厨余垃圾堆肥在普通白菜基质栽培中的应用.pdf

李强 女 副研究员 专业方向 蔬菜无土栽培 E mail liqiang05 通信作者 Corresponding author 蒋卫杰 男 研究员 专业方向 蔬菜无土栽培 E mail jiangweijie 收稿日期 2022 01 07 接受日期 2022 02 15 基金项目 国家重点研发计划资助项目 2017YFE0118500 新疆维吾 尔自治区创新团队项目 2020D14034 doi 10 19928 ki 1000 6346 2022 0040 厨余垃圾堆肥在普通白菜基质栽培中的应用 李 强 余宏军 艾 爽 蒋卫杰 中国农业科学院蔬菜花卉研究所 北京 100081 摘 要 为了评价厨余垃圾堆肥在无土栽培蔬菜生产上的应用效果 以普通白菜品种京绿 2 号为试材 设置 4 个厨余垃圾堆 肥施用比例 即厨余垃圾堆肥 椰糠 V V 为 15 T1 30 T2 45 T3 60 T4 以纯椰糠 CK1 和添加商 品有机肥的椰糠 CK2 作为对照 研究厨余垃圾堆肥不同施用比例对栽培基质理化性质 养分含量 重金属含量及普通白 菜生长 单株质量和品质的影响 结果表明 施用 45 60 厨余垃圾堆肥的基质容重 总孔隙度均在栽培基质适宜范围内 能够满足蔬菜作物生长需要 与 CK1 相比 施用厨余垃圾堆肥显著提高了定植前基质总氮 总磷 总钾 速效氮含量 明显 提高了速效磷 速效钾含量 且各养分含量大多随厨余垃圾堆肥施用比例的增大而增加 但总氮 总磷 速效氮 速效磷含 量低于 CK2 施用厨余垃圾堆肥各处理基质中的铅 铬 镉含量均显著低于 CK1 和 CK2 且均低于 DB32 T 589 2003 无 公害农产品无土栽培基质要求 中规定的限值 普通白菜株高 单株鲜质量和干质量均随厨余垃圾堆肥施用比例的增大而显 著增加 T4 处理与 CK2 无显著差异 而显著高于其他处理 T3 处理的 VC 和可溶性糖含量最高 显著高于 CK1 和 CK2 关键词 厨余垃圾 堆肥 资源化利用 普通白菜 品质 处理方式 包括厌氧堆肥法 好氧堆肥法以及蚯蚓 堆肥法等 时朝辉 2017 以厨余垃圾为基质 利用微生物 蚯蚓生长繁殖和新陈代谢过程产生的 酶等多种生物活性物质 将厨余垃圾在较短时间内 分解成氮 磷 钾含量丰富的有机肥料 不仅缓解 了垃圾处置压力 还能有效改善土壤结构 促进农 作物生长和品质提升 目前对厨余垃圾肥料化处理的相关技术已开展 了广泛研究 在堆肥菌种的选择和用量 发酵时长 和温度 通风方式和时间等方面进行了筛选与优化 柴晓利 等 2005 Bernstad Jansen 2011 李 小建 等 2013 经过多年的探索 许多发达国家 已形成完善的厨余垃圾堆肥处理体系 例如德国每 年通过厨余垃圾堆肥可生产 500 万 t 肥料 Pazera et al 2015 过去 我国厨余垃圾大多是与其他 生活垃圾混杂在一起丢弃 这给厨余垃圾的回收带 来了很大的困难 近年来 随着垃圾分类政策在我 国的全面推广与实施 厨余垃圾资源化处理逐渐得 以实现 目前 北京 上海 深圳 杭州等大中城 市已建立了较为完善的无害化 减量化 资源化厨 余垃圾处理体系 以北京为例 厨余垃圾日分出量 约 4 000 t 按堆肥产品转化率 30 计算 则有机 我国正处于城镇化率持续升高阶段 这不仅带 来了巨大发展潜力和市场空间 同时面临着城市生 活垃圾数量持续大幅增长的挑战 倪鹏飞和李超 2019 厨余垃圾是城市垃圾的重要组成部分 占 比达 40 50 牟雪娇 2017 厨余垃圾是指 居民家庭 餐饮行业及单位供餐等活动中产生的剩 菜剩饭 果皮菜叶 蛋壳 茶渣等固体废弃物 含 有较高的水分和有机物 容易腐坏发臭 产生毒素 造成水体和空气污染 而另一方面 厨余垃圾因含 有大量有机质 氮 磷等营养成分 具有较高的资 源化利用价值 厨余垃圾通过妥善加工处理 可转 化为营养丰富的有机肥料 从而实现厨余垃圾的减 量化 资源化 无害化处理 胡新军 2012 杨柏 松 等 2016 彭立宇 2018 堆肥是国内外采用较多的一种厨余垃圾资源化 31 中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES 研究论文 2022 8 31 35 肥料年产量逾 40 万 t 张斌和赵立杰 2016 王冉 迪和张京亮 2020 随着厨余垃圾资源化处理技 术和产能的提升 在未来几年将带动更多的城市乃 至全国实现厨余垃圾资源化处理 尽管厨余垃圾肥料市场空间巨大 但是应用并 不广泛 目前只用于城市的公共园林绿化或少部分 复合肥的配制 尚未见在农作物生产上的大规模应 用 究其原因 可能是缺乏对厨余垃圾肥料安全性 和肥效的科学评价 相关科研数据鲜有报道 鉴于 此 本试验以厨余垃圾堆制的肥料为对象 分析其 不同施用比例对椰糠栽培基质性质 养分含量 重 金属等有害物质含量的改良作用 并评价其在普通 白菜栽培中的种植效果 从而为厨余垃圾堆肥在蔬 菜作物生产中的广泛应用提供数据支撑 1 材料与方法 1 1 试验材料 试验于 2020 年 8 11 月在中国农业科学院蔬 菜花卉研究所无土栽培课 题组玻璃温室进行 温室 内昼 夜温度为 25 18 光照强度为 100 mol m 2 s 1 空气相对湿度保持在 50 60 堆肥原料果皮 菜叶等厨余垃圾由北京日日新 学堂提供 堆肥辅料为 EM 堆肥菌 杭州果攸生态 环境科技有限公司 厨余垃圾和菌剂混合比例为 20 1 V V 混匀后置于专业堆肥箱中 封闭堆 制 30 d 堆肥充分腐熟后过 0 5 mm 筛 获得质地 均匀 松软的黑色肥料 晒干 常温下保存待用 供试普通白菜品种为京绿 2 号 购于京研益农 北京 种业科技有限公司 1 2 试验方法 采用盆栽的方式 以椰糠 山东商道生物科 技有限公司 为栽培基质 设置 4 个厨余垃圾堆肥 施用比例 即厨余垃圾堆肥 椰糠 V V 分别为 15 T1 30 T2 45 T3 60 T4 以不添加任何肥料的椰糠 CK1 和添加商品有机 肥 北京平安福生物工程技术有限公司 采用推荐 用量 55 kg m 3 的椰糠 CK2 作为对照 所 有处理均不再施额外的肥料 采用随机区组排列 3 次重复 每重复 5 株 定植于 7 L 盆钵中 内装 5 L 充分混合的基质 每隔 2 3 d 浇灌清水 500 mL 保持基质湿度在 60 左右 定植 30 d 后采收 1 3 项目测定 基质理化性质及矿质元素含量 分别于 9 月 30 日 定植前 10 月 30 日 采收后 取样 每 处理随机选取 3 盆 每盆取 100 mL 基质 采用饱 和浸提法测定 pH 和 EC 值 江胜德 2006 每盆 取 200 mL 基质 参照 Gao 等 2018 的方法测定 容重 总孔隙度 通气孔隙度 持水孔隙度 每盆 取 200 mL 基质 风干 利用 KDY 9810 凯氏定氮 仪测定总氮 速效氮含量 栾慧 等 2017 采用 微波消解法测定总磷 总钾 速效磷 速效钾 铅 铬 镉含量 鲁如坤 1999 徐洁昕 等 2011 普通白菜生长指标 单株质量及品质 10 月 30 日采收 利用活体叶绿素仪 SPAD502 测定全部 植株的叶绿素 SPAD 值 取最外侧叶形完整的叶 片 每片测定 3 次 取平均值 利用直尺测量全部 植株地上部高度 取平均值为株高 按处理称重 取平均值为单株鲜质量 然后每处理随机选取 3 株 将植株地上部和根系分开 105 烘箱杀青 70 烘干至恒重 分别称量地上部干质量和根系 干质量 计算根冠比 最后 每处理称取地上部鲜 样 0 3 0 6 g 参照 Liu 等 2019 的方法测定 VC 含量 每处理称取地上部干样 0 1 g 采用蒽酮法 测定可溶性糖含量 刘海英 等 2013 1 4 数据处理 试验数据采用 SPSS 23 0 软件进行统计分析 运用 DUNCAN 检验法进行多重比较及差异显著性 分析 P 0 05 2 结果与分析 2 1 厨余垃圾堆肥对栽培基质理化性质的影响 从 表 1 可以看出 与 CK1 相比 施用厨余垃 圾堆肥提高了基质的通气孔隙度和持水孔隙度 各 处理的总孔隙度在 79 44 85 06 之间 其中 T4 处理总孔隙度最高 容重反映了基质的疏松 紧实 程度 CK1 的容重为 0 16 g cm 3 施用厨余垃圾 堆肥或商品有机肥均可提高基质容重 其中 T3 T4 处理的容重分别达 0 21 0 23 g cm 3 显著高 于 CK1 和 CK2 pH 值是基质化学性质最具代表 性的指标之一 直接影响植物根系对养分的吸收 EC 值反映了基质中可溶性盐离子的浓度 随着厨 余垃圾堆肥施用比例的增大 基质 pH 值从 7 23 升 32 中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES 研究论文 表 1 施用不同比例厨余垃圾堆肥对栽培基质理化性质的影响 处理 通气孔隙度 持水孔隙度 总孔隙度 容重 g cm 3 pH EC mS cm 1 CK1 14 37 c 65 07 c 79 44 d 0 16 c 6 95 c 0 69 c CK2 14 78 a 69 27 a 84 05 ab 0 18 b 7 13 b 1 81 a T1 14 60 b 65 38 c 79 98 d 0 17 bc 7 23 b 0 86 c T2 15 07 a 66 59 b 81 66 c 0 19 ab 7 37 ab 1 39 bc T3 14 83 a 68 19 ab 83 02 b 0 21 a 7 49 a 1 57 b T4 14 65 b 70 41 a 85 06 a 0 23 a 7 57 a 1 77 a 注 表中同列数据后不同小写字母表示差异显著 P 0 05 下表同 表 2 施用不同比例厨余垃圾堆肥对栽培基质养分含量的影响 处理 定植前 采收后 总氮 总磷 总钾 速效氮 mg kg 1 速效磷 mg kg 1 速效钾 mg kg 1 总氮 总磷 总钾 速效氮 mg kg 1 速效磷 mg kg 1 速效钾 mg kg 1 CK1 0 31 e 0 08 d 0 09 e 239 02 e 64 87 e 452 45 d 0 29 d 0 05 e 0 05 e 89 37 d 42 74 e 198 08 d CK2 0 81 a 0 19 a 0 93 a 687 21 a 151 20 a 1 215 35 b 0 70 a 0 17 a 0 47 a 465 70 a 100 09 a 646 57 a T1 0 54 d 0 11 c 0 22 d 365 81 d 74 05 e 546 57 d 0 43 cd 0 07 d 0 15 d 283 81 c 51 20 d 240 63 d T2 0 61 c 0 15 b 0 45 c 409 93 cd 97 23 d 984 04 cd 0 47 c 0 12 c 0 26 c 295 83 c 48 44 de 401 47 c T3 0 68 c 0 16 b 0 67 b 483 03 c 115 75 c 1 065 01 c 0 55 b 0 14 b 0 34 b 297 72 c 62 04 c 594 20 b T4 0 73 b 0 18 a 1 00 a 573 47 b 128 44 b 1 434 76 a 0 56 b 0 15 b 0 42 ab 329 35 b 78 37 b 634 04 a 高到 7 57 EC 值从 0 86 mS cm 1 升高到 1 77 mS cm 1 其中 T4 处理的 pH 值显著高于 CK1 和 CK2 而 EC 值与 CK2 无显著差异 2 2 厨余垃圾堆肥对栽培基质养分含量的影响 从 表 2 可以看出 与 CK1 相比 施用厨余垃 圾堆肥显著提高了定植前基质总氮 总磷 总钾 速效氮含量 明显提高了速效磷 速效钾含量 且 各养分含量大多随厨余垃圾堆肥施用比例的增大而 增加 但总氮 总磷 速效氮 速效磷含量低于 CK2 普通白菜采收后 所有处理的基质总氮 总 磷 总钾 速效氮 速效磷 速效钾含量均降低 但施用厨余垃圾堆肥各处理的基质养分含量依然高 于 CK1 而低于 CK2 2 3 厨余垃圾堆肥对栽培基质重金属含量的影响 重金属含量是评价栽培基质安全性的重要指 标 对农作物的食品安全有直接影响 从表 3 可以 看出 施用厨余垃圾堆肥各处理的基质铅 镉 铬 含量均低于 DB32 T 589 2003 无公害农产品无土 栽培基质要求 中规定的限值 铅 150 mg kg 1 镉 0 3 mg kg 1 铬 200 mg kg 1 作为 蔬菜栽培基质是安全的 且 3 种重金属含量均显著 表 3 施用不同比例厨余垃圾堆肥对栽培基质重金属 含量的影响 处理 铅 mg kg 1 镉 mg kg 1 铬 mg kg 1 CK1 39 98 a 0 10 b 70 92 a CK2 42 85 a 0 12 a 69 87 a T1 36 17 b 0 09 c 54 32 b T2 32 39 c 0 07 d 49 70 b T3 30 38 cd 0 05 de 41 03 c T4 27 14 d 0 03 e 36 51 d 低于 CK1 和 CK2 2 4 厨余垃圾堆肥对普通白菜生长 单株质量及 品质的影响 从表 4 可以看出 厨余垃圾堆肥各处理的普通 白菜株高 根冠比均显著高于 CK1 其中株高随 厨余垃圾堆肥施用比例的增大而显著提高 叶绿素 SPAD 值除 T2 T3 处理显著高于 CK1 外 其他各 处理间差异均不显著 T4 处理与 CK2 的植株生长 势无显著差异 从表 4 还可以看出 普通白菜单株鲜质量和 干质量均随厨余垃圾堆肥施用比例的增大而显著 增加 其中 T2 T3 T4 处理的单株鲜质量和干质 量均显著高于 CK1 但 T2 T3 处理的单株鲜质量 和干质量显著低于 CK2 T4 处理与 CK2 无显著 差异 厨余垃圾堆肥各处理的 VC 含量均显著高 于 CK1 和 CK2 T2 T3 T4 处理的可溶性糖含量 亦显著高于 CK1 和 CK2 其中 T3 处理的品质最 33 中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES 研究论文 好 VC 和可溶性糖含量均为最高 3 讨论与结论 厨余垃圾有机质含量高 作为堆肥原料比传统 堆肥物料更具备能源优势 且堆肥化处理技术操作 简单 已成为厨余垃圾资源化利用的首选途径 本 试验结果表明 厨余垃圾堆肥作为有机肥混入栽培 基质中能够提高基质的容重和总孔隙度 前人研究 认为 混配基质的容重在 0 2 0 8 g cm 3 之间适 宜作物栽培 过高则基质过于紧密 通气性较差 影响植物根系正常生长 过低则基质疏松不利于固 定根系 保水能力差 也不利于植物生长 蒋卫杰 等 2007 一般来说 无土栽培基质适宜的总孔 隙度为 54 96 张硕 等 2015 本试验中 施用 45 60 厨余垃圾堆肥的基质容重和总孔隙 度均在适宜范围内 能够满足蔬菜作物生长需要 厨余垃圾堆肥富含植物生长所需的氮 磷 钾等营养元素 本试验中 随着厨余垃圾堆肥施 用比例的增大 栽培基质中总氮 总磷 总钾 速效氮 速效磷 速效钾含量大多呈逐渐升高的趋 势 在厨余垃圾堆肥施用比例为 60 的基质中种 植普通白菜 其株高 根冠比 单株质量与施用商 品有机肥种植的普通白菜无显著差异 施用比例为 30 60 时普通白菜的品质显著优于施用商品有 机肥对照 其中施用比例为 45 时品质最佳 张 春英等 2015 研究发现 混入 40 以上厨余垃 圾堆肥对鸡冠花幼苗成活有一定抑制作用 但在本 试验中并未出现厨余垃圾堆肥用量过多对植株生长 的负影响 而是呈随厨余垃圾堆肥施用比例增大普 通白菜生长势和单株质量升高的趋势 综上 施用 60 厨余垃圾堆肥可以替代商品有机肥 满足叶菜 类蔬菜生长过程中对养分的需求 堆肥中重金属含量是否超标是农业生产上一 直关注的问题 一方面是要避免堆肥造成土壤重金 属污染 另一方面是要防止栽培作物重金属积累过 量 在本试验中 施用不同比例厨余垃圾堆肥的基 质铅 镉 铬含量均低于 DB32 T 589 2003 无公 害农产品无土栽培基质要求 规定的限值 符合用 于生产农产品的基质要求 此外 随着厨余垃圾堆 肥施用比例的增大 基质中 3 种重金属含量均呈降 低的趋势 说明其可能具有土壤调理剂的作用 这 需要在以后的研究中进一步证实 上述结果表明 厨余垃圾堆肥含有丰富的矿质 元素 对栽培基质具有良好的改良作用 安全无毒 害 可作为优质有机肥投入使用 施用 45 厨余 垃圾堆肥的普通白菜品质最优 显著高于施用商品 有机肥对照 施用 60 厨余垃圾堆肥的普通白菜 单株质量稍高于施用商品有机肥对照 两者差异不 显著 因此 在倡导绿色 健康 可持续发展的当 今 将厨余垃圾堆肥用于蔬菜生产有利于缓解化肥 对土壤 地下水造成的危害 对倡导循环农业 助 力实现碳中和将起到巨大的推动作用 参考文献 柴晓利 张华 赵由才 2005 固体废物堆肥原理与技术 北京 化学工业出版社 胡新军 2012 利用大头金蝇幼虫生物转化餐厨垃圾的研究 博士 论文 广州 中山大学 江胜德 2006 现代园艺栽培介质 选购与应用指南 北京 中国 林业出版社 蒋卫杰 余宏军 刘伟 郑光华 2007 蔬菜无土栽培新技术 修 订版 北京 金盾出版社 李小建 周振鹏 谢锡龙 王德汉 2013 餐厨垃圾连续堆肥处理 系统中试研究 环境工程学报 7 1 340 344 刘海英 王华华 崔长海 2013 可溶性糖含量测定 蒽酮法 实 验的改进 实验室科学 16 2 19 20 鲁如坤 1999 土壤农业化学分析方法 北京 中国农业科技出 版社 栾慧 刘红 高一娜 2017 土壤速效氮测定方法的改进 湖南农 业科学 3 89 93 牟雪娇 2017 基于物质流生命周期管理的城市厨余垃圾减量模式 表 4 施用不同比例厨余垃圾堆肥对普通白菜生长 单株质量及品质的影响 处理 株高 cm 根冠比 叶绿素 SPAD 单株鲜质量 g 单株干质量 g VC mg kg 1 可溶性糖 mg g 1 CK1 5 28 e 0 15 c 26 96 b 2 44 d 0 34 d 34 0 e 13 39 e CK2 24 13 a 0 38 a 30 96 ab 91 33 a 16 77 a 83 6 d 28 12 c T1 12 25 d 0 35 a 31 29 ab 6 92 d 0 75 d 100 6 c 22 57 d T2 15 08 c 0 25 b 33 45 a 20 60 c 2 28 c 140 3 a 30 86 b T3 18 51 b 0 36 a 32 28 a 32 49 b 3 87 b 148 6 a 31 44 a T4 23 12 a 0 33 a 31 32 ab 91 70 a 16 82 a 135 6 b 30 43 b 34 中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES 研究论文 研究 硕士论文 北京 北京工业大学 倪鹏飞 李超 2019 总报告摘要 中国正处在迈向现代化关键期 经济日报 2019 06 24 彭立宇 2018 综合应用厌氧消化工艺处理餐厨垃圾的研究 博士 论文 北京 北京化工大学 时朝辉 2017 餐厨垃圾微生物减量化处理研究 硕士论文 上海 华东师范大学 王冉迪 张京亮 2020 北京市垃圾分类处理现状及可持续性发展 分析 管理学家 13 9 10 徐洁昕 程东华 金鑫 周本本 2011 微波消解 FAAS 测定皖 南茶园土壤中矿质元素含量 光谱实验室 28 4 1950 1953 杨柏松 熊文江 朱巧银 2016 好氧堆肥技术研究 现代化农业 7 57 59 张斌 赵立杰 2016 国外家用餐厨垃圾处理机对周边环境影响分 析 环境卫生工程 24 5 86 88 张春英 罗玉兰 田龚 2015 厨余垃圾堆肥对鸡冠花及土壤性质 的影响 中国农学通报 31 10 119 123 张硕 余宏军 蒋卫杰 2015 发酵玉米芯或甘蔗渣基质的黄瓜育 苗效果 农业工程学报 31 11 236 242 Bernstad A Jansen J L C 2011 A life cycle approach to the management of household food waste a Swedish full scale case study Waste Management 31 8 1879 1896 Gao Y N Yu H J Liu P Ma C Li Q Jiang W J 2018 Ending composting during the thermophilic phase improves cultivation substrate properties and increasing winter cucumber yield Waste Management 79 260 272 Liu P Li Q Gao Y N Wang H Chai L Yu H J Jiang W J 2019 A new perspective on the effect of UV B on L ascorbic acid metabolism in cucumber seedlings Journal of Agricultural and Food Chemistry 67 4444 4452 Pazera A Slezak R Krzystek L Ledakowicz S Bochmann G Gabauer W Helm S Reitmeier S Marley L Gorga F Farrant L Suchan V Kara J 2015 Biogas in Europe food and beverage FAB waste potential for biogas production Energy Fuels 29 7 4011 4021 Application of Kitchen Waste Compost in Substrate Culture of Pakchoi LI Qiang YU Hongjun AI Shuang JIANG Weijie Institute of Vegetables and Flowers Chinese Academy of Agricultural Sciences Beijing 100081 China Abstract To evaluate the application effect of kitchen waste compost in soilless vegetable production this experiment took pakchoi varietynullJinglyu No 2nullas test material set up 4 treatments with different application ratio of kitchen waste compost and coconut coir V V as 15 T1 30 T2 45 T3 60 T4 took pure coconut coir CK1 and coconut coir with commercial organic fertilizer CK2 as the contrasts and studied the effects of applying different ratio on physical and chemical properties of matrix nutrient content heavy metal content and growth single plant weight and quality of pakchoi The results showed that the bulk density and total porosity in substrate with 45 60 kitchen waste were all within the suitable range of culture substrate which could meet the needs of crop growth Compared with CK1 applying kitchen waste compost had significantly increased the contents of total nitrogen total phosphorus total potassium available nitrogen and obviously enhanced the contents of available phosphorus and available potassium in substrate before planting At the same time each nutrient content were all increasing along with the magnified applying ratio of kitchen waste compost while the contents of total nitrogen total phosphorus available nitrogen and available phosphorus were lower than those in CK2 The contents of lead chromium and cadmium in substrates of each treatment applying kitchen waste compost were all significantly lower than those in CK1 and CK2 and were also lower than the limiting value specified by DB32 T 589 2003 The plant height single plant fresh weight and dry weight of pakchoi were also increasing along with the enlarged applying ratio of kitchen waste compost Those figures in T4 treatment were significantly higher than that of the other treatments except CK2 The contents of VC and soluble sugar in T3 treatment were the highest significantly higher than those in CK1 and CK2 Keywords kitchen waste compost resource utilization pakchoi quality 35 中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES 研究论文