农业废弃物堆肥降解特性及其作为无土栽培基质的可持续利用研究

本研究针对泥炭资源不可持续及农业废弃物处理难题，通过堆肥技术将灵芝废菌渣(SMS)、榛子修剪废料(HPW)和咖啡渣(SCG)转化为植物生长基质(PGM)。采用FTIR光谱和TGA热重分析表征木质纤维素降解过程，发现堆肥后全纤维素/木质素比值显著降低。番茄幼苗和微绿蔬菜栽培实验证实，含90% SCG堆肥(K3)的基质使水芹(Lepidium sativum)鲜重达1.908 kg m-2，为泥炭替代提供了可持续解决方案。

　　

在全球面临土壤退化和泥炭资源枯竭的双重挑战下，温室无土栽培技术正成为现代农业的重要选择。传统泥炭基质虽具有优良的理化特性，但其开采导致富含碳的泥炭地破坏，据研究泥炭地单位面积碳储量甚至是森林的2倍。与此同时，每年全球产生约2000亿吨木质纤维素类农业废弃物，仅土耳其每年就产生170万吨榛子修剪废料(HPW)和大量灵芝栽培废菌渣(SMS)。如何将这些"农业垃圾"变废为宝，既解决环境压力又替代不可持续的泥炭资源，成为摆在科学家面前的重大课题。

杜泽大学回收农业废弃物工业应用研究中心的Faik Ceylan团队在《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》发表的研究，创新性地将三类典型木质纤维素废弃物——灵芝废菌渣(SMS)、榛子修剪废料(HPW)和咖啡渣(SCG)通过180天堆肥转化为植物生长基质。研究不仅系统解析了堆肥过程中木质纤维素的降解机制，更通过番茄幼苗和微绿蔬菜栽培实验，验证了这些堆肥产品完全具备替代泥基质的潜力。

研究团队采用多学科交叉方法开展系统评估。通过监测温度、pH和电导率(EC)等传统指标确保堆肥工艺稳定性；运用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)等先进表征技术追踪木质纤维素降解过程；测定全纤维素/木质素比值等化学指标评价堆肥成熟度；最后通过番茄(Lycopersicon lycopersicum)和水芹(Lepidium sativum)、生菜(Lactuca sativa)微绿蔬菜的栽培实验，全面评估堆肥基质的农艺价值。所有实验均在杜泽大学露天堆肥装置中进行，采用三重复设计确保数据可靠性。

2.1 堆肥过程的理化特性演变

温度监测显示所有堆肥在5天内迅速升至50-60℃，通过定期翻堆在90天内逐渐降至环境温度，这种高温期对木质纤维素降解至关重要。K1和K2堆肥pH初始>9，EC达2000μS cm^-1，而K3保持中性(pH6.5)和较低EC(<1000μS cm^-1)。成熟后所有堆肥EC均低于植物毒性阈值4000μS cm^-1。

3.2 木质纤维素降解特征

化学分析揭示堆肥后全纤维素/木质素比值显著降低：K3从1.59降至0.51，K1从1.05降至0.79。FTIR光谱显示：

• 3400-3200 cm^-1处O-H/N-H伸缩振动增强
• 2920-2850 cm^-1处脂肪族C-H振动减弱
• 1743 cm^-1处SCG的酯基特征峰强度降低
• 1600-1650 cm^-1区芳香性和羧酸盐浓度增加

TGA分析显示150-375℃区间重量损失减少16-17%，表明碳水化合物和脂肪族化合物有效降解。

3.3 堆肥产品的农艺价值

重金属含量均低于欧盟限值，C/N比<20显示完全腐熟。值得关注的是K3堆肥具有最高有机质(90.27%)和微生物量(550 μg C g^-1)。种子发芽指数(SGI)测试显示，K3对水芹和生菜无毒性(SGI>80%)，但对番茄仍具毒性。

3.6 栽培应用效果

番茄幼苗在含90% K3(SCG1)的基质中株高达78.67 cm，干生物量是对照的2.62倍。水芹微绿蔬菜在SCG2基质中鲜重达1.908 kg m^-2，显著高于对照(1.246 kg m^-2)。生菜在SCG1基质中产量更达4.360 kg m^-2，展现卓越的生产潜力。

这项研究的意义不仅在于阐明了木质纤维素废弃物堆肥降解的分子机制，更重要的是构建了从农业废弃物到高值基质的完整技术链条。特别是咖啡渣堆肥(K3)表现突出，其酸性特质(pH6.04)恰好弥补了常规堆肥碱度过高的问题，为微绿蔬菜等敏感作物提供了理想基质。研究结果为解决泥炭资源不可持续问题提供了切实可行的替代方案，同时实现了农业废弃物的增值利用，对推动循环农业发展具有重要示范意义。未来研究可进一步探讨堆肥基质对作物营养成分的影响，以及在更多无土栽培系统中的应用潜力。