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作者简介:

杨冬艳(1977-),副研究员,硕士,研究方向为设施蔬菜栽培生理与废弃物资源化应用。E-mail:yangdongyan2000@163.com。

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目录contents

    摘要

    为探索茄果类蔬菜秸秆在菜田就近进行好氧堆肥粉碎条件,研究了 2 种粉碎粒径(碾压粉碎 2 ~ 5 cm、切割粉碎 1 ~ 2 cm)对 3 种蔬菜秸秆(番茄、辣椒及二者混合秸秆)堆肥的木质纤维素降解特征的影响。结果表明,番茄、辣椒和混合秸秆在堆肥过程中木质纤维素组分降解率由高到底依次为半纤维素 > 纤维素 > 木质素,大粒径处理能够降低堆肥初始木质纤维素的含量,同时加快纤维素和半纤维素在堆肥后期的降解;小粒径处理则能够提高堆肥积温,促进木质素的降解。冗余分析表明,纤维素和半纤维素降解是促进全碳降解的关键因素。大粒径处理的 3 种秸秆初始全氮、全磷、全钾和腐植酸含量显著高于小粒径处理,且在堆肥结束时大粒径处理的氮、磷、钾总养分含量(8.03%)和腐植酸含量(12.15%)仍显著高于小粒径处理(6.88%、9.44%)。在生产中,蔬菜产地可选择秸秆还田机碾压粉碎至 2 ~ 5 cm 粒径或容重 0.3 g/cm3 下的粉碎粒径对茄果类蔬菜秸秆进行堆肥,有助于木质纤维素的降解和堆肥质量的提高。

    Abstract

    In order to explore the technological parameters of aerobic composting of eggplant vegetable straw in nearby vegetable fields,the effects of two comminution size(2-5 cm by grinding and 1-2 cm by cutting)on the lignocellulose degradation and ripening quality of tomato,pepper and their mixed straw compost were studied. The results showed that the degradation rate of lignocellulose components in the composting process of tomato,pepper and their mixed straw was in the order of hemicellulose>cellulose>lignin. The big particle size treatment A reduced the initial lignocellulose mass fraction of compost,and accelerated the degradation of cellulose and hemicellulose in the later stage of composting. The small particle size treatment B increased the compost temperature and promoted the degradation of lignin. Redundancy analysis showed that the degradation of cellulose and hemicellulose was the key factor to promote the degradation of total carbon. The initial total nitrogen,total phosphorus,total potassium,and humic acid contents of the three kinds of straws in treatment A were significantly higher than those in treatment B,and the total nutrient content(8.03%)and humic acid content(12.15%) in treatment A were still significantly higher than those in treatment B(6.88% and 9.44%)at the end of composting. In production,the eggplant vegetable straw with a particle size of 2-5 cm or unit weight of 0.3 g/cm3 could be chosen to compost in vegetable producing areas,which helped to degrade lignocellulose and improve the quality of composting.

  • 我国是蔬菜生产和消费大国,2020 年蔬菜种植面积达到 2133.3 万 hm2[1]。番茄和辣椒是主要种植的蔬菜种类,番茄种植面积为 111.15 万 hm2[2],辣椒种植面积在 210 万 hm2 以上[3]。按照蔬菜平均产废系数 0.36 计算,番茄和辣椒产生的秸秆废弃物总量达到 4.6×107 t [4-5],实际生产中由于番茄和辣椒茎秆木质化程度高,生育期长,植株生物量大,产废系数更高。研究表明,番茄和辣椒收获后新鲜秸秆直接还田会抑制后茬茄果类蔬菜幼苗生长,化感效应显著且持续时间较长[6-7]。以往的处理方式往往随意丢弃在生产环境周围,尤其是田间地头的大量堆积导致了病虫害的繁殖,对地表水和地下水也造成了污染[8-9],同时将秸秆集中运输到垃圾处理站的成本增加了种植户的负担。因此,在菜田附近或原位进行堆肥还田,对于实现秸秆废弃物就近利用、蔬菜清洁生产具有重要的意义。

  • 好氧堆肥是农作物秸秆和畜禽废弃物肥料化利用的主要途径之一,通过生产堆肥利用高温发酵对蔬菜残体进行无害化处理,有效控制有害病原菌的传播,分解化感物质[10-11],将废弃物转化为肥料,是蔬菜废弃物无害化处理和资源化利用的有效途径[12]。蔬菜秸秆规模化的堆肥主要面临投资较大、运行费用高、难以大面积推广的问题,因此减少堆肥环节成本尤为重要。番茄和辣椒生产模式为 1 年 1 茬或 1 年 2 茬,秸秆废弃物产生时间较为短暂和集中,尤其是在设施蔬菜生产中,在菜田就近或原位进行好氧堆肥,可节省搬运成本和晾晒场地投入,利于堆肥技术的推广。蔬菜废弃物堆肥腐熟进程与废弃物原料的种类、组成关系密切,堆肥物料的初始粒径对堆肥进程有显著的影响。研究表明,堆肥是以微生物为主导的有机废弃物降解过程,适宜的粒径可以提高堆肥期间的微生物活性,从而加快大分子物质的降解速度[13]。过大的粒径会导致通风过度,热量散失;过小的粒径会使持水量过高,通氧量不足,这些都不利于微生物进行代谢活动[14-16]。已有研究提出的最佳堆肥粒径为 5~30 mm,但没有统一的标准[17]。一般小颗粒物料比大颗粒物料具有较大的表面积,所以在相同条件下小颗粒物料更容易与微生物及氧气接触,更有机会被微生物降解,但是蔬菜废弃物的含水率较大,结构较为松散,为防止物料粒径过小影响通气,可以相应增大粒径至 1~3 cm[18]。目前关于番茄和辣椒秸秆堆肥初始粒径参数研究较为缺乏,本试验参考文献中蔬菜废弃物堆肥适用容重参数[19],以堆肥容重 0.3和 0.4 g/cm3 为标准选择 2 种粉碎粒径,研究其对堆肥物料木质纤维素降解和腐熟品质的影响,为蔬菜废弃物秸秆粉碎装备的选用和堆肥技术的推广提供科学依据。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 供试材料

  • 试验于 2019 年 7—9 月在宁夏农林科学院现代农业科研基地实施,供试材料番茄秸秆和辣椒秸秆为 2018 年露地生长了近 5 个月的的秧蔓,就近集中晾晒风干,基本性质见表1。

  • 1.2 试验设计和取样

  • 试验采用双因素随机区组设计,因素 1 为秸秆种类,标记大写字母 A 为番茄秸秆,B 为辣椒秸秆,C 为番茄 + 辣椒等体积混合,因素 2 为粉碎粒径,标记数字 1 为利用秸秆还田机进行碾压粉碎成 2~5 cm 碎段;2 为利用秸秆粉碎机(滤网孔径 1 cm)切割粉碎成 1~2 cm 碎段;共 6 个处理,每个处理添加粗纤维降解菌剂(广州农冠生物科技有限公司总菌数≥ 109 cfu/g)200 g 和 2 kg 麦麸的混合物,混合均匀,每个处理的堆肥物料起始容重分别为 A1:0.29 g/cm3,B1:0.28 g/cm3,C1:0.32 g/cm3,A2: 0.43 g/cm3,B2:0.41 g/cm3,C2:0.42 g/cm3。堆肥物料洒水调节到含水量 60% 左右,堆制成直径 1.5 m、高 1 m 的半圆堆形,每个处理 3 次重复,覆盖塑料薄膜进行发酵。第 8、16、25、38 d 时人工进行翻料,每次翻料后补充水分至 60% 左右。堆肥至 60 d 结束。

  • 表1 试验材料的基本性质

  • 1.3 分析指标及方法

  • 堆肥温度采用 WST411 数显金属温度计测量,每天上午 10 时记录堆体中心温度,同时记录环境温度,积温为每日测量温度之和。

  • 堆肥发酵 0、30、60 d 时,在位于每个处理堆体垂直高度的 1/4、2/4 和 3/4 部位的中心点取样 500 g,混合均匀,风干后用于指标的测定。堆肥全氮 (TN)、全磷(TP)、全钾(TK)和全碳(TC)根据鲍士旦[20]的方法测定。堆肥脲酶、纤维素酶和蔗糖酶活性采用关松荫[21]土壤酶活性检测方法。

  • 纤维素、半纤维素、木质素、腐植酸分别参照薛惠琴等[22]和翟修彩等[23]方法测定。发芽指数 (GI)参照冯海萍等[24]所用方法测定,按照公式 (1)计算,T 值的计算见公式(2)。

  • GI=TY×TG/(KY×KG)×100%
    (1)
  • T=Ti/T0
    (2)
  • 式中,TY 为处理的发芽率,TG 为处理的根长 (cm),KY 为蒸馏水对照的发芽率,KG 为蒸馏水对照的根长(cm);Ti 为发酵某一时间段堆体的碳氮比(C/N)值,T0 为初始堆体的 C/N 值。

  • 降解率(%)=(指标初始含量-取样时指标含量)/(指标初始含量)×100。

  • 1.4 数据分析

  • 采用 DPS 19.0 进行方差分析和 Duncan's 多重比较检验差异显著性,使用 Canoco 5 进行冗余 (RDA)分析。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥温度的影响

  • 堆体温度变化可体现微生物代谢活动的强弱,是反映堆肥进程的重要标志[25]。图1 可见,小粒径处理堆肥温度上升较快,在堆肥第 2 d,B2 处理就达到 55℃,A2 和 C2 处理堆肥温度也超过 50℃。大粒径处理堆肥温度上升较慢,A1、B1、C1 分别在第 3、4、5 d 时堆肥温度超过 50℃。大粒径处理在第 3 次翻堆后高温持续时间较长,超过 50℃ 的天数依次为 13、15、15 d;小粒径处理则在第 2 次翻堆后高温持续时间较长,50℃以上的天数依次为 25、33、26 d,2 种粒径处理不同秸秆堆肥均符合堆肥无害化卫生标准[26]。同种粉碎粒径下堆肥积温由高到底依次为番茄堆肥、混合堆肥和辣椒堆肥。各处理积温顺序为 B2(3204.2℃)>C2(3051.5℃)>A2(2991.8℃)>B1(2869.8℃)>C1 (2744℃ >A1(2701℃)。不同粒径通过对堆体孔隙度及疏松程度等堆体结构的影响,进而影响到堆肥过程中的通风供氧、热量保持等因素[26],试验秸秆种类对堆肥温度影响不显著,小粒径处理有利于堆肥温度的上升和热量的维持。

  • 图1 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥温度的影响

  • 注:图中 A 为番茄秸秆,B 为辣椒秸秆,C 番茄和辣椒混合秸秆,1 标识大粒径处理,2 标识小粒径处理。下同。

  • 2.2 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥木质纤维素组分相对含量的影响

  • 2.2.1 纤维素

  • 图2 可见,粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥纤维素含量影响显著。番茄和辣椒秸秆初始纤维素含量在 29.78%~40.29% 之间。其中小粒径处理下 3 种秸秆的初始纤维素含量显著高于大粒径处理 (P<0.05)。堆肥 30 d 内,各处理纤维素降解幅度较小,在 4.17%~15.42% 之间。到堆肥 60 d 时,纤维素降解率最高的是番茄秸秆,A1 和 A2 处理降解率为 32.65%、32.16%,辣椒和番茄混合秸秆 C1 和 C2 处理降解率为 27.94%、23.31%,辣椒秸秆 B1、 B2 纤维素降解率为 25.15%、20.69%。说明粒径较大的处理既可使秸秆在堆肥初期纤维素含量降低,也有利于在堆肥阶段加快纤维素的降解,番茄秸秆纤维素较辣椒秸秆更易降解。

  • 图2 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥纤维素含量的影响

  • 注:图柱上不同小写字母表示同一测量时间处理间差异显著(P <0.05),下同。

  • 2.2.2 半纤维素

  • 由图3 可见,番茄和辣椒秸秆木质纤维素组分中半纤维素含量最少,各处理堆肥初始半纤维素含量在 6.44%~10.42% 之间。同种秸秆小粒径处理半纤维素含量高于大粒径处理。堆肥 30 d 内,3 种秸秆堆肥小粒径处理的降解率(A1:22.3%、B1: 29.6%、C1:18.6%)显著高于大粒径处理(A2: 20.3%、B2:25.0%、C2:15.1%),其中辣椒秸秆的降解率最高。到堆肥 60 d 时,各处理半纤维素降解率顺序为 B1(75.57%)>C1(63.67%)>B2(52.01%) >A1(50.64%)>C2(41.04%)>A2(26.22%)。堆肥结束时堆肥半纤维素含量大粒径处理显著低于小粒径处理,B 处理显著低于 A 处理,说明大粒径处理有利于番茄和辣椒秸秆堆肥半纤维素的降解,辣椒秸秆半纤维素较番茄秸秆更易降解。

  • 2.2.3 木质素

  • 由图4 可见,番茄秸秆初始木质素含量显著高于辣椒和混合秸秆,小粒径处理可降低初始秸秆中木质素的含量。在堆肥 30 d 内,大粒径处理木质素含量变化幅度较小,3 种秸秆堆肥的木质素降解率在 1.62%~7.68% 之间;小粒径处理的 3 种秸秆木质素含量则显著降低了 13.97%~19.02%。到堆肥 60 d 时,不同处理木质素降解率顺序为 B2(25.65%)>C2(22.67%)>A2(19.41%)>A1(17.09%) >B1(8.16%)>C1(9.64%)。可见木质素降解率明显低于纤维素和半纤维素,是番茄和辣椒秸秆堆肥的主要限速物质,小粒径处理有利于番茄和辣椒秸秆初始木质素含量的降低,也有利于堆肥过程中快速降解,辣椒秸秆木质素较番茄秸秆更易降解。

  • 图3 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥半纤维素含量的影响

  • 图4 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥半纤维素含量的影响

  • 2.3 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥养分含量的影响

  • 由图5 可见,大粒径处理 3 种秸秆堆肥起始阶段 TN、TP、TK 含量就均显著高于小粒径处理。各处理的 TN、TP、TK 含量随着堆肥的进程逐渐上升,到堆肥 30 d 时,TN 含量增幅最大的是番茄秸秆处理 A1(21.45%)和 A2(21.52%),其次是混合秸秆处理 C1、C2(19.7%、20.27%),增幅最小的是辣椒秸秆 B1、B2(18.69%、15.61%),说明秸秆种类是影响堆肥前期 TN 养分增加的主要因素。到堆肥 60 d 时,小粒径处理 3 种秸秆 TN 养分增幅(47%~58%)显著高于大粒径处理 (27.78%~40.65%),可见在堆肥后期,粉碎粒径是影响堆肥 TN 养分增加的主要因素。从 TP 含量的变化来看,虽然在堆肥开始阶段大粒径处理 TP 养分含量显著高于小粒径处理,但堆肥 30 d 后,小粒径处理的 3 种秸秆 TP 含量增幅(A1 50.66%、 B1 62.27%、C1 69.83%)显著高于大粒径处理(B1 23.48%、B2 23.35%、C2 12.02%),尤其是到堆肥 60 d 时,小粒径处理番茄和辣椒秸秆堆肥 TP 含量显著高于大粒径处理同种秸秆堆肥。试验各处理 TK 养分含量在堆肥期间增幅较小,在 4.86%~16.25% 之间,其中大粒径处理 TK 含量显著高于小粒径处理。在堆肥过程中,微生物消耗的总养分小于有机物的矿化释放出的养分,所以总养分呈增加趋势[27],虽然在堆肥过程中小粒径处理 3 种秸秆总养分含量的增幅显著高于大粒径处理,但堆肥结束时大粒径处理总养分含量仍显著高于小粒径处理(P<0.05),其中 B1 处理总养分含量最高,为 92.2 g/kg。

  • 2.4 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥全碳和碳氮比值的影响

  • 图6 可见,粉碎粒径处理对 TC 的降解影响显著,在堆肥 30 和 60 d 时,大粒径处理 TC 降解率显著高于小粒径处理(P<0.05)。番茄和辣椒秸秆之间 TC 降解率没有显著差异。堆肥结束时大粒径处理 3 种秸秆堆肥 TC 平均降解率为 48.56%,小粒径处理为 35.26%。堆肥过程中,物料中的碳素主要为微生物的生长和繁殖活动提供碳源和能源,有机物料在微生物的作用下不断进行分解,生成 CO2、H2O 等物质,而在分解有机物料过程中需要消耗一部分的氮素,从而使堆体物料的 C/N 值不断变化。试验 6 个处理起始 C/N 值在 20.6~26.4 之间,到堆肥 30 d 时,大粒径处理的 3 种秸秆堆肥 C/N 值均低于 16,而小粒径处理的 3 种秸秆堆肥 C/ N 值在 16~20 之间。堆肥 60 d 时,各处理 C/N 值降至 10 左右,B1 处理最低,为 7.75;A2 处理最高,为 12.74;其他处理 C/N 值均在 9 左右,没有显著差异。大粒径处理虽然在堆肥早中期能够加快有机碳的降解,但到堆肥后期不同粒径处理之间没有显著差异。

  • 图5 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥养分含量的影响

  • 图6 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆全碳含量和碳氮比的影响

  • 2.5 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥酶活性的影响

  • 堆肥是通过酶促进行的生物化学反应系统,依靠温度和微生物之间的关系进行[28]。纤维素酶可将纤维素分解为葡萄糖、纤维二糖等物质[29],为后续微生物的生长提供氮源和碳源。由图7 可见,各处理纤维素酶活性均在堆肥 30 d 时显著上升,小粒径 3 种秸秆处理分别升高了 65.93%、 139% 和 177%,大粒径处理增加了 13.6%、14.98% 和 20.9%。到堆肥结束时,大部分处理纤维素酶活性回落至堆肥初始水平。各处理蔗糖酶活性也在堆肥 30 d 时达到峰值,番茄秸秆 2 种粒径处理之间没有显著差异,辣椒和混合秸秆堆肥均为小粒径处理增幅高于大粒径处理,说明堆肥早中期小粒径处理有利于堆肥纤维素酶和蔗糖酶活性的增加。脲酶等水解酶对堆肥有机物的矿质化过程影响较大,它能与特定底物结合,可高效降解有机物,提高有机物降解效率[30]。试验各处理脲酶活性在堆肥不同阶段呈现下降的趋势,这可能与不同阶段有机质底物浓度有关,其中大粒径处理脲酶活性显著高于小粒径处理,可能是番茄和辣椒秸秆在碾压粉碎下较切割粉碎有较高的氮素养分含量,为脲酶提供更多的底物。

  • 图7 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥酶活性的影响

  • 2.6 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥腐熟度的影响

  • T 值大小是判断发酵物料是否腐熟的重要指标之一,Morel 等[31]认为 T 值小于 0.6 堆体达到腐熟。由图8 可见,在堆肥 30 d 时,A1 和 C1 处理 T 值小于 0.6,其他处理均大于 0.6,到堆肥 60 d 时,各处理 T 值均低于 0.45,达到腐熟标准。GI 是一种常用的评价堆肥腐熟度的指标,可靠性较好,可以直接反映堆肥的腐熟状况[32],试验发现,初始堆肥阶段各处理 GI 值较小,此时堆肥具有生物毒性,抑制白菜种子发芽。到堆肥 30 d 时,C2 处理 GI 值最高(53.9%),B1 处理的 GI 值最低(22.46%),各处理仍有一定程度抑制效应。到堆肥 60 d 时,各处理 GI 值均达到 80% 以上。Zucconi 等[33] 认为,如果 GI >50%,则可认为堆体基本腐熟,基本无毒性;当 GI 达到 80%~85% 时,就可认为堆体已经完全腐熟,对植物没有毒性。可见番茄和辣椒秸秆到堆肥 60 d 时均已完全腐熟,且对植物没有毒性,同种秸秆粒径处理没有显著差异。在堆肥过程中,有机物料经微生物作用后在被降解的同时,还伴随着腐殖化过程,试验发现不同粉碎粒径对秸秆腐植酸含量有显著的影响。在堆肥起始阶段大粒径处理秸秆腐植酸含量高于小粒径处理。在堆肥过程中, B1 和 B2 的腐植酸含量增幅最高,堆肥结束时达到 70.8% 和 51.2%,其次为 C1、A2 和 C2,A1 增幅最低(19.2%)。

  • 图8 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥腐熟度的影响

  • 2.7 木质纤维素降解与堆肥环境因子 RDA 分析

  • 为进一步分析木质纤维素组分降解率和堆肥养分、酶活性的关系,对堆肥木质素、纤维素、半纤维素在堆肥 30 d 和堆肥 60 d 的降解率和堆肥温度、TC、C/N、TN、腐植酸、TP、TK、纤维素酶、脲酶和蔗糖酶的变化率进行了 RDA 分析( 图9)。堆肥 30 d 时,TP、腐植酸、TN、蔗糖酶和 TC 与木质纤维素组分降解有显著相关性 (P<0.05),能够解释 77.30% 的变化信息,其中蔗糖酶、TP 的变化与纤维素和木质素的降解呈正相关,TC 与半纤维素的降解呈正相关,腐植酸与半纤维素没有相关,但与纤维素和木质素的降解呈负相关。各环境因素对木质纤维素影响贡献率排序为 TP(51%)>腐植酸(11.6%)>TN(11.6%)>蔗糖酶(9.3%)>TC(7.7%),说明 TP 养分的转化和腐植酸的生成是堆肥前期木质纤维素降解的关键。

  • 到堆肥 60 d 时,TC、腐植酸、蔗糖酶、C/ N、TN、脲酶与木质纤维素组分降解呈显著相关 (P<0.05),能够解释 90.07% 的变化。TC、C/N、蔗糖酶的变化与半纤维素、纤维素的降解呈显著正相关,纤维素酶、TN、TP 的变化与木质素降解呈正相关。各环境因素对木质纤维素影响贡献率排序为 TC(48.2%)>腐植酸(28.5%)>蔗糖酶(12.9%)>TN(3.1%)>C/N(1.6%),说明加快木质纤维素降解,能够促进堆肥 TC 的降解和腐植酸的生成,木质纤维素的降解是驱动番茄和辣椒秸秆堆肥有机质生成的关键因子。

  • 图9 木质纤维素与堆肥养分和酶活性 RDA 分析

  • 注:图中样本编号 a11~a13 是处理 A1 的 3 个重复样本数据,a21~a23 是 A2 的 3 个重复数据,依次类推;蓝色箭头为分析物种,编号 Ice 是纤维素,Lig 是木质素,Hemi 是半纤维素;红色箭头标识环境因素,编号分别为 Tem(堆肥温度)、TC(全碳)、C/N(碳氮比)、TN(全氮)、HA(腐植酸)、TP(全磷)、TK(全钾)、Cel(纤维素酶)、Ure(脲酶)和 Suc(蔗糖酶)。

  • 3 讨论

  • 3.1 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥木质纤维素降解特征的影响

  • 木质纤维素是构成植物秸秆中细胞壁的主要成分,纤维素被半纤维素和木质素之间以共价键相互连接形成的一种网状结构包围[34],相互交织的复杂结构增加了木质纤维素降解的困难程度。物理处理技术如研磨、轧制和破碎可增加木质纤维素的表面积并减小其粒径,使生物质原料中的聚合度和结晶度降低[35]。试验发现番茄、辣椒及二者混合秸秆在堆肥前半程,木质纤维素组分降解率由高到底均为半纤维素 >木质素 >纤维素,平均降解率依次为 19.00%、8.05% 和 7.99%。在堆肥结束时,降解率由高到底为半纤维素 >纤维素 >木质素,平均降解率依次为 51.52%、21.63% 和 15.79%,说明番茄和辣椒秸秆堆肥纤维素和半纤维素主要在堆肥的后半程降解,木质素的降解在堆肥过程中均匀发生。番茄秸秆中纤维素降解率高于辣椒,而辣椒秸秆在半纤维素和木质素降解上快于番茄。张高升[36]研究城镇污泥不同粒径对蚯蚓堆肥影响发现,减小污泥粒径有助于纤维素、半纤维素等的降解,并在堆肥 10~30 d 加速纤维素等难利用有机碳的利用。在初始粒径对绿化废弃物堆肥影响研究[37]中发现小粒径处理的 C/N 值降幅更大,腐殖化程度较优。在本试验中小粒径处理能够提高堆肥积温,降低木质素的初始含量,并加快木质素的降解。但大粒径处理番茄、辣椒和混合秸秆堆肥的纤维素、半纤维素的降解率显著高于小粒径处理,且主要在堆肥后期进行降解,可能是碾压粉碎方式虽然粒径较大,但物理碾压过程对纤维素的结构造成一定程度的破坏,降低其初始纤维素含量,同时在堆肥后期体积变小的情况下提供较为优良的通风环境,提高纤维素酶活性,满足微生物分解氧气的需求,促进了纤维素和半纤维素的分解。RDA 分析表明在番茄和辣椒秸秆堆肥中,堆肥前半程 TC 降解与半纤维素降解呈显著正相关,堆肥后半程 TC 降解与纤维素呈显著正相关,与木质素的降解全程没有显著相关性,说明纤维素和半纤维的降解对于 TC 降解的贡献大于木质素的贡献,同时纤维素和半纤维素的降解能够显著促进堆肥腐植酸的生成,提高堆肥的腐殖化程度。

  • 3.2 粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥腐熟品质的影响

  • 蔬菜秸秆好氧堆肥过程中,既要考虑木质纤维素的降解,以提高堆肥腐解效率,同时还需兼顾堆肥温度上升、养分积累和腐殖化过程,在实现无害化的前提下,尽量提高堆肥产品养分和腐植酸含量。试验发现,在不同粒径处理下,番茄、辣椒和混合秸秆堆肥腐熟指标变化趋势一致,大粒径处理 3 种秸秆堆肥在起始阶段 TC、TP、TK 含量就显著高于小粒径处理,粉碎方式和粒径不同,可能造成了番茄或辣椒植株茎叶混合比例不同,从而影响了堆肥物料的起始养分含量。虽然在堆肥过程中,小粒径处理的各养分含量增幅显著高于大粒径处理,但到堆肥结束时,大粒径处理的总养分含量(8.03%)仍显著高于小粒径处理(6.88%)。在堆肥过程中,微生物不断分解利用有机物质进行繁殖和代谢,作为其主要能量来源的碳素以远大于氮素的速度被消耗,C/N 值整体呈下降趋势,与堆肥产品的腐熟程度密切相关[36],试验中大粒径处理能够促进脲酶活性的增加,提高 TC 的降解率。从堆肥腐熟度来看,大粒径因素处理腐植酸含量也显著高于小粒径因素。由于堆肥是有机物动态变化的过程,堆肥过程微生物活动主要存在分解与合成两种代谢途径[38],小粒径处理秸秆堆体温度较高,散热少,微生物代谢比较活跃,提高了纤维素酶和蔗糖酶的活性,堆体物料 TC、TK 增加,更多的能源于进行细胞呼吸同时生成 CO2,从而不利于体系内的碳储存[39],导致腐植酸生成量较少。试验番茄、辣椒和混合秸秆在堆肥 30 d 时 GI 值大部分处理低于 50%,仍具有一定的生物毒性,同时堆肥纤维素、半纤维素、TC 等有机物质的降解量大部分发生在堆肥的后半程,说明堆肥后半程是分解化感物质、生成腐植酸、提高堆肥质量的关键时期,试验将进一步对堆肥后半程驱动纤维素和半纤维素降解的关键微生物种群进行研究。

  • 4 结论

  • 粉碎粒径对番茄、辣椒和混合秸秆的木质纤维素降解有显著的影响,大粒径(2~5 cm)处理较小粒径(1~2 cm)处理有助于秸秆堆肥起始阶段木质纤维素含量的降低,同时堆肥过程中能够加快纤维素和半纤维素降解。小粒径处理由于较高的容重,能够提高堆肥积温,促进木质素的降解。纤维素和半纤维素的降解对于 TC 降解的贡献大于木质素。

  • 大粒径处理的 3 种秸秆初始 TN、TP、TK 和腐植酸含量就显著高于小粒径处理,小粒径处理虽然能够加快堆肥养分转化和浓缩,但在堆肥结束时总养分含量和腐植酸仍低于大粒径处理。因此,在生产中,蔬菜产区可选择 2~5 cm 粉碎粒径或容重0.3 g/cm3 的粉碎粒径对茄果类蔬菜秸秆进行堆肥,有助于木质纤维素的降解和堆肥质量的提高。

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