利用吨包式堆肥技术处理烟杆废弃物的效果评价

李小龙，张明宇，沈建平，刘高峰，王岩*，石德兴，田艳华

（1. 南平市烟草公司邵武分公司，福建 邵武354000；2. 郑州大学 化工与能源学院，河南 郑州450000）

烤烟是中国的主要经济作物，其种植面积和产量均居世界首位，种植烤烟在产生巨大经济效益的同时也产生了大量的废弃烟杆。废弃的烤烟茎杆直接焚烧不仅会造成资源的浪费更会对环境造成不利影响。烟杆养分含量高，烟杆中的N、P2O5、K2O 含量远高于稻草、小麦秸秆和玉米秸秆，是一种值得开发利用的有机肥料资源。有研究表明，通过烟杆还田可归还烟草生长期带走的土壤养分，从而促使烟叶的开展，同时还可提高上等烟的比例[1]；烟稻轮作制度是中国南方地区（安徽、福建、江西等省）重要的水旱轮作制度，烟杆还田能够显著增加烟田土壤速效钾的含量，在供钾能力较高的稻田，秸秆还田钾素可以替代部分化肥钾，从而减少化肥钾的投入[2]；同时烟杆还田可以提高土壤肥力和养分供应状况，促进晚稻的生长，增加有效穗和结实率，增产效果显著[3]；烟杆中的烟碱还可以控制作物病虫害，减少农药施用量[4]。

废弃烟杆直接还田则会将上季染病烟杆所携带的病原菌带入土壤，有研究表明烤烟黑胫病病原菌可在土壤及病株残体中存活2～3年[5]，烤烟猝倒病、菌核病等一些病原菌可以在土壤中存活5年以上，一旦这些病原菌侵入土壤，可能会长期影响烤烟种植。而堆肥技术可以利用微生物将烟杆有机残体，进行矿质化、腐殖化，使各种复杂的有机养分转化为可溶性养分和腐殖质，同时可以利用堆积时所产生的高温来杀死烟杆中的病原菌，从而达到无害化的目的。一般的堆肥方式不仅需要每隔一段时间进行翻堆、浇水等繁重的操作，并且要占用大量的场地，效率较低。本试验利用吨包式堆肥技术处理废弃烟杆，旨在探究其能否简易、快捷、高效地将废弃烟杆好氧高温发酵为腐熟的有机肥，为废弃烟杆的资源化利用提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2018年7月在福建省邵武市（26°55′～27°35′N，117°2′～117°52′E） 进行。试验期间平均气温28.5℃，降水量较大。

1.2 供试材料

本试验所用烤烟茎杆来源于福建省邵武市烟区烤烟结束后的新鲜废弃烟杆，烤烟品种为K326，烤烟茎杆的C ∶N 为38.5∶1。将烤烟茎杆粉碎成10～25mm再进行堆肥，粉碎机型号为MQF-450。粉碎后的烤烟茎杆装入规格90cm×90cm×110cm 的编织塑料吨包袋中进行高温好氧发酵，每个吨包袋盛放约350kg废弃烟杆，吨包放置于阴凉通风处。辅助添加材料有尿素、发酵菌剂等，发酵菌剂为河南省润田生物科技有限公司提供。

1.3 试验设计

试验共分为4个堆肥处理：处理T1，为烤烟茎杆+尿素（每吨烟杆用尿素6kg），将C ∶N 调节为约25∶1；处理T2，烤烟茎杆+ 发酵菌剂（每吨烟杆用发酵菌剂1kg）；处理T3，烟杆+ 尿素+ 发酵菌剂（每吨烟杆用尿素6kg+ 发酵菌剂1kg），处理T4（CK），破碎的纯烤烟茎杆，每处理3次重复。开始时堆肥材料的水分含量调节至65%左右，整个堆肥过程中不再人为补充水分，不进行翻堆等操作。每天上午9：00时测量堆体温度，每隔7d 取样品风干后进行各项指标测定，总堆肥时间为45d。

1.4 测定方法与数据处理

试验期间温度测定采用探针式温度计测定堆体中部温度；有机碳采用重铬酸钾氧化法测定；全氮采用凯氏定氮法，使用KJELTAC 2100凯氏定氮仪测定；全磷采用钼锑抗比色法，使用752紫外光栅分光光度计测定；全钾含量采用火焰光度计法，使用FP640火焰光度计测定。数据分析使用软件Excel 2010，数据统计分析采用软件SPSS 17.0。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中堆料水分含量的变化

水分含量是堆肥过程中的重要指标参数，也是堆料中微生物生命活动的基础。堆肥过程中的适宜水分含量为50%～60%，水分含量过高会导致堆肥材料的透气性降低，影响氧气含量供应、降低有机物的分解速率，导致堆肥周期延长[6]。水分含量过低会降低微生物的新陈代谢速率使其活性下降，导致堆肥难以腐熟[7]。试验设置初始水分含量为65%，在整个堆肥过程（图1）各处理的水分含量均表现为下降的趋势，但下降的幅度均在20%以内，这说明编织塑料吨包袋可以有效防止水分蒸发，维持堆肥材料水分含量的相对稳定，并具有一定的透气性，同时编织塑料吨包袋在降雨天气时也可以避免雨水大量浸入。处理T4（CK）在堆肥前期水分含量下降很快，这可能是由于处理T4（CK）在前期升温较快，导致水分消耗较多。在堆肥后期处理T2、处理T3水分含量明显低于处理T4（CK），说明发酵菌剂的添加加快了烟杆的分解速率，因而消耗了更多的水分。

2.2 堆肥过程中堆料温度的变化

堆肥温度可以反映堆料内微生物的变化并影响微生物的生长[8]，也可以用来判断堆料的腐熟程度，高温同样能有效杀灭堆料内有害病原菌及害虫虫卵。如图2所示，堆料温度的变化主要由升温期、高温期、降温期3个阶段组成，在堆肥试验期间大气温度缓慢降低，平均温度为28.5℃。所有处理的堆温在7d 内迅速上升，随后温度逐渐下降。初始温度处理T4（CK）最高，在第3d 达到63.5℃；处理T1、处理T2和处理T3在第4d 也分别达到了65.7℃、63.4℃和64.1℃，其中处理T4（CK）温度升得最快，但是高温期维持的时间较短，在第11d 以后堆温低于了50℃。但是其他各处理的堆温在13d 以后低于50℃。根据相关标准：保证堆肥的卫生指标合格的重要条件是堆体温度在55℃条件下保持3d 以上或50℃以上保持10d，这可以有效杀灭堆料中所含的杂草种子及病原微生物[9]。由此可见，处理T2、处理T3无论是在堆体最高温度及高温维持时间上均优于处理T4（CK），这表明在堆肥中加入一定量的微生物菌剂能提高堆肥的温度并加快堆肥速度。大约在堆肥的第25～36d，各处理堆体的温度基本维持稳定，此时处理T4（CK）的温度仍高于各处理。这进一步表明尿素和微生物菌剂的加入加速了烟杆的腐熟速度。在堆肥进入第36d 后所有堆肥处理的堆温都明显下降，其中处理T4（CK）、处理T2的温度降低幅度更大，处理T1、处理T3在此后的温度仍高于处理T4（CK）。表明加入尿素以调节堆料的C ∶N 值能够在堆肥的后期更好地维持其后熟作用进行。

2.3 堆肥过程中堆料全氮含量的变化

随着堆肥的进行，有机物质不断被微生物分解，堆料的全氮含量呈现出逐渐增加的趋势。如图3所示，在堆肥的第1～28d，各处理全氮含量均表现出明显的上升趋势，在进入第35d 后除处理T2还略有增长外，其余处理全氮含量相对稳定。此时各处理组全氮含量均高于处理T4（CK），且加入尿素的处理T1、处理T3中全氮含量均高于仅加入发酵菌剂的处理T2。

2.4 堆肥过程中堆料全磷含量的变化

如图4所示，各处理的全磷含量（以P2O5表示）变化均表现为上升趋势，处理T4（CK）在第28d 趋于稳定，为0.41%，堆肥期间全磷含量增加了约0.06%。各处理在第28d 后仍表现出上升的趋势，其中处理T1全磷含量与处理T4（CK）差异不大，而处理T2、处理T3则在堆肥第14d 后表现为明显高于处理T4（CK），这主要是由于发酵菌剂的添加加速了烟杆中有机物的分解，相对地提高了堆肥中磷含量的比例所致。

2.5 堆肥过程中堆料全钾含量的变化

如图5所示，随着堆肥的进行，堆料的全钾含量（以K2O 表示）的变化呈现缓慢增加的趋势。堆料中全钾含量的变化不如全氮、全磷含量的变化明显，初始时全钾含量处理T4（CK）略低于各处理，在堆肥后期与其余各处理并无明显差异。堆肥42d 时，处理T4（CK）、处理T1、处理T2和处理T3全钾含量分别比初始时增加了0.37、0.27、0.30和0.32个百分点。同样，这也是由于发酵菌剂的添加加速了烟杆中有机物的分解，相对地提高了堆肥中K 含量的比例所致。

2.6 堆肥过程中堆料碳氮比的变化

碳氮比是评价堆肥腐熟程度的重要指标之一，该指标的变化能一定程度上反应堆肥的进度[10-11]。一般对于同一种堆料来说，C ∶N 值越低代表其有机质腐解越彻底。诸多研究者认为，理论上讲腐熟的堆肥C ∶N 值应趋向于16左右，因为微生物体的C ∶N 值在16左右[12]，而当C ∶N 值小于20时，方可作为肥料施用[13]。如图6所示，初始时处理T4（CK）和处理T2烟杆本身的C ∶N 值为38.5∶1，而处理T1、处理T3则由于加入尿素C ∶N 值调节至25∶1，在整个堆肥过程中各处理C ∶N 值均表现出明显的下降趋势。处理T4（CK）、处理T2在堆肥结束时C ∶N 值分别降低17.25、21.67，而处理T1、处理T3在堆肥结束时C ∶N 值分别降低11.6、12.7，这表明微生物菌剂的加入能加速堆料有机物的降解及腐殖化过程，促进堆料的腐熟，最终达到了提高堆肥效率以及改善最终堆肥产品品质的目的[14]。堆肥结束时处理T4（CK）、处理T1、处理T2、处理T3的C ∶N 值分别为20.4、14.6、15.8、13.6，这表明无论是加入尿素还是微生物菌剂都能使堆料的腐熟更加充分。

2.7 堆肥腐熟产品评价

肥料养分能为农作物提供营养，因此国家对堆肥及有机肥养分进行了最低限制，根据相关标准（NY 525-2012）有机质质量分数应不低于30%，总养分含量（N+P2O5+K2O）应不低于5%[15]。堆肥腐熟产品各指标如表1所示，未添加任何辅助添加剂的处理T4（CK）的总养分含量未达到有机肥标准，这可能是由于烟杆本身C ∶N 值过高，影响了堆肥化处理的进程，未能使堆料达到完全腐熟的状态，而处理T1、处理T2、处理T3无论是在有机质含量还是养分含量上都满足了有机肥的要求。

表1 堆肥腐熟产品有机质及各养分含量

3 讨论

田间利用编织塑料吨包袋小规模堆肥处理烟杆废弃物的效果明显，即使是对照处理堆温升高也较快，温度能达到60℃以上且能在50℃保持10d，从而起到了有效杀灭堆料中所含的杂草种子及病原微生物的效果[9]，但在堆肥进行到第45d 后C ∶N 值仍未能降低到20以下，未达到直接作为有机肥还田的条件[13]，这可能是由于烟杆本身C ∶N 值过高，一般来说适宜堆肥的C ∶N 值为20～30[16]，如果堆肥原料C ∶N 值过高，碳素含量高、氮素原料相对缺乏，微生物活动受到限制，有机物的分解速度缓慢，发酵过程会延长。将尿素加入堆料中调节C ∶N 值，可为堆料中的微生物提供充足的营养物质，可以加快烤烟茎杆的堆肥化进程。同时微生物菌剂的加入能加速堆料有机物的降解及腐殖化过程，促进堆料的腐熟。本试验结果表明，加入尿素及微生物菌剂不仅能增加堆肥过程中高温期的时长以及提高堆体平均温度，而且能将C ∶N 值降低到15左右，有利于腐殖质的形成，可以使堆肥向稳定化、腐熟化、无害化方向转变[17]。通过对堆肥腐熟产品有机质及养分含量的分析表明，添加尿素或微生物菌剂能增加堆肥产品的养分含量，使其满足直接还田的需求。这表明利用编织塑料吨包袋进行堆肥并加入尿素及微生物菌剂等辅助添加剂处理烟杆废弃物，可以有效地将烟杆进行资源化，并且具有操作简单、效率高以及对场地空间等要求低等优势，适合在烟区大量推广。

烟杆还田不仅能增加土壤有机质，改善土壤通透性，有利于微生物的繁殖和活动，增加有效养分供给，改善土壤结构[18]，还是防治烟田面源污染、推进作物清洁生产、发展绿色农业的有效措施。