三種單一類型園林廢棄物集約化制肥效果研究

宋良紅，王 珂，李小康，楊志恒，王志毅

（鄭州植物園，鄭州 450052）

園林廢棄物通常指園林植物養(yǎng)護(hù)過程中所產(chǎn)生的落葉、草屑、花敗、枯枝以及修剪物等固體廢棄物，也有學(xué)者稱之為園林垃圾［1，2］。園林城市的快速發(fā)展引起園林廢棄物急增，傳統(tǒng)的填埋、焚燒等處置方式已經(jīng)不符合生態(tài)環(huán)保發(fā)展要求，大量的園林廢棄物需要更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)的處理方式［3，4］。園林廢棄物中含有豐富的有機(jī)質(zhì)和木質(zhì)纖維素等可降解成分［5，6］，通過堆肥處理可轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥料［7］，這種處理方式能夠促進(jìn)資源再利用，降低園林養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，推動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)綠色循環(huán)發(fā)展［8-10］。

近年來，園林廢棄物資源化利用研究?jī)A向于混合型物料堆肥。其中，李雅君等［11］通過添加菌劑和動(dòng)物糞便優(yōu)選出落葉枯枝混合型園林廢棄物堆肥的最優(yōu)堆肥條件。姚文英等［12］在樹葉堆肥發(fā)酵過程中添加不同的發(fā)酵菌劑發(fā)現(xiàn)添加嗜熱側(cè)孢霉的處理在堆體中心溫度、理化性質(zhì)、種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)（GI）等方面均優(yōu)于對(duì)照和加入微生物菌劑的處理。但目前利用不同類型園林廢棄物通過集成化設(shè)備高溫制肥技術(shù)的研究較少。本研究以3種單一類型園林廢棄物為制肥原料，通過不同比例添加物，探究高溫制肥過程中有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量等指標(biāo)變化，以期根據(jù)不同類型園林廢棄物制肥的特點(diǎn)優(yōu)選經(jīng)濟(jì)適宜的制肥配比與制肥模式，為不同類型園林廢棄物的資源利用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)依托鄭州植物園園林廢棄物處理中心，收集的園林廢棄物分為草屑類、落葉類和枯枝類。將草屑類與落葉類分別粉碎成粒徑為1.0～5.0 mm的顆粒，枯枝類先粗粉成2.0～2.5 cm的顆粒，然后細(xì)粉成1.0～5.0 mm的顆粒。羊糞、豆渣均購(gòu)買于鄭州植物園附近的農(nóng)戶。發(fā)酵菌劑采用鄭州云茂實(shí)業(yè)有限公司的YM-ZF-A系列發(fā)酵設(shè)備專用菌，專用菌包括5種細(xì)菌（肺炎克雷伯菌、假單胞菌、嗜麥芽窄食單胞菌、熱纖梭菌、芽孢桿菌）和11種真菌（康氏木霉、黃綠木霉、木霉、里氏木霉、交鏈孢屬、無孢菌群、硬內(nèi)囊霉屬、曲霉屬、黑曲霉、擬莖點(diǎn)霉屬、斜臥青霉）。

1.2 方法

試驗(yàn)始于7月，地點(diǎn)位于鄭州植物園。設(shè)置6個(gè)處理，如表1所示，每個(gè)處理重復(fù)3次。每個(gè)堆肥處理按照固定成分配比后，將含水量調(diào)節(jié)至50%～60%，通過系列集約化發(fā)酵設(shè)備（鄭州云茂實(shí)業(yè)有限公司的YM-ZF-A系列發(fā)酵設(shè)備）進(jìn)行30 min高溫滅菌，按照堆體質(zhì)量添加0.5%發(fā)酵專用菌，進(jìn)行初次發(fā)酵。該系列設(shè)備包括進(jìn)料機(jī)、出料機(jī)、園林廢棄物處理機(jī)、生物質(zhì)熱風(fēng)爐，可完成自動(dòng)攪拌、升溫、滅菌、進(jìn)料、出料等過程，集約化程度高。出倉(cāng)堆置成直徑2.0～3.0 m、高1.2 m的椎體。在堆肥發(fā)酵期間每天上午10：00、下午2：00讀取堆體溫度，取平均值，記錄發(fā)酵溫度變化。在發(fā)酵前期（初始混合期）、發(fā)酵中期（設(shè)備發(fā)酵后）、發(fā)酵末期（腐熟完成后）測(cè)定有機(jī)質(zhì)、pH、全氮、全磷、全鉀。在發(fā)酵末期進(jìn)行發(fā)芽指數(shù)測(cè)定。

表1 不同類型園林廢棄物堆肥發(fā)酵配方

1.3 項(xiàng)目測(cè)定

全氮采用H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮法測(cè)量；全磷采用H2SO4-HNO3消煮-鉬銻抗比色法測(cè)量；全鉀采用H2SO4-HNO3消煮-火焰光度法測(cè)量，具體操作按照中國(guó)有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)NY525—2012進(jìn)行［13］；有機(jī)質(zhì)和pH用YN-8000智能綜合檢測(cè)儀測(cè)定；發(fā)芽指數(shù)（GI）計(jì)算公式［14］為GI=［（堆肥處理的種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng)）/（去離子水處理的種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng)）］×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel、SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同物料配比對(duì)園林廢棄物堆肥溫度的影響

堆肥溫度是堆肥穩(wěn)定化和無害化的重要參數(shù)［15］，其變化反映了堆體微生物活性的變化，這種變化與堆體中可被分解的有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)［16］。從表2可以看出，6個(gè)堆肥處理中，有5個(gè)處理的堆體溫度在第1天就達(dá)60℃以上，而T2處理在第2天也達(dá)60℃以上，表明堆肥處理升溫速度快，高度集成化設(shè)備將物料進(jìn)行了高溫滅菌和微生物發(fā)酵處理，有助于堆體快速升溫。

表2 不同處理溫度變化主要指標(biāo)

堆肥周期內(nèi)從T1到T6處理，均能維持55℃以上高溫10 d以上，其中T1處理和T2處理持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，分別維持27、25 d，其次是T5處理維持20 d，而T3、T4、T6處理維持高溫時(shí)間較短，分別是12、14、13 d。T1和T2這2個(gè)處理主要是由枯枝類構(gòu)成，而枯枝類中含有較多難降解的有機(jī)物質(zhì)，因此增加了發(fā)酵時(shí)間。

6個(gè)處理達(dá)到腐熟所需時(shí)間依次表現(xiàn)為T1＞T2＞T3=T4＞T5＞T6，表明草屑類（T5、T6）腐熟速度快，分別用了37、31 d，其次是落葉類（T3、T4），均用了45 d，而枯枝類（T1、T2）腐熟最慢，分別用了53、50 d。草屑類中羊糞、豆渣含量較多時(shí)，能夠加速堆腐速度；枯枝類中羊糞和豆渣含量較多時(shí)，加速了堆腐速度，但是落葉類中2種比例發(fā)酵時(shí)間基本一致。

2.2 不同物料配比對(duì)園林廢棄物堆肥p H的影響

pH的變化是反映堆肥過程的重要參數(shù)，適宜的pH能夠使微生物有效地發(fā)揮作用，而pH太高或者太低，都會(huì)影響堆肥效率和質(zhì)量［15］。從表3可以看出，經(jīng)過集成化設(shè)備快速發(fā)酵之后，不同處理pH均有所上升，而T3處理出現(xiàn)了略微下降，這可能與微生物活動(dòng)產(chǎn)生有機(jī)酸有關(guān)。發(fā)酵末期與發(fā)酵前期相比各處理pH均呈上升趨勢(shì)，T1至T6處理的pH均在7.51～8.44，表明各處理的pH均處在中性或弱堿性環(huán)境中，對(duì)微生物活動(dòng)更有利。發(fā)酵末期各處理pH表現(xiàn)為T6＞T4＞T2，T5＞T3＞T1，表明同一配比條件下，pH大小表現(xiàn)為草屑類＞落葉類＞枯枝類。

表3 不同處理p H變化

2.3 不同物料配比對(duì)園林廢棄物堆肥有機(jī)質(zhì)的影響

6個(gè)處理有機(jī)質(zhì)含量變化如表4所示，各處理有機(jī)質(zhì)含量變化相似，均呈下降趨勢(shì)。通過高效集成化設(shè)備發(fā)酵后，各處理有機(jī)質(zhì)含量雖然均有所下降，但是下降量較小。與發(fā)酵前期相比，發(fā)酵末期各處理下降程度較大，其中，T3、T4、T5、T6處理下降程度較大，分別下降了19.70、17.51、19.36、20.65個(gè)百分點(diǎn)，而T1、T2下降程度相對(duì)較低，分別下降了13.56、16.96個(gè)百分點(diǎn)。表明落葉類和草屑類可降解有機(jī)質(zhì)較多，在整個(gè)發(fā)酵腐熟過程中大量有機(jī)質(zhì)被分解。

表4 不同處理有機(jī)質(zhì)含量變化（單位：%）

本研究發(fā)酵末期，各處理有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為T2＞T1＞T4＞T3＞T6＞T5，可 知T2＞T1，T4＞T3，T6＞T5，表明發(fā)酵末期，同一類型堆肥中，豆渣和羊糞含量較多時(shí)有機(jī)質(zhì)含量較高；同一配比中，有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為T2＞T4＞T6，T1＞T3＞T5，表明在同一配比中，枯枝類含有較高的有機(jī)質(zhì)，草屑類有機(jī)質(zhì)含量較低。

2.4 不同物料配比對(duì)園林廢棄物堆肥養(yǎng)分的影響

園林廢棄物堆肥腐熟的過程中，氮素的含量變化是評(píng)價(jià)其成品質(zhì)量的重要指標(biāo)［17］。本試驗(yàn)中發(fā)酵末期各處理全氮含量顯著高于發(fā)酵前期，全氮含量均呈升高趨勢(shì)（表5）。發(fā)酵末期各處理全氮含量大小表現(xiàn)為T6＞T5＞T2＞T4＞T3＞T1，T6、T5處理的全氮含量顯著高于其他處理，其次是T2、T4處理，全氮含量最低的是T1、T3處理，表明堆體完全腐熟后，3種單一類型堆肥產(chǎn)品中全氮含量表現(xiàn)為草屑類＞落葉類，草屑類＞枯枝類，羊糞含量較多時(shí)全氮含量較高。

表5 不同處理堆肥前后的養(yǎng)分變化 （單位：%）

發(fā)酵末期，3種單一類型園林廢棄物全鉀含量均呈上升趨勢(shì)，其中，T6、T5全鉀含量上升幅度較大，分別是發(fā)酵前期的7.76、6.70倍，其次是T4，全鉀含量是發(fā)酵前期的6.59倍，其余處理的上升量均達(dá)3倍以上。發(fā)酵末期，各處理全鉀含量表現(xiàn)為T6＞T5，T2＞T1，T4＞T3，這表明同一類型中，豆渣和羊糞含量較多時(shí)全鉀含量較高。

從發(fā)酵前期到發(fā)酵末期，各處理的全磷含量均有所增長(zhǎng)。發(fā)酵末期各處理全磷含量表現(xiàn)為T6＞T5，T2＞T1，T4＞T3，表明同一類型中豆渣和羊糞含量較多時(shí)，全磷含量較高。從總養(yǎng)分來看，發(fā)酵末期，各處理總養(yǎng)分都有不同程度的提升，總養(yǎng)分均在6.00%以上，達(dá)到有機(jī)肥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)NY525—2002總養(yǎng)分≥4%的要求。其中，T5、T6處理總養(yǎng)分含量處于較高水平，更有利于植物生長(zhǎng)。

2.5 不同物料配比對(duì)園林廢棄物堆肥腐熟度發(fā)芽指數(shù)的影響

由圖1可知，6個(gè)處理的發(fā)芽指數(shù)均在80%以上，表明6個(gè)處理均已完全腐熟，且達(dá)到有機(jī)肥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)NY525—2002要求，對(duì)植物毒害作用較小。6個(gè)處理中，T1＞T2，T3＞T4，T5＞T6，表明3種單一類型堆肥產(chǎn)品中，在豆渣羊糞含量較低時(shí)對(duì)植物的毒害性較小，種子的發(fā)芽指數(shù)較高，其中，T5處理的發(fā)芽率處于相對(duì)較高水平，表明豆渣羊糞含量較低的草屑類更有利于種子萌發(fā)，堆肥效果較好。

圖1 腐熟后不同處理發(fā)芽指數(shù)

3 小結(jié)與討論

有研究表明，堆體溫度通常在開始的3～5 d，從環(huán)境溫度上升到60℃以上高溫［18］，本試驗(yàn)中3種類型綠化廢棄物均能通過集成化發(fā)酵設(shè)備在1～2 d內(nèi)快速提升堆肥溫度至60℃以上，明顯縮短堆體升溫過程。本研究中草屑類（T5和T6處理）腐熟最快，在堆肥時(shí)間上占有優(yōu)勢(shì)，而落葉類和枯枝類處理腐熟較慢，這可能與落葉類和枯枝類中存在較多難降解的有機(jī)質(zhì)有關(guān)。本研究中各處理在發(fā)酵過程中維持55℃高溫時(shí)間均較長(zhǎng)，這可能與堆肥發(fā)酵期間夏季高溫有關(guān)。

堆肥發(fā)酵過程中pH的變化是影響堆體內(nèi)微生物活性和衡量堆肥腐熟質(zhì)量的重要參數(shù)［17］，本研究中各處理發(fā)酵過程中pH呈上升趨勢(shì)，這與王瑞瑩等［19］的研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)發(fā)酵末期各處理的pH均在7.51～8.44，處于弱堿環(huán)境，能夠?yàn)槲⑸锘顒?dòng)與生存提供適宜的pH環(huán)境［17］。

龔小強(qiáng)等［20］研究表明，添加牛糞可提高纖維素和木質(zhì)素的降解率，增加堆肥產(chǎn)品中氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素的含量。本試驗(yàn)各處理的有機(jī)質(zhì)含量均呈下降趨勢(shì)，發(fā)酵末期，同一類型中羊糞含量多的處理，有機(jī)質(zhì)含量下降幅度最大，且堆肥產(chǎn)品中氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素的含量相對(duì)較高。本研究中，同一配比條件下，氮、磷、鉀含量均表現(xiàn)為草屑類較高，其次是落葉類，而枯枝類含量最低，這與王瑞瑩［19］等研究園林廢棄物堆肥過程中樹葉類氮、磷、鉀養(yǎng)分含量高于枯枝類的結(jié)果相一致。

發(fā)芽指數(shù)是評(píng)價(jià)腐熟度的常用參數(shù)，種子發(fā)芽指數(shù)體現(xiàn)腐熟堆肥毒性的降低情況，本研究表明草屑類、落葉類、枯枝類的6個(gè)處理種子發(fā)芽指數(shù)均在80%以上，且每種類型中第一種配比，即豆渣：羊糞：枯枝類為1∶1∶8的發(fā)芽指數(shù)相對(duì)較高，對(duì)植物毒害性較低，有利于植物生長(zhǎng)，堆肥效果較好。其中，草屑類（T5、T6處理）的2種處理具有明顯優(yōu)勢(shì)，堆肥時(shí)間最短，總養(yǎng)分含量較高，pH適中，發(fā)芽指數(shù)符合要求，有利于植物生長(zhǎng)，堆肥效果好。草屑類中的T5處理豆渣羊糞含量較低，可節(jié)約一定的成本，生產(chǎn)中草屑類按照豆渣：羊糞：園林廢棄物1∶1∶8的比例進(jìn)行集成化發(fā)酵堆肥最為適宜，制肥時(shí)間可選擇在春季或者秋季，可避免過度高溫和低溫對(duì)制肥帶來影響。