农作物秸秆可用于生产肥料^[1]、饲料^[2]、燃料^[3]、生物质板材^[4]等，其中利用秸秆等植物纤维作为增强材料模塑成型的农用秸秆花盆，可替代塑料花盆，不仅可以减少塑料的“白色污染”，也有助于减轻农业废弃物不合理应用给环境带来的影响，对资源开发利用和环境保护具有重要意义^[5]。欧美等西方发达国家，正在大力推广生物可降解盆钵，并且对使用塑料制品出台了严格的限制措施。美国、加拿大和其他欧洲国家也在积极研发生物可降解育苗与栽培容器，日本、加拿大和瑞士等国的可降解容器在蔬菜及园艺上的使用量已经超过塑料容器的使用量。但秸秆花盆在使用过程中力学强度会逐渐下降、性能劣化^[5]，影响其花盆使用价值。一般地，秸秆花盆使用寿命在1～3年，被废弃秸秆花盆不能得到及时处理，可能成二次污染。因此，开展秸秆花盆再利用技术研究十分必要。

利用堆肥方法处理有机固体废弃物是一种集处理和资源循环再生利用于一体的生物方法^{[6, 7, 8, 9]}。研究结果表明，有机固体废弃物经过堆肥处理可以实现无害化、减量化与资源化，腐熟产物可作为有机肥或加工成植物育苗、栽培基质^{[10, 11, 12]}。近年来，本课题组以模压成型方法开发一种秸秆花盆，该材料与其他一般堆肥原料的区别在于添加了一定量的改性脲醛树脂黏合剂^[5]，但制品密度大且氮含量高，不适宜直接进行堆肥处理。

为解决某些如含水率过大、碳氮比不宜等有机物料堆肥问题，多物料混合堆肥是一种理想选择^[13]。陈广银等^[14]通过研究添加蘑菇渣和鸡粪对落叶堆肥过程中有机物的影响发现，添加蘑菇渣可以促进堆肥有机质、木质素、纤维素的分解，加快堆肥稳定腐熟。周江明等^[15]研究了自然发酵条件下猪粪与菌渣不同比例高温堆肥试验，探索了猪粪和菌渣堆肥生产有机肥相关技术。

鉴于目前国内外有关秸秆花盆废弃后如何处置及堆肥化处理研究鲜见报道，本研究以课题组自主研发的麦秸秸秆花盆为材料，与半腐熟物料进行混合堆肥研究，探讨评价物料堆肥过程中理化性状变化及产物生物毒性，以期为废弃秸秆花盆肥料化利用提供理论依据。

以江苏省农科院资环所自制的麦秸秸秆花盆为材料，试验前粉碎至40～60目，制备工艺同文献[5]。

试验所用堆腐原材料取自南京宁粮象山有机肥料厂，原材料包括腐熟平菇渣（Composting oyster mushroom residue，CMR）、腐熟的中药渣（Composting in the dregs，CD）、新鲜的金针菇渣（Fresh mushroom residue，FMR），基本理化性质见表 1。

表 1 堆肥原料的基本理化性质 Table 1 Physical-chemical properties of composting raw materials

表选项

堆肥试验于2013年3月19日至4月20日在宁粮集团象山有机肥料厂场房中进行。麦秸秸秆花盆堆腐处理采用好氧培养方法，阶段性采样后进行分析。试验将堆腐物料分别堆在塑料膜上，混合均匀并调节堆体含水率为60%，自然通风，不添加任何调理剂，堆腐期为33 d，堆腐过程中每4~5 d翻堆1次。每天下午14：00将温度计放入堆体中心部位，待温度稳定后读值；分别在堆腐实施的第1 、5 、9 、13 、18 、23、28、33 d翻堆后取样，在堆体20～30 cm深度，采用5点取样法，测定含水率、pH、有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、氨基酸态氮、氨基糖态氮含量及种子发芽指数。试验设计秸秆花盆粉碎物料与腐熟原料按照一定比例混合，以保证堆体具有良好疏松度。试验共设置4个处理，每个处理3次重复，随机区组排列，具体见表 2。

表 2 堆腐原料配比 Table 2 Ratios of composting raw materials

表选项

采用堆腐物料与去离子水按体积比1∶5混合，在室温下用振荡器连续振荡30 min，静置30 min后，上清液经滤纸过滤后采用pH酸度计（Phs-2F型，上海精密科学仪器有限公司，上海）测定上清液的pH值。含水率采用烘箱干燥法测定；有机碳采用重铬酸钾外加热法测定^[16]；全氮采用凯氏定氮法^[16]；铵态氮（NH₄⁺-N）采用靛酚蓝比色法测定^[16]；硝态氮（NO₃^--N）采用紫外分光光度法测定^[16]；氨基酸态氮和氨基糖态氮测定参照文献[17]。

种子发芽指数测定^[18]：将每处理新鲜堆腐样品与水按照10∶1（V/m）比例混合振荡2 h，上清液经滤纸过滤后待用；将辣椒、黄瓜种子放入100 mL烧杯中，加入55 ℃的温水，水量以浸没种子为宜，不断搅拌使水温降至30 ℃，浸泡6 h；然后将滤纸放入干净无菌的11 cm培养皿中，用浸提液将其浸湿，滤纸上均匀摆放30粒浸泡好的种子（辣椒为苏长红，黄瓜为露丰，江苏省农科院蔬菜所提供）；准确吸取5 mL滤液于培养皿中，在30 ℃恒温培养箱中培养，同时用去离子水做空白对照，每组3个平行。每天检查1次，测定种子发芽率和根长，并用等量滤液浸润滤纸。根据发芽种子数量及根长，按下式判断种子的活力：

发芽指数GI=（堆腐处理的种子发芽率×种子根长）/（对照的种子发芽率×根长）

运用Microsoft Excel 2007，Origin 8.0及SPSS 17.0软件对数据进行统计处理和分析，不同处理间的理化指标差异，采用邓肯法检验（Duncan′test），显著性水平为0.05。

堆料温度是微生物活动的标志，温度的高低反映堆肥腐熟的快慢，又是使堆肥达到无害化和稳定化的重要条件^[15]。通过温度的升降，完成有机物的分解，从而实现堆肥的腐熟和无害化过程。

由图 1堆腐过程中温度变化曲线可以看出，CK、TⅠ、TⅡ和TⅢ4个处理温度变化趋势基本相同，均经历快速升温、高温、降温3个阶段。堆腐初期，嗜温性微生物活动释放出大量的热量，当产生的热量大于消耗的热量时，堆体温度迅速上升。CK、TⅠ、TⅡ和TⅢ在堆肥第3 d堆体温度均超过50 ℃，且持续天数分别为15、14、14、12 d，可见添加花盆粉碎物料对半腐熟物料堆肥初期升温速率无显著影响，但高温期持续时间有所缩短。从堆肥全程均温和最高温度看，CK 、TⅠ、TⅡ和TⅢ处理33 d平均温度分别为46.9、47.9、47.7、46.6 ℃，分别在堆肥后第10、7、7、10 d达到最高温度62.3、63.7、63.3、60 ℃。结果表明，花盆粉碎物料添加与否和添加量对堆肥全程均温影响不显著，而对最高温度出现时间与温度值可产生显著影响。添加10%、20%有利提高堆肥温度，缩短高温持续时间，添加30%可使堆肥均温和最高温有轻微降低，延缓高温期，原因可能是秸秆花盆以改性脲醛树脂作为胶黏剂，粉碎物料中含有较高新鲜有机碳和氮素，适量添加有利提高堆肥微生物活性，加速堆肥呼吸作用和生化过程。因秸秆花盆通过压缩而成，其初始密度达到1.3 g·cm-3，粉碎后容重为0.8 g·cm^-3，过多添加增大了堆体密度，降低了堆体孔隙度，影响堆肥氧气供给，反而降低了堆肥温度。堆肥结束时，CK的温度降至28 ℃左右，而TⅠ、TⅡ处理的温度略大于30 ℃，TⅢ处理温度略高于TⅠ、TⅡ。这是由于物料中仍含有一定量的有机质，是否达到腐熟，还需结合其他指标来综合判定。

图 1 堆腐过程中温度变化 Figure 1 Changes of temperature during composting

图选项

总体而言，所有处理均满足《城市生活垃圾堆肥处理厂技术评价指标》（CJ/T 3059—1996）^[19]和《畜禽粪便无害化处理技术规范》（NY/T 1168—2006）^[20]对堆肥温度的无害化卫生要求。

堆肥过程中，水分是微生物生长所必需的，堆腐物料为50%～60%的含水率最利于微生物分解^[21]。由图 2可知，各处理堆腐物料在堆腐过程中含水率随时间变化均呈下降趋势。CK、TⅠ、TⅡ和TⅢ含水率分别下降了5.75%、10.34%、6.57%和4.65%。在堆肥第23 d，TⅢ处理含水率有一个明显上升的趋势，分析认为是取样不均匀，取样点湿度较大所致。到4月20日堆肥结束时，CK、TⅠ、TⅡ、TⅢ4种处理含水率分别为55.89%、53.53%、54.22%和57.02%，已达到基本腐熟。从图 2可明显看出TⅠ呈现前期脱水率快且稳定，最终含水率低等特点，一定程度说明了TⅠ堆腐效果良好。

图 2 堆腐过程中含水率、pH变化 Figure 2 Changes of moisture content and pH during composting

图选项

pH值反映微生物的酸碱度生长环境。一般而言，细菌和放线菌最适宜的pH值是中性或弱碱性^[21]。由图 2中pH得知，4种堆腐物料的pH值在堆肥试验开始时基本保持在7.8～8.0之间，之后均先上升后下降最后基本平稳。由于在堆肥初期，各处理物料加水将含水率调节至65%，堆体中具有秸秆花盆粉碎料或/和新鲜物料（新鲜金针菇渣），含有新鲜有机物，腐熟物料（腐熟食用菌渣和腐熟中药渣）富含丰富微生物，在65%堆肥适宜水分下，微生物对碳氮矿化作用显著增强，大量有机态氮矿化成氨或形成铵离子，使堆肥pH逐渐升高。堆肥后期，随着有机态氮矿化作用减弱和铵态氮被微生物转化或以氨形式挥发，堆体pH逐渐下降。堆肥结束后，CK、TⅠ、TⅡ和TⅢ的pH值分别为8.63、8.6、8.49、8.44。可见添加秸秆花盆材料未使堆肥产物最终pH升高，各处理物料pH值均能维持在8.5左右，基本符合堆肥腐熟酸碱标准要求^[22]。由上述分析可知，低碳氮比的混合物料堆肥对发酵物料的含水率及pH影响不大^[23]。

堆肥过程中有机质的转化主要有2个过程：一是有机质的矿化过程，即把复杂的有机质分解成简单的物质，最后生成二氧化碳、水和矿质养分；二是有机质的腐殖化过程，即有机质经分解再合成，生成更复杂的特殊的有机质-腐殖质。由图 3可知，4种堆腐处理有机碳含量总体呈现下降趋势，在堆腐初期，可利用营养丰富，结合上述堆腐物料的温度、含水率和pH均在适宜范围的结果，微生物新陈代谢速率加快，有机物降解率高，有机质含量呈下降趋势，但堆腐后期下降缓慢。CK、TⅠ、TⅡ和TⅢ处理，有机碳含量分别在堆腐周期的第22、22、22、17 d达到最低值，堆腐结束时4种处理的有机质含量基本在42%～45%，有机碳降幅分别为8.64%、8.87%、2.02%和4.00%。这表明，TⅠ处理的有机碳含量降幅最大，TⅡ、TⅢ处理与CK差异不显著。

图 3 堆腐过程中总有机碳含量变化 Figure 3 Changes of total organic carbon during composting

图选项

堆腐过程中，氮的转化过程包括氨化、硝化、反硝化、挥发和生物吸收固定等，氮形态是堆肥质量的重要指标之一^[18]。

图 4给出了堆腐过程物料全氮含量变化趋势。由此得知，CK、TⅠ、TⅡ、TⅢ4个处理全氮含量在0～32 d堆腐过程中的总体趋势均是上升。理论上，有机废弃物堆腐过程是一个不断损失氮素的过程，其总氮绝对含量应该逐渐降低，但是相对含量并不一定呈现逐渐降低趋势。本研究中，CK、TⅠ、TⅡ、TⅢ全氮的增幅分别为35.6%、17.8%、25.6%、18.0%，可能是由于堆腐物料中复杂含氮有机物较多，矿化比较缓慢，并且其碳素含量较高，在堆腐过程中可以形成较多的腐殖质，对铵态氮起到很强的固定作用，从而降低了氮素的挥发损失，当其他易挥发物质的损失总量大于氮素损失量时，单位干物质中全氮相对含量呈现增加趋势^[18]。另一方面，随着加入秸秆花盆物料量的增加，堆腐物料含氮量增加，则是因为秸秆花盆制作过程中加入含氮量较高的脲醛树脂胶黏剂^[5]。从图 4可以明显看出堆腐过程全氮含量TⅢ＞TⅡ＞TⅠ＞CK，堆肥第1 d原始混合物料TⅠ、TⅡ、TⅢ全氮含量分别高出CK约26%、41%、49%，在堆肥结束后TⅠ、TⅡ、TⅢ全氮含量分别高出CK 15%、37%、42%，表明添加秸秆花盆粉碎物料存在氮素的降解。

图 4 堆腐过程中全氮变化 Figure 4 Changes of total nitrogen during composting

图选项

由图 5可知，4种处理NH₄⁺-N变化较平稳，堆腐过程中略有上升，堆腐后期下降，TⅡ、TⅢ处理NH₄⁺-N分别上升73.61%和71.36%，CK 和TⅠ分别下降29.71%和49.85%。TⅠ、TⅡ、TⅢ处理NH₄⁺-N含量高于CK，表明在堆腐过程中添加的秸秆花盆粉碎物料对NH₄⁺-N上升有一定促进作用，可能是由于秸秆花盆粉碎物料中氮转化成NH₄⁺-N或改性脲醛树脂分解转化作用^[24]。课题组较深入地研究了大豆蛋白水解液改性脲醛树脂的结构及降解性能^[25]，发现改性后的脲醛树脂经土培一定时间后质量损失率最高约20%，且FTIR分析表明其N-H键特征峰显著增强，与上述分析结果一致。

图 5 堆腐过程中铵态氮、硝态氮的变化 Figure 5 Changes of NH4+-N and NO3--N during composting

图选项

研究表明，当腐熟堆体中NO₃^--N含量升高时，表明堆肥已经经过强烈的高温阶段，达到稳定^[18]，因此NO₃^--N的增加也可以作为堆肥腐熟的一个评价指标。结合NO₃^--N含量变化可以看出，一开始不同处理的NO₃^--N含量极低，由于高温环境强烈抑制硝化细菌的生长和活动，导致堆腐初期无机氮主要以NH₄⁺-N形式存在，在堆腐前12 d，NO₃^--N含量上升比较缓慢，由于高温期硝化作用受到抑制，从堆腐的第12 d到物料堆腐结束，堆腐物料温度逐渐降低，硝化细菌活动加速，硝态氮含量迅速上升。堆腐结束时TⅠ、TⅡ、TⅢ分别高出CK 66%、197%和253%，表明堆腐物料已经经过高温堆腐过程，基本稳定。

综上所述，如果按照相关文献[26] 腐熟度要求，由于秸秆花盆物料中含氮量较高，导致TⅠ、TⅡ、TⅢ处理中NH₄⁺-N含量较高，且NH₄⁺-N含量受温度、pH、通气条件以及氮源条件等的影响，很难用一个绝对值来表示，因而本研究继续探讨了NH₄⁺-N/NO₃^--N的变化^[18]，进而评价秸秆花盆堆腐程度。

表 3给出了秸秆花盆堆腐基质堆腐过程NH₄⁺-N/NO₃^--N的变化。CK、TⅠ、TⅡ、TⅢ处理初始的NH₄⁺-N/NO₃^--N值分别为86.85、214.32、107.72和125.76，堆腐周期结束时，CK、TⅠ、TⅡ、TⅢ 4个处理NH₄⁺-N/NO₃^--N值下降为2.32、2.68、3.65和4.36，由于堆腐初期NO₃^--N含量极低，导致NH₄⁺-N/NO₃^--N值过大，堆腐结束后，当NO₃^--N含量趋于平缓时，NH₄⁺-N/NO₃^--N值下降也趋于平缓。根据加拿大政府有关标准，当NH₄⁺-N/NO₃^--N≤0.5时堆肥腐熟，可见本研究中堆腐不达标，而针对本研究中各处理比较而言，TⅠ处理的堆腐状况较其他处理良好。

表 3 堆腐过程中NH₄⁺-N/NO₃^--N 的变化 Table 3 Changes of NH₄⁺-N/NO₃^--N ratios during composting

表选项

氨基酸态氮主要在微生物细胞质中，占有机态氮很大一部分。由图 6可知，氨基酸态氮总体趋势是先上升再平稳后下降，4个堆肥处理物料氨基酸态氮变化趋势总体类似。整个堆肥过程中，TⅢ处理中氨基酸态氮的含量相对较高，表明在物料堆肥过程中随添加秸秆花盆粉碎料的增加能够提高氨基酸态氮的相对含量。TⅢ处理中堆肥第33 d氨基酸态氮含量异常，可能是测量误差而致。有研究证明氨基酸态氮分子可直接进入植株内，被作物直接吸收利用^[27]，因此在有机物料堆肥过程中适量添加秸秆花盆物料利于植株生长。

图 6 氨基酸态氮、氨基糖态氮及未知态氮的变化 Figure 6 Changes of amino N，amino sugar N，and unidentified N during composting

图选项

氨基糖是细胞壁的组成成分，一般认为土壤中的氨基糖多来源于微生物。细菌细胞壁主要由肽聚糖构成，肽聚糖是由n-乙酰葡糖胺和n-乙酰胞酸以及氨基酸肽链所组成的多糖支架^[28]。因此，氨基糖态氮含量高低在一定程度上反映微生物的丰度与活性。在堆肥初期中温阶段主要是嗜温真菌和细菌尤其是嗜热细菌，所以氨基糖在堆肥初期呈现上升趋势。由图 6可知，TⅠ、TⅡ、TⅢ处理的微生物活动大于CK处理，表明添加秸秆花盆物料可显著增加微生物活性。从第3 d开始，氨基糖态氮突然显著下降，并在第12～16 d均降低至最低水平，以后又逐渐升高并在后期下降。氨基糖态氮变化与堆肥温度变化呈现密切关联性，初期升温氨基糖态氮显著升高，中期高温期氨基糖氮显著下降，后期温度下降其含量又升高，终末时含量降至较低水平。本研究发现，堆肥高温期氨基糖态氮不升反降，其原因尚不清楚。

根据图 6得出，堆腐过程中除去氨态氮、硝态氮、氨基酸态氮、氨基糖态氮后，还有一些未知态氮。由于秸秆花盆中胶黏剂的氮形态主要是酰胺态氮，主要包括尿素、缩二脲、天冬酰胺、谷氨酰胺、菸酰胺，但Brenmer-蒸馏法不能测出酰胺态氮含量，无法推知酰胺态氮变化趋势，对于脲醛树脂中酰胺态氮降解形式有待进一步研究。

研究采用GI来评判废弃秸秆花盆混合物料生物毒性及腐熟程度，以确定是否适宜作有机肥或基质原料使用。由于堆肥腐熟程度受很多影响因素制约，采用不同的方法评价腐熟度会有不同的结果。GI值可综合体现出堆腐样品对植物毒性及腐熟度^[18]。

由图 7可知，CK、TⅠ、TⅡ、TⅢ处理堆腐结束时物料对辣椒和黄瓜两种大小不同的种子GI的影响趋势类似。4个处理堆腐周期结束后GI值均超过0.8，其中TⅠ处理辣椒、黄瓜种子的发芽指数均超过CK、TⅡ和TⅢ。一般认为，GI值超过0.5即可认为物料基本腐熟，对植物生长基本无毒性^[18]。试验结果印证了以改性脲醛树脂为胶黏剂的花盆与其他半腐熟物料堆肥具有一定的可行性，改性后的脲醛树脂降解后可作为缓释氮肥使用^[25]。前期试验结果也表明，固化后的胶黏剂甲醛释放量小，对作物生长基本无负面影响，甚至有促进作用^[29]。

从研究结果看，按照本文设计的原料配比，经33 d堆肥处理后物料可以达到腐熟与低植物生理毒性要求^[18]。

（1）秸秆花盆与半腐熟有机物料按质量比（1～3）∶10比例进行堆肥处理，在33 d堆肥结束时，除NH₄⁺-N/NO₃^--N指标未达到腐熟标准外，温度、含水率、pH、有机碳、全氮以及发芽指数均符合有机物料稳定化和无害化要求。低碳氮比的秸秆花盆混合物料堆肥发酵在生产上可行。

（2）堆肥过程中前期微生物快速增长，氨基酸态氮和氨基糖态氮显著升高，未知态氮显著下降，其中秸秆花盆物料含有较多微生物可利用氮，对这一过程具有明显促进作用。

（3）CK、TⅠ、TⅡ、TⅢ处理堆腐周期结束时，辣椒和黄瓜的发芽指数均大于0.8，其中TⅠ＞TⅡ，且优于CK和TⅢ。从堆肥产物肥料化角度考虑，秸秆花盆堆腐优选方案为TⅠ或TⅡ。

（4）通过混合堆肥方式可以实现秸秆花盆的稳定化与无害化处理。秸秆花盆材料与其他半腐熟物料适当配比，可促进堆肥过程中微生物活动，加速物质转化，且可能有利于降低堆腐物料植物毒性，对作物生长起到较好促进作用。