楊樹皮基質化腐熟技術研究

楊樹皮基質化腐熟技術研究

摘要：本文以楊樹皮為原料，研究不同粒徑大小及微生物菌劑添加量對樹皮腐熟的影響。結果表明：經過70d的堆置，各處理容重增到0.4g/cm3以上，總孔隙度大于60%，水氣比高于初始值。楊樹皮在堆腐過程中，pH及EC值呈升高趨勢，各處理堆腐物最終偏堿性;粗粒徑楊樹皮（0.5cm≤粒徑≤2cm）腐熟后的EC值在0.51～0.54ms/cm間，而細粒徑（粒徑Key：楊樹皮;有機基質;腐熟;粒徑大小;微生物菌劑：S-3：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20190715015楊樹（Populusspp.）為我國重要的用材樹種，營林面積多達600萬hm2，超過世界其他國家楊樹人工林面積總和[1]。楊樹皮泛指干枝微管形成層以外的所有組織結構，約占干枝的10%左右[2]。然而，長期以來人們只注重如何利用楊樹木材，卻忽略了楊樹皮的資源化利用，在楊樹木材加工廠，樹皮僅作為燃料使用或廢棄，導致資源的浪費。這些綠色廢棄物如進行再利用，作為有機覆蓋物或有機肥，經進一步加工成基質，能夠解決當前泥炭資源匱乏的問題。樹皮作為栽培基質和有機覆蓋物的研究已引起國內外研究者的日益重視，而且對松杉[3，4]、桉樹[5]等樹種樹皮進行了研究，并在生產中廣泛應用。本文以楊樹皮為原料，研究不同微生物菌劑添加量對不同粒徑大小楊樹皮的腐熟效果，旨在為楊樹皮的有機基質化利用提供技術支撐。1材料與方法1.1試驗材料楊樹皮取自江蘇省泗洪縣楊樹木材加工基地，樹種為南林895楊樹（Populuseuramericana‘N-895）。樹皮曬干后用BEARCAT（Model70380）柴油粉碎機將楊樹皮粉碎，過篩分為2種粒徑大?。杭毩剑?lt;0.5cm）、粗粒徑（0.5cm≤粒徑≤2cm）。復合微生物菌劑（有機肥發(fā)酵劑Ⅰ）購買于北京京圃園生物工程有限公司;尿素（全碳含量為20%，全氮含量為46.3%）為中石化生產。楊樹皮的部分理化性質見表1和表2。1.2試驗條件及堆置方式試驗于南京林業(yè)大學國家林業(yè)局南方林木種子檢驗中心實驗室進行，環(huán)境溫度控制為25℃。楊樹皮堆體呈長方體，長90cm、寬70cm、高50cm。為了提高堆溫、減少水分散失并改善堆腐物質量，采用了棚膜覆蓋法[6]。1.3試驗設計試驗采取2因素完全隨機區(qū)組設計。因素1為楊樹皮粒徑大小，設為2水平，即粗粒徑與細粒徑;因素2為微生物菌劑添加量，設為3水平，即0.3%、0.5%、1%（以楊樹皮干重計），共6個處理，分別為M1、M2、M3、M4、M5、M6（表3），每個處理3次重復。堆料必須達到適宜的碳氮比，才能進行理想的堆肥[7]，以尿素為氮源[8]，粗粒徑楊樹皮各處理分別添加0.4kg尿素，細粒徑楊樹皮各處理分別添加0.6kg尿素，使得各處理最終的C/N達到28[9]。將微生物菌劑、尿素與40kg的水混合，均勻噴灑于各處理楊樹皮上后，經多次翻堆，混合均勻。1.4翻堆及取樣分別于堆制的第0、7、14、21、31、41、55、69天翻堆，以保證堆體氧氣的供應。翻堆時將堆體各部位材料混合均勻，采取多點取樣（取樣點>10）方法抽取2000g左右樣品，再采用四分法[10]分縮至500g。鮮樣用于物理及部分化學指標的測定，其余樣品風干后粉碎，過1mm篩后密封，于避光處儲存?zhèn)溆谩?.5理化指標測定1.5.1物理指標含水率：稱取5g左右的新鮮堆肥于鋁盒中，105℃下烘至恒重[11];容重、總孔隙度、水氣比（持水孔隙與通氣空隙之比）參照連兆煌的方法[11]。1.5.2化學指標pH值、EC值的測定：新鮮樣品與去離子水按1：5（W：V）比例混合，經振蕩離心提取上清液，分別用PHS-3C型pH計和DDS-307型電導率儀測定pH和EC值;全氮的測定采用H2SO4-H2O2消煮，奈氏比色法測定;全磷的測定采用H2SO4-H2O2消煮，釩鉬黃比色法測定;全鉀的測定采用H2SO4-H2O2消煮，火焰光度計法測定[12];有機碳采用直接測定法（灼燒法）[13];T值，為（終點C/N）/（初始C/N）。由于堆肥原料的不同，一些已達腐熟的堆料其碳氮比在8：[KG-*9]1～29：[KG-*9]1之間，相差很大，因而Hirai等建議采用利用最終堆肥的碳氮比與初始碳氮比的比值來評判堆肥腐熟的程度[14]。2結果與分析2.1腐熟楊樹皮物理性質經過70d的堆腐，各處理楊樹皮的物理性質均發(fā)生較大變化，其容重、水氣比（持水孔隙與通氣孔隙之比）增大。由表4可知，各處理楊樹皮容重均在0.4～0.46g/cm3之間，沒有顯著性差異，較初始值均有所增大，其中粗粒徑楊樹皮容重增加幅度為154%，細粒徑容重增幅為69%。各處理楊樹皮總孔隙度均大于60%，M6的總孔隙度最小，為60.6%，M4的總孔隙最大，為69.2%。由于粗粒徑楊樹皮經過堆腐處理后，大顆粒逐漸降解呈小顆粒狀，物料間空隙變小，造成了總孔隙度的下降，而細粒徑楊樹皮本身顆粒較小，堆肥化過程通氣孔隙不會有明顯的變化，持水孔隙增多使其總孔隙度增大。粒徑大小及微生物菌劑添加量對堆腐物最終孔隙度影響不顯著。各處理楊樹皮的水氣比均大于初始值，但各處理最終水氣比差異不顯著。M1的水氣比增幅最大，達到471%。2.2腐熟楊樹皮的化學性質楊樹皮堆腐處理后，其化學性質也發(fā)生了較大變化，EC值、全P、全K含量均高于初始值。粗粒徑楊樹皮的EC值在0.5～0.6ms/cm之間，顯著高于細粒徑楊樹皮的EC值;微生物菌劑添加量對粗粒徑楊樹皮最終EC值的影響不顯著，而對于細粒徑楊樹皮而言，添加1%微生物菌劑與添加0.3%、0.5%的2個處理均達到了顯著性差異。各處理初始pH中性偏酸，堆肥70d后，pH值高達8以上。由于有機質不斷分解成CO2和H2O而散失，堆體的體積隨之減小，全P、全K因此被濃縮而含量有所增加[15]。粗粒徑楊樹皮堆體體積下降明顯，導致了養(yǎng)分被濃縮，腐熟程度更佳，所以粗粒徑楊樹皮的全P、全K含量均高于細粒徑楊樹皮，其中全K含量差異達到顯著水平（表5）。粗粒徑楊樹皮各處理的T值均小于0.7，其中M2的T值小于0.6，而細粒徑各處理的T值大于0.7，由此可見，粗粒徑楊樹皮基本達到了腐熟化標準，而細粒徑楊樹皮降解程度較低，沒有達到腐熟的標準。粒徑大小對T值的影響達到了顯著性水平（P<0.01），而微生物菌劑添加水平對影響T值差異不顯著。3討論栽培有機基質一般起到支持錨定植物、保持水分、透氣、緩沖等作用，因此在選用有機基質材料時應從容重、總孔隙度、水氣比、pH、EC等方面考慮[16]，本文綜合了以上因素，并加入了能反映楊樹皮腐熟程度的T值及反映養(yǎng)分狀況的全P、全K含量，綜合分析了各處理的腐熟狀況及基質化程度。栽培基質的容重宜在0.1～0.8g/cm3之間[17]，過低對植物的固著力差，過高則會增加設施栽培的成本。栽培基質材料往往面臨著容重過小的問題，經常需要添加黃沙、土壤等容重較大的材料才能錨定植物。楊樹皮經過堆腐化處理后，容重均達到了0.4g/cm3以上。孔隙度直接影響水分和空氣的含量，是最重要的理化性質參數，一般來說，基質的總孔隙度在54%～96%范圍內即可，適宜的基質孔隙狀況能同時提供20%的空氣和20%～30%易利用水，水氣比在1.5～4范圍內[17]。各處理楊樹皮經過70d的堆腐，總孔隙度與通氣孔隙降低，而持水孔隙增加。謝兆森等利用木屑發(fā)酵腐熟，也得出了相同的變化規(guī)律[18]。雖然總孔隙度均達到理想栽培基質的要求，然而水氣比仍低于理想栽培基質要求，這說明楊樹皮雖經堆肥化處理，但孔隙仍較大，持水、保肥能力欠佳，不宜單獨作為栽培基質使用。EC值是栽培基質重要的化學性狀，表明基質內可電離鹽類的溶液濃度，反映了基質中可溶性鹽分的多少，直接影響澆灌營養(yǎng)液的平衡。李謙盛等經過大量的植物栽培試驗，獲得了EC值與植物生長之間的關系（表6）[19]。由此可見，只有粗粒徑楊樹皮的EC值滿足要求，細粒徑均低于0.36ms/cm，在具體使用時，可以通過噴施肥料或營養(yǎng)液提高基質的可溶性鹽含量。張沛健等以桉樹皮及尿素為原料進行堆肥實驗，其EC值位于0.46～0.58ms/cm之間[5]，接近于粗粒徑楊樹皮的EC值。Cunha-Queda等研究認為松樹皮堆腐物的EC值為0.22ms/cm，而桉樹皮的卻高達1.45ms/cm[20]。事實上，相較于闊葉樹種樹皮，針葉樹皮的可溶性鹽含量更低[21]。pH值直接影響著基質養(yǎng)分的存在形態(tài)、轉化和有效性，是基質肥力的重要因素之一。優(yōu)良基質的酸堿性一般為中性偏酸較為適宜，基質過酸（pH7.5）可能直接影響到植物根系的生長;可能會影響到營養(yǎng)元素的平衡、穩(wěn)定性和對植物的有效性[22];當有機基質的pH值在5.5～7之間時，植物對P、K、Mg、Fe、B等元素的利用率達到最佳，隨著pH的升高或降低利用率大幅降低。然而，隨著堆腐進行，各處理楊樹皮pH值呈升高趨勢，最后呈堿性，這與李艷霞等人的研究結果一致，即腐熟后的堆腐物呈弱堿性，一般pH值在8～9之間[23]。根據栽培植物對酸堿性的喜好，對其進行相應改良，一般可以添加硫酸亞鐵及酸性風化煤以降低基質pH值，同時改良基質結構。全P及全K含量反映了堆肥內營養(yǎng)元素的豐富程度，中國有機肥國家標準規(guī)定堆肥總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）含量應大于4%（NY525-2002），各處理的總養(yǎng)分含量均不達標。然而生產上對于栽培基質的營養(yǎng)元素含量并沒有做明確的要求，由于不同植物對營養(yǎng)元素種類、數量需求差異大;可以通過簡單有效地方法改善基質營養(yǎng)狀況，對植物生長加以調控。未腐熟的堆肥會產生揮發(fā)性有害物質如酚、單寧等，抑制植物生長，因而評價各處理的腐熟度至關重要。C/N比是常用的堆肥腐熟度評價方法之一。趙由才認為腐熟后的堆肥碳氮比應該在16左右[24]。但由于堆肥原料的不同，一些已達腐熟的堆料其碳氮比相差很大，一般在8：[KG-*9]1～29：[KG-*9]1之間，因而本文使用T值作為堆肥腐熟標準，考慮到堆肥原料為難降解的植物性材料，當T值在0.5～0.7時堆肥已腐熟[9]，由此可見，粗粒徑楊樹皮的腐熟效果優(yōu)于細粒徑楊樹皮。粗、細2種材料分別來自于楊樹表皮的不同部位，固有的理化性質有所差異;粗粒徑楊樹皮堆體的孔隙度更大，通氣狀況優(yōu)于細粒徑楊樹皮堆體，因而好氧微生物活性更強，腐熟效果更佳。因而，細粒徑楊樹皮的翻堆周期過長，堆體供氧量不足，降低了微生物的活性，今后可縮短翻堆周期以改善細粒徑楊樹皮的通氣狀況，理想的翻堆周期有待進步研究。此外，本實驗僅結合了大多數學者對理想栽培基質理化指標的探討結論，但由于不同植物對栽培基質理化性質的要求差別較大，因此今后需利用楊樹皮堆腐物進行栽培試驗，以探討其對特定植物的栽培效果。Reference[1]葉克林，王金林.人工林楊樹木材的加工利用[J].木材工業(yè)，2003，17（1）：7.[2]張英伯，魏舜明，周銀蓮，等.毛白楊樹皮的形成及其化學組成的研究[J].林業(yè)科學，1981（4）：351.[3]劉虎俊.NET系統(tǒng)和松樹皮基質栽培對草莓干物質積累的影響[J].西北農業(yè)學報，2001，10（3）：70-73.[4]溫丹，鞏彪，郭紋秀，等.松杉樹皮和玉米秸稈堆肥對番茄根結線蟲病的防治及土壤微生物的影響[J].中國蔬菜，2011（20）：39-44.[5]張沛健，彭彥，謝耀堅，等.基于桉樹皮的有機基質腐熟處理研究[J].熱帶作物學報，2011，32（3）：412-416.[6]王正奎，王莉瑋，喬俊婧，等.幾種農家堆肥模式中的氮素與有機質變化比較[J].西南師范大學學報（自然科學版），2011，36（2）：1.[7]BaringtonSF，MoueddebK，PorterB.Improvingsmall-scalecompostingofapplewaste[J].CanadianAgriculturalEngineering，1997，39（1）：9-16.[8]徐新銓.日本利用樹皮做堆肥[J].今日科技，1981（2）：23.[9]黃國峰，鐘流舉，張振鈿，等.有機固體廢棄物堆肥的物質變化及腐熟度評價[J].應用生態(tài)學報，2003，14（5）：813-818.[10]高粱.土壤簡易理化分析方法[M].云南：云南人民出版社，1978.[11]鮑士旦.土壤農化分析（第三版）[M].北京：中國農業(yè)出版社，2008.[12]連兆煌.無土栽培原理與技術[M].北京：中國農業(yè)出版社，1994.[13]徐朝堅.蘑菇堆肥中碳、氮測定法探討[J].食用菌，1980（01）：24-26.[14]HiraiM，ChanyasakV，KubotaH，etal.standardmeasurementforcompostmaturity[J].BioCycle，1983，24（6）：54-56.[15]EklindHYK.Compostingandstorageoforganichouseholdwastewithdifferentlitteramendments.Ⅱ：nitrogenturnoverandlosses[J].BioresourceTechnology，2000（74）：125-133.[16]索琳娜，金茂勇，張寶珠.農林有機廢棄物生產花木栽培基質技術和前景[J].北方園藝，2009（4）：108-112.[17]郭世榮.固體栽培基質研究、開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農業(yè)工程學報，2005（12）：1-7.[18]謝兆森，吳曉