堆肥处理对重阳木废弃修枝分解的影响

朱祎珍

(福建艺景园林工程有限公司,福建 厦门 361000)

在城市绿化美化和园林生产管理过程中会产生大量的园林垃圾,诸如枯枝落叶、修枝产生的废弃枝叶、根茎、碎草、种实和残花等,特别是园林树木的修剪,枝丫量多。随着我国城市化进程的加快,城市园林绿地面积增长迅猛,园林垃圾也随之急剧增多,已成为城市巨大的污染源之一,给垃圾处理场带来了非常大的压力。对园林垃圾的处理传统做法是与生活垃圾共同焚烧和填埋,既导致环境污染,又造成资源的浪费。园林垃圾无害化和循环再利用已成为我国地方政府处理园林垃圾的必由之路。园林垃圾堆肥处理是目前国内外最普遍的资源化处理方式之一,是将园林养护过程中产生的树枝、落叶和碎草等废弃物经过一定的处理和混合配比,在适宜的条件下经过有氧发酵,形成有机肥料和土壤改良剂的过程,达到无害化、减量化和资源再利用的目的[1-14]。在有氧堆肥发酵过程中微生物数量和种类对园林废弃枝叶分解的影响很大,有机底物的降解是多种微生物共同作用的结果[15-17]。福建省三明市城市行道树重阳木数量多,占行道树总量的1/5；为了保持树形美观和防止病虫害发生,对重阳木进行定期修枝整形,产生了大量的废弃枝叶。本研究主要从基层园林部门可操作性的实际考虑,采用简便易行的可促进废弃修枝分解利用的措施,将废弃修枝无害化、减量化和资源化利用,并试图了解在园林废弃枝叶生物分解过程中分解木质纤维素的真菌类群及分解过程中的基本参数,为园林垃圾的分解利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 堆体制作与取样

试验地设在福建省三明市园林管理局苗圃,试验材料为行道树重阳木(Bischofiapolycarpa)修剪下来的废弃新鲜枝叶,用Vermeer BC600xl粉碎机粉碎成0.5～7.0 cm大小的颗粒。参照前期对天竺桂[17]、法国梧桐[18]和红花紫荆[19]等树种废弃枝叶堆肥处理的方法和结果,采用3种处理方式:用0.1%碳酸氢铵、0.1%尿素和水分别每层喷洒。堆料初始含水量控制在70%左右,每层堆料厚度约20 cm,重复层积,堆成高1.5 m、底部直径2.0 m的圆锥体,堆垛用塑料布覆盖。每30 d翻堆1次,翻堆前从堆垛的上、中、下部分别多点采取堆料,混合后立即装入无菌的自封袋中,每个样品约1 kg。

1.2 分解真菌的分离和鉴定

分解真菌分离培养基采用孟加拉红培养基,计数用稀释平板法[20]。称取样品(堆料)10 g(鲜质量)于锥形瓶中,加无菌水200 mL,以150 r/min震荡30 min后吸取1 mL至培养皿中,将孟加拉红培养基倒入培养皿中与之混匀,凝固后倒置于(28±1)℃的培养箱中黑暗培养。4 d后统计真菌菌落数,换算成每克干堆料的真菌个数，其计算公式为：

N=a×μ×(堆料鲜重/堆料干重)×100

上式中：N为每克干堆料的菌数；μ为稀释倍数；a为平板的平均菌落数[20]。

另外，对分离的真菌进行纯化培养,观察真菌菌落、菌丝和孢子形态等特征，对菌株进行形态学鉴定[21-24]。各处理设3个重复。

1.3 温度和湿度的测定

将温度计和湿度计插入堆垛的上、中、下3个不同部位，测量其温度和湿度,取平均值；每隔7 d在10:00测量1次。各处理设3个重复。

1.4 pH值的测定

称取样品(堆料)10 g(鲜质量)，加100 mL蒸馏水置于锥形瓶中,以150 r/min震荡30 min,用雷磁pH计测定pH值。各处理设3个重复。

1.5 全氮、全磷、全钾含量的测定

全氮含量按中华人民共和国林业行业标准LY/T 1269—1999《森林植物与森林枯枝落叶层全氮的测定》中的蒸馏法测定[25]。全磷和全钾含量按中华人民共和国林业行业标准LY/T 1270—1999《森林植物与森林枯枝落叶层全硅、铁、铝、钙、镁、钾、钠、磷、硫、锰、铜、锌的测定》,分别用钼锑抗显色法和火焰光度法测定[26]。

1.6 种子发芽指数的测定

在培养皿内垫1张无菌滤纸,均匀放入10粒天妃牌白菜籽；吸取5.0 mL堆料浸提液(水∶堆料=5∶1)于培养皿中,以蒸馏水作空白对照,置于(25±1)℃恒温培养箱中培养48 h,测定种子的发芽率和根长,计算种子的发芽指数(GI)，以评价堆肥的腐熟度。每处理3个重复。发芽指数的计算公式如下：发芽指数=(处理的发芽率×处理的平均根长)/(空白的发芽率×空白的平均根长)×100%。

2 结果与分析

2.1 真菌种类和数量

在重阳木废弃枝叶3个处理中,真菌种类和个体数量均随分解时间的不同而变化(表1)。碳酸氢铵处理在分解进程前期的真菌个体数量最多,30 d和60 d时分别达到了19.38×102个/g和13.89×102个/g,然后趋于下降。尿素处理的真菌个体数量在180 d和360 d时各有1个峰值,分别达到了12.29×102个/g和11.26×102个/g。水处理在分解进程的60～180 d和330～360 d检测到的真菌个体数量多,以60 d时个体数量最多(13.68×102个/g)。在3个处理中,真菌的类群数量总体上随废弃枝叶分解进程的推进而呈增加趋势,但在不同分解时间点出现的真菌种群和数量以及所占总数的比例各不相同。经Duncan新复极差分析,3个处理间真菌个体数量无显著差异(F2,8=1.27,P>0.05),各处理不同分解时段间真菌个体数量也无显著差异(F2,8=1.33,P>0.05)。从3个处理中共分离出13个真菌类群,其中在碳酸氢铵处理组中,优势真菌种群为共头霉属(Syncephalastrum)和小克银汉霉属(Cunninghamella),分别占真菌总数的40.60%和14.50%;在尿素处理组中,优势种群为共头霉属(Syncephalastrum)、小克银汉霉属(Cunninghamella)、刺座霉属(Volutella)和黑灰球菌属(Bovista),分别占真菌总数的26.12%、20.12%、14.18%和11.23%;在水处理组中,优势种群为共头霉属(Syncephalastrum)、小克银汉霉属(Cunninghamella)、黑灰球菌属(Bovista)和树粉孢属(Oidiodendron),分别占真菌总数的30.90%、18.49%、13.44%和10.37%。

表1 在重阳木废弃枝叶分解过程中的真菌种类和数量 ×102个/g

2.2 温度

如图1所示,3个处理的堆体温度随着分解进程的推进总体上呈现下降趋势,具体表现为：在分解初期温度迅速升高(36.5～50.0 ℃),持续约21 d,随后呈下降趋势；在119～133 d期间温度又升至39.5～43.5 ℃,此后呈下降趋势,到147 d时堆体温度降至24.8～28.5 ℃；随后堆体温度又呈上升态势,在154～329 d期间,温度在32.3～47.5 ℃之间波动；之后堆体温度开始下降,在357 d时堆体温度为27.8～30.5 ℃。试验结果还表明，碳酸氢铵和尿素的处理在分解初期(7～14 d)堆体温度为45.0～50.0 ℃,略高于水处理的堆体温度(40.5～49.0 ℃)。

图1 在堆肥过程中堆体温度的变化

2.3 湿度

重阳木废弃枝叶堆料的湿度随着分解时间的不同呈现有规律的变化,各处理的变化规律基本相似(图2)。堆料的湿度随分解进程的推进总体上呈缓慢下降趋势,其中在119 d时湿度抬升达到70.5%～73.0%,在196 d时湿度降到最低(48.0%～54.0%)。除了119 d和196 d这2个最高和最低湿度时间点外,在整个堆肥过程中各处理堆料的湿度均在50.0%～70.0%之间变动。

图2 在堆肥过程中堆体湿度的变化

2.4 pH值

试验结果(表2)表明：重阳木废弃枝叶3个处理总体上在分解前期(0～120 d)pH值增高,随后呈上下波动态势；碳酸氢铵处理在300 d时堆料pH值降至5.76；尿素处理的堆料pH值在150 d和300 d时分别下降到5.54和5.95；水处理的堆料pH值在270～300 d期间下降到6.07～6.38。3个处理pH值的变化趋势基本相似,但从总体上看水处理的pH值最高,尿素和碳酸氢铵处理的pH值较低,其中又以尿素处理的堆料pH值最低,这可能与添加碳酸氢铵和尿素会影响堆料的酸碱度有关。在3个处理间堆料的平均pH值存在极显著性差异。

表2 在分解过程中堆料的pH值

2.5 全氮、全磷、全钾含量

重阳木废弃枝叶3个堆肥处理总体上在分解前中期(30～150 d)检测到的全氮含量较低,在分解中后期(180～330 d)检测到的全氮含量较高(表3),且3个处理的堆料全氮含量变化趋势基本相似,处理间没有显著性差异,但碳酸氢铵和尿素处理组的全氮含量略高于水处理组,这可能与添加碳酸氢铵和尿素有关。堆料的全磷含量随着堆肥进程的推进总体上呈上升趋势(表4),3个处理间不存在显著性差异。重阳木废弃枝叶3个处理堆料全钾含量的变化趋势在堆肥进程中大体一致(表5),在30～180 d期间全钾含量逐渐上升,随后呈下降的趋势；在3个处理间全钾含量不存在显著性差异,但碳酸氢铵和尿素处理组的全钾含量略高于水处理组。

表4 分解过程中堆料的全磷含量变化

2.6 种子的发芽指数

通过植物种子的发芽指数(GI)能够快速地测定出抑制物质的降解情况,被认为是评价堆肥腐熟度的可靠指标之一。当GI>50%时,可认为堆肥基本无毒；当GI>80%时,可认为堆肥已达到完全腐熟程度[27]。用堆沤处理330 d的堆料进行种子发芽指数测定,结果(表6)显示,重阳木废弃枝叶3种处理间的发芽指数(GI)不存在显著性差异,GI均达到了90%,表明重阳木废弃枝叶3种处理的堆肥均已达到完全腐熟程度。

表5 分解过程中堆料的全钾含量变化

表6 不同处理的种子发芽指数(GI)

3 结论与讨论

真菌数量对废弃枝叶分解速率的影响显著[28],不同的真菌类群适应于不同的化学基质,镰孢属(Fusarium)、轮枝孢属(Verticillium)、曲霉属(Aspergillus)、毛霉属(Mucor)、青霉属(Penicillium)等真菌在果胶分解中起重要作用[29-30]。担子菌门的真菌分解纤维素的能力较强,纤维素分解真菌主要分布于根霉属(Rhizopus)、木霉属(Trichoderma)、毛壳属(Chaetomium)、镰孢属(Fusarium)、葡萄穗霉属(Stachybotrys)、交链孢属(Alternaria)、栓菌属(Trametes)和青霉属(Penicillium)等属中[29-30],而分解纤维素的真菌一般都能利用半纤维素。木质素是最难分解的化学成分[31],木质素的分解完全依赖于真菌的作用,分解木质素的真菌可分为3类:即白腐菌、褐腐菌和软腐菌,其中白腐菌是木质素的主要分解者,而白腐菌大部分属于担子菌,少数为子囊菌和无性型菌物[32]。因此,对于废弃枝叶中难分解的纤维素和木质素,主要依赖于真菌的作用[29],分解真菌对于堆肥堆料的腐熟和稳定具有重要的意义[33]。本研究结果显示：重阳木废弃枝叶堆肥过程中真菌的种群和数量随堆肥进程的推进有明显的季节性波动,因本废弃枝叶堆肥分解试验是在自然环境条件下进行的,受外部环境的影响较大,真菌种群和数量在不同分解时期所占总数的比例也各不相同。在堆肥化分解过程中，从3个处理的堆料中共分离出13个真菌类群(本文真菌鉴定使用形态学鉴定方法,而没有使用分子鉴定方法,这有可能会导致本文鉴定的真菌种类不全面),其中共头霉属(Syncephalastrum)、小克银汉霉属(Cunninghamella)、刺座霉属(Volutella)、黑灰球菌属(Bovista)和树粉孢属(Oidiodendron)为优势真菌类群。在堆肥过程中刺座霉属(Volutella)和黑灰球菌属(Bovista)主要分别在分解前期和中期出现,而共头霉属(Syncephalastrum)和小克银汉霉属(Cunninghamella)真菌基本上在整个分解过程中均出现且数量较多。分解真菌室内分解能力的试验也显示出这些优势真菌具有较强的分解枝叶能力[34],对园林废弃枝叶堆肥化处理有重要的意义。关于这些优势真菌类群中的真菌对重阳木废弃枝叶分解的具体作用还需要进一步研究。

堆垛温湿度及其变化反映了有机物质分解速度的快慢和分解过程中微生物活性的变化。好氧堆肥堆垛温度在堆肥开始时从环境温度迅速上升(一般在3～5 d上升到50～65 ℃),并持续一段时间后逐渐下降,当垛温趋近于环境温度时,说明有机物质的分解接近完全[12-14]。在重阳木废弃枝叶堆肥化分解试验的3个处理中,碳酸氢铵和尿素处理的堆垛温度在7～14 d期间在46～50 ℃,略高于水处理的堆垛温度(40.5～49.0 ℃),表明在高温发酵阶段,碳酸氢铵和尿素处理的微生物活性更强。为了维持堆垛的高温，提高分解速度,Nogueira W A, et al.曾用强制通气静态垛的方式,通过调节通气速率来保持垛体的高温[35]。一般认为有机物质堆肥发酵的最佳湿度为50%～60%,在此湿度范围内有机颗粒表面会形成薄的液膜,微生物降解速率最大[36]。本试验各处理堆料的湿度均在48%～73%之间变动,为微生物对枝叶分解速率的最大化所需湿度条件提供了保障。

在堆肥高温阶段微生物具有最大分解能力时pH值为7.5～8.5[37], pH值的升高是有机物质在微生物的作用下分解并产生氨的结果[38],在堆肥后期pH值下降是缘于NH3的损失,是由大量铵态氮向硝态氮转化和微生物活动产生大量的H+和有机酸造成的[39]。随着堆肥时间的增长,有机酸被分解为CO2和H2O,使pH值重新上升。本试验结果显示,重阳木废弃枝叶3个处理总体上在分解前期(0～120 d)pH值增高,随后呈上下波动态势。碳酸氢铵和尿素的处理在分解后期300 d时pH值分别降至5.76和5.95,低于水处理的pH值6.38,可能是因添加碳酸氢铵和尿素影响了堆料的pH值,可能对微生物的分解能力有一定的影响。在本分解试验结束时(360 d)碳酸氢铵、尿素和水处理的堆料pH值分别为7.83、7.20和8.21。微生物生长需要适宜的碳氮比,在分解过程中合适的C/N比对有机物质的分解具有良好的促进作用[40]。但木本园林植物的枝叶成分主要为难降解的木质纤维素,碳氮比高,因此可以通过添加氮源的方式来降低碳氮比,以满足微生物对氮素的需求[17]。

在重阳木废弃枝叶堆肥过程中,3个处理总体上在分解前中期检测到的全氮含量较低,在分解中后期检测到的全氮含量较高,但碳酸氢铵和尿素处理组的全氮含量略高于水处理组。全磷含量的变化随着堆肥进程的推进总体上呈上升趋势。在30～180 d检测到的全钾含量逐渐上升,随后呈下降的趋势,但碳酸氢铵和尿素处理组的全钾含量略高于水处理组。在重阳木废弃枝叶堆肥化过程中，堆料全氮、全磷、全钾含量在3个处理间不存在显著性差异。重阳木废弃枝叶3种堆肥处理的发芽指数(GI)均达到了90%,说明堆肥已达到完全腐熟程度。