鸟粪石结晶反应在香蕉秸秆堆肥中的试验研究

滕青，林炫洁，刘维

（1广东石油化工学院环境科学与工程学院，广东茂名 525000；2茂名市盈峰环境水处理技术有限公司，广东茂名 525000）

0 引言

农户为追求产量，在种植过程中往往过量施加化肥，这种方法的肥料利用效率却不高，以至于肥料资源被大大浪费，还会造成环境污染[1-2]。缓释肥料与化肥相比，其养分释放速度缓慢，持续时间长，更有利于作物吸收，减少养分流失[3]。陈艺易等[4]通过试验发现，施加了缓释肥的生菜与施加了当地普通施肥的生菜作比较，前者的株高、茎粗、茎长和根长都有明显变化，皆有增长。何军等[5]研究发现水稻在施加了缓释肥之后，在一定范围内其株高和叶绿素SPAD 值与施加肥料的水平呈现正相关关系。杨兵丽等[6]通过试验发现，韭菜在施加缓释肥的情况下，其产量有明显的增长，而且韭菜含有的维生素C含量也有所提高。

鸟粪石，成分为磷酸铵镁，其化学式为MgNH4PO4· 6H2O，其分子式为245，密度为1.65～1.75 g/cm3，通常情况下主要以白色或淡黄色晶体形式存在，具有玻璃光泽[7]。当镁、氨、磷3种元素同时存在时，会形成不溶性磷酸铵镁晶体，这种晶体可以缓慢释放出营养物质。鸟粪石的溶解度随pH的变化而变化，在酸性溶液中很难溶解，在碱性溶液的溶解度较高。鸟粪石作为缓释肥，具有纯度较高，生产过程简单，含有氮素、磷素和镁素，营养成分较多，能被农作物较好地吸收；在pH为中性的水中的溶解度较低，释放营养物质的速度较慢，不仅能避免出现烧秧现象，还能减少施加肥料后养分的散失，因此，鸟粪石是一种理想的缓释肥料[8]。

香蕉秸秆，包括其叶、茎等，是中国热带广东、广西、海南等地区的一种主要作物秸秆。香蕉具有生长周期短，产量高的特点，部分农民会选择种植香蕉以获得更高的经济效益。因此香蕉的茎叶等废弃物就会被遗弃，香蕉秸秆利用率较低，农户往往丢弃，进一步污染环境[9]。鉴于此，利用鸟粪石结晶原理达到固氮目的，将香蕉秸秆进行处理后发酵制成含有磷酸铵镁的优质肥料。在发酵的过程中形成磷酸铵镁可以有效防止养分损失，利用形成高效的缓释肥料，提高利用率，将其资源化，避免使用动物粪便带入的生长激素和抗生素影响效果。香蕉副产物的综合利用可以达到减少环境污染程度，促进香蕉行业的全面发展趋势和提高农民的经济效益的目的。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥桶为圆柱形，高40 cm，直径为20 cm；发酵菌剂为EM 堆肥菌（山东君德科技有限公司），主要含有光合菌、乳酸菌、酵母菌、发酵丝状菌、放线菌等多种微生物。主要堆肥发酵使用药剂及调节剂为磷酸二氢钾、氯化镁和尿素，香蕉秸秆取自本地农户。将收集的废弃香蕉秸秆铺开，自然干燥至含水率为60%～70%，再将其剪至1～5 cm大小的块状备用，本试验预处理后的香蕉秸秆的理化性状如表1所示。

表1 预处理后香蕉秸秆的理化性质

1.2 试验布置

试验设2个处理，处理1：空白组，称取一定量的香蕉秸秆，用尿素调节物料C/N比到20，再添加EM菌混合均匀后放入堆肥桶；处理2：试验组，称取一定量的香蕉秸秆，用尿素调节物料C/N 比到20，将氯化镁和磷酸二氢钾按比例配置成水溶液后洒在香蕉秸秆表面，控制氯化镁和磷酸二氢钾和香蕉秸秆干物质的N的摩尔比为0.15:0.15:1。添加EM 菌充分搅拌均匀后放入堆肥桶，EM 菌的投加量为香蕉秸秆鲜物质重量的4%。每个处理设3个平行，堆肥周期为50 d。

1.3 样品采集与分析

堆肥发酵时依据发酵情况进行翻堆，翻堆时均匀的采样约为100 g左右，样品分为2份，一份（约20 g）保存在冰箱内用以测定pH、EC值；一份（约80 g）自然风干，然后将自然风干的样品用破碎机进行破碎处理后测定其养分。pH 测定采用pH 计测定，电导率采用水浸提法用电导率仪测定，全氮测定采用凯氏定氮法，全磷含量测定采用酸溶—钼锑抗比色法，有效磷含量测定采用氟化铵、盐酸浸提—钼锑抗比色法，柠檬酸溶性磷测定采用钼蓝比色法，碱解氮测定采用扩散法，有机质的测定采用邻菲罗啉滴定法[10]。试验数据采用Excel 2010进行处理。

2 结果与讨论

2.1 堆肥过程中温度的变化

在堆肥过程中，温度是一个非常重要的因素。如果温度过低，就不能达到成熟度标准，如果温度过高，不利于堆肥中的微生物的生长[11]。两组堆肥的初始温度相差不大，分别为31.1℃和32.6℃（图1）。在堆肥的前15 d，两组的温度整体呈上升趋势，并在发酵的第16 d 达到了温度最高峰，分别为41.6℃和42.8℃，由于堆肥过程受到天气的影响，高峰温度没有持续，而且两组堆体的发酵完成时间也延长了一个月左右，才达到香蕉秸秆堆肥终点。从肉眼上可看到腐熟的秸秆颜色变为黑褐色，而且秸秆变为初始时状态体积的1/3，用手握住可感受到秸秆已变得柔软。

图1 堆肥过程中温度的变化

2.2 堆肥过程中pH的变化

在发酵过程中，大部分的堆肥微生物都在中性或偏碱性环境中能有良好的生长和较高的效率[12]。适宜的pH 可以使堆肥过程得到顺利进行。通过近2 个月的堆肥发酵，2 组样品的pH 变化幅度有所不同，空白组的变化幅度在1单位以内，而试验组的pH变化范围在2 单位以内。在堆肥初期，空白组pH 9.04，而试验组pH 8.06，是因为氯化镁水溶液呈酸性，所以试验组的初始pH会比空白组的低（图2）。从整体上看，空白组均pH＞9，最大值达到了pH 9.6，一般来说pH＞9.5的为强碱性，不利于微生物的生存，会对堆肥发酵不利，而试验组均pH＜9.4（图2），堆肥能较好地进行发酵。

图2 堆肥过程中pH的变化

2.3 堆肥过程中电导率的变化

电导率可以反应出堆体内可溶性盐的浓度，研究表明，堆体内含有的可溶盐含量是其毒性效应的主要影响因素之一，可溶盐主要包括有机酸盐和无机盐，当电导率过高时会对环境造成危害[13]。

电导率的变化曲线如图3 所示，可看出两组的初始电导率差值较大，这是因为试验组外加了氯化镁和磷酸二氢钾，增加了可溶性盐的浓度，增大了试验组的电导率。从整体上看，空白组的电导率呈上升趋势，而试验组的电导率有波动，在10月11号到达就高峰后又降下，但空白组与试验组的终点电导率分别为3.89 mS/cm 和3.78 mS/cm（图3），均在4 mS/cm 以下，可得知两组堆肥皆有较好的肥效。

图3 堆肥过程中电导率的变化

2.4 堆肥过程中全磷含量的变化

土壤中磷主要为速效状态和缓效状态，通常情况下，大多数的磷以缓效状态存在，而且堆肥中的全磷包括有机磷和无机磷，因此，土壤的全磷含量不能用作土壤磷供应的指标，在堆肥过程中各种形式的磷会相互转化。全磷含量高时，也不一定能提供充足的磷供给，但当全磷含量过低时可能会发现磷的供给不足。

由图4 可看出，外加氯化镁和磷酸二氢钾的试验组中的全磷含量远高过于空白组的含量，堆肥开始时空白组和试验组的含量分别为4.58、27.71 g/kg，堆肥结束时空白组和试验组的全磷含量分别为6.70、31.37 g/kg（图4）。从整体上看，空白组中的全磷含量呈上升趋势，而试验组的全磷含量呈下降趋势。但堆肥结束比堆肥开始时的全磷含量均有提高，空白组和试验组的全磷含量分别提高了46.29%和13.21%。

图4 堆肥过程中全磷的变化

2.5 堆肥中有效磷含量的变化

外加氯化镁和磷酸二氢钾的试验组中的有效磷含量远高过于空白组的含量，空白组中的有效磷含量整体呈下降趋势，而试验组中的有效磷含量整体呈上升趋势。在堆肥结束时，空白组的有效磷含量低于初始堆肥含量，降低了24.29%，而试验组的有效磷含量与初始堆肥相比增加了64.79%（图5）。堆肥开始时空白组和试验组的有效磷含量分别为0.70、7.30 g/kg，分别占全磷含量的15.28%、26.34%（表2）；堆肥结束时空白组和试验组的有效磷含量分别为0.53、12.03 g/kg，分别占全磷含量的7.91%、38.35%（表2）。

图5 堆肥过程中有效磷的变化

表2 堆肥过程中有效磷占全磷含量的百分比 %

2.6 堆肥中柠檬酸溶性磷含量的变化

柠檬酸溶性磷可以反应堆肥期间的肥力变化情况，可以了解到每一次翻堆时磷元素的变化情况。空白组和试验组中的柠檬酸溶性磷含量整体皆呈上升趋势。外加氯化镁和磷酸二氢钾的试验组中的柠檬酸溶性磷含量远高过于空白组的含量，空白组的柠檬酸溶性磷含量最大值为1.35 g/kg，而试验组的最大值为13.94 g/kg（图6），约是空白组最大值的10倍。堆肥结束比堆肥初始时的柠檬酸溶性磷含量均有提高，空白组和试验组的柠檬酸溶性磷含量分别提高了114.28%和59.13%。

图6 堆肥过程中柠檬酸溶性磷的变化

2.7 堆肥中碱解氮含量的变化

碱解氮含量可以反映土壤氮素的供应状况，能够作为施肥的科学依据，其中包括无机氮、矿物态氮和部分有机态氮，是反映土壤供氮能力的指标之一[14]。在农作物的氮含量方面，碱解氮与无机氮具有良好的相关性，常被用作土壤氮有效性的指标[15]。

试验组中的碱解氮含量远高于空白组的含量，空白组和试验组中的碱解氮含量整体呈上升趋势，堆肥开始时空白组和试验组的含量分别为663.6 mg/kg 和1722.0 mg/kg，试验组的碱解氮含量约是空白组的3倍（图7）；堆肥结束时空白组和试验组的碱解氮含量分别为996.8 mg/kg 和1974.0 mg/kg，试验组的碱解氮含量约是空白组的2 倍（图7）。堆肥结束比堆肥初始时的碱解氮含量均有提高，空白组和试验组的碱解氮含量分别提高了50.21%和14.63%。

图7 堆肥过程中碱解氮的变化

3 结论

添加氯化镁和磷酸二氢钾的香蕉秸秆堆肥与普通的香蕉秸秆堆肥过程中温度的变化幅度是相似的，达到温度最高峰是在同一天，最高温度相近。相较两组堆肥的pH 可发现普通堆肥法的空白组较大，pH 过高会对堆肥过程造成不利的影响；而电导率是利用鸟粪石结晶法的试验组较大，堆体中的可溶性盐含量较高但未造成危害。堆肥结束时试验组养分含量显著高于空白组养分含量。两组堆肥中柠檬酸溶性磷和碱解氮含量皆呈增加趋势，空白组的全磷含量呈上升趋势、而有效磷含量呈下降趋势，试验组的全磷含量呈下降趋势、而有效磷含量呈上升趋势。此外，空白组的有效磷与总磷的比例会随着堆肥时间的增加而降低，而试验组中的有效磷占总磷的比例随着堆肥时间的增加而增加。在香蕉秸秆堆肥中添加氯化镁和磷酸二氢钾可以有效减少氮磷的流失，增加堆肥产品中氮磷的含量，加速有机物的降解。