云 鵬,馬 倩,黃明慧,顏雅欣,嚴正娟, 王辛龍

(1.四川大學化學工程學院,成都 610065;2.北京市有機廢棄物資源化工程技術研究中心/北京嘉博文生物科技有限公司,北京 100015)

【研究意義】磷(P)是生命活動不可缺少的營養(yǎng)元素,磷肥是重要的農(nóng)用三大肥料之一,對保障國家糧食安全至關重要。然而,由于磷肥的低效利用,導致磷礦資源浪費和短缺加劇、生態(tài)環(huán)境破環(huán)、農(nóng)田土壤退化和面源污染等一系列問題[1-5]。提高磷肥利用效率和循環(huán)利用廢棄物磷資源是當前應對磷礦資源危機,緩解生態(tài)環(huán)境問題的關鍵途徑。我國每年產(chǎn)生大量有機垃圾,因其含有豐富的有機碳,同時包含一定磷養(yǎng)分資源,將其堆肥化處理后,進行循環(huán)利用,能夠通過以碳促磷和廢棄物磷養(yǎng)分的循環(huán)利用雙重途徑實現(xiàn)磷資源的高效利用和緩解環(huán)境問題[6-8],是目前解決糧食安全-資源-環(huán)境系列問題關注的熱點。因此,探明有機垃圾堆肥的碳磷特征,對提出合理的管理策略和開發(fā)新型肥料,實現(xiàn)磷資源高效利用和廢棄物利用意義重大?！厩叭搜芯窟M展】堆肥原料是影響堆肥碳磷含量及其組成的關鍵因素。不同有機垃圾堆肥中碳磷含量及其組成可能存在較大差異,進而導致其施用土壤后對土壤碳磷素轉化和磷養(yǎng)分有效性的影響不同。已有研究對有機垃圾或其堆肥產(chǎn)物中的磷素含量和形態(tài)進行了研究,通常糞肥中磷含量及其活性態(tài)磷組分較高,而秸稈中磷素含量相對較低[3, 9]。同時,對于堆肥中有機碳的研究一直是關注的重點,大部分研究主要針對堆肥特定的物質進行表征,如腐殖酸、水溶性有機碳等[10-11]?！颈狙芯壳腥朦c】前人缺乏對堆肥中有機碳組成、結構和穩(wěn)定性的綜合研究,以及有機碳組成和磷素形態(tài)組成的協(xié)同性分析?！緮M解決的關鍵問題】選取以餐廚垃圾、園林廢棄物、雞糞和牛糞為主要原料的4種堆肥為研究對象,運用多種技術手段解析堆肥中的碳磷含量及其組分,為磷資源高效利用和廢棄物循環(huán)利用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 典型城鄉(xiāng)混合有機垃圾堆肥采集

2021年5月對4種典型的城鄉(xiāng)混合有機垃圾好氧堆肥處理模式進行調研,并進行堆肥樣品采集。4種堆肥分別為:① 餐廚垃圾堆肥(FW),取自北京海淀,堆肥原料以餐廚垃圾為主,稻殼為輔助(餐廚垃圾∶稻殼=2∶1),將餐廚垃圾篩選和固液分離,固相部分和稻殼混合置于生化機,采用精準好氧技術,在80 ℃下好氧發(fā)酵12 h;② 城市園林廢棄物堆肥(GW),取自北京海淀,以園林廢棄物為原料,機械粉碎至粒徑小于5 mm,添加微生物菌劑并控制物料含水量至60%～70%,進行30 d 好氧發(fā)酵;③ 雞糞/秸稈堆肥(ChM),取自湖北鄖陽,以畜禽糞便(雞糞為主)∶菌棒骨渣∶木瓜渣=3∶3∶1為原料,加入發(fā)酵菌種,進行35 d 控氧發(fā)酵;④ 牛糞/秸稈堆肥(CaM),取自湖北宜城,以畜禽糞便(牛糞為主)∶秸稈=3∶1為原料,加入發(fā)酵菌種,進行35 d 控氧發(fā)酵。堆肥樣品采用多點取樣法,從堆體的不同位置采集樣品,將樣品均勻混合,確保其一致性,采集樣品總量為3 kg。堆肥原料的基本性質見表1。

1.2 樣品處理與測定方法

將采集的堆肥樣品,迅速帶回室內,一部分風干過2 mm篩保存?zhèn)溆?一部分置于冰箱(-20 ℃)中備用。全磷采用濃硫酸-過氧化氫消煮-釩鉬黃比色法測定,有機磷含量采用灼燒法-鉬藍比色法測定,無機磷含量為全磷與有機磷含量的差值。堆肥磷分組采用修正的Hedley連續(xù)浸提磷分級方法[9, 12],依次采用去離子水(H2O-P)、0.5 mol/L NaHCO3(pH=8.5)溶液(NaHCO3-P)、0.1 mol/L NaOH溶液(NaOH-P)和1.0 mol/L HCl溶液(HCl-P)浸提,總磷含量采用過硫酸銨氧化-鉬銻抗比色法測定,最后采用H4SO4-H2O2消煮-鉬銻抗比色法測定殘余態(tài)磷(Residual-P)?？傆袡C碳含量采用重鉻酸鉀外加熱容量法,易氧化有機碳采用高錳酸鉀氧化-紫外分光光度法[13],水溶性有機碳采用去離子水浸提并通過總有機碳測定儀(Vario TOC,賽默飛)測定。

小分子有機酸與氨基酸含量:堆肥鮮樣用去離子水振蕩浸提后(堆肥∶去離子水為1∶10),采用高效液相色譜(LC-10AS,島津)測定小分子有機酸,采用KCl浸提-甲醛滴定法測定氨基酸含量。

腐殖酸(HS)提取采用0.1 mol/L焦磷酸鈉和0.1 mol/L氫氧化鈉混合浸提液,在室溫下振蕩浸提后,離心分離懸浮固體,浸提重復3次。采用0.5 mol/L HCl將浸提液pH調至7.0,過0.45 μm濾膜,得到腐殖酸(HS),冷凍干燥后備用。通過6 mol/L HCl將腐殖酸(HS)溶液的pH調至1.0,并將其在4 ℃冰箱中靜置12 h后,離心分離得到的沉淀物為胡敏酸(HA),上層清液為富里酸(FA),分別冷凍干燥后備用[14]。腐殖酸碳(HSC)和胡敏酸碳(HAC)通過總有機碳測定儀(Vario TOC,賽默飛)測定其碳含量,而富里酸碳(FAC)含量采用差減法計算FAC=HSC-HAC。腐殖化參數(shù)計算方法為腐殖化率(Humification ratio,HR)=HSC/TOC×100%;腐殖化系數(shù)(Humification index,HI)=HAC/FAC。

傅里葉變化紅外吸收光譜(FTIR)分析:堆肥和水溶性有機質的紅外光譜采用KBr壓片法在傅里葉紅外光譜儀上(FTT,珀金埃爾默)測定,掃描模式為4000～400 cm-1。對譜線選取特征峰,并對相應的官能團進行半定量分析[15]。

熱重(TG)分析:將堆肥樣品置于熱重分析儀(STA449F3,耐馳),在空氣條件下,實驗溫度為室溫至800 ℃,升溫速率為10 ℃/min[16-17]。

1.3 數(shù)據(jù)計算及處理

采用Excel 2019處理數(shù)據(jù)和Origin 2021制作數(shù)據(jù)圖。

2 結果與分析

2.1 不同有機垃圾堆肥有機碳特征

2.1.1 有機碳組成 不同有機垃圾堆肥的有機碳組分間差異明顯(表2)。4種堆肥以FW堆肥的總有機碳(TOC)含量最高,達367.72 g/kg,其余三者的總有機碳含量在242.24～281.41 g/kg。易氧化有機碳(ROC)是容易被氧化劑如高錳酸鉀分解的含碳化合物,是活性有機碳。4種堆肥的易氧化有機碳含量表現(xiàn)為GW≈ChM>FW≈CaM,GW堆肥最高為150.62 g/kg。易氧化有機碳占總有機碳的比例(ROC/TOC)以FW堆肥最低(31.54%),GW堆肥最高(57.22%),2種糞肥在50%左右。水溶性有機碳(DOC)是活性最高的有機碳組分,極容易礦化。4種堆肥水溶性有機碳含量及其占總有機磷碳的比例均差異明顯,表現(xiàn)為FW>ChM>CaM>GW,其中FW堆肥的水溶性有機碳含量以及DOC/TOC分別為41.16 g/kg和11.2%,明顯高于其他3種堆肥。

堆肥腐殖質類物質是堆肥品質最核心的指標,也是影響堆肥農(nóng)田效果的重要因素。腐殖酸碳(HSC)是堆肥最重要的有機碳成分,其對土壤生態(tài)、結構、養(yǎng)分有效性和植物生長都有重要影響[18-21]。如表3所示,4種堆肥的腐殖酸碳含量表現(xiàn)為GW>FW>CaM>ChM。腐殖化率(HR)以GW最高,達到47.57%,其他3種堆肥在20%～30%。腐殖酸碳根據(jù)其組分在酸堿溶液中溶解性的不同可分胡敏酸碳(HAC)和富里酸碳(FAC),HAC溶于酸不溶于堿,是腐殖酸碳中的分子量大、穩(wěn)定性高的物質,且含有多種功能基,如羧基、酚羥基等,也是對土壤修復最有利的物質[22],FAC則既溶于酸也溶于堿,是腐殖酸碳中分子量較小、活性較大和氧化程度較高的組分,易被微生物降解。4種堆肥的胡敏酸碳含量以GW堆肥最高(33.69 g/kg),FW堆肥最低(7.08 g/kg),2種糞肥堆肥的胡敏酸含量接近;富里酸碳含量為GW>FW>CaM≈ChM。腐殖化系數(shù)(HI)也以GW堆肥最高(0.37),而FW僅為0.09,2種堆肥的HI位于二者之間。

表2 不同堆肥的有機碳組成

表3 不同堆肥的腐殖酸及其組分含量和腐殖化參數(shù)

4種堆肥的活性有機組成小分子有機酸和氨基酸含量差異明顯,FW、ChM堆肥的小分子有機酸和氨基酸含量明顯高于GW、CaM堆肥(表4)。FW和ChM堆肥中具有豐富的小分子有機酸,總含量分別為61.16 和2.11 g/kg,差異較大;同時,FW和ChM堆肥的中氨基酸分別為11.24 和15.44 g/kg。 GW和CaM堆肥中僅低含量的草酸和氨基酸被檢測到。

2.1.2 有機碳結構特征 傅里葉紅外光譜(FTIR)廣泛用于堆肥有機碳官能團的分析。本研究中,堆肥有機碳紅外譜圖中主要的特征吸收峰有: 2920 和2850 cm-1(脂族 C-H伸縮),1720 cm-1(羧酸和羰基C=O伸縮),1620 cm-1(芳環(huán)骨架C=C,H鍵締合C=O和酰胺鍵O=C-H等疊加),1300～1400 cm-1(醇或羧酸類的O-H彎曲和酚類的C-O伸縮),1250 cm-1(羧酸C-O伸縮)和1030 cm-1(多糖C-O伸縮)[15-16, 18]。

4種堆肥本身的紅外光譜具有相似形狀(圖1-a),說明它們具有相似的官能團類型,特征峰處吸收強度存在不同程度的差異(圖 1-a和表5)。FW堆肥在2920、2850、1720 和1250 cm-1處的峰強度強于其它3種堆肥,說明其含有更豐富的脂類C-H及羰基和羧基的C=O結構,進而說明其存在較高含量的小分子有機酸和脂肪酸物質。2920 和2850 cm-1處的吸收峰面積與1620 cm-1處的吸收峰面積比值可指示堆肥本身、腐殖質等有機碳的脂肪性和芳香性的強弱,比值越小表明芳香性越強、芳構化程度越高[15]。FW堆肥(2920+2850)/1620比值為3.38,明顯高于其它3種堆肥(≤0.20),表明FW的脂肪性更強,芳構化程度較低。GW堆肥以1620 cm-1處的相對強度最高,達到78.33%,且(2920+2850)/1620比值最低為0.10,表明其具有較強的芳構化程度和芳香性。此外,2種糞肥的(2920+2850)/1620比值也很低。

4種堆肥的水溶性有機碳紅外光譜結果見圖1-b。在2920、1250 cm-1處,FW堆肥的水溶性有機碳有明顯吸收峰,CaM堆肥的水溶性有機碳僅有微弱峰,而GW和ChM堆肥沒有出現(xiàn)相應的峰,表明FW堆肥的水溶性有機碳含有較高的脂肪酸結構,CaM堆肥水溶性有機碳含有少量脂肪酸結構。在1500～1300 cm-1區(qū)域內,1420 cm-1處不同堆肥的峰強度差異明顯,表現(xiàn)為 GW>CaM>ChM>FW。此外,FW堆肥在1030 cm-1處的峰最強,表明FW堆肥中可能還存在較多多糖物質。表明,FW堆肥和CaM堆肥水溶性有機碳可能存在脂肪酸或羧酸結構物質,而GW堆肥和ChM堆肥的水溶性有機碳可能含有豐富的酚類化合物。

表4 不同堆肥的小分子有機酸及氨基酸含量

圖1 不同堆肥和水溶性有機碳的傅里葉紅外吸收光譜

表5 不同堆肥及其水溶性有機碳的紅外光譜主要吸收峰的相對強度

2.1.3 有機碳穩(wěn)定性分析 熱重分析(TG)結果顯示,4種堆肥的TG曲線具有相同變化趨勢,隨著溫度升高樣品質量逐漸降低,在30～750 ℃范圍內的質量損失為72.13%～85.23%。DTG曲線顯示4種堆肥具有相同的變化趨勢以及近似的極值點和拐點。在300～350 ℃的峰主要與簡單結構的有機碳有關,4種堆肥出峰順序依次為GW>FW>ChM>CaM,其中GW的峰位置在330.33 ℃處,說明GW堆肥中簡單結構的有機物熱穩(wěn)定性最好。在367.78 ℃處的峰可能與羥基脫除有關,4種堆肥中僅有FW堆肥出現(xiàn)了此峰,這與FW堆肥中含有較豐富的羧酸結構有關[17, 23]。

有機碳的熱穩(wěn)定性指堆肥在受熱條件下,有機碳抵抗分解的能力。有機碳的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性之間存在一定關系[24]。研究表明,在200～550 ℃范圍內的質量損失主要是有機物的燃燒分解,其值與堆肥有機質含量有著良好的相關性[16, 24],這與本研究結果一致(圖2)。根據(jù)Som等[16-17]的研究,將質量損失分為4個階段:WL1(25～125 ℃)主要是由于脫水產(chǎn)生的質量損失;WL2(200～375 ℃)通常認為與碳水化合物的燃燒和結構簡單的有機物質(如植物纖維素)有關;WL3(400～550 ℃)則與更復雜的有機物質(如芳香結構物質)有關;WL4(650～750 ℃)可能是碳酸鹽等物質的熱分解。將WL3與WL2 2個階段的比值(WL3/WL2)定義為RTG,其大小用來判斷堆肥穩(wěn)定性[16]。如表6所示,4種堆肥均在WL2階段質量損失最大,尤其是FW堆肥在此階段的質量損失達44.11%,分別為GW、ChM和CaM堆肥的1.82、1.55和1.48倍,表明堆肥中易降解、簡單結構有機碳含量高,尤其是FW堆肥。此外,4種堆肥在WL4階段的質量損失差異較大,以GW堆肥損失最高,表明GW堆肥含有更多大分子結構、熱穩(wěn)定性良好的有機碳。4種堆肥RTG表現(xiàn)為GW>ChM>CaM>FW,進一步說明,GW堆肥難降解有機碳含量高、熱穩(wěn)定良好,FW堆肥易降解有機碳含量高、熱穩(wěn)定差,而兩種糞肥堆肥介于FW和GW堆肥兩者之間。

2.2 不同有機垃圾堆肥磷素特征

不同有機垃圾堆肥全磷含量存在較大差異,FW、GW、ChM堆肥和CaM堆肥中全磷含量分別為2.62、3.01、8.44和5.08 g/kg(圖3-a)?？傮w而言,動物源堆肥(ChM堆肥和CaM堆肥)全磷含量高于植物源堆肥(FW堆肥和GW堆肥)全磷含量,其中以雞糞為主要原料的ChM堆肥全磷含量最高。FW、GW、ChM堆肥和CaM 4種堆肥磷素均以無機磷為主,分別為2.02、2.40、6.64 和4.14 g/kg,占全磷含量的77.10%～81.50%(圖3-b)。

采用Hedley連續(xù)浸提磷分級方法,獲得4種堆肥中不同磷組分含量(圖4-a)以及其占回收總磷的比例(圖4-b),4種堆肥均以HCl-P占總磷比例最高(38.98%～64.76%),這部分磷是與鈣結合形成的穩(wěn)定礦物,為高穩(wěn)定態(tài)磷,難以被植物吸收利用和隨水流失[9, 12, 25],其次為活性態(tài)磷(H2O-P和NaHCO3-P),中穩(wěn)定態(tài)磷(NaOH-P)和殘余態(tài)磷(Residual-P)占比相對較低。不同堆肥磷素形態(tài)分布存在較大差異。與FW和GW堆肥相比,糞肥堆肥中活性態(tài)磷的占比更高,尤其是牛糞堆肥活性態(tài)磷的占比達40%;2種糞肥堆肥相比,ChM堆肥活性態(tài)磷以H2O-P為主(占總磷的17.85%),而CaM堆肥則以NaHCO3-P為主(占總磷的31.87%)。FW、GW、ChM和CaM堆肥中的中穩(wěn)定態(tài)磷占總磷的比例分別為18.19%、12.39%、7.50%和16.12%,其中ChM堆肥最低。采用H4SO4-H2O2消煮提取的殘余態(tài)磷(Residual-P)是最穩(wěn)定的磷素形態(tài),相對其它堆肥,GW堆肥中Residual-P占比較高。

表6 空氣-熱重分析中主要吸熱/放熱反應的質量損失

圖3 不同堆肥的無機磷和有機磷含量及其占全磷的比例

3 討 論

3.1 不同有機垃圾堆肥有機碳磷特征及影響因素

不同有機垃圾堆肥的總有機碳含量及其組分差異與堆肥原料、堆制條件和處理方式有關。本研究中堆肥總有機碳含量趨勢與其堆肥原料的總有機碳含量規(guī)律一致;此外,FW堆肥的總有機碳含量最高,也與其發(fā)酵時間短、碳素損失較少有關。研究表明,高錳酸鉀對氨基酸和有機酸的氧化比較緩慢,不氧化纖維素,但可氧化芳香結構的有機碳,且高錳酸鉀氧化的有機碳含量與木質素含量呈正相關[27]。因此,GW堆肥原料為富含木質素的園林廢棄物[28],堆肥含有較多芳香結構的有機碳,導致其熱穩(wěn)定性好且易氧化有機碳含量高;而FW堆肥原料為富含纖維素的秸稈和稻殼[28],堆肥芳構化程度較低且有機酸、氨基酸含量高導致易氧化有機碳含量偏低。活性有機碳組分方面,FW堆肥的水溶性有機碳、小分子有機酸和氨基酸活性有機碳組分含量最高,應該與餐廚垃圾中含有大量的脂肪酸和甘油三酸酯等油脂有關[29]; ChM堆肥的小分子有機酸和氨基酸含量次之,可能與雞飼料結構和雞糞蛋白質含量較高有關。與此同時,堆肥原料組成、堆肥技術和堆肥時間是影響堆肥中腐殖酸碳含量及其組成(胡敏酸碳和富里酸碳)差異的主要因素[19, 30]。堆肥過程中,前期富里酸等結構簡單的含碳有機物被微生物降解,后期微生物利用難降解的木質素等作為碳源[22],腐殖化生成穩(wěn)定的胡敏酸類物質。FW堆肥堆制時間較短,腐殖化程度較低,所以含有更多小分子的富里酸碳,胡敏酸類物質含量低,腐殖化系數(shù)最低。添加了菌劑的GW堆肥胡敏酸碳、富里酸碳含量最高,腐殖化參數(shù)都更高。而ChM堆肥和CaM堆肥原料和堆制條件類似,所以腐殖化參數(shù)各項值接近。

與有機碳類似,堆肥中磷含量及其組分含量受到原料來源、動物種類及飼料構成和處理方式等多種因素影響[9]。一般而言,動物糞便的磷含量通常高于秸稈和菌菇渣,非反芻動物(如雞)糞肥中的磷含量高于反芻動物(如牛)[9],但后者活性態(tài)磷含量更高[9]。本研究結果表明,與堆肥原料的磷素特征相似,雞糞堆肥(ChM)的總磷含量和活性形態(tài)磷含量明顯高于牛糞堆肥(CaM)和植物源堆肥(FW和GW),但CaM堆肥中NaHCO3-P占總磷比例高于ChM堆肥。而ChM堆肥含有較高的有機磷,與其含有較多的植酸磷有關以及動物飼料結構及消化系統(tǒng)密切相關[9, 26]。

3.2 不同堆肥碳磷協(xié)同提高磷素有效性分析

有機肥施入土壤后,除了由于自身帶入的磷素增加土壤磷庫外,同時有機碳的施入可以通過改變土壤理化性質以及土壤生物和非生物過程,促進土壤磷素不同形態(tài)之間的轉化,進而影響土壤磷素有效性。因此,不同堆肥的碳磷特征差異會導致其施用后對土壤磷素有效性的影響差異。堆肥中磷素含量和組成,有機碳含量、組成和結構等均影響土壤磷素有效性,進而影響作物磷素吸收和土壤磷素損失。磷養(yǎng)分含量高且活性態(tài)磷占比大的堆肥可以作為替代化肥的良好磷源,而磷養(yǎng)分含量低,但有機碳含量的堆肥則可能通過以碳促磷作用,促進磷素有效性提高。堆肥中的有機碳通過不同途徑來提高磷素有效性。一方面,堆肥施入土壤后,水溶性有機碳在較短時間即釋放到土壤溶液中,部分能夠被微生物快速分解,對土壤養(yǎng)分轉移和土壤微生物活性有著重要影響[32],是土壤中碳、氮、磷養(yǎng)分循環(huán)轉化的紐帶[33]。水溶性有機碳主要包含一些小分子有機酸、游離氨基酸、部分碳水化合物和一些富里酸類物質[34]。小分子的游離氨基酸可被植物吸收利用[34],能夠抑制土壤中活性態(tài)磷向難溶磷轉化[35]。而小分子有機酸物質能夠促進土壤中磷素形態(tài)的轉化,降低磷素在土壤中的吸附固定提高磷素利用率[36]。另一方面,堆肥中的有機碳含有豐富的羧基、酚羥基和羰基等官能團,其中含氧官能團和表面電荷可與土壤中的金屬氧化物形成強相互作用力[37],與磷競爭吸附從而減少磷固定。李偉等[38]研究表明低分子量腐殖酸含有更多氧烷基碳、羧基等官能團,而磷素利用率與氧烷基碳、羧基酰胺基和烷基碳正相關,但與芳香碳和芳香C-O鍵負相關。Rahman等[39]也發(fā)現(xiàn)堆肥中芳香C-O和羰基官能團的相對豐度與Olsen-P的增加量呈負相關。

本研究中,兩種糞肥堆肥磷素含量高,且以無機磷為主、活性態(tài)磷(H2O-P和NaHCO3-P)占比高,施入土壤后,能夠直接補充土壤有效磷庫,而被作物吸收利用[25];與此同時,糞肥堆肥具有的水溶性碳、小分子有機酸和/或氨基酸含量較高,腐殖化系數(shù)(HI)和C/P低等特點,使得其能夠促進糞肥堆肥本身穩(wěn)定態(tài)磷(如HCl-P)或土壤中磷釋放。因此,綜合碳磷特征可以將糞肥堆肥作為良好的磷源全部或部分替代化肥,實現(xiàn)資源循環(huán)利用。但不合理的糞肥或其堆肥施用也易導致磷素在土壤中累積[31],進而增加了磷素淋洗或徑流損失,導致農(nóng)田面源污染問題。因此,在糞肥堆肥的施用過程中需要采取合理的田間管理措施,控制用量。而本研究中的FW和GW堆肥磷素含量低,對土壤磷素的直接貢獻有限,需要充分利用堆肥的有機碳特征來提高土壤磷素有效性和磷肥利用率。就FW堆肥而言,其水溶性有機碳、富里酸碳、小分子有機酸和氨基酸含量等高活性有機碳含量高,且羧基和羥基官能團豐富、熱穩(wěn)定性差,其單獨施入或與化肥配施入土壤后可以通過降低磷素被土壤吸附固定,并促進土壤磷釋放,進而提高磷素有效性;與此同時,活性有機碳能夠顯著影響土壤微生物活性,進而通過影響土壤磷素轉化相關的微生物和酶活性,影響磷素的生物轉化過程及其有效性。因此,FW類堆肥可以和化肥配施,提高磷肥利用效率。但有研究表明種子發(fā)芽指數(shù)會隨著餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品濃度升高呈下降趨勢[29],這與部分小分子有機酸(如乙酸)會抑制種子的種皮破裂以及胚根出現(xiàn)[40-41]有關,所以施用FW堆肥時需要注意合理施肥比例。就GW堆肥而言,其有機碳結構復雜、芳構化程度較高,難降解穩(wěn)定腐殖酸碳含量高,熱穩(wěn)定良好,施入土壤后具有增加和穩(wěn)定土壤碳庫[34]、改善土壤結構如團聚狀態(tài)和持水能力等作用[21, 42],土壤改良效果明顯。短期而言,GW堆肥對于土壤磷素有效性的提高可能不如糞肥堆肥或餐廚垃圾堆肥明顯,但是長期而言,GW堆肥的施用對土壤的改良,能夠提高土壤肥力,對于土壤磷素有效性的提高意義重大。綜合考慮化肥替代和以碳促磷效果,也可以考慮將不同碳磷特征的堆肥配合施用,達到磷素供應、土壤改良和防止環(huán)境污染的協(xié)同。例如,FW或GW與糞肥堆肥配施,對于前者而言可增加磷素含量,對于后者而言,則可提高C/P,控制磷素用量等;FW和GW配施,可調節(jié)穩(wěn)定性碳和活性碳的比例,進行互補;FW與其他堆肥配施也可以降低FW堆肥的生物毒性;合理的堆肥管理,最終可以通過碳磷協(xié)同,實現(xiàn)碳磷資源的高效利用。

4 結 論

(1)4種有機垃圾堆肥的磷素含量及其組分差異明顯。糞肥堆肥全磷含量高于植物源堆肥(FW堆肥和GW堆肥)的全磷含量。4種堆肥均以無機磷為主,且均以HCl-P形態(tài)占比最高?；钚孕螒B(tài)磷(H2O-P和NaHCO3-P)及其占總磷比例以牛糞堆肥最高,其次為雞糞堆肥,餐廚垃圾堆肥和園林廢棄物堆肥最低。

(2)4種有機垃圾堆肥碳素含量、組成和結構特征差異顯著。餐廚垃圾堆肥總有機碳含量最高,主要是簡單結構的高活性有機碳,含有較多的羧基和羥基。園林廢棄物堆肥腐殖酸碳含量最高,芳構化程度高。兩種糞肥有機碳結構特征差異較小,其中雞糞堆肥含有少量的小分子有機酸和氨基酸,牛糞堆肥活性有機碳含量最少。

(3)綜合堆肥的碳磷特征,糞肥堆肥磷素高且活性態(tài)磷占比高,碳活性也較高,可作為良好的磷源全部或部分替代化肥;餐廚垃圾堆肥磷素含量低,但高活性有機碳含量高,且羧基和羥基官能團豐富、熱穩(wěn)定性差,將其單獨或與化肥配施可以發(fā)揮以碳促磷作用,提高磷素有效性;園林廢棄物堆肥磷含量低,穩(wěn)定態(tài)有機碳含量高,長期而言,通過其良好的土壤改良作用,有利于提高土壤磷素有效性。通過不同碳磷特征堆肥的合理配施,可實現(xiàn)碳磷協(xié)同和磷養(yǎng)分資源的高效循環(huán)利用。