷、全钾含量的变化

在堆肥结束时各处理的总养分（全氮、全磷和全钾）含量均符合有机肥料标准（总养分含量≥5%），其中C4 处理的总养分含量最高，达10.79%。综合来看，添加0.2%腐熟菌剂B 与豆渣及风化煤辅料的C4 处理保氮能力最优、磷钾养分含量最高。

2.4 不同堆肥处理C/N 的变化

一般研究认为，当堆肥C/N 小于17，或者T值（终点C/N 与初始C/N 的比值）小于0.6 时，堆肥达到腐熟。由图4 可知，随着堆肥的发酵，堆肥物料中C/N 整体呈下降趋势，但不同处理降速不同。C1 处理降低速率最快，堆肥7 d 时，各处理的C/N 范围为17.22～28.17。只有C1 处理接近腐熟，其他处理的C/N 远大于17，尚未达到腐熟状态。堆肥14 d 时，C1、C3、C4 和C5 处理的C/N 分别为16.67、15.11、14.90、15.92，堆肥达到腐熟且稳定性较好，其余尚未腐熟。堆肥26 d 时，C2 和C6处理的C/N 分别为12.81、15.83，也达到了腐熟。计算T 值可得，C1 处理在堆肥7 d 的T 值为0.66，接近腐熟；C1、C3、C4 和C5 处理的T 值在堆肥14 d 分别为0.59、0.57、0.57、0.53，达到腐熟；在堆肥26 d 时，所有处理的T 值为0.49～0.57，均小于0.6。可见，两种判断方法的腐熟趋势一致，C1处理的C/N 值和T 值较快达到腐熟水平。

图4 不同堆肥处理C/N 的变化

2.5 不同堆肥处理pH 值和EC 值的变化

pH 是影响微生物生长活动的重要指标之一，堆肥的pH 值一般会受堆肥物料的影响，腐熟的堆肥一般呈弱碱性，pH 值在8～9。由图5-a 可知，堆肥2 d 时，各处理的pH 值大小依次为C6 ≈C5 ＞C1 ≈C2 ＞C4 ＞C3；添加豆渣及风化煤辅料的处理pH 均下降，可能是由于初始堆料空隙较小且含水率高，通气不畅，微生物降解糖类等易降解物质，产生大量的有机酸，使得pH 下降。C3 处理的pH 值为8.39，显著低于其他处理，只添加腐熟菌剂的C5、C6 处理两者之间无显著性差异。随后各处理由于有机酸被分解为腐殖质，同时生成NH3，使得pH 回升；堆肥14 d 时，各处理的pH范围为8.90～9.45，其中C6 处理最高。随着发酵时间延长硝化作用增强，导致pH 又开始下降；发酵结束后，各处理的pH 值介于8.41～9.20，其中C4 处理为8.41，显著低于其他处理，满足国家有机肥腐熟标准（pH 为5.5～8.5），其他处理均高于8.89，呈现碱性，略高于8.5 的标准，可能与本材料自身的特性有关，可通过其他措施微调pH 值达到国家标准。

EC 值反映了堆肥浸提液中的可溶性盐含量，盐含量过高对植物有一定的毒害作用，因此，EC值是判断堆肥腐熟的必要条件，一般认为堆体的EC 值小于4 mS·cm-1时，可以安全使用。从图5-b可以看出，堆肥过程中的EC 值整体均呈缓慢增加趋势。C1 处理的EC 值由3.16 mS·cm-1上升至3.52 mS·cm-1，无显著性变化，且全过程均小于4 mS·cm-1这一安全限值；C2、C3、C4、C5 和C6 处理的EC 值分别升至4.45、4.38、4.11、5.41 mS·cm-1和4.48 mS·cm-1，与初始值相比均达到显著水平，整个堆肥期间EC 值介于4～6 mS·cm-1之间。可见，C1 处理在整个堆肥过程中的可溶性盐含量最低，最安全。

图5 不同堆肥处理pH 值和EC 值的变化

2.6 不同堆肥处理种子发芽指数的变化

种子发芽指数（GI）是检验堆肥对植物毒害作用的指标，同时也是判断堆肥腐熟程度的重要指标之一。一般认为，发芽指数大于50%时，堆肥样品基本对植物无毒害作用；当发芽指数大于80%时，堆肥样品对植物生长完全没有毒害作用，堆肥达到腐熟程度。由图6 可知，整个堆肥期间，GI 呈上升趋势。堆肥初期，堆体形成的有毒物质抑制了种子的萌发，C1～C6 处理的GI 仅在19%～32%。随着堆肥时间的延长，有毒有害物质被逐渐分解，在堆肥14 d 时，各处理的GI 均大于50%，达到基本腐熟，其中，C1 处理的GI最高，达到65%；堆肥26 d 时，除C3、C6 处理外，其他处理的GI 均达到80%以上，对植物生长完全没有毒害作用；堆肥结束后，各处理的GI 为84%～103%，C1 处理最高。对比不同堆肥处理发芽指数的增长速率，堆肥结束后各处理的发芽指数是堆肥2 d 时的2.96～4.90 倍，其中C1 处理的增长速率最快。可见，添加0.1%腐熟菌剂A、20%豆渣以及2%风化煤辅料处理的发芽指数增长最快。

图6 不同堆肥处理种子发芽指数的变化

综合堆肥的温度、总有机碳、氮磷钾总养分、C/N、pH、EC 和GI 各项指标的表现发现，在堆肥温度上，C5 处理的堆肥温度最高、升温最快、腐熟期短；在总有机碳变化上，C1 处理的堆体有机碳降解速率较快，更利于腐熟；在氮磷钾养分总量上，C4 处理在堆肥结束后养分含量最高，养分流失最低；在C/N 表现上，C1 处理的C/N 值优先达到腐熟水平，缩短了腐熟时间；在pH 值方面，C4处理的pH 为8.41，显著低于其他处理，满足国家有机肥腐熟标准；在EC 值方面，C1 处理全过程的EC 值均小于4 mS·cm-1，优于其他处理；在GI 指标上，C1 处理的发芽指数增长最快。因此，本试验优先推荐添加0.1%腐熟菌剂A、20%豆渣以及2%风化煤辅料的C1 处理作为黄瓜、番茄和西瓜混合废弃物堆肥的技术参数，其次选择添加0.2%腐熟菌剂B、20%豆渣以及2%风化煤辅料的C4 处理。

3 讨论

堆肥是利用微生物降解固体废弃物实现有机物转化为腐殖质的复杂生化反应过程，微生物在此过程中发挥着重要的作用。本试验通过接种不同用量及种类的腐熟菌剂在各堆肥指标上的差异变化也证实了这一点。本试验中仅添加腐熟菌剂不使用豆渣风化煤辅料的C5、C6 处理升温较快，比其他处理提前1 d 进入高温期，添加0.2%腐熟菌剂A 的C5处理在堆肥3 d 时达到最高温67 ℃，比C3 处理（0.2%腐熟菌剂A和辅料）提高了28.8%，添加0.2%腐熟菌剂B 的C6 处理比C4 处理（0.2%腐熟菌剂B 和辅料）提高了5.7%；但是，未添加辅料的处理高温持续时间（7～8 d）低于其他处理（9～16 d）。原因可能为豆渣风化煤的添加使得堆体的孔隙度较小、通气不畅以及碳源较低导致氧气短缺，造成升温速度较慢，但是保温效果较好。孙志华等（2012）的研究也表明添加20%的风化煤会使堆体体积质量增大，通气性减弱，比添加10%风化煤的处理升温慢。

在本试验中，添加0.1%腐熟菌剂A、豆渣及风化煤辅料的C1 处理的总有机碳降解速率最快，C/N 值在堆肥7 d 时接近17（Moldes et al.，2007）且T 值也接近0.6（Morel et al.，1985），堆肥达到腐熟，说明添加辅料与微生物菌剂可以提高有机碳的降解、加快堆肥的腐熟进程。孙志华等（2012）、薛梅（2016）和王艮梅等（2019）的研究结果也证实了在牛羊粪、菌渣和废弃秸秆堆肥中加入风化煤和豆渣可以加快堆肥腐熟。同时，C1 处理的EC值在堆肥过程中始终小于4 mS·cm-1，符合堆肥腐熟度的要求，对植物的生长无抑制作用（Sharma et al.，2014）。GI 是检验堆肥对植物毒害作用的生物指标。当GI＞50%时表明堆肥样品基本无毒性，当GI ＞80%时表明堆肥样品对植物生长完全没有毒害作用，且堆肥达到腐熟程度（Riffaldi et al.，1986；Bustamante et al.，2008）。在本试验中C1处理的发芽指数增长最快，堆肥14 d 时GI 达到65%，在堆肥26 d 时GI 达80%以上，对植物不再表现毒害作用。宋春丽（2019）的研究也证实了在蔬菜废弃物中添加秸秆、杂草与微生物菌剂可以促进堆肥的腐熟进程，同时降低堆肥产品对植物发芽和生长的不良影响。

堆体中的养分含量（氮、磷、钾）是植物生长的主要营养元素，在好氧堆肥过程中，由于氨气等挥发、有机物的降解、堆体质量与体积的减小及水分散失导致的“浓缩效应”，使得堆肥结束时的养分含量较初期有所增加（兰时乐 等，2009；李光义 等，2011）。本试验中氮、磷、钾含量变化趋势同前人研究结果一致，且堆肥50 d 后各处理养分含量均符合有机肥标准。其中，添加0.2%腐熟菌剂B 和辅料的C4 处理在堆肥过程中养分流失最低，堆肥结束时总养分（全氮、全磷和全钾）含量分别比C2 处理（辅料+0.1%腐熟菌剂B）、C3 处理（辅料+0.2%腐熟菌剂A）和C6 处理（0.2%腐熟菌剂B）显著提高了13、8、11 百分点；说明添加辅料和腐熟菌剂B 可以提高堆肥产品的养分含量，且0.2%腐熟菌剂B 的保氮能力较好，养分流失较少，提高了堆肥产品的品质。刘微等（2014）的研究也证实了添加辅料和复合微生物菌剂可以减少养分的损失，提高堆肥产品的品质，与本试验结果一致。

4 结论

在蔬菜废弃物堆肥中，仅添加腐熟菌剂的处理升降温较快，高温持续时间短，腐熟效果不佳。添加了0.1%腐熟菌剂A、20%豆渣以及2%风化煤辅料的C1 处理显著促进了有机碳的降解，加快了腐熟进程，EC 值始终保持在4 mS·cm-1的安全水平，发芽指数增长最快，腐熟水平优于其他处理，优先推荐此处理为黄瓜、番茄和西瓜混合废弃物堆肥的配方。添加0.2%腐熟菌剂B、20%豆渣及2%风化煤辅料的C4 处理堆肥产品氮磷钾养分含量最高，达10.79%，pH 值显著低于其他处理，为8.41，符合国家有机肥腐熟标准，也可以作为黄瓜、番茄和西瓜废弃物堆肥的一种配方选择方案。