添加麥秸與發酵菌劑對廢墊料堆肥再發酵過程的影響

劉宇鋒,范如芹,羅 佳,蘇天明,唐玉邦,張振華*

(1.江蘇省農業科學院 農業資源與環境研究所,江蘇 南京 210014;2.廣西農業科學院 農業資源與環境研究所,廣西 南寧 530007;3.江蘇省農業科學院 農業設施與裝備研究所,江蘇 南京 210014)

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添加麥秸與發酵菌劑對廢墊料堆肥再發酵過程的影響

劉宇鋒1,2,范如芹1,羅 佳1,蘇天明2,唐玉邦3,張振華1*

(1.江蘇省農業科學院 農業資源與環境研究所,江蘇 南京 210014;2.廣西農業科學院 農業資源與環境研究所,廣西 南寧 530007;3.江蘇省農業科學院 農業設施與裝備研究所,江蘇 南京 210014)

設置4種麥秸與廢墊料比例(0∶10、2∶8、4∶6、6∶4)與2種發酵菌劑添加方式(不接種菌劑、接種菌劑)，研究了麥秸與廢墊料比例以及發酵菌劑對畜禽養殖廢墊料堆肥再發酵過程的影響。結果表明:添加麥秸對廢墊料堆肥再發酵過程存在顯著性影響,能增加發酵溫度和腐殖酸含量,相對增加全N含量,部分增加全磷、全鉀含量,降低物料EC值,提高有機質含量,并能快速影響C/N的變化，以4∶6水平下的效果最為明顯；接種發酵菌劑對堆肥再發酵有一定的促進作用，能在一定程度上提高發酵溫度,提高物料中腐殖酸含量,并在一定程度上降低C/N和EC；上述2個因素結合應用的效果優于單獨接種發酵菌劑的效果。綜上所述,麥秸與廢墊料比例為4∶6與接種發酵菌劑的處理組合是最合適的廢墊料再發酵模式。

廢墊料;麥秸與廢墊料比例;發酵菌劑;堆肥再發酵

發酵床墊料是畜禽活動場所和畜禽糞尿的主要載體[1]。發酵床墊料受到墊料組分性質、畜禽養殖種類與方式、畜禽養殖密度和養殖過程日常維護等因素的影響,發酵床墊料有一定的使用壽命,一般0.5～5.0年不等[2]。在發酵床墊料達到使用壽命后,須更換新的發酵床墊料；被替換下來的墊料就成為廢墊料。由于廢墊料存在鹽度積累較高[3]、病原微生物滋生、寄生蟲卵殘留等問題[4-5],在廢棄墊料能否直接作為有機肥料使用并釋放到環境方面,還存在一定爭議[6-7]。若將廢墊料完全廢棄,則不但會造成資源浪費,還會形成新的農業面源污染源,從而限制發酵床養殖技術的進一步推廣。因此,廢棄墊料的無害化、資源化綜合利用成為廢墊料處理的基本方向。

目前對廢墊料的處理方式主要有再生和堆肥再發酵。因再生成本較高,堆肥再發酵成為目前對廢墊料進行無害化、資源化處理的主要方法[8-9]。廢墊料堆肥再發酵處理可降低廢棄墊料中有害物質的毒性,減小堆存的體積和重量;該處理具有處理成本低、無害化程度高,處理能力大,有利于貯存、運輸和施用等諸多優點，不僅可以解決畜禽規模化養殖帶來的環境污染問題,而且對發展循環農業、培肥地力、促進農業可持續發展均具有重要意義。

在商品有機肥生產過程中,加快升溫速度、縮短堆腐時間是提高商品有機肥生產經濟效益的關鍵。傳統堆肥法一般利用堆制原料中的土著微生物來降解物料,存在發酵時間長、NH3揮發嚴重、肥效降低和環境污染等問題[10-11]。大量研究表明接種外源發酵菌劑具有促使堆肥物料快速達到高溫、降低堆肥過程中N損失[12]、縮短發酵時間、提高堆肥質量等作用[13-15]，可有效降低工廠化堆肥中堆肥時間和場地成本,經濟提升效果明顯。

目前,在廢棄墊料的資源化評價[6-7,16]、有害物質殘留分析[2,17-18]、對作物生長發育的影響[19-20]、發酵菌劑在廢墊料堆肥發酵中應用[21]等方面已有不少研究報道，但對不同比例作物秸稈并結合發酵菌劑接種在廢墊料堆肥再發酵中使用的研究還不多見，同時對堆肥再發酵過程進行動態監測目前尚缺乏系統報道。本試驗以豬發酵床廢墊料為研究對象,添加不同比例的麥秸,并結合發酵菌劑接種,研究了廢墊料堆肥再發酵過程中堆肥物料主要理化性狀的變化,旨在為廢墊料資源化綜合利用提供數據支撐和理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年11月在江蘇省農業科學院玻璃溫室(32°2′22″N,118°51′43″E)內進行。本試驗以江蘇省農業科學院六合動物科學基地生豬發酵床養殖場(其畜禽養殖種類為蘇中豬)提供的豬發酵床廢棄墊料(以下簡稱廢墊料)為主要試驗材料,其主要由麥秸與木屑按1∶4(V/V)的比例組成,使用年限1.5年;其基本理化性狀為:pH 6.6,電導率(EC)6.1 ms/cm,有機質含量391.8 g/kg,含水率37.6%,全N 18.7 g/kg,全P 21.3 g/kg,全K 8.3 g/kg,腐殖酸含量68.6 g/kg。供試小麥秸稈(以下簡稱麥秸)經自然晾干后,用粉碎機粉碎2次,形成0.5～1.0 cm的麥秸顆粒,其基本理化性狀如下:有機質含量924.6 g/kg,含水率9.4%,全N 6.6 g/kg,全P 0.5 g/kg,全K 36.7 g/kg。試驗發酵用菌劑(以下簡稱菌劑)是由康源綠洲生物科技(北京)有限公司研制的EM有機肥發酵菌劑,其主要成分包括枯草芽孢桿菌、光合米曲霉、地衣芽孢桿菌、戊糖片球菌。再發酵試驗在塑料周轉箱(長×寬×高為57.2 cm×38.5 cm×29.5 cm,空重2.5 kg)內進行,各發酵堆體總質量為24 kg左右。試驗從2015年11月4日開始，至2015年11月24日結束,歷時21 d。

1.2 試驗設計與樣品采集

以麥秸與廢墊料比例(簡稱麥秸添加比例, RWS)和發酵菌劑(MI)為試驗因素。在總發酵堆質量不變的情況下,設置麥秸與廢墊料質量比(m/m)0∶10、2∶8、4∶6和6∶4共4個水平;發酵菌劑接種設置2個水平,分別為不接種(MI-)與接種(MI+)。以廢墊料直接發酵作為對照,共組合成8個處理,每處理重復3次,共計24個發酵堆。

2015年11月4日各處理堆肥再發酵堆構建,設為起點(0 d)；2015年11月24日堆肥再發酵結束,設為終點(20 d)。在堆肥過程中每5 d采集樣品,并人工翻堆1次。在每次翻堆前進行取樣,使用土壤取樣器對各處理按“S”型5點法進行樣品采集,然后將樣品充分混合，分成4份,用塑料封口袋密封保存。部分鮮樣用于腐殖酸含量等指標的測定；對其余墊料樣品進行風干7 d處理,供其他試驗指標分析用。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 不同堆層堆溫和環境溫度 使用T-80型便攜式熱電偶溫度探針對堆體表面(0～1 cm)、中層(15～20 cm)和底部(25～30 cm)處進行堆溫監測,以“S”型5點位置測定法對相同試驗處理各發酵堆層各進行5次測定,計算其平均值作為各堆層發酵溫度;同時測定環境溫度。測定在每天上午9:00～11:00進行。

1.3.2 腐殖酸含量 各處理物料腐殖酸含量的測定參照《有機肥料中腐殖酸含量的測定》[22]進行。

1.3.3 全N、全P和全K含量 物料全N、全P、全K含量分析均采取H2SO4-H2O2法消煮,采用凱氏定氮法測定全N含量,用釩鉬黃比色法測定全P含量,用火焰光度法測定全K含量[23]。

1.3.4 物料pH 值與電導率(EC) 將風干物料與去離子水按1∶5(m/V)的比例混合,經振蕩過濾后測定pH值與EC。

1.3.5 物料有機質和C/N 對各處理物料有機質含量的測定采用灼燒法[24]。通過計算獲取C/N比，其中有機碳含量的計算用王飛等[25]的公式。

1.4 數據處理與分析

用SPSS 22.0統計分析軟件中的通用線性模型雙因素變量法進行方差分析,包括麥秸與廢墊料比例(RWS)、發酵菌劑(MI)以及兩者的交互作用(RWS×MI)；用Duncan’s法進行多重比較(P<0.05)；使用Origin 9.3統計作圖軟件進行相關數據的統計作圖。

2 結果與分析

2.1 堆溫

分析麥秸與廢墊料比例與發酵菌劑對再發酵墊料表面、中層和底部堆溫的影響，結果(圖1)發現： RWS1、RWS2、RWS3和RWS4處理的再發酵表面溫度與環境溫度變化基本一致,受內部發酵活動的影響較小；各處理發酵堆中部與底部堆溫均在0～5 d逐步上升,并維持高溫發酵階段,然后逐步下降；堆溫隨麥秸添加比例增加而不同程度增加,在5～7 d均不同程度地達到堆溫峰值,具體表現為RWS3>RWS4> RWS2>RWS1,表明麥秸與廢墊料比例4∶6處理能快速啟動發酵并達到高溫階段,并維持發酵高溫狀態；在25～30 cm發酵堆底部,發酵在一定程度上進行,但活動強度不如中部；同時,發酵菌劑接種各處理的堆溫均小幅高于未接種菌劑處理的。本試驗還發現各處理的堆溫峰值均未超過50 ℃,這可能與發酵堆體不大有關,在今后研究中需進一步完善。

ET:環境溫度; S:發酵堆表面; M:發酵堆中部; B:發酵堆底部。圖1 添加麥秸與發酵菌劑對廢墊料再發酵過程中堆溫的影響

2.2 腐殖酸含量

從圖2可以看出，在整個再發酵過程中,各處理的腐殖酸含量均呈現先下降后上升再緩慢下降的變化趨勢。具體而言：腐殖酸含量在0～5 d階段出現下降,在5 d時各處理的腐殖酸含量較0 d下降了4.2%～10.7%；隨著再發酵的進行,腐殖酸含量逐步增加,在5～10 d、10～15 d和15～20 d三個再發酵階段,后一時期的腐殖酸含量較前一時期分別增加了20.4%～61.6%、4.5%～10.4%和2.7%～10.6%,以5～10 d階段腐殖酸含量的增幅最大。各試驗處理的腐殖酸含量在堆肥結束時(20 d)較啟堆階段(0 d)增加了3.2%～25.7%；而作為對照的RWS1處理,由于沒有添加麥秸,腐殖酸含量在堆肥再發酵過程中有波動,但腐殖酸含量在堆肥發酵結束時較啟堆時沒有明顯增加。在0 d和5 d,各處理的腐殖酸含量隨麥秸添加比例的增加而減少,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個處理組合的腐殖酸含量較對應時間點內RWS1-MI-(CK)分別下降了5.7%～12.1%和2.9%～14.2%；在10 d、15 d和20 d三個再發酵階段，上述處理組合的腐殖酸含量較相應時間點內對照分別增加了3.5%～19.3%、6.3%～16.2%、2.0%～10.7%。在各處理中,接種發酵菌劑(MI+)較不接種菌劑(MI-)小幅度增加了發酵墊料的腐殖酸含量;其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四個相同麥秸與廢墊料比例中,MI+的發酵墊料腐殖酸含量較MI-分別提高了0.7%～6.3%、1.2%～2.4%、1.1%～2.1%和0.9%～1.7%。

2.3 全N、全P和全K含量

從表1～表3可以看出：麥秸與廢墊料比例對整個再發酵過程中再發酵墊料的全N、全P和全K含量均有顯著性影響(P<0.05)；發酵菌劑對發酵過程中5 d各處理的全N含量影響顯著；麥秸與廢墊料比例×發酵菌劑對5 d、10 d再發酵墊料全N含量影響顯著；發酵菌劑、麥秸與廢墊料比例×發酵菌劑對發酵過程中5 d的發酵墊料的全P和全K含量影響顯著。

在再發酵過程中，各處理發酵墊料的全N含量呈先下降然后逐步上升的趨勢(表1)。在0～5 d發酵階段,各處理的全N含量下降較為明顯,5 d各處理的全N含量較0 d相應處理下降了3.9%～16.6%；而在5～10 d、10～15 d、15～20 d這3個再發酵時間段內,各處理的全N含量較0 d分別增加了2.7%～13.9%、1.2%～3.2%和0.6%～3.2%。RWS1-MI-和RWS1-MI+處理再發酵墊料的全N含量在發酵中止時(20 d)較啟堆時(0 d)分別減少了5.3%和5.9%,而其他處理則增加了1.2%～4.5%。再發酵墊料的全N含量隨麥秸添加比例的增加而降低,這個趨勢在再發酵過程中均呈現。在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五個再發酵時間點,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個處理組合的物料全N含量較對應時間點內RWS1-MI-(CK)分別降低了7.5%～17.6%、0.3%～0.8%、0.6%～11.0%、1.1%～10.9%和0.6%～9.7%。在各處理中,接種發酵菌劑 (MI+)較不接種菌劑(MI-)小幅度增加了發酵墊料的全N含量;其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四個相同麥秸與廢墊料比例中,MI+發酵墊料的全N含量較MI-分別提高了0%～0.6%、0.6%～1.7%、0.6%～1.2%和0.7%～1.3%。

各處理的全P含量在再發酵過程中均呈逐步上升的趨勢(表2)。發酵結束(20 d)時各處理的全P含量較啟堆時增加了4.3%～10.8%。在0～5 d、5～10 d、10～15 d、15～20 d四個堆肥再發酵時間段,各處理的全P含量較前一個時間段分別增加了1.0%～5.1%、1.0%～3.9%、0.5%～4.2%和0.9%～2.9%。再發酵墊料的全P含量隨麥秸添加比例的增高而降低,并在各發酵時期均有表現,在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五個再發酵時間點,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個處理組合的全P含量較對應時間點內RWS1-MI-(CK)分別降低了0.5%～8.5%、2.8%～6.5%、3.6%～6.8%、2.7%～6.3%和2.8%～3.7%。接種發酵菌劑 (MI+)較不接種菌劑(MI-)部分增加了發酵墊料的全P含量,其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四個相同麥秸與廢墊料比例中,MI+的發酵墊料的全P含量較MI-分別增加了0.5%～0.9%、0.5%～1.0%、0.4%～1.0%和0.1%～1.4%。

各處理物料的全K含量在再發酵過程中均呈逐步上升的趨勢(表3)。在發酵結束(20 d)時各處理的全K含量較啟堆(0 d)時增加了4.8%～10.8%。在0～5 d、5～10 d、10～15 d、15～20 d四個再發酵時間段內,各處理物料的全K含量分別較前一時間段增加了1.2%～3.8%、1.0%～3.2%、1.1%～3.5%和1.4%～3.4%。各處理發酵墊料的全K含量隨麥秸添加比例的增高而下降,在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五個再發酵時間段內,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個處理組合的全K含量較對應時間點內RWS1-MI-(CK)分別降低了1.2%～6.4%、1.2%～5.9%、1.2%～5.8%、2.2%～8.0%和4.0%～8.8%。在4個相同的麥秸與廢墊料比例中,MI+的發酵墊料的全K含量較MI-均有所提高。

表1 添加麥秸與發酵菌劑處理對廢墊料堆肥再發酵過程中全N含量的影響

變異因素顯著性(P值)0d5d10d15d20dRWS0.030.010.040.050.04MINS0.05NSNSNSRWS×MINS0.040.05NSNS

注：麥秸與廢墊料比例用RWS表示,發酵菌劑用MI表示, RWS與MI的交互作用采用RWS×MI表示。同一列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),NS表示不顯著。下同。

表2 添加麥秸與發酵菌劑處理對廢墊料堆肥再發酵過程中全P含量的影響

變異因素顯著性(P值)0d5d10d15d20dRWS0.020.030.040.040.05MINS0.04NSNSNSRWS×MINS0.05NSNSNS

2.4 pH與EC

由表4可知：麥秸與廢墊料比例在整個再發酵過程中對再發酵墊料的pH值均有極顯著的影響(P<0.01)；發酵菌劑在發酵5 d、10 d、15 d和20 d時對再發酵墊料的pH值有極顯著性影響(P<0.01)；麥秸與廢墊料比例×菌劑接種在除5 d外的其余4個發酵時間點上對pH值影響顯著。

在再發酵過程中，各處理的pH值呈先上升后下降再逐步回升的變化趨勢(表4),發酵結束(20 d)時各處理的pH較發酵起始(0 d)時增加了8.0%～17.8%。各處理的pH值隨麥秸添加比例的增加而升高,表現為RWS4>RWS3>RWS2>RWS1,這一變化規律在堆肥再發酵各時間點內均有不同程度的表現。在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五個再發酵時間點,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個處理組合的pH值較對應時間點內RWS1-MI-(CK)處理分別增加了1.2%～11.1%、2.5%～12.0%、2.0%～20.5%、5.1%～25.4%和2.6%～19.0%。在0～5 d發酵階段,pH值上升最為明顯,5 d各處理的pH值較0 d增加了7.5%～10.0%；除5～10 d外,各處理后期的pH值較對應前期的pH值下降了0%～8.1%；而在10～15 d、15～20 d這2個再發酵階段內,各處理的pH值分別較前一個發酵時段上升了2.7%～9.1%和1.4%～6.2%。接種發酵菌劑較不接種菌劑均提高物料的pH值，其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四個相同麥秸與廢墊料比例中,MI+較MI-分別提高發酵墊料的pH值0.8%～4.5%、1.0%～2.7%、0.1%～3.8%和0.4%～1.4%,且差異顯著(P<0.05)。

變異因素顯著性(P值)0d5d10d15d20dRWS0.030.030.030.040.05MINS0.04NSNSNSRWS×MINS0.05NSNSNS

表4 添加麥秸與發酵菌劑處理對堆肥再發酵過程中物料pH值的影響

變異因素顯著性(P值)0d5d10d15d20dRWS<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01MINS<0.01<0.01<0.01<0.01RWS×MI<0.01NS<0.01<0.010.01

由表5可見：麥秸與廢墊料比例對整個堆肥再發酵過程中再發酵墊料的EC均有極顯著的影響(P<0.01)；發酵菌劑對15 d時再發酵墊料的EC存在顯著性影響(P<0.05)；麥秸與廢墊料比例×發酵菌劑對10 d、20 d時的EC均存在極顯著影響(P<0.01)。

在再發酵過程中，各處理的EC表現出先下降再小幅上升的趨勢(表5),但整體呈現下降趨勢,在發酵結束(20 d)時各處理的EC較發酵起始(0 d)時降低了2.1%～13.5%。作為對照的RWS1-MI-處理,EC的降幅最小。各處理的EC隨麥秸添加比例的升高而降低,表現為RWS4>RWS3>RWS2>RWS1,在各發酵時間點該趨勢均有不同程度的表現。在0～5 d、5～10 d、10～15 d這3個發酵階段,后期再發酵墊料的EC分別較前期下降了0.2%～12.4%、7.6%～63.3%和1.9%～17.3%,而在20 d增加了3.5%～60.7%。在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五個再發酵時間段,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個處理組合的EC較對應時間點內RWS1-MI-(CK)的EC值分別減低了3.6%～15.2%、5.2%～19.7%、2.5%～67.1%、0.7%～51.2%和0.3%～30.0%。接種發酵菌劑均在一定程度上降低了再發酵墊料的EC,在RWS2和RWS3下EC的下降最為明顯,MI+較MI-分別降低再發酵墊料的EC 6.2%～7.2%和1.1%～10.7%。

表5 麥秸添加與發酵菌劑處理對再發酵過程中堆肥EC的影響

變異因素顯著性(P值)0d5d10d15d20dRWS<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01MINSNSNS0.02NSRWS×MINSNS<0.01NS0.01

2.5 有機質和C/N

表6表明：麥秸與廢墊料比例在整個堆肥再發酵過程中對物料有機質含量均有極顯著的影響(P<0.01)；發酵菌劑以及麥秸與廢墊料比例×發酵菌劑對堆肥再發酵進行5 d、10 d、15 d時的物料有機質含量均有顯著影響(P<0.05)。

從表6可以看出，各處理的物料有機質含量在堆肥再發酵期間均呈明顯的下降趨勢,發酵結束(20 d)時各處理的有機質含量較啟堆(0 d)時下降了4.0%～7.6%。在0～5 d再發酵階段,各處理的有機質含量降幅最為明顯,5 d中各處理的有機質含量較0 d時下降了2.1%～6.3%；而在5～10 d、10～15 d、15～20 d這3個再發酵時間段內,各處理的有機質含量降幅分別為0.1%～2.3%、0.1%～1.1%和0.3%～3.0%,有機質含量雖有下降,但降幅明顯降低。各處理的有機質含量隨麥秸添加比例的升高而增加,表現為RWS4>RWS3>RWS2>RWS1,這一變化規律在發酵各時間點均有表現。在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五個再發酵時間點,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個處理的有機質含量較相應時間點內RWS1-MI-(CK)分別增加了1.9%～25.5%、2.0%～23.9%、1.0%～23.5%、0.1%～23.9%和0.2%～23.8%,但增幅逐步下降。接種發酵菌劑(MI+)較不接種菌劑(MI-)均降低了廢墊料的有機質含量，其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4相同麥秸與廢墊料比例條件下,MI+較MI-分別降低有機質含量0.7%～1.6%、0.4%～0.8%、0.3%～1.5%和1.3%～2.4%。

表6 添加麥秸與發酵菌劑處理對堆肥再發酵過程中物料有機質含量的影響

變異因素顯著性(P值)0d5d10d15d20dRWS<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01MINS0.040.030.05NSRWS×MINS0.040.050.05NS

數據分析結果(表7)表明：麥秸與廢墊料比例在整個再發酵過程中對物料的C/N均有顯著性影響(P<0.05)；發酵菌劑在5 d、10 d和20 d對物料的C/N影響顯著；麥秸與廢墊料比例×發酵菌劑在5 d、10 d對物料的C/N存在顯著性影響(P<0.05)。

各處理的物料C/N隨堆肥再發酵過程的進行而呈下降趨勢(表7)。在0～5 d、5～10 d、10～15 d、15～20 d四個再發酵時間段內,后期的C/N較前期的C/N分別下降了0.8%～22.2%、0.8%～21.9%、0%～12.3%和0.8%～14.4%;發酵結束(20 d)時各處理的C/N較啟堆(0 d)時下降了3.9%-49.2%,其中在RWS3和RWS4條件下的C/N在堆肥結束時下降最為明顯,分別下降了42.2%～44.6%和47.9%～49.2%。物料的C/N在啟堆時隨麥秸添加比例的增高而增加;隨著堆肥再發酵的進行,作為外源碳源的麥秸被逐步消耗,C/N隨麥秸添加比例的增加而降低,在0 d、5 d、10 d、15 d再發酵時間點上,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個處理的C/N較RWS1-MI-(CK)分別增加了15.6%～108.6%、1.5%～56.9%、5.6%～33.3%和3.2～19.4%;而在20 d時,在7個麥秸添加與發酵菌劑處理中,僅RWS4-MI+、RWS4-MI-的C/N較RWS1-MI-分別增加了9.8%和13.0%,其余均不同程度下降，下降率為1.6%～8.1%。在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四個麥秸與廢墊料比例條件下,MI+較MI-分別減低發酵墊料的C/N 0.8%～2.4%、0.7%～8.6%、0.5%～3.4%、0.4%～3.7%。

表7 麥秸與廢墊料比例與發酵菌劑處理對廢墊料再發酵過程中C/N的影響

變異因素顯著性(P值)0d5d10d15d20dRWS<0.01<0.010.020.040.04MINS0.030.04NS0.05RWS×MINS0.020.03NSNS

3 討論

3.1 麥秸與廢墊料比例對堆肥再發酵過程的影響

在堆肥再發酵過程中,堆溫直接反映了微生物活動強度和堆肥物質轉化速度,同時溫度變化對于殺滅致病菌、優化呼吸速率、去除水分和穩定堆肥物料至關重要,堆體溫度的高低決定堆肥再發酵進程的快慢[26]。在本研究中,發現各處理的表層溫度受處理因素的影響較小;而中層與底部堆溫受自身發酵微生物活動影響明顯,并發現在15～20 cm層堆溫增幅最為明顯,均明顯高于表層和底部的,確認為主高溫發酵層。汪開英等[27]研究發現,豬糞高溫堆肥時,堆體的高溫發酵層出現在離頂部20 cm和離底部20 cm之間。這與本試驗的研究結果基本一致。同時在不同麥秸與廢墊料比例水平下對堆溫進行分析，發現在RWS3水平下各處理的發酵堆增溫效果優于在RWS1、RWS2和RWS4下的,在第5天堆溫達到了45～46 ℃,是4種麥秸添加比例中升高堆溫最高的。盧秉林等[11]研究認為豬糞與麥秸按體積6∶4進行堆肥較為適宜,可以縮短進入高溫發酵階段的時間。這與以往的研究結果相似。根據我國糞便無害化衛生標準GB 7959─87的規定,將堆肥溫度在50～55 ℃以上維持5～7 d作為滅菌的標準。在本試驗中,僅在RWS3下堆溫的最高溫度接近50 ℃,這與堆肥體積限制有關,需在今后開展進一步的研究。

腐殖酸是在堆肥過程中生成的最具代表性的次生產物,對堆肥的穩定性、腐熟度等性質有重要影響,其含量是判斷堆肥腐熟化的重要指標之一[28]。在本試驗中,在啟堆(0 d)時,各處理的腐殖酸含量隨麥秸添加比例的增高而降低,這與麥秸添加增加了堆體體積,降低了單位體積的腐殖酸含量相關;而在再發酵旺盛的5～7 d階段,發酵微生物需要分解腐殖酸等大分子有機物,以滿足自身快速生長的需要;發酵進行到中后期(5～20 d),麥秸等物料被消耗殆盡,微生物促進小分子有機物合成腐殖酸等大分子物質。在腐殖酸含量再上升階段(5～10 d),各處理物料中腐殖酸含量均不同程度地增加,以4∶6麥秸與廢墊料比例(RWS3)下的腐殖酸含量增幅最大,再發酵結束時RWS3下的腐殖酸含量較啟堆時增加了18.0%。

在本試驗中，在堆肥發酵初期,N素隨堆溫和發酵墊料pH值的升高而損失,同時高溫階段微生物代謝活動旺盛,消耗氮的速率明顯大于總干物質的下降速率。這是造成0～5 d階段各處理全N含量下降的主要原因;在再發酵的中后期,堆肥逐漸腐熟,再發酵堆體體積與重量下降,部分有機碳還在被利用轉化為CO2,此時NH3的揮發損失較小,因此,堆肥中全氮含量轉為上升。這種變化趨勢與以往的研究結果[11,33]基本一致。全P和全K的絕對含量在堆肥過程中不會產生變化,顯然這是由于堆肥發酵過程中碳、氫、氧及氮等物質被發酵微生物轉化或揮發損失,而磷和鉀反而被濃縮[34]。各處理在整個堆肥發酵腐熟過程中,全磷和全鉀含量的變化趨勢基本相同。

pH值的大小不僅影響有機物質的分解、營養元素的轉化及微生物的活動強度,而且是評價堆肥腐熟程度的重要指標之一[29]。在發酵起始階段，微生物對有機質的氨化作用和礦化作用使得發酵堆體中氨大量積累,促使pH值升高;在再發酵的中后期,硝化菌的消化作用產生大量的H+,同時NH3和CO2的揮發共同引起pH值下降[30]。在發酵結束后,本試驗各處理的pH值在7.16～8.57范圍內波動,符合NY 525─2012《農業部有機肥料標準》對pH值的要求范圍5.5～8.5。相關報道[31]指出, pH值在8.0左右可以縮短堆肥發酵達到高溫所需要的時間,避免由于高溫反應較慢引發的堆體NH3損失,從而有效降低墊料中N素損失。本試驗各處理墊料的pH值數據與相關報道吻合。在本試驗中,發酵結束時添加麥秸的各處理的pH值均高于對照的,其中在RWS3與RWS4下的pH值均達到或接近8.0,表明添加麥秸有利于廢墊料再發酵過程中pH值的增加,增加全N含量,減少N的損失,其中4∶6或6∶4的麥秸與廢墊料配比對再發酵過程pH值有較好的影響。

廢墊料鹽度偏高是影響廢墊料作為有機肥直接釋放到環境的主要原因之一,而EC是衡量發酵墊料中含鹽量的直接指標[3]。在再發酵前期,EC隨麥秸與廢墊料比例的增加而降低,麥秸不斷添加,增加了再發酵堆的空間體積,在總鹽度沒有變化的情況下,單位體積內鹽度被稀釋,同時發酵菌劑添加促進麥秸等物料分解,并在分解物料的同時生成較多的腐殖酸等大分子物質,從而部分降低EC值。在再發酵后期，堆體產生大量的NH4+,腐殖酸等物質部分合成,礦質鹽分及堆體體積逐漸減小，從而引起墊料EC值的升高。本試驗沒有添加麥秸的各處理在試驗結束時的EC較試驗開始前均有所增加,表明不補充其他物料而對廢墊料直接進行堆肥再發酵處理不能有效降低鹽度;而添加麥秸的各處理的EC在發酵結束時均有不同程度的下降,其中以RWS3和RWS4下的下降最為明顯,較對照(RWS1)降低了15.2%～30.0%。可見,添加麥秸可以防止廢墊料在再發酵過程中EC值升高,提高堆肥成品的質量,并且4∶6和6∶4的麥秸與廢墊料比例對再發酵墊料的EC有較好的降低作用。

堆肥再發酵實質上是有機物質穩定化和腐殖化的過程,有機物質的降解與轉化效率能客觀地反映堆肥腐熟度、穩定度及堆肥品質[32]。在再發酵前期(0～5 d)有機質含量下降較快,后期下降平緩,這與堆肥前期堆肥升溫較快,麥秸碳源物料補充充足,易降解的有機物分解速率較快有關。在本研究中,經過再發酵后，對照的有機質含量下降了4.0%～4.9%,而添加麥秸的各處理的有機質含量降低了6.2%～7.6%。

發酵微生物生長需要合適的C/N[33],同時C/N也是發酵完成后有機肥品質的評價參數[34]。C/N作為堆肥再發酵過程與效果的重要指標,C/N低會導致大量的氮以NH3的形式揮發掉而降低肥效;當C/N高時,發酵微生物生長緩慢,有機物料分解速度放緩,堆肥時間延長[34]。廢墊料經過長期使用后,C/N低和鹽度高,本身不具備理想的好氧堆肥條件。麥秸中含有豐富的有機碳、氮、磷、鉀和微量元素,是重要的多用途的農業可再生生物資源[35]。在廢墊料好氧堆肥發酵中使用作物秸稈不僅能改善廢墊料的發酵結構,吸收水分,提高肥效[36],而且可作為發酵微生物活動的碳源;這樣既可以克服廢墊料單獨發酵時所存在的局限,降低綜合利用成本,而且也可為秸稈資源化利用開辟一條新途徑。在本研究中,廢墊料的初始C/N為12.8,如果不通過添加麥秸來提高物料的C/N,則自行發酵很難進行;而在添加麥秸后，各處理的C/N在啟堆時大幅度增加,在再發酵中期大幅度降低,在再發酵后期逐步下降,在堆肥發酵結束時，各處理的C/N接近或部分低于廢墊料原有的C/N水平,其中RWS2和RWS3下C/N的降幅最為明顯。

總之,在本研究廢墊料堆肥再發酵過程中添加麥秸,不僅能改善再發酵堆的結構,提高堆溫,增加全N和有機質的含量,還可以提高肥效,降低EC,提高pH值和腐殖酸含量。與RWS1、RWS2和RWS4等麥秸添加比例水平相比較,RWS3的綜合效果最好。

3.2 發酵菌劑對再發酵過程的影響

微生物是發酵床畜禽養殖與堆肥發酵的物質能量轉化中樞,其生命代謝活動均需要碳源、氮源、無機元素、水及生長物質。發酵菌劑是固體廢棄物再發酵的重要添加物,堆肥發酵中主要物質是較難降解的纖維素,接種外源發酵菌劑可使堆層中微生物的總量增加,形成優勢菌群,加快堆肥發酵的過程；同時,接種微生物對堆肥物料具有分解作用,可以相對濃縮無機養分,降低水分含量,使養分含量相對增加。據任靜等[37]報道，添加外源微生物對堆體快速升溫及延長高溫期有顯著作用，并可有效地加速總腐殖酸、水溶性腐殖酸的轉化與合成。胡紅偉等[14]的研究結果表明接種外源微生物菌劑能加快堆料有機物的分解,縮短堆肥反應進程,并提高發酵產物中全效與速效養分含量。在本試驗中,發酵菌劑的接種對廢墊料再發酵過程具有一定的促進作用；與不接種發酵菌劑(MI-)相比，接種發酵菌劑(MI+)后各處理的物料腐殖酸含量提高了0.7%～6.3%,全N含量增加了0.1%～1.7%，全P含量增加了0.1%～1.4%，全K含量提高了0.1%～2.5%, EC下降了0.3%～24.2%，C/N降低了0.4%～4.4%。這些結果與以往的相關報道基本一致。同時相關指標在接種發酵菌劑后的增幅較小,這可能與發酵微生物是否適應廢墊料高鹽環境有關,還需進一步深入研究。

4 結論

廢墊料堆肥再發酵時添加麥秸可以提高堆溫。本試驗發現15～20 cm發酵層為主要高溫發酵層;在廢墊料再發酵過程中,添加麥秸可以增加全N和腐殖酸含量,降低物料EC值,降低C/N,并增加物料有機質含量。在再發酵結束后,添加麥秸的各處理的堆肥均達到國家有機肥標準,其中4∶6麥秸與廢墊料比例的效果最好。

接種發酵菌劑對廢墊料堆肥再發酵有一定的促進作用。發酵菌劑與麥秸配合的堆肥再發酵效果優于發酵菌劑單獨使用的效果。

綜合分析認為,4∶6(m/m)的麥秸與廢墊料比例與接種發酵菌劑的處理組合在廢墊料堆肥再發酵中使用最合適。

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(責任編輯:黃榮華)

Effect of Adding Wheat Straw and Microbial Inoculum on Fermentation Process of Spent Pig Litter Compost

LIU Yu-feng1,2, FAN Ru-qin1, LUO Jia1, SU Tian-ming2, TANG Yu-bang3, ZHANG Zhen-hua1*

(1. Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 2. Institute of Agricultural Resources and Environment, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, China; 3. Institute of Agricultural Facility and Equipment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)

Four ratios of wheat straw to spent pig litter (0∶10, 2∶8, 4∶6, and 6∶4) and two modes of adding microbial inoculum (not adding microbial inoculum, adding microbial inoculum) were set, and the effect of wheat straw-spent pig litter ratio and microbial inoculum on the fermentation process of spent pig litter compost was studied. The results showed that adding wheat straw had a significant effect on the fermentation process of spent pig litter compost, and it could increase the fermentation temperature, humic acid content and organic matter content, relatively increase total nitrogen content, partly enhance the contents of total phosphorus and total potassium, reduce the EC value of material, and quickly affect the change of C/N; among 4 ratios of wheat straw to spent pig litter, the ratio of 4∶6 obtained the best effect. Microbial inoculum inoculation could promote the fermentation of spent pig litter compost, and it could enhance the fermentation temperature to a certain extent, increase the humic acid content in material, and decrease the C/N and EC value to a certain degree. The combined application of wheat straw and microbial inoculum had a better effect than the alone application of microbial inoculum. In conclusion, the combination of adding wheat straw into spent pig litter at the ratio of 4∶6 with microbial inoculum was the optimum mode for the fermentation of spent pig litter compost in this experiment.

Spent pig litter; Ratio of wheat straw to spent pig litter; Microbial inoculum; Composting

2016-07-11

公益性行業(農業)科研專項(201203050-6);江蘇省科技支撐計劃(農業部分)(BE2013436);江蘇省自主創新基金項目[CX(14)2099];廣西科學研究與技術開發計劃(桂科合15104001-25)。

劉宇鋒(1980─),男,湖南湘陰人,助理研究員,博士后,主要從事發酵床墊料資源化利用研究。*通訊作者:張振華。

S141.4

A

1001-8581(2016)12-0036-10