碳氮比對葡萄冬季修剪廢棄物堆肥效果的影響

商佳胤 李凱 張鶴 田淑芬 蘇宏 王丹 董永

摘? ? 要：為了研究碳氮比對葡萄冬季修剪廢棄物的堆肥效果，以設(shè)施種植的夏黑葡萄冬季修剪枝條為試材，設(shè)置了C /N為15、20、25、30、35等5個處理，測定了堆肥溫度、總有機碳、全氮、全磷、全鉀等營養(yǎng)指標以及蛋白酶、脲酶、纖維素酶、硝酸還原酶和蔗糖酶等酶活性指標。結(jié)果表明：C/N 30和C/N 35兩個處理堆肥溫度超過50 ℃的時間最長，均為11 d;C/N 25和C/N 30碳轉(zhuǎn)化率更高，分別為22.54%和20.55%;C/N 30可以顯著提高堆肥前期的積溫，為堆肥創(chuàng)造較好的高溫環(huán)境;相關(guān)性分析表明，蛋白酶、脲酶和硝酸還原酶活性與總有機碳、全氮和C/N具有更顯著的相關(guān)性，能更好的反應(yīng)堆肥效果，可以作為堆肥進程生化指標。綜合評價，以C/N為30的葡萄冬季修剪廢棄物堆肥效果最佳。

關(guān)鍵詞：葡萄;碳氮比;修剪廢棄物;堆肥

中圖分類號：S141.4;S663.1? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.03.004

Effect of Carbon-nitrogen Ratio on the Composting Effect of Grape Pruning Waste in Winter

SHANG Jiayin1， LI Kai1， ZHANG He1， TIAN Shufen2， SU Hong1， WANG Dan1， DONG Yong3

（1. Tianjin? Academy of Agriculture Sciences，Tianjin 300192， China; 2. Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China; 3.Tianjin Shuangjie Agricultural Technology Company Limited， Tianjin 300403， China）

Abstract： To study the compost effect of carbon-nitrogen ratio on grape winter pruning waste， Winter pruning branches of summer black grape planted in facility were used as test materials， C /N were set up with 5 treatments which was 15、20、25、30、35， Nutrient indexes such as compost temperature， total organic carbon， total nitrogen， total phosphorus and total potassium， and enzyme activities such as protease， urease， cellulase， nitrate reductase and sucrase were determined. The results showed that， C/N 30 and C/N 35 treatments had the longest time of compost temperature over 50℃， both of which were 11d.The carbon conversion rates of C/N 25 and C/N 30 were 22.54% and 20.55%， respectively. C/N 30 could significantly increase the accumulated temperature in the early stage of compost and create a better high temperature environment for compost. Correlation analysis showed that the activities of protease， urease and nitrate reductase were more significantly correlated with total organic carbon， total nitrogen and C/N， which could better reflect the composting effect and could be used as biochemical indexes in the composting process. According to the comprehensive evaluation， C/N 30 compost had the best effect.

Key words： grape; C/N; cut waste; composting

近幾年，隨著我國葡萄產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，葡萄園修剪廢棄物的無害化處理顯得越來越重要。根據(jù)本課題組前期的研究，不同葡萄品種和種植模式在豐產(chǎn)期每年每公頃可以產(chǎn)生1 650～2 550 kg不等的冬季修剪廢棄物，如果采用隨意丟棄甚至焚燒的方式，會給葡萄園及農(nóng)村環(huán)境造成極大的負面影響;同時，前人的研究表明，葡萄枝條中含有大量的木質(zhì)纖維素和有機成分，作為燃料燃燒或簡單的填埋無法實現(xiàn)葡萄園可持續(xù)發(fā)展的要求，而堆肥處理則成為一種必然趨勢[1]。冬季修剪枝條中含有葡萄生長所需的大量元素[2]和微量元素[3-4]，以葡萄修剪廢棄物為原料進行堆肥，可以有效增加葡萄園土壤孔隙率與透氣性，最終達到果園廢物“零”排放和減少果園化肥施用量的目的。目前，國內(nèi)在園林綠化樹[1]、尾菜[5-6]、畜禽養(yǎng)殖、大田作物秸稈、菌渣等方面的堆肥研究較多，但是單獨研究葡萄冬季修剪廢棄物的堆肥處理還比較少;對于堆肥過程中的營養(yǎng)指標和微生物研究較多，而調(diào)節(jié) C/N ，是各種堆肥工作的基礎(chǔ)，酶活性變化則是堆肥過程中重要的生化指標。因此，本研究設(shè)計的5個C/N的處理方法，希望通過該研究，獲得處理葡萄冬季修剪廢棄物堆肥最佳的C/N方案。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

試驗于2018年1月至5月在天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新基地和天津雙街農(nóng)業(yè)科技有限公司基地進行。葡萄冬季修剪廢棄物使用天津雙街農(nóng)業(yè)科技有限公司基地設(shè)施種植的夏黑葡萄，冬季修剪后，使用該公司的大型園林枝干破碎機進行粉碎，枝條粉碎后在天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新基地進行堆肥試驗。試驗設(shè)置了5個處理，根據(jù)堆肥原料的初始總有機碳和全氮含量，通過添加尿素，將原料C/N調(diào)節(jié)為15，20，25，30，35，每個處理3次重復(fù)，每個重復(fù)的堆肥葡萄枝條質(zhì)量為10 kg。

1.2 試驗管理及取樣

根據(jù)溫度變化，堆肥開始后每周翻堆 1 次，保證堆溫不超過 70 ℃。使用“杭州路格科技有限公司”生產(chǎn)的溫濕度記錄儀全天記錄堆體3點溫度，記錄間隔為1 h，以其算術(shù)平均值描述堆體溫度的變化。堆肥周期為 75 d，其中在堆肥過程中分別在15 d 和75 d各采樣一次，共 2次，采樣方式為五點采樣法，即在中心及四角部位采集樣品共約 200 g，采樣點為堆體表面以下 20～30 cm 處。將采集的新鮮樣品放于室內(nèi)風干粉碎后用于測定試驗指標。

1.3 測定指標與方法

總有機碳采用有機肥料行業(yè)標準（NY525-2002） 中規(guī)定的方法測定，全氮使用GB7173-87d半微量凱氏法測定，C/N采用總有機碳與全氮的值進行計算;總磷含量采用試劑盒比色法測定;全鉀含量采用GB9836-88土壤全鉀測定法測定;蛋白酶、脲酶、纖維素酶、硝酸還原酶、蔗糖酶均使用上海邦奕生物的檢測試劑盒，采用酶聯(lián)免疫吸附法測定（ELISA），試驗儀器設(shè)備有：酶 標 儀（瑞士帝肯Tecan，儀器型號 Infinite F50），洗 板 機（深圳雷杜，儀器型號：RT-3500），離 心 機（賽默飛，儀器型號：Sorvall ST 40），培 養(yǎng) 箱：（上海一恒科學(xué)儀器有限公司，儀器型號：DHG-9240）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用SPSS 24.0進行方差分析和相關(guān)性分析，使用皮爾遜雙變量法進行相關(guān)性分析;使用Excel 2007進行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理堆肥過程中溫度的變化

溫度是影響微生物生長與繁殖的重要因子之一，也是堆肥過程控制中的最重要物理參數(shù)之一。高溫可殺死病原菌，且在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)有機質(zhì)降解最快，因此，堆體溫度的高低決定堆肥速度的快慢。從圖1中可以看出，5個處理堆體的溫度變化趨勢基本一致，整個周期經(jīng)歷了迅速升溫階段、高溫階段和后熟降溫階段。C/N15、C/N 20、C/N 25、C/N 30、C/N 35分別在17 d，10 d，10 d，10 d，11 d溫度升到40 ℃以上，可見C/N15處理的堆肥升溫效果要顯著低于其它4個處理，說明提高碳氮比有助于堆肥升溫。要達到最佳的堆肥溫度50 ℃以上并維持一段時間，不同的C/N處理存在一定差異，其中50 ℃以上C/N15和C/N 25維持的時間最短（3 d），C/N 30和C/N 35維持的最長（11 d），堆肥最高溫C/N 25最低（58.03 ℃），C/N 35最高（67.73 ℃），堆肥溫度達到50 ℃以上的時間C/N15和C/N 20出現(xiàn)的最晚（27 d）， C/N 35出現(xiàn)的最早（11 d）?？梢?，5個處理的堆肥溫度差異很大，較低的碳氮比（C/N15、C/N 20、C/N 25）會影響葡萄修剪廢棄物堆肥高溫維持天數(shù)并推遲高溫出現(xiàn)時間，較高的碳氮比（C/N 30、C/N 35）則可以更早達到堆肥高溫，更長維持高溫天數(shù)。

2.2 不同處理堆肥日平均氣溫積溫

有研究表明，積溫可以作為堆肥過程中兼顧溫度強度和保持時間的重要參數(shù)，與堆肥化進程及堆肥的腐熟度有關(guān)[7]。從圖2中可以看出，0～25 d時，C/N 30的積溫最高，顯著高于其它4各處理，C/N 15的積溫最低，可見，低碳氮比的處理，在堆肥前期會影響溫度，從而影響堆肥的效果。在26～50 d時，C/N 30的積溫顯著降低，其它處理的積溫有所上升，其中C/N 35和C/N 20的積溫上升明顯。在51～75 d時，各處理的積溫均下降到與室溫接近的水平，此時，C/N 15的積溫最高，說明低碳氮會延長堆肥的時間。從總的積溫可以看出，C/N 35的積溫顯著高于其它4各處理，而C/N 20、C/N 25、C/N 30的積溫差異不顯著，C/N 15則顯著低于其它4個處理?？梢姡珻/N 30會顯著提高堆肥前期的積溫，為堆肥創(chuàng)造較好的溫度環(huán)境;C/N 35則會提升整個堆肥過程中的溫度;低碳氮比則會降低堆肥前期和總積溫。2.3 C/N對葡萄修剪廢棄物堆肥的理化指標變化影響

在整個堆肥過程中，碳作為堆料中各種微生物優(yōu)先利用的能源物質(zhì)，被微生物不斷分解利用并以 CO2和H2O 的形式揮發(fā)。由表1可以看出，5個處理在堆肥第15天的總有機碳含量較初值的40.50%均有顯著降低，全氮含量較初值的0.76%有所上升，C/N則顯著下降，各處理的變化規(guī)律與堆肥初期調(diào)節(jié)碳氮比有較大關(guān)聯(lián)，全磷、全鉀的含量則各處理間的差異不顯著。堆肥第75 天時，各處理的總有機碳含量較堆肥15 d時均有一定下降，較堆肥15 d時分別下降了9.24%，12.05%，22.54%，20.55%和15.74%，可見C/N 25和C/N 30兩個處理的碳物質(zhì)轉(zhuǎn)化量較大;與此同時，堆肥75 d與堆肥15 d相比，除C/N15處理外，另外4個處理的全氮含量則有所上升，說明較高的碳氮比會降低堆肥物料中氮的轉(zhuǎn)化;在衡量堆肥效果主要指標的碳氮比方面，隨著堆肥時間的延長，堆肥75 d較堆肥15 d相比其碳氮比的值均明顯下降，其中，C/N 30處理的碳氮比下降幅度最大，為27.29%，C/N 15處理的下降幅度最小，為8.65%。在對堆肥過程中全磷和全鉀的檢測中發(fā)現(xiàn)，各處理在堆肥15 d時的全磷和全鉀值無顯著差異;在堆肥75 d時，處理間的全磷含量有一定差異，而全鉀含量無顯著差異;對比堆肥過程中的全磷和全鉀含量，全磷含量前后無明顯差異，而全鉀含量則隨著堆肥的進行有所升高。

2.4 C/N對葡萄修剪廢棄物堆肥的酶活性變化影響

由表2可以看出，5個處理在堆肥后15 d的蛋白酶活性呈碳氮比越高活性越高的趨勢;脲酶、纖維素酶和蔗糖酶則呈現(xiàn)與之相反的趨勢;硝酸還原酶為中間高兩邊低的趨勢。在堆肥后75 d，蛋白酶、脲酶、纖維素酶和蔗糖酶的變化趨勢與堆肥15 d時基本一致，其中脲酶、纖維素酶和蔗糖酶的活性較堆肥15 d時呈顯著的下降趨勢，蛋白酶的變化則不明顯;蔗糖酶在C/N15和C/N 20呈顯著的下降，而另外3個處理則變化不大或略有上升。

2.5 堆肥指標的相關(guān)性分析

通過對10個堆肥不同時期的枝條腐熟指標進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（表3），與堆肥相關(guān)的總碳、全氮和C/N呈現(xiàn)很大的相關(guān)性差異，全磷、全鉀與總碳、全氮和C/N均無顯著的相關(guān)性，說明在堆肥過程中，這2項指標與堆肥的進程無明顯相關(guān)性;蛋白酶和硝酸還原酶與總碳和C/N兩項指標有顯著的相關(guān)性，硝酸還原酶與全氮呈顯著的負相關(guān);脲酶與全氮呈顯著的負相關(guān)，與C/N呈顯著的正相關(guān);纖維素酶和蔗糖酶則與3個主要堆肥指標無顯著的相關(guān)性。

3 結(jié) 論

有研究表明[1]，C/N 低，有機質(zhì)降解強度小，溫度上升迅速，高溫期及堆肥周期短，積溫低;C/N 高，有機質(zhì)降解強度大，微生物分解速度緩慢，溫度上升慢，高溫期及堆肥周期長，積溫高。本研究表明，較低的碳氮比會推遲枝條堆肥高溫出現(xiàn)時間和減少高溫維持天數(shù)，高碳氮比（C/N 30、C/N 35）可以延長堆肥發(fā)酵的高溫期，C/N 30處理在提高堆肥前期積溫方面效果最佳，能夠為堆肥創(chuàng)造較好的溫度環(huán)境;與之相反，低碳氮比（C/N 15）則會影響堆肥的溫度和高溫的持續(xù)時間，不利于堆肥的進行?？傆袡C碳的減小并趨于平穩(wěn)[8]，以及T（ 終點C/N /初始C/N） 值小于0.6時[9-10]，被認為是堆肥是否腐熟的重要指標，可見在堆肥過程中，碳的轉(zhuǎn)化越快，其堆肥腐熟的效率越高。本試驗中，C/N 25和C/N 30兩個處理的碳轉(zhuǎn)化率更高，分別為22.54%，20.55%，說明其處理的堆肥腐熟更快，效率更高。

在堆肥過程中，磷、鉀這兩個大量元素無明顯的變化趨勢和規(guī)律，并且相關(guān)性分析也表明全磷和全鉀兩個營養(yǎng)指標與總有機碳、全氮和C/N無顯著的相關(guān)性，說明在堆肥進程中，磷、鉀這兩種元素對堆肥進程的影響不大。蛋白酶、硝酸還原酶、脲酶，與有機碳、全氮和C/N這3項指標具有顯著的相關(guān)性;而纖維素酶和蔗糖酶則與堆肥進程的關(guān)鍵指標無顯著的相關(guān)性;可見蛋白酶、硝酸還原酶和脲酶作為酶活性指標具有與堆肥關(guān)鍵指標相關(guān)的指示意義。

綜上所述，綜合考慮各種堆肥進程因素，以C/N 30處理效果最佳;蛋白酶、脲酶和硝酸還原酶活性則可以在一定程度上體現(xiàn)葡萄冬季修剪枝條的堆肥效果。

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