时连辉

山东农业大学 资源与环境学院,山东 泰安 271018

几种农业废弃物堆肥过程中理化性状的变化研究

时连辉

山东农业大学 资源与环境学院,山东 泰安 271018

我国有着大量的农业废弃物，资源浪费严重并引起污染问题，将其经过高温堆肥处理并加以利用，具有重要的研究意义和研究价值。本试验研究了几种农业废弃物堆肥化过程中理化性状的变化，结果表明：（1）堆腐开始后，各种材料温度均迅速升高，较短时间后又较快的下降，不同材料温度上升的快慢及最高温度差异很大，翻堆可提高堆体的温度；玉米秸秆整个腐解过程均不需加水，小麦秸秆堆制前吸水特别困难，腐解较短时间后吸水就变得很容易，棉花秸秆失水较快，腐解过程中需要不断加水，而大豆秸秆和菇渣只需前期加水；在堆腐的过程中，各种材料持水孔隙度均有所增加；玉米秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆pH值变化均呈现出先降低后升高然后降低的趋势，菇渣和棉花秸秆表现为先升高后降低，但两者曲线有所不同；各种材料的电导率（EC值）均表现出先升高后降低的变化趋势；菇渣抗分解能力最强，双子叶植物秸秆比单子叶植物秸秆抗分解能力强，单子叶植物腐解过程中体积和重量减少较多；随着腐解过程的进行，容重都不同程度的增加；各种材料的NH4+N和全N都是前期升高，后期降低，而碳氮比（C/N）均呈下降的趋势；各种材料经过不同的腐解期后，腐解基质发芽指数(GI)很快升高，GI后期接近或超过100%。农业废弃物堆肥产品可以应用到农业的方方面面，并有很多新型应用。

农业废弃物;堆肥;理化性状变化

随着工农业和城市的发展，产生了大量有机废物，以前只有少量被利用，其余大多数排放至自然界，不仅污染了环境，而且造成了有机资源的浪费。随着人民生活水平的改善，人们对环境条件也提出了新的要求。如农作物秸秆在我国每年产量可达7×108t，随着国家经济实力增强和人民生活水平的提高，人们的环保意识增强，国家严令禁止焚烧秸秆，如1999年国家发布了《秸秆禁烧和综合利用的管理办法》，禁止在划定区域内焚烧秸秆。除秸秆以外，中国每年可产生城市生活垃圾(3.0～3.5)×108t，肉类加工厂(包括肉联厂、皮革厂和屠宰场)废弃物(0.5～0.65)×108t，城市污泥 0.2×108t，食用菌废料0.1×108t[1]。目前这些废弃物的利用率很低，只有20%左右，这些废料要么随地堆积，要么燃烧掉，这既浪费了资源，又对环境造成了严重的污染[2]，利用农业废弃物经过高温堆肥处理，进而生产有机肥、土壤改良剂和无土栽培基质等，可以变废为宝，也是建设节约型社会，发展循环经济，促进节约使用和合理利用再生资源，推进废物综合利用的需要[3-6]。

1 试验方法

1.1 温度测定方法

隔天测定1次温度，测定时间为上午11点，用温度计插入离表层50 cm处测定温度，选不同位置重复3次。

1.2 取样方法

从不同位置不同深度6个点取样，混匀后测定。

1.3 含水率的测定

用80℃恒温温箱烘24 h后测定，含水率=（湿重－干重）/湿重*100%。

1.4 体积变化和质量变化测定方法

每种材料用尼龙袋（0.3 cm孔）装入5 kg材料，放入堆体中间位置，翻堆时测定质量和体积，同时测定含水量，根据含水量换算成干重。

1.5 发芽指数(GI)

用相当于材料干重的10倍的蒸馏水浸泡2 h，培养皿中放入滤纸，浸出液浸泡滤纸，蒸馏水浸泡滤纸做对照，在人工气候箱中做黑麦草发芽试验，定期测定发芽率和根长。

GI＝（堆肥处理的种子发芽率×种子根长）/（对照种子发芽率×种子根长）×100%

1.6 呼吸速率的测定

用1L的广口瓶，瓶中加入30 mL 0.1 mol·L-1的NaOH溶液，将材料放入尼龙网袋中，每袋放10 g材料，将袋子悬挂在广口瓶的橡皮塞上，密封，放入60℃的恒温培养箱中培养24 h，用0.1 mol·L-1的HCl滴定，以每h吸入每g材料释放的CO2的量（mmol）代表呼吸速率。

1.7 pH值和电导率测定方法

堆肥第3 d第1次取样，以后每隔1周取1次样，采用饱和浸提法，pH值和电导率分别用雷磁酸度计和电导率仪进行测定。

1.8 容重和持水孔隙度的测定

容重的测定用带刻度烧杯法，持水孔隙的测定用10 cm高的花盆测定（饱和重力排水法）。

1.9 C和N的测定

含C量的测定用重铬酸钾外加热法，速效N的测定用KCl提取，加MgO凯氏定氮法，全氮的测定用凯氏定氮法[7]。

2 结果与分析

2.1 腐解过程中温度的变化

如图1所示，整个过程来看，最高温度均出现在从开始腐熟到第一次翻堆之间，达到最高温度后温度又以较快的速度下降，高温阶段维持2～3 d不等。不同材料到达最高温度的时间差异很大，菇渣1 d后即达到最高温度59℃，玉米秸秆第3 d达到最高温度75℃，大豆秸秆第5 d达到最高温度68℃，小麦秸秆第7 d达到最高温度63℃，棉花秸秆第9 d才达到最高温度64℃，出现以上现象可能有以下原因：菇渣本身含菌很多，堆体形成后高温菌迅速活动，但由于种植蘑菇时易分解物质大都分解，所以最高温度出现较快但温度只有59℃；玉米秸秆中可溶性糖等含量较高，可以供高温菌利用的食物很多，所以温度第3 d达到了最高温75℃；大豆秸秆高温菌可以用食物比玉米秸秆少一些转化稍慢，但第5 d即达到最高温度；小麦秸秆升温较慢的原因主要是小麦秸秆有一层蜡质层而吸水困难，蜡质层破坏需要一定时间；棉花秸秆升温最慢，可能与其木质化程度较高，前期可利用的易分解材料少有关。

从图1还可以看出，每次翻堆后温度都有所回升，由于翻堆的原因，温度呈现波浪式变化。温度在55℃以上可以杀死病菌，虫卵和杂草种子，从图1还可以看出，第3次翻堆以前各种材料的温度均在50℃以上，除菇渣总体温度稍低以外，各种秸秆材料55℃以上维持的时间均较长，可以实现产品的清洁化。从图1还可以看出，菇渣虽然整体温度较低，但后期温度相对较高。

2.2 腐解过程中水分和持水孔隙的变化

2.2.1 腐解过程中水分及其调节 如图2所示，玉米秸秆整个腐解过程均不需加水，并能维持较高的含水量，所以玉米秸秆腐解化期间劳动强度较低，操作较简单；小麦秸秆堆制前加水特别困难，到第1次翻堆时失水较多，第1次翻堆加水后吸水变得很容易，达到了较高的含水量，第2次翻堆加水后即不需要加水；棉花秸秆每次翻堆都需加水，原因是棉花秸秆木质化程度高，失水较快；大豆秸秆和菇渣较易吸水，前两次翻堆需要加水，第3次翻堆就不用加水了。

图1 不同材料腐解过程中温度变化Fig.1 Changes of temperatures in different material scomposting

图2 不同材料腐解过程中含水量的变化Fig.2 Changes of moisture in different materials composting

2.2.2 腐解过程中持水孔隙度变化 如图3所示，各种材料持水孔隙度变化不一致。玉米秸秆变化最小，从堆制前到第1次翻堆，持水孔隙度46.1%增加到49.2%，以后较稳定；小麦秸秆堆制前持水孔隙度最小，只有18.2%，到第1次翻堆时迅速增加到36.6%，最后的持水孔隙度也最小，保持了较高的通气孔隙；棉花秸秆堆制前的通气孔隙度只有25.4%，但到堆制结束时，持水孔隙度58.0%，达到了较高的持水孔隙；菇渣和大豆秸秆的持水孔隙度在堆制前和堆制完成时与其他材料相比都较高。

2.3 腐解过程中pH值和电导率的变化

2.3.1 腐解过程中pH值的变化 各种材料在腐解过程中的pH变化不一致，玉米秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆pH值变化均呈现出先降低后升高然后降低的趋势，以上材料前期pH值的降低可能与腐解过程中前期产生有机酸有关；菇渣和棉花秸秆表现为先升高后降低，但曲线变化明显不同（图4）。

从图4中可以看出，玉米秸秆和大豆秸秆pH值第一周达到最低，又开始上升，第四周达到最高后开始下降，玉米秸秆整个过程中表现为中性、酸性、弱碱性、弱酸性的变化规律，大豆秸秆表现为中性、弱酸性、碱性、弱碱性的变化规律；小麦秸秆第二周达到最低，小麦秸秆比玉米和大豆秸秆到达最低pH值的时间晚可能与小麦秸秆初期吸水弱，微生物活动弱有关，小麦秸秆在整个过程中pH值表现为中性、酸性、弱酸性的变化趋势，在整个腐解期间pH值均＜7；菇渣pH值从腐熟开始即开始升高，到第四周达到最高开始下降，其pH值未降低可能是产生有机酸的过程已在种植蘑菇阶段完成；棉花秸秆的pH值第一周略有升高，第二周达到最高，以后略有下降，但幅度很小，其pH值未出现降低现象可能与其本身材料pH值较低有关。

图3 不同材料腐解过程中持水孔隙度的变化Fig.3 Changes of water-holding pores in different materials composting

图4 不同材料腐解过程中PH值的变化Fig.4 Changes of pH value in different materials composting

2.3.2 腐解过程中EC值的变化 从图5中可以看出，各种材料的电导率（EC值）均表现出先升高后降低的变化趋势。菇渣、小麦秸秆、大豆秸秆第2周达到最高，以后有所下降，且第2次翻堆加水后由于淋溶作用下降较多；玉米秸秆第3周达到最高，以后略有下降，后期较为稳定，其后期稳定的原因可能与翻堆时未加水淋溶有关；棉花秸秆从开始到第2周迅速升高，第1次翻堆加水淋溶后略有下降，第4周达到最高，然后开始下降，第3次加水淋溶后下降较多。各种材料前期电导率升高的原因可能与NH4+的产生等有关，因EC值的升高和NH4+的升高规律基本一致（图11），他们后期电导率下降的部分原因可能与胡敏酸的生成有关。

2.4 腐解过程中腐解材料的分解速率研究

2.4.1 腐解过程中呼吸速率的变化 呼吸速率可以反映微生物的活性，从而可以反映腐解材料的分解快慢。从图6中可以看出，玉米秸秆、大豆秸秆、菇渣第1周呼吸速率达到最高，以后逐渐下降，三者中玉米秸秆第一周的呼吸速率最高；小麦秸秆和棉花秸秆呼吸速率第二周达到最高，以后逐渐下降。菇渣的呼吸速率虽然前期比其他材料略低，但是后期比其他材料明显偏高，可能与菇渣中微生物量较多有关，也可能由于菇渣较适合60℃的测定条件；棉花秸秆的后期呼吸速率比其他秸秆明显偏高，所以棉花秸秆持续分解的时间较长，其他三种秸秆第四周以后呼吸速率均维持在一个较低的水平，说明这三种秸秆材料后期分解较慢。2.4.2腐解过程中体积和重量变化 从图7中可以看出，腐解过程中不同材料之间体积变化差异较大。腐熟完成时，菇渣的体积与原材料相比只减少了23.3%，这与其在种植蘑菇期间体积已大大缩小有关；腐熟完成时，棉花秸秆和大豆秸秆分别比原材料较少了42.4%和52.4%，而小麦和玉米秸秆分别比原来较少了69.9%和69.3%，棉花秸秆和大豆秸秆属于双子叶植物，木质素含量较多，抗分解能力比属于单子叶植物的玉米秸秆和小麦秸秆要强。

图5 不同材料腐解过程中EC值的变化Fig.5 Changes of ECvalues in different materials composting

图6 不同材料腐解过程中呼吸速率的变化Fig.6 Changes of respirati on ratesin different materials composting

从图8中还可以看出，菇渣、棉花秸秆、大豆秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆，腐熟完成后其干物质重量与原材料相比分别减少了15.2%、33.8%、41.5%、54.8%、57.2%，菇渣和棉花秸秆尤其是菇渣通过腐解干物质减少较少，与其他相比，同样重量的原材料可以获得较多的基质产品。

图7 不同材料腐解过程中体积变化Fig.7 Changes of volumes in different materials composting

图8 不同材料腐解过程中重量变化Fig.8 Changes of weights in different materials composting

对五种材料腐熟后体积减少量和重量减少量做多重比较表明，除玉米秸秆和小麦秸秆差异不显著以外，其他之间均差异显著（P＜0.05）。

腐解期间重量和体积减少表明，农业废弃物腐解在其资源化的同时，可以实现减量化。

2.4.3 腐解过程中含碳量的变化 碳作为微生物的能源物质的组成元素，在腐解过程中被微生物不断消耗。从图9中可以看出，在腐解过程中各种材料的含碳量都逐渐减少，各种秸秆前期下降较多，后期下降较慢，菇渣整个过程下降较平缓，需要指出的是棉花秸秆最后的含碳量反而最少，可能与其产生较多的无机材料有关。

2.4.4 腐解过程中容重的变化 从图10中可以看出，随着腐解过程的进行，容重都不同程度的增加，容重增加的原因与有机材料减少、无机材料增加有关，也与随着腐解的进行，材料的粒径减小有关。玉米秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆容重前两周增加较多，以后比较平缓；菇渣和棉花秸秆容重整个过程变化都比较平缓。腐解完成后，小麦秸秆、玉米秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、菇渣的容重比原材料分别增加了50.0%、39.5%、20.4%、13.0%、10.5%，由于小麦秸秆和玉米秸秆原材料容重小，分解程度大，增加较多，而菇渣和棉花秸秆等原来容重大，分解程度小，增加较少。

图9 不同材料腐解过程中含碳量变化Fig.9 Changes of carbon contents in different materials composting

图10 不同材料腐解过程中容重变化Fig.10 Changes of bulk densities in different materials composting

2.5 腐解过程中氮和碳氮比（C/N）的变化

从图11、12中可以看出NH4+N和全N都是前期升高，后期降低。秸秆铵态氮前期升高一个原因是在调节碳氮比时加入了部分铵态氮，另一个原因是分解过程中秸秆被微生物分解释放出部分铵态氮。秸秆全氮前期升高一是调节碳氮比时加入了部分氮肥，另一个原因是碳的减少。菇渣铵态态前两周升高较快，后期下降较少且较平缓。

从图13中可以看出，在腐解的过程中，各种材料的碳氮比（C/N）均呈下降的趋势，这是因为随着腐解的进行，碳的损失比氮要高。秸秆由于前期含碳量下降较快，而总氮前期是增加的，所以碳氮比前期下降较多；菇渣的碳氮比腐解前就较低，下降较小。

2.6 腐解过程中发芽指数(GI)的变化

从理论上说，GI＜100%，就判断是有植物毒性，但在实际实验中，如果GI＞50%，则认为腐解材料已腐熟并达到了可接受程度，即基本没有毒性，当发芽指数GI达到80～85%时，这种腐解材料就可以认为是没有植物毒性或者说腐解已腐熟了。从图14中可以看出，玉米秸秆从第2周，其他材料从第3周，发芽指数都超过85%，也就是说玉米秸秆腐解两周，其他材料腐解3周，所获得的基质就可以直接使用而不会对发芽有毒害作用。

从图14中还可以看出，玉米秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆从第4周开始，棉花秸秆从第5周开始，菇渣从第6周开始，其发芽指数已经接近甚至超过100%，也就是说堆腐材料腐解完成时对发芽没有负影响甚至有促进作用。

图12 不同材料腐解过程中N含量变化Fig.12 Changes of total N content in different materials composting

图13 不同材料腐解过程中碳氮比（C/N）的变化Fig.13 Changes of C/Nratioin different materials composting

图14 不同材料腐解过程中发芽指数（GI）的变化Fig.14 Changes of Germination Index(GI)in different materials composting

3 小结

腐解开始后，各种材料温度均迅速升高，高温维持较短时间后又较快的下降。不同材料由于内部微生物易利用成分的含量不同，吸水难易不同等原因，温度上升的快慢及最高温度差异很大；翻堆提高了堆体的含氧量，所以温度会升高；大多材料55℃以上维持的时间均较长，可以消除原材料中的有害物质。

腐解过程中不同材料的水分特性差异较大。玉米秸秆整个腐解过程均不需加水；小麦秸秆堆制前吸水特别困难，第一次翻堆加水后吸水变得很容易；棉花秸秆失水较快，每次翻堆都需加水；大豆秸秆和菇渣前期失水较快，后期不需要加水。在腐解的过程中，各种材料持水孔隙度均有所增加，由于原材料孔隙度和分解的快慢不同，各种材料变化不一致。

玉米秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆pH值变化均呈现出先降低后升高然后降低的趋势；菇渣和棉花秸秆表现为先升高后降低，但两者曲线有所不同。各种材料的电导率（EC值）均表现出先升高后降低的变化趋势，各种材料的变化规律有所差异。

菇渣抗分解能力最强，双子叶植物秸秆比单字叶植物秸秆抗分解能力强，抗分解能力强的材料在腐解的过程中体积和质量变化较小，同样质量的材料获得的产品较多。

随着腐解过程的进行，容重都不同程度的增加，容重增加的原因与有机材料减少、无机材料增加有关，也与随着腐解的进行，材料的粒径减小有关

各种材料的NH4+N和全N都是前期升高，后期降低。碳氮比（C/N）均呈下降的趋势。

玉米秸秆从第二周，其他材料从第三周开始，发芽指数都超过85%，后来各材料发芽指数已经接近甚至超过100%，但达到无害化的时间有所差异。

4 农业废弃物堆肥产品应用

本研究团队进行了大量的堆肥产品的应用研究，特别注重新型应用研究。利用堆肥产品加工成生物有机肥，加工成各种类型的无土栽培基质，进行了土壤改良方面的研究，并模拟原始森林的生态结构，进行了农业废弃物堆肥基质园艺园林地面覆盖的的研究。以上研究均以进行了较大面积的推广，取得了良好的应用效果。

[1]李 季,彭生平.堆肥工程实用手册[M].北京:化学工业出版社,2005

[2]张艳哲,李 毅,刘吉平.秸秆综合利用技术进展[J].纤维素科学与技术,2003(6):57-61

[3]蒋卫杰,余宏军.我国无土栽培的现状、问题和展望[J].农村实用工程技术·温室园艺,2005(6):14-16

[4]Chong C,Cline RA,Rinker DL.Spent mushroom compost and paper mill sludge as soil amendments for containerized nursery crops[J].Combined Proceedings of the International Plant Propagators'Society,1988(37):347-353

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[7]鲍士旦.土壤农化分析[M].第3版.北京:中国农业出版社,2000

Studyon the Changesof Physicochemical Properties in Composting Processes of Several Agricultural Wastes

SHI Lian-hui
College of Resource and Environment/Shandong Agricultural University,Tai’an271018,China

In our country,agriculture by-product resources are excessive and badly wasted and resulted in environment problems.It has important research significance and research value through high temperature composting process.The experiment studied the physical and chemical properties change of several kinds of agricultural waste during the composting process,the result showed that:at the beginning of the composting process,the temperature of each material rapidly elevated and lasted for a while,followed by a quick drop,the speed of temperature rose and the maximum temperature differed from material to material.Turn piles may enhance the compost temperature.It was not necessary to add water to the whole process of decomposition of corn straw,wheat straw was very difficult to absorb water before composting,but after short composting time,its water-absorptivity boosted up greatly.Cotton straw dehydrated faster,and need to add water constantly during the decomposition process.Bean straw and mushroom residue compost only need to water in the earlier period.In the composting process,each kind of materials tends to increase water-holding pores.For corn straw,wheat straw and bean straw,changes tendency of their pH value present decline first,then elevate,and decline again subsequently,pH value of mushroom residue and cotton straw increased first and then decreased,but their curves were different.The conductivity of all kinds of materials(EC)shows the trend of elevating first,then reducing.The anti-decomposition ability of mushroom residue is the strongest,the decomposition ability of dicotyledonous plant straw is stronger than that of single leaf plant straw.The volume and weight of single cotyledons were reduced in the process of decomposition.With the process of decomposition,the bulk density increased in different degrees.Each material's NH4+N and total N elevated at the earlier period,then reduced at later period,and the C/N ratio(C/N)of all materials showed a downward trend.Germination Indexes(GI)of various substrates increased rapidly after different composting period,and GI closed to or exceeded 100%in later stage.Agricultural waste compost products can be applied to all aspects of agriculture,and there are many new applications.

Agricultural waste;compost;physical and chemical properties change

S141.4

A

1000-2324(2017)05-0716-06

2016-03-10

2016-04-20

“十二五”国家科技支撑计划课题:低成本村镇基础设施与环境建设技术研究与示范(2014BAL04B05)

时连辉(1970-),男,副教授,主要从事有机废弃物资源化利用及无土栽培研究.E-mail:shilh@sdau.edu.cn