优化蔬菜废弃物和玉米秸秆配比对堆肥腐熟度的影响

项 娟，李 冰，吴 迪，李 妍

（天津市农业科学院 天津 300000）

中国既是蔬菜生产大国，又是蔬菜消费大国。根据国家统计局发布的数据，2021 年全国蔬菜种植面积约2 198.57 万hm2，产量约7.75 亿t[1]。由于蔬菜是时令产品，其生产、采摘、保鲜和贮存较难，蔬菜损失率在30%以上，在厨房加工过程中蔬菜的平均废弃率为20.5%[2]。若将蔬菜产量与蔬菜废弃物产生量（均为鲜质量）按1∶1 测算[3]，我国蔬菜废弃物年产生量高达7 亿t，占农作物秸秆总量的9.09%，而其中70%的蔬菜废弃物未被利用[4]。蔬菜废弃物若处置不当，会产生恶臭气体、滋生蚊蝇、传播疾病，对食品安全和人体健康产生巨大威胁，给生态环境带来巨大压力[5]。因此，蔬菜废弃物的有效处理与处置已经成为亟待解决的重大问题。

好氧堆肥是好氧菌对有机物进行吸收、氧化及分解后转变为腐殖质的过程，从而形成有机肥料，具有操作简单、处理量大、杀灭病原菌等优点。目前蔬菜废弃物资源化利用的方式主要有直接还田、饲料化、肥料化、基质化、能源化等[6]。我国对于蔬菜废弃物的好氧堆肥工艺尚处于发展阶段，蔬菜废弃物碳氮比（C/N）低、含水率高、容重大、易腐烂变质，导致蔬菜废弃物单独堆肥效果不佳，另外蔬菜废弃物种类繁多、性质差异大[7]，在实际生产中导致发酵不稳定。因此研究者提出通过添加畜禽粪便、水稻秸秆、杂草、花卉废物等辅料，调节发酵物料的含水率、C/N 以及孔隙结构来提高堆肥质量[8]，但是关于生物量较大的玉米秸秆与氮、磷含量较高的瓜果类蔬菜废弃物混合堆肥技术尚缺乏系统研究。笔者以瓜果类蔬菜废弃物资源化利用为目标，采用好氧发酵的方式，监测堆肥过程中发酵指标和有机肥的养分变化，优化蔬菜废弃物和玉米秸秆堆肥的配比，保证好氧发酵的稳定运行和发酵产品的质量，对推进蔬菜清洁生产、发展绿色循环农业、建设美丽乡村具有非常重要的意义。

1 材料和方法

1.1 材料

试验所用黄瓜+番茄废弃物和玉米秸秆均采自天津市农业科学院武清创新基地秸秆站，黄瓜+番茄废弃物主要包括黄瓜和番茄的藤蔓、烂黄瓜、烂番茄等。秸秆站将收取的黄瓜+番茄废弃物和玉米秸秆切割成3～5 cm 备用，堆肥装置为200 L 发酵反应器，反应器底部和顶部设有通风口，为自然通风方式。试验地点选择在天津市农业科学院武清创新基地秸秆站，堆期为2021 年12 月5－30 日。黄瓜+番茄废弃物和玉米秸秆的理化性质见表1。

表1 原料的理化性质

1.2 试验设计

以黄瓜+番茄废弃物和玉米秸秆为原料进行联合好氧发酵，分别按照黄瓜+番茄废弃物和玉米秸秆体积比5∶0、4∶1、3∶2、2∶3、1∶4 均匀混合，且分别记为T1、T2、T3、T4、T5，每个处理设置3 个重复，添加自来水调节混合物料含水率均为65%左右，装入发酵桶内进行好氧堆肥发酵。堆肥过程中每天同一时间用温度计插入堆体表面下60 cm 处测定堆温，分别于堆肥的第0、2、4、6、9、13、17、21、25 天采集样品，从堆深10、60、120 cm 处3 点采样求平均值。样品分为1 式3 份，1 份约50 g 用于采样当日测定含水率，1 份约200 g 鲜样用于pH 值、电导率（EC）、铵态氮（NH4+-N）含量、硝态氮（NO3--N）含量、种子发芽指数（germination index，GI）的测量，另1份约200 g 自然风干后用于测定有机质、全氮（total nitrogen，TN）含量。

1.3 测定指标与方法

从不同配比堆肥中称取30 g 鲜样置于干燥箱（PH-140A，Blue Pard，上海）105 ℃的条件下烘干6 h 以上至恒质量，计算含水率。从不同配比堆肥中称取20 g 堆肥鲜样与去离子水按照1∶10（质量∶体积）混合，振荡2.0 h，静置0.5 h，离心过滤后取滤液用多参数分析仪（S470-K，METTLER TOLEDO，上海）测定pH 值、EC。取上述浸提液10 mL 加入置有滤纸的培养皿中，加入10 粒大小基本一致、饱满的萝卜种子，放入（25±2）℃的培养箱（PH-140A，Blue Pard，上海）中避光培养48 h，统计发芽率，测量主根长后计算发芽指数（GI）。以去离子水为对照，计算公式如下：

从不同配比堆肥中称取5 g 新鲜样品和2 mol·L-1的KCl 溶液按照1∶10（m/V）混合，置于水平摇床振荡2 h 后，静置0.5 h。离心过滤后使用连续流动分析仪（Auto Analyzer 3，Seal，德国）测定NH4+-N、NO3--N 含量。

有机质含量的测定参照标准 NY/T 525－2021[9]。具体步骤如下：取过1 mm 筛的风干试样0.4 g 于500 mL 三角瓶中，加入0.8 mol·L-1重铬酸钾溶液50 mL 和硫酸（ρ=1.84 g·mL-1）50 mL，沸水水浴30 min，冷却至室温。将三角瓶内反应物无损转入250 mL 容量瓶中，定容摇匀。取50 mL溶液和50 mL 水于三角瓶内，加2～3 滴邻啡啰啉指示剂，用硫酸亚铁标准溶液滴定，溶液由绿色变成暗绿色，再逐滴加入硫酸亚铁溶液直至砖红色，有机质含量以质量分数（w）表示，计算公式如下：。

式中：c为硫酸亚铁标准溶液的浓度，单位为mol·L-1；V0为空白试验时，消耗硫酸亚铁标准溶液的体积，单位为mL；V为样品测定时，消耗硫酸亚铁标准溶液的体积，单位为mL；3 为四分之一碳原子的摩尔质量，单位为g·mol-1；1.724 为由有机碳换算为有机质的系数；m为风干样质量，单位为g；X0为风干样含水量，单位为%；D 为分取倍数，定容体积/分取体积，250/50。

采用自动定氮仪法并参照标准NY/T 2419—2013[10]测定TN 含量。

1.4 数据分析

使用Excel2013 进行数据整理，应用SPSS 22.0进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 堆体的温度变化

由图1 可以看出，整个堆肥过程中环境温度保持在5～10 ℃，堆肥第1 天各处理的堆体温度均有所上升并高于环境温度。各处理温度变化均符合典型堆肥的特征，经历了升温期、高温期、降温期和腐熟期4 个阶段。T1～T5 处理分别于堆肥第5、11、3、2、1 天温度上升至55 ℃以上，进入高温期，高温期分别持续了3、1、5、7、1 d。T1、T2 处理升温较慢且高温持续时间短，T5 处理升温较快但持续时间短，仅有T3 组和T4 组堆体温度大于55 ℃的持续时间不低于5 d，最高温度分别达到了68.6 ℃和73.4 ℃。T1～T5 处理高温期平均温度分别为62.5、80.8、62.0、63.7、63.8 ℃，高温期平均温度大小依次为T2＞T5＞T4＞T1＞T3。

图1 不同处理的堆体温度变化

2.2 堆料含水率、pH值和EC的变化

由图2 可以看出，5 个处理控制堆料起始含水率均在65%左右。各处理含水率均随处理时间的延长呈现出先升高后降低的变化趋势，分别于堆肥的第4、2、4、4、4 天达到含水率峰值65.5%、71.3%、72.2%、73.3%、68.1%。堆肥25 d 后，T3、T4 处理最终含水率高于其他各处理，T1～T5 处理含水率较初始值分别降低了15.1%、21.3%、5.2%、1.8%、24.0%，含水率下降程度从大到小依次为T5＞T2＞T1＞T3＞T4。

图2 不同处理的含水率变化

由图3 可以看出，随着堆肥时间的延长，5 个处理的pH 值均呈先上升后趋于稳定的趋势，至堆肥结束，5 个处理的最终pH 值分别为8.91、7.88、8.48、8.45、7.34，其中T1 处理pH 值上升幅度最大。

图3 不同处理的pH 值变化

由图4 可以看出，随着堆肥时间的延长，5 个处理的EC 均先升高后缓慢下降。堆肥25 d 时，T1～T5 处 理EC 分 别 为4.14、4.07、2.75、2.20、2.37 mS·cm-1，T1、T2 处理的EC 差别不大，高于其他各处理。T3、T4 处理堆肥25 d 与堆肥0 d的EC 相比均有所降低，且低于3 mS·cm-1，而T1、T2、T5 处理的EC 均高于堆肥0 d。

图4 不同处理的电导率变化

2.3 堆料无机态氮含量的变化

由图5 和图6 可以看出，各处理的堆肥0 d 时NH4+-N 含量远大于NO3--N 含量，NH4+-N 含量变化随处理时间延长均呈先升后降后趋于平衡的趋势。堆肥前各处理NH4+-N 的含量依次为T1＞T2＞T3＞T4＞T5，T1～T5 处理分别于堆肥的第2、2、2、6、4 天达到NH4+-N 含量的峰值，分别为747.5、546.7、460.2、501.2、286.7 mg·kg-1。随着堆体温度降低、硝化细菌活性的恢复，堆体的NH4+-N 含量逐渐下降。堆肥后期有机物基本降解完成，NH4+-N 含量趋于稳定，与堆肥0 d 相比，T1～T5 处理的NH4+-N含量最终分别减少了61.3%、59.5%、75.5%、68.8%、26.7%。

图5 不同处理的NH4+-N 含量变化

由图6 可知，随着堆肥初期堆体温度和pH 值逐渐升高，硝化细菌的生长和活动受到抑制，T1～T5处理的NO3--N 含量均较低且变化不明显，高温期后NO3--N 含量快速增加，分别于堆肥第25、9、21、17、25 天达到NO3--N 含量峰值，分别为39.2、52.1、30.4、20.2、10.4 mg·kg-1。至堆肥结束NO3--N 的含量分别为39.2、48.6、26.3、18.9、10.4 mg·kg-1，分别为初始值的6.3、8.8、4.6、5.3、3.2 倍。

图6 不同处理的NO3--N 含量变化

2.4 堆料有机质、TN含量和C/N的变化

由图7-a 可以看出，5 个处理的有机质含量在整个堆肥过程中不断下降。堆肥前期T1～T5 处理有机质含量下降速度较快，堆肥中后期降解速率缓慢直至平稳。堆肥25 d 时，T3、T4 处理的有机质含量分别较初期下降了33.2%和35.3%，且下降幅度远大于T1、T2、T5 处理。

由图7-b 可以看出，堆肥前T1 处理的TN 含量最高，T5 处理最低。堆肥初期，各处理的TN 含量均不同幅度的下降，其中T1 处理下降速度最快，在第6 天达到最低值2.22%，相比于初始值降低了25.5%。随着堆肥时间的延长，各处理TN 含量均呈反弹升高的趋势。至堆肥25 d 时，T1、T2 处理的TN 含量分别比堆肥0 d 时降低了8.4%和7.9%，而T3～T5 处理则分别比堆肥0 d 时增加了12.4%、28.1%、13.4%，T4 处理的TN 含量增幅最大。

图7 不同处理的有机质、TN 及C/N 变化

由图7-c 可以看出，堆肥0 d 时T1～T5 处理的C/N 分别为12.6、15.1、18.5、24.4、30.3，堆肥25 d 后各处理的C/N 均有所降低，分别比堆肥0 d 下降了17.0%、13.7%、40.6%、49.5%、28.6%，T3、T4 的C/N下降幅度大于其他处理。

2.5 堆料GI的变化

从图8 可知，堆肥结束后，各处理的萝卜种子GI 分别为39.0%、44.5%、88.1%、129.5%、28.7%，仅有T3、T4 处理的GI 大于70%，达到了对种子无害化要求。统计分析表明，T1 处理和T2 处理的GI差异不显著，其他处理间差异显著。

图8 不同处理种子发芽指数（GI）

3 讨 论

温度是堆肥过程中的重要参数，是直观表达堆肥物料腐熟度和腐熟速率的指标[11-12]。笔者的研究表明，堆肥第1 天各堆体温度均不同程度的升高，T1 和T2 处理升温缓慢，这可能与玉米秸秆添加量小、有机质含量低、无法为微生物提供足够的碳源有关[13]；T5 组虽升温迅速但高温时间持续太短，一方面与玉米秸秆添加量大、木质素含量高且难降解有关，另一方面可能是C/N 高、氮源相对不足导致微生物生命力较弱[14]。根据蔬菜废弃物高温堆肥无害化处理技术规程（NY/T 3441—2019）[15]，主发酵周期内堆体温度大于55 ℃的持续时间不少于5 d，因此T1、T2、T5 处理均未达到无害化标准，T3、T4 处理符合标准。GI 能够有效地体现堆料对种子的毒害程度，又能表征堆肥腐熟度，是评价堆肥无害化、稳定化程度的一个重要指标[16]。根据有机肥料标准（NY/T 525—2021）[9]，GI≥70%才能达到有机肥料的技术要求，仅有T3、T4 处理的GI 大于70%，达到了对种子无害化要求，T1、T2、T5 的GI 偏低可能是堆体高温持续时间短、微生物活动弱，导致有机酸、多酚类物质降解不完全，氨气排放不通畅。EC 是一个重要的堆肥腐熟度指标，关于EC 目前没有一个统一的标准，有研究认为，完全腐熟堆肥的EC 应小于3 mS·cm-1[17]，也有认为EC 超过4 mS·cm-1[18]才会对作物产生毒害作用。美国农业部标准规定堆肥结束后EC≤4.3 mS·cm-1，否则即为高含盐堆肥，会对植物的生长造成危害[19]。笔者的研究中T3、T4处理堆肥25 d 后的EC 相比于堆肥0 d 时均有所降低且低于3 mS·cm-1，关于EC 与堆肥腐熟度关系需要进一步研究。

水不仅为微生物生长提供必需生命活动物质同时也是微生物运动时的载体，而且具有调节堆体内孔隙度和温度的作用[20]。笔者试验发现T1、T2处理桶底部均有少许的渗滤液，这可能是因为T1、T2 处理中黄瓜+番茄废弃物含量太大，容易析出水分，超过了堆体中微生物活动所需。T5 处理玉米秸秆占比最高，孔隙度大有利于水分挥发[21]，因此含水率下降幅度最大。T3、T4 处理含水率较初始值基本无变化，与胡雨彤等[22]的含水率随堆肥时间延长逐渐下降的研究结论不一致，这可能是由于T3、T4处理的发酵桶密闭性好，能有效减少水分散失，微生物生长活动所需的水分与有机物降解产生的水分处于一个相对平衡的状态。5 个处理组的pH 值均呈先上升后趋于稳定的趋势，与黄晓凤等[23]提出堆肥pH 值先增加后下降的研究结论不一致，这可能与堆肥后期硝化作用生成的H+与有机酸分解减少、NH3挥发速度也放慢、两者中和有关。有机肥料标准（NY/T 525－2021）[9]规定有机肥料的pH 值要控制在5.5～8.5 之间，堆肥25 d 后除了T1 处理外其他各处理均符合有机肥料pH 值标准。在堆肥过程中，氮素主要以有机氮、NH4+-N、NH3、NO3--N、NO2--N 的形式存在并相互转化[24]，各处理的初始态中NH4+-N 含量远大于NO3--N 含量，说明黄瓜+番茄废弃物和玉米秸秆中无机氮主要以NH4+-N 形式存在。堆肥前期各堆体中微生物氨化作用较强，造成大量的有机氮转化为NH4+-N，NH4+-N 含量迅速增加，T1 处理因未添加玉米秸秆，具有较高的氮含量，NH4+含量峰值最大。高温期NH4+-N 部分以NH3形式挥发，NH4+-N 含量降低，T3 和T4 处理高温时间持续最长导致NH4+-N 含量下降幅度最大。而堆肥初期堆体温度和pH 值逐渐升高，硝化细菌的生长和活动受到抑制，NO3--N 含量均很低且变化较小，高温期后NO3--N 含量大幅增加，T1、T2 处理的增幅最大，这与TN 含量高、高温期持续时间较短、硝化细菌活性恢复较快有关。一般认为，NH4+-N 的减少和NO3--N 的增加是发酵成熟的标志[25]。

C 为微生物生长提供能量，N 是微生物的营养物质。堆肥前期有机质含量下降较快，中后期降低速率缓慢直至平稳，这是因为堆肥初期可较快利用易降解有机质，堆肥中后期因只能利用较难分解的有机质（木质素、纤维素、半纤维素）导致降解速率缓慢。T3、T4 处理高温持续时间长、微生物活性高导致有机质含量降幅大于其他处理。堆肥初期在有机氮不断矿化，无机氮以铵态氮形式积累并转变为氨气挥发[26]，堆肥初期，T1～T5 处理TN 均有不同幅度的下降，随后TN 呈反弹升高的趋势，至堆肥结束T1、T2 处理TN 含量分别比最初降低了8.4%和7.9%，而T3～T5 处理TN 含量却比最初升高了，这可能是由于T3～T5 处理玉米秸秆添加量较大，微生物消耗碳水化合物，堆体总质量减少，TN 相对增加，可见通过添加适量玉米秸秆可明显减少氮素转化为氨的挥发损失。

4 结 论

笔者的研究以黄瓜+番茄废弃物和玉米秸秆为原料，探讨两者不同配比的堆肥效果。从温度来看，T1、T2、T5 高温持续时间太短，未达到蔬菜废弃物堆肥无害化要求，T3、T4 处理高温期持续时间较长，结合腐熟度指标EC 值、GI 值，T3、T4 处理达到了堆肥无害化标准且腐熟效果较好。另外，T3、T4处理有机质含量分别比最初降低了33.2%和35.3%，远大于其他各处理，并且TN 含量分别比最初提高了12.4%、28.1%，这表明T3、T4 处理有机质降解程度高，养分损失少。因此在实际堆肥操作中，建议控制黄瓜+番茄废弃物和玉米秸秆体积配比在3∶2 和2∶3 之间。