氣化濾餅對枸杞枝條堆肥進程、品質和碳氮損失的影響

韓聰穎, 王星怡, 馬永杰, 張雪艷

(1.寧夏大學 農學院,銀川 750021;2. 中國農業大學 園藝學院,北京 100193 )

中國是農業大國,各類農作物資源十分豐富,伴隨農業快速發展,農業規?；黾?農業廢棄物日益增多[1]。農業廢棄物的傳統處理方式包括填埋和焚燒,會造成嚴重的水和空氣環境污染[2]。大量廢棄物需要有效的處理措施才可獲得經濟和環境效益雙豐收,“零廢物”是解決廢棄物問題的有效途徑[3]。中國每年農業廢棄物產量巨大,廢棄物回收利用對于維持農業循環可持續發展至關重要,也有利于環境保護。

農業廢棄資源最主要利用方式是作為燃料和肥料,少部分進行基質化利用。農業廢棄物中一般含有雜草種子、病原菌等,如不經過處理直接使用,容易產生燒苗、二次污染土壤等負面影響[4]。目前常見的處理措施是堆肥,堆肥是一種生化過程,是實現農業廢棄物和家畜糞便資源化利用的有效途徑,好氧堆肥產品微生物豐富,且具有穩定的物理、化學和生物特性[5]。堆肥材料碳氮比、物理性狀、微生物群落以及養分是評價堆肥進程與質量的重要指標[6],然而,堆肥過程伴隨著大量NH3釋放,這會造成大量的氮損失,使堆肥質量下降,污染環境[7]。

不同添加物質可改變堆肥材料結構,改變堆肥中微生物的新陳代謝和有機質降解,堆肥常見添加物質主要有生物炭、木炭和廢渣等有機物質,以及凹凸棒、沸石和過磷酸鈣等無機物質[8],這些添加物質有的可吸附氨氣,減少有害氣體釋放,有的成本低,安全無污染。而氣化濾餅由煤和碳組成,經水煤氣轉化后并未完全反應,通過水冷過濾的固體殘留廢物,氣化濾餅的表面積和孔徑較大,殘余碳含量和熱值很高[9],占煤燃燒產生的固體廢物的三分之一;且中國年產量可達224萬t,如果實現其資源化利用,對解決煤礦廢棄資源具有重要意義[10]。氣化濾餅有較高的保水特性,且含有豐富的碳,其含量達20%～50%,同時氣化濾餅也含有較多的鉀、磷、硫、鈣等元素,Wang等[11]研究發現氣化濾餅加入檸條堆肥進程后,可有效促進有機質的分解,減少氮素損失。因此氣化濾餅有可能是一種有效的堆肥添加劑,可用來改善堆肥過程,提高堆肥質量。

枸杞是寧夏重要的經濟作物,占中國栽培面積45%,寧夏百萬畝枸杞核心產區,在冬春兩季整枝修剪會產生大量枝條,枸杞枝條中的木質纖維素含量達97%以上[12],高含量木質纖維素導致其作為飼料品質較差,而焚燒又不符合中國現有政策[13],因此枸杞枝條基質化利用是一種解決方式。馮海萍等[14]和曲繼松等[15]從微生物菌劑和C/N調控等方面研究其對枸杞枝條基質化的影響,結果表明C/N對枸杞枝條基質化發酵堆體溫度、養分和腐熟指標會產生顯著的影響,添加外源微生物菌劑可增加枸杞枝條粉腐熟發酵的物理性狀,但酶菌協同使用對環境要求較高,資源使用較多。而引入氣化濾餅到枸杞堆肥中,是否改善堆肥進程,提高堆肥質量鮮有研究。

因此本試驗設計不同比例氣化濾餅添加量,探究氣化濾餅在枸杞枝條堆肥腐熟過程中對其理化性質、養分以及氣體排放的影響,明確氣化濾餅對枸杞枝條堆肥碳氮轉化、堆肥質量以及堆肥養分富集的貢獻,為寧夏地區枸杞枝條和氣化濾餅資源化利用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 堆肥裝置

試驗堆肥裝置由堆肥罐、培養箱、冷凝罐和空氣泵(圖1)組成。堆肥罐的高度為30 cm,直徑為15 cm,體積為4 L,在罐底部上方5 cm處安裝了一個有許多小孔(直徑1.5 mm)的篩網,堆肥材料放在篩網上方。底部的小孔用于輸入蒸餾水和空氣(通風5 min,間歇30 min),堆肥罐置于恒溫培養箱中。冷凝罐中放置兩個250 mL玻璃瓶來收集堆肥氣體中的NH3和CO2。

圖1 堆肥裝置及其組件的示意圖

1.2 堆肥材料和采樣

試驗于寧夏園藝產業園進行,共持續50 d,堆肥材料有氣化濾餅、雞糞和枸杞枝條。枸杞枝條被切成0.5～1.0 cm的碎片,然后與雞糞復配,雞糞和枸杞枝條復配后的C/N為25∶1,氣化濾餅按照質量比0%(G0)、6.25%(G6.25)、12.5%(G12.5)、25%(G25)、50%(G50)和100%(G100)與雞糞和枸杞枝條二次復配。氣化濾餅收集于寧夏寧東神華寧煤業集團有限公司(38°2′15″N, 106°39′25″E),雞糞收集于寧夏中衛市的雞養殖場(36°6′34″N, 104°17′13″E),枸杞枝條收集于寧夏銀川市的寧夏林場(38°08′19″N, 105°49′31″E)。表1為3種原材料的物理化學特性。該試驗共6個處理,每個處理3次重復,每個重復3個堆肥罐,共18個堆肥罐。

表1 堆肥原料基本物理化學性質

在堆肥過程中,堆肥罐的溫度使用培養箱控制在55 ℃,冷凝罐的溫度控制在4 ℃(放置于 4 ℃冰箱)。每周進行2次翻堆,堆肥的含水量保持在60%左右。分別在堆肥的第0、7、14、21、28、35、42和49天取樣,采用五點取樣法收集堆肥樣品100 g,分析測試樣品的pH、有機質、全氮、硝態氮、銨態氮和種子發芽指數。將樣品風干、研磨,過2 mm篩后,測定樣品營養物質濃度。在堆肥時每周收集兩次氣體排放,NH3使用硼酸(H3BO4)收集,CO2使用NaOH收集,計算堆肥的氣體排放。

1.3 堆肥化學性質分析

堆肥的溫度由溫度記錄儀(QM-ZC-16,河南商丘傳感器技術有限公司)通過溫度探頭直接測量。在堆肥過程中,每30 min監測1次堆肥溫度,計算日平均溫度。

堆肥的種子發芽指數(GI)按如下方法計算[16]。

分別稱取待測堆肥試樣10 g,置于150 mL錐形瓶中,按固液比1∶10加入100 mL蒸餾水置于振蕩器上,調節振蕩頻率180 r·min-1,室溫下振蕩浸提30 min,取下靜置0.5 h后,取上清液過濾,收集浸提液搖勻后供試。在培養皿中墊兩張濾紙,均勻放入15粒大小基本一致、飽滿的黃瓜種子,加入堆肥浸提液5 mL,蓋上培養皿蓋,在溫度為25 ℃、濕度80%的培養箱中避光培養 48 h,分別測量各堆肥浸提液中黃瓜種子的根長和發芽數量,統計發芽率。每個樣品重復試驗3次,以蒸餾水作對照。

種子發芽指數=(堆肥浸提液培養種子發芽率×根長)/ (蒸餾水培養種子發芽率×根長)

使用pH計和電導率儀(SJ-3F和DDS-307A,中國上海)測量pH和電導率。使用凱氏定氮法測定總氮[17]。使用重鉻酸鹽氧化和滴定法測定有機物[18]。用碳酸氫鈉提取并用鉬藍比色法測定速效磷。用乙酸銨提取,用火焰光度法測定速效鉀[19]。采用靛酚藍比色法測定銨態氮和硝態氮含量[20]。

使用質量法計算堆肥過程中總碳和總氮的損失百分比[21],具體為:

氮損失=(N1×M1-N2×M2)/(N1×M1)×100%

碳損失=(C1×M1-C2×M2)/(C1×M1)×100%

氮固定=(G0氮損失-處理氮損失)/G0氮損失×100%

N1和C1是最初的氮含量和碳含量,N2和C2是最終的氮含量和碳含量,M1和M2是最初和最終的干物質重量。

1.4 統計分析

每個處理每個參數測定3個重復。用Microsoft Excel 2019軟件進行數據整理和分類,SPSS 24.0進行相關性分析,Origin 2018和Canoco 5軟件對分析結果進行制圖。將多指標降維,轉化為主要成分,進行主成分分析,綜合得分由以下公式計算:

j=1,2,…,n

式中:Xj為對應指標因子負荷,Yj為對應指標標準化值,Ej為對應主成分特征值;Pj為對應主成分方差百分比。

2 結果與分析

2.1 氣化濾餅添加對枸杞枝條堆肥的溫度和化學性質影響

如圖2所示,加入氣化濾餅后,提高了堆肥的溫度并延長了堆肥的高溫期。各處理在在2 d內進入高溫期,在堆肥過程中,G0、G6.25、G12.5、G25、G50和G100處理最高溫度分別達到59.5 ℃、 61.2 ℃、64.9 ℃、65.4 ℃、66.2 ℃、69.1 ℃,表明隨氣化濾餅添加比例增加,堆肥溫度增加,這可能是因為氣化濾餅和枸杞枝條較為細小,吸水后表面積增加,為微生物活動提供充足空間;按照氣化濾餅添加量從低到高,G0、G6.25、G12.5、G25、G50和G100處理高溫期(> 55 ℃)的持續時間分別 42 d、44 d、46 d、46 d、46 d、48 d。與G0相比,其他處理高溫時間按照氣化濾餅添加量從低到高 分別提前2 d、4 d、4 d、4 d、6 d,這可能是氣化 濾餅為微生物的繁殖提供良好條件,促進堆肥 進程。

圖2 堆肥過程中溫度、pH、有機質、全氮、硝態氮和銨態氮的變化

所有處理pH隨發酵時間延長,呈現先增加后下降最后趨于穩定的趨勢。添加氣化濾餅各處理初始pH高于G0,且pH隨添加氣化濾餅量的增加而增加。隨著堆肥時間的延長,G25、G50和G100在第12天pH上升并達到最大值,較堆肥初升高1.8%～6.5%,之后各處理pH有小幅度下降并保持穩定,這是由于堆肥初期大量氨氣生成,后期隨著有機質分解生成有機酸,因此pH先增后降。有機質含量隨堆肥的進程呈下降趨勢,除G25外,其他各處理有機質含量在前7 d呈現迅速下降,之后下降趨于緩慢,而G25處理在前35 d呈緩慢下降,但在35～42 d較之前相比下降速度變快,最終所有處理趨于平緩,到堆肥結束, G12.5和G25下降最多,表明氣化濾餅添加量增加,促進了堆肥的好氧發酵速度,這可能是因為氣化濾餅含水量較高,而高濕可增加堆肥的發酵速度。

在堆肥過程中,全氮含量除G100外,其他處理前7 d都會小幅度下降,隨后所有處理都呈現上升趨勢,前期下降是由于氮氣的揮發,后期上升則是氮的濃縮效應。堆肥初期,除了G6.25處理外,其他處理全氮含量都低于G0處理。隨著堆肥的完成,除G50和G100外,各處理全氮含量都高于G0處理,總氮含量最高的是G12.5處理,達1.66%,這可能是全氮多來源于有機質的分解,高碳低氮的氣化濾餅使堆肥碳氮比失衡,抑制有機質分解。隨著堆肥時間的增加,各處理的硝態氮含量先升高后降低再升高。堆肥初期,各處理硝態氮都顯著低于G0處理,隨著堆肥的完成,除G100外各處理硝態氮都高于G0,這是因為微生物在進行硝化作用,其速度隨著堆肥過程中溫度的提高以及pH的降低而增加。堆肥過程中各處理銨態氮含量總體上呈現先升后降再升高后再降低的趨勢,在第7天時,各處理銨態氮含量達最大值,G0、G76.25、G12.5、G25、G50和G100按照氣化濾餅添加從低到高處理依次上升29.1%、7.3%、 8.2%、5.0%、37.7%、 29.6%,且堆肥結束時,銨態氮含量按照氣化濾餅添加量從低到高處理依次降低,G50與G100間差異不顯著,銨態氮會伴隨著NH3的生成而損失,而溫度和pH影響NH3的生成,由于氣化濾餅呈堿性,所以高質量比的氣化濾餅會導致更多的銨態氮分解。

2.2 堆肥過程NH3和CO2釋放

如圖3-a所示,從堆肥開始,各處理NH3揮發量顯著增加,第8天時G50、G100達到首次峰值且NH3揮發量顯著高于其他處理。堆肥過程中,NH3釋放總量隨氣化濾餅添加量增加呈先降低后增加的趨勢,G0與G6.25和G25間無顯著差異,G12.5處理釋放量最低,G50和G100釋放量顯著高于其他處理(圖3-b)。圖3-c顯示堆肥過程中CO2的釋放變化,G0、G6.25、G12.5、G25首次峰值在第4 天;而G50、G100的首次峰值則在第6 天。圖3-d顯示CO2累積排放量,G0與G6.25無顯著差異,但顯著低于其他處理,其他處理間無顯著差異。

圖3 堆肥過程中NH3(a)和CO2排放量(b)變化及 NH3(c)和CO2累積排放量(d)

2.3 氣化濾餅添加對枸杞枝條堆肥的成熟度影響

堆肥是否腐熟的主要變量為碳氮比和種子發芽指數。如圖4所示,堆肥過程中整體碳氮比呈下降趨勢,堆肥初期,各處理碳氮比均高于G0,由于氣化濾餅是一個高碳無氮物料,所以在堆肥完成時,G100的碳氮比為27.66,其他各處理碳氮比在19.87～23.54。碳氮比在25以下認為堆肥較為理想,除G100外,其他各處理均達到要求。圖4為各處理堆肥過程中種子發芽指數(GI)變化。GI反映了堆肥的成熟度,隨著堆肥發酵的進行,各處理GI呈上升趨勢。一般GI達80%就可認為堆肥無害,堆肥完成時,只有G0、G6.25、G12.5達到GI要求,G25為76.0%,略低于堆肥要求,而G50和G100遠遠低于堆肥安全要求。

圖4 堆肥過程中碳氮比和種子發芽指數的變化

2.4 堆肥中養分的損失與累積

速效養分含量是堆肥養分供給的強度指標。與堆肥初期相比,堆肥結束時的速效磷含量均有顯著增加(表2),與G0相比,G12.5和G25顯著增加6.34%和13.70%,G50和G100顯著降低 32.43%和67.15%,這可能是因為堆肥中速效磷來源于有機磷的礦質化作用,有機磷的礦化速度受溫度、水分條件以及碳氮比影響較大,較大的碳氮比會使堆肥中的無機磷被微生物固化。速效鉀含量與速效磷相似,在堆肥結束后,速效鉀含量都顯著增加,且所有處理的速效鉀含量增加量均顯著高于G0,G50和G100處理擁有較高的速效鉀累積量,這可能是因為氣化濾餅本身有較高的鉀含量以及高水分含量,所以在堆肥過程中有更多的速效鉀浸出和轉化。

表2 堆肥后速效磷和速效鉀初、終及凈積累量

表3為各處理堆肥過程中碳和氮的損失以及氮的固定。與G0相比,添加了氣化濾餅后促進了有機碳的分解,且隨著添加量的增加碳損失越多。在6.25%～25%的添加量時,觀察到氮損失的減少和氮固定的增加,在G12.5固定最多,達到39.8%,氣化濾餅高質量比添加的G50和G100增加了氮損失,減少了氮素固定。

表3 堆肥過程中碳氮損失和氮固定

2.5 堆肥過程理化特性、腐熟特性、堆肥肥力指標間主成分分析

堆肥的理化指標、成熟度及肥力反映了堆肥的產品性和質量。表4為堆肥產品各指標之間的主成分分析,PC1和PC2分別解釋了70.34%和21.27%的方差。PC1中pH、銨態氮、CO2、發芽指數、速效磷累積、氮固定有較大的正貢獻,溫度、有機質、碳氮比、氨氣、碳損失、氮損失貢獻有較大負貢獻。PC2中速效鉀的累積量有較大的正貢獻。

表4 主成分的特征值、方差百分比和因子負荷

從圖5觀察到,G50和G100與其他處理顯著分開,氣化濾餅質量比低于25%的處理分布在Y軸左側二、三象限,G50和G100分布Y軸右側在第一、四象限。氣化濾餅質量比低于25%的處理有較高氮素固定、速效磷累積、GI指數,G50和G100處理有較高的堆肥溫度、氨氣釋放、碳氮損失、速效鉀累積。全氮和氮的固定密切相關,pH和硝態氮含量、溫度與有機質和碳損失密切相關(圖5)。對各處理進行綜合評價,表明添加質量比為12.5%的處理得分顯著高于其他處理,為 0.29,添加量超過12.5%后,得分大幅下降,G50和G100處理綜合得分為負值(圖5)。

3 討 論

微生物活動是堆肥腐熟的前提。溫度是堆肥產品進程的體現,也是微生物生存的基本,氣化濾餅具有較高的含水量,在堆肥過程中使堆肥材料保持充分的水分含量,并為微生物活動提供了必要的條件,促進了堆肥的溫度增加,本試驗中隨氣化濾餅添加量增加,堆肥材料提前了堆肥進入高溫期的時間,增加了最高溫度,并延長了堆肥高溫期時間,這與Ngo等[22]研究結果一致。另外堆肥材料中粉碎的枸杞枝條和雞糞較為細小,木質纖維在吸水后膨脹形成了更多空間,增加了堆肥材料的表面積和孔隙度,提高堆肥中的氧氣,促進微生物生長[23],從而促使堆肥溫度增加。pH是影響堆肥過程中微生物數量的重要因素[24],其含量與有機酸的生成密切相關。由于氣化濾餅呈堿性,所以添加氣化濾餅后各處理的pH隨氣化濾餅添加量增加而增加。初期pH的升高可能是由于銨態氮在微生物的作用下形成了NH3,大量NH3累積導致pH升高。隨堆肥時間增加,有機質分解產生大量有機酸,因此pH隨之開始下降,隨堆肥完成,pH趨于穩定,這與張云龍等[25]研究結果一致。堆肥pH變化除與有機質快速分解產生有機酸有關外,還與堆肥中NH3的含量有關,因此pH下降的另一個原因可能是生成的NH3易揮發,揮發后NH3濃度下降,pH降低,這與Wang等[26]研究一致。

堆肥的有機質降解率可以直觀地反應堆肥過程微生物活性和廢棄物的利用效果。Yu等[27]認為高濕可增加堆肥的發酵速度,本試驗氣化濾餅材料具有較高含水量,隨著氣化濾餅添加量增加,促進了堆肥的好氧發酵速度。但當氣化濾餅添加量增加到50%時,有機質分解反而下降,這可能是因為氣化濾餅是高碳的物料,使得堆肥材料碳氮比失衡,有機質分解速度下降。有機質分解是碳損失的主要原因,隨氣化濾餅添加量的增加,堆肥整體釋放的CO2也在增加,因此碳損失也隨之增加。堆肥中全氮含量多來源于有機質的分解,氣化濾餅質量比的增加使整體堆肥材料碳氮比失衡,抑制了有機質的分解,導致堆肥結束時高質量比的氣化濾餅添加量的堆肥材料總氮含量低,在低中等質量比的氣化濾餅添加量處理中總氮含量較多,G12.5處理最多。王永江等[28]認為由于微生物的硝化作用,硝態氮會隨著堆肥過程中溫度的提高以及pH的降低而增加,這與本試驗研究一致。堆肥結束時G100硝態氮含量低于G0,這可能是因為此時G100處理依然還有較高的pH,抑制了微生物的硝化作用。堆肥過程中各處理銨態氮含量總體上呈現先升后降,再升高后再降低的趨勢,且堆肥過程中各處理銨態氮含量隨氣化濾餅添加量而降低。銨態氮會伴隨著NH3的生成而損失,而溫度和pH影響NH3的生成,由于氣化濾餅呈堿性,所以高質量比的氣化濾餅會導致更多的銨態氮分解。堆肥中途上升可能是因為有機質分解產生有機酸使得堆肥pH下降,NH3生成減少,后期隨著微生物的固化,銨態氮又開始下降,這與Bai等[29]研究結果一致。

碳氮比和種子發芽指數是判斷堆肥腐熟度的重要因素。一般認為GI超過80%則認為堆肥產品沒有毒性,本試驗中, GI表明堆肥結束氣化濾餅添加量不超過25%的沒有毒性,添加量50%和100%的堆肥有一定的毒性,這可能是高劑量的氣化濾餅添加會引起堆肥pH和電導率增加,這會抑制堆肥速度,造成堆肥腐熟度不足,具有一定的毒性。堆肥過程中整體碳氮比呈下降趨勢,堆肥初期,各處理碳氮比均高于G0,可能是由于氣化濾餅是一個低氮高碳物料,所以在堆肥完成時,G100具有最高的碳氮比。碳氮比超過30對堆肥質量產生不良影響,在25以下認為堆肥較為理想,本試驗中除G100外,其他各處理均較為理想。

速效養分含量是堆肥養分供給的強度指標。本試驗中與堆肥初期相比,堆肥結束時的速效磷含量均有顯著增加,這可能是因為堆肥中速效磷來源于有機磷的礦質化作用,有機磷的礦化速度受溫度、水分條件以及碳氮比影響較大,較大的碳氮比會使堆肥中的無機磷被微生物固化,這與本試驗結果一致[30]。速效鉀含量與速效磷相似,由于速效鉀浸出和轉化[11],在堆肥結束后,速效鉀含量都顯著增加,本試驗中G50和G100處理擁有較高的速效鉀累積量,這可能是因為氣化濾餅本身有較高的鉀含量以及高水分含量,有利于浸出。

本研究結果為氣化濾餅和枸杞枝條堆肥利用提供理論依據,旨在通過不同比例堆肥利用以探究合理堆肥比例,減少工農業廢棄物,獲得更優質的堆肥產品,促進設施農業綠色發展,關于氣化濾餅其它利用方式還需進一步探究。

4 結 論

添加氣化濾餅使枸杞枝條堆肥提前2 d進入堆肥高溫期,并延長高溫期2～6 d;氣化濾餅質量比50%及以下添加量促進有機質分解,且 6.25%～25%添加處理增加氮素固定;氣化濾餅添加可促進堆肥過程中速效磷和速效鉀的釋放,且速效磷含量隨氣化濾餅添加量增加呈先增加后降低趨勢;過量氣化濾餅添加(50%及以上)降低了堆肥發芽指數,增加了氨氣和二氧化碳的釋放。主成分綜合得分表明,G12.5處理的綜合得分最高,因此 G12.5處理在加速堆肥進程,提高堆肥腐熟度和提升肥力,減少碳氮損失上表現最優。