休闲农业园区排泄物与绿化废弃物共堆肥效果研究

时间：2024-05-24

王璐，杨淑芳，林志魁，区仲甜

（中山市海枣椰风景园林工程有限公司，广东中山 528400）

人体排泄物里含有寄生虫、致病细菌和其他微生物，可引起伤寒、腹泻、血吸虫病等多种疾病传播。在我国，尤其在休闲农业园区，远离城市，没有市政管道相连，其人体排泄物只经过简单处理甚至没有处理就排放到河流等水体中，造成环境污染，导致休闲农业园蚊蝇满地，气味刺鼻，在雨天环境情况更为恶劣，严重影响经济和生态效益。

休闲农业园区在养护过程中会产生大量的草坪修剪物、杂草、乔灌木修剪物、枯枝落叶等园林绿化废弃物［1］。目前国内大部分休闲农业园区的园林绿化废弃物仍然采用焚烧或填埋等途径，不仅污染环境，且造成资源浪费［2］。园林绿化废弃物中碳素含量较高而氮素含量相对较低，其主要成分以有机质为主，多为木质素、纤维素、半纤维等难降解物质，如将其进行单独堆肥存在周期长、效率低及难度大等问题。园林绿化废弃物与动物粪便等堆肥方面的研究已有报道［3-4］，但以休闲农业园区人体排泄物与园林绿化废弃物堆肥的研究尚未见报道。由于人体排泄物的氮素含量较高，针对园林绿化废弃物与人体排泄物的特性，本试验探究两者不同的混合比例及添加堆肥菌剂，以期实现休闲农业园两种废弃物的最大化利用，并获得较好的堆肥产品。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验采用广东省中山市海枣椰风景园林工程有限公司自主研发的发明专利“一种新型休闲农业园区人体排泄物处理装置”（已授权实用新型专利，专利号：201610766867.7，图1）反应器处理后的粪便渣和园林绿化废弃物为试验材料。园林绿化废弃物取自中山市酷酷乐奇果丛林休闲农业园的枯枝落叶、杂草、乔灌木修剪枝等，将园林绿化废弃物粉碎为粒径1～2 cm，该园区常见的植物有刺果番荔枝、无花果、鸡蛋花、风铃木等。园林绿化废弃物和粪便渣的理化性质见表1。微生物堆肥菌剂购自附近的农资店。

1.2 试验方法

试验于2016年5月在中山市酷酷乐奇果丛林休闲农业园进行，设4个堆肥处理，分别为：T1，园林绿化废弃物与粪便渣按1∶2混合不加菌剂；T2，园林绿化废弃物与粪便渣按1∶2混合加菌剂；T3，园林绿化废弃物与粪便渣按3∶5混合不加菌剂；T4，园林绿化废弃物与粪便渣3∶5混合加菌剂。菌剂按每30 m2物料加1 kg菌剂混合均匀。

图1 “一种新型休闲农业园区人体排泄物处理装置”结构图

表1 堆肥材料的理化性质

堆肥前，各处理水分调至65%左右，pH值6.7左右，在堆肥槽中堆成长3 m×宽2 m×高1 m堆体。采用好氧堆肥，人工翻堆的方式，从堆肥开始到温度上升到60℃左右进行第1次翻堆，其后每隔3 d翻堆1次，到温度降至38℃左右每隔7 d翻堆1次至堆肥腐熟。堆肥过程中，每天上午10：00、下午15：00分别测定堆体的中部温度和pH，取平均值，并观察气味和颜色的变化。堆肥过程持续40 d，分别在堆肥1、3、5、12、18、25、30、40 d取样测定相关指标，每次取样每层多点取样混合，并采用3个平行样进行分析。

1.3 测定指标及方法

温度：用水银温度计进行测量，采用多点测量，测量堆体上、中、下部位温度，后取平均值。

pH值、EC值与全氮：样品与去离子水按1∶5（W/V）比例混合，放于摇床上连续震荡3 h，取浸提液2 000 r/min离心分离20 min，再经滤纸过滤得浸提液待用，使用pH计、电导率仪、H2SO4-H2O消煮-凯氏定氮法测定pH值、EC值与全氮。

堆肥对种子发芽指数（GI）：把2张大小合适的定性滤纸放入培养皿中，均匀放入30粒耳叶决明种子，用移液管吸取10 mL浸提液加入培养皿中，放置于25℃下培养箱，黑暗培养48 h，以去离子水为空白对照，3次重复。调查计算发芽率、根长，计算发芽指数（GI）：

试验数据采用Excel 2007和Spass 18.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度的变化

堆肥过程中温度变化是影响微生物活性的重要因素，是评价堆肥是否腐熟的重要参数之一，一般堆体在50℃以上持续5～6 d，有助于杀死堆肥原料中有害微生物和分解有毒物质，最终可使堆肥达到无害化和腐熟［5-6］。由图2可知，各处理堆肥过程中温度变化都经历升温、高温、降温及达到稳定4个阶段，且均在高温阶段（50℃以上）持续了14 d，其中处理T3升温最快，在堆肥3 d达到最高温66℃，T2和T4的最高温度明显小于T1和T3，说明添加菌剂有利于控制堆肥过程中温度过高，这可能是由于堆肥菌剂的快速繁殖抑制了热细菌类的生长；堆体的最高温度T1＜T3、T2＜T4，表明处理T3、T4的配比优于T1和T2，这可能是处理T3、T4的C/N比T1和T2更有利于堆体温度的升高；稳定阶段处理T4的堆肥温度最低，且较早腐熟，说明堆肥菌剂和合理的原料配比有利于堆肥的快速腐熟。随着堆肥温度的下降，40 d后堆肥温度接近室温，表明各处理已经达到腐熟要求。

图2 堆肥过程中温度的变化

2.2 堆肥过程中pH的变化

pH值大小对堆肥微生物生长有重要影响，不但影响微生物的活性强度，同时影响矿物质的氧化还原和分解［7］。一般pH值在6.7～9.0范围内堆肥微生物活性较高［8］，而堆肥在腐熟阶段呈弱碱性，此时pH值在8.0～9.0范围内［9］。由图3可知，各处理pH值变化趋势相似，在堆肥过程中都经历升高-降低-升高，最终基本稳定在8.0～8.4之间，均达到了堆肥腐熟的标准。其中，在堆肥5 d升温期，各处理pH值快速升高，由于微生物分解了原料中的有机物产生了 NH4+［10］，处理 T1、T2的 pH 值明显小于 T3和T4，表明粪便渣比例的增大提高了堆肥中有机物分解产生较高的氨，而pH值表现为处理T1＞T2、T3＞T4，说明菌剂降低了堆肥中的 pH 值，也就是在堆肥过程中减少了氨的挥发，从而提高堆肥的肥效［11］；堆肥5 d后各处理的pH值均下降，可能是由于这阶段堆肥中氨挥发、硝化细菌产生较多的H+及小分子有机酸产生等的原因［12］，因而在pH值下降的过程中有加菌剂的处理T2、T4的pH值分别低于T1和T3。

图3 堆肥过程中pH值的变化

2.3 堆肥过程中电导率的变化

图4 堆肥过程中EC值的变化

电导率（EC）是评价堆肥安全性的重要指标，其大小与堆肥浸提液的含盐量相关，EC值越高则堆肥含盐量越多，有研究表明EC值超过4 000 μS/cm易造成堆肥盐化而抑制植物的生长［13］。由图4可知，各处理在堆肥过程中EC值均在1 900 μS/cm以下，符合无害标准，不会对植物产生毒害机理。其中，在堆肥0～5 d的高温阶段，各处理EC值均呈下降趋势，这是由于有机物的大量降解使得NH3、CO2等气体的挥发以及胡敏酸、腐殖质含量的增加所致［12］；处理T1、T2各时间点的EC值均小于T3和T4，这是由于粪便渣比例越高，使C/N降低，从而EC值越高［14］；各时间点的 EC 值 T1＞T2、T3＞T4，即添加堆肥菌剂处理的EC值均小于无菌剂的处理，其原因可能是由于在堆肥过程中添加菌剂的生物活性更激烈，产生较多腐殖质，致EC值较低［15］。在堆肥后期，各处理的EC值均呈升高趋势，是由于随着有机质分解产生大量矿质盐分、有机酸分子等致使EC值逐渐升高［16］。

图5 堆肥过程中全氮含量的变化

2.4 堆肥过程中全氮含量的变化

堆肥中氮素含量影响堆肥产品的质量，氮素是植物生长过程中重要的营养元素。如果堆肥过程中处理方式不当，会造成氮素损失较多，致使堆肥严重缺氮，将这种缺氮的堆肥施用于土壤中，不仅肥效不高，而且还会夺取土壤中的氮素，从而导致土壤营养的失衡［17］。一般而言，在堆肥的过程中氨气的挥发会使得氮素损失，全氮减少。由图5可知，各处理的氮素含量总体呈上升趋势，其中堆肥0～12 d各处理的全氮含量迅速上升，这一方面是由于微生物在这期间活动激烈，使得大量CO2和有机物矿化的损失及H2O的产生，另一方面是由于氮素的降解速率小于碳素的降解速率；堆肥12 d后各处理全氮含量均呈先下降后上升再下降趋势，可能是因为高温及pH的作用，造成氨大量挥发，使得全氮下降。而上升阶段则是由于堆肥进入降温期，氨的损失减少，使得总氮含量上升。在各时间段中，处理T1的全氮含量均小于T2，T3小于T4，这是由于处理T2、T4加入了菌剂，使得堆肥中有机质降解导致“浓缩效应”的加剧，从而使堆肥全氮含量增加。处理T1、T2全氮含量均小于T3和T4，这是由于粪便渣的增加，使堆肥的氮含量也随着增加。

2.5 堆肥过程中种子发芽指数的变化

堆肥过程中会产生对植物有害作用的有机分解中间产物，如多酚、NH3和腐殖酸等，对植物生长起抑制作用，随着堆肥的进程，这些有害物质逐渐被降解。通过种子对堆肥毒性的敏感性测定，不但可以检测堆肥中毒性产物的发展，而且能有效检验堆肥腐熟度［18］。种子的发芽指数（GI）是测定堆肥腐熟度的重要指标之一，通常认为GI＞50%对种子基本无毒害且堆肥已达到腐熟，GI＞80%说明堆肥的植物毒性完全消失且堆肥完全腐熟［19］。由图6可知，4个处理的耳叶决明种子GI值变化趋势基本相同，均呈先升后降再升的变化趋势，其中在堆肥0～3 d各处理的GI值呈上升趋势；堆肥3～12 d，各处理GI值呈下降趋势，这是由于在这堆肥升温期，有机物被微生物降解产生大量有机酸和铵离子等抑制决明种子发芽；至堆肥25 d，各处理GI值大于50%，说明这时期基本腐熟；堆肥30 d，各处理GI值大于80%，表明这时堆肥完全腐熟。堆肥18 d后，GI值表现为处理T2＞T1、T4＞T3，且T3＞T1、T4＞T2，说明园林绿化废弃物与粪便渣的比例以及有无添加菌剂影响堆肥的腐熟周期，这与冯红梅等［20］的研究结果一致。

图6 堆肥过程中种子发芽指数的变化

3 结论

有研究表明，堆肥材料含水量必须在50%以上，但当含水量过高时会造成起始升温慢，微生物生成率低［21］。休闲农业园的粪池中含水量较高，本试验利用经过处理的粪便渣，减少了含水量，从而便于堆肥前将堆体含水量控制在65%左右。将园林绿化废弃物与粪便渣混合配比堆肥，不同比例混合对于堆肥效果具有显著影响，其中与园林绿化废弃物与粪便渣按3∶5的质量比混合堆肥较好。在园林绿化废弃物与粪便渣适合的比例基础上，加入菌剂有利于缩短堆肥的周期，减少有害物质，促进堆体的全氮含量的增多，提高种子的发芽指数。为了实现园林绿化废弃物与粪便渣的最大化处理，并获得较好的堆肥效果，建议选用T4处理，即园林绿化废弃物与粪便渣3∶5混合加入菌剂，菌剂按30 m2物料加入1 kg菌剂混合进行堆肥。堆肥结束时，各处理的温度。pH、EC、全氮及GI值均符合堆肥腐熟的标准，对决明种子发芽无毒害作用，且达到了腐熟。

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