不同发酵菌剂对树叶基质的堆腐效果

来源:用户上传      作者:韩星军 谢振斌 车显钰 姚文英 杜红斌

　　摘   要   2018年7—9月，在塔里木大学园艺实验站以秋季落叶为原材料，加入10%腐熟牛粪，再加入不同发酵菌剂进行堆腐发酵，对照不加菌剂，研究不同菌剂对树叶温度、理化性质、养分含量、堆腐效果的影响。结果表明，四个处理经高温堆腐发酵后均能达到有机物堆腐发酵腐熟标准;ZT菌剂、强兴菌剂和堆肥菌剂均能够提高堆體起始温度，可缩短堆腐时间;三种菌剂对树叶堆体前期温度影响大，后期温度影响较小;堆肥菌剂对树叶基物理性质无明显影响;ZT菌剂和强兴菌剂均能较大程度改善树叶基理化性质;ZT菌剂和强兴菌剂处理的树叶堆腐发酵效果最佳，其中“树叶+10%腐熟牛粪+强兴堆肥发酵菌剂”处理后的树叶基质基本符合蔬菜育苗基质农业行业标准（NY/T2118-2012）要求，对“树叶+10%腐熟牛粪+ZT秸秆腐熟菌剂”堆腐发酵后的树叶基适当降低其EC值也符合蔬菜育苗基质要求。
　　关键词   树叶基质;发酵菌剂;发酵温度;理化性质;元素含量;堆腐效果
　　中图分类号：S141.4   文献标志码：A    DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.25.012
　　近年来南疆地区设施农业迅猛发展，无土栽培前景广阔，基质栽培面积迅速扩展，市场需求量很大，但是市场中泥炭、草炭等基质资源有限，短期内不可再生、价格昂贵、南疆异地运输费用高，极大地限制了其在南疆设施生产中的推广和使用，有必要探索出一种适用于南疆地区无土栽培的基质替代物。新疆地域辽阔，植物资源丰富，树木资源分布区域广泛，秋季落叶不仅数量丰富，可再生、再生周期短，生物降解快，是一种非常重要的有机质资源[1]。南疆树木落叶等植物资源利用率极低且浪费现象突出，要么就地填埋要么焚烧处理，树叶等开发利用潜力十分巨大的植物资源没有得到利用和重视[2]。王景晴研究发现由枯枝落叶堆肥发酵后可以提供植物生长所需的腐殖质[3]。籍秀梅研究了以锯末作为试验基质，用不同比例的鸡粪、尿素与锯末混合来调节C/N比，添加生物菌剂，进行堆腐发酵试验，筛选出了能替代草炭的无土栽培优良基质[4]。本试验以塔里木大学及阿拉尔市区秋季落叶（粉碎粒径5 mm）为原材料，加入10%腐熟牛粪，再加入不同发酵菌剂（强兴堆肥发酵菌剂、ZT秸秆腐熟菌剂、堆肥发酵菌剂）进行堆腐发酵，探究不同发酵菌剂对树叶堆腐发酵的温度、理化性质、主要营养元素及重金属、腐熟程度等指标的影响，旨在筛选促进树叶堆腐发酵的优质菌剂，为研发出一种理化性质稳定、养分含量齐全、便宜实用的无土栽培有机基质提供参考。
　　1 材料与方法
　　1.1 材料
　　树叶基堆腐发酵试验于2018年7—9月在塔里木大学园艺实验站进行，试验主要原材料为塔里木大学及阿拉尔市区秋季落叶、10%已腐熟的牛粪，试验所使用的3种发酵菌剂分别为强兴堆肥发酵菌剂（简称强兴菌剂）、ZT秸秆腐熟菌剂（简称ZT菌剂）、堆肥发酵菌剂（简称堆肥菌剂），发酵菌剂基本简介见表1。
　　1.2 方法
　　1.2.1 试验处理
　　试验采用随机区组设计，设T1、T2、T3和CK4个处理，T1、T2、T3分别为强兴菌剂、ZT菌剂、堆肥菌剂，即在树叶材料中按照25 g·m-3的比例分别加入3种发酵菌剂，拌和有机肥（10%腐熟牛粪）进行堆腐发酵;CK为不加菌剂的对照组，即直接采用树叶基质和10%腐熟牛粪进行堆腐发酵。每处理重复3次。处理方法：将收集好的已晒干的树叶粉碎成0.5 cm粒径，把3种粉状菌剂分别均匀地洒在已粉碎好的树叶上，再按体积比加入10%的腐熟牛粪，加水迅速翻堆，保证菌剂与树叶基质充分混合，发酵堆体的水分保持60%左右，手掌捏紧能成团，指缝溢水而不滴，撒手落地即松散为宜[5]，发酵堆体呈直径为120 cm、高度80 cm的圆锥体。以“草炭+珍珠岩（体积比1∶1）”为标准。
　　1.2.2 堆腐发酵
　　在堆腐发酵过程中，随着温度的上升，堆体内部水分逐渐减少，内部氧气逐渐消耗至不足，试验根据发酵堆体温度变化，一周翻堆1次，通过“里翻外、外翻里”翻堆处理进行加水通气，含水量保持在60%左右，保证堆体水分适宜和空气流通，使其充分发酵。为降低雨水对发酵堆体内水分和温度的影响，防止水分和温度发生剧烈变化，在堆体上覆盖透明塑料薄膜，每翻堆一次更换一次薄膜，薄膜上适当扎小孔来维持空气循环。当发酵后的基质成棕黑色、无臭味，质感松软、有微小团粒，发酵堆体温度与堆外趋于一致时，即为发酵完成[6]。
　　1.2.3 项目测定
　　取发酵完成之后的树叶基质样品测定理化性质及养分含量。
　　1.2.3.1发酵堆体温度测定
　　将温度测试点定于发酵堆体上部，每个堆体插入3个数显温度计在堆体40 cm深处记录其温度，每天10：00、14：00和19：00三个时间段记录堆体温度，取同期3个数显温度计的算术平均值来描述发酵堆体温度变化，同时测定10：00、14：00和19：00三个时间段的堆外温度。
　　1.2.3.2树叶基质物理性质测定指标及方法
　　堆腐发酵完成后，在堆体中心及四周部位30～40 cm处采集约500 g样品，均匀混合，待基质自然风干后，粉碎过筛处理，测定其理化性质和养分状况。树叶基固体基质物理性质的测定依据郭世荣[6]的测定方法进行：取已知体积（V）为30 cm3的铝盒称重（W0），加满风干树叶基质称重（W1），然后加入蒸馏水浸泡，静置24 h后称重（W2），把铝盒中水分自然沥干称重（W3）。分别按以下公式计算各处理的物理性状。
　　容重=（W1- W0）/V
　　总孔隙度=（W2-W1）/V×100
　　通气孔隙度 =（W2-W3）/V×100 　　持水孔隙度=总孔隙度-通气孔隙度
　　气水比=通气孔隙/持水孔隙
　　上式中，容重单位为g·cm-3，总孔隙度、通气孔隙度、持水孔隙度单位为%。
　　1.2.3.3树叶基质EC值、pH值测定方法
　　取发酵完成风干自然状态树叶基质20 mL，加入去离子蒸馏水100 mL，振荡浸提10 min，过滤，取滤液用pH計测pH值，用精密电导率仪DDS-320测电导率[6]（EC值单位为mS·cm-1）。
　　1.2.3.4树叶基养分及重金属含量测定
　　在塔里木大学分析测试中心对堆腐发酵完成后的树叶基营养元素（速效氮、速效磷、速效钾），以及代换性镁、钙、有效铜、铁、锌、锰和重金属元素（铅、镉、铬、砷、汞）进行测定。
　　1.3 数据处理
　　用Excel 2013进行数据分析、作图。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同菌剂处理对堆体温度的影响
　　高温堆腐发酵过程中，温度是影响堆腐发酵过程中微生物生命活动的关键因素，堆体中的微生物在发酵过程中分解有机物同时能够释放大量的热能，促使发酵堆体温度上升，温度也是堆腐发酵能否顺利完成的重要参数之一[7]。堆体发酵温度的高低直接影响发酵反应速率的快慢，当堆体发酵温度在50～60 ℃范围时，对发酵物的降解有很好的效果，可彻底杀灭蛔虫卵[8]。
　　由图1可以看出，ZT菌剂、强兴菌剂、堆肥菌剂处理和CK 发酵堆体的温度变化曲线基本趋于一致。在树叶基堆腐发酵过程（30 d）中，不同处理的堆体温度随着翻堆时间的变化而呈现出“上升-下降-再上升-再下降”波浪型周期性变化。即翻堆时因加水通气导致大量热量散失，堆体温度迅速降低至波谷，翻堆结束后，发酵仍继续进行，堆体温度又开始迅速升高至波峰并保持相对稳定。
　　在第一次翻堆前一个发酵周期内即第一升温发酵周期（0～7 d），堆体温度快速上升，第二发酵周期（7～14 d）进行翻堆处理后，发酵堆体温度上升很快，温度保持一定阶段。第三腐熟发酵周期（14～21 d）进行翻堆处理后，发酵堆体温度上升比第二发酵周期略微缓慢，温度逐渐降低，堆腐发酵基质趋于腐熟。第四降温发酵周期（21～28 d）进行翻堆处理后，发酵堆体温度慢慢提升，较第三发酵周期升温缓慢且比第三发酵周期降温快，当堆体内部温度与外界温度趋于一致，基质呈黑褐色无异味，即发酵完成。
　　堆体堆腐发酵的初始温度达到40 ℃时可加速堆体升温，增温速度最快，堆腐发酵效率最高[8];堆腐发酵第一天当中10：00、14：00、19：00测得T1、T2、T3处理堆体起始温度基本都高于45 ℃，CK堆体起始温度高于40 ℃，T1（46.6、46.3、46.1 ℃）>T3（45.6、45.6、45.7 ℃）>T2（45.2、45.1、44.8 ℃）>CK（42.6、42.9、43.5 ℃）。堆体起始温度T1最高，三个菌剂处理皆高于CK、远高于外界环境（21.9、21.4、23.0 ℃）。
　　堆体温度在第一次翻堆前（0～7 d）上升最快且最高，T1、T2、T3、CK堆体温度分别在第4 d、4 d、
　　4 d、8 d迅速上升到最高温度60.8 ℃、61.3 ℃、61.5 ℃、56.9 ℃，由此可知，CK堆体升温最慢，且最高温度低于三个菌剂处理，到达最高温度耗时最长（8 d）。
　　在持续30 d的堆腐发酵过程中，4个处理堆体的中高温发酵温度（45～50 ℃）持续的天数基本维持在5～12 d，其中T1（12 d）持续时间最长，CK（5 d）持续时间最短。堆体的高温发酵温度（>50 ℃）持续天数为19 d（CK）、9 d（T1）、9 d（T2）、10 d（T3），即CK长于三个菌剂处理，T1、T2、T3差异不明显。
　　2.2 不同菌剂处理对堆体物理性质的影响
　　从图2可知，总孔隙度、通气孔隙度 、持水孔隙度T1、T2处理高于CK，T3和CK无差异。T1的总孔隙度接近标准，通气孔隙度低于标准，持水孔隙度高于标准;T2的持水孔隙度高于标准，其余都低于标准;T3、CK的总孔隙度、通气孔隙度、持水孔隙度都低于标准。除了T3、CK的持水孔隙度低于规定数值外，T1、T2、T3、CK的物理性质基本都符合蔬菜育苗基质农业行业标准（NY/T2118-2012）要求。
　　本试验结果，ZT菌剂、强兴菌剂、堆肥菌剂、CK及标准的容重分别为0.45、0.40、0.43、0.43及0.35 g·cm-3，可见三个菌剂处理和对照的容重相差不大，且皆高于标准，满足蔬菜育苗基质农业行业标准（NY/T2118-2012）要求;ZT菌剂、强兴菌剂、堆肥菌剂、CK及标准的气水比分别为0.30、0.35、0.44、0.44及0.79，可见三个菌剂处理和对照的气水比均低于标准，处于蔬菜育苗基质标准最适宜范围（0.25～0.50）。
　　2.3 不同菌剂处理对堆体化学性质的影响
　　许多研究者指出，pH值可以作为堆肥腐熟度评价参考指标之一。堆腐发酵的原材料大多数都呈弱酸性或中性，pH值在6.5～7.5范围内。堆腐发酵完成后堆肥的pH值一般呈弱碱性，pH值在8～9[9]。本试验结果，堆腐发酵后ZT菌剂、强兴菌剂、堆肥菌剂和CK的pH值分别为8.12、8.04、7.88和8.31，三个菌剂处理和对照的pH值均大于未经处理的原树叶（6.40），基本上都呈弱碱性，可见堆腐发酵后各处理pH值符合腐熟评价指标，也符合农业部生物有机肥料标准（NY884-2012）规定的“有机物经腐发酵腐熟后，pH值应在5.5～8.5范围”。
　　大多数作物适宜生长的EC值范围在0.5～3.0 mS/cm[10-11]。本试验结果，ZT菌剂、强兴菌剂、堆肥菌剂和CK的EC值分别为5.57、1.87、5.08、0.70 mS/cm，可见强兴菌剂和CK的EC值在适宜作物生长范围之内。 　　2.4 不同菌剂处理树叶基质堆体的营养元素含量
　　由表2可见，三个菌剂处理的速效N、速效P含量均明显高于对照和标准，同时对照高于标准，其中以堆肥菌剂速效N最高，达176.75 mg·kg-1，强兴菌剂速效P最高，达269.57 mg·kg-1;速效K含量强兴菌剂低于对照，ZT菌剂最高，达1 142.34 mg·kg-1，处理和对照均高于标准，同时对照高于标准。
　　三个菌剂处理和对照的锌、铜、铁、锰、镁、钙含量均明显高于标准。菌剂处理的铜、锰、钙含量高于对照，锌、铁含量低于对照;镁含量强兴菌剂最高，ZT菌剂最低，堆肥菌剂和对照居中且差异极小。锌、铜、铁、锰、镁和钙含量的最大值分别为对照（151.03 mg·kg-1）、ZT菌剂（32.34 mg·kg-1）、对照（10 777.81 mg·kg-1）、ZT菌剂（45.86 mg·kg-1）、强兴菌剂（12 130.47 mg·kg-1）和强兴菌剂（70 024.99 mg·kg-1）。
　　2.5 不同菌剂处理树叶基质堆体的重金属元素含量
　　由表3可见，三个菌剂处理和对照的重金属元素含量均远低于农业部生物有机肥料标准（NY884-2012）重金属限量要求。铅含量强兴菌剂最高（10.93 mg·kg-1），ZT菌剂最低（2.16 mg·kg-1）;镉含量对照最高（12.65 mg·kg-1），三个菌剂处理相近;铬含量强兴菌剂最高（0.30 mg·kg-1），ZT菌剂和堆肥菌剂最低（0.08 mg·kg-1）;砷含量ZT菌剂最高（5.18 mg·kg-1），对照最低（4.18 mg·kg-1）。ZT菌剂、强兴菌剂处理均未检出汞，堆肥菌剂、对照汞含量极低。
　　3 结论与讨论
　　本试验结果显示，ZT菌剂、强兴菌剂和堆肥菌剂均能够提高堆体起始温度，有助于发酵前期快速提升树叶堆体温度和堆腐速率，ZT菌剂前期提温效果最快;ZT、强兴、堆肥菌剂处理的发酵堆体在最短时间内快速达到最高温度，可缩短堆体发酵时间，这与席北斗等的研究结果[6]相符。ZT菌剂、强兴菌剂、堆肥菌剂对树叶发酵堆体前期温度影响大，对堆体后期温度影响较小;堆肥菌劑对树叶基物理性质无明显影响;ZT菌剂和强兴菌剂均能较大程度改善树叶基理化性质;基质的pH值整体都有所上升，堆肥菌剂处理的树叶基pH值变化幅度最小，腐熟后的树叶基质pH值全部符合农业部生物有机肥料标准（NY884-2012）的规定。ZT菌剂和堆肥菌剂处理会使树叶基质的EC值增大，堆肥发酵菌剂发酵后树叶基速效氮磷钾含量及其他主要营养元素含量都极高，远高于标准（草炭、蛭石体积比为1∶1），其中添加了三种菌剂的处理树叶基速效氮磷钾含量最大，ZT菌剂、强兴菌剂、堆肥菌剂能促进树叶基有机物质分解积累大量植物所需营养元素，可以为植物生长充分供应所需营养元素，并且有害重金属含量极低，远低于农业部生物有机肥料标准限量要求。
　　“树叶+10%腐熟牛粪发酵”“树叶+10%腐熟牛粪+ZT秸秆腐熟菌剂”“树叶+10%腐熟牛粪+强兴堆肥发酵菌剂”和“树叶+10%腐熟牛粪+堆肥发酵菌剂”这四种处理，分别经高温堆腐发酵后均能达到有机物堆腐发酵腐熟标准。强兴菌剂、ZT菌剂对树叶堆腐发酵效果最佳，其中“树叶+10%腐熟牛粪+强兴堆肥发酵菌剂”处理后的树叶基质基本符合蔬菜育苗基质农业行业标准（NY/T2118-2012）要求，对“树叶+10%腐熟牛粪+ZT秸秆腐熟菌剂”堆腐发酵后的树叶基适当降低其EC值也符合蔬菜育苗基质。
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　　（责任编辑：丁志祥）
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