蚯蚓堆肥处理园林废弃物及其与牛粪的比较研究
作者单位：上海交通大学
学位级别：硕士
导师姓名：李银生
授予年度：2020年
学科分类：090101[农学-作物栽培学与耕作学] 09[农学] 0901[农学-作物学]
摘 要：随着中国城市绿化的快速发展,园林废弃物的处置成为亟待解决的问题。蚯蚓堆肥是利用蚯蚓与微生物的协同作用,将有机废弃物进行快速有效的分解,并将其转化为优质肥料的一种方法。与其他有机废弃物的处理方法相比,蚯蚓堆肥具有简单易行,价格低廉,产物肥效高等特点。然而,在过去关于园林废弃物处理的研究中,更多是采用常规堆肥或将其作为添加剂与其他物料混合进行蚯蚓堆肥,而仅使用园林废弃物作为单一物料进行蚯蚓堆肥的研究鲜有报道。牛粪被认为是优秀的蚯蚓堆肥物料,已经进行了较为广泛的研究。本文通过蚯蚓堆肥技术处理园林废弃物,并与牛粪处理进行比较研究,探讨60天蚯蚓堆肥过程中园林废弃物及牛粪中理化性质的变化情况以及两种物料对蚯蚓生长与繁殖的影响;然后对蚯蚓堆肥产物的物理学性质进行表征,并探究其细菌群落结构的变化情况。最终明确了采用园林废弃物作为单一物料进行蚯蚓堆肥的可行性,并初步阐明了园林废弃物蚯蚓堆肥的机理及其与牛粪处理的异同,以期为蚯蚓堆肥处理园林废弃物以及蚯蚓堆肥产物的农业利用提供理论基础和技术支持。主要研究结果如下:(1)蚯蚓堆肥处理能够提高园林废弃物中p H和电导率(EC),加速有机质的矿化,使不溶性微粒转变为可溶性形态。60天堆肥处理后,园林废弃物的pH和EC分别是8.48和2.00 mS·cm。于此同时,蚯蚓堆肥过程能够增加园林废弃物中总氮、总磷、总钾以及有效磷、钾的百分含量,但园林废弃物中以上指标含量均低于牛粪。此外,蚯蚓的掘穴行为能够改善物料中的有氧条件,促进硝化作用,堆肥60天后的无机氮均有显著提高。以上结果表明,蚯蚓堆肥过程能够改善园林废弃物的理化性质、提高其营养价值,且堆肥产物的营养价值取决于原料的特性。虽然园林废弃物的堆肥产物在总养分和有效养分等方面均低于牛粪,但同样具备较高的土地利用价值。(2)园林废弃物堆肥过程中,未发现蚯蚓出现死亡或逃逸现象,蚯蚓的平均体质量在前40天维持在0.4 g左右,第60天时降至0.277 g。牛粪处理组中,蚯蚓存活率表现出缓慢下降的趋势,最终维持在56.7%左右,平均体质量则呈现先上升后下降的规律。两种物料中蚯蚓的产茧量均随处理时间先增加后下降,第30天达到峰值。其中,第30天时园林废弃物中产茧量在200个左右,而牛粪中产茧量更高为265个,呈显著差异。蚯蚓的生物学参数表明园林废弃物同样适宜蚯蚓生长繁殖,蚯蚓堆肥技术处理园林废弃物具有可行性。理化性质中影响蚯蚓生长繁殖的主要因素是有机质、碳氮比、EC等指标。因此,对于物料中养分含量以及碳氮比、EC和pH适宜范围的控制对高效的堆肥过程有重要意义。(3)扫描电镜图像显示,原始物料中含有较大的片状和棒状结构,而堆肥产物中以上结构被剧烈破坏并降解成蓬松、颗粒状碎片物质。园林废弃物与牛粪一样,蚯蚓堆肥能有效地将紧密的物理结构降解成碎片化的多孔颗粒,提高其农业应用价值。比表面积分析表明,所有样品中的吸附-脱附等温线均属于Ⅲ型,是由松散的聚合物片状颗粒组成的狭缝状孔。虽然园林废弃物的表面积、孔体积和孔大小均小于牛粪,但蚯蚓堆肥过程同样能提高其表面积和孔隙度,使蚯蚓堆肥产物具有更好的持水能力。由热重分析可知,园林废弃物中由于芳香族化合物的增加,较牛粪存在更多耐热成分。此外,蚯蚓堆肥产物经热降解后的残留质量分数较原料更高,同时其质量损失速率的峰值强度降低,表明蚯蚓堆肥产物中易降解的化合物转变为更复杂的化合物,具有更高的稳定性。(4)蚯蚓堆肥能够增加细菌群落的丰富度和多样性。园林废弃物经过堆肥过程后具有更高的细菌群落丰富度,而牛粪具有更高的细菌群落多样性。在门水平上,占优势的类群主要是变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria)。其中,变形菌门是相对丰度最高的门,且在园林废弃物中的占比远高于牛粪。堆肥结束后,在园林废弃物及牛粪中均观察到变形菌门的显著减少,酸杆菌门(Acidobacteria)和浮霉菌门(Planctomycetes)相对丰度的增加。在属水平,两种物料以及堆肥前后的类群组成均差异较大,占优势的类群主要是异根瘤菌属(Allorhizobium)、假单胞菌属(Pseudomonas)、新鞘脂菌属(Novosphingobium)、黄杆菌属(Flavobacterium)、链霉菌属(Streptomyces)等为主。聚类分析表明,物料来源是影响细菌群落相似程度的主要影响因素,不同物料的蚯蚓堆肥产物在细菌群落结构上具有一定的相似性。此外,蚯蚓堆肥过程中物料理化性质显著影响着细菌群落结构的动态变化。
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