不同园林废弃物堆肥过程中化学性状变化及其对发芽指数的影响

胡永恒,张 程,万华琴,朱咏莉,2*,李萍萍,2*

(1.南京林业大学生态与环境学院,江苏 南京 210037; 2. 南方现代林业协同创新中心,江苏 南京 210037)

园林废弃物主要是指园林植物自然凋落或经过园丁修理所产生的枯枝、落叶、谢草、败花、树木与灌木剪枝及其他植物残体等固体废弃物,已成为我国第二大城市固体废弃物,对其进行科学的处理以及资源化利用,对节约自然资源、防止环境污染以及实现城市生态良性发展具有重要意义[1-2]。长期以来,好氧堆肥发酵是园林废弃物资源化利用的有效途径[3-5],其可处理量大、工艺要求相对简单和易操作,且发酵腐熟物既可以作为有机肥施入农田,增加土壤有机质和养分含量[6-7],改善土壤结构[4],促进植物生长和提高产量,亦可用作设施蔬菜、花卉等育苗栽培基质从而代替常规草炭基质[8-10],以节约生产成本,显著提高经济效益。

堆肥发酵过程不但受环境条件和人工调控的影响,而且与有机固体废弃物自身特性密切相关[2,11]。不同有机固体废弃物性质差异很大,导致发酵过程中的物质变化也有很大差异,进而影响腐熟的快慢以及发酵产品的品质。研究表明,有机废弃物有机质、全氮、纤维素含量以及pH等均是影响发酵腐熟过程的重要物料性状参数[3]。尤其对于园林废弃物,其主要以木质素和纤维素等难降解的成分为主[12-14],导致其堆肥过程中发酵周期长、腐熟不彻底等问题仍普遍存在。为了解决这一问题,研究者多采取搭配不同物料[15-18],以及添加微生物菌剂等[14,19-20]措施,取得了较好效果。由于不同种类和不同部位园林废弃物的理化性质存在明显差异[21-23],目前研究较多侧重于仅对发酵腐熟过程的分析,对不同园林废弃物性状变化与腐熟指标间关系的认识仍不足,已成为其发酵技术提升的重要限制因素。

本研究选取法国梧桐(Platanusorientails)树和榉树(Zelkovaschneideriana)的树枝及树叶作为4种不同园林废弃物类型。法国梧桐(文中简称梧桐)在我国南北各地均有栽培,是长江流域城市的主要行道树,榉树是我国特有珍贵阔叶用材树种和景观绿化树种,近年来在城市绿化中应用广泛。前人对梧桐枝叶再利用的研究主要集中在发酵产沼气方面[24-25],对榉树枝叶堆肥发酵的研究也鲜见报道。本研究通过分析园林废弃物发酵过程中温度、pH、电导率(EC)、有机质含量以及木质素和纤维素含量等性状指标的变化特征,研究不同类型园林废弃物发酵腐熟过程的差异,同时已被公认为是堆肥腐熟度评价指标之一的种子发芽指数(GI)作为判断依据,分析与其他性状指标变化的关系及影响GI的主要因素,以期为探索不同园林废弃物资源的高效利用及其腐熟的科学评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料及处理

试验材料来自于镇江东郊园林苗圃地冬季修剪后自然晾干的榉树、梧桐树的树枝和树叶以及自然脱落的树叶,树枝和树叶分别粉碎备用(长度<5 cm)。

试验共设置4 个不同类型园林废弃物的处理,分别为榉树树枝(JZ)、树叶(JY)和梧桐树枝(WZ)和树叶(WY)。经测定,榉树树叶、树枝和梧桐树叶、树枝的有机质质量分数分别为64.19%、88.92%、81.62%、95.65%,pH分别为7.12、6.84、6.55、6.97,相对电导率(EC)分别为4.05、3.46、4.12、3.30 mS/cm,全氮含量分别为1.68、1.67、2.21、1.96 g/kg。

首先,将粉碎后的4种园林废弃物分别按5%的总质量比添加豆腐渣(购自苗圃地周边豆腐制作坊,用于调节碳氮比C/N)并混匀;然后再按0.1%的总质量比添加微生物菌剂(购自山东绿陇生物科技有限公司,内含芽孢杆菌、放线菌、酵母菌、丝状真菌等11种微生物);最后加水调节至初始含水量为50%,充分混合均匀后,装入直径 70 cm、高 135 cm的编织袋中进行发酵。发酵时间为70 d。每个处理重复3次。

1.2 发酵过程管理与指标测定

于每天10:00用温度计测定发酵袋中心温度,同时测定环境温度。根据发酵温度的变化,发酵前期每3～4 d进行翻堆1次,后期每7 d翻堆1次。翻堆时根据含水率情况及时补充水分,控制发酵过程中水分含量保持在50%左右。每10 d分层(上、中、下部)采集发酵样品组成一个混合样品,一部分鲜样直接用于酸碱度(pH)、相对电导率(EC)和发芽指数(GI)等的测定,另外一部分样品经自然风干、磨碎后用于有机质、木质素以及纤维素含量、腐殖酸含量等指标的测定。

pH和EC采用数显PHS-3C型pH测定仪和数显 PHS-3E型EC测定仪(固液比为1∶8)测定;有机质(OA)采用重铬酸钾容量法外加热法[26];胡敏酸和富里酸采用硫酸-重铬酸钾比色法[27]测定;木质素和纤维素含量分别用范式法和蒽酮-浓硫酸法测定[28]。

采用生菜种子进行发芽试验,发芽指数(GI)的测定方法参考文献[29]。

1.3 数据处理

试验数据采用 Excel 2010、Origin 2018、SPSS2D进行分析处理、绘制图表和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同园林废弃物发酵温度、pH和EC的变化

发酵开始后快速升温,各处理在第5天左右达到最高温并持续2～3 d,在40 d左右降到接近环境温度(图1)。在发酵第5～20天,不同园林废弃物处理间堆温变化存在明显差异。梧桐枝的发酵温度依次高于梧桐叶、榉树枝和榉树叶,其中:梧桐枝和叶发酵温度的平均值较榉树高3.2～5.0 ℃;且无论是榉树或梧桐树,其树枝的发酵温度均高于树叶,差异幅度为0.2～5.9 ℃,但均未达到显著差异水平。

由图1可知,发酵过程中不同园林废弃物pH整体上呈现先下降后上升的趋势。发酵初始时,各处理pH变化为6.55～7.12,榉树叶高于榉树枝、梧桐枝和梧桐叶,前三者间无显著差异,但均与梧桐叶差异显著。发酵结束时,各处理pH均有所升高(7.15～7.45),榉树叶最高、梧桐枝最低,二者差异显著。不同园林废弃物EC值变化整体上呈现先下降(0～30 d)后上升(30～40 d)再下降的趋势。发酵初期4个处理EC值为3.3～4.12 mS/cm,两树种的树枝EC值均显著高于树叶;发酵结束时,EC值降为0.58～1.65 mS/cm,其中梧桐叶显著高于梧桐枝和榉树枝,榉树叶也显著高于榉树枝。

2.2 不同园林废弃物有机质、木质素、纤维素含量的变化

发酵过程中有机质含量逐渐降低(图2)。不同园林废弃物初始有机质质量分数相差较大,表现为树枝高于树叶,梧桐树高于榉树,最高的梧桐枝为93.45%,最低的榉树叶为62.34%,4个处理间均差异显著。整个发酵过程中,梧桐枝的有机质质量分数降幅最大,下降了45.54%,其次是榉树枝和梧桐叶,榉树叶的有机质质量分数降幅最小,下降了36.53%。发酵结束时有机质质量分数为梧桐枝(35.25%)>梧桐叶(31.36%)>榉树枝(28.63%)>榉树叶(25.48%),梧桐枝的有机质含量显著高于榉树叶和榉树枝,但同一树种的树枝和树叶间有机质含量无显著差异。

图2 不同园林废弃物发酵过程中有机质、木质素和纤维素含量的变化Fig. 2 Changes of organic matter,lignin and cellulose contents of different garden wastes during composting

发酵过程中各处理木质素和纤维素含量的变化也均呈下降趋势(图2)。从发酵初始的木质素质量分数54.45%～67.22%和纤维素质量分数20.81%～58.15%分别降为3.91%～31.39%和10.86%～14.76%。发酵结束时,4个处理的木质素含量差异显著,表现为榉树枝显著高于榉树叶和梧桐枝,而纤维素含量则处理间无显著差异。

2.3 不同园林废弃物富里酸和胡敏酸含量的变化

发酵过程中各处理富里酸含量逐渐下降而胡敏酸含量逐渐上升(图3)。4个处理的富里酸质量分数从初始的32.03%～33.74%下降为20.28%～25.58%,胡敏酸质量分数则从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现为榉树叶>榉树枝>梧桐树枝>梧桐树叶。发酵70 d时各处理富里酸含量间无显著差异,而胡敏酸含量间为榉树叶显著高于梧桐树叶。

图3 不同园林废弃物发酵过程中富里酸和胡敏酸含量的变化Fig. 3 Changes of FA and HA contents of different garden wastes during composting

胡敏酸含量与富里酸含量的比值为腐殖化指数(HI)。各处理HI指数随发酵进程均呈上升趋势(表1)。初始时,各处理间HI均无显著差异;发酵40 d时,各处理的HI均超过0.7;发酵70 d时,榉树叶HI(1.74)显著高于梧桐叶(1.40),而榉树枝虽低于梧桐枝,但二者差异并未达到显著水平。

表1 不同园林废弃物腐殖化指数和发芽指数

图4 园林废弃物发酵过程中4个处理各腐熟指标与GI的PCA分析Fig. 4 PCA analysis of characteristic parameters and GI of different garden wastes during fermenting

2.4 不同园林废弃物各处理发芽指数的变化及其与其他性状指标的关系

从发酵过程中各处理GI指数的变化(表1)可以看出,GI均随发酵进程呈显著上升趋势,发酵30 d时各处理GI均超过100%,发酵70 d时梧桐树枝GI最高,达到158.3%,其次是榉树枝为151.0%,二者均显著高于梧桐叶(123.3%)和榉树叶(118.0%)。

4个处理(JY、JZ、WY和WZ)的GI与pH、EC、有机质含量等化学性状关系的PCA分析结果见图4。由图4可知,各处理主成分1的贡献值分别为69.2%、77.1%、77.5%、75.0%,主成分2的贡献值分别为14.8%、10.4%、6.6%、13.0%,累计贡献值分别为85.0%、87.9%、84.1%、88.0%,能较好地解释以上性状指标对GI的影响。在JY处理下(图4a),GI依次与EC、富里酸、木质素、纤维素、有机质含量呈负相关关系,与pH和胡敏酸含量呈正相关关系;JZ处理下(图4b)和WY处理下(图4c),GI除了与pH、胡敏酸呈正相关,与其余指标也呈负相关关系;WZ处理下(图4d),GI与胡敏酸呈正相关关系,与其余指标都呈负相关关系。

进一步多元回归分析表明,对于JY处理,有机质含量是与GI的关系达到极显著水平(P<0.01)的唯一因子,对GI的贡献值为100%;对于JZ,有机质含量和纤维素含量与GI的关系均达到极显著水平(P<0.01),二者为GI的主要贡献因子,并且有机质贡献最大(92.4%)。对于WY处理,胡敏酸含量和EC为GI的主要贡献因子,其中胡敏酸的贡献(68%)大于EC(31%),二者与GI分别呈极显著正相关和负相关;对于WZ处理,EC和有机质含量为GI的主要贡献因子,贡献率分别为43%和27%,与GI分别达到了极显著(P<0.01)和显著水平(P<0.05)。

3 讨 论

3.1 不同园林废弃物对发酵温度、pH和EC的影响

发酵过程中,微生物分解有机物、释放出热量从而使温度上升,当微生物周围养分不足时,温度便逐渐降低。因此,发酵温度可以反映有机物质的分解程度,所以常作为发酵过程判断的最直观、通用的参考指标之一[30]。不同园林废弃物处理间发酵温度的变化存在显著差异。本研究中,5～20 d时梧桐枝的发酵温度高于梧桐叶、榉树枝和榉树叶,其中,梧桐枝和叶发酵温度的平均值较榉树高3.2～5.0 ℃,且无论是榉树或梧桐树,其树枝发酵温度较树叶高0.2～5.9 ℃。可见,来源于梧桐树的废弃物较榉树相对更易发酵,且树枝较树叶更易于发酵。这与王瑞莹等[22]通过比较香樟树枝和树叶的发酵的结论一致。但各处理接近环境温度的时间基本一致,均在发酵40 d左右。

发酵过程中pH和EC的变化也是反映发酵进程的基本指标。本研究中园林废弃物的 pH 整体上呈现出上升趋势,这与王占军[28]的实验结果相似。发酵初始各处理pH变化为6.55～7.12,榉树叶最高,梧桐叶最低;发酵结束时各处理的pH升为7.15 ～7.45,处理间仅最高者榉树叶与最低者梧桐枝差异显著。这与有报道认为树木粉碎物料堆肥pH可以上升至8～9的结果[17]不一致,其原因可能与发酵原料及性状成分的差异有关[22]。当堆肥中的有机质被分解时,会产生很多小分子物质,一般认为会导致EC值的增加[19]。但在本研究中,各处理EC值尽管在发酵30～50 d时出现了上升波动,但总体仍表现为下降趋势,这与对桉树皮发酵过程中电导率变化的研究结果[21]相吻合,可能与发酵过程中NH3的生成逸失而导致离子态养分含量的降低有关[21]。这其中,梧桐树EC值显著高于榉树,树叶显著高于树枝,可能与树叶木质素含量低、相较于树枝来说更容易分解[12]有关。

3.2 不同园林废弃物对有机成分降解及腐殖酸含量的影响

不同废弃物中有机成分及其降解程度直接影响微生物的活动和发酵物的腐熟程度[21]。发酵过程中,有机质含量下降较快,而木质素和纤维素由于难以降解因此含量呈缓慢下降趋势。在4个处理中,有机质、木质素和纤维素的降解幅度均以梧桐枝(WZ)处理为最大(分别为45.54%、57.24%和64.86%),以榉树叶(JY)处理为最小,这说明梧桐枝较榉树枝以及梧桐叶和榉树叶有更多可利用的易分解有机物。

腐殖酸的变化也是反映发酵过程的重要参数,在很大程度上决定着堆肥产品的质量[11]。胡敏酸和富里酸是腐殖酸的重要组成部分,本研究的4种园林废弃物在发酵过程中均表现出富里酸含量逐渐下降而胡敏酸含量逐渐上升,这是由于富里酸会逐渐转化成胡敏酸的原因[13],也同时与木质素的降解有紧密的联系[28]。随着胡敏酸的合成,各处理腐殖化系数(HI)不断提高,这与付冰妍等[13]的研究结果一致。 发酵70 d时,榉树叶HI(1.74)显著高于梧桐叶(1.40),而榉树枝与梧桐枝间差异不显著。

3.3 不同园林废弃物性状变化对GI指数的影响

堆肥发酵物若未经腐熟会产生对植物有毒的有机酸等物质,抑制植物生长甚至导致植物死亡,因此,目前种子发芽指数(GI)已被公认为是最直接、最有效地判定腐熟程度的指标[29]。GI指数越高,对种子的相对安全性也越高。一般认为,当GI指数>90%时,对大多数植物种子基本没有毒害[3]。本研究结果显示,发酵20 d时,各处理GI已由初始时的不足50%快速升高至90%以上,发酵30 d时各处理GI均达到了100%以上,而发酵结束时GI上升为118.0%～158.3%,表现为梧桐枝依次大于榉树枝、梧桐叶和榉树叶。这表明来源于不同树种及其不同部位的园林废弃物,其腐熟程度存在较大差异。就榉树和梧桐树而言,其树枝发酵物较树叶发酵物对种子的发芽和生长具有更高的安全性。

将发酵过程中各处理pH、EC、有机质含量等化学因子与GI的关系进行主成分和多元回归分析发现,以上各因子与GI都存在紧密的关系,能够很好地解释对GI的影响。对于榉树叶和榉树枝发酵物,有机质含量和纤维素含量是GI的最主要贡献因子。对于梧桐叶发酵物,胡敏酸含量和EC为GI的主要贡献因子;而对于梧桐枝发酵物,主要贡献因子则为EC和有机质含量。因此,无论对于来源于榉树或梧桐的废弃物,有机质状况均是影响园林废弃物堆肥腐熟GI变化的重要因子。有研究表明,有机质含量过低时,发酵过程中产生的热将不足以维持堆肥所需要的温度;有机质含量过高时,通风供氧会受到影响,从而造成厌氧和发臭[31]。另外,EC值对堆肥腐熟有着极显著影响,当EC值较高即含盐量过高时,会减少高温期维持时间,微生物活性受到抑制[30]。腐殖酸也显著影响着堆肥GI的变化,可能与腐熟过程中形成的腐殖质分子质量及复杂的有机官能团结构等[32]变化进而会对种子发芽产生不同作用有关。

4 结 论

1)梧桐枝、梧桐叶发酵温度分别显著高于榉树枝和榉树叶,因此来源于梧桐树的废弃物较榉树相对更易发酵,且树枝较树叶也更易于发酵。各废弃物pH均随发酵进程而升高,同时EC值显著下降。发酵结束时梧桐叶和榉树叶EC值均显著高于梧桐枝和榉树枝。

2)发酵过程中梧桐枝的有机质、木质素和纤维素的降解幅度最大,榉树叶为最小,这说明梧桐枝较榉树枝以及梧桐叶和榉树叶含有更多易分解利用的有机物。同时,发酵过程中各处理腐殖化系数(HI)不断提高,其中榉树叶HI显著高于梧桐叶,但榉树枝与梧桐枝间差异不显著。

3)来源于不同树种及其不同部位的园林废弃物,发芽指数(GI)存在较大差异。就榉树和梧桐树而言,其树枝发酵物的GI显著高于树叶,对生菜种子的发芽和生长具有相对更高的安全性。

4)影响4种园林废弃物发酵过程中GI变化的主要化学指标为有机质含量、EC值、胡敏酸含量以及纤维素含量。对于榉树叶和榉树枝,有机质含量和纤维素含量是GI的主要贡献因子;对于梧桐叶和梧桐枝,胡敏酸含量和EC值对GI的贡献较有机质更大。