宋 蕓，樊 平，王 敏，王 強(qiáng)，薛鵬飛

（1濱州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東濱州 256200；2博興天竹菌劑生物科技有限公司，山東濱州 256200）

0 引言

隨著人們生活水平的提高和農(nóng)業(yè)種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，餐廚垃圾和農(nóng)業(yè)廢棄物不斷增加，成為中國固體廢棄物的重要組成部分[1]。據(jù)報道，餐廚垃圾每年產(chǎn)生量已經(jīng)超過6000萬t[2]，餐廚廢油是餐廚垃圾的重要組成部分，其產(chǎn)生量約為餐廚垃圾產(chǎn)生量的10%～20%，每年產(chǎn)量約為700萬t[3-4]。農(nóng)業(yè)廢棄物主要包括農(nóng)作物秸稈和畜禽廢棄物[5-6]。據(jù)統(tǒng)計，中國每年產(chǎn)生數(shù)幾十億噸計的農(nóng)業(yè)廢棄物[7]，其中人畜禽糞便量26億t，農(nóng)作物秸稈7億t，蔬菜廢棄物1.0億t[5,8]。這些廢棄物都蘊(yùn)含著豐富的養(yǎng)分和能量，被稱為“放錯位置”的資源，如果隨意丟棄或排放，不但造成資源浪費(fèi)，還會對生態(tài)環(huán)境造成污染，如加以科學(xué)利用將會變成一種資源，消除環(huán)境污染，改善生態(tài)環(huán)境[7,9]。

廢棄物再利用在中國有著悠久的歷史，堆肥是被廣泛應(yīng)用的一種手段。通過堆肥技術(shù)，將廢棄物中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)，一方面解決廢棄物帶來的環(huán)境污染問題，另一方面使其得到有效的資源化利用[10]。本試驗(yàn)對小麥秸稈、玉米秸稈、食用菌菌渣及由鋸末、餐廚廢油和牛糞組成的混合物4種廢棄物進(jìn)行有氧高效堆肥腐解，摸清各材料腐解規(guī)律和堆腐方法，以期為篩選幾種廢棄物的有氧高效腐解合理配方，生產(chǎn)高效穩(wěn)定的生物肥基質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)共設(shè)置4個處理，原料分別為T1：玉米秸稈、T2：小麥秸稈、T3：菌渣、T4：由鋸末、餐廚廢油、牛糞組成的混合物。供試玉米秸稈、小麥秸稈取自濱州市濱城區(qū)郊區(qū)，經(jīng)過粉碎機(jī)粉碎成長約為5 cm的小段；供試食用菌菌渣平菇菇渣，產(chǎn)自騰達(dá)農(nóng)莊，其主要成分為棉渣和玉米芯；供試混合材料是由梧桐木鋸末（顆粒粒徑3～12 mm）、牛糞（顆粒粒徑為6～10 mm）和餐廚廢油按照體積25:15:2的比例配合而成。供試黃瓜品種為‘魯蔬08號’。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)于2017年5月27日—8月4日在山東省濱州市騰達(dá)農(nóng)莊進(jìn)行。各處理原料經(jīng)脫袋打碎、加水翻拌，水分調(diào)節(jié)至約60%，分別堆成高1.2 m，寬2.0 m，長10 m的條垛堆體，置于室外露天發(fā)酵，每2周翻堆一次，堆腐70天。翻堆均勻后采集物料測試樣品，經(jīng)風(fēng)干、粉碎、過2 mm篩備用。

1.3 指標(biāo)測定及方法

1.3.1 溫度、水分、體積測定 在堆肥處理過程中，用自動記錄儀測定堆肥發(fā)酵過程中的溫度、水分變化。將溫度記錄儀探頭插入距離堆體表層60 cm處測量，每隔1 h自動記錄溫度數(shù)據(jù)，取平均值作為當(dāng)日堆體溫度數(shù)據(jù)。為測定堆肥深度對腐解溫度的影響，在菌渣堆體不同深度取點(diǎn)進(jìn)行溫度測定，從堆頂至堆底，每隔10 cm記錄一次溫度。每次翻堆前對堆體體積進(jìn)行測量。

1.3.2 發(fā)芽指數(shù)(GI)測定 在直徑9 cm鋪有濾紙培養(yǎng)皿內(nèi)均勻放進(jìn)20粒顆粒飽滿大小接近的黃瓜種子，取5.0 mL堆肥浸提液于培養(yǎng)皿，并以蒸餾水作對照試驗(yàn)。每個處理作3次重復(fù)；將培養(yǎng)皿放置在溫度(25±1)℃、濕度80%的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。堆肥期間每周測定一次。計算公式如式(1)所示。

當(dāng)GI＞50%時，物料毒性較低；當(dāng)GI＞80%，物料可認(rèn)為完全腐熟此時對植物無毒性[11]。

1.3.3 化學(xué)成分及養(yǎng)分含量測定 堆腐結(jié)束后，對形成的生物基質(zhì)進(jìn)行各化學(xué)成分測定。pH、EC分別用pH計和電導(dǎo)率儀進(jìn)行測定；全N、全P、全K、速效磷、速效鉀及交換態(tài)Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ca等營養(yǎng)成分和Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni等重金屬含量用原子吸收分光光度計測定；Hg、As用原子熒光光度計進(jìn)行測定。

1.3.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 采用Microsoft Excel 2007處理數(shù)據(jù)，采用SPSS22.0軟件進(jìn)行方差分析，采用Duncan法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 幾種廢棄物腐解溫度變化

由圖1可以看出，不同材料腐解過程中，均出現(xiàn)了升溫期、高溫期和降溫期的溫度變化，達(dá)到的最高溫度和時間及高溫持續(xù)時間均存在較大差異。最高溫度方面T1＞T4＞T2＞T3，T1溫度最高達(dá)74.7℃，T3最高溫度最低58.5℃；達(dá)到最高溫度出現(xiàn)時間方面T2=T4＞T1＞T3，T2、T4出現(xiàn)最高溫度的時間最長，均在第7天出現(xiàn)，T3最短，堆肥第一天就出現(xiàn)最高溫度；高溫持續(xù)時間長短方面表現(xiàn)為T1＞T4＞T2＞T3，其中T1處理高溫期持續(xù)24天，T4處理高溫期持續(xù)22天，T2高溫期持續(xù)20天，混合材料高溫期持續(xù)16天，均滿足堆肥無害化的要求[11]。高溫期后，隨著堆肥時間增加，各處理的溫度逐漸降低。4種材料每2周進(jìn)行一次翻堆。

圖1 不同基質(zhì)腐解過程中溫度變化

食用菌菌渣本身含有多種菌，能高效降解纖維素等，制堆后高溫菌迅速活動，迅速提高堆肥的溫度和效率，但由于食用菌種植可降解菌渣中的木質(zhì)素和粗纖維[12]，所以最高溫度出現(xiàn)較快但最高溫度相對較低為58.5℃；玉米秸稈中可以供高溫菌直接利用的半纖維素、可溶性糖等物質(zhì)多，所以第3天達(dá)到了最高溫74.7℃；混合材料中的鋸末含有一些木質(zhì)纖維轉(zhuǎn)化稍慢，在第7天達(dá)到最高溫度；小麥秸稈表面有一層蠟質(zhì)層，造成堆肥開始時吸水困難，不利于溫度提升。每次翻堆后溫度都有所回升，由于翻堆的原因，溫度呈現(xiàn)波浪式變化。

為測定堆體內(nèi)部不同深度溫度變化，本次試驗(yàn)對食用菌菌渣堆體進(jìn)行了溫度測定（如圖2）。從距離堆頂每隔10 cm處進(jìn)行溫度測定，共計測定7個點(diǎn)。從圖中可以看出，堆體內(nèi)溫度隨著堆體深度增加先升高后降低。堆體在距表層20 cm處溫度達(dá)到最大值63℃，隨后呈現(xiàn)出堆體內(nèi)部溫度隨著距表層的距離越大而溫度逐漸降低的現(xiàn)象，45 cm以下出現(xiàn)明顯的厭氧層，溫度在42℃以下，距離堆頂70 cm處溫度只有30℃。

圖2 食用菌菌渣堆體內(nèi)部不同深度溫度的變化

總體來看，堆體上部位置透氣性強(qiáng)，氧氣豐富，好氧微生物數(shù)量多，微生物好氧發(fā)酵活躍，溫度較高，產(chǎn)生高溫。隨堆體深度的增加，堆體內(nèi)部氧氣含量逐漸減少，堆肥發(fā)酵從好氧逐步向厭氧，因此在生產(chǎn)中要不斷的翻堆，提高透氣性的同時，讓堆體充分進(jìn)行好氧發(fā)酵。

2.2 幾種廢棄物腐解過程中含水量變化

如圖3所示，玉米秸稈和混合材料在整個腐解過程含水量相對比較穩(wěn)定，含水量保持在60%以上，均不需加水。玉米秸稈腐解過程中和腐解后含水量都比較高，尤其是腐解結(jié)束后含水量偏高，需要晾曬。小麥秸稈和食用菌菌渣在制堆開始需要通過加水調(diào)節(jié)堆體含水量，制堆完成后會有一定程度的失水，所以在前兩次翻堆時需要補(bǔ)水調(diào)節(jié)。綜合來看，在整個過程中，混合材料除翻堆外均不需要額外投入勞動力，一定程度上降低了勞動強(qiáng)度。

圖3 不同基質(zhì)腐解過程中含水量的變化

2.3 幾種廢棄物腐解過程中體積變化

從圖4可知，腐解完成后，混合材料的體積與原材料相比減少了20%，這可能與牛糞成分比較穩(wěn)定、鋸末木質(zhì)化成分較多有關(guān)；由于食用菌種植期間菌渣體積已經(jīng)大大縮小，食用菌菌渣的體積與原材料相比減少較少；小麥和玉米秸稈分別比原來較少了69.9%和69.3%，減量化十分明顯，可能與小麥和玉米秸稈中纖維素和半纖維素較多，抗分解能力較弱有關(guān)。

圖4 不同材料腐解過程中體積變化

2.4 幾種廢棄物腐解過程中發(fā)芽指數(shù)(GI)的變化

種子發(fā)芽率是堆肥腐熟度最常用指標(biāo)[13]。GI＞50%，則認(rèn)為腐解材料已腐熟并達(dá)到了可接受程度，即基本沒有毒性，當(dāng)發(fā)芽指數(shù)GI達(dá)到80%時，這種腐解材料就可以認(rèn)為是沒有植物毒性或者說已腐熟了[14]。從圖5中可以看出，隨著堆肥進(jìn)程，堆肥過程中各處理的GI均呈現(xiàn)上升的趨勢，對種子的發(fā)芽的抑制作用逐漸減弱。腐解進(jìn)行3周后，所有材料GI都超過85%，此時所獲得的基質(zhì)對發(fā)芽已沒有毒害作用，可以使用。玉米秸稈、小麥秸稈、混合材料從第4周開始，食用菌菌渣從第6周開始，GI已經(jīng)接近甚至超過100%。

圖5 不同材料腐解過程中發(fā)芽指數(shù)(GI)的變化

2.5 腐解后生物基質(zhì)中化學(xué)成分及養(yǎng)分含量分析

EC值反映了固體發(fā)酵過程中堆料的鹽度，是評價堆肥是否對植物產(chǎn)生毒害作用的重要參數(shù)，在一定程度上反映堆肥對植物的毒性以及對植物的促進(jìn)或抑制作[15]。EC值的大小對微生物的生長與活性有著重要的作用與意義，EC值過高或過低都會影響到微生物的生長，適宜的EC值可使微生物正常生長[16]。從表中可以看出，堆肥結(jié)束時，玉米秸稈組電導(dǎo)率最高，小麥秸稈組最低，玉米秸稈組較其他3組差異性顯著。從表1可知，玉米秸稈、小麥秸稈、混合材料的pH呈現(xiàn)微酸性，食用菌菌渣組顯示堿性。

表1 各生物基質(zhì)部分營養(yǎng)元素含量

堆肥結(jié)束后，各處理間全氮含量差異性不顯著；全磷含量的大小排序?yàn)門3＞T4＞T2＞T1，各處理之間差異性顯著(α=0.05)；全鉀含量方面，T3處理含量最高，T2處理含量最低，T2處理較其他幾組相比差異性顯著(α=0.05)；速效磷含量方面，T4處理含量最高，與T1、T2處理之間差異性顯著；速效鉀含量方面，各處理含量排序?yàn)門4＞T3＞T1＞T2，各處理之間差異性顯著。

中微量元素含量方面，各處理交換態(tài)Ca含量為T3＞T4＞T1＞T2,各處理之間的差異性顯著(α=0.05)，T3處理較其他幾處理在α=0.01水平下仍有顯著性差異，這可能與平菇生產(chǎn)原料中加入加多的石灰有關(guān)，在缺鈣果園和酸性較強(qiáng)的果園可以優(yōu)先考慮使用食用菌菌渣生物基質(zhì)；交換態(tài)Mg含量為T3＞T4＞T1＞T2，各處理間差異性顯著(α=0.05)；T3處理交換態(tài)鐵含量最低，T4處理含量最高，T1、T2、T4處理與T3差異性極為顯著(α=0.01)，T1、T2與T3之間差異性顯著(α=0.05)；交換態(tài)鋅含量方面，T4處理較其他幾組差異性達(dá)到極顯著水平(α=0.01)，T1、T2、T3處理之間無顯著性差異；交換態(tài)錳含量，T1、T2處理之間，T3、T4處理之間無明顯差異，而T1(2)與T3(4)之間差異性極為顯著(α=0.01)；交換態(tài)銅含量方面，T4處理的含量最低，與其他三組處理之間差異顯著(α=0.05)，而T1、T2、T3處理之間無顯著性差異。

本試驗(yàn)對混合材料生物堆肥中重金屬含量與農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較，結(jié)果如表2所示，重金屬各項指標(biāo)明顯低于控制標(biāo)準(zhǔn)，均未超標(biāo)，混合材料可以放心使用。

表2 混合材料生物堆肥中重金屬含量和農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)比較 mg/kg

3 結(jié)論

堆肥是一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程，伴隨堆肥化進(jìn)程，有機(jī)物質(zhì)在微生物作用下發(fā)生礦化和腐殖化[17]，不同材料腐解過程的溫度、水分、營養(yǎng)元素釋放等也不相同,本文通過試驗(yàn)，初步探索出四種廢棄物腐解規(guī)律及堆腐方法，初步得到以下幾條結(jié)論。

（1）有氧堆肥過程中氧氣的供應(yīng)直接關(guān)系好氧微生物的發(fā)酵，為加快腐解進(jìn)程，保持好氧微生物的活性，堆肥不宜過深，腐解過程中需要及時進(jìn)行翻堆，尤其是玉米秸稈堆肥中溫度較高，最高能達(dá)到75℃，根據(jù)實(shí)際操作，可適當(dāng)縮短翻堆間隔。

（2）腐解過程中不同材料的水分特性差異較大。玉米秸稈和混合材料整個腐解過程均不需加水；小麥秸稈堆制前吸水特別困難，第一次翻堆加水后吸水變得很容易。食用菌菌渣較易吸水，但失水較快，在翻堆時也需要加水。

（3）食用菌菌渣和混和材料抗分解能力最強(qiáng)，抗分解能力強(qiáng)的材料在腐解的過程中體積變化較小，同樣質(zhì)量的材料獲得的產(chǎn)品較多。而小麥和玉米秸稈體積減少較多。

（4）通過發(fā)芽指數(shù)測定，可以基本確定玉米秸稈最少腐解2周，小麥秸稈、混合材料和食用菌菌渣最少需要腐解3周才可以作為基質(zhì)使用。

（5）通過營養(yǎng)成分分析和金屬含量測定，可以確定，四種材料腐解后均可安全使用，同時種植作物時可以根據(jù)不同的營養(yǎng)成分需求進(jìn)行選擇。