纳米膜覆盖下芒果废弃物配比对高温堆肥进程与腐殖化特性的调控机制及其资源化利用研究

《Horticulturae》：The Influence of the Ratio of Mango Waste Covered with Nano-Film on the Process of High-Temperature Composting and the Humification Characteristics Liyan Dong, Weihua Wang, Xuanyan Du, Xiaosheng Ye, Junbao Zhu, Rui Xiang, Shilei Zhang, Zhixin Yao, Haibo Hu and Zihan Yue + 3 authors

本研究揭示了在纳米膜覆盖技术提供的稳定微环境下，芒果废弃果与修剪枝的初始混合配比是决定高温好氧堆肥效率与产品腐殖化品质的关键因素。通过三种湿重配比（T1 4:1, T2 3:1, T3 2:1）试验，系统监测了温度、氮素转化、腐殖质组分等动态变化，明确了T2（3:1）配比在升温速度、高温持续时间、碳氮比（C/N）降低、氨挥发抑制、腐殖酸（HA）与富里酸（FA）比值（HA/FA）及种子发芽指数（GI）等核心指标上均表现最优，为芒果产业废弃物的资源化高效利用提供了可靠的理论依据与技术路径。

　　

为应对攀枝花地区芒果产业废弃物（包括废弃果实与修剪枝叶）带来的巨大环境压力，并实现其向高值化有机肥料的转化，本研究聚焦于物料初始配比优化在提升堆肥产品腐殖化质量中的关键作用。研究在纳米膜覆盖技术所提供的标准化、稳定微环境控制下，设置了三种典型的废弃芒果果实与修剪枝条湿重配比处理（T1=4:1, T2=3:1, T3=2:1），开展了高温好氧堆肥实验。

1. 材料与方法

实验在攀枝花市农林科学研究院的蔬菜示范科技园进行。主要原料为当地废弃芒果果实和修剪枝条，使用前经粉碎处理。采用三层复合纳米膜（核心为膨体聚四氟乙烯ePTFE）覆盖堆体，其微孔结构可平衡供氧、保水与保温。所有处理均在纳米膜覆盖及间歇强制通风条件下进行。堆体建成矩形，初始含水率调至60-70%，通过智能云平台实时监测内部温湿度。在堆肥启动后的第1、5、10、30、55天进行动态采样，分析了温度、pH、电导率（EC）、碳氮比（C/N）、纤维素、木质素、氮（N）、磷（P）、钾（K）、铵态氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N）、腐殖酸（HA）、富里酸（FA）、种子发芽指数（GI）及氨（NH₃）挥发率等一系列理化与生物学指标。

2. 结果

2.1 堆体温度、pH与电导率（EC）动态变化

所有处理的堆体温度均经历了中温、高温、降温和腐熟期的典型变化。其中，T2处理升温最快，第4天即进入高温期（≥55°C），峰值温度达61.9°C，高温期持续13天；T1和T3分别在第12和13天进入高温期。在堆肥过程中，各处理的C/N比均呈下降趋势，T2处理的降低幅度最大（46.6%）。pH值在堆肥中后期上升并最终稳定在6.0-7.5之间。EC值总体呈下降趋势，T2处理的EC值降低最多（30.58%），所有处理最终EC值（1.44-1.78 mS/m）均处于低盐范围，适合农用。

2.2 有机组分含量变化

纤维素和木质素是堆肥降解的主要对象。T2处理的纤维素降解最显著，降幅达39.6%。木质素含量在所有处理中均呈下降趋势，T2的降解率为46.83%。氮、磷、钾含量变化反映了堆肥过程中的养分转化与浓缩情况。总氮含量呈现波动、增加而后略降的动态；总磷含量在波动后持续稳定增加；钾含量在堆肥后期显著增加。所有处理的总养分（N+P₂O₅+K₂O）含量均≥2.0%，满足腐熟堆肥标准。

2.3 氮形态转化与氨挥发

NH₄⁺-N含量呈现先波动增加（约在第30天达峰值）后下降的趋势。NO₃^--N含量在整个堆肥期间呈波动上升趋势。氨挥发率在堆肥启动后急剧下降，并迅速降至极低水平保持稳定。在整个过程中，T2处理的氨挥发率始终最低，其初始峰值[0.0135 mg/(m²·d)]远低于T1和T3，表明该配比最有利于减少氮素以氨气形式损失。

2.4 腐殖质组分动态与腐熟度参数

腐殖质主要由HA和FA构成。FA含量呈现先增后减的趋势，而HA含量在整个过程中持续增加。T2处理加速了FA的分解和HA的合成，其FA分解率和HA合成率分别为56.74%和114%，最终HA浓度最高（27.39 g/kg）。HA/FA比值是评价堆肥腐熟度的重要指标，比值越高表明腐殖质聚合程度越高，堆肥越腐熟。堆肥结束时，T2处理的HA/FA值最高（2.19），且最早超过1.9的腐熟阈值。种子发芽指数（GI）是评价堆肥腐熟度和植物毒性的关键指标，GI>80%即认为腐熟且无毒。本研究中各处理GI值均远超此标准，其中T2处理最高，达222.49%，表明其腐熟度最高且对植物生长有促进作用。

2.5 相关性分析：腐熟度与理化指标

通过Mantel相关网络和Pearson热图分析表明，堆肥腐熟度与pH、HA、NH₄⁺-N、全氮含量呈显著正相关，与纤维素含量呈显著负相关。此外，HA与NO₃^--N、全氮呈强正相关。这些关系揭示，堆肥腐熟度的提升主要受腐殖化进程的推进和氮形态稳定转化的驱动。

3. 结论

本研究表明，在纳米膜覆盖创造的稳定微环境下，芒果废弃物的初始“果枝比”是调控整个堆肥进程（特别是腐殖化质量）的核心变量。T2处理（废弃芒果果实:修剪枝条=3:1）取得了最优的堆肥性能：快速启动并维持了足够的高温期，有效促进了有机物降解和病原菌灭活；最大程度降低了碳氮比和氨挥发损失，保留了更多养分；显著促进了FA向HA的转化，获得了最高的HA/FA比值和种子发芽指数，从而生产出高腐殖化品质、高农用安全性的堆肥产品。该研究明确了物料配比在优化堆肥腐殖化质量中的独立作用与内在机制，为芒果产业废弃物从大规模处置转向资源化高值利用提供了可靠的理论基础与技术途径。