枝条有机肥最佳堆肥参数及施用效果研究

李 祥，王永平，王耀凤，褚春年，孙喜军，柯希恒，曾 桥

（1陕西科技大学化学与化工学院，中国轻工业轻化工助剂重点试验室，西安 710021；2西安市农机监理与推广总站，西安 710061；3西安市农业技术推广中心，西安 710061）

0 引言

2016—2020年，随着环境保护力度的加大及农村能源结构的变化，枝条已逐步丧失昔日的燃料功能[1]。尽管开发了以枝条为基质的食用菌栽培[2]及畜禽饲料技术[3]，但由于枝条的纤维化程度及成分的差异，限制了这些技术的推广应用，枝条基质化、饲料化率仅为16%～25%[4]。修剪是果树提质增效的重要措施，一般果树负载量与修剪量（鲜重）的比例为1:(0.6～0.8)[5]。以陕西省为例，2019年全省果树栽培面积113.4×104hm2，产量1733.37×104t[6]，如按上述比例估算，全省每年枝条产量在1×107t以上。枝条不仅含有C、H、O、N、P、K等大量元素，而且还含有Ca、Mg、S、Fe、Zn、Mo、Mn等中、微量元素[7]。枝条肥料化还田技术不仅可以及时补充土壤有机质和中、微量元素的缺乏，解决果树生长造成土壤营养失衡，腐烂病、轮纹病流行[8]，制约果业高质量发展的技术难题，而且可以解决枝条堆积在田间地头，造成病虫害传播及火灾隐患。次仁吉保等[9]以葡萄枝条和鸡粪为原料，研究了添加菌剂及鸡粪量对葡萄枝条堆肥进程及腐熟效果的影响，为冬剪葡萄枝条堆肥化处理奠定了基础。刘丽丽等以桃枝条、柑橘枝条、羊粪、鸡粪为供试材料，研究了果树修剪枝条与畜禽粪便配比对枝条发酵有机肥的影响，发现柑橘枝条与羊粪按1:1的比例还田的效果最佳，可比单纯施用柑橘枝条增产近1倍，并可显著促进萝卜地上部分和地下部分的生长。本论文以枝条、畜禽粪便为主要原料，采用正交实验法系统研究了水分含量，畜禽粪便、尿素，微生物菌剂种类、枝条粉碎度等对枝条腐解率、木质素降解率、种子发芽指数的影响，优化了枝条堆肥的技术参数。研究了N、P、K、Ca、Mg、Zn、Mn在堆肥过程中的变化给规律，比较了枝条有机肥与市售有机肥对土壤有机质含量及苹果质量的影响。该研究为规范有机肥的生产、施用提供了依据，促进了枝条有机肥的健康发展，对打击假冒伪劣有机肥、净化有机肥市场具有一定的意义。

1 材料与方法

1.1 材料

枝条：西安市农业技术推广中心都市农业试验站；猪粪：西安市长安区科道生猪养殖场；鸡粪：西安市长安区绿生态养殖场；尿素，西安市农业技术推广中心都市农业试验站；FT有机肥发酵菌种（有效活菌数大于2×1010CFU/g），武汉丰甜生物科技有限公司；益菌宝（复合有机肥发酵剂，活菌含量大于2亿个/g），湖南山河美环保科技股份有限公司；贝佳有机肥发酵菌剂，山东贝佳生物科技有限公司；市售有机肥：杨凌绿农有机肥生产有限公司。1000型大型锯末粉碎机：郑州远光机械有限公司。

1.2 方法

1.2.1 试验方法

（1）枝条堆肥条件的优化。取粒度分别为0.5～2.5、2.5～4.5、4.5～6.5 cm粉碎处理的苹果枝条，分别用猪粪、鸡粪、尿素调节C/N为30:1。充分混合，将菌剂、玉米粉按1:10的比例混合后加入混合料，用水调节发酵料的水分含量为50%、60%、70%，将发酵料堆成长2 m、高0.6 m、下底宽1.5 m，上底宽0.6 m的梯形，用塑料布盖严压实。堆体中心温度达到60℃时翻堆1次，90天后即为有机肥。以木质素降解率、枝条腐解率、种子发芽率为评价指标，以枝条粒度、氮源种类、微生物菌剂、水分含量为因素，采用L943正交试验法，优化枝条堆肥技术参数，试验设计如表1所示。

表1 枝条堆肥试验因素与水平

（2）枝条堆肥过程N、P、K、Ca、Mg、Zn、Mn、B变化。以粒度为0.5～2.5 cm的苹果枝条为原料，用猪粪调节C/N比为30:1，加入1%的FT有机肥发酵菌种，充分混合，调节水分含量为60%，堆成梯形堆体，用塑料布盖严压实，中心温度超过60℃时翻堆1次，90天后即为有机肥，用5点取样法，取发酵前后样品消解后测定其中N、P、K、Ca、Mg、Zn、Mn、B的含量。

（3）施肥肥效比较。2017—2019年连续3年在西安市农业技术推广中心都市农业试验站进行有机肥施用效果试验。每个处理选3～4行，间隔3行，重复3次。处理1：按22.5～30 m3/hm2比例，于每年的11月到来年3月份采用穴施法施自制（枝条）有机肥；处理2：按22.5～30 m3/hm2比例，于每年的11月到来年3月份采用穴施法施市售有机肥（杨凌绿农有机肥生产有限公司）；对照：以不施有机肥，单施复混肥为对照，于每年8月份对每个处理随机选5点(10 cm×10 cm)取0～10 cm的土样，混匀后测定每个处理施肥后有机质的含量，苹果成熟时每隔处理随机选长势基本一致果树5棵，在前、后、左、右、中5个方位随机采摘20个果子，每个方位采摘4个果子，测定单果重、硬度、可溶性固形物含量，并对其进行感官评价。

1.2.2 测试项目及方法

（1）木质素降解率。以枝条为主要原料的有机肥发酵基料的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素[11]。纤维素是葡萄糖经β-1.4糖苷键聚合而成的有机物，占植物的40%左右，半纤维素是由几种不同类型的五碳糖、六碳糖构成的异质多聚体，占植物体的15%～35%，木质素由3种苯丙烷单元通过醚键和碳碳键相互连接形成的具有三维网状结构的生物高分子，占植物体的20%～30%[12]。

堆肥过程实质上就是在纤维素、半纤维素、木质素的降解过程中将矿质元素活化、产生氨基酸（酸）、酮、醛、酯类刺激素的过程，木质素是一类很难降解的大分子有机物，测定堆肥过程中木质素的降解率可以反映枝条的腐解程度。

按照5点取样法，每隔一定时间，用取样铲在10、20、30、40、50 cm处取样，将样品混合均匀，在105℃下烘至恒重，测定木质素的含量。按式(1)计算木质素的降解率。

（2）发酵腐解率。堆肥过程中随着纤维素、半纤维素、木质素的降解和CO2的释放，堆体体积、质量不断减小。按照式(2)计算发酵腐解率。

（3）种子发芽率。取发酵后的样品与蒸馏水按1:10的比例混合，超声萃取20～30 min，过滤，取5 mL滤液于铺有滤纸的培养皿中，放置30粒上海青种子，以蒸馏水为对照，重复3次，30℃培养2天，计算种子发芽率，并用游标卡尺测量种子的根长。按式(3)计算种子的发芽指数。（4）全氮、全磷测定。取0.3 g粉碎后的干燥样品于消解管中，加入1 mL超纯水，浸泡1 min，再加入8 mL硫酸：高氯酸(10:1)的混合液，消解管上盖上小漏斗，从100℃开始每隔20 min调高20℃，200℃后直接调至280℃，消解至无色透亮即可结束，约需2.5 h，取出后冷却至室温，加入10 mL超纯水，使其放热，然后将消化液转入100 mL的容量瓶中，用超纯水定容，用AA3型流动分析仪测定全氮含量，用比色法测定全磷含量。

（5）K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn的测定。取1.0 g粉碎后的样品加入消解管中，按照一定体积比加入硝酸和高氯酸，然后经由低到高(110～280℃)的升温过程，当消化液颜色变为无色透亮时，取下消解架，自然冷却，将消解液用超纯水定容到50 mL的容量瓶中，用ICP等离子发射光谱仪测定。

2 结果与分析

2.1 枝条堆肥最佳参数的确定

按照表1及1.2.2中（1）～（3）的方法进行试验，试验结果如表2所示。

从表2可以看出：以木质素降解率为评价指标，对枝条堆肥的影响因素依次为：水分含量、氮源种类、粉碎度和微生物菌剂的种类，其最佳条件为：将粉碎度为0.5～2.5 cm的枝条与猪粪充分混合，调节碳氮比30:1，水分含量为60%、加入1%的贝佳发酵剂进行发酵；以发酵腐解率为评价指标，对枝条堆肥的影响因素依次为：水分含量、氮源种类、粉碎度及微生物菌剂的种类，其最佳条件为：将粉碎度为0.5～2.5 cm的枝条与猪粪充分混合，调节碳氮比30:1，水分含量为60%，加入1%的益菌宝菌剂发酵剂进行发酵；以种子发芽指数为评价指标，对枝条堆肥的影响因素依次为：水分含量、氮源种类、微生物发酵剂的种类及粉碎度，其最佳条件为：将粉碎度为0.5～2.5 cm的枝条与猪粪充分混合，调节碳氮比30:1，水分含量为60%，加入1%益菌宝菌剂发酵剂进行发酵。综合以上数据，枝条有机肥堆肥的最佳条件为：将粉碎度为0.5～2.5 cm的枝条与猪粪充分混合，调节水分含量为60%、加入1%的贝佳发酵剂进行发酵。

表2 枝条堆肥正交试验结果

水分含量为60%为堆肥的最佳水分含量，其原因是水是微生物生长、酶作用的介质，堆肥过程中水分含量过高，枝条、猪粪之间氧气的浓度低，不利于好氧微生物的生长，好氧微生物是枝条腐解的主要菌群[14]；堆肥过程中水分过低，虽然枝条、猪粪之间氧气的浓度相对较大，为好氧微生物的生长创造了条件，但由于好氧微生物繁殖速度快，产热量大，堆体水分散失快，不利于微生物的生长和酶的作用。

猪粪、鸡粪、尿素随都能调节碳氮比，但猪粪、鸡粪比尿素好，其原因是堆肥时猪粪、鸡粪比尿素高温持续时间长[15]。猪粪比鸡粪好的原因是鸡粪中抗生素的含量高[16]。

枝条粉碎度小，单位时间内吸水快，有利于微生物的生长；但粉碎度过小，枝条、猪粪之间的缝隙小，氧气的浓度小，不利于好氧微生物的生长、繁殖，也因粉碎度小，造成能耗大，因此枝条堆肥时枝条粉碎度以0.5～2.5 cm为宜。

微生物菌剂对枝条堆肥影响不大的原因是所有的农用微生物菌剂都达到了国家标准，这也标志着中国微生物技术的进步。

2.2 枝条前后过程中N、P、K、Ca、Mg、Zn、Mn的变化

按照 1.2.1（2）及 1.2.2（4）、（5）中的方法进行试验，试验结果见表3。

由表3可以看出，枝条有机肥中N、P、K、Ca、Mg、Zn、Mn含量都有所增加，其中Mn含量增加最大，为63.67%，K含量增加最小，为29.94%，其主要原因是随着堆肥的进行，微生物产生的纤维素、半纤维素、木质素酶将纤维素、半纤维素水解成五碳糖和六碳糖，供微生物生长、繁殖，木质素被水解为苯环类化合物，这些物质在酶的作用下，合成苯丙氨酸、色氨酸等植物刺激素，这个过程中伴随着CO2的生成及热的产生，堆体体积缩小，水分含量降低，其中的N、P、K、Ca、Mg、Zn、Mn含量增加[17]。其次，堆肥过程是微生物生长、繁殖、自溶的过程[18]，随着堆肥的进行，堆体中N、P、K的浓度增加，以N增加最为明显。再次随着木质素、纤维素、半纤维素的降解，螯合在纤维素、半纤维素，木质素构成纤维结构中的微量元素被释放出来，增加了有机肥中N、P、K、Ca、Mg、Zn、Mn含量。

表3 枝条堆肥前后中N、P、K、Ca、Mg、Zn、Mn的变化

2.3 施肥肥效比较

按照1.2.1中（3）的方法进行试验，结果如表4所示。

由表4可以看出，以22.5～30 m3/hm2比例自制的有机肥或市售有机肥土壤的有机质含量均比单施复混肥的对照组高，其原因是有机肥中有机质的含量远远高于复混肥，施有机肥能增加土壤有机质的含量。有机肥在土壤中随着风吹日晒及微生物的作用，未腐解的纤维素、半纤维素、木质素被降解，增加了土壤中有机质的含量。自制有机肥比市售有机肥更能增加土壤有机质含量的原因可能与本身的有机质含量有关。

施用有机肥苹果的色泽红润、味道厚实、香气宜人，自制有机肥更为突出，而单施复混肥的对照组苹果味道单薄、寡淡，其原因可能是有机肥中各种营养物质(N、P、K、Ca、Mg、Zn、Mn)远远高于复混肥，微量元素是各种酶（花青素酶、风味酶）的辅酶[19-20]，能赋予果实艳丽的外观和浓郁、厚实的味道、怡人的香气。自制（枝条）有机肥能及时补充果树生长从土壤中攫取的微量元素，使果树健康，果品质量更佳。

由表4还可以看出，施有机肥（自制或市售）苹果的单果重、硬度、可溶性固形物含量均明显高于单施复混肥的对照组。其原因是有机肥是以有机质为主的多营养肥料，在发酵过程中产生了很多诸如氨基酸、醛、酮类植物刺激素，矿质元素（微量）的释放刺激了酶的活性，加速了果实的生长及营养物质的积累。

表4 有机肥施用对土壤性质及苹果质量的影响

3 讨论与结论

枝条堆肥时粉碎度为0.5～2.5 cm的枝条与猪粪混合，使其碳氮比为30:1，水分含量为60%时，加入1%的有机肥发酵腐熟，经过升温、高温、降温、后熟阶段后，有机肥中木质素降解率、发酵腐解率、种子发芽率最大。

枝条堆肥伴随着纤维素、半纤维素、木质素的降解，CO2的释放，堆体体积缩小，N、P、K、Ca、Mg、Zn、Mn含量均不同程度增加，其中Mn含量增加最大，为63.67%，K含量增加最小，为29.94%。堆肥过程是大、中、微量元素富集的过程。

有机肥能显著提高土壤中有机质的含量，改善果品质量。自制有机肥比市售有机肥在土壤有机质含量提升、苹果内在质量改善方面具有更大的优势，其苹果色泽红润、味道厚实、香气宜人，且果实的可溶性固形物含量、硬度、单果重明显提高。

枝条有机肥的开发为资源化利用果树枝条提供了技术支持，对清洁果园环境，建设美丽乡村，提高果品质量，规范有机肥市场，打击假冒有机肥具有一定的现实意义。