羅　淵，袁　京，李國學(xué)*，李恕艷，江　滔，譚　鈞，邢文軍

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193；2.樂山師范學(xué)院，化學(xué)學(xué)院，四川樂山614004；3.香港中向國際有限公司，北京100024）

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種子發(fā)芽試驗在低碳氮比堆肥腐熟度評價方面的適用性

羅淵1，袁京1，李國學(xué)1*，李恕艷1，江滔2，譚鈞3，邢文軍3

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193；2.樂山師范學(xué)院，化學(xué)學(xué)院，四川樂山614004；3.香港中向國際有限公司，北京100024）

摘要：為了研究種子發(fā)芽率和根長與種子發(fā)芽率指數(shù)（GI）評價指標(biāo)的關(guān)系、取值及其在低碳氮比堆肥腐熟度評價方面的適用性，以豬糞為堆肥原料，進(jìn)行了兩組堆肥試驗。其中一組添加初始物料濕重15％的木本泥炭作為調(diào)理劑和固氮劑，另一組在添加相同比例木本泥炭的基礎(chǔ)上再添加過磷酸鈣進(jìn)行優(yōu)化，過磷酸鈣的添加比例約為初始物料干重的16％。通過兩種種子（蘿卜種子和白菜種子）的發(fā)芽試驗，結(jié)合概率統(tǒng)計原理對堆肥的腐熟度進(jìn)行了評價。研究結(jié)果表明，兩個處理在整個堆肥過程中均維持了較高的NH+4-N含量（1.77～3.40 g.kg-1DM），而較高的NH+4-N含量是抑制種子根長伸長的主要原因。因此，將種子發(fā)芽率（SG）和相對種子根長（RRG）這兩個指標(biāo)相結(jié)合比種子發(fā)芽率指數(shù)（GI）這單一指標(biāo)更能準(zhǔn)確地評價低碳氮比堆肥的腐熟度，當(dāng)SG≥70％且RRG≥50％時，表明堆肥已達(dá)到腐熟且對作物無鹽害。

關(guān)鍵詞：豬糞；木本泥炭；過磷酸鈣；腐熟度；種子發(fā)芽率；相對種子根長

羅淵，袁京，李國學(xué)，等.種子發(fā)芽試驗在低碳氮比堆肥腐熟度評價方面的適用性[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2016，35（1）：179-185.

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隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化程度的提高，專業(yè)化特征越來越明顯，導(dǎo)致養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)日益分離，循環(huán)農(nóng)業(yè)的鏈中斷。從事養(yǎng)殖的不種地，畜禽糞便不能當(dāng)作肥料；種地的不再從事養(yǎng)殖，農(nóng)田靠施用化肥，使畜禽糞便用作農(nóng)田肥料的比重大幅度下降，畜禽糞便亂堆亂排的現(xiàn)象越來越普遍[1]。因此，如何實現(xiàn)畜禽糞便的資源化利用成為一個亟待解決的問題，而好氧堆肥作為一種畜禽糞便資源化利用的重要途徑，在國內(nèi)外得到廣泛的研究與應(yīng)用[2-4]。

用低碳氮比物料進(jìn)行堆肥，可以增加堆肥產(chǎn)品的含氮量，從而提高堆肥產(chǎn)品的養(yǎng)分含量，但同時堆肥過程中又存在氮素?fù)p失嚴(yán)重的問題，主要表現(xiàn)為氨氣（NH3）排放造成的臭氣污染。所以，用于堆肥的固氮材料一直是國內(nèi)外研究的熱點。常見的固氮材料包括高碳物質(zhì)（鋸末、草炭和蚯蚓糞等）、物理吸附劑（泥炭和沸石等）、化學(xué)藥劑（硫酸亞鐵、氯化鐵和過磷酸鈣等）、外源菌劑以及一些新型材料（脲酶抑制劑和硝化抑制劑）[5]。堆肥產(chǎn)品腐熟與否決定了堆肥過程的成敗，而有效地評價低碳氮比堆肥的腐熟度就顯得尤為重要。Zucconj等[6]通過研究，提出了種子發(fā)芽指數(shù)（GI）這一指標(biāo)后，該指標(biāo)作為評價堆肥腐熟度的生物學(xué)指標(biāo)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[7-10]。但GI在評價低碳氮比堆肥腐熟度方面卻受到限制，原因是低碳氮比堆肥中大量存在的NH+4抑制了種子的發(fā)芽和根的生長，這一結(jié)論也得到了普遍的共識[8，11-14]。此外，GI是由種子的相對發(fā)芽比例和相對根長計算得到，而這一指標(biāo)沒有考慮所用種子本身的發(fā)芽率，即沒有考慮抽樣誤差帶來的影響，難免使其對堆肥腐熟度的評價結(jié)果產(chǎn)生偏差。

本研究在選用木本泥炭作為低碳氮比堆肥調(diào)理劑和固氮劑的基礎(chǔ)上，通過添加過磷酸鈣對堆肥過程進(jìn)行優(yōu)化。研究選取蘿卜和白菜種子（前者顆粒較大，后者顆粒較小，一般認(rèn)為這兩種種子對堆肥浸提液的敏感程度不同[12]），結(jié)合概率統(tǒng)計的基本原理，利用種子發(fā)芽率（SG）和種子相對根長（RRG）指標(biāo)對低碳氮比堆肥腐熟度進(jìn)行了評價，以期通過這兩個指標(biāo)對GI指標(biāo)評價方法進(jìn)行?進(jìn)，從而更有效地指導(dǎo)科學(xué)研究和實際生產(chǎn)。

1　材料與方法

1.1供試種子

試驗選用的種子為聚紅水果蘿卜種子和四季小白菜種子，均購自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，其入袋發(fā)芽率均為85％。

1.2供試物料及添加劑

堆肥物料由新鮮豬糞和木本泥炭混合而成，其C/N約為16，含水率為62.06％，木本泥炭的添加比例為物料總濕重的15％。豬糞為干?糞，取自北京市海淀區(qū)蘇家坨養(yǎng)豬場，鮮基含水率為69.74％，干基總碳（Tota1 carbon，TC）含量為30.99％，干基總氮（Tota1 njtrogen，TN）含量為2.68％。木本泥炭呈粉末狀，由香港中向國際有限公司提供，鮮基含水率為21.52％，干基總碳含量為52.14％，干基總氮含量為0.65％。添加劑過磷酸鈣購自市場，產(chǎn)地為湖北省鐘祥市，其P2O5的含量≥12％。

1.3試驗設(shè)計及試驗裝置

試驗共設(shè)2個處理，即不添加過磷酸鈣處理（對照）和添加過磷酸鈣處理。各處理的物料鮮重、添加劑用量如表1所示。物料和添加劑?充分混合后，裝入60 L密閉式發(fā)酵罐中進(jìn)行堆肥（圖1）。發(fā)酵罐為不銹鋼制成的雙層圓桶狀結(jié)構(gòu)，頂部密封，高度為70 cm，外直徑為46 cm，壁厚5 cm。發(fā)酵罐由軟件C-LGX系統(tǒng)控制，通過該系統(tǒng)可以根據(jù)時間或堆體溫度自動控制通風(fēng)量，并自動記錄溫度。試驗過程連續(xù)通風(fēng)，通風(fēng)量為0.36 L.mjn-1.kg-1DM。試驗于2014年8月到9月之間在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實驗站進(jìn)行，為期28 d。堆肥過程中除在第3 d翻堆一次外，其后每隔7 d翻堆一次。翻堆時?用多點法取樣，每次取樣300 g，一半冷凍保存，用于濕樣指標(biāo)（含水率、pH、電導(dǎo)率、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮以及生物學(xué)評價指標(biāo)）的測定，另一半風(fēng)干后粉碎，研磨，過0.149 mm篩后貯存，用于干樣指標(biāo)（總碳和總氮）的測定。

1.4試驗方法

（1）堆體溫度：由溫度探頭通過傳感器每隔2 h自動?集一次。

圖1　密閉式堆肥反應(yīng)器示意圖Fjgure 1 Djagram of aerated statjc pj1e devjce for compostjng

表1　試驗設(shè)計Tab1e 1 Desjgn of experjment

（2）含水率：在（105±2）℃下烘干至恒重。

（3）水浸提液：將濕樣和去離子水按1∶10（W/V）的比例混合，于搖床上以150 r.mjn-1轉(zhuǎn)動30 mjn，靜置10 mjn后，取其上?液過濾所得。

（4）KC1浸提液：將濕樣用2 mo1.L-1的KC1溶液按1∶10（W/V）的比例浸提，取其上?液過濾所得，具體方法同（3）。

（5）pH、電導(dǎo)率（EC）：用MP521型pH/電導(dǎo)測定儀測定水浸提液所得。

（6）生物學(xué)評價指標(biāo)：取5 mL水浸提液加入直徑為9 cm且鋪有濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，點播10粒飽滿的種子，置于（20±2）℃培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)48 h后測量種子發(fā)芽率和根長，計算種子發(fā)芽率（Seed germjnatjon，SG）、相對種子根長（Re1atjve root growth，RRG）和種子發(fā)芽率指數(shù)（Germjnatjon jndex，GI）。對照為去離子水培養(yǎng)。各指標(biāo)的計算公式分別為：

（7）銨態(tài)氮（NH+4-N）和硝態(tài)氮（NO-3-N）：取KC1浸提液，?適當(dāng)稀釋后用流動分析儀（Auto Ana1yzer 3，Sea1，德國）測定所得。

（8）總碳（TC）、總氮（TN）：將風(fēng)干樣于50℃烘干后，通過元素分析儀測定所得。

以上每個樣品做3次平行測定后取其平均值，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析借助MATLAB 7.0軟件完成。

2　結(jié)果與討論

2.1溫度的變化

2.2種子發(fā)芽率（SG）和相對種子根長（RRG）的變化

種子發(fā)芽率（SG）是指所選用的一定數(shù)量種子中發(fā)芽種子所占的比率。種子發(fā)芽的概率是指一批種子中發(fā)芽種子所出現(xiàn)的穩(wěn)定的頻率。對單個種子來說只有發(fā)芽和不發(fā)芽兩種結(jié)果，對一袋種子來說，一般不是100％發(fā)芽而有一個發(fā)芽的概率，即種子包裝袋上注明的入袋發(fā)芽率。本研究供試種子的入袋發(fā)芽率為85％。由供試種子發(fā)芽的概率計算得到表2中10粒種子發(fā)芽情況的概率。

在整個堆肥過程中，各處理不同類型種子SG變化幅度較小，均維持在70％以上，即10粒種子中至少有7粒種子發(fā)芽（圖3）。由表2可以看出，10粒種子的發(fā)芽數(shù)≥7（即SG≥70％）的概率大于0.05，而發(fā)芽數(shù)<7（即SG<70％）的概率小于0.05。根據(jù)小概率原理[20]，10粒種子的發(fā)芽數(shù)<7的事件在一次試驗中往往是不會出現(xiàn)的。這說明，當(dāng)SG≥70％時，堆肥浸提液對種子發(fā)芽無影響。此外，當(dāng)空白（去離子水）試驗的SG<70％時，說明供試的種子本身存在發(fā)芽率偏低的問題，因而試驗結(jié)果不可靠，需要更換種子。此次試驗中，空白（去離子水）的SG達(dá)到70％以上（表3），保證了試驗結(jié)果的可靠性。此外，在空白中，白菜種子的總根長為蘿卜種子的4.3倍（表3），在一定程度上說明白菜種子和蘿卜種子對外界環(huán)境的敏感程度不同。

表2　10粒種子發(fā)芽情況的概率分布Tab1e 2 Probabj1jty djstrjbutjon of number of germjnated seeds out of ten seeds

表3　空白（去離子水）的種子發(fā)芽率和種子總根長Tab1e 3 Seed germjnatjon and tota1 root growth jn dejonjzed water

在整個堆肥過程中，各處理不同類型種子RRG均出現(xiàn)較大幅度的波動，說明堆肥浸提液對種子根長伸長的影響比對種子發(fā)芽的影響大（圖4）。堆肥結(jié)束時，RRG均達(dá)到了50％以上，且蘿卜種子RRG高于白菜種子RRG。

圖3　堆肥過程中種子發(fā)芽率的變化Fjgure 3 Changes of seed germjnatjon rate durjng compostjng

圖4　堆肥過程中相對種子根長的變化Fjgure 4 Change of re1atjve root growth durjng compostjng

2.3種子發(fā)芽率指數(shù)（GI）的變化

堆肥最終將作為有機肥用于作物的生產(chǎn)，GI是一個生物學(xué)指標(biāo)，它綜合反映了堆肥產(chǎn)品的植物毒性的大小，被認(rèn)為是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度評價指標(biāo)[8]。一般當(dāng)種子GI≥50％時，堆肥對植物基本沒有毒性[6]；當(dāng)GI≥80％時，堆肥對植物完全沒有毒性[12]。在整個堆肥過程中，各處理不同類型種子GI呈?上升后下降再上升的整體趨勢（圖5）。新鮮豬糞的初始GI并不低，堆肥開始后才迅速下降，在?過一段時間的種子抵制期后，開始回升。堆肥結(jié)束時，不同處理、不同種子的GI均達(dá)到50％以上，說明堆肥達(dá)到了腐熟。GI的這種變化趨勢說明，堆肥過程中會產(chǎn)生大量的植物毒性物質(zhì)，如有機酸等[21]，而這些植物毒性物質(zhì)隨著堆肥時間的延長（堆肥趨于腐熟），才會逐漸減少。這也表明將新鮮豬糞等有機固體廢棄物進(jìn)行堆肥后施用的重要性。

圖5　堆肥過程中種子發(fā)芽率指數(shù)的變化Fjgure 5 Changes of seed germjnatjon jndex durjng compostjng

2.4堆肥過程中化學(xué)指標(biāo)（pH、EC、NH+4-N和NO-3-N）的變化

從表4可以看出，在整個堆肥過程中，兩個處理的pH值均維持在一個適宜的范圍內(nèi)（7.9～8.6），處理間差異不顯著（P>0.05），說明添加過磷酸鈣對pH無顯著影響。兩個處理的EC值均低于4.0 mS.cm-1的限值，不會對作物造成鹽害，但處理間差異顯著（P=0.02），說明添加過磷酸鈣提高了堆肥的含鹽量。NH+4-N含量呈現(xiàn)?增大后減小的趨勢，處理間差異不顯著（P> 0.05）。NO-3-N含量呈現(xiàn)?減少后緩慢變化的趨勢，處理間差異不顯著（P>0.05）。Tjquja等[22]研究認(rèn)為，在堆肥高溫期，硝化細(xì)菌活性受到嚴(yán)重抑制，硝化作用主要發(fā)生在堆肥后腐熟期。筆者認(rèn)為，本試驗整個堆肥過程中高的NH+4-N含量抑制了硝化細(xì)菌的活性，可能是導(dǎo)致硝化作用減弱的主要原因。這也從另一方面說明了木本泥炭在好氧堆肥中起到良好的固氮作用。

表4　堆肥過程中pH、EC、NH+4-N和NO-3-N的變化Tab1e 4 Changes of pH，e1ectrjca1 conductjvjty，ammonjum and njtrate durjng compostjng

2.5堆肥過程中各化學(xué)、腐熟度指標(biāo)間的相關(guān)性分析

對處理間的同一腐熟度評價指標(biāo)（GI、SG和RRG）進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明：對于蘿卜種子，處理間GI、SG、RRG變化差異均不顯著（P>0.05）；對于白菜種子，處理間GI、SG、RRG變化差異也均不顯著（P>0.05）。因此，只對其中未添加過磷酸鈣的處理在堆肥過程中各化學(xué)和腐熟度指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行了分析（表5）。①NH+4-N與蘿卜種子GI和RRG、白菜種子GI和RRG均呈顯著負(fù)相關(guān)的關(guān)系，與pH、EC均無顯著相關(guān)性，表明NH+4-N是抑制種子根長伸長的主要因素。這與之前的一些研究結(jié)果一致。Tjquja 等[12]研究了利用六種不同蔬菜種子的相對種子發(fā)芽率、相對種子根長和發(fā)芽率指數(shù)來評價豬糞和木屑堆肥的植物毒性，并通過多元回歸分析了堆肥的植物毒性與多種化學(xué)指標(biāo)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)NH+4-N是影響堆肥植物毒性的主要因素。Huang等[17]的研究結(jié)果表明，NH+4-N含量和GI呈顯著負(fù)相關(guān)的關(guān)系（R=-0.556，P=0.04）。②蘿卜種子GI與RRG呈顯著正相關(guān)的關(guān)系，蘿卜種子RRG和白菜種子RRG呈顯著正相關(guān)的關(guān)系，可見與GI指標(biāo)相比，不同種類種子RRG指標(biāo)對堆肥腐熟度的評價結(jié)果具有一致性。此外，雖然GI指標(biāo)將堆肥浸提液對種子發(fā)芽和種子根長伸長兩方面的影響結(jié)合了起來，但是由于沒有考慮到種子本身的差異所帶來的影響，即認(rèn)為所選用的種子發(fā)芽的概率為100％，使其對腐熟度的評價結(jié)果產(chǎn)生了偏差。

表5　堆肥過程中各化學(xué)指標(biāo)、腐熟度指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)（n=6）Tab1e 5 Corre1atjon coeffjcjents between chemjca1 jndexes and maturjty jndexes（n=6）

在無有機酸存在的情況下，高鹽分是抑制種子發(fā)芽的主要因素，因為種子發(fā)芽是一個吸脹的過程，水分是影響種子發(fā)芽的關(guān)鍵性因素，而鹽分含量與水分含量成反比。腐熟度反映的是堆肥的一種有機化學(xué)特性[23]，它表示是否存在對植物有害的有機酸，所以測量腐熟度應(yīng)該區(qū)分有機酸和鹽類對植物生長的影響，而通過SG和RRG這兩個指標(biāo)可以把有機酸和鹽類化合物對植物生長的影響區(qū)分開來?；蛘哒f，SG指標(biāo)可以評價堆肥對種子發(fā)芽的影響，而RRG指標(biāo)可以評價堆肥對種子根長伸長的影響。

通過對上述試驗結(jié)果的分析和比較得出，當(dāng)SG< 70％時，說明堆肥浸提液對種子發(fā)芽有抑制作用，堆肥中存在小分子有機酸，未達(dá)到腐熟，或是堆肥達(dá)到了腐熟，但鹽分含量超過了限值，對種子發(fā)芽有抑制作用；當(dāng)SG≥70％時，說明堆肥浸提液對種子發(fā)芽沒有影響，即種子發(fā)芽率達(dá)到了空白（去離子水）的要求（此時，RRG和GI的值相等），且當(dāng)RRG≥50％，即GI≥50％時，說明堆肥浸提液對種子根長伸長沒有影響，堆肥對作物沒有毒性。

3　結(jié)論

在NH+4-N含量較高的情況下，SG和RRG對豬糞堆肥腐熟度的評價效果優(yōu)于GI。但由于堆肥原料來源廣泛，這兩種指標(biāo)在其他原料（如污泥、生活垃圾和廚余等）堆肥腐熟度評價方面的適用性還需進(jìn)一步研究。

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Applicability of seed germination test to evaluation of low C/N compost maturity

LUO Yuan1，YUAN Jjng1，LI Guo-xue1*，LI Shu-yan1，JIANG Tao2，TAN Jun3，XING Wen-jun3
（1.Co11ege of Resources and Envjronmenta1 Scjences，Chjna Agrjcu1tura1 Unjversjty，Bejjjng 100193，Chjna；2.Co11ege of Chemjstry，Leshan Norma1 Unjversjty，Leshan 614004，Chjna；3.The Hong Kong Internatjona1 Co.，Ltd.，Bejjjng 100024，Chjna）

Abstract：Seed germjnatjon（SG），germjnatjon jndex（GI），and re1atjve root growth（RRG）have been wjde1y used to eva1uate the maturjty of composts. Thjs research was to examjne thejr app1jcabj1jty to the eva1uatjon of 1ow C/N compost maturjty. Two treatments，pjg manure amended wjth woody peat at 15％ of the jnjtja1 compostjng materja1 wet wejght（T1）and T1 supp1jed wjth superphosphate at 16％ the jnjtja1 compostjng materja1 dry wejght，were desjgned. Two kjnds of seeds（radjsh seeds and cabbage seeds）were examjned. Resu1ts showed that accumu1atjon of ammonjum njtrogen jn the compost was observed jn two treatments，wjth ammonjum njtrogen rangjng from 1.77 g.kg-1DM to 3.40 g.kg-1DM. Hjgh ammonjum njtrogen was a major factor jnhjbjtjng the root e1ongatjon. It was better for compost maturjty eva1uatjon to use combjned SG and RRG than GI. Both SG≥70％ and RRG≥50％ wou1d jndjcate that the composts are mature and don't cause sa1t damages to crops.

Keywords：pjg manure；woody peat；superphosphate；maturjty；seed germjnatjon；re1atjve root growth

*通信作者：李國學(xué)E-maj1：1jgx@cau.edu.cn

作者簡介：羅淵（1989—），男，碩士，研究方向為固體廢棄物處理與資源化。E-maj1：yuantjan3873@163.com

基金項目：國家“十二五”科技支撐項目“農(nóng)業(yè)廢棄物高效循環(huán)利用關(guān)鍵技術(shù)研究”（2012BAD14B01），“珠三角地區(qū)農(nóng)牧高效循環(huán)技術(shù)集成與示范”（2012BAD14B16）；香港中向國際木本泥炭農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用研究項目；國家自然科學(xué)基金（41201282）；中小企業(yè)發(fā)展專項資金中歐國際合作項目（SQ2013ZOA000008）

收稿日期：2015-07-03

中圖分類號：X713

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）01-0179-07doj：10.11654/jaes.2016.01.024