董麗艷，朱軍保，虎海波

（攀枝花市農林科學研究院，四川攀枝花 617000）

0 引言

【研究意義】隨著我國芒果產業(yè)的迅猛發(fā)展，芒果園修剪廢棄物的資源化無害化處理顯得尤為重要。據相關資料，截至2021年，每年芒果樹修剪量達275萬t左右。其中大部分修剪下來的芒果樹枝樹葉直接隨意堆放在室外，不經過任何處理，極易成為果園蟲害、蟲卵及病毒棲息滋生繁衍的場所，對果園生態(tài)系統(tǒng)存在威脅，無法實現芒果園可持續(xù)發(fā)展的要求。高溫好氧堆肥處理是目前公認的對園林廢棄物資源化和無害化處理應用最為廣泛的辦法之一（朱鳳香等，2010；于光輝等，2014；Yuksel，2015）。好氧堆肥事實上是一個生物氧化的過程，微生物通過自身代謝將有機廢棄物分解成穩(wěn)定的腐殖質，釋放出熱量殺滅病菌，形成有機肥（田智輝等，2018）。影響堆肥腐熟程度的因素有環(huán)境條件（溫度、含水率、pH等）（王莉，2009）及物料性質［碳氮比（C/N）、物料粒徑、孔隙度、有機物含量等］（常瑞雪，2017；劉洋等，2018），其中，C/N是影響堆肥效果的關鍵因素，過高將會導致植物缺氮素，增加堆肥成本，過低又會造成植物燒苗現象（郭煒等，2016）。因此，研究初始物料C/N對芒果樹剪枝堆肥腐殖化程度的響應機理，對于芒果剪枝資源化無害化處理及避免芒果園環(huán)境污染和資源浪費等具有重要的指導意義?！厩叭搜芯窟M展】相關研究表明，堆肥原料與填充料混合后的C/N在20~40范圍內可順利地進行堆肥腐熟（秦莉等，2009）；當C/N為28時，表征堆肥腐熟的各項指標均優(yōu)于C/N為18、35和40的試驗（羅泉達，2008）。郝利峰（2012）在園林廢棄物堆肥腐熟的研究中指出，C/N與H2S排放成反比。韓相龍等（2019）研究表明，煙梗與牛糞混合堆肥時，C/N為22∶1時，有利于堆肥產品中氮磷鉀等營養(yǎng)元素的累計，堆肥效果較好。不同C/N下牛糞玉米秸稈在好氧堆肥的研究表明，適宜的C/N可促進有機質分解，縮短堆肥發(fā)酵周期，提高堆肥的腐殖化程度（尹瑞等，2019）。黃艷艷等（2020）在對雞糞和蔗渣堆肥腐熟的研究中指出，初始物料C/N過低會導致產生的NH+4含量不符合堆肥標準，過高會降低降解速度。馬若男等（2020）研究表明，雞糞堆肥C/N比為18~22時，有利于堆肥腐熟和臭氣減排效果。商佳胤等（2021）研究碳氮比對葡萄冬季修剪廢棄物堆肥效果的影響，結果表明葡萄修剪枝廢棄物堆肥效果最佳時，C/N為30。【本研究切入點】以往的試驗研究多集中在動物糞便、秸稈資源、蔬菜廢棄物、餐廚垃圾、城市污泥及部分園林剪枝落葉方面。而關于初始物料C/N比對芒果樹剪枝的高溫好氧堆肥技術研究鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】以芒果樹修剪枝為堆肥物料，分析其C/N對芒果樹剪枝堆肥腐熟的影響，旨在為攀西地區(qū)大規(guī)模無害化處理芒果樹修剪枝、廢棄物資源化利用以及芒果園清潔化生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為四川攀枝花仁和區(qū)芒果產業(yè)園修剪下的帶葉樹枝粉碎物，包含70%的樹枝和30%的樹葉，C/N為63.63%，全氮含量10.19 g/kg，有效磷含量0.0426 g/kg，速效鉀含量為60.161 g/kg，有機質含量83.91%，pH 7.33，粒徑小于20 mm。

1.2 試驗方法

設初始物料的不同C/N處理，即T20（C/N=20）、T25（C/N=25）和T30（C/N=30）處理，以C/N=63.63為對照（CK）。將原材料粉碎后堆制成0.8 m高的長條形堆體，每鋪10 cm厚的供試材料后澆水，待供試材料充分濕潤后再鋪上10 cm厚的供試材料，一直重復直到堆體高度為0.8 m即可，每個處理重復3次。試驗于2021年4月初在攀枝花市仁和區(qū)芒果現代產業(yè)園區(qū)內，采用高溫好氧堆肥技術進行堆肥。制作過程如下：將修剪下來新鮮的芒果樹枝樹葉進行粉碎，通過試驗測得初始C/N，通過添加尿素調節(jié)初始C/N，每200 kg一堆，堆制成近80 cm高的長條形堆體，用黑膜覆蓋，同時調節(jié)物料的水分至60%左右。為保證堆體內菌群的活躍，在堆制后的第7 d開始進行翻堆，并在堆肥開始后的第0、3、5、7、11、15和18 d進行動態(tài)采樣，采用多點隨機法在離堆體表面20、40和60 cm處均勻取樣，充分混勻后用四分法保留2袋樣品，其中一袋采樣回來后立即放入4℃的冰箱中保鮮儲存，用于測定小白菜種子發(fā)芽指數（GI）及銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，另一袋采回后經風干研磨再過0.15 mm孔徑的尼龍篩，用于測定C/N、pH、電導率（EC）及胡敏酸和富里酸含量。

1.3 指標測定及方法

試驗整個過程均采用錦州陽光氣象科技有限公司的智慧云平臺對堆體的溫度進行實時監(jiān)測，試驗溫度選取每天9：00和17：00溫度的平均值。

1.3.1 GI測定.將新鮮的堆肥樣品與去離子水按1∶10（w/v）的比例混合，室溫下振蕩24 h后，靜置后將上清液經濾紙過濾后備用，吸取5 mL濾液到鋪有9 cm濾紙的培養(yǎng)皿內，每個培養(yǎng)皿內均勻點播30粒飽滿的小白菜種子。將培養(yǎng)皿放在溫度為25℃的培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)72 h，同時用去離子水作為對照（CK），每個處理重復3次。GI的計算公式：

G（I%）=（G×L）（/G0×L0）

式中，G為堆肥樣品浸提液中種子發(fā)芽率，L為堆肥樣品浸提液中種子根長，G0為去離子水中種子發(fā)芽率，L0為去離子水中種子根長。本研究中，去離子水中的種子發(fā)芽率為（93±3）%，L0為0.420±0.007 cm。

1.3.2 纖維素含量測定.采用定糖比色法測定纖維素含量。

1.3.3 C/N測定.總碳含量采用重鉻酸鉀氧化法（外加熱法）測定?？偟坎捎米詣佣ǖ獌x法測定。T=終點C/N與初始C/N的的比值，以T值作為評價堆肥腐熟的標準，根據GB/T 31755—2015《綠化植物廢棄物處置和應用技術規(guī)程》中陳述當T＜0.6時堆肥達腐熟。

1.3.4 pH和EC測定.取自然風干的樣品按固液比1∶10，在室溫下振蕩1 h后測定。pH使用pH計（雷磁pHSJ-4F）測定，EC用電導率儀（DDS-307W）測定。

1.3.5 胡敏酸和富里酸含量測定.采用焦磷酸鈉—氫氧化鈉提取，重鉻酸鉀氧化容量法測定胡敏酸和富里酸的含量（g/kg），參照NY/T 1867—2010《土壤腐殖質組成的測定焦磷酸鈉—氫氧化鈉提取重鉻酸鉀氧化容量法》的標準計算胡富比即腐殖化指數：

胡富比=胡敏酸含量/富里酸含量

該指標能全面反映腐殖質的組成和性質的變化，也反映堆肥產品的品質，常用來衡量腐殖物質聚合程度，為木質素纖維素類堆肥腐熟的評價標準。胡富比≥1.0，腐殖化指數越大，表明聚合程度越高，穩(wěn)定性也越高。

1.4 統(tǒng)計分析

試驗數據采用Excel 2007進行統(tǒng)計分析，采用STDEV函數進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 C/N對芒果樹剪枝堆肥溫度的影響

由圖1可看出，4個處理的堆肥溫度均出現2個峰值，均以第1個峰值為最大值。堆肥過程中，初始物料不同C/N條件下堆肥過程溫度均高于環(huán)境溫度。前3 d，T20和T30處理的堆體溫度略有下降，之后呈增加趨勢，并在4~5 d內保持溫度達50℃以上，然后又開始降溫；CK和T25處理均迅速升溫，后逐漸下降至環(huán)境溫度，T25處理在8 d內保持溫度達50℃以上，CK只保持4 d；T20、T25、T30處理和CK分別在第5、3、5和3 d開始進入高溫期，溫度分別升高29.3%、41.1%、28.8%和33.8%。T25處理最早進入高溫期，高溫持續(xù)時間最長，整體溫度上升幅度最大，除峰值外，溫度變化比較平穩(wěn)，較有利于加快堆肥的腐熟時間。

圖1 初始物料的不同C/N條件下堆體溫度變化Fig.1 Changes in the temperature of the reactor under initial material different C/N conditions

2.2 C/N對芒果樹剪枝堆肥腐熟度指標的影響

2.2.1 對芒果樹剪枝堆肥理化性質的影響.從圖2-A可看出，T20、T25、T30處理和CK的pH整體呈逐漸波動上升的趨勢，各處理至第15 d，pH略降后又升高，pH最大值分別為6.20、6.05、6.19和5.80，差異不大。堆肥初期，T20和T30處理的pH略有下降；而堆肥過程中CK和T25處理的pH一直呈上升趨勢，且pH變化較大，分別增加40.78%和31.24%，但CK的pH整體低于其余3個處理。堆肥結束后，堆肥樣品pH范圍為5.8~6.13。

初始物料不同C/N處理下EC變化如圖2-B所示?？傮w上，T25處理的EC低于其他處理。堆肥過程中，T20、T25、T30處理和CK的EC最大值分別為633、457、596和505 mS/m。T25處理的EC在堆肥第5 d增加到峰值，5~15 d時，CK和T25處理的EC明顯下降后又略微升高。T20和T30處理的EC在1~3 d開始下降。綜合pH分析，T20、T25、T30處理和CK的初始pH分別為6.06、4.61、6.04和4.12，前3 d，CK和T25處理的pH均小于5.00，其余2個處理的pH均接近6.00，隨著堆肥體系酸性降低，無機鹽類的溶出變少，因此EC降低，其中CK從第7 d才開始下降，其EC整體高于T25處理，由此可知，T25處理更有利于營造堆肥腐熟過程中微生物所需要的環(huán)境條件，腐熟的堆肥更適于植物根系的生長發(fā)育。

圖2 初始物料的不同C/N條件下堆體pH和EC變化Fig.2 Changes in the pH and EC values of the reactor under initial material different C/N conditions

2.2.2 對堆肥過程中發(fā)酵產物C/N的影響.由圖3可看出，初始物料不同C/N條件下，堆體C/N整體呈下降趨勢。堆肥結束后，T20、T25、T30處理和CK的C/N分.別 為15.9、14.42、25.18和46.15，分 別 下 降20.52%、42.31%、16.05%和27.47%，對應T值分別為0.79、0.58、0.84和0.73，其中僅T25處理達到腐熟標準，T25處理降幅大于T20、T30處理和CK。這是因為T20處理氮源過多，碳源不足，可供微生物利用的能源不足，致氮源揮發(fā)損失；T30處理和CK的氮素供應不足，微生物缺乏營養(yǎng)物質不活躍，致堆肥腐熟受阻，因此適宜的C/N在堆肥過程中尤其重要。

圖3 初始物料的不同C/N條件下堆體C/N變化Fig.3 Changes in C/N in the reactor under initial material different C/N conditions

2.2.3 對GI的影響GI指標的測定試驗是檢驗堆肥腐熟度和毒害性最有效、最精確的方法。一般認為，堆肥結束時種子GI≥80%時，堆肥已經完全腐熟，并完全消除對植物的毒性（夏金利等，2021）。從表1可看出，堆肥結束后，T20、T25、T30處理和CK的GI分別為89.00%、93.00%、75.00%和76.00%，其中，T20和T25處理達完全腐熟的標準；T30處理和CK可能是因為發(fā)酵過程中微生物繁殖所需要的氮源受到限制，微生物繁殖的比較緩慢，有機物礦化分解比較緩慢，進而導致發(fā)酵時間延長，堆肥效果不好?？梢?，選擇合適的C/N是保證堆肥品質，加速堆肥腐熟，降低堆肥毒害性的重要保證。

表1 初始物料的不同C/N堆肥處理下小白菜種子發(fā)芽指數Table 1 Seed germination index of pakchoi under composting treatment with initial material different C/N conditions

2.3 C/N對芒果樹剪枝堆肥過程中纖維素含量變化的影響

如圖4所示，堆肥進程中纖維素含量呈波動變化，其中，T30處理和CK在堆肥第0~3 d略微增加，T20和T25處理在堆肥第3~5 d略微增加，各處理纖維素含量在堆肥第15 d開始均出現略微增加的趨勢，但纖維素含量整體呈降低趨勢。在堆肥初期，纖維素降解較緩慢，中后期纖維素降解速率增加，堆肥快結束時，纖維素降解又趨于平緩。T20、T25、T30處理和CK中纖維素含量分別為8.89%、8.29%、6.76%和13.14%，到堆肥結束時，纖維素含量降至8.22%、5.62%、5.89%和11.99%，降解率分別為7.54%、32.21%、12.87%和8.75%，其中T25處理纖維素降解率最高，可見T25處理下微生物不會因溫度的突變而影響其活性。纖維素的降解速率直接影響堆肥的腐熟周期，因此T25處理有利于縮短堆肥的腐熟周期。

圖4 初始物料的不同C/N條件下堆體纖維素含量變化Fig.4 Changes in the reactor cellulose content under initial material different C/N conditions

2.4 C/N對芒果樹剪枝堆肥過程中腐殖質組分含量變化的影響

2.4.1 對胡敏酸和富里酸含量的影響胡敏酸在土壤養(yǎng)分保持和土壤團粒結構的形成過程中有著重要的作用，初始物料的不同C/N下的胡敏酸的變化如圖5-A所示。胡敏酸含量整體變化規(guī)律大致為先降低后升高再降低，T20、T25、T30處理和CK胡敏酸含量整體呈降低趨勢，降幅分別為28.43%、36.17%、24.39%和20.77%。T20、T30處理和CK在堆肥前期逐漸下降，至堆肥第5 d，胡敏酸含量分別為12.8、32.1和47.9 g/kg，隨著堆肥過程進行，胡敏酸含量開始增加，增幅分別為72.47%、30.07%和36.33%；T25處理在0~11和15~19 d階段呈下降趨勢，至堆肥第11 d，胡敏酸含量降到最小，為41.5 g/kg，在11~15 d階段呈上升趨勢，增幅為32.19%。T25、T30處理和CK胡敏酸含量均從堆肥第5 d開始變化幅度均小于T20處理。從T20處理的胡敏酸含量變化幅度可看出該處理下堆肥過程時刻發(fā)生著翻天覆地變化，不利于微生物繁衍，環(huán)境變化太快使得微生物不活躍，不利于堆肥腐熟化。

富里酸對促進土壤養(yǎng)分的釋放及礦物質的分解有著關鍵性的作用。如圖5-B所示，富里酸含量整體呈降低趨勢，T20、T25、T30處理和CK的富里酸含量降幅分別為52.13%、68.53%、12.57%和25.75%。T20和T25處理的富里酸含量變化規(guī)律與胡敏酸一致，表現為降低—升高—降低，T30處理和CK的富里酸含量先降低后升高。

由此可知，堆肥后期，胡敏酸含量降低，富里酸含量增加，則胡富比會越小，不利于堆肥腐熟。說明T30處理和CK不利于富里酸的降解；T20和T25處理的富里酸降解率較高，說明初始物料的C/N為20~25時，最有利于堆肥中富里酸的穩(wěn)定化。

2.4.2 對腐殖化指數的影響.由圖6可看出，腐殖化指數在堆肥前期逐漸升高，中后期呈波動變化，但整體呈上升趨勢，堆肥結束時，T20、T25、T30處理和CK的腐殖化指數分別為0.94、2.39、0.85和1.25。結合圖5可知，T30處理和CK下富里酸的降解速率遠遠低于T20和T25處理，且T30處理下富里酸的降解速率遠低于胡敏酸的降解速率，故T30處理腐殖化指數小于1.00，而CK下富里酸的降解速率與胡敏酸較接近，故CK的腐殖化指數接近1.00，T20處理由于胡敏酸降解過程中降幅較大，導致腐殖化指數較小，T25處理胡敏酸降解過程中降幅與整體降解速率接近，且降解速率小于富里酸的降解速，故其腐殖化指數較大。

圖5 初始物料的不同C/N條件下堆體胡敏酸和富里酸含量變化Fig.5 Changes in the humic acid and fulvic acid content in the reactor under initial material different C/N conditions

圖6 初始物料的不同C/N條件下堆體腐殖化指數變化情況Fig.6 Changes in the heap humification index in the reactor under initial material different C/N conditions

3 討論

3.1 C/N對堆體溫度的影響

堆體溫度的變化情況是反映堆肥是否腐熟的關鍵指標之一。當堆體溫度達50℃以上、保持5~7 d，是殺死堆體內病原微生物，保證堆肥腐熟衛(wèi)生學指標合格和堆肥腐熟的重要條件。本研究中C/N=20和C/N=25的處理高溫持續(xù)間均滿足腐熟標準，最高溫度與盧秉林等（2010）提出的高纖維植物堆肥最適宜高溫為50℃左右一致；但最高溫度及其持續(xù)時間均低于其他研究（尹瑞等，2019；王曉莉，2020），其中原因是芒果修剪枝中含有大量木質纖維素等難降解的物質，影響微生物的活躍程度，當微生物將易降解的物質分解完后，便難以促進堆體進一步升溫及維持高溫。綜合分析，僅C/N=30的試驗處理高溫期持續(xù)時間未達腐熟標準。

3.2 C/N對腐熟度指標的調控

pH反映堆肥過程中微生物所處的酸堿環(huán)境，pH過高或者過低都會影響有機質的分解和微生物的繁殖，進而影響堆肥進程。本研究中CK和T25處理的pH增幅均較大；在堆肥結束后，堆肥樣品的pH為5.80~6.13，符合DB31/T 404—2009《綠化植物廢棄物處置技術規(guī)范》中堆肥腐熟時pH范圍（5.0~7.8）。其中CK和T25處理的pH增幅較大主要是因為隨著堆肥的進行，堆體中含氮物質不斷分解，使得堆體中氨的積累，故變化最大，說明CK和T25處理微生物的活性均較高，反應比較劇烈，但CK的pH整體上低于其余3個處理。堆肥過程中3個處理的EC最大值均滿足國標GB/T 31755—2015《綠化植物廢棄物處置和應用技術規(guī)程》中對用作土壤改良劑或基質的EC要求，即50~1000 mS/m。

3.3 C/N對堆肥過程中發(fā)酵產物C/N的影響

在堆肥過程中，C/N是評價堆肥腐熟的一個重要參數，其決定著腐熟時間、堆肥溫度及堆肥品質。本研究發(fā)現T20處理的C/N整體下降得比較緩慢，T25處理下降幅度最大；T30處理先下降后又略有升高。T20處理是由于碳源不足，微生物缺乏可消耗的能源；T30處理是由于中初始含氮量低，堆肥后期微生物所需的營養(yǎng)物質不充足，致微生物降解含碳有機質的速率低于降解含氮有機質的速率。由此說明調節(jié)初始物料的C/N對加速芒果樹剪枝堆肥腐熟尤為重要。

3.4 C/N對纖維素含量變化的影響

纖維素的降解速率和降解程度決定著堆肥腐熟的周期和堆肥品質。目前纖維素降解研究主要集中在纖維素降解菌的培養(yǎng)與篩選方面，但由于現實中堆肥環(huán)境的差異而導致降解菌無法正常生長繁殖，使得堆肥物料中的纖維素難以有效降解（李亞丹等，2015）。本研究發(fā)現，纖維素降解速率呈緩—快—緩趨勢，T20、T30處理和CK的纖維素降解較T25處理慢，初期是由于可提供的能源和營養(yǎng)物質含量配比極不平衡導致，后期由于溫度升高，致使常溫型微生物的活性受到抑制，使得纖維素降解緩慢。其中，T20處理的纖維素降解尤其緩慢，是因為該處理初始物料中氮源多，碳源不足，提供的能源不足以為微生物利用，加之氮揮發(fā)浪費，致環(huán)境中氨累積，抑制微生物活性，開始分解緩慢，產物也少，整個過程都處于能源匱乏狀態(tài)，故分解最為緩慢；T25處理的纖維素下降幅度最大，是由于試驗提供了適宜微生物繁殖的營養(yǎng)環(huán)境，微生物較活躍，適應能力較強；T30處理和CK纖維素降解緩慢是由于氮源不足，微生物活躍度不夠，堆肥反應進程緩慢（黃向東等，2010）。說明初始物料的C/N過高或者過低均不利于纖維素的降解；結合圖1堆體溫度變化可知，由于T20和T30處理溫度峰值出現以后，其溫度曲線波動變化幅度均大于T25處理溫度波動變化幅度，因此可通過直接調節(jié)初始物料C/N來提高纖維素降解率。

3.5 C/N對腐殖質組分含量變化的影響

堆肥中腐殖質是有機質的重要組成部分，對堆肥品質起著關鍵性的作用。本研究中胡敏酸含量在小范圍內波動，整體呈下降趨勢，該結論與余克非（2020）推測是由于堆肥物料是含有較難降解纖維素的單一的園林廢棄物，導致胡敏酸含量整體呈下降趨勢的結論一致，但與張鶴（2018）、尹瑞等（2019）提出隨著堆肥過程的進行，胡敏酸含量呈緩慢上升的研究結果不一致，說明初始物料的C/N對含有難生物降解的木質纖維素的芒果樹修剪枝堆肥腐熟進程影響不容小覷。這可能是由于堆肥初期小分子物質匱乏，無法獲得原料生成胡敏酸，中后期生成胡敏酸的途徑增多，堆肥末期，溫度下降，微生物活性降低，故胡敏酸含量呈降低、升高再降低趨勢。

本研究中T20和T25處理富里酸含量呈降低、升高再降低趨勢，與張鶴（2018）、張鶴等（2019）堆肥過程中富里酸含量變化呈先降低后升高，整體呈降低趨勢的研究結果不一致，可能是由于堆肥物料在微生物作用下分解后重新合成穩(wěn)定的富里酸的速率大于物料中原有富里酸礦化或者聚合成胡敏酸的速率，故富里酸含量升高，T20和T25處理在堆肥末期富里酸仍在不斷降解，有利于堆肥腐熟。

4 結論

初始物料C/N=25時，對堆體有機質和纖維素降解、堆體高溫累積及種子GI增加有促進作用，可縮短堆肥周期，堆肥綜合效果最佳，堆肥產品質量指標基本符合國家有機肥標準。因此，可在攀西地區(qū)芒果樹廢棄物堆肥處理中推廣應用。