随着蔬菜种植产业化进程的快速发展，我国蔬菜种植面积逐年增加，到2014 年已达2.1×10⁷ hm²，占全国农作物种植总面积的12.9%^[1]，而随之产生的蔬菜废弃物则达到4.2亿t^[2]。蔬菜废弃物有较高的养分含量(氮含量为3%~4%，磷含量为0.3%~0.5%，钾含量为1.8%~5.3%，以干物质计)^[3]，若能合理利用，将成为化肥减施战略中重要的替代肥源。

堆肥作为传统的废弃物无害化处理技术，已被广泛地应用于各类蔬菜废弃物的处理研究中^[4-6]。堆肥发酵中产生的高温能有效杀死病原微生物，对蔬菜废弃物进行无害化处理，并将其转化为肥料，是蔬菜废弃物无害化处理和肥料化再利用的有效途径^[7]。但研究表明，堆肥过程是温室气体重要的排放源之一^[8]，堆肥过程中产生大量NH₃等，不仅对周围环境造成一定程度的污染，也降低了肥料的品质^[9-10]。如何减少堆肥过程造成的环境污染及氮素损失已成为国内外研究的热点。在畜禽粪便堆肥过程中，添加过磷酸钙用以提高堆肥产品的磷含量，以及降低堆肥过程中的氮素损失研究已有较多报道^[11-12]，其中罗一鸣等^[13]在猪粪堆肥过程中添加初始物料干质量3.3豫~6.6豫的过磷酸钙使堆肥过程中的NH₃-N 损失量减少了19.8豫~35.7豫；林小凤等^[14]发现在堆肥原料中添加占总物料干质量10.0豫~15.7豫的过磷酸钙可减少60豫~85豫的总氮质量损失。但在蔬菜废弃物堆肥过程中添加过磷酸钙对堆肥进程影响及减少堆肥过程氮素损失的适宜添加量研究则鲜有报道。

本文以生菜废弃物为主要堆肥料，探讨适宜过磷酸钙添加量对堆肥过程中腐熟度参数及物料氮素含量的变化，以得到蔬菜废弃物堆肥过程中促进堆肥进程及减少养分损失的过磷酸钙适宜添加量，为蔬菜废弃物高效化堆肥及化肥减施战略中的有机替代研究提供数据支持和技术参考。

试验在北京市大兴区河津营绿福蔬菜生产合作社进行，所需鸡粪购买自当地有机肥经销商，其余原料均由当地农户提供(玉米秸秆粉碎处理)，各种原料的基本性状见表 1。

表 1　堆肥原料的基本性状（%） Table 1　Properties of raw materials used in composting（%）

表选项

试验于2014 年5 月24 日—6 月18 日进行，共设6 个处理，每个处理3 次重复。除CK 外，其余处理以过磷酸钙中P 单质的量占混合物料初始总氮物质的量的5%~25%^[13]设置5 个不同添加比例，各处理物料鲜基总质量、过磷酸钙添加量等如表 2 所示。鸡粪与生菜废弃物的质量比为1:1(按干物质计)，并用玉米秸秆(添加量为22.88 kg，以干重计)将C/N 调至25。物料混合均匀后装入体积为0.77 m³的发酵箱。物料装入前,将聚氯乙烯(PVC)管连接成栅栏状并按等间距交叉钻孔后铺于保温箱底部，6 个箱子并连组成一套通气系统，每个箱子通气速率为0.27 m³·min^-1·m^-3，通气频率设定为前4 d每4 h通气15 min，第5 d开始每8 h通气15 min。由于高温期物料含水量下降较快，至第11 d时，进行翻堆加水，调节各处理含水率至60%。待堆体温度下降且基本保持不变时，试验结束。

表 2　试验设计 Table 2　Design of the experiment

表选项

堆肥期间，每日测定堆肥表层下30 cm 处温度，取上午9:00 和下午15:00时的平均数为当日温度；堆肥第0、4、8、15、26 d取样，测定指标包括pH、EC、全碳、全氮、全磷、发芽指数(GI)、含水率等，并在堆肥结束时称量物料总鲜重，以测定堆肥过程中的氮素损失，计算公式如式1：

(1)

全碳、全氮、全磷的测定按照NY 525—2012中的相关步骤进行；pH 值和EC 值采用固(风干样)液比1:10的悬浮液测定；GI(%)的测定方法为称取10 g鲜样，加入100 mL 蒸馏水，震荡1 h，室温静置1 昼夜，过滤，吸取5 mL 滤液于铺有滤纸的9 cm 培养皿内，播50 粒饱满的油菜种子(夏绿2号)，28 ℃恒温培养箱中培养48 h，以蒸馏水作对照^[15]。计算公式如式2所示：

(2)

数据处理使用Excel 2010 和SAS 统计分析软件，方差分析采用SSR 多重比较法。

堆肥期间各处理的温度变化如图 1所示。自堆肥开始至第11 d，各处理温度均维持在50 ℃以上，且各处理维持在50 ℃以上的天数总体上随过磷酸钙添加量的增大而增加，S25处理的天数最长，达15 d。自第2 d起，各处理温度连续保持在55 ℃以上，持续时间均达7 d，为堆肥腐熟及达到卫生指标提供了保证。各处理在翻堆后均出现了温度下降的情况，但添加过磷酸钙的处理均重新升至50 ℃以上，其中S5 处理维持在50 ℃以上的天数为2 d，而S10、S15 和S20 处理为4 d。

图 1　不同过磷酸钙添加量对各堆肥处理温度变化的影响 Figure 1　The influence of different superphosphate addition amounts on the changes of temperature during composting

图选项

随着堆肥的进行，各处理C/N 值整体呈下降的趋势(图 2)。堆肥开始的前11 d各处理C/N 值下降幅度最大，结合图 1 可知，此时处于堆肥高温期；与CK处理相比，添加过磷酸钙显著降低了堆肥高温期的C/N 值(P＜0.01)，且随过磷酸钙添加量增加而降低，第8d时的取样最低值为16.59，比CK处理低42.01%，这可能是添加过磷酸钙为微生物提供磷营养而促进了微生物对物料有机物的分解。堆肥结束时，添加过磷酸钙处理的物料C/N 值低于CK 处理，但未达显著性水平；各处理的C/N 值介于11.19~13.02 之间，达到了一般腐熟堆肥的C/N 值范围^[16]。

图 2　不同过磷酸钙添加量对各堆肥处理C/N 值变化的影响 Figure 2　The influence of different superphosphate addition amounts on the changes of C/N during composting

图选项

由表 3 可知，各处理间堆肥原始物料pH 值差异不显著，这可能与试验所用过磷酸钙为颗粒型，且添加量相对较少有关。堆肥结束后各处理pH 值由开始时的6.52~6.58 上升至6.74~7.66，其中S20 和S25 处理的pH 值最低，可能是这两个处理添加的过磷酸钙量较多，降低了堆肥物料pH 值，并在一定程度上抑制了因有机酸被分解及氨气固定所引起的pH 值升高的效果。堆肥结束时，除S5 处理外，其余过磷酸钙添加处理的pH值均与CK处理差异极显著(P＜0.01)。堆肥结束时，各处理堆肥产品的EC 值均高于原始物料，且总体随过磷酸钙添加量的增加而升高(表 3)。除S5处理外，其余添加过磷酸钙的堆肥产品与CK 处理的EC 值差异极显著(P＜0.01)，S15 和S25 处理的EC 值显著高于其余处理，分别为5.61 mS·cm^-1和5.63 mS·cm^-1，但二者间无显著差异。各处理EC 值均小于9.0 mS·cm^-1，对种子发芽无抑制作用^[17]。

表 3　不同过磷酸钙添加量对堆肥产品的pH值和EC 值的影响 Table 3　The influence of different superphosphate addition amounts on the pH and EC of compost products

表选项

堆肥开始时，各处理的发芽指数介于66.15%~69.96%，无显著差异(图 3)，均处于植物的可承受范围^[18]；随着堆肥的进行，各处理GI 值总体呈现出先降低后升高的趋势，到堆肥第15 d时，S15 处理的GI 值最高，为92.89%，且添加过磷酸钙处理的GI 值均高于80%，显著高于CK 处理(P＜0.01)，达基本腐熟程度^[16]，较对照处理提前10 d以上。堆肥结束时，除S25处理外，其余添加过磷酸钙的处理GI 值均显著高于CK 处理(P＜0.01)；其中S5 和S10 处理的GI 值显著高于其他添加过磷酸钙的处理(P＜0.01)，相较CK 处理分别提高19.86%和12.89%。

图 3　不同过磷酸钙添加量对各堆肥处理发芽指数（GI）变化的影响 Figure 3　The influence of different superphosphate addition amounts on the changes of GI during composting

图选项

图 4表明，添加过磷酸钙能够显著降低堆肥的氮素损失率(P＜0.05)，与CK 处理相比，S5、S10、S15、S20 和S25 处理的氮素损失率分别降低19.99%、18.99%、13.74%、16.08%和17.33%，但不同添加量处理间无显著差异；各处理氮素固定率介于35.08%~51.03%之间。经测定，CK、S5、S10、S15、S20 和S25 处理堆肥的全磷(P₂O₅)含量分别为0.86%、1.10%、1.27%、1.50%、1.75%和1.83%。因此，添加过磷酸钙既可以减少堆肥过程中的氮素损失，又能提高堆体的磷含量，从而提高堆肥的肥效品质。

图中不同小写字母表示各处理间差异显著（P＜0.05） 图 4　不同过磷酸钙添加量对各堆肥处理氮素损失的影响 Figure 4　The influence of different superphosphate addition amounts on the loss rate of N during composting

图选项

为探讨添加过磷酸钙对化肥减施战略中的有机替代及降低农民生产成本的贡献率，分析了添加过磷酸钙增加的养分及此部分养分所能替代的化肥成本，具体见表 4。

表 4　不同过磷酸钙添加量的成本效益分析 Table 4　Cost-benefit analysis of different superphosphate addition amounts

表选项

从表 4 可看出，与对照相比，蔬菜废弃物堆肥过程中添加不同量的过磷酸钙，养分含量均有所提高，方差分析结果表明，不同过磷酸钙添加量对堆肥中的氮素养分和P₂O₅ 养分含量的增加均达极显著水平(P＜0.01)，且P₂O₅ 养分含量随过磷酸钙添加量的增加而显著增加(P＜0.01)，其中以S25 的养分提升效果最佳。从添加过磷酸钙的成本和养分增加替代化肥带来的效℃来看，尽管S25 所产生的绝对价值最高，但其成本也最高，分析产投比(即增加养分产生价值除以添加过磷酸钙的成本所得)可知，S5 处理的值最大，即过磷酸钙添加量为堆肥物料干重2.05%时，可以最大限度实现化肥的有机替代，进而降低农民生产成本。

本试验中各处理在堆肥开始后即进入高温期，且添加过磷酸钙的处理温度均高于对照处理，与姜继韶^[19] 在猪粪秸秆堆肥时添加过磷酸钙减缓堆肥初期温度升高的结论并不一致，这可能与堆肥原料及试验通风设计等参数有关。与其他化学添加剂一样，堆肥过程中添加少量过磷酸钙可提高堆肥腐熟度，减少氮素损失，并提高堆肥磷含量；过量使用则可能抑制堆肥进程^[13]或使有害物质进入土壤，污染农田土壤环境^[20]。本试验条件下，各处理堆肥结束时的发芽指数总体随过磷酸钙添加量的增加而降低。当过磷酸钙添加量为初始物料干质量10.26%(S25)时，发芽指数略低于CK 处理，为84.83%，表现出一定的生物毒性，因此，当过磷酸钙添加量大于初始物料干质量的10.26%时，可能对堆肥进程产生显著的抑制作用，应进行发芽指数试验进行验证。这与罗一鸣等^[13]提出的在猪粪堆肥过程中过磷酸钙的添加量超过初始物料干质量的9.9%时，将对堆肥进程产生显著抑制作用的结论相一致。因此在蔬菜废弃物堆肥处理研究过程中应注意对过磷酸钙临界最大添加量的研究，但具体添加量受堆肥原料等条件影响较大，还需视具体情况而定。

堆肥过程中添加化学物质降低物料pH 值具有简单高效的优点，也是减少氮素损失的重要途径。过磷酸钙含有磷酸、硫酸等游离酸，并具有一定的吸湿性,可通过调节堆肥物料含水率和pH 值来减少氨挥发，还能增加堆肥中的磷含量，因此成为堆肥过程中减少氮素损失的重要添加物。本试验条件下，过磷酸钙添加量为初始物料干质量的2.05%~10.26%时，氮素固定率达35.08%~51.03%，与林小凤等^[14]提出的过磷酸钙添加量占物料总干质量的9.99豫~15.71豫时，氮素固定率可达60豫~85豫的结论一致，氮素固定率数值略有偏差可能与堆肥原料和过磷酸钙添加量等试验条件的不同有关。此外，试验中各处理的氮素损失率均显著低于CK 处理，且过磷酸钙添加量为物料干重2.05%时的产投比最高，当过磷酸钙添加量低于2.05%时，可能存在产投比更高且氮素损失率亦显著低于CK 的临界值，亦需进一步研究确定。

(1) 添加过磷酸钙使堆肥处理全程的平均温度增高，其中过磷酸钙添加量占物料干质量4.10%~10.26%时，平均温度值显著高于CK 处理，且添加比例为4.10%时的平均温度值最高，为51.90 ℃。

(2) 添加过磷酸钙对堆肥产品的C/N值无显著影响，添加量大于物料干质量2.05%时，物料EC值显著高于CK 处理；当添加量大于8.21%时，物料pH 值超出堆肥安全标准范围(7.0~8.5)，堆肥产品的GI 值亦显著低于CK 处理。此外，第15 d时，添加过磷酸钙的堆肥处理发芽指数已达80%以上，较CK 处理提早10 d以上。

(3) 添加过磷酸钙显著降低了堆肥的氮素损失率，其中过磷酸钙添加量为物料干质量2.05%时的氮素损失率最低，比CK 处理降低19.99%，且此时产投比最大，为3.93。综上所述，本试验条件下过磷酸钙的适宜添加量应为物料干质量的2.05%。