不同濕度葡萄冬剪廢棄物堆肥效果研究

商佳胤，李凱，王丹，蘇宏，張鶴，田淑芬，董永

（1.天津市農業(yè)科學院，天津 300192；2.天津農學院 300384；3.天津雙街農業(yè)科技有限公司，天津 300403）

近幾年，隨著我國葡萄產業(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。果樹修剪枝條亂堆、亂放不僅會導致資源的浪費，還會引起病蟲害傳播和火災隱患[1]，而直接焚燒處理會加劇空氣污染[2]。根據本課題組前期的研究，不同葡萄品種和種植模式在豐產期每667 m2每年可以產生110～170 kg冬季修剪廢棄物，如果采用隨意丟棄甚至焚燒的方式，會給葡萄園及周圍環(huán)境造成極大的負面影響。作為果園廢棄物，葡萄枝條中含有豐富的生物質能源[3]、有機活性物質[4-5]和無機元素[6-7]，枝條還田可提高土壤有機質含量，降低化肥的施用量，提高作物的產量和品質[8-10]，具有顯著的經濟和環(huán)境效應[8]。

前人針對發(fā)酵菌劑、堆肥物料、堆肥溫度對堆肥效果的影響開展了諸多研究。報道中發(fā)現(xiàn)，在堆肥過程中添加有機物或微生物菌劑能提高碳源的利用率，通過改變堆肥過程中生物酶活性以及微生物功能多樣性，了解堆肥腐熟程度有著非常重要的價值[11-12]。添加畜禽糞便可以改善堆肥環(huán)境，提高堆肥效率和后期還田肥力[13-15]，堆肥積溫則與堆肥進程的腐熟度有關[16]。因此，研究堆肥過程中溫度、營養(yǎng)成分以及各種酶活性的變化對于了解堆肥效果有非常重要的價值。

調節(jié)堆肥初始含水量是最簡單經濟的改善發(fā)酵環(huán)境的方法，但是前人關于水分對葡萄枝條的堆肥效果以及對于堆肥進程相關營養(yǎng)和酶活性指標研究還比較少。因此，設計不同的初始補水處理方法，希望獲得處理葡萄冬季修剪廢棄物堆肥最佳、最經濟的水分補充方案。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于2018年1月至5月在天津市農業(yè)科學院創(chuàng)新基地和天津雙街農業(yè)科技有限公司基地進行。葡萄冬季修剪廢棄物為天津雙街農業(yè)科技有限公司基地設施種植的5年生‘夏黑’葡萄。冬季修剪后，使用大型園林枝干破碎機進行枝條粉碎，然后在天津市農業(yè)科學院創(chuàng)新基地進行堆肥試驗。試驗設置5個處理，每個堆肥葡萄枝條質量為10 kg，按照堆肥質量的5%、10%、15%、20%、25%補水，然后混拌。每個處理3次重復，以不補水為對照（CK）。

1.2 試驗管理及取樣

根據溫度變化，堆肥開始后前2周，每周翻1次堆，保證堆溫不超過70 ℃。使用“杭州路格科技有限公司”生產的溫濕度記錄儀全天記錄堆體多點溫度，記錄間隔為1 h，每個處理設置2個探頭，以其算術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第15天和第75天各采樣一次。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風干粉碎后用于測定各指標。

1.3 測定指標與方法

總有機碳采用有機肥料行業(yè)標準（NY 525—2002）中規(guī)定的方法測定；全氮使用GB 7173—87d半微量開氏法測定；C/N采用總有機碳與全氮的值進行計算；全磷含量采用試劑盒比色法測定；全鉀含量采用GB 9836—88：土壤全鉀測定法測定；蛋白酶、脲酶、纖維素酶、硝酸還原酶、蔗糖酶均采用酶聯(lián)免疫吸附法測定（ELISA）。

1.4 數(shù)據分析

數(shù)據統(tǒng)計采用SPSS 24.0進行單因素的方差分析，使用T-best法進行顯著性分析，使用皮爾遜雙變量法進行相關性分析；使用Excel 2007進行圖表制作。

2 結果與分析

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最顯著因子，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)姆秶鷥扔兄诮到庥袡C質。因此，堆體溫度的高低決定堆肥速度。從圖1中可以看出，所有處理堆肥的溫度變化趨勢基本一致，經歷迅速升溫階段、高溫階段和后熟降溫階段。補水處理分別在11、12、13、11、12 d溫度升到50 ℃以上，可見補水處理對于堆肥達到高溫的時間影響不大。在達到高溫維持天數(shù)和堆肥最高溫方面，W5%處理為8 d，最高溫為55.31 ℃，出現(xiàn)在第17天；W10%處理為7 d，最高溫為59.33 ℃，出現(xiàn)在第14天；W15%為11 d，最高溫為63.35 ℃，出現(xiàn)在第14天；W20%為9 d，最高溫為61.27 ℃，出現(xiàn)在第14天；W25%為7 d，最高溫為59.65 ℃，出現(xiàn)在第13天；對照為8 d，最高溫為56.89 ℃，出現(xiàn)在第12天?？梢?，5個處理和對照的堆肥溫度最高溫出現(xiàn)的時間差異不大，基本都在第11天以后出現(xiàn)，但是堆肥高溫維持時間差異顯著，表現(xiàn)為W15%處理最高溫及維持時間高于其它處理。

圖1 不同補水處理堆肥過程中溫度的變化Figure 1 Dynamics of temperature during the composting in different treatments

2.2 不同處理堆肥日平均積溫

由從圖2中可以看出，0～25 d時，W15%的積溫最高，為1131.78 ℃，顯著高于其它處理，各處理間差異不明顯，可見，提高堆肥濕度可以提高堆肥前期溫度。在26～50 d時，各處理間以及處理和對照間均無顯著差異；在51～75 d時，高水分處理（W20%和W25%）的積溫顯著高于低水分處理。從總的積溫可以看出，W15%（2609.38 ℃）積溫顯著高于其它處理，W5%和W10%與對照的差異不顯著，但是高含水量處理W20%和W25%則顯著低于對照。

圖2 不同處理的堆肥積溫Figure 2 Cumulative temperatures of composts with different treatments

2.3 含水量對修剪廢棄物堆肥的理化指標影響

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，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，堆肥后15 d，所有處理在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則較初值（53.29%）顯著下降；5個處理的總有機碳、全氮、C/N和全鉀與對照相比均無顯著差異；W5%和對照在全磷含量無顯著差異，但是均顯著高于另外4個處理。堆肥75 d時，各處理和對照的總有機碳含量較堆肥15 d時均有一定程度地下降，分別降低24.37%、22.89%、29.15%、29.81%、31.79%和20.21%，可見增加枝條堆肥初始的含水量，對于碳的轉化均有一定提升作用。與此同時，堆肥75 d與堆肥15 d相比，5個處理的全氮含量則有升有降，無明顯規(guī)律；在衡量堆肥效果主要指標碳氮比方面，隨著堆肥時間的延長，其碳氮比均明顯下降，分別降低27.23%、25.03%、25.42%、26.02%、22.05%和9.17%。有研究認為[16-18]，當T（終點C/N與初始C/N的比）值小于0.6時，表示堆肥已達腐熟，說明在堆肥過程中，C/N較初值下降速率越快，其堆肥腐熟越快。在堆肥過程中全磷在處理間無明顯得規(guī)律；全鉀則表現(xiàn)為初始含水量高的處理（10%、15%、20%、25%）顯著高于低含量處理W5%和對照。

表1 不同處理堆肥的營養(yǎng)指標變化Table 1 Changes of nutrient indexes in compost with different treatments

2.4 含水量對修剪廢棄物堆肥活性酶的影響

由表2可以看出，各處理在堆肥過程中的5種酶活性基本表現(xiàn)出15 d高于75 d的結果。但是，不同處理的酶活性存在一定的差異，其中蛋白酶、硝酸還原酶和蔗糖酶在堆肥15 d和75 d無明顯趨勢；脲酶和纖維素酶在堆肥15 d和75 d表現(xiàn)為初始含水量高的處理（10%、15%、20%、25%）其活性顯著高于W5%和對照。在堆肥75 d時，含水量最高的2個處理其酶活性顯著高于其它處理和對照。

表2 不同處理堆肥的活性酶變化Table 2 Changes of active enzymes in different composting treatments

2.5 含水量對堆肥指標影響的相關性分析

總有機碳、全氮和C/N，以及蛋白酶和脲酶等是堆肥進程的重要指標。通過對10個枝條腐熟指標進行相關性分析發(fā)現(xiàn)（表3），在主要營養(yǎng)成分方面，總有機碳與C/N呈極顯著相關性，與全磷和蔗糖酶呈顯著相關性。C/N、全磷和全鉀與其它各指標均無顯著相關性。對于5個酶活性的分析發(fā)現(xiàn)，蛋白酶與其它各指標均無顯著相關性；纖維素酶與脲酶和硝酸還原酶呈極顯著相關；蔗糖酶與總有機碳呈顯著相關性。

表3 不同處理堆肥指標影響的相關性分析Table 3 Correlation analysis of different composting indexes

3 討論與結論

果樹枝條中含有大量的纖維素和木質素，許多研究結果已經證實纖維素和木質纖維素的降解可限制堆肥腐熟進程[19]。本研究結果顯示，補充水分不會影響堆肥達到高溫的時間，但是W15%最高溫、高溫維持時間和總積溫高于其它處理和對照，說明該處理為堆肥創(chuàng)造的高溫環(huán)境效果更好；水分含量≥20%時，會影響堆肥的總積溫。

碳氮比是重要的堆肥進程指標，碳氮比的高低影響堆肥的進程。有研究表明[20]，C/N低，有機質降解強度小，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。因此，總有機碳、全氮和C/N會間接影響堆肥的溫度，直接影響堆肥效果。從本研究結果看，補充水分可以提高碳的轉化效率；同時，初始含水量高（＞5%）的處理堆肥后其全鉀的含量較高。

堆肥的肥化過程是在一系列酶的作用下，把大分子有機物轉化成對環(huán)境無害、對作物安全的生物化學過程[19,21]。本研究也表明，在堆肥溫度較高的15 d時，測定的5種酶活性普遍高于溫度下降后的75 d；初始含水量高的處理，其脲酶和纖維素酶活性更高。相關性方面，蔗糖酶與總有機碳呈顯著的相關性，而纖維素酶與脲酶和硝酸還原酶呈極顯著的相關性。綜上所述，在堆肥初始階段，補充堆肥質量的15%的水分效果最佳。