碳氮比对葡萄冬季修剪废弃物堆肥效果的影响
商佳胤 李凯 张鹤 田淑芬 苏宏 王丹 董永
摘 要：为了研究碳氮比对葡萄冬季修剪废弃物的堆肥效果，以设施种植的夏黑葡萄冬季修剪枝条为试材，设置了C /N为15、20、25、30、35等5个处理，测定了堆肥温度、总有机碳、全氮、全磷、全钾等营养指标以及蛋白酶、脲酶、纤维素酶、硝酸还原酶和蔗糖酶等酶活性指标。结果表明：C/N 30和C/N 35两个处理堆肥温度超过50 ℃的时间最长，均为11 d;C/N 25和C/N 30碳转化率更高，分别为22.54%和20.55%;C/N 30可以显著提高堆肥前期的积温，为堆肥创造较好的高温环境;相关性分析表明，蛋白酶、脲酶和硝酸还原酶活性与总有机碳、全氮和C/N具有更显著的相关性，能更好的反应堆肥效果，可以作为堆肥进程生化指标。综合评价，以C/N为30的葡萄冬季修剪废弃物堆肥效果最佳。
关键词：葡萄;碳氮比;修剪废弃物;堆肥
中图分类号：S141.4;S663.1 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.03.004
Effect of Carbon-nitrogen Ratio on the Composting Effect of Grape Pruning Waste in Winter
SHANG Jiayin1， LI Kai1， ZHANG He1， TIAN Shufen2， SU Hong1， WANG Dan1， DONG Yong3
（1. Tianjin Academy of Agriculture Sciences，Tianjin 300192， China; 2. Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China; 3.Tianjin Shuangjie Agricultural Technology Company Limited， Tianjin 300403， China）
Abstract：
To study the compost effect of carbon-nitrogen ratio on grape winter pruning waste， Winter pruning branches of summer black grape planted in facility were used as test materials， C /N were set up with 5 treatments which was 15、20、25、30、35， Nutrient indexes such as compost temperature， total organic carbon， total nitrogen， total phosphorus and total potassium， and enzyme activities such as protease， urease， cellulase， nitrate reductase and sucrase were determined. The results showed that， C/N 30 and C/N 35 treatments had the longest time of compost temperature over 50℃， both of which were 11d.The carbon conversion rates of C/N 25 and C/N 30 were 22.54% and 20.55%， respectively. C/N 30 could significantly increase the accumulated temperature in the early stage of compost and create a better high temperature environment for compost. Correlation analysis showed that the activities of protease， urease and nitrate reductase were more significantly correlated with total organic carbon， total nitrogen and C/N， which could better reflect the composting effect and could be used as biochemical indexes in the composting process. According to the comprehensive evaluation， C/N 30 compost had the best effect.
Key words：
grape; C/N; cut waste; composting
近几年，随着我国葡萄产业的快速发展，葡萄园修剪废弃物的无害化处理显得越来越重要。根据本课题组前期的研究，不同葡萄品种和种植模式在丰产期每年每公顷可以产生1 650～2 550 kg不等的冬季修剪废弃物，如果采用随意丢弃甚至焚烧的方式，会给葡萄园及农村环境造成极大的负面影响;同时，前人的研究表明，葡萄枝条中含有大量的木质纤维素和有机成分，作为燃料燃烧或简单的填埋无法实现葡萄园可持续发展的要求，而堆肥处理则成为一种必然趋势[1]。冬季修剪枝条中含有葡萄生长所需的大量元素[2]和微量元素[3-4]，以葡萄修剪废弃物为原料进行堆肥，可以有效增加葡萄园土壤孔隙率与透气性，最终达到果园废物“零”排放和减少果园化肥施用量的目的。目前，国内在园林绿化树[1]、尾菜[5-6]、畜禽养殖、大田作物秸秆、菌渣等方面的堆肥研究较多，但是单独研究葡萄冬季修剪废弃物的堆肥处理还比较少;对于堆肥过程中的營养指标和微生物研究较多，而调节 C/N ，是各种堆肥工作的基础，酶活性变化则是堆肥过程中重要的生化指标。因此，本研究设计的5个C/N的处理方法，希望通过该研究，获得处理葡萄冬季修剪废弃物堆肥最佳的C/N方案。
1 材料和方法
1.1 试验材料与设计
试验于2018年1月至5月在天津市农业科学院创新基地和天津双街农业科技有限公司基地进行。葡萄冬季修剪废弃物使用天津双街农业科技有限公司基地设施种植的夏黑葡萄，冬季修剪后，使用该公司的大型园林枝干破碎机进行粉碎，枝条粉碎后在天津市农业科学院创新基地进行堆肥试验。试验设置了5个处理，根据堆肥原料的初始总有机碳和全氮含量，通过添加尿素，将原料C/N调节为15，20，25，30，35，每个处理3次重复，每个重复的堆肥葡萄枝条质量为10 kg。
1.2 试验管理及取样
根据温度变化，堆肥开始后每周翻堆 1 次，保证堆温不超过 70 ℃。使用“杭州路格科技有限公司”生产的温湿度记录仪全天记录堆体3点温度，记录间隔为1 h，以其算术平均值描述堆体温度的变化。堆肥周期为 75 d，其中在堆肥过程中分别在15 d 和75 d各采样一次，共 2次，采样方式为五点采样法，即在中心及四角部位采集样品共约 200 g，采样点为堆体表面以下 20～30 cm 处。将采集的新鲜样品放于室内风干粉碎后用于测定试验指标。
1.3 测定指标与方法
总有机碳采用有机肥料行业标准（NY525-2002） 中规定的方法测定，全氮使用GB7173-87d半微量凯氏法测定，C/N采用总有机碳与全氮的值进行计算;总磷含量采用试剂盒比色法测定;全钾含量采用GB9836-88土壤全钾测定法测定;蛋白酶、脲酶、纤维素酶、硝酸还原酶、蔗糖酶均使用上海邦奕生物的检测试剂盒，采用酶联免疫吸附法测定（ELISA），试验仪器设备有：酶 标 仪（瑞士帝肯Tecan，仪器型号 Infinite F50），洗 板 机（深圳雷杜，仪器型号：RT-3500），离 心 机（赛默飞，仪器型号：Sorvall ST 40），培 养 箱：（上海一恒科学仪器有限公司，仪器型号：DHG-9240）。
1.4 数据分析
数据统计采用SPSS 24.0进行方差分析和相关性分析，使用皮尔逊双变量法进行相关性分析;使用Excel 2007进行图表制作。
2 结果与分析
2.1 不同处理堆肥过程中温度的变化
温度是影响微生物生长与繁殖的重要因子之一，也是堆肥过程控制中的最重要物理参数之一。高温可杀死病原菌，且在适当的温度范围内有机质降解最快，因此，堆体温度的高低决定堆肥速度的快慢。从图1中可以看出，5个处理堆体的温度变化趋势基本一致，整个周期经历了迅速升温阶段、高温阶段和后熟降温阶段。C/N15、C/N 20、C/N 25、C/N 30、C/N 35分别在17 d，10 d，10 d，10 d，11 d温度升到40 ℃以上，可见C/N15处理的堆肥升温效果要显著低于其它4个处理，说明提高碳氮比有助于堆肥升温。要达到最佳的堆肥温度50 ℃以上并维持一段时间，不同的C/N处理存在一定差异，其中50 ℃以上C/N15和C/N 25维持的时间最短（3 d），C/N 30和C/N 35维持的最长（11 d），堆肥最高温C/N 25最低（58.03 ℃），C/N 35最高（67.73 ℃），堆肥温度达到50 ℃以上的时间C/N15和C/N 20出现的最晚（27 d）， C/N 35出现的最早（11 d）。可见，5个处理的堆肥温度差异很大，较低的碳氮比（C/N15、C/N 20、C/N 25）会影响葡萄修剪废弃物堆肥高温维持天数并推迟高温出现时间，较高的碳氮比（C/N 30、C/N 35）则可以更早达到堆肥高温，更长维持高温天数。
2.2 不同处理堆肥日平均气温积温
有研究表明，积温可以作为堆肥过程中兼顾温度强度和保持时间的重要参数，与堆肥化进程及堆肥的腐熟度有关[7]。从图2中可以看出，0～25 d时，C/N 30的积温最高，显著高于其它4各处理，C/N 15的积温最低，可见，低碳氮比的处理，在堆肥前期会影响温度，从而影响堆肥的效果。在26～50 d时，C/N 30的积温显著降低，其它处理的积温有所上升，其中C/N 35和C/N 20的積温上升明显。在51～75 d时，各处理的积温均下降到与室温接近的水平，此时，C/N 15的积温最高，说明低碳氮会延长堆肥的时间。从总的积温可以看出，C/N 35的积温显著高于其它4各处理，而C/N 20、C/N 25、C/N 30的积温差异不显著，C/N 15则显著低于其它4个处理。可见，C/N 30会显著提高堆肥前期的积温，为堆肥创造较好的温度环境;C/N 35则会提升整个堆肥过程中的温度;低碳氮比则会降低堆肥前期和总积温。2.3 C/N对葡萄修剪废弃物堆肥的理化指标变化影响
在整个堆肥过程中，碳作为堆料中各种微生物优先利用的能源物质，被微生物不断分解利用并以 CO2和H2O 的形式挥发。由表1可以看出，5个处理在堆肥第15天的总有机碳含量较初值的40.50%均有显著降低，全氮含量较初值的0.76%有所上升，C/N则显著下降，各处理的变化规律与堆肥初期调节碳氮比有较大关联，全磷、全钾的含量则各处理间的差异不显著。堆肥第75 天时，各处理的总有机碳含量较堆肥15 d时均有一定下降，较堆肥15 d时分别下降了9.24%，12.05%，22.54%，20.55%和15.74%，可见C/N 25和C/N 30两个处理的碳物质转化量较大;与此同时，堆肥75 d与堆肥15 d相比，除C/N15处理外，另外4个处理的全氮含量则有所上升，说明较高的碳氮比会降低堆肥物料中氮的转化;在衡量堆肥效果主要指标的碳氮比方面，随着堆肥时间的延长，堆肥75 d较堆肥15 d相比其碳氮比的值均明显下降，其中，C/N 30处理的碳氮比下降幅度最大，为27.29%，C/N 15处理的下降幅度最小，为8.65%。在对堆肥过程中全磷和全钾的检测中发现，各处理在堆肥15 d时的全磷和全钾值无显著差异;在堆肥75 d时，处理间的全磷含量有一定差异，而全钾含量无显著差异;对比堆肥过程中的全磷和全钾含量，全磷含量前后无明显差异，而全钾含量则随着堆肥的进行有所升高。
2.4 C/N对葡萄修剪废弃物堆肥的酶活性变化影响
由表2可以看出，5个处理在堆肥后15 d的蛋白酶活性呈碳氮比越高活性越高的趋势;脲酶、纤维素酶和蔗糖酶则呈现与之相反的趋势;硝酸还原酶为中间高两边低的趋势。在堆肥后75 d，蛋白酶、脲酶、纤维素酶和蔗糖酶的变化趋势与堆肥15 d时基本一致，其中脲酶、纤维素酶和蔗糖酶的活性较堆肥15 d时呈显著的下降趋势，蛋白酶的变化则不明显;蔗糖酶在C/N15和C/N 20呈显著的下降，而另外3个处理则变化不大或略有上升。
2.5 堆肥指标的相关性分析
通过对10个堆肥不同时期的枝条腐熟指标进行相关性分析发现（表3），与堆肥相关的总碳、全氮和C/N呈现很大的相关性差异，全磷、全钾与总碳、全氮和C/N均无显著的相关性，说明在堆肥过程中，这2项指标与堆肥的进程无明显相关性;蛋白酶和硝酸还原酶与总碳和C/N两项指标有显著的相关性，硝酸还原酶与全氮呈显著的负相关;脲酶与全氮呈显著的负相关，与C/N呈显著的正相关;纤维素酶和蔗糖酶则与3个主要堆肥指标无显著的相关性。
3 结 论
有研究表明[1]，C/N 低，有机质降解强度小，温度上升迅速，高温期及堆肥周期短，积温低;C/N 高，有机质降解强度大，微生物分解速度缓慢，温度上升慢，高温期及堆肥周期长，积温高。本研究表明，较低的碳氮比会推迟枝条堆肥高温出现时间和减少高温维持天数，高碳氮比（C/N 30、C/N 35）可以延长堆肥发酵的高温期，C/N 30处理在提高堆肥前期积温方面效果最佳，能够为堆肥创造较好的温度环境;与之相反，低碳氮比（C/N 15）则会影响堆肥的温度和高温的持续时间，不利于堆肥的进行。总有机碳的减小并趋于平稳[8]，以及T（ 终点C/N /初始C/N） 值小于0.6时[9-10]，被认为是堆肥是否腐熟的重要指标，可见在堆肥过程中，碳的转化越快，其堆肥腐熟的效率越高。本试验中，C/N 25和C/N 30两个处理的碳转化率更高，分别为22.54%，20.55%，说明其处理的堆肥腐熟更快，效率更高。
在堆肥过程中，磷、钾这两个大量元素无明显的变化趋势和规律，并且相关性分析也表明全磷和全钾两个营养指标与总有机碳、全氮和C/N无显著的相关性，说明在堆肥进程中，磷、钾这两种元素对堆肥进程的影响不大。蛋白酶、硝酸还原酶、脲酶，与有机碳、全氮和C/N这3项指标具有显著的相关性;而纤维素酶和蔗糖酶则与堆肥进程的关键指标无显著的相关性;可见蛋白酶、硝酸还原酶和脲酶作为酶活性指标具有与堆肥关键指标相关的指示意义。
綜上所述，综合考虑各种堆肥进程因素，以C/N 30处理效果最佳;蛋白酶、脲酶和硝酸还原酶活性则可以在一定程度上体现葡萄冬季修剪枝条的堆肥效果。
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