农林废弃物堆腐后生产栽培基质的理化性质分析

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  摘要 利用延庆区玉米秸秆、蘑菇渣、芦苇和园林树枝作为原材料进行好氧发酵腐熟,混合好的腐熟物通过30%替代草炭、50%替代草炭、70%替代草炭和100%替代草炭,制成蔬菜栽培复合基质并分析其理化性质。结果表明,废弃物生产基质的安全性是有保障的;不同类型的农林废弃物腐熟的温度变化不同,但在45 d均可达到基质要求;物理性质方面,通气孔隙和持水孔隙均与草炭基质有显著差异;化学性质方面,pH属于正常范围内,养分元素(N、K、Ca、Mg)及电导率与草炭基质有不同程度的变化。
  关键词 农林废弃物;堆腐;栽培基质
  中图分类号 S 141.4  文献标识码 A
  文章编号 0517-6611(2021)19-0074-04
  doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2021.19.018
  开放科学(资源服务)标识码(OSID):
  Analysis of Physicochemical Property in the Production of Cultivation Medium for Composting Agricultural and Forestry Wastes
  ZHAO Yi
  (Beijing Yanqing Agricultural Technology Extension Station, Beijing  102100)
  Abstract Corn straw, mushroom residue, reed and garden branch in Yanqing District were adopted as raw materials for aerobic fermentation and compost maturity. Mixed maturation can produce vegetable cultivation medium and analyze its physicochemical property through 30% replaced peat, 50% replaced peat, 70% replaced peat and 100% replaced peat. The result showed that the medium produced from wastes had an ensured security. Since the maturation of different agricultural and forestry wastes might vary from each other in different temperatures, however,could meet the basic medium requirement within 45 days. In terms of its physical aspect, there was a significant effect with peat medium in ventilation and retention porosity while in its chemical aspect,pH value was still within the normal range and a different change was seen in nutrient elements like N, K, Ca and Mg and electric conductivity compared with peat medium.
  Key words Agricultural and forestry wastes;Composting;Cultivation medium
  作者简介 赵懿 (1980—),男,北京延庆人,高级农艺师,硕士,从事土壤肥料技术示范推广工作。
  收稿日期 2021-01-18
  延庆区是北京市的农业大区,常年玉米种植面积为2万hm2,近几年随着平原造林和土地整理等项目的开展,玉米播种面积下降至0.87万hm2左右[1],随之带来了树木的增多。在农林业生产过程中会产生大量的林业和农业废弃物,这些废弃物不仅处理难而且会造成严重的面源污染[2-3]。农林废弃物中含有丰富的有机质成分和矿物质[4],通过堆腐处理可形成优良的基质材料[5-6],用于无土栽培。目前,基质材料已经广泛用于蔬菜育苗、花卉栽培和土壤改良以及屋顶绿化等生产过程中,这些基质的主要成分包括草炭、蛭石、珍珠巖,而草炭又是我国农林生产基质的主材料,草炭是不可再生资源,农林废弃物的腐熟物成为替代草炭生产栽培基质的最佳原料[7-11]。
  笔者利用延庆区农林业生产过程中产生的几种废弃物,经过发酵堆腐混合后,替代部分草炭形成不同比例的栽培基质,分析其理化性质,旨在为延庆区农业废弃物生产栽培基质提供支撑。
  1 材料与方法
  1.1 试验材料
  废弃物供试材料包括农业废弃物(玉米秸秆500 kg、蘑菇渣500 kg),林业废弃物(树枝500 kg、芦苇500 kg)。微生物菌剂由中农绿康(北京)生物科技有限公司提供。尿素:市场购买46%含量尿素。
  1.2 材料预处理 将玉米秆、树枝、芦苇和蘑菇渣除去杂质,主要除杂玉米秸秆中的大块泥土、树枝中较粗的难以粉碎的部分,蘑菇渣中的塑料袋和菌棒的风口塑料箍,保证后续过程的数量。将除去杂质的废弃物进行粉碎,玉米秆粉碎成2 cm,树枝和芦苇粉碎至10 cm用于高温发酵。
  1.3 废弃物高温发酵方法
  废弃物好氧发酵地点位于延庆区旧县镇大柏老村,时间于2020年5月4日开始,6月19日结束。将废弃物堆置成1.5 m的发酵垛,喷施微生物腐熟菌剂、尿素和水,控制腐熟的环境。农林废弃物发酵菌剂加入量:每500 kg加2 kg菌剂;碳氮比控制:通过加入尿素水调节C:N控制在(25~30)∶1;含水率控制在55%~60%,尿素添加量:玉米秆1.31 kg;树枝2.87 kg;蘑菇渣1.07 kg;芦苇0.68 kg。   1.4 堆体温度测定 采用温度计法分别测定表面10 cm深度温度和50 cm深度温度并记录数据。
  1.5 腐熟物的理化性质测定方法 容重测定:采用重量法,参考《蔬菜育苗基质》NY 2118—2012 附录A”。
  通气空隙、持水空隙和总孔隙度:采用重量法测定,参考《蔬菜育苗基质》NY 2118—2012 附录B。pH:采用玻璃电极法测定;电导率:采用电极法测定;水解性氮:采用容量法测定;速效磷:采用紫外可见分光光度法测定;速效钾:采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定。重金属:采用紫外分光光度计法测定。
  1.6 不同的基质配方 设6个处理,处理①:纯农业废弃物处理,比例为3∶2∶2∶3;处理②:常规基质配方7∶1∶2(CK);处理③:废弃物30%替代草炭;处理④:废弃物50%替代草炭;处理⑤:废弃物70%替代草炭;处理⑥:废弃物100%替代草炭;各个处理的比例见表1。
  2 结果与分析
  2.1 农业废弃物重金属安全性分析
  试验前对4种农林废弃物进行重金属基础5项的测定,结果见表2。由表2可知,4种废弃物的铬含量在2.5~12.7 mg/kg,符合北京市地方标准蔬菜花卉栽培基质DB11/T 770—2010的要求(Cr≤140 mg/kg);金属镉含量在0.002~0.230 mg/kg,符合DB11/T 770—2010的要求(Cd≤0.3 mg/kg);金属铅含量在0.20~351 mg/kg,符合DB11/T 770—2010的要求(Pb≤100 mg/kg);金属汞未检出,符合DB11/T 770—2010的要求(Hg≤0.3 mg/kg);砷含量在0.11~0.59 mg/kg,符合DB11/T 770—2010的要求(As≤40 mg/kg)。综上,延庆区4种农业废弃物重金属均在安全范围内,可以进行下一步基质化生产。
  2.2 废弃物好氧发酵过程中温度变化
  堆体温度是废弃物好氧发酵的主要指标,大体可分为中温阶段、高温阶段和降温阶段,中温阶段是嗜温微生物较为活跃阶段,主要分解纤维素和半纤维素物质;高温阶段是嗜热微生物活跃阶段,主要分解较为复杂结构的有机化合物和纤维素等,降温阶段也是嗜温微生物对嗜热微生物分解的残余物质进行再分解。不同废弃物堆腐过程中10 cm温度变化见图1。
  由图1可知,10 cm的堆体中堆腐后3 d玉米秆达到最高温度,为61 ℃,随后7 d内温度逐渐下降。芦苇、树枝和蘑菇渣在堆腐后4 d达到最高温度,为45 ℃,随后7 d蘑菇渣和芦苇温度逐渐下降,树枝温度保持不变。5月11日第一次翻堆后,玉米秆的温度再一次上升到61 ℃,随后保持高温7 d,此时是嗜热微生物活动较为活跃阶段。芦苇和蘑菇渣也逐渐升温到45 ℃,并保持此温度7 d左右,此时树枝温度也开始逐渐下降。5月18日第二次翻堆后玉米秆温度逐渐上升,其他3个废弃物均保持稳定状态。5月28日第3次翻堆后玉米秆和蘑菇渣温度再次升高,芦苇和树枝也有小幅度的升高,但并没有比前2次的温度更高,随着第4次的翻堆4种废弃物的温度开始下降。
  堆体内50 cm的温度变化见图2。由图2可知,内部温度变化和10 cm的温度变化趋势相似。堆腐前3~4 d温度达到最高点,随后下降。第一次翻堆后温度再次升高,保持高温约7 d;第3次翻堆后温度有所提升但没有前2次翻堆所产生的温度高,第4次翻堆后溫度开始趋于稳定。通过内外温度的测定,说明延庆区从5月初开始进行废弃物腐熟,45 d温度会趋于平稳能达到基质要求。
  2.3 废弃物基质不同比例配比的理化性状分析
  总孔隙度是指基质中通气空隙和持水孔隙的总和,表示基质在可以容纳空气和水分空间的总和。从表3可以看出,不同配比的物理性状不同。通气空隙最小的是处理②(CK),通过废弃物替代草炭,通气空隙逐渐增大,不含有蛭石和珍珠岩的纯农业废弃物腐熟物的通气空隙最大,达40.1%。持水孔隙度最大的是处理②(CK),随着废弃物替代的增加持水孔隙逐渐减小。总孔隙度对照最大,其他处理较对照低,但差异不显著。总孔隙度在66.1%~70.3%,符合花卉栽培基质的标准,符合DB/T 770—2010的要求。
  容重是基质的一个重要指标,容重过大基质过于紧实,通透性能差,容重过小基质过于疏松,不利于根系的固定。容重最大的是处理①纯废弃物,为0.26 g/cm3,最小的是处理③,为0.1 g/cm3,基本符合室内栽培植物的容重0.1~0.5 g/cm3的要求[5]。
  废弃物基质不同配比后的化学性状见表4。由表4可知,处理②对照的pH为6.42,随着废弃物的添加pH逐渐增加,处理⑥100%替代草炭pH为8.33,纯废弃物pH为8.29略低于处理⑥,与对照差异显著。电导率也呈相似的趋势,处理②最低,随着废弃物的替代电导率也逐渐增加,处理⑥100%替代草炭电导率达0.9 ms/cm,处理①电导率最高为1.5 ms/cm,废弃物处理均与对照有极显著差异。水解性氮含量最高的是处理①,最低的是处理②,废弃物显著增加了原有基质中的水解性氮含量。处理②速效磷含量为104 mg/kg,处理③最高为146 mg/kg,与对照有显著差异,随着废弃物替代的增加速效磷呈逐渐降低趋势。
  速效钾以处理②最低,添加废弃物的处理速效钾均远高于对照,呈极显著差异。交换性钙最低为对照,废弃物的替代均高于对照,除处理⑥为显著差异外,其他均呈极显著差异。对照的交换性镁为4.45 cmol(1/2Mg2+)/kg,通过废弃物替代草炭,交换性镁均显著或极显著高于对照。
  3 结论与讨论
  3.1 废弃物制作栽培基质的安全性方面
  通过对延庆区玉米秆、树枝、蘑菇渣和芦苇杆重金属5项的测定,发现均在标准范围内,延庆区利用废弃物制作基质的安全性是有保障的。不会因为重金属的超标而生产的园艺植物或蔬菜对人体有害。   3.2 廢弃物制作栽培基质腐熟过程方面
  基质材料的选择和粉碎过程是至关重要的,选择容易粉碎的废弃物其腐熟程度会提升,容易粉碎的玉米秆和蘑菇渣的温度影响较高,腐熟程度较好;而树枝和芦苇的温度变化较小。在延庆区5月初温度基本已经稳定通过0 ℃,在这个日期进行废弃物腐熟基本在45 d可以完成。
  3.3 废弃物不同比例配比基质的物理性状和化学性状方面
  废弃物经过微生物的发酵降解,将木质素、纤维素等分解,同时也形成了与草炭不同的物理结构和化学结构。在通气和持水方面,废弃物的不同配比基质均与草炭基质有显著差异,表现为通气空隙增加,持水孔隙减小的特点。其主要原因可能是玉米秆的腐熟物容重较大引起,让废弃物配比的基质在整体上和草炭基质相比有极显著差异。化学性状方面,废弃物配比的基质在酸碱度方面比草炭基质有所升高,最大的pH在8.33属于碱性基质,也处于DB11/T 770—2010要求的正常范围内。另外,在以往研究中,农业有机废弃物堆腐后有效氮、磷、钾等主要营养元素和微量元素的含量可以得到提高[12-13],该研究中废弃物配比的基质在氮、磷、钾、钙、镁离子及电导率均明显增加,其主要原因可能是微生物在降解过程中将一部分矿质元素分离出来,这些养分一部分会被植物吸收,一部分会在栽培前经过淋洗作用过滤掉,同时淋洗作用也适当地降低了基质中的电导率水平。
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