鸡粪添加对蔬菜废弃物堆肥腐殖化过程的影响*

张 陆,曹玉博,王惟帅,张新媛,王 选,5,姚培清,刘 双,王 红,

马 林1,2**

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/河北省土壤生态学重点实验室/中国科学院农业水资源重点实验室 石家庄 050022; 2.中国科学院大学 北京 100049; 3.沧州市青县农业农村局 沧州 062650; 4.河北省畜牧总站 石家庄 050030; 5.中国科学院雄安创新研究院 雄安 071700)

中国蔬菜废弃物的年产生量高达2.45 亿t,且随着人口和消费需求的急剧增加,产生量将进一步加大。蔬菜废弃物是指蔬菜产品在收获、加工以及运输过程中丢弃的无商品价值的根、茎、叶、烂果以及尾菜等。蔬菜废弃物具有营养成分高、有机质含量丰富等特点,主要的资源化利用途径为还田处理,但是,直接还田易造成病原菌等有害物质的传播。好氧堆肥可通过高温发酵对蔬菜废弃物进行无害化处理,杀死蔬菜废弃物中的虫卵、病原菌、草籽等,并使废弃物转化为有机肥,是实现蔬菜废弃物无害化和资源化的有效措施。其中瓜果类蔬菜生产过程中会产生大量的藤秧类废弃物,约占蔬菜总产量的10%～28%,且多被弃置在蔬菜产地,造成了环境污染,同时瓜果类蔬菜中间生产过程中易因病虫害产生大量黄化干枯的藤秧,黄化干枯后的藤秧具有含水量低、木质纤维素含量高等特点,难以进行单独堆肥。 鸡粪含水量大,C/N 比低,其所含的丰富的活性物质对促进堆肥启动起着重要作用。此外,联合堆肥可同时管理不同类型的废弃物,提高处理效率。

堆肥过程中有机质转化包括矿化和腐殖化两种途径,大分子有机质在堆肥前期被降解为小分子物质,小分子物质或被微生物矿化为CO排放到空气中,或在堆肥后期通过特定途径聚合形成腐殖质;CO过量排放易引起温室效应,并降低堆肥产品碳含量。因此,加强腐殖化过程对减少环境污染和提高堆肥产品质量均具有重要意义。研究表明,鸡粪中富含易降解组分和活性微生物,添加鸡粪可提高蔬菜废弃物堆肥过程中微生物的活性,加快木质纤维素等有机质组分的降解。木质纤维素降解产物,如多酚和碳水化合物,可作为前体物质参与腐殖酸(HA)的形成; 但由于前体物质较为简单,易被微生物进一步矿化,以CO形式排放。然而目前关于鸡粪等易降解活性物质添加对黄化干枯的蔬菜废弃物堆肥过程中腐殖化的影响尚不清楚。

因此,本试验以黄化干枯的瓜果类蔬菜藤秧为主料,利用实验室堆肥反应装置进行堆肥试验,探讨了鸡粪添加比例(25%、50%)对瓜秧堆肥过程中有机质降解及腐殖化过程的影响,并明确影响瓜秧堆肥过程中腐熟程度的关键因素,从而为畜禽粪便与蔬菜废弃物联合处理提供新思路,为提高堆肥产品腐殖化程度提供新途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究堆肥试验原料为黄化干枯的甜瓜()秧,取自于河北省沧州市青县的温室大棚,将瓜秧切段后粉碎为<5 cm 的小段后用于堆肥。鸡粪取自于中国科学院栾城农业生态系统试验站周边养殖场。瓜秧与鸡粪的基本理化性质如表1 所示。

表1 堆肥材料的理化性状Table 1 Characters of composting materials

1.2 试验设计

试验在中国科学院栾城农业生态系统试验站实验室内进行,采用50 L 不锈钢堆肥反应器装置进行堆肥试验。反应器底部和顶部分别置有进气口和出气口,反应器内置温度传感器,与温度记录仪相连,实时监测和记录温度数据,反应器系统详细描述参考文献[15]。

堆肥试验以甜瓜秧为主料,鸡粪为辅料,旨在探究不同鸡粪添加比例对堆肥腐殖化的影响。共设置3 个处理:鸡粪添加比例(鲜重计,/)依次为0 (CK)、25% (CM25)和50% (CM50),同时以水调节各处理的初始含水率均至60%左右,物料充分混合均匀后放入发酵罐中,采用底部供气的方式,通气速率设置为0.01 m∙m∙min,堆肥发酵周期设定为35 d。各处理中物料配比和理化性质如表2 所示。

表2 试验处理及初始理化性质Table 2 Experimental treatments and initial physicochemical properties

在堆肥第0 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、35 d进行翻堆并取样,共采集7 次样品。所有样品采集时,均按照多点取样法取样,并将每次采集的样品进行充分混合均匀,将混合样品分为两份,一份经风干后过80 目筛后备用,用于有机质(OM)、总氮(TN)、木质纤维素(Lce)、腐殖质(HS)、富里酸(FA)、腐殖酸(HA)的测定; 另一份进行−20 ℃冷冻保存,待样品收集齐后统一进行pH、电导率(EC)、发芽指数(GI)、含水量(MC)、可溶性有机碳(DOC)以及水溶性氮(SN)等的测定。

1.3 样品分析

堆肥温度通过固定在堆肥罐体中央的温度传感器检测,每1 h 自动记录1 次; 含水率通过105 ℃烘干法测得; 新鲜样品与蒸馏水按1∶10 比例混合,室温振荡30 min 后过滤,获得浸提液,利用pH 计和电导率仪测定pH 和EC 值; 发芽指数的测定参考文献[15],将10 颗水芹()种子和10 mL 堆肥浸提液加入垫有滤纸的培养皿中,培养皿在恒温(25 ℃)下培养48 h 测量发芽数和根长,同时以蒸馏水作为空白对照,GI 的计算公式如式1 所示:

按上述方式获得浸提液后,将浸提液过0.45 μm的滤膜,稀释合适倍数后用流动分析仪(Vario TOCselect,Elementar,Germany)测定DOC、SN 含量。

有机质(OM)的测定采用马弗炉550 ℃灼烧法,灼烧后剩余部分为灰分; 全氮(TN)含量采用凯氏定氮法测定; 木质纤维素含量采用范式洗涤法; 有机质损失及木质纤维素降解公式如式2 所示:

式中:为有机质或木质纤维素降解率(%),1、2为初始和最终灰分含量,1、2 为初始和最终有机质或木质纤维素含量。

腐殖质(HS)含量及组分(HA、FA)测定采用絮凝容量法,腐殖化指数(HI)、聚合度(DP)计算如公式4、公式5 所示:

式中:为腐殖质-碳含量,为腐殖酸-碳含量,为富里酸-碳含量,TOC 为总有机碳含量。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 进行试验数据处理和图表绘制,采用SPSS 21.0 统计软件进行显著性和相关性分析,冗余分析采用R version 4.0.2 中vegan 包制作。

2 结果与分析

2.1 鸡粪添加比例对堆肥过程中理化性质的影响

堆体的温度变化可体现微生物代谢活动的强弱,是反映堆肥进程的重要标志,根据温度可将堆肥划分为:升温期、高温期(>55 ℃)、降温期和腐熟期。如图1a 所示,在以干瓜秧为主料的堆肥过程中,堆体在堆肥开始的第1 d 内均开始升温,而CK 处理升温缓慢,且CM25 和CM50 处理温度高于CK,表明添加鸡粪利于堆肥的启动。CM25 和CM50 处理温度在第1 d 内即达到峰值,分别为66 ℃和68 ℃,且高温期持续时间可达7 d; 而CK 处理整个堆肥过程中最高温度仅能达到55 ℃,且仅能保持1 d。在好氧堆肥过程中,堆体中的细菌、真菌等微生物分解有机物过程中会释放热量、形成高温环境,从而达到杀灭病原菌的目的。CM25 和CM50 处理在55 ℃以上均保持了7 d,达到了堆肥化标准(GB/T 36195−2018)。所有处理在14 d 后温度不再上升,表明易降解物质消耗殆尽,微生物活动减少,堆肥进入腐熟期。整体来讲,添加鸡粪提供了更多的可利用有机质,利于堆肥的启动,显著提高了堆体温度并延长高温持续时间,实现无害化。

pH 同样是影响堆肥的一个重要因素,pH 过高或过低均不利于微生物的生长。堆肥过程中,微生物降解活性的最佳pH 为7～8。如图1b 所示,堆肥过程中3 个处理的pH 整体呈现上升的趋势,在堆肥开始的前3 d,pH 均出现快速上升的现象,主要是由于前期有机氮矿化和有机酸降解所导致,而随后NH的挥发导致pH 降低; 堆肥后期,pH 的缓慢上升可能由于部分有机酸的降解。所有处理最终的pH值稳定在8.5 左右,达到成熟堆肥产品的普遍要求。

可溶性有机碳(DOC)为高活性的有机碳组分,大分子有机碳可通过水解作用形成DOC,DOC 可直接被微生物消耗利用或通过聚合作用形成大分子腐殖质物质,其转化可反映出堆肥物料可降解的强度和堆肥进程,如图1c 所示,初始物料的DOC 含量随着鸡粪添加比例的增加而增加,这在一定程度上解释了添加鸡粪后堆体升温加快的原因,即添加鸡粪提高了物料初始可利用碳含量和微生物活性。堆肥前3 d,DOC 含量均呈现显著下降趋势,表明前期微生物活性较高,消耗了大部分的DOC,第3 d 时3个处理的DOC 含量已下降至相同水平,而随后木质纤维素等难降解组分的降解促进了DOC 的形成,导致浓度出现回升现象; 而后7～21 d,CM50 处理的DOC 含量高于CK、CM25 处理,由于此期间CM50 处理木质纤维素降解率较高(图2b),形成了更多DOC(图1c),而CM25 处理DOC 浓度较低,可能是DOC 中腐殖酸前体物聚合形成了腐殖酸,这与腐殖酸的变化规律也相符合(图3c)。鸡粪添加比例的增加同样提高了初始水溶性氮(SN)的含量(图1d),前期有机氮的矿化增加了SN 含量,而随着氮素损失(NH挥发、NO 排放)以及微生物固持和腐殖化作用,SN 含量逐渐下降,整个堆肥过程中,添加鸡粪处理(CM25、CM50)的水溶性氮的变化相对较小,可能由于添加鸡粪增加了微生物量,微生物对无机氮的释放和固持作用稳定了堆肥中的无机氮库。

图1 添加不同比例鸡粪下堆肥过程中的理化性质变化Fig.1 Variations of physicochemical properties during composting under different addition rates of chicken manure

C/N 是影响堆肥过程和堆肥产品质量的关键因素之一。如图1e 所示,堆肥物料初始C/N 分别为16.47、15.76 和15.27,添加鸡粪降低了初始物料的C/N,但影响相对较小,是由于鸡粪添加按照鲜重计算,而实际加入的干物质量相对较少,堆肥前3 d C/N 比呈现上升现象,主要是由于前期NH的挥发量较高,造成了氮素的大量损失,随后氮素损失减少,碳素损失相对较多,C/N 呈现逐渐下降的趋势,3 个处理最终C/N 分别降至13.44、 13.23 和10.48,CM50 处理的最终C/N 显著低于CK 和CM25 处理(<0.01),是由于CM50 处理总有机质损失率较高所致(图2c)。堆肥物料的总C/N 变化易受到有机质组成成分的影响,尤其是木质纤维素等难降解组分,而堆肥中的生化反应主要发生在水相中,微生物可直接利用水溶性碳氮组分,因此相比较于总C/N,可溶性C/N 更适合作为衡量堆肥稳定性的指标,2 个处理的可溶性C/N 在整个堆肥过程中呈现逐步下降的趋势(图1f),最终堆肥产品的可溶性C/N 稳定在5～6,堆肥产品已达稳定水平。

2.2 鸡粪添加比例对堆肥过程中有机质组分降解的影响

如图2a 所示,有机质(OM)在堆肥0～14 d 降解较快,这与温度变化特征相符合。3 个处理的有机质降解率分别达54%、53%、64% (图2c),其中CM25处理降解率较低,与其腐殖化作用较强有关,而CM50 处理有机质降解率最高。CM50 处理在14～21 d之间有机质呈明显降低趋势,是由于添加50%的鸡粪提供了大量的活性微生物和易降解组分,木质纤维素等难降解组分被微生物降解成小分子有机质;且此期间SN 含量降低较小,在较高的SN 环境下有机质被微生物进一步矿化分解,最终以CO的形式损失,表明堆肥中SN 等活性物质是影响堆肥后期微生物矿化及同化合成的关键因素。

木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素和木质素3 种组分,其中纤维素和半纤维素被木质素所包裹,从而限制了微生物对纤维素降解和转化。瓜秧堆肥过程,木质纤维素组分在前3 d 呈现上升的趋势(图2b),主要由于前期易降解组分先被微生物利用转化,从而导致木质纤维素浓度升高; 木质纤维素在3～7 d 内降解率最高,随后降解趋势趋于平缓,3 个处理木质纤维素降解率分别达到59%、61%和69%(图2c)。可见鸡粪添加量越高,木质纤维素的降解率越高,表明鸡粪添加可提高堆肥过程中的微生物活性,加快了难降解组分的降解。

图2 添加不同比例鸡粪下堆肥过程中有机质含量及木质纤维素含量的变化Fig.2 Variation of organic matter content and lignocellulose content during composting under different addition rates of chicken manure

2.3 鸡粪添加比例对堆肥过程中腐殖质组分的影响

腐殖质(HS)是在微生物和酶的作用下形成的具有不同分子量的有机聚合物,除具有改善土壤性质,增加土壤肥力的作用外,同时能够吸附土壤重金属和有机污染物等功能。腐殖质(HS)主要包含腐殖酸(HA)和富里酸(FA)两种组分,其中HA 为大分子复合物,活性相对稳定,而FA 分子量较小,活性较高,可被微生物分解利用。本研究表明,初始堆肥物料中,FA 为HS 的主要组分。各处理的HS 含量在堆肥前期呈现快速下降的趋势(图3a),这主要与FA 含量的急剧下降有关; 随后,HS 含量呈现缓慢下降的趋势,可能由于HA 的生成量低于FA 的降解量,这与Zhou 等的研究结果相似。在堆肥产品中,CK、CM25、CM50 处理的HS 含量分别为90 g∙kg、98 g∙kg和84 g∙kg,其中CM25 处理的HS 含量最高,表明添加25%的鸡粪促进了腐殖质的形成。

FA 的变化趋势与HS 的变化趋势相似,如图3b所示,FA 在整个堆肥过程中逐步下降,3 个处理的FA含量分别从最初的138 g∙kg、155 g∙kg和152 g∙kg降解至40 g∙kg、22 g∙kg和32 g∙kg,FA 作为易降解组分,在堆肥过程中可被微生物分解利用或被聚合转化为HA。在堆肥产品中,CM25 和CM50 处理的富里酸含量低于CK 处理,表明添加鸡粪加快了FA 的降解与转化。

HA 含量在整个堆肥过程中呈现稳步上升的趋势(图3c),CM25 处理最终堆肥产物的HA 含量达到77 g∙kg,显著高于CK (49 g∙kg)和CM50 (52 g∙kg)处理(<0.01)。表明CM25 处理的腐殖化过程较强,添加一定量的鸡粪增加了木质纤维素的降解形成腐殖酸前体物,并加剧了腐殖酸前体物质聚合形成HA,这也解释了为何CM25 处理中FA、DOC 和SN 含量较低。而CM50 处理木质纤维素降解率较高,但HA含量却相对较低,表明鸡粪的添加过多,微生物代谢活性较强,木质纤维素降解形成的腐殖质前体物多被微生物降解生成CO,这与OM 的降解现象相符合。

图3 添加不同比例鸡粪下堆肥过程中腐殖质组分的变化Fig.3 Variation of humus component during composting under different addition rates of chicken manure

2.4 鸡粪添加比例对腐熟程度的影响

以目前常用的腐殖化指数(HI)、聚合度(HA/FA)、发芽指数(GI)表征堆肥产品的腐熟程度(图4a),各处理的HI 随堆肥的进行呈稳步上升的趋势,反映了有机碳发生了强烈的腐殖化作用,在堆肥结束时,CK、CM25 和CM50 处理的HI 分别为8.3%、13.7%和10.8%,这与前人研究的20%有所差异,主要是由于物料原料的不同。腐殖酸与富里酸的比率(HA/FA)表证HA 和FA 转化的相对速率,常被用于描述腐殖质组分聚合度,HA/FA>1.9 时表明堆肥达到腐熟和稳定。如图4b 所示,3 个处理的HA/FA均呈现增长趋势,但仅有CM25 处理增长速率较快,在堆肥结束时(HA/FA=3.5)达到腐熟标准。发芽指数(GI)可有效反映堆肥产品的生物毒性,是最常用的判断堆肥无害化和腐熟度的指标,一般认为GI>50%,即可认为堆肥基本无毒性,当GI>80%,可认为堆肥完全腐熟。如图4c 所示,以干瓜秧为主料的堆肥过程中,CK、CM25、CM50 处理的GI 均达50%以上,且CM25 处理的GI 最高,达88%,而CM50 处理的GI 相对较低,由于过量添加鸡粪(CM50)在提高易降解有机质含量的同时也会增加抑制种子萌发的毒性物质,大部分毒性物质虽能随着堆肥进行被逐渐降解,但仍会存留部分毒性物质对种子萌发产生一定的抑制。总体来讲,多种腐熟指标均表明,CM25 处理效果最佳,堆肥产品达到完全腐熟标准。

图4 添加不同比例鸡粪下堆肥过程中腐熟程度的变化Fig.4 Variation of maturity degrees during composting under different addition rates of chicken manure

2.5 腐熟程度与各理化参数之间的关系

采用冗余分析(RDA)分析了各理化参数与腐熟程度之间的关系(图5a),各指标间的夹角为锐角时表示呈现正相关性关系,为钝角时表示呈现负相关性,为直角时表示无相关性。在本研究中,RDA 的两个轴解释说明各理化性质与腐熟程度之间差异的78%,其中DOC、木质纤维素(Lce)、HA、FA 是影响腐熟程度的最主要因素(图5b),DOC、Lce、FA与发芽指数(GI)、腐质化指数(HI)、HA/FA 之间呈现负相关关系,表明DOC、Lce、FA 的降解有助于堆肥的腐熟,HA 与HI、HA/FA 之间呈现显著的正相关性(<0.01),但与GI 之间的相关性却并不明显,可能由于GI 主要是评价堆肥植物毒性的标准,而抑制种子生根发芽的因素主要为氨和低分子量的有机化合物。本研究结果也表明GI 与SN 和DOC 呈明显的负相关关系。总体而言,加快木质纤维素、DOC 和FA 的降解以及HA 的形成是促进堆肥腐熟的关键。

图5 堆肥腐熟程度与各理化参数之间的关系 (a:理化性质与腐熟程度之间冗余分析; b:理化因子对腐熟程度解释方差百分比)Fig.5 Relationship between maturity degree of decomposition and physical and chemical parameters (a:redundancy analysis between physicochemical properties and maturity degre; b:percentage of variance explained by physicochemical properties to maturity degree)

3 讨论

蔬菜废弃物种类繁多,且理化性质差异较大,而黄化干枯的蔬菜秧木质纤维素含量高,含水率低,同时自身缺乏微生物源和可利用的碳氮源,因此,针对黄化干枯的蔬菜秧堆肥,添加一定的外源辅料是必不可少的。龚建英等、霍凯丽等研究均表明,添加鸡粪可加快蔬菜废弃物堆肥进程,加入鸡粪后堆体的温度有了明显提高,且堆肥产品最终的发芽指数增加9.1%～23.5%。本试验中也发现了类似的现象,添加25%、50%鸡粪的处理堆体温度均达65 ℃以上,达到蔬菜废弃物中病原菌的致死温度,同时也加快了木质纤维素等难降解组分的降解。可见,添加鸡粪对促进黄化干枯蔬菜秧堆肥具有积极意义,这主要与添加鸡粪提高了堆体中的微生物活性有关,添加鸡粪主要通过两种方式提高了堆体的微生物活性:一是鸡粪自身富含大量的微生物,添加鸡粪相当于向蔬菜废弃物中接种了外源微生物; 二是鸡粪中含有微生物易降解利用的有机碳、氮组分(DOC、SN),能够加快微生物的繁殖代谢,从而提高了微生物的活性。此外,鸡粪的添加量越高,初始物料DOC、SN 含量也越高,堆肥初期温度和木质纤维素的降解率也越高。

然而,在蔬菜秧好氧堆肥过程中,既要考虑有机质降解过程,以促进堆体升温实现无害化,同时要兼顾腐殖化过程,在实现无害化的前提下,尽量提高堆肥产品的腐殖酸含量。本研究发现,鸡粪添加量越高时,木质纤维素的降解虽呈现增加现象,但腐殖酸的含量并未与鸡粪添加量呈现正相关,仅添加25%的鸡粪处理提高了堆肥产品的腐殖酸含量。Bai 等比较了牛粪添加量对沼渣堆肥腐殖化过程的影响,发现添加6.7%的牛粪(干重计)最有利于促进木质纤维素向腐殖酸的转化,这与本研究添加25% (干重计为8%)结果相似。因此添加鸡粪可以解决黄化干枯的蔬菜秧单独堆肥过程中存在的难题,但过量添加可能会使微生物活性较强,在促进木质纤维素降解的同时也导致降解中间产物被微生物代谢利用并形成CO,不利于腐殖化,并引起碳素损失; 此外,过量添加易降解有机质或过量接种微生物同样可能不利于腐殖化的进行,但过量的标准有待进一步研究,且针对不同物料可能存在一定差异。本研究提出了蔬菜秧与鸡粪的联合堆肥工艺,为优化蔬菜秧堆肥,提高腐殖酸含量,减少有机质损失提供理论支持,但鸡粪添加对蔬菜秧堆肥过程中各种腐殖质前体物以及微生物群落结构的影响仍需进一步深入研究; 同时,木质纤维素的降解与腐殖酸的形成也并非呈现正相关关系,如何加强木质纤维素降解产物向腐殖酸的定向转化应成为未来的研究方向。

4 结论

木质纤维素的降解是蔬菜废弃物堆肥的限速步骤,本研究结果表明鸡粪添加可加速木质纤维素降解; 其中添加25%鸡粪可提高堆肥无害化和腐殖化程度,提高堆肥质量:

1)瓜秧堆肥过程中,添加鸡粪可提高初始可利用碳氮含量,提高微生物活性,加快堆体升温; 同时将高温(>55 ℃)持续时间由1 d 延长至7 d 左右,达到无害化要求,且堆肥产品pH、碳氮比均达到腐熟标准。

2)适量鸡粪的添加(25%)加快了木质纤维素降解形成腐殖酸前体物,促进了腐殖酸的形成; 而过量鸡粪添加(50%),促进木质纤维素降解的同时,并未提高堆肥产品中腐殖酸的含量,可能由于大量鸡粪添加增加了堆体中活性碳氮含量,木质纤维素降解形成的腐殖酸前体物更多地被微生物利用并被完全矿化而损失。

3)添加25%鸡粪,可提高腐殖化指数、聚合度和发芽指数,达到腐熟标准。冗余分析结果表明,可溶性碳、富里酸和木质纤维素的降解以及腐殖酸的形成是促进堆肥腐熟的关键。

综上,本研究阐明了鸡粪添加比例对蔬菜废弃物堆肥过程中有机质降解及腐殖化过程的影响,即添加鸡粪可提高物料中的活性碳氮含量,加快木质纤维素的降解,但过量添加会增加有机质的完全矿化损失,适量添加可促进腐殖酸的形成,提高堆肥腐熟度。因此,适量添加鸡粪是加快瓜秧堆肥过程中木质纤维素降解并促成腐殖酸形成的关键,为工业化生产提供了理论依据。