不同調(diào)理劑對(duì)秸稈沼渣堆肥的影響

白 玲，宋飛躍，季蒙蒙，鄧 蕓，阮文權(quán)，*

(1.江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122； 2.江蘇省厭氧生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

近年來(lái)，農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，農(nóng)業(yè)秸稈大量剩余，焚燒現(xiàn)象屢禁不絕，既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境。厭氧發(fā)酵技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅可以減少秸稈燃燒產(chǎn)生的污染，還可以產(chǎn)生沼氣能源，但剩余的大量殘?jiān)酱咨铺幚?。沼渣中含有豐富的養(yǎng)分，可作為肥料直接施入土壤中[1]。然而，農(nóng)業(yè)活動(dòng)中的農(nóng)藥殘留和在厭氧發(fā)酵中產(chǎn)生的氨等有害物質(zhì)也殘留在沼渣沼液中，若直接施入土壤，不僅會(huì)污染土壤環(huán)境，還會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng)[2]。高溫好氧堆肥通過微生物來(lái)降解有機(jī)物質(zhì)，不僅可以減小有機(jī)廢棄物的質(zhì)量和體積，而且還能降解有害物質(zhì)，降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，最終得到的堆肥產(chǎn)品可直接作為肥料或土壤改良劑返回到土壤中；因此，堆肥被認(rèn)為在資源回收利用和環(huán)境保護(hù)方面具有較大潛力[3-4]。

沼渣是厭氧發(fā)酵后的剩余產(chǎn)物，含水率高(78%～85%)，且不易分離，導(dǎo)致體系的孔隙度差，不利于通風(fēng)供氧，堆肥時(shí)易形成厭氧狀態(tài)。調(diào)理劑的加入不僅可以調(diào)節(jié)堆肥體系中的含水率，平衡碳氮比，還有助于維持多孔介質(zhì)的架構(gòu)[5]，提高堆肥的生物活性[3，6-8]。關(guān)于堆肥過程中調(diào)理劑的選擇，學(xué)者們已做了大量研究，通常選用的調(diào)理劑有秸稈、木屑、菌糠、礦石粉、麩皮、玉米芯等。由于其自身特性不同，這些調(diào)理劑對(duì)不同有機(jī)物堆肥過程的影響也各不相同[9]：菇渣和稻殼的混合物可減少污泥堆肥中的氮素?fù)p失[10]；藥渣可提高豬糞堆肥產(chǎn)品中氮的含量[11]；秸稈可促進(jìn)廚余垃圾堆肥的快速腐熟[12]，但對(duì)牛糞堆肥卻沒有明顯影響[13]。因此，選擇合適的調(diào)理劑對(duì)提高堆肥效率和產(chǎn)品質(zhì)量頗有意義。目前，關(guān)于秸稈沼渣堆肥時(shí)選用什么調(diào)理劑，達(dá)到怎樣的效果等在本研究檢索范圍內(nèi)還鮮見報(bào)道。秸稈不僅可以作為厭氧發(fā)酵的原料，還可以作為調(diào)理劑，節(jié)約成本。多數(shù)學(xué)者在選擇有機(jī)廢棄物堆肥的調(diào)理劑時(shí)，主要通過堆肥過程中理化性質(zhì)，如溫度、pH值，以及養(yǎng)分含量的變化等加以判斷[10，14]，關(guān)注木質(zhì)纖維素降解及其酶活性變化的研究較少。為此，本研究以木屑和6種秸稈為調(diào)理劑，通過試驗(yàn)篩選出能夠提高秸稈沼渣堆肥效率和質(zhì)量的調(diào)理劑，以期為沼渣堆肥的實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

供試沼渣取自江蘇省厭氧生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，原料為水稻秸稈。花生秸稈、玉米秸稈、小麥秸稈、大豆秸稈、蘆葦秸稈和水稻秸稈均取自無(wú)錫郊區(qū)，曬干后，粉碎至小于1 cm，備用。木屑取自無(wú)錫某木材加工廠。堆肥材料的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 堆肥材料的基本理化性質(zhì)(干基)Table 1 Basic properties of compost materials(dry weight basis)

ω，含水率；TC，總碳；TN，全氮；TP，全磷；C/N，碳氮比。
ω， Moisture content; TC， Total carbon; TN， Total nitrogen; TP， Total phosphorus， C/N， Carbon nitrogen ratio.

1.2 堆肥試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

浸提液的提?。悍Q取5 g新鮮樣品，按樣品與去離子水質(zhì)量體積比1∶10的比例混合，室溫下180 r·min-1水平振蕩30 min，然后4 000 r·min-1離心5 min，過濾，用于測(cè)定土壤pH、EC、DOC含量和GI。

GI測(cè)定：選取30粒長(zhǎng)勢(shì)飽滿的黑麥草(LoliummultiflorumLam)種子，均勻放入鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，加入5 mL浸提液，蓋好蓋子，放入30 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h，測(cè)定種子發(fā)芽率和根長(zhǎng)，計(jì)算GI[17]。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次，同時(shí)以去離子水處理的樣品作為空白對(duì)照。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用軟件Excel 2016和Origin Pro 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程溫度的變化

在整個(gè)堆肥過程中，所有處理的溫度變化趨勢(shì)基本相似(圖1)，均表現(xiàn)為先急劇上升，然后緩慢下降，最終基本保持不變。堆肥開始時(shí)，各處理的溫度迅速升高。這主要是因?yàn)槎逊书_始時(shí)易降解有機(jī)物充足，微生物大量生長(zhǎng)和繁殖，產(chǎn)生大量的熱。到第4天時(shí)，所有處理均達(dá)到最高溫度，其中，T5處理的溫度最高(68 ℃)，T1處理的溫度最低(58 ℃)。這是因?yàn)榇蠖菇斩捴泻幸欢康牡鞍踪|(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[18]，且質(zhì)地松軟，易被微生物利用；而木屑的碳氮比較高，且多為難降解物質(zhì)(木質(zhì)纖維素)，不利于微生物的繁殖和生長(zhǎng)。由圖1可知，T2～T7處理的高溫(≥55 ℃)持續(xù)時(shí)間相同，為7 d，T1處理的高溫持續(xù)時(shí)間比其他處理要短，僅為3 d。一方面，相比木屑，秸稈的質(zhì)地較為松軟，與沼渣混合后，保證了堆肥體系中具有合適的孔隙度，而木屑質(zhì)地堅(jiān)挺且顆粒表面較為粗糙，增大了堆體的孔隙，提高了氣體交換速率，使得熱量容易散失；另一方面，秸稈中包含了大部分的光合作用產(chǎn)物，這部分物質(zhì)易于被微生物利用，而木屑中多為微生物難降解的木質(zhì)纖維素類物質(zhì)，導(dǎo)致堆體中可供微生物利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較少。隨著堆肥的進(jìn)行，各處理的易降解有機(jī)物質(zhì)逐漸被消耗，微生物的活性逐漸減弱，溫度逐漸降低，最終在堆肥20 d左右，所有處理的溫度基本與環(huán)境溫度一致。

2.2 堆肥過程pH和EC的變化

不同調(diào)理劑對(duì)沼渣堆肥過程中pH值的影響如圖2所示，除T6處理外，pH值均表現(xiàn)為先降低后上升的趨勢(shì)。堆肥初始時(shí)，各處理的pH值在7.21～8.88，這是因?yàn)閰捬鹾蟮恼釉右褐腥苡写罅康陌?，在與調(diào)理劑進(jìn)行混合時(shí)，會(huì)使得沼渣中的氨得到不同程度的稀釋。堆肥后，除T6外的其他處理pH值均下降，并在第2天時(shí)達(dá)到最低值，其中，T2處理的pH值最低，為7.14。堆肥過程中pH值下降可能是因?yàn)椴糠钟袡C(jī)物被無(wú)氧分解為有機(jī)酸，降低了pH。隨后，各處理的溫度逐漸增加，NH3不斷揮發(fā)，pH值逐漸增加。在堆肥5 d后，T1～T6處理的pH值緩慢增加，最終基本穩(wěn)定；而T7處理的pH值下降，至10 d后pH值變化方較為平穩(wěn)。到堆肥結(jié)束時(shí)，T1～T7處理的pH值分別為9.33、9.33、9.21、9.14、9.40、8.94和8.47。

圖1 堆肥過程中溫度的變化Fig.1 Change of temperature during composting

圖2 堆肥過程中pH值和EC值的變化Fig.2 Changes of pH and EC during composting

如圖2所示，隨著堆肥時(shí)間延長(zhǎng)，各處理的EC值呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，并逐漸增加。堆肥后，分別在第2天(T4、T5)、第5天(T2、T3、T7)、第10天(T1、T6)出現(xiàn)最低值，隨后所有處理的EC值逐漸增加，最終趨于穩(wěn)定。在整個(gè)堆肥過程中，T1處理的EC值一直保持在較低水平，其次是T6處理，說(shuō)明木屑和蘆葦秸稈較難分解。至堆肥結(jié)束時(shí)，T1～T7處理的EC值分別為1.77、2.45、2.11、2.46、2.18、1.84、2.32 mS·cm-1。不同處理在不同堆肥時(shí)間出現(xiàn)低值可能與微生物對(duì)不同調(diào)理劑的降解有關(guān)，隨后EC增加可能是因?yàn)榻斩捄湍拘冀到膺^程中有部分小分子物質(zhì)溶出，增加了可溶性鹽分的含量。堆肥結(jié)束后，所有處理的EC值均大于初始時(shí)的EC值，這可能是由于堆肥干物質(zhì)的量逐漸減少，加上有機(jī)物質(zhì)不同程度礦化形成的磷酸鹽和銨鹽等礦質(zhì)鹽分含量增加所致[14]。

2.3 堆肥過程和含量的變化

圖3 堆肥過程中含量和硝化作用指數(shù)的變化Fig.3 Changes of contents of and nitrification index during composting

2.4 堆肥過程中碳氮比和DOC含量的變化

堆肥過程中碳氮比是重要的影響因素。如圖4所示，由于不同調(diào)理劑的碳氮比不同，在堆肥初始時(shí)，不同處理的碳氮比各不相同。在堆肥過程中，所有處理的碳氮比均呈現(xiàn)不同程度的降低。這是由于在堆肥過程中微生物活動(dòng)利用有機(jī)物質(zhì)，一部分通過呼吸作用以CO2的形式損失，導(dǎo)致有機(jī)物料中的含碳量減少，單位質(zhì)量的氮含量相對(duì)增加，使碳氮比減小。T1、T4和T6處理在5～10 d時(shí)碳氮比增加，可能是由有機(jī)氮的快速分解造成的。至堆肥后期，所有處理的碳氮比趨于平穩(wěn)。在整個(gè)堆肥過程中，T1處理的碳氮比一直最高，T2處理最低，這是因?yàn)槟拘嫉奶嫉容^高，且難以被微生物降解，而花生秸稈的碳氮比較低，微生物容易利用。堆肥結(jié)束時(shí)，T1～T7處理的碳氮比分別為21.80、14.28、16.68、18.56、17.25、19.25和15.81。

圖4 堆肥過程中碳氮比和DOC含量的變化Fig.4 Changes of carbon and nitrogen ratio and DOC content during composting

隨著堆肥時(shí)間的推進(jìn)，所有處理的DOC含量呈現(xiàn)波動(dòng)性下降(圖4)。在前2 d，DOC含量急劇降低，這是由于微生物生長(zhǎng)繁殖大量利用糖類、蛋白質(zhì)等易降解有機(jī)物質(zhì)。在2～5 d，DOC含量又快速增加，在第5天時(shí)各處理的DOC含量達(dá)到峰值，其中，T3處理最大，為36.05 g·kg-1，T5處理最低?？赡艿脑蚴?，當(dāng)溫度升高時(shí)，嗜溫真菌和放線菌開始降解難降解的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等物質(zhì)，并將其轉(zhuǎn)化為易于降解的小分子有機(jī)物[20]，使DOC累積，而T5處理的微生物活性較高，累積的DOC被迅速利用，減少了DOC的積累。15～20 d，DOC含量緩慢下降，20 d至堆肥結(jié)束DOC含量基本保持不變，說(shuō)明堆肥趨于穩(wěn)定。

2.5 堆肥前后纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量和GI的變化

如圖5所示，堆肥前，各處理的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量均相對(duì)較高，尤其是纖維素含量比半纖維素和木質(zhì)素含量高。堆肥后，T1處理的木質(zhì)纖維素含量變化不明顯，T2～T7處理的木質(zhì)纖維素含量均明顯降低，主要是因?yàn)槔w維素和半纖維素含量減少，其中，T5處理的半纖維素降解最多，達(dá)61.77%，T1處理的半纖維素降解最少，僅16.77%，說(shuō)明大豆秸稈有利于沼渣堆肥中半纖維素的降解。相比半纖維素，纖維素降解較慢，T1～T7處理分別降解了17.54%、25.23%、20.64%、26.06%、26.51%、20.22%、27.97%。堆肥后，各處理的木質(zhì)素含量略有增加，以T2處理的增幅最大。這可能是由堆肥過程中有機(jī)質(zhì)降解導(dǎo)致干物質(zhì)減少所致。

GI是反映堆肥產(chǎn)品植物毒性的重要參數(shù)。如圖5所示，所有處理的GI值均超過100%，說(shuō)明堆肥產(chǎn)品有利于種子根的生長(zhǎng)，其中，T1處理的GI值最低(105.11%)；T7處理的GI值最高(138.26%)，T5處理次之(137.06%)。在堆肥過程中，隨著堆體溫度升高，不同物料(調(diào)理劑)被微生物降解，并伴隨產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸和酚酸等毒性物質(zhì)[21]，這類物質(zhì)在不同處理中產(chǎn)生的種類和含量各不相同，因而對(duì)植物種子會(huì)產(chǎn)生不同程度的毒害。隨著堆肥的進(jìn)行，這類物質(zhì)的植物毒性逐漸減弱，GI逐漸升高。根據(jù)李季等[22]報(bào)道的堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)(80%)，本研究中所有調(diào)理劑均可以使沼渣堆肥腐熟，且以T5處理和T7處理的腐熟程度較高。

2.6 堆肥過程纖維素酶和多酚氧化酶活性的變化

纖維素是一種較難分解的成分，但是可以在纖維素酶的作用下分解成纖維二糖，進(jìn)而水解成小分子葡萄糖被微生物利用。堆肥過程中纖維素酶的活性變化如圖6所示，前2 d，T2～T4、T7處理的纖維素酶活性逐漸升高，而T1、T5和T6處理的纖維素酶活性降低；在2～5 d，T1、T2、T5～T7處理的纖維素酶活性逐漸升高，且T1、T6和T7在第5天時(shí)纖維素酶活性達(dá)到最大值，分別為2.62、2.12、3.72 mg·g-1·d-1，其他處理的纖維素酶活性最大值出現(xiàn)在第10天，其中，T4處理的纖維素酶活性最高，為4.36 mg·g-1·d-1。在這一階段，纖維素被大量降解。隨后，所有處理的纖維素酶活性逐漸降低。在15～20 d，T2～T5、T7處理的纖維素酶活性又升高，這是由于易降解有機(jī)物質(zhì)被消耗殆盡，微生物開始利用大分子纖維素等有機(jī)物刺激微生物的次生代謝產(chǎn)生纖維素酶，從而提高了纖維素酶的活性；20 d后，所有處理的纖維素酶活性基本平穩(wěn)或稍有下降。在堆肥的前15 d，T4處理的纖維素酶活性最高，其次為T7處理，而到后期(20～30 d)，T7處理的纖維素酶活性最高，T4處理次之。由此可見，以小麥秸稈或水稻秸稈作為沼渣堆肥的調(diào)理劑時(shí)，更有利于堆肥過程中纖維素的降解。

多酚氧化酶可以催化堆肥中的芳香族有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)組分，有利于堆肥的腐熟。由圖6可知，在堆肥前5 d，所有處理的多酚氧化酶活性基本呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這可能是由于沼渣中含有大量的多酚氧化酶，催化了堆肥體系中的部分小分子物質(zhì)反應(yīng)形成穩(wěn)定的大分子。在5～10 d，各處理的多酚氧化酶活性逐漸增強(qiáng)，且在第10天達(dá)到峰值。隨后，體系中易利用的有機(jī)物消耗殆盡，含水率下降，導(dǎo)致微生物活性降低，所有處理的多酚氧化酶活性逐漸降低，直至堆肥結(jié)束。在堆肥15 d后，T5處理的多酚氧化酶活性最高，可能與T5處理的溫度較高，大分子有機(jī)物易降解為芳香族小分子物質(zhì)，可為酶促反應(yīng)提供底物有關(guān)。這也表明大豆秸稈作為調(diào)理劑有利于腐殖質(zhì)的形成。

圖5 堆肥前后半纖維素、纖維素、木質(zhì)素含量和堆肥產(chǎn)品種子發(fā)芽指數(shù)的變化Fig.5 Changes of cellulose， hemicellulose， lignin content and germination index of compost products before and after composting

圖6 堆肥過程中纖維素酶和多酚氧化酶的活性變化Fig.6 Changes of cellulase and polyphenol oxidase activities during composting

3 討論

堆肥溫度是評(píng)價(jià)堆肥腐熟與無(wú)害化的重要指標(biāo)，直接反映堆肥體系中微生物活動(dòng)的強(qiáng)弱[23]。堆肥過程可分為升溫階段、高溫階段、降溫階段和腐熟階段，其中，高溫階段是最重要的階段，在此階段，不僅有機(jī)物質(zhì)(包括抗生素、農(nóng)藥等有機(jī)污染物)被大量降解[24-25]，而且還可以殺死有害病原微生物等，提高堆肥的安全性和品質(zhì)。本研究發(fā)現(xiàn)，不同秸稈作為堆肥調(diào)理劑(T2～T7)時(shí)，可提高堆肥溫度，延長(zhǎng)高溫期(≥55 ℃)持續(xù)時(shí)間，但相比一般的條垛堆肥，其高溫維持的時(shí)間要短很多[10]。這主要是因?yàn)槎逊饰锪仙?，熱量容易散失。木屑作為調(diào)理劑(T1)時(shí)，堆肥溫度較低(58 ℃)，且高溫持續(xù)時(shí)間較短(3 d)。這與袁巧霞等[26]的研究結(jié)果類似。

溫度的變化會(huì)影響微生物的活性，而微生物的活性也影響著堆肥體系的理化性質(zhì)。pH值是堆肥過程中表征有機(jī)物質(zhì)降解的重要指標(biāo)之一，直接影響微生物活性。一般，微生物最適的pH值為7.5～9.0[27]。有學(xué)者認(rèn)為，堆肥在初始階段適宜的pH值為6.7～9.0[28]。本研究堆肥結(jié)束時(shí)，只有T7處理的pH值較低，滿足國(guó)家有機(jī)肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 525—2012的要求(6.5～8.5)，說(shuō)明水稻秸稈作為沼渣堆肥調(diào)理劑時(shí)，有利于降低堆肥產(chǎn)品的pH值。微生物的活動(dòng)使有機(jī)物質(zhì)不斷礦化，形成有機(jī)鹽或無(wú)機(jī)鹽等可溶性鹽，這些鹽的含量(EC)直接影響植物正常生長(zhǎng)。Awasthi等[29]認(rèn)為，腐熟的堆肥產(chǎn)品EC值應(yīng)小于4 mS·cm-1。在本研究中，所有處理的EC值均滿足此條件，說(shuō)明秸稈(T2～T7)和木屑(T1)作為調(diào)理劑時(shí)，均可以使沼渣堆肥腐熟。

纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是微生物分解的有機(jī)物質(zhì)中重要的組成部分。首先半纖維素被分解，其次是纖維素，木質(zhì)素分解較少。木質(zhì)纖維素很難被降解，只有當(dāng)易利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被消耗殆盡時(shí)，才會(huì)有少量的木質(zhì)纖維素被降解以供微生物繁殖，且其降解時(shí)需要借助多種微生物及其分泌的酶的共同作用。木質(zhì)素保護(hù)著纖維素和半纖維素，其降解行為發(fā)生較晚且很慢，從而影響半纖維素和纖維素的降解。纖維素酶在木質(zhì)纖維素降解過程中有著重要作用。在本研究中，堆肥前期各處理的纖維素酶活性均較高，因此，纖維素的降解主要發(fā)生在堆肥前期，而木質(zhì)素的含量略有增加。這與黃光群等[35]開展的雞糞沼渣聯(lián)合堆肥的試驗(yàn)結(jié)果一致。多酚氧化酶催化一部分芳香化合物與堆肥體系中的蛋白質(zhì)、氨基酸、糖類、礦物質(zhì)等反應(yīng)生成交聯(lián)狀的穩(wěn)定大分子物質(zhì)，在堆肥前期，有機(jī)物降解形成的底物(芳香化合物、氨基酸等)較多，多酚氧化酶活性高，可促進(jìn)大分子物質(zhì)(腐殖質(zhì)類)形成，加速堆肥的腐熟。本試驗(yàn)的結(jié)果與梁東麗等[36]豬糞好氧堆肥過程中多酚氧化酶活性的變化有所不同，可能是因?yàn)閮烧卟捎玫亩逊试喜煌?/p>

本研究中試驗(yàn)條件下的沼渣堆肥可促進(jìn)種子根的生長(zhǎng)，其中，以大豆秸稈和水稻秸稈作為調(diào)理劑時(shí)效果最好。

4 結(jié)論

(1)木屑、花生秸稈、玉米秸稈、小麥秸稈、大豆秸稈、蘆葦秸稈和水稻秸稈均可作為沼渣堆肥的調(diào)理劑，使堆體快速升溫且達(dá)到無(wú)害化，其中，秸稈處理可維持較長(zhǎng)的高溫時(shí)間，降低堆肥體系的碳氮比，促進(jìn)沼渣堆肥的腐熟。木屑可降低堆肥體系中可溶性鹽的含量。

(2)大豆秸稈作為調(diào)理劑時(shí)，利于提高堆體溫度，最高可達(dá)到68 ℃，還能提高多酚氧化酶的活性，促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成，提高堆肥腐殖化程度。