气化滤饼对枸杞枝条堆肥进程、品质和碳氮损失的影响.pdf

西 北 农 业 学 报 2 0 2 3,3 2(9):1 4 4 5-1 4 5 5A c t a A g r i c u l t u r a e B o r e a l i-o c c i d e n t a l i s S i n i c ad o i:1 0.7 6 0 6/j.i s s n.1 0 0 4-1 3 8 9.2 0 2 3.0 9.0 1 3h t t p s:/d o i.o r g/1 0.7 6 0 6/j.i s s n.1 0 0 4-1 3 8 9.2 0 2 3.0 9.0 1 3气化滤饼对枸杞枝条堆肥进程、品质和碳氮损失的影响收稿日期:2 0 2 2-0 3-0 6 修回日期:2 0 2 2-0 5-0 8基金项目:宁夏重点研发计划(2 0 1 9 B EH 0 3 0 0 1);宁夏西部一级学科项目园艺科学计划(N X Y L X K 2 0 1 7 B 0 3);宁夏科技创新领军人才计划(K J T 2 0 1 7 0 0 1)。第一作者:韩聪颖,男,硕士研究生,研究方向为设施园艺栽培生理与生态。E-m a i l:1 6 9 7 5 2 6 8 1 9q q.c o m通信作者:张雪艳,女,教授,硕士生导师,研究方向为设施蔬菜栽培生理与生态。E-m a i l:z h a n g x u e y a n 1 2 3s i n a.c o m韩聪颖1,王星怡2,马永杰1,张雪艳1(1.宁夏大学 农学院,银川 7 5 0 0 2 1;2.中国农业大学 园艺学院,北京 1 0 0 1 9 3)摘 要 探究枸杞枝和气化滤饼资源化利用对维持生态环境稳定和农业循环可持续发展至关重要。将气化滤饼以干物质质量比0%(G0)、6.2 5%(G6.2 5)、1 2.5%(G1 2.5)、2 5%(G2 5)、5 0%(G5 0)和1 0 0%(G1 0 0)添加到堆肥混合物,探究添加气滤饼对枸杞枝条堆肥进程、气体排放、腐熟度、堆肥养分损失和累积的影响。添加气化滤饼可加速枸杞枝条堆肥进程,加速有机质分解,使堆肥2 d内进入高温期,并延长高温期26 d;适宜添加气化滤饼(G6.2 5、G1 2.5)降低堆肥过程中NH3释放4.0 2%和1 5.7 9%,但过量添加(质量比5 0%)显著增加NH3和C O2释放;添加气化滤饼显著增加枸杞枝条堆肥速效磷和速效钾的释放,且G6.2 5、G1 2.5、G2 5处理增加堆肥后的速效磷和速效钾含量,效果显著;相对G0处理,G6.2 5、G1 2.5、G2 5分别显著增加速效磷累积3.1 7%、6.3 9%和1 4.3 7%,速效钾累积量最高处理为G5 0,G1 2.5次之,且G6.2 5、G1 2.5、G2 5处理促进氮素固定2 2.1 3%、3 9.7 7%和2 6.4 2%;气化滤饼添加会增加枸杞枝条堆肥碳氮比,但降低种子发芽指数,其中G5 0和G1 0 0种子发芽指数低于8 0%;主成分分析表明,G1 2.5处理的综合得分最高,其次为G6.2 5,G5 0和G1 0 0处理综合得分为负值。综上所述,添加1 2.5%气化滤饼会促进氮素固定和速效钾的累积,减少NH3的排放和氮损失,可得到更好的堆肥产品。关键词 枸杞枝条;气化滤饼;氮素固定;气体排放;富集养分 中国是农业大国,各类农作物资源十分丰富,伴随农业快速发展,农业规模化增加,农业废弃物日益增多1。农业废弃物的传统处理方式包括填埋和焚烧,会造成严重的水和空气环境污染2。大量废弃物需要有效的处理措施才可获得经济和环境效益双丰收,“零废物”是解决废弃物问题的有效途径3。中国每年农业废弃物产量巨大,废弃物回收利用对于维持农业循环可持续发展至关重要,也有利于环境保护。农业废弃资源最主要利用方式是作为燃料和肥料,少部分进行基质化利用。农业废弃物中一般含有杂草种子、病原菌等,如不经过处理直接使用,容易产生烧苗、二次污染土壤等负面影响4。目前常见的处理措施是堆肥,堆肥是一种生化过程,是实现农业废弃物和家畜粪便资源化利用的有效途径,好氧堆肥产品微生物丰富,且具有稳定的物理、化学和生物特性5。堆肥材料碳氮比、物理性状、微生物群落以及养分是评价堆肥进程与质量的重要指标6,然而,堆肥过程伴随着大量NH3释放,这会造成大量的氮损失,使堆肥质量下降,污染环境7。不同添加物质可改变堆肥材料结构,改变堆肥中微生物的新陈代谢和有机质降解,堆肥常见添加物质主要有生物炭、木炭和废渣等有机物质,以及凹凸棒、沸石和过磷酸钙等无机物质8,这些添加物质有的可吸附氨气,减少有害气体释放,有的成本低,安全无污染。而气化滤饼由煤和碳组成,经水煤气转化后并未完全反应,通过水冷过滤的固体残留废物,气化滤饼的表面积和孔径较大,残余碳含量和热值很高9,占煤燃烧产生的固体废物的三分之一;且中国年产量可达2 2 4万t,如果实现其资源化利用,对解决煤矿废弃资源具有重要意义1 0。气化滤饼有较高的保水特性,且含有丰富的碳,其含量达2 0%5 0%,同时气化滤饼也含有较多的钾、磷、硫、钙等元素,W a n g等1 1研究发现气化滤饼加入柠条堆肥进程后,可有效促进有机质的分解,减少氮素损失。因此气化滤饼有可能是一种有效的堆肥添加剂,可用来改善堆肥过程,提高堆肥质量。枸杞是宁夏重要的经济作物,占中国栽培面积4 5%,宁夏百万亩枸杞核心产区,在冬春两季整枝修剪会产生大量枝条,枸杞枝条中的木质纤维素含量达9 7%以上1 2,高含量木质纤维素导致其作为饲料品质较差,而焚烧又不符合中国现有政策1 3,因此枸杞枝条基质化利用是一种解决方式。冯海萍等1 4和曲继松等1 5从微生物菌剂和C/N调控等方面研究其对枸杞枝条基质化的影响,结果表明C/N对枸杞枝条基质化发酵堆体温度、养分和腐熟指标会产生显著的影响,添加外源微生物菌剂可增加枸杞枝条粉腐熟发酵的物理性状,但酶菌协同使用对环境要求较高,资源使用较多。而引入气化滤饼到枸杞堆肥中,是否改善堆肥进程,提高堆肥质量鲜有研究。因此本试验设计不同比例气化滤饼添加量,探究气化滤饼在枸杞枝条堆肥腐熟过程中对其理化性质、养分以及气体排放的影响,明确气化滤饼对枸杞枝条堆肥碳氮转化、堆肥质量以及堆肥养分富集的贡献,为宁夏地区枸杞枝条和气化滤饼资源化利用提供借鉴。1 材料与方法1.1 堆肥装置试验堆肥装置由堆肥罐、培养箱、冷凝罐和空气泵(图1)组成。堆肥罐的高度为3 0 c m,直径为1 5 c m,体积为4 L,在罐底部上方5 c m处安装了一个有许多小孔(直径1.5 mm)的筛网,堆肥材料放在筛网上方。底部的小孔用于输入蒸馏水和空气(通风5 m i n,间歇3 0 m i n),堆肥罐置于恒温培养箱中。冷凝罐中放置两个2 5 0 m L玻璃瓶来收集堆肥气体中的NH3和C O2。图1 堆肥装置及其组件的示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f c o m p o s t d e v i c e a n d i t s c o m p o n e n t s1.2 堆肥材料和采样试验于宁夏园艺产业园进行,共持续5 0 d,堆肥材料有气化滤饼、鸡粪和枸杞枝条。枸杞枝条被切成0.51.0 c m的碎片,然后与鸡粪复配,鸡粪和枸杞枝条复配后的C/N为2 51,气化滤饼按照 质 量 比0%(G0)、6.2 5%(G6.2 5)、1 2.5%(G1 2.5)、2 5%(G2 5)、5 0%(G5 0)和1 0 0%(G1 0 0)与鸡粪和枸杞枝条二次复配。气化滤饼收集于宁夏宁东 神 华 宁 煤 业 集 团 有 限 公 司(3 8 2 1 5 N,1 0 6 3 9 2 5 E),鸡粪收集于宁夏中卫市的鸡养殖场(3 6 6 3 4 N,1 0 4 1 7 1 3 E),枸杞枝条收集于宁夏银川市的宁夏林场(3 8 0 8 1 9 N,1 0 5 4 9 3 1 E)。表1为3种原材料的物理化学特性。该试验共6个处理,每个处理3次重复,每个重复3个堆肥罐,共1 8个堆肥罐。在堆肥过程中,堆肥罐的温度使用培养箱控制在5 5,冷凝罐的温度控制在4(放置于 4 冰箱)。每周进行2次翻堆,堆肥的含水量保持在6 0%左右。分别在堆肥的第0、7、1 4、2 1、2 8、3 5、4 2和4 9天取样,采用五点取样法收集堆肥样6441西 北 农 业 学 报3 2卷品1 0 0 g,分析测试样品的p H、有机质、全氮、硝态氮、铵态氮和种子发芽指数。将样品风干、研磨,过2 mm筛后,测定样品营养物质浓度。在堆肥时每 周 收 集 两 次 气 体 排 放,NH3使 用 硼 酸(H3B O4)收集,C O2使用N a OH收集,计算堆肥的气体排放。表1 堆肥原料基本物理化学性质(xsx)T a b l e 1 B a s i c p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f c o m p o s t i n g r a w m a t e r i a l s原料R a w m a t e r i a l枸杞枝条+鸡粪W o l f b e r r y b r a n c h e s+c h i c k e n m a n u r e气化滤饼G a s i f i c a t i o n f i l t e r c a k e电导率/(m Sc m-1)C o n d u c t i v i t y1.7 90.2 11.0 00.2 8p H7.6 00.1 07.9 00.9 2含水率/%M o i s t u r e c o n t e n t3 5.0 50.3 89 8.6 0 0.0 2有机碳/%O r g a n i c c a r b o n2 8.1 90.0 31 9.9 10.0 2总氮/%T o t a l n i t r o g e n1.1 90.1 2-总磷/(gk g-1)T o t a l p h o s p h o r u s1.1 80.2 71.6 70.6 7总钾/(gk g-1)T o t a l p o t a s s i u m2.1 30.1 45.9 70.9 2注:-表示未检测出。N o t e:-m e a n s n o t d e t e c t e d.1.3 堆肥化学性质分析堆肥的温度由温度记录仪(QM-Z C-1 6,河南商丘传感器技术有限公司)通过温度探头直接测量。在堆肥过程中,每3 0 m i n监测1次堆肥温度,计算日平均温度。堆肥 的 种 子 发 芽 指 数(G I)按 如 下 方 法 计算1 6。分别称取待测堆肥试样1 0 g,置于1 5 0 m L锥形瓶中,按固液比11 0加入1 0 0 m L蒸馏水置于振荡器上,调节振荡频率1 8 0 rm i n-1,室温下振荡浸提3 0 m i n,取下静置0.5 h后,取上清液过滤,收集浸提液摇匀后供试。在培养皿中垫两张滤纸,均匀放入1 5粒大小基本一致、饱满的黄瓜种子,加入堆肥浸提液5 m L,盖上培养皿盖,在温度为2 5、湿度8 0%的培养箱中避光 培养 4 8 h,分别测量各堆肥浸提液中黄瓜种子的根长和发芽数量,统计发芽率。每个样品重复试验3次,以蒸馏水作对照。种子发芽指数=(堆肥浸提液培养种子发芽率根长)/(蒸馏水培养种子发芽率根长)使用p H计 和 电 导 率 仪(S J-3 F和D D S-3 0 7 A,中国上海)测量p H和电导率。使用凯氏定氮法测定总氮1 7。使用重铬酸盐氧化和滴定法测定有机物1 8。用碳酸氢钠提取并用钼蓝比色法测定速效磷。用乙酸铵提取,用火焰光度法测定速效钾1 9。采用靛酚蓝比色法测定铵态氮和硝态氮含量2 0。使用质量法计算堆肥过程中总碳和总氮的损失百分比2 1,具体为:氮损 失=(N1M1-N2M2)/(N1 M1)1 0 0%碳损 失=(C1M1-C2M2)/(C1 M1)1 0 0%氮固定=(G0氮损失-处理氮损失)/G0氮损失1 0 0%N1和C1是最初的氮含量和碳含量,N2和C2是最终的氮含量和碳含量,M1和M2是最初和最终的干物质重量。1.4 统计分析每个处理每个参数测定3个重复。用M i-c r o s o f t E x c e l 2 0 1 9软件进行数据整理和分类,S P S S 2 4.0进 行 相 关 性 分 析,O r i g i n 2 0 1 8和C a n o c o 5软件对分析结果进行制图。将多指标降维,转化为主要成分,进行主成分分析,综合得分由以下公式计算:Aj=nj=1(XjYj)j=1,2,n综合得分=nj=1(PjAjEj)j=1,2,n式中:Xj为对应指标因子负荷,Yj为对应指标标准化值,Ej为对应主成分特征值;Pj为对应主成分方差百分比。2 结果与分析2.1 气化滤饼添加对枸杞枝条堆肥的温度和化学性质影响如图2所示,加入气化滤饼后,提高了堆肥的温度并延长了堆肥的高温期。各处理在在2 d内进入高温期,在堆肥过程中,G0、G6.2 5、G1 2.5、G2 5、G5 0和G1 0 0处 理 最 高 温 度 分 别 达 到5 9.5、74419期韩聪颖等:气化滤饼对枸杞枝条堆肥进程、品质和碳氮损失的影响 6 1.2、6 4.9、6 5.4、6 6.2、6 9.1,表明随气化滤饼添加比例增加,堆肥温度增加,这可能是因为气化滤饼和枸杞枝条较为细小,吸水后表面积增加,为微生物活动提供充足空间;按照气化滤饼添加量从低到高,G0、G6.2 5、G1 2.5、G2 5、G5 0和G1 0 0处 理 高 温 期(5 5)的 持 续 时 间 分 别 4 2 d、4 4 d、4 6 d、4 6 d、4 6 d、4 8 d。与G0相比,其他处理高温时间按照气化滤饼添加量从低到高 分别提前2 d、4 d、4 d、4 d、6 d,这可能是气化 滤饼为微生物的繁殖提供良好条件,促进堆肥 进程。所有处理p H随发酵时间延长,呈现先增加后下降最后趋于稳定的趋势。添加气化滤饼各处理初始p H高于G0,且p H随添加气化滤饼量的增加而增加。随着堆肥时间的延长,G2 5、G5 0和G1 0 0在第1 2天p H上升并达到最大值,较堆肥初升高1.8%6.5%,之后各处理p H有小幅度下降并保持稳定,这是由于堆肥初期大量氨气生成,后期随着有机质分解生成有机酸,因此p H先增后降。有机质含量随堆肥的进程呈下降趋势,除G2 5外,其他各处理有机质含量在前7 d呈现迅速下降,之后下降趋于缓慢,而G2 5处理在前3 5 d呈缓慢下降,但在3 54 2 d较之前相比下降速度变快,最终所有处理趋于平缓,到堆肥结束,G1 2.5和G2 5下降最多,表明气化滤饼添加量增加,促进了堆肥的好氧发酵速度,这可能是因为气化滤饼含水量较高,而高湿可增加堆肥的发酵速度。在堆肥过程中,全氮含量除G1 0 0外,其他处理前7 d都会小幅度下降,随后所有处理都呈现上升趋势,前期下降是由于氮气的挥发,后期上升 图2 堆肥过程中温度、p H、有机质、全氮、硝态氮和铵态氮的变化F i g.2 C h a n g e s o f t e m p e r a t u r e,p H,o r g a n i c m a t t e r,t o t a l n i t r o g e n,n i t r a t e n i t r o g e n a n d a mm o n i u m n i t r o g e n d u r i n g c o m p o s t i n g8441西 北 农 业 学 报3 2卷则是氮的浓缩效应。堆肥初期,除了G6.2 5处理外,其他处理全氮含量都低于G0处理。随着堆肥的完成,除G5 0和G1 0 0外,各处理全氮含量都高于G0处理,总氮含量最高的是G1 2.5处理,达1.6 6%,这可能是全氮多来源于有机质的分解,高碳低氮的气化滤饼使堆肥碳氮比失衡,抑制有机质分解。随着堆肥时间的增加,各处理的硝态氮含量先升高后降低再升高。堆肥初期,各处理硝态氮都显著低于G0处理,随着堆肥的完成,除G1 0 0外各处理硝态氮都高于G0,这是因为微生物在进行硝化作用,其速度随着堆肥过程中温度的提高以及p H的降低而增加。堆肥过程中各处理铵态氮含量总体上呈现先升后降再升高后再降低的趋势,在第7天时,各处理铵态氮含量达最大值,G0、G7 6.2 5、G1 2.5、G2 5、G5 0和G1 0 0按照气化滤饼添加从低到高处理依次上升2 9.1%、7.3%、8.2%、5.0%、3 7.7%、2 9.6%,且堆肥结束时,铵态氮含量按照气化滤饼添加量从低到高处理依次降低,G5 0与G1 0 0间差异不显著,铵态氮会伴随着NH3的生成而损失,而温度和p H影响NH3的生成,由于气化滤饼呈碱性,所以高质量比的气化滤饼会导致更多的铵态氮分解。2.2 堆肥过程N H3和C O2释放如图3-a所示,从堆肥开始,各处理NH3挥发量显著增加,第8天时G5 0、G1 0 0达到首次峰值且NH3挥发量显著高于其他处理。堆肥过程中,NH3释放总量随气化滤饼添加量增加呈先降低后增加的趋势,G0与G6.2 5和G2 5间无显著差异,G1 2.5处理释放量最低,G5 0和G1 0 0释放量显著高于其他处理(图3-b)。图3-c显示堆肥过 程中C O2的释放变化,G0、G6.2 5、G1 2.5、G2 5首次峰值在第4 天;而G5 0、G1 0 0的首次峰值则在第6 天。图3-d显示C O2累积排放量,G0 与G6.2 5无显著差异,但显著低于其他处理,其他处理间无显著差异。图3 堆肥过程中N H3(a)和C O2排放量(b)变化及 N H3(c)和C O2累积排放量(d)F i g.3 C h a n g e s o f e m i s s i o n s o f N H3(a)a n d c a r b o n d i o x i d e(b)a n d c u m u l a t i v e e m i s s i o n s o f N H3(c)a n d c a r b o n d i o x i d e(d)d u r i n g c o m p o s t i n g p r o c e s s2.3 气化滤饼添加对枸杞枝条堆肥的成熟度影响堆肥是否腐熟的主要变量为碳氮比和种子发芽指数。如图4所示,堆肥过程中整体碳氮比呈下降趋势,堆肥初期,各处理碳氮比均高于G0,由于气化滤饼是一个高碳无氮物料,所以在堆肥完成时,G1 0 0的碳氮比为2 7.6 6,其他各处理碳氮比在1 9.8 72 3.5 4。碳氮比在2 5以下认为堆肥较为理想,除G1 0 0外,其他各处理均达到要求。图494419期韩聪颖等:气化滤饼对枸杞枝条堆肥进程、品质和碳氮损失的影响为各处理堆肥过程中种子发芽指数(G I)变化。G I反映了堆肥的成熟度,随着堆肥发酵的进行,各处理G I呈上升趋势。一般G I达8 0%就可认为堆肥无害,堆肥完成时,只有G0、G6.2 5、G1 2.5达到G I要求,G2 5为7 6.0%,略低于堆肥要求,而G5 0和G1 0 0远远低于堆肥安全要求。图4 堆肥过程中碳氮比和种子发芽指数的变化F i g.4 C h a n g e s o f c a r b o n/n i t r o g e n r a t i o a n d g e r m i n a t i o n i n d e x a f t e r c o m p o s t i n g p r o c e s s2.4 堆肥中养分的损失与累积速效养分含量是堆肥养分供给的强度指标。与堆肥初期相比,堆肥结束时的速效磷含量均有显著增加(表2),与G0相比,G1 2.5和G2 5显著增加6.3 4%和1 3.7 0%,G5 0和G1 0 0显 著 降 低 3 2.4 3%和6 7.1 5%,这可能是因为堆肥中速效磷来源于有机磷的矿质化作用,有机磷的矿化速度受温度、水分条件以及碳氮比影响较大,较大的碳氮比会使堆肥中的无机磷被微生物固化。速效钾含量与速效磷相似,在堆肥结束后,速效钾含量都显著增加,且所有处理的速效钾含量增加量均显著高于G0,G5 0和G1 0 0处理拥有较高的速效钾累积量,这可能是因为气化滤饼本身有较高的钾含量以及高水分含量,所以在堆肥过程中有更多的速效钾浸出和转化。表2 堆肥后速效磷和速效钾初、终及净积累量(xsx)T a b l e 2 I n i t i a l a n d f i n a l c o n t e n t,n e t a c c u m u l a t i o n o f a v a i l a b l e p h o s p h o r u s a n d a v a i l a b l e p o t a s s i u m a f t e r c o m p o s t i n g p r o c e s s处理T r e a t m e n t速效磷/(gk g-1)A v a i l a b l e p h o s p h o r u s初I n i t i a l终F i n a l累积量A c c u m u l a t i o n速效钾/(gk g-1)A v a i l a b l e p o t a s s i u m初I n i t i a l终F i n a l累积量A c c u m u l a t i o nG04 8.5 9 1.0 5 c3 9 4.9 44.4 6 c3 4 6.3 53.4 1 c2.4 40.0 4 a4.0 10.1 3 d 1.5 70.0 4 eG6.2 54 8.5 3 1.1 8 c4 0 5.8 61.1 1 c 3 5 7.3 30.0 7 b c2.3 90.0 1 a4.8 70.0 0 b2.4 80.0 1 dG1 2.55 1.4 9 0.1 9 b4 1 9.9 72.8 7 b 3 6 8.4 82.6 8 b2.1 90.0 4 b5.2 00.0 7 a3.0 10.0 0 bG2 55 2.9 4 0.7 1 a b 4 4 9.0 66.7 2 a3 9 6.1 26.0 1 a2.0 20.0 5 c4.8 00.1 2 b2.7 80.0 2 cG5 05 4.7 7 0.2 9 a2 6 6.8 86.5 7 d 2 1 2.1 16.2 8 d1.7 30.0 3 d5.2 00.3 3 a3.4 70.0 1 aG1 0 04 5.3 7 0.8 0 d1 2 9.7 52.8 5 e8 4.3 82.0 5 e1.5 20.0 5 e4.4 70.9 7 c2.9 50.0 1 b注:不同字母表示同一列不同处理差异显著(P0.0 5)。下同。N o t e:D i f f e r e n t l e t t e r s w i t h i n t h e s a m e c o l u m n s i n d i c a t e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s u n d e r d i f f e r e n t t r e a t m e n t s(P0.0 5).T h e s a m e b e l o w.表3为各处理堆肥过程中碳和氮的损失以及氮的固定。与G0相比,添加了气化滤饼后促进了有机碳的分解,且随着添加量的增加碳损失越多。在6.2 5%2 5%的添加量时,观察到氮损失的减少和氮固定的增加,在G1 2.5固定最多,达到3 9.8%,气化滤饼高质量比添加的G5 0和G1 0 0增加了氮损失,减少了氮素固定。2.5 堆肥过程理化特性、腐熟特性、堆肥肥力指标间主成分分析堆肥的理化指标、成熟度及肥力反映了堆肥的产品性和质量。表4为堆肥产品各指标之间的主成分分析,P C 1和P C 2分别解释了7 0.3 4%和0541西 北 农 业 学 报3 2卷2 1.2 7%的方差。P C 1中p H、铵态氮、C O2、发芽指数、速效磷累积、氮固定有较大的正贡献,温度、有机质、碳氮比、氨气、碳损失、氮损失贡献有较大负贡献。P C 2中速效钾的累积量有较大的正贡献。表3 堆肥过程中碳氮损失和氮固定(xsx)T a b l e 3 C a r b o n a n d n i t r o g e n l o s s a n d n i t r o g e n f i x a t i o n d u r i n g p r o c e s s o f c o m p o s t i n g处理T r e a t m e n t总有机碳/(gk g-1)T o t a l o r g a n i c c a r b o nC 1C 2总氮/%T o t a l n i t r o g e nN 1N 2干质量/g D r y m a s sM 1M 2碳损失/%C l o s s 氮损失/%N l o s s氮固定/%N f i x e d G01 1 1.5 20.3 0 e9 3.4 20.2 5 e1.3 20.0 1 a1.4 80.0 1 c5.0 03.2 64 5.42 6.9-G6.2 51 1 8.9 00.3 2 d5 5.9 80.2 6 d1.3 30.0 1 a1.5 80.0 1 b5.3 13.5 34 5.82 1.02 2.1G1 2.51 2 7.3 40.3 5 c9 6.9 60.2 7 c d1.2 50.0 1 b1.6 60.0 1 a5.6 33.5 55 1.41 6.33 9.8G2 51 3 0.2 30.3 5 b9 9.6 10.2 7 c1.2 40.0 1 b1.6 30.0 3 a b6.2 53.8 15 3.41 9.92 6.4G5 01 3 0.4 00.3 5 b 1 0 3.1 00.2 8 b1.1 80.0 1 c1.4 70.0 1 c7.5 04.1 75 6.03 0.7-1 3.8G1 0 01 3 5.3 60.2 3 a1 0 7.0 00.1 8 a1.0 30.0 1 d1.3 00.0 1 d1 0.0 05.4 25 7.23 1.6-1 7.0 从图5观察到,G5 0和G1 0 0与其他处理显著分开,气化滤饼质量比低于2 5%的处理分布在Y轴左侧二、三象限,G5 0和G1 0 0分布Y轴右侧在第一、四象限。气化滤饼质量比低于2 5%的处理有较高氮素固定、速效磷累积、G I指数,G5 0和G1 0 0处理有较高的堆肥温度、氨气释放、碳氮损失、速效钾累积。全氮和氮的固定密切相关,p H和硝态氮含量、温度与有机质和碳损失密切相关(图5)。对各处理进行综合评价,表明添加质量比为1 2.5%的处理得分显著高于其他处理,为 0.2 9,添加量超过1 2.5%后,得分大幅下降,G5 0和G1 0 0处理综合得分为负值(图5)。3 讨 论微生物活动是堆肥腐熟的前提。温度是堆肥产品进程的体现,也是微生物生存的基本,气化滤饼具有较高的含水量,在堆肥过程中使堆肥材料保持充分的水分含量,并为微生物活动提供了必要的条件,促进了堆肥的温度增加,本试验中随气化滤饼添加量增加,堆肥材料提前了堆肥进入高温期的时间,增加了最高温度,并延长了堆肥高温期时间,这与N g o等2 2研究结果一致。另外堆肥材料中粉碎的枸杞枝条和鸡粪较为细小,木质纤维在吸水后膨胀形成了更多空间,增加了堆肥材料的表面积和孔隙度,提高堆肥中的氧气,促进微生物生长2 3,从而促使堆肥温度增加。p H是影响堆肥过程中微生物数量的重要因素2 4,其含量与有机酸的生成密切相关。由于气化滤饼呈碱性,所以添加气化滤饼后各处理的p H随气化滤饼添加量增加而增加。初期p H的升高可能是由于铵态氮在微生物的作用下形成了NH3,大量NH3累积导致p H升高。随堆肥时间增加,有机质分解产生大量有机酸,因此p H随之开始下降,表4 主成分的特征值、方差百分比和因子负荷T a b l e 4 E i g e n v a l u e s,v a r i a n c e p e r c e n t a g e a n d f a c t o r l o a d i n g o f p r i n c i p a l c o m p o n e n t s主成分P r i n c i p a l c o m p o n e n t sP C 1P C 2特征值E i g e n v a l u e1 0.5 5 13.1 9 1方差百分比/%V a r i a n c e p e r c e n t7 0.3 4 0 2 1.2 7 1累积值/%C u m u l a t i v e7 0.3 4 0 9 1.6 1 1因子负荷F a c t o r l o a d i n g堆肥过程化学特性C h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f c o m p o s t i n g p r o c e s s温度T e m p e r a t u r e-0.7 8 3 0.5 6 0p H0.7 3 50.1 2 3有机质O r g a n i c m a t t e r-0.8 8 2 0.4 2 8全氮T o t a l n i t r o g e n0.8 8 20.4 5 3硝态氮N i t r a t e n i t r o g e n0.6 7 70.5 9 6铵态氮Amm o n i u m n i t r o g e n0.8 2 4-0.4 9 8碳氮比 C/N r a t i o-0.9 6 8-0.1 2 4堆肥气体释放C o m p o s t g a s r e l e a s eNH3-0.9 7 5-0.1 7 4C O20.8 0 30.5 4 9堆肥成熟度评价指标C o m p o s t m a t u r i t y e v a l u a t i o n i n d e x发芽指数G e r m i n a t i o n i n d e x0.9 2 6-0.3 6 9堆肥养分累积和固定N u t r i e n t a c c u m u l a t i o n a n d f i x a t i o n o f c o m p o s t速效钾累积 A v a i l a b l e p o t a s s i u m a c c u m u l a t i o n-0.4 7 5 0.8 2 8速效磷累积A v a i l a b l e p h o s p h o r u s a c c u m u l a t i o n0.9 7 10.0 9 4碳损失C a r b o n l o s s-0.7 8 3 0.5 9 6氮损失N i t r o g e n l o s s-0.8 7 0-0.4 1 7氮固定N i t r o g e n f i x a t i o n0.8 8 10.4 0 1注:粗体值表示绝对值在最高因子负荷的1 0%以内的高度加权因子。N o t e:B o l d v a l u e s i n d i c a t e t h a t t h e a b s o l u t e v a l u e i s h e i g h t w e i g h-t i n g f a c t o r s w i t h i n 1 0%u n d e r t h e h i g h e s t f a c t o r l o a d i n g.15419期韩聪颖等:气化滤饼对枸杞枝条堆肥进程、品质和碳氮损失的影响 T.温度;OM.有机质;T N.全氮;C/N.碳氮比;NO-3-N.硝态氮;NH+4-N.铵态氮;A P a c c u.速效磷累积;AK a c c u.速效钾累积;C l o s s.碳损失;N l o s s.氮损失;N f i x.氮固定T.T e m p e r a t u r e;OM.O r g a n i c m a t t e r;T N.T o t a l n i t r o g e n;C/N.C a r b o n-n i t r o g e n r a t i o;NO-3-N.N i t r a t e n i t r o g e n;NH+4-N.Am-m o n i u m n i t r o g e n;A P a c c u.A v a i l a b l e p h o s p h o r u s a c c u m u l a t i o n;AK a c c u.A v a i l a b l e p o t a s s i u m a c c u m u l a t i o n;C l o s s.C a r b o n l o s s;N l o s s.N i t r o g e n l o s s;N f i x.n i t r o g e n f i x a t i o n图5 堆肥过程中理化参数的主成分分析和各处理的综合得分F i g.5 P r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s o f p h y s i c o c h e m i c a l p a r a m e t e r s d u r i n g c o m p o s t i n g a n d c o m p r e h e n s i v e s c o r e s o f e a c h t r e a t m e n t随堆肥完成,p H趋于稳定,这与张云龙等2 5研究结果一致。堆肥p H变化除与有机质快速分解产生有机酸有关外,还与堆肥中NH3的含量有关,因此p H下降的另一个原因可能是生成的NH3易挥发,挥发后NH3浓度下降,p H降低,这与W a n g等2 6研究一致。堆肥的有机质降解率可以直观地反应堆肥过程微生物活性和废弃物的利用效果。Y u等2 7认为高湿可增加堆肥的发酵速度,本试验气化滤饼材料具有较高含水量,随着气化滤饼添加量增加,促进了堆肥的好氧发酵速度。但当气化滤饼添加量增加到5 0%时,有机质分解反而下降,这可能是因为气化滤饼是高碳的物料,使得堆肥材料碳氮比失衡,有机质分解速度下降。有机质分解是碳损失的主要原因,随气化滤饼添加量的增加,堆肥整体释放的C O2也在增加,因此碳损失也随之增加。堆肥中全氮含量多来源于有机质的分解,气化滤饼质量比的增加使整体堆肥材料碳氮比失衡,抑制了有机质的分解,导致堆肥结束时高质量比的气化滤饼添加量的堆肥材料总氮含量低,在低中等质量比的气化滤饼添加量处理中总氮含量较多,G1 2.5处理最多。王永江等2 8认为由于微生物的硝化作用,硝态氮会随着堆肥过程中温度的提高以及p H的降低而增加,这与本试验研究一致。堆肥结束时G1 0 0硝态氮含量低于G0,这可能是因为此时G1 0 0处理依然还有较高的p H,抑制了微生物的硝化作用。堆肥过程中各处理铵态氮含量总体上呈现先升后降,再升高后再降低的趋势,且堆肥过程中各处理铵态氮含量随气化滤饼添加量而降低。铵态氮会伴随着NH3的生成而损失,而温度和p H影响NH3的生成,由于气化滤饼呈碱性,所以高质量比的气化滤饼会导致更多的铵态氮分解。堆肥中途上升可能是因为有机质分解产生有机酸使得堆肥p H下降,NH3生成减少,后期随着微生物的固化,铵态氮又开始下降,这与B a i等2 9研究结果一致。碳氮比和种子发芽指数是判断堆肥腐熟度的重要因素。一般认为G I超过8 0%则认为堆肥产品没有毒性,本试验中,G I表明堆肥结束气化滤饼添加量不超过2 5%的没有毒性,添加量5 0%和1 0 0%的堆肥有一定的毒性,这可能是高剂量的气化滤饼添加会引起堆肥p H和电