稻秸稈與二種不同廢棄物堆腐制備基質的研究

周新偉，王海候，陸長嬰，金梅娟，施林林，陶玥玥，沈明星

（江蘇太湖地區農業科學研究所/蘇州市農業科學院/國家土壤質量相城觀測試驗站，江蘇 蘇州 215155）

隨著無土栽培的發展及泥炭資源的日益匱乏，對栽培基質的要求越來越向環保型、經濟型、集約型以及具有優良理化性質的方向發展。農業廢棄物主要包括種植業廢棄物（如作物秸稈、糧食外殼、果蔬殘體等） 、農產品加工廢棄物、畜禽糞便和農村居民生活廢棄物［1-3］。由于農業廢棄物富含氮、磷、鉀等豐富的營養元素、具有較好的理化性質，因而采用農業廢棄物開發基質既可以解決廢棄物對環境的污染問題，又節約了寶貴的泥炭資源。我國每年可產生稻草秸稈1.037×108t，居世界之首，采用農作物秸稈開發基質已成為農業廢棄物資源化利用研究的熱點［4-9］?；|配方的關鍵在于原材料的選擇、配比與前處理［10，1-3］，在各種處理工藝與技術中，最常用的方法是好氧堆制發酵（堆腐）及基質復混化技術。由于稻秸稈的碳氮比較高，同時物理結構過于疏松，采用稻秸稈為主料制備基質時通常需要加入氮源或低C/N的其他廢棄物來調整C/N，國內學者［11-12］曾研究采用尿素、畜禽糞便與稻秸稈混合制備基質，但發現堆體可以正常發酵，但發酵秸稈的pH值、EC值等理化性質不符合國家農業部蔬菜育苗基質標準（NY/T 2118-2012）規定范圍［13］，須進一步淋洗或復配才能栽培作物。不適宜直接栽培作物。因此，研究稻秸稈與不同有機、無機物復混制備基質過程中理化性質變化是稻秸稈基質化開發研究的關鍵。

菇渣（食用菌菌糠）是食用菌栽培基質的廢棄物，酒糟是玉米、木薯等發酵制作酒精后的廢棄物，它們均具有較低的C/N，同時具有較好的物理性質，由于缺乏經濟、合理、可產業化的技術途徑，造成大量廢棄，對環境造成了污染，研究它們與稻秸稈聯合處理與利用具有重要意義。

1 材料與方法

試驗由原料堆腐（無害化處理）與育苗試驗二部分組成。

1.1 基質堆腐試驗

1.1.1 試驗材料

稻秸稈取自江蘇太湖地區農業科學研究所試驗田，試驗前粉碎為均勻的5～15 cm。金針菇菇渣取自太倉市食用菌生產企業，系金針菇培養基的廢棄物，試驗前粉碎至2～8 mm。酒糟系木薯發酵酒精后的剩余物?；|堆腐原料的基本性質見表1。堆腐裝置為一個體積為1 m3的堆肥箱，箱體為正方體塑料箱，箱體長寬高均為1.0 m，底板密布直徑為2.0 cm的氣孔，呈蜂窩狀分布，底板下部設有鼓風用的通風口，箱體側面設有取樣孔，頂面開口。

表1 堆腐初始物料的基本理化性質

1.1.2 試驗設計

堆腐試驗共設兩個處理，分別由不同體積比例的物料組成，其中處理1為稻秸稈+金針菇菇渣（CK），體積比例8∶2；處理2為稻秸稈+酒糟，體積比例為8∶2，每處理重復3次。以上物料按體積比例混合均勻，調節含水率達60%～65%，堆腐時間從2017 年4 月3 日至5月29 日，共56 d，堆腐第14 d進行一次翻堆。

1.1.3 樣品的采樣與測定方法

分別在堆腐后在第1、7、14、21、28、35、42、49、56 d取樣，每次在堆肥箱內按梅花5點取樣法進行，每個處理每次采集5個混合樣共500 g，其中250 g測定總碳（TC）、總氮（TN），250 g測定水溶性指標pH值、EC值等。

每天9:00用溫度計測定堆體上、中、下3處溫度后取平均值。所取堆肥樣品置105 ℃烘箱烘24 h，烘干水分至恒重，計算水分含量［14］；含碳量采用重鉻酸鉀-濃硫酸法測定［14］；含N量采用硫酸-雙氧水消煮法測定［14］；銨態氮、硝態氮采用2 mol/L CaCl2溶液1∶5浸提，再用流動分析儀測定［14］；EC值采用去離子水1∶5（V/V）浸提［14］，電導儀法測定［14］；pH值采用去離子水1∶5（V/V）浸提，pH計測定［14］；將新鮮堆肥樣品與水按1∶10（V/V）混合振蕩0.5 h，上清液經濾紙過濾后待用，把一張濾紙放入干凈無菌的9 cm培養皿中，濾紙上整齊擺放20粒小白菜（蘇州青）種子，吸取3 mL濾液于培養皿中，在25 ℃、黑暗條件下的培養箱中培養48 h，測定種子的發芽率和根長，同時用去離子水做空白對照。發芽指數計算公式為：GI=（堆肥處理的種子發芽率×種子根長）/（對照的種子發芽率×種子根長） ×100%［15］。

1.2 育苗試驗

1.2.1 試驗材料

基質的有機原料取自1.1.2所述處理2（稻秸稈+酒糟）所得腐熟堆體，無機原料珍珠巖顆粒直徑為0.80～0.30 mm。草炭、蛭石采購自淘寶網，供試辣椒品種為中蔬4號，采購自河北青縣純豐蔬菜良種繁育場。育苗播種盤為72孔塑料蔬菜育苗盤［16］。

1.2.2 試驗設計

根據1.1.2堆腐試驗，選擇性質優良的處理2（稻秸稈+酒糟）所得腐熟物料開展試驗，試驗共設4個處理，分別由處理2（稻草+酒糟）所得腐熟物料與珍珠巖按不同體積比例組合而成，另設對照草炭+蛭石（V∶V為3∶1）1個，重復3次，每重復為一個育苗盤［15］（表 2）。

表2 育苗基質處理的組分與比例

1.2.3 試驗方法

將處理基質裝入72孔穴盤，澆透水后播種，每穴播1粒番茄種子。種子出苗后進行濕潤管理，出苗7 d后施用育苗營養液1次，以后按常規生產管理［16］。

1.2.4 取樣與測定方法

基質的容重、總孔隙度、通氣孔隙度、持水孔隙度參照連兆煌的方法測定［17］。pH值、EC值按1.1.3所述方法測定，全氮、全磷、速效鉀測定采用土壤理化分析常規方法［17］。播種20 d后記錄出苗率，34 d后進行幼苗生長指標測定，株高為莖基部到生長點之間的長度，用直尺測定；莖粗以根上部2 mm處為準，用游標卡尺測定。幼苗鮮重用電子天平測定，測完鮮重后，將幼苗放入烘箱內105℃殺青20 min，再置于80℃烘干至恒重，稱干重。根據生長指標計算壯苗指數［17］。

壯苗指數=（莖粗/株高）×全株干重

播種34 d后用日產SPAD-502型葉綠素計測定相對葉綠素含量，選定有代表性的葉片，每株測定1葉，每處理測定15株，取平均值。播種34 d后從穴盤中取出帶苗的基質塊，從10 cm高度作自由落體運動，以散落基質重占全部基質塊重的比例作為基質塊崩壞率，并以此作為衡量根坨的質量指標，每處理測定10塊基質，重復3次［18］。

1.3 數據分析方法

數據分析采用Excel 2016、SPSS 20.0軟件，制圖采用Origin 9.0軟件。

2 結果與分析

2.1 堆腐基本指標

2.1.1 溫度的變化

2種堆腐處理堆溫見圖1，稻秸稈+酒糟處理的堆肥最高溫度達到61.0 ℃，并在50 ℃以上維持了19 d，而稻秸稈+菇渣處理的堆溫在50℃以上只維持了6 d，稻秸稈+酒糟處理50℃以上高溫維持天數較稻秸稈+菇渣處理多13 d，平均堆溫較稻秸稈+菇渣高9.5 ℃。根據我國堆肥無害化衛生標準（GB7959-87），堆體溫度50～55 ℃保持5～7 d，二種處理均達到無害化要求［19］。從高溫期持續時間來看，稻秸稈+酒糟處理優于稻秸稈+菇渣處理。

圖1 堆肥進程中溫度的變化

2.1.2 pH值的變化

pH值反映微生物的酸堿度生長環境。中性或弱堿性可能表明堆體中細菌與放線菌較為活躍［20］。由圖2可見，在堆腐起初的40 d內2種處理的pH值變化差異不大，約為8.0～8.2，但之后出現了較大差異，到堆腐結束時稻秸稈+菇渣處理的pH值上升并達到8.86，稻秸稈+酒糟處理的pH值下降為7.62，處理間差異顯著（P＜0.05）。

圖2 不同堆腐處理的pH值

2.1.3 EC值的變化

由圖3可見，2種處理的EC值由堆前的0.22、0.21 mS·cm-1分別上升到結束時的0.97、0.71 mS·cm-1，稻秸稈+酒糟處理的最終EC值較稻草秸稈+菇渣低0.26，達顯著水平（P＜0.05）?？梢?，稻秸稈+酒糟處理較對照有利于EC值的控制。

圖3 不同堆腐處理的EC值

2.1.4 C/N的變化

由圖4可見，2種配方物料的C/N均隨堆腐進程逐步下降，到堆腐結束時C/N分別由堆腐前的51.75、30.0下降到24.50、16.80。C/N下降通常表明腐熟度的增加，這是因為微生物活動可以分解有機物的分子結構，變成CO2、CH4等氣態形式溢出所致。本試驗表明稻秸稈+酒糟處理無論是起始、終了，C/N均低于稻秸稈+菇渣。通常C/N較低對于制備基質有利，因為較低的C/N不會與根系爭奪氮素。

圖4 不同堆腐處理的C/N值

2.1.5 堆肥產品對種子發芽指數的影響

種子發芽指數（GI）是目前較為公認的評價固體廢棄物腐熟度的指標 ，GI值可綜合體現堆肥樣品的低毒性（影響根長）或高毒性（影響發芽），被認為是最敏感、可靠、有效和最能反映堆肥產品植物毒性的判斷堆肥無害化和腐熟度參數。Zuceonit等［21］認為，當GI值＞0.8時，堆腐完全腐熟。由圖5可見，堆腐后2種處理的種子發芽指數迅速上升，均能很快穩定在104.1%～119.2%之間，最終2個處理間均無顯著差異，表明均能達完全腐熟。

圖5 不同堆腐處理產品的發芽指數

2.2 育苗基質的理化性質

基質的物理性質如同土壤一樣重要。通常容重以0.7～ 1 g·cm-3為宜［22］。由表3可見，稻秸稈+酒糟腐熟物料分別與珍珠巖復配后容重均略有降低但不顯著，總體而言，T1～T3均在適宜范圍內并優于對照。一般理想基質的總孔隙度在54%～96%［22］，由表3可見，2種腐熟物料分別與珍珠巖復配后的總孔隙度，T1～T3在55.72%～70.11%之間，均優于對照（CK），且都在適宜的范圍內?；|的顆粒大小直接影響著總孔隙度和大小孔隙比。為了使基質既能滿足根系吸水的要求，又能滿足根系吸收氧氣的要求，基質的顆粒不能太粗，也不能太細［22］。由表3可見，稻秸稈+酒糟腐熟物料與珍珠巖復配后通氣孔隙度、持水孔隙均較復配前有顯著改善（P＜0.05）。

表3 不同配方基質的物理特性

酸堿性是影響幼苗養分吸收的主要因素之一。據潘靜嫻等［23］研究，基質的pH值以6.0～6.5最佳，蔬菜育苗基質標準（NY/T 2118-2012）規定基質的pH值為5.5～7.5［13］，由表4可見，稻秸稈+酒糟腐熟物料與珍珠巖復配前后pH值沒有顯著變化。

電導率（EC值）是栽培基質的重要化學性質，過多的可溶性鹽會帶來很多問題。據前人研究，最適合作物幼苗生長的EC值為小于1.25 mS·cm-1［23］。表3表明，隨著珍珠巖比例的增加，基質EC值有下降趨勢，稻秸稈+酒糟腐熟物料與珍珠巖復配后T3處理EC值可顯著下降（P＜0.05）?？傮w上，所試基質的EC值仍在適宜范圍內，對幼苗的影響還有待于育苗后進一步觀察。

對基質的養分測定表明，復配基質的養分含量均較高，特別是全氮、速效鉀含量均較對照有顯著提高（P＜0.05）。

2.3 不同基質對番茄出苗及幼苗生長的影響

2.3.1 出苗及地上部生長的影響

植株幼苗生長是檢驗基質優良的最直觀標準，研究表明不同配方基質的出苗率差異不大，但生長量有差異（表4），T1、T2、T3的單株鮮重、單株干重、壯苗指數均高于CK（P＜0.05）?？梢?，稻秸稈+酒糟處理腐熟物可能在基本理化性質、營養性質等方面更利于幼苗的生長。稻秸稈+酒糟腐熟物及復配系列內，隨著珍珠巖比例的增加壯苗指數也得到提高。

表4 不同配方基質的幼苗生長指標

2.3.2 地下部生長及散坨率的影響

由表5可見，稻秸稈+酒糟腐熟物料與珍珠巖復配后單株根干重、根冠比、單株根長、根表面積、單株根體積、根平均直徑等指標均較復配前有促進作用，其中單株根干重、根表面積、單株根體積、根平均直徑等優于CK（P＜0.05）。各復配處理的根坨質量優于復配前，其中T2的散坨率最低，與T4（CK）之間無顯著差異。

表5 不同配方基質的幼苗根系生長及散坨率

對pH值、EC值與植株生長主要性狀幼苗葉綠素SPAD、基質全氮含量、出苗率等的逐步回歸分析表明，pH值與幼苗葉綠素SPAD呈顯著負相關（P＜0.05），相關系數為-0.886，與EC值呈顯著正相關（P＜0.05），相關系數為0.947，與基質全氮含量、壯苗指數、單株根干重呈正相關，但不顯著?？梢?，過高的pH值會影響幼苗葉綠素合成，進而影響幼苗生長。復配基質EC值與單株根干重、鮮重均呈負相關，表明過高的EC值會影響根系、植株的生長。

表6 基質pH值、EC值與其他指標的相關系數

3 結論

與稻秸稈+菇渣（CK）相比，在采用稻秸稈堆腐制備基質時，稻秸稈+酒糟能使堆體溫度大于50 ℃的高溫維持天數增加14 d，平均堆腐溫度增高9.50 ℃，稻秸稈+酒糟處理利于高溫堆腐進程，提高堆腐效率。

與稻秸稈+菇渣（CK）相比，稻秸稈+酒糟可降低腐熟物料的pH值、EC值分別為15.0%、26.8%（P＜0.05），更加接近農業部蔬菜育苗基質標準（NY/T2 118-2012）要求［13］。

稻秸稈+酒糟腐熟物料組配珍珠巖后，可顯著降低基質EC值（P＜0.05），通氣孔隙度、持水孔隙度等物理性質也得到改善（P＜0.05），幼苗單株鮮重、單株干重、壯苗指數、單株根干重、根系平均直徑等指標也得到較大提高（P＜0.05），腐熟物料與珍珠巖的體積比例以7∶3較好。

采用稻秸稈制備基質時，添加體積比例為20%的酒糟，有利于堆腐體理化性質的提高，腐熟物料與珍珠巖復混后理化性質進一步改良，蔬菜幼苗單株地上與地下部生長特性、根坨質量等方面優于或接近草炭復合基質草炭+蛭石（V∶V=3∶1）。