不同调理剂对尾菜低C_N堆肥腐殖化效果的影响.pdf
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1、DOI:10.11689/sc.2022123001牛明芬,刘振民,马建,等.不同调理剂对尾菜低 C/N 堆肥腐殖化效果的影响J.土壤与作物,2023,12(3):314 325.NIU M F,LIU Z M,MA J,et al.Effects of different conditioners on humification of low C/N compost with vegetable wasteJ.Soils andCrops,2023,12(3):314 325.不同调理剂对尾菜低 C/N 堆肥腐殖化效果的影响牛明芬1,刘振民1,2,3,马建2,3,秦美玲3,赵明会4(1.沈阳
2、建筑大学 市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 110161;2.中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁 沈阳 110016;3.寿光中科设施农业研发中心,山东 潍坊 262700;4.寿光市农业农村局,山东 潍坊 262700)摘要:针对尾菜碳氮比(C/N)低自身无法堆肥,现有好氧堆肥工艺下尾菜堆肥需要大量调理剂,不同调理剂组分对尾菜堆肥过程的腐殖化进程影响差异不清的问题,本研究以番茄藤蔓尾菜为主要原料,选用小麦秸秆、椰糠和蘑菇渣三种不同的调理剂进行好氧堆肥,明确不同调理剂添加情况下,尾菜低碳氮比(C/N=14)好氧堆肥过程中腐殖质的产生与变化趋势。采用温度、pH、电导率(EC)和发芽指数(GI)进行
3、堆肥腐熟度评判,通过腐殖质组分的变化,明确不同调理剂添加情况下的尾菜堆肥腐殖化效果及变化规律。结果表明,相较于尾菜无法自身堆肥完成腐殖化,添加不同调理剂均能使尾菜发生腐殖化,且不同处理腐殖化程度相似,堆肥结束腐殖质含量均在 28%左右,但不同处理堆肥产物的胡敏酸含量差异较大,蘑菇渣处理(T3)含量最高达到 11.9%,添加椰糠处理(T2)最少仅为 4.8%;对不同处理堆肥产物红外光谱分析表明,相较于其他两个处理,添加椰糠处理的芳香族伸缩振动改变量最少,腐殖化程度较低。堆肥结果表明,小麦秸秆、椰糠和蘑菇渣三种调理剂均能使尾菜在低 C/N 条件下进行好氧堆肥,温度、pH、EC 和 GI 值都能达到
4、相关有机肥标准。添加小麦秸秆更易促进腐植酸产生,促进腐殖质的形成;添加椰糠处理,腐殖化效果较差。关键词:低碳氮比;尾菜堆肥;腐殖化;红外光谱中图分类号:S142+.9文献标识码:AEffects of different conditioners on humification of low C/Ncompost with vegetable wasteNIU Mingfen1,LIU Zhenmin1,2,3,MA Jian2,3,QIN Meiling3,ZHAO Minghui4(1.School of Municipal and Environmental Engineering,Sh
5、enyang Jianzhu University,Shenyang 110161,China;2.Institute ofApplied Ecology,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;3.Shouguang Zhongke Facility AgricultureR&D Center,Weifang 262700,China;4.Shouguang Agricultural and Rural Bureau,Weifang 262700,China)Abstract:The low C/N ratio of vegetab
6、le waste can not compost by itself,vegetable waste composting under the existing aerobiccomposting process requires a lot of conditioning agents,and the effect of different conditioning components on the humificationprogress of the vegetable waste composting process is unclear.In order to solve the
7、above problems,we used tomato vine as themain material,and selected three different kinds of conditioning agents including wheat straw,coconut bran and mushroom residuefor aerobic composting to understand the humic substances production and change trend during aerobic composting with low C/Nratio(C/
8、N=14)of vegetable waste under the addition of different conditioning agents.The degree of humification of compost wasjudged using temperature,pH,electrical conductivity(EC)and germination index(GI)to clarify the effects and change pattern ofhumification of vegetable waste compost with different cond
9、itioner additions through changes in humic components.The resultsshowed that compared with the inability of a vegetable waste to complete humification by its own compost,the addition of differentconditioning agents could all humify the vegetable waste,and the degree of humification by different trea
10、tments was similar.Thehumic acid contents of the end compost were all around 28%,while the humic acid contents of the different treatment compost 收稿日期:2022 12 30;修回日期:2023 03 31.基金项目:中国科学院战略性先导科技专项(XDA28090300);沈阳市科技计划项目(22-317-2-10).第一作者简介:牛明芬(1967 ),女,教授,主要从事固体废弃物资源化研究.Email:.通信作者:马建(1982 ),男,副研究员
11、,主要从事农业生态环境研究.Email:.土壤与作物 2023 年 9 月 第 12 卷 第 3 期Soils and Crops,Sep.2023,12(3):314 325products differed greatly,with the highest amount reaching 11.9%in mushroom pomace treatment(T3),and the least amount beingonly 4.8%in coconut bran treatment(T2).Infrared spectroscopic analysis of compost product
12、s from the different treatments showedthat the least amount of altered aromatic stretching vibration and a lower degree of humification occurred in the treatment with co-conut bran added relative to the other two treatments.Composting results showed that all three types of conditioning agents,wheats
13、traw,coconut bran,and mushroom residue,enabled the tail vegetables to be aerobically composted under low C/N conditions,whilethe temperature,pH,EC,and GI values met the relevant organic manure standards.The addition of wheat straw more easily promot-ed humic acid production and promoted the formatio
14、n of humic substances,but poor humification effect in coconut bran treatment.Key words:low C/N ratio;vegetable waste compost;humicylation;infrared spectroscopy 0引言尾菜是指在农业生产、运输、销售过程中废弃的蔬菜根、茎及叶等,具有 C/N 低、含水率高、养分含量高的特点。尾菜按来源可分为叶菜类、茄果类和藤蔓类,其中藤蔓类尾菜主要是番茄、丝瓜、辣椒等的根和茎,其纤维素和木质素含量高,占总有机质的 50%以上1,降解性差,是尾菜中最难堆肥处
15、理的一类。好氧堆肥是目前处理尾菜等农业有机废弃物的主要途径,具有处理规模大、经济可行的特点。碳氮比(C/N)是影响好氧堆肥进程的主要因素,25 30 的 C/N 被认为是合理的区间,C/N 过高时氮素不足,微生物生长受抑制,有机物降解变慢;过低时碳素不足,多余的氮素不易被微生物利用,出现氮损失现象,降低肥效2 5。尾菜的 C/N 通常在 8.3 22.4 之间6,藤蔓类尾菜的 C/N 更是处于 11.8 16.9 的低水平7。受尾菜低 C/N 和高含水量的限制,尾菜单独堆肥困难,通常需要添加大量的高碳调理剂,如秸秆、锯末和树叶等8,以达到堆肥所需合理的 C/N 区间。按常规 25 30 的 C
16、/N 作为调控区间时,参与堆肥的调理剂量往往会超过参与堆肥的尾菜量,造成堆肥成本偏高,经济性、实际可操作性不佳。减少调理剂的投入量,研发低 C/N 条件下的堆肥方法,是低 C/N 物料高效资源化过程中需要解决的问题之一。以往对低碳比物料的堆肥研究,主要集中在畜禽粪便的堆肥处理上,如 Zhu 等9认为 C/N 为 20 时可以处理更多的猪粪,比 C/N 为 25 时每吨猪粪少添加 172 kg 的稻草调理剂,更具经济性。马若男等10利用玉米秸秆和鸡粪进行混合堆肥,建议当秸秆资源不足时,初始 C/N 可调节至 18,也能满足鸡粪堆肥腐熟的需求。尾菜相较于畜禽粪便,具有类似的低 C/N,但纤维素、木
17、质素含量更高,堆肥处理难度大。如何有效化解尾菜堆肥过程中的 C/N 障碍,形成经济可行的堆肥生产工艺,满足实际生产中的迫切需求显得尤为重要。堆肥是有机组分的转化过程,伴随着铵态氮和 CO2气态损失11,减少堆肥过程中温室气体的排放,增加堆肥中腐殖质的含量,已成为堆肥研究的重点12。不同 C/N 情况下堆肥有机组分的转化规律不同,形成的堆肥产物也存在差异。目前关于尾菜在低 C/N 条件下堆肥腐殖化的研究还很少,也缺乏相关的借鉴经验。本研究根据设施农业集中区高碳调理剂不易大量供给的实际问题,结合提高堆肥腐殖质含量的实际需求,对低 C/N 尾菜堆肥方式进行尝试。分别选用小麦秸秆、椰糠和蘑菇渣等三种易
18、获取调理剂,进行低碳比(C/N=14)的堆肥效果试验,在明确低 C/N 情况下尾菜堆肥相关调理剂投入堆肥效果的基础上,结合堆肥腐熟指标和腐殖质组分含量变化,解析不同调理剂添加后堆肥物料的的腐殖化情况,为选用合理的调理剂,获得尾菜低 C/N 堆肥适宜的工艺提供借鉴。1材料与方法 1.1供试材料试验于 2022 年 3 6 月在山东省寿光市寿光中科设施农业研发中心设施大棚内进行,通过遮蔽等手段,使堆肥期间环境温度维持在 22 33 范围内。尾菜为大棚种植过程中废弃的番茄根、茎和叶;小麦秸秆购自山东省德州市,粉碎至 1 2 cm 粒径;椰糠为市购脱盐椰砖泡发后备用;蘑菇渣取自寿光当地菌菇第 3 期牛
19、明芬等:不同调理剂对尾菜低 C/N 堆肥腐殖化效果的影响315 种植专业户。几种调理剂均为农业生产中较易获得的调理剂种类,但 C/N、纤维素和木质素含量上存在较大差异,其中蘑菇渣的纤维素和木质素含量最低,是较易腐解的调理剂,具有提高堆肥产品质量的潜在优势;椰糠的木质素含量最高,是较难腐解的调理剂,但在保持堆体通气率方面的性状最好;小麦秸秆的纤维素和木质素含量在三种调理剂中处于中间水平。堆肥原料的理化指标见表 1。堆肥中添加了促进堆肥腐熟的市购生物菌剂,主要由芽孢杆菌、酵母菌、乳酸菌及真菌等多种菌群构成。表 1堆肥原料的理化指标Table 1Physical and chemical indic
20、ators of composting raw materials物料Materials总有机碳Total organic carbon/(gkg1)总氮Total nitrogen/(gkg1)C/N含水率Moisture content/%pH纤维素Cellulose/%木质素Lignin/%尾菜Vegetable waste39332.112.385.66.69.15.5小麦秸秆Wheat straw4658.157.47.37.236.214.6椰糠Coconut bran4844.6105.19.66.524.254.8蘑菇渣Mushroom residue47421.621.932
21、.55.826.28.9 1.2试验设计试验设置 T1,T2 和 T3 三个处理,分别代表发酵堆体的不同调理剂组成,试验处理的参数见表 2。由于尾菜含水率较高(大于 85%),基于尽量减少调理剂投入,提高经济性及可操作性为原则,以好氧堆肥可接受的最大水分含量(75%)作为调理剂的最小投入量,按统一调控堆肥物料碳氮比进行调理剂投入量计算,并使 3 个处理的初始 C/N 均控制在 14 左右。表 2试验处理参数Table 2Composition and basic properties of experimental treatments处理Treatments堆肥物料Compost mater
22、ial碳氮比C/N含水率Moisture content/%T1尾菜(11.0 kg)+小麦秸秆(2.0 kg)Vegetable waste(11.0 kg)+Wheat straw(2.0 kg)14.273.6T2尾菜(11.0 kg)+椰糠(1.8 kg)Vegetable waste(11.0 kg)+Coconut bran(1.8 kg)14.474.9T3尾菜(11.0 kg)+蘑菇渣(3.5 kg)Vegetable waste(11.0 kg)+Mushroom residue(3.5 kg)14.074.2 堆肥过程采用静态堆肥发酵工艺,堆肥装置为直径 35 cm,高度
23、60 cm 的发酵桶,桶上覆盖堆肥专用膜,该膜具有微分子过滤微孔结构,能确保需要的水分不流失。通气方式采用间歇式供气和翻堆结合,通气设备为 20 W 电磁式增氧泵,连接两个曝气盘,分别在堆体的底部和中部进行通气,利用空气流量计设置通气量为 12.5 Lmin1 13,通气频率为每 6 h 通气 5 min,翻堆在每次采样后进行。堆肥过程中采用 RC-4HC 型温度记录仪对堆体的温度进行连续监测,探头放置在堆体的中心部位,监测间隔为 30 min,取 24 h监测均值作为当日堆体的温度。堆肥装置简图可见图 1。1.3分析方法在堆肥的第 2、5、9、12、15、20、25、30、35、40 和 5
24、0 天分别进行不同处理堆体内部多点采样。取得样品中,一部分鲜样在 60 条件下烘干,粉碎后用于测定总有机碳(Total organic carbon,TOC)、胡敏酸(Humic acid,HA)、富里酸(Fulvic acid,FA)、胡敏素(Humin,HM)含量;另一部分鲜样316土 壤 与 作 物第 12 卷用于测定 pH、电导率(EC 值)和种子发芽指数(GI)。各指标的检测方法如下:(1)pH、EC 值和种子发芽指数(GI):将鲜样与去离子水按固液比 110 混合,室温下 180 rmin1震荡 1 h 后,过滤得到浸提液,用雷磁 PHS-3E 型 pH 计和雷磁 DDS-307A
25、 电导率仪分别测定 pH 和 EC 值。GI 值参考有机肥新国标有机肥 NY 525-202114测定,取 10 颗萝卜种子放入铺有滤纸的培养皿中,向其中加入 10 mL 鲜样与去离子水混合的浸提液,在恒温箱 25 条件下培养 48 h,同时以蒸馏水作为空白对照,计算公式如下:GI=浸提液的种子发芽率(%)平均根长(mm)空白的种子发芽率(%)平均根长(mm)100(2)TOC、HA、FA 和 HM:HA、FA 和 HM 采用焦磷酸钠-氢氧化钠提取重络酸钾氧化容量法NYT1867-201015测定;TOC 按土壤有机质测定法 NY/T 85-198816标准中的要求进行测定。(3)纤维素和木质
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