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空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）又名喜旱莲子草、水花生、空心苋、革命草、水蕹菜，属苋科(Amaranthaceae)莲子草属(Alternanthera)。空心莲子草对水体中Hg、Cd、Pb、Cr、Cu和Zn等重金属和土壤中Mn、Zn、Cr、Cu、Co、Pb和Cd较高的富集系数，对中度以下的重金属污染水体、土壤的修复有着比较好的效果[1-2]。所以将空心莲子草用于修复水体富营养化的技术被广泛应用[3-4]。然而，空心莲子草繁殖快，可在节处生根，然后萌生成株，生长快，生物量大，并短时期内会形成大面积且具有一定厚度的漂浮植毡层，覆盖住水面，导致水中溶解氧降低，使水体富营养化。因此，用于修复水体后空心莲子草的后续利用问题成为近年来的研究热点，通常包括肥料化、饲料化和能源化3种资源化利用途径[5]。
在堆肥过程中，有机物在微生物作用下以CO2、NH3等形式挥发掉，总有机碳等养分元素随着堆肥进程逐渐减少。堆肥过程中养分元素损失的影响因素很多，主要受温度、pH、供氧量、含水率、C/N和堆肥外源添加剂等的共同影响[6-7]。堆肥的升温和高温阶段是氮素损失的主要时期，主要损失途径是堆体中的氮在高pH和高温的条件下以NH3的形式逸出[8-10]。pH是影响微生物生长繁殖的重要因素之一，多数堆肥微生物适合在中性或偏碱性环境中繁殖与活动[11]，有研究指出，当pH在5~7时，氨气损失最少，pH≥8时，堆肥中氨气的挥发损失最大[12]。如何控制高温堆肥过程中养分元素的损失，成为近年来的研究热点[13]。有研究表明，堆肥过程中适当添加过磷酸钙等金属盐或硫酸亚铁、腐殖酸等一些酸性物质，调节堆体pH值、缩短堆肥时间、减少氨挥发[14-23]。过磷酸钙可通过调节堆肥物料pH值和含水率而减少氨气挥发[17-18]。腐殖酸能够促进有机质的分解，有效控制氮素损失[19]。硫酸亚铁能减少氨挥发，提高堆肥铵态氮及全氮含量[20, 24]。在堆肥过程中单独添加过磷酸钙、硫酸亚铁、腐殖酸均能减少氮素损失，提升堆肥品质。但比较3种保氮剂对同一种物质堆肥进程中养分元素的影响尚未见报道。本研究通过比较过磷酸钙、硫酸亚铁、腐殖酸对空心莲子草堆肥过程中有机质、全氮等养分元素含量及基础理化性质的影响，探讨出适宜空心莲子草堆肥的保氮剂，以期为空心莲子草残体堆沤有机肥的环保和高效生产提供理论依据。
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空心莲子草（A. philoxeroide）
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材料采集与成都市青白江区泰兴镇（30°48'58.01"N, 104°14'55.66"E）。然后在四川省林业科学研究院实验大棚里经自然晾晒，控制适宜的含水量作为堆肥原料。
试验于2019年7—8月在四川省林业科学研究院实验室开展。采用室内静态通风堆沤方式进行，堆肥堆箱顶部无盖(长×宽×高=55 cm×30 m×30 m)，四周分布有均匀通气孔(Φ=1.5 cm)，每个堆箱装入堆料约10 kg。
试验共设置5组处理：
CK：空心莲子草单一原料自然腐化形式；
A：空心莲子草+好氧菌处理；
B：空心莲子草+好氧菌+过磷酸钙（原料干质量的6.6%，过磷酸钙0.33 kg，质量分数≥18%）处理；
C：空心莲子草+好氧菌+硫酸亚铁处理（添加量为堆肥原料干重的2%，先将硫酸亚铁溶于水中，在堆料搅拌过程中均匀喷洒）；
D：空心莲子草+好氧菌+腐殖酸（占原料质量5%）处理。
各处理在堆肥开始前均加入原堆体质量1%的发酵菌剂（发酵菌剂是用于有氧发酵的添加剂），充分混合均匀，加水调节含水量为45%~60%（以手捏成团不滴水，但松开即散为宜），每组设置4个重复。
指标测定：
温度的测定：堆肥期间每天9:00—10:00在不同位置同一深度处插入5个温度计，算其平均值，测量堆体温度，同时测室温。
理化指标测定：堆肥固体样本分别在第0、7、14、21、28、35天进行翻堆混合。每次翻堆混合时采集样品（约300 g），在每个堆体的上中下3个层面分别取样并混匀。每份固体样本均分为2部分保存。一份鲜样用于pH；一份自然风干、粉碎后过0.5 mm筛，测定有机碳、全N、全P、全K。C、N、P的测定分别采用重镉酸钾外加热法[25]，凯氏定N法(K-370，瑞士生产)和紫外分光光度法(UV-2450，日本生产)，pH采用电位法测定(奥立龙868型酸度计)。
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图1是本次堆肥实验的pH值变化。在空心莲子草堆肥进程中，5种处理的pH值总体上随堆肥时间延长呈先降低后上升，最后趋于平稳。在堆肥开始时，各处理pH值在6.95左右。与对照组相比，添加过磷酸钙、硫酸亚铁和腐殖酸的处理均可在7天内显著降低堆肥的pH值，3组处理的pH值分别为6.17、6.05、6.01，而对照组最低pH值则出现在第14天。随后各处理组pH值逐渐升高，只添加好氧菌和添加保氮剂处理组第21天pH值达到最高值，且保氮剂处理的pH值均显著高于对照。堆肥第28天之后至结束，各组pH值变化幅度较小且差异不显著。
图 1 空心莲子草堆肥过程中不同处理pH的变化
Figure 1. Changes of pH in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting
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从图2中可以看出，整体上各处理堆体温度变化趋势基本一致，大体分为升温期、高温期、降温期和稳定期4个阶段。从堆肥开始到第二次翻堆混合前，处于升温和高温阶段。在该阶段，各组在堆肥第4天升温到45 ℃以上，且进入高温期，第6天达到最高温度，此时保氮剂处理组堆体温度均显著高于对照组，保氮剂处理组中以添加硫酸亚铁处理组温度最高，达到65.19 ℃，其次为添加腐殖酸处理组，为62.05 ℃。在堆肥20天之后，各组温度差异逐渐减小。就堆体温度变化情况来看，添加过磷酸钙、硫酸亚铁、腐殖酸能加快空心莲子草堆体的升温，促进堆肥过程提前进入稳定期，其中以添加硫酸亚铁处理效果最明显。因此，从温度角度考虑，添加硫酸亚铁更有利于空心莲子草堆肥。
图 2 空心莲子草堆肥过程中不同处理温度的变化
Figure 2. Changes of temperature in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting
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由图3可知，空心莲子草在堆肥过程中各处理组有机碳含量总体上呈下降趋势，且添加过磷酸钙、硫酸亚铁、腐殖酸处理组在堆肥初期下降幅度显著高于对照和只添加好氧菌组。到堆肥第7天，过磷酸钙、硫酸亚铁、腐殖酸处理组有机碳下降幅度分别为18.42%、21.93%、27.19%。对照组和添加好氧菌组分别为6.14%、13.16%。由此可知，添加腐殖酸处理组有机碳含量下降幅度最大，反应速度最快，最有利于有机质分解。
图 3 空心莲子草堆肥过程中不同处理有机碳的变化
Figure 3. Changes of organic carbon in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting
空心莲子草堆肥结束后，各组有机碳含量下降幅度分别为62.76%、56.66%、47.37%、44.45%、54.87%。添加过磷酸钙和硫酸亚铁有机碳含量下降幅度相对较小，说明过磷酸钙和硫酸亚铁添加剂减少了堆肥总碳素消耗。这与罗一鸣等人的类似研究结果一致[11]。
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由图4可知，各处理的全氮含量随着堆肥的进行呈先降低后升高的趋势，最低值出现在第14天。随后，全氮含量呈逐渐增加趋势，过磷酸钙、硫酸亚铁、腐殖酸处理组与只添加好氧菌、对照组处理间的全氮含量差异也逐渐增大。从14天至堆肥结束，过磷酸钙、硫酸亚铁、腐殖酸处理组总氮含量显著高于只添加好氧菌和对照组，且腐殖酸处理组总氮含量高于其余2组。堆肥结束后，各组全氮含量与原始物料相比分别降低了36.65%、27.16%、17.36%、17.55%、12.63%，说明过磷酸钙、硫酸亚铁、腐殖酸在空心莲子草堆肥过程中具有较好的保氮效果，且以腐殖酸保氮效果为最佳。
图 4 空心莲子草堆肥过程中不同处理全氮的变化
Figure 4. Changes of total nitrogen in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting
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由于磷、钾元素不可能通过挥发等形式损失，所以TP、TK含量的上升是C、N等元素以CO2、NH3、N2O等形式挥发造成总干物质减少，同时部分水分蒸发流失，产生的相对上升[26]。
从图5、图6可以看出，全磷、全钾含量总体上呈上升趋势，且对照和只添加好氧菌组上升幅度较大，且在第7天之后显著高于其余3组。堆肥结束后，各组全磷含量分别上升了58.45%、52.91%、38.40%、32.95%、34.86%，全钾含量分别是原始物料的2.00倍、1.88倍、1.29倍、1.26倍、1.15倍。腐殖酸处理组TP、TK含量上升幅度较小。因此，腐殖酸处理组C、N等元素损失最少。
图 5 空心莲子草堆肥过程中不同处理全磷的变化
Figure 5. Changes of total phosphorus in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting
图 6 空心莲子草堆肥过程中不同处理全钾的变化
Figure 6. Changes of total potassium in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting
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研究结果表明，添加过磷酸钙、硫酸亚铁、腐殖酸处理的能快速降低堆肥pH值，但在堆肥中、后期却促进堆体pH值提升，且部分阶段高于对照和只添加好氧菌处理。堆肥高温期，添加过磷酸钙、硫酸亚铁、腐殖酸处理的堆体温度显著高于对照，但与只添加好氧菌组差异不显著。堆肥完成后，添加过磷酸钙、硫酸亚铁、腐殖酸处理的有机碳、全氮含量与对照相比均显著增加，而全钾、全磷含量则显著低于对照和只添加好氧菌组。结果表明空心莲子草堆肥过程中添加过磷酸钙、硫酸亚铁、腐殖酸可加快启动速度、缩短堆肥时间，并能减少氮素损失。综合以上各个指标，3种保氮剂中总体上以腐殖酸处理效果最佳。
Effects of Different Nitrogen Preserving Agents on Composting of Alternanthera philoxeroides
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摘要: 保氮剂是一种可以控提升堆肥质量的天然固定剂，以切碎的空心莲子草为原料，以硫酸亚铁、腐殖酸、过磷酸钙制成保氮剂，进行35 d的好氧堆肥试验对堆肥过程中堆体理化性质、有机碳、全氮、全磷、全钾进行监测。结果表明：堆肥高温期，保氮剂处理的堆温明显高于CK，其中以添加硫酸亚铁处理效果最明显，添加硫酸亚铁更有利于高温期的持续。堆体pH在堆肥初期添加保氮剂组下降幅度较大，随后添加保氮剂处理的pH均显著高于对照。堆肥完成后，各试验组的有机碳、全氮含量总体上呈下降趋势，各组试验有机碳含量与原始物料相比下降幅度分别为62.76%、56.66%、47.37%、44.45%、54.87%，添加保氮剂中以添加腐殖酸处理组有机碳含量下降幅度最大，反应速度最快。各组全氮含量分别降低了36.65%、27.16%、17.36%、17.55%、12.63%，添加保氮剂总氮含量显著高于只添加好氧菌和对照组，其中添加腐殖酸组总氮含量最高，各组全磷含量分别上升了58.45%、52.91%、38.40%、32.95%、34.86%，全钾含量分别是原始物料的2.00倍、1.88倍、1.29倍、1.26倍、1.15倍。表明空心莲子草堆肥过程中添加过磷酸钙、硫酸亚铁、腐殖酸可加快启动速度、缩短堆肥时间，并能减少氨挥发。综合各个指标，三种保氮剂中总体上以腐殖酸处理效果最佳。Abstract: Nitrogen preserving agent is a kind of natural fixative that can control and improve the quality of compost. A 35 day aerobic composting experiment was conducted with chopped Alternanthera philoxeroides as raw materials, ferrous sulfate, sodium humate and calcium superphosphate as nitrogen preserving agents, in order to study the effects of nitrogen preserving agent on the composting process and nitrogen loss of Alternanthera philoxeroides. The physical and chemical properties, organic carbon, total nitrogen, total phosphorus and total potassium of the compost were monitored. The results showed that: during the high temperature period of compost, the composting temperature of nitrogen preserving agent treatment was significantly higher than that of CK, and the effect of ferrous sulfate treatment was the most obvious, which was more conducive to persistence of high temperature period. At the beginning of composting, the pH of compost decreased greatly in the group added with nitrogen retaining agent, and then the pH of the heap treated with nitrogen preserving agent was significantly higher than that of the control. After composting, the organic carbon and total nitrogen content of each experimental group showed a downward trend as a whole. Compared with the original material, the organic carbon content of each group decreased by 62.76%, 56.66%, 47.37%, 44.45% and 54.87%, respectively. Among the nitrogen preserving agents, the organic carbon content of the treatment group with humic acid decreased the most and the reaction speed was the fastest. The total nitrogen content of each group was decreased by 36.65%, 27.16%, 17.36%, 17.55% and 12.63%, respectively. The total nitrogen content of adding nitrogen preserving agent was significantly higher than that of aerobic bacteria and control group. The total nitrogen content of humic acid group was the highest, and the total phosphorus content of each group increased by 58.45%, 52.91%, 38.40%, 32.95% and 34.86%, respectively. The total potassium content was 2.00 times, 1.88 times, 1.29 times, 1.26 times, 1.15 times of the original materials respectively. The results indicated that the addition of superphosphate, ferrous sulfate and humic acid in the composting process of Alternanthera philoxeroides could accelerate the start-up speed, shorten the composting time and reduce ammonia volatilization. In summary, humic acid treatment was the best among the three nitrogen preserving agents.
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Key words:
- Nitrogen preserving agent;
- Alternanthera philoxeroides;
- Compost
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图 1 空心莲子草堆肥过程中不同处理pH的变化
注：CK：空心莲子草；A：空心莲子草+好氧菌处理；B：空心莲子草+好氧菌+过磷酸钙；C：空心莲子草+好氧菌+硫酸亚铁处理；D：空心莲子草+好氧菌+腐殖酸。下同。
Fig. 1 Changes of pH in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting
Note: CK: A. philoxeroides; A: A. philoxeroides+aerobic bacteria treatment; B: A. philoxeroides+aerobic bacteria+calcium superphosphate; C. A. philoxeroides+aerobic bacteria+ferrous sulfate treatment; D: A. philoxeroides+aerobic bacteria+humic acid. The same below.
图 2 空心莲子草堆肥过程中不同处理温度的变化
Fig. 2 Changes of temperature in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting
图 3 空心莲子草堆肥过程中不同处理有机碳的变化
Fig. 3 Changes of organic carbon in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting
图 4 空心莲子草堆肥过程中不同处理全氮的变化
Fig. 4 Changes of total nitrogen in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting
图 5 空心莲子草堆肥过程中不同处理全磷的变化
Fig. 5 Changes of total phosphorus in different treatments of Alternanthera philoxeroides during composting
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