胡永恒,張 程,萬華琴,朱詠莉,2*,李萍萍,2*

(1.南京林業(yè)大學生態(tài)與環(huán)境學院,江蘇 南京 210037; 2. 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210037)

園林廢棄物主要是指園林植物自然凋落或經(jīng)過園丁修理所產(chǎn)生的枯枝、落葉、謝草、敗花、樹木與灌木剪枝及其他植物殘體等固體廢棄物,已成為我國第二大城市固體廢棄物,對其進行科學的處理以及資源化利用,對節(jié)約自然資源、防止環(huán)境污染以及實現(xiàn)城市生態(tài)良性發(fā)展具有重要意義[1-2]。長期以來,好氧堆肥發(fā)酵是園林廢棄物資源化利用的有效途徑[3-5],其可處理量大、工藝要求相對簡單和易操作,且發(fā)酵腐熟物既可以作為有機肥施入農(nóng)田,增加土壤有機質和養(yǎng)分含量[6-7],改善土壤結構[4],促進植物生長和提高產(chǎn)量,亦可用作設施蔬菜、花卉等育苗栽培基質從而代替常規(guī)草炭基質[8-10],以節(jié)約生產(chǎn)成本,顯著提高經(jīng)濟效益。

堆肥發(fā)酵過程不但受環(huán)境條件和人工調控的影響,而且與有機固體廢棄物自身特性密切相關[2,11]。不同有機固體廢棄物性質差異很大,導致發(fā)酵過程中的物質變化也有很大差異,進而影響腐熟的快慢以及發(fā)酵產(chǎn)品的品質。研究表明,有機廢棄物有機質、全氮、纖維素含量以及pH等均是影響發(fā)酵腐熟過程的重要物料性狀參數(shù)[3]。尤其對于園林廢棄物,其主要以木質素和纖維素等難降解的成分為主[12-14],導致其堆肥過程中發(fā)酵周期長、腐熟不徹底等問題仍普遍存在。為了解決這一問題,研究者多采取搭配不同物料[15-18],以及添加微生物菌劑等[14,19-20]措施,取得了較好效果。由于不同種類和不同部位園林廢棄物的理化性質存在明顯差異[21-23],目前研究較多側重于僅對發(fā)酵腐熟過程的分析,對不同園林廢棄物性狀變化與腐熟指標間關系的認識仍不足,已成為其發(fā)酵技術提升的重要限制因素。

本研究選取法國梧桐(Platanusorientails)樹和櫸樹(Zelkovaschneideriana)的樹枝及樹葉作為4種不同園林廢棄物類型。法國梧桐(文中簡稱梧桐)在我國南北各地均有栽培,是長江流域城市的主要行道樹,櫸樹是我國特有珍貴闊葉用材樹種和景觀綠化樹種,近年來在城市綠化中應用廣泛。前人對梧桐枝葉再利用的研究主要集中在發(fā)酵產(chǎn)沼氣方面[24-25],對櫸樹枝葉堆肥發(fā)酵的研究也鮮見報道。本研究通過分析園林廢棄物發(fā)酵過程中溫度、pH、電導率(EC)、有機質含量以及木質素和纖維素含量等性狀指標的變化特征,研究不同類型園林廢棄物發(fā)酵腐熟過程的差異,同時已被公認為是堆肥腐熟度評價指標之一的種子發(fā)芽指數(shù)(GI)作為判斷依據(jù),分析與其他性狀指標變化的關系及影響GI的主要因素,以期為探索不同園林廢棄物資源的高效利用及其腐熟的科學評價提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料及處理

試驗材料來自于鎮(zhèn)江東郊園林苗圃地冬季修剪后自然晾干的櫸樹、梧桐樹的樹枝和樹葉以及自然脫落的樹葉,樹枝和樹葉分別粉碎備用(長度<5 cm)。

試驗共設置4 個不同類型園林廢棄物的處理,分別為櫸樹樹枝(JZ)、樹葉(JY)和梧桐樹枝(WZ)和樹葉(WY)。經(jīng)測定,櫸樹樹葉、樹枝和梧桐樹葉、樹枝的有機質質量分數(shù)分別為64.19%、88.92%、81.62%、95.65%,pH分別為7.12、6.84、6.55、6.97,相對電導率(EC)分別為4.05、3.46、4.12、3.30 mS/cm,全氮含量分別為1.68、1.67、2.21、1.96 g/kg。

首先,將粉碎后的4種園林廢棄物分別按5%的總質量比添加豆腐渣(購自苗圃地周邊豆腐制作坊,用于調節(jié)碳氮比C/N)并混勻;然后再按0.1%的總質量比添加微生物菌劑(購自山東綠隴生物科技有限公司,內(nèi)含芽孢桿菌、放線菌、酵母菌、絲狀真菌等11種微生物);最后加水調節(jié)至初始含水量為50%,充分混合均勻后,裝入直徑 70 cm、高 135 cm的編織袋中進行發(fā)酵。發(fā)酵時間為70 d。每個處理重復3次。

1.2 發(fā)酵過程管理與指標測定

于每天10:00用溫度計測定發(fā)酵袋中心溫度,同時測定環(huán)境溫度。根據(jù)發(fā)酵溫度的變化,發(fā)酵前期每3～4 d進行翻堆1次,后期每7 d翻堆1次。翻堆時根據(jù)含水率情況及時補充水分,控制發(fā)酵過程中水分含量保持在50%左右。每10 d分層(上、中、下部)采集發(fā)酵樣品組成一個混合樣品,一部分鮮樣直接用于酸堿度(pH)、相對電導率(EC)和發(fā)芽指數(shù)(GI)等的測定,另外一部分樣品經(jīng)自然風干、磨碎后用于有機質、木質素以及纖維素含量、腐殖酸含量等指標的測定。

pH和EC采用數(shù)顯PHS-3C型pH測定儀和數(shù)顯 PHS-3E型EC測定儀(固液比為1∶8)測定;有機質(OA)采用重鉻酸鉀容量法外加熱法[26];胡敏酸和富里酸采用硫酸-重鉻酸鉀比色法[27]測定;木質素和纖維素含量分別用范式法和蒽酮-濃硫酸法測定[28]。

采用生菜種子進行發(fā)芽試驗,發(fā)芽指數(shù)(GI)的測定方法參考文獻[29]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用 Excel 2010、Origin 2018、SPSS2D進行分析處理、繪制圖表和方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同園林廢棄物發(fā)酵溫度、pH和EC的變化

發(fā)酵開始后快速升溫,各處理在第5天左右達到最高溫并持續(xù)2～3 d,在40 d左右降到接近環(huán)境溫度(圖1)。在發(fā)酵第5～20天,不同園林廢棄物處理間堆溫變化存在明顯差異。梧桐枝的發(fā)酵溫度依次高于梧桐葉、櫸樹枝和櫸樹葉,其中:梧桐枝和葉發(fā)酵溫度的平均值較櫸樹高3.2～5.0 ℃;且無論是櫸樹或梧桐樹,其樹枝的發(fā)酵溫度均高于樹葉,差異幅度為0.2～5.9 ℃,但均未達到顯著差異水平。

由圖1可知,發(fā)酵過程中不同園林廢棄物pH整體上呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。發(fā)酵初始時,各處理pH變化為6.55～7.12,櫸樹葉高于櫸樹枝、梧桐枝和梧桐葉,前三者間無顯著差異,但均與梧桐葉差異顯著。發(fā)酵結束時,各處理pH均有所升高(7.15～7.45),櫸樹葉最高、梧桐枝最低,二者差異顯著。不同園林廢棄物EC值變化整體上呈現(xiàn)先下降(0～30 d)后上升(30～40 d)再下降的趨勢。發(fā)酵初期4個處理EC值為3.3～4.12 mS/cm,兩樹種的樹枝EC值均顯著高于樹葉;發(fā)酵結束時,EC值降為0.58～1.65 mS/cm,其中梧桐葉顯著高于梧桐枝和櫸樹枝,櫸樹葉也顯著高于櫸樹枝。

2.2 不同園林廢棄物有機質、木質素、纖維素含量的變化

發(fā)酵過程中有機質含量逐漸降低(圖2)。不同園林廢棄物初始有機質質量分數(shù)相差較大,表現(xiàn)為樹枝高于樹葉,梧桐樹高于櫸樹,最高的梧桐枝為93.45%,最低的櫸樹葉為62.34%,4個處理間均差異顯著。整個發(fā)酵過程中,梧桐枝的有機質質量分數(shù)降幅最大,下降了45.54%,其次是櫸樹枝和梧桐葉,櫸樹葉的有機質質量分數(shù)降幅最小,下降了36.53%。發(fā)酵結束時有機質質量分數(shù)為梧桐枝(35.25%)>梧桐葉(31.36%)>櫸樹枝(28.63%)>櫸樹葉(25.48%),梧桐枝的有機質含量顯著高于櫸樹葉和櫸樹枝,但同一樹種的樹枝和樹葉間有機質含量無顯著差異。

圖2 不同園林廢棄物發(fā)酵過程中有機質、木質素和纖維素含量的變化Fig. 2 Changes of organic matter,lignin and cellulose contents of different garden wastes during composting

發(fā)酵過程中各處理木質素和纖維素含量的變化也均呈下降趨勢(圖2)。從發(fā)酵初始的木質素質量分數(shù)54.45%～67.22%和纖維素質量分數(shù)20.81%～58.15%分別降為3.91%～31.39%和10.86%～14.76%。發(fā)酵結束時,4個處理的木質素含量差異顯著,表現(xiàn)為櫸樹枝顯著高于櫸樹葉和梧桐枝,而纖維素含量則處理間無顯著差異。

2.3 不同園林廢棄物富里酸和胡敏酸含量的變化

發(fā)酵過程中各處理富里酸含量逐漸下降而胡敏酸含量逐漸上升(圖3)。4個處理的富里酸質量分數(shù)從初始的32.03%～33.74%下降為20.28%～25.58%,胡敏酸質量分數(shù)則從2.74%～30.28%上升至17.43% ～25.58%,增幅很大。富里酸含量下降幅度和胡敏酸含量增加幅度都表現(xiàn)為櫸樹葉>櫸樹枝>梧桐樹枝>梧桐樹葉。發(fā)酵70 d時各處理富里酸含量間無顯著差異,而胡敏酸含量間為櫸樹葉顯著高于梧桐樹葉。

圖3 不同園林廢棄物發(fā)酵過程中富里酸和胡敏酸含量的變化Fig. 3 Changes of FA and HA contents of different garden wastes during composting

胡敏酸含量與富里酸含量的比值為腐殖化指數(shù)(HI)。各處理HI指數(shù)隨發(fā)酵進程均呈上升趨勢(表1)。初始時,各處理間HI均無顯著差異;發(fā)酵40 d時,各處理的HI均超過0.7;發(fā)酵70 d時,櫸樹葉HI(1.74)顯著高于梧桐葉(1.40),而櫸樹枝雖低于梧桐枝,但二者差異并未達到顯著水平。

表1 不同園林廢棄物腐殖化指數(shù)和發(fā)芽指數(shù)

圖4 園林廢棄物發(fā)酵過程中4個處理各腐熟指標與GI的PCA分析Fig. 4 PCA analysis of characteristic parameters and GI of different garden wastes during fermenting

2.4 不同園林廢棄物各處理發(fā)芽指數(shù)的變化及其與其他性狀指標的關系

從發(fā)酵過程中各處理GI指數(shù)的變化(表1)可以看出,GI均隨發(fā)酵進程呈顯著上升趨勢,發(fā)酵30 d時各處理GI均超過100%,發(fā)酵70 d時梧桐樹枝GI最高,達到158.3%,其次是櫸樹枝為151.0%,二者均顯著高于梧桐葉(123.3%)和櫸樹葉(118.0%)。

4個處理(JY、JZ、WY和WZ)的GI與pH、EC、有機質含量等化學性狀關系的PCA分析結果見圖4。由圖4可知,各處理主成分1的貢獻值分別為69.2%、77.1%、77.5%、75.0%,主成分2的貢獻值分別為14.8%、10.4%、6.6%、13.0%,累計貢獻值分別為85.0%、87.9%、84.1%、88.0%,能較好地解釋以上性狀指標對GI的影響。在JY處理下(圖4a),GI依次與EC、富里酸、木質素、纖維素、有機質含量呈負相關關系,與pH和胡敏酸含量呈正相關關系;JZ處理下(圖4b)和WY處理下(圖4c),GI除了與pH、胡敏酸呈正相關,與其余指標也呈負相關關系;WZ處理下(圖4d),GI與胡敏酸呈正相關關系,與其余指標都呈負相關關系。

進一步多元回歸分析表明,對于JY處理,有機質含量是與GI的關系達到極顯著水平(P<0.01)的唯一因子,對GI的貢獻值為100%;對于JZ,有機質含量和纖維素含量與GI的關系均達到極顯著水平(P<0.01),二者為GI的主要貢獻因子,并且有機質貢獻最大(92.4%)。對于WY處理,胡敏酸含量和EC為GI的主要貢獻因子,其中胡敏酸的貢獻(68%)大于EC(31%),二者與GI分別呈極顯著正相關和負相關;對于WZ處理,EC和有機質含量為GI的主要貢獻因子,貢獻率分別為43%和27%,與GI分別達到了極顯著(P<0.01)和顯著水平(P<0.05)。

3 討 論

3.1 不同園林廢棄物對發(fā)酵溫度、pH和EC的影響

發(fā)酵過程中,微生物分解有機物、釋放出熱量從而使溫度上升,當微生物周圍養(yǎng)分不足時,溫度便逐漸降低。因此,發(fā)酵溫度可以反映有機物質的分解程度,所以常作為發(fā)酵過程判斷的最直觀、通用的參考指標之一[30]。不同園林廢棄物處理間發(fā)酵溫度的變化存在顯著差異。本研究中,5～20 d時梧桐枝的發(fā)酵溫度高于梧桐葉、櫸樹枝和櫸樹葉,其中,梧桐枝和葉發(fā)酵溫度的平均值較櫸樹高3.2～5.0 ℃,且無論是櫸樹或梧桐樹,其樹枝發(fā)酵溫度較樹葉高0.2～5.9 ℃?？梢?來源于梧桐樹的廢棄物較櫸樹相對更易發(fā)酵,且樹枝較樹葉更易于發(fā)酵。這與王瑞瑩等[22]通過比較香樟樹枝和樹葉的發(fā)酵的結論一致。但各處理接近環(huán)境溫度的時間基本一致,均在發(fā)酵40 d左右。

發(fā)酵過程中pH和EC的變化也是反映發(fā)酵進程的基本指標。本研究中園林廢棄物的 pH 整體上呈現(xiàn)出上升趨勢,這與王占軍[28]的實驗結果相似。發(fā)酵初始各處理pH變化為6.55～7.12,櫸樹葉最高,梧桐葉最低;發(fā)酵結束時各處理的pH升為7.15 ～7.45,處理間僅最高者櫸樹葉與最低者梧桐枝差異顯著。這與有報道認為樹木粉碎物料堆肥pH可以上升至8～9的結果[17]不一致,其原因可能與發(fā)酵原料及性狀成分的差異有關[22]。當堆肥中的有機質被分解時,會產(chǎn)生很多小分子物質,一般認為會導致EC值的增加[19]。但在本研究中,各處理EC值盡管在發(fā)酵30～50 d時出現(xiàn)了上升波動,但總體仍表現(xiàn)為下降趨勢,這與對桉樹皮發(fā)酵過程中電導率變化的研究結果[21]相吻合,可能與發(fā)酵過程中NH3的生成逸失而導致離子態(tài)養(yǎng)分含量的降低有關[21]。這其中,梧桐樹EC值顯著高于櫸樹,樹葉顯著高于樹枝,可能與樹葉木質素含量低、相較于樹枝來說更容易分解[12]有關。

3.2 不同園林廢棄物對有機成分降解及腐殖酸含量的影響

不同廢棄物中有機成分及其降解程度直接影響微生物的活動和發(fā)酵物的腐熟程度[21]。發(fā)酵過程中,有機質含量下降較快,而木質素和纖維素由于難以降解因此含量呈緩慢下降趨勢。在4個處理中,有機質、木質素和纖維素的降解幅度均以梧桐枝(WZ)處理為最大(分別為45.54%、57.24%和64.86%),以櫸樹葉(JY)處理為最小,這說明梧桐枝較櫸樹枝以及梧桐葉和櫸樹葉有更多可利用的易分解有機物。

腐殖酸的變化也是反映發(fā)酵過程的重要參數(shù),在很大程度上決定著堆肥產(chǎn)品的質量[11]。胡敏酸和富里酸是腐殖酸的重要組成部分,本研究的4種園林廢棄物在發(fā)酵過程中均表現(xiàn)出富里酸含量逐漸下降而胡敏酸含量逐漸上升,這是由于富里酸會逐漸轉化成胡敏酸的原因[13],也同時與木質素的降解有緊密的聯(lián)系[28]。隨著胡敏酸的合成,各處理腐殖化系數(shù)(HI)不斷提高,這與付冰妍等[13]的研究結果一致。 發(fā)酵70 d時,櫸樹葉HI(1.74)顯著高于梧桐葉(1.40),而櫸樹枝與梧桐枝間差異不顯著。

3.3 不同園林廢棄物性狀變化對GI指數(shù)的影響

堆肥發(fā)酵物若未經(jīng)腐熟會產(chǎn)生對植物有毒的有機酸等物質,抑制植物生長甚至導致植物死亡,因此,目前種子發(fā)芽指數(shù)(GI)已被公認為是最直接、最有效地判定腐熟程度的指標[29]。GI指數(shù)越高,對種子的相對安全性也越高。一般認為,當GI指數(shù)>90%時,對大多數(shù)植物種子基本沒有毒害[3]。本研究結果顯示,發(fā)酵20 d時,各處理GI已由初始時的不足50%快速升高至90%以上,發(fā)酵30 d時各處理GI均達到了100%以上,而發(fā)酵結束時GI上升為118.0%～158.3%,表現(xiàn)為梧桐枝依次大于櫸樹枝、梧桐葉和櫸樹葉。這表明來源于不同樹種及其不同部位的園林廢棄物,其腐熟程度存在較大差異。就櫸樹和梧桐樹而言,其樹枝發(fā)酵物較樹葉發(fā)酵物對種子的發(fā)芽和生長具有更高的安全性。

將發(fā)酵過程中各處理pH、EC、有機質含量等化學因子與GI的關系進行主成分和多元回歸分析發(fā)現(xiàn),以上各因子與GI都存在緊密的關系,能夠很好地解釋對GI的影響。對于櫸樹葉和櫸樹枝發(fā)酵物,有機質含量和纖維素含量是GI的最主要貢獻因子。對于梧桐葉發(fā)酵物,胡敏酸含量和EC為GI的主要貢獻因子;而對于梧桐枝發(fā)酵物,主要貢獻因子則為EC和有機質含量。因此,無論對于來源于櫸樹或梧桐的廢棄物,有機質狀況均是影響園林廢棄物堆肥腐熟GI變化的重要因子。有研究表明,有機質含量過低時,發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱將不足以維持堆肥所需要的溫度;有機質含量過高時,通風供氧會受到影響,從而造成厭氧和發(fā)臭[31]。另外,EC值對堆肥腐熟有著極顯著影響,當EC值較高即含鹽量過高時,會減少高溫期維持時間,微生物活性受到抑制[30]。腐殖酸也顯著影響著堆肥GI的變化,可能與腐熟過程中形成的腐殖質分子質量及復雜的有機官能團結構等[32]變化進而會對種子發(fā)芽產(chǎn)生不同作用有關。

4 結 論

1)梧桐枝、梧桐葉發(fā)酵溫度分別顯著高于櫸樹枝和櫸樹葉,因此來源于梧桐樹的廢棄物較櫸樹相對更易發(fā)酵,且樹枝較樹葉也更易于發(fā)酵。各廢棄物pH均隨發(fā)酵進程而升高,同時EC值顯著下降。發(fā)酵結束時梧桐葉和櫸樹葉EC值均顯著高于梧桐枝和櫸樹枝。

2)發(fā)酵過程中梧桐枝的有機質、木質素和纖維素的降解幅度最大,櫸樹葉為最小,這說明梧桐枝較櫸樹枝以及梧桐葉和櫸樹葉含有更多易分解利用的有機物。同時,發(fā)酵過程中各處理腐殖化系數(shù)(HI)不斷提高,其中櫸樹葉HI顯著高于梧桐葉,但櫸樹枝與梧桐枝間差異不顯著。

3)來源于不同樹種及其不同部位的園林廢棄物,發(fā)芽指數(shù)(GI)存在較大差異。就櫸樹和梧桐樹而言,其樹枝發(fā)酵物的GI顯著高于樹葉,對生菜種子的發(fā)芽和生長具有相對更高的安全性。

4)影響4種園林廢棄物發(fā)酵過程中GI變化的主要化學指標為有機質含量、EC值、胡敏酸含量以及纖維素含量。對于櫸樹葉和櫸樹枝,有機質含量和纖維素含量是GI的主要貢獻因子;對于梧桐葉和梧桐枝,胡敏酸含量和EC值對GI的貢獻較有機質更大。