不同有機物料配比對玉米秸稈高溫堆肥的影響

沈大春，敖俊華，周文靈，陳迪文，黃 瑩，黃振瑞，李奇偉，江 永

（廣東省生物工程研究所（廣州甘蔗糖業研究所）/廣東省甘蔗改良與生物煉制重點實驗室，廣東 廣州 510316）

當前我國農業和畜牧業的快速發展使得農業固體廢棄物資源的數量大幅增加，如果不加以合理處理和利用，將會造成資源大量浪費和環境污染［1-3］。實踐證明，堆肥是處理固體有機廢棄物的有效途徑，是畜禽糞便和秸稈資源利用的主要措施之一，特別有利于堆肥原料達到無害化并生產商品有機肥，從而實現糞便和秸稈的資源化利用［4-6］。傳統的堆肥主要以畜禽糞便為原料，秸稈一般作為輔料用以調節堆肥的水分和碳氮比，但此方法處理秸稈資源的效率不高［7-8］。目前，以秸稈作為主要原料進行堆肥化處理，其規模大、成本低，而且能夠在很大程度上保護環境，特別是避免焚燒秸稈帶來的問題。然而，由于秸稈碳氮比較高，木質纖維素組分含量高而且難降解，導致秸稈堆肥效率不高［9-11］，因此需要添加輔料補充秸稈中的可利用養分和彌補含氮的不足，以促進高溫堆肥過程中微生物對秸稈的腐解效率。本試驗以玉米秸稈為主要材料，添加中藥渣和固體氨基酸為輔料，同時以長期秸稈堆肥浸出液調節水分，采用高溫好氧堆肥技術，研究了有機物料配比對玉米秸稈高溫堆肥的影響，以期為農業廢棄物特別是秸稈資源的高效合理利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堆肥原料包括玉米秸稈、固體氨基酸和中藥渣，來源于南京明珠肥料有限公司，皆為該公司有機肥生產用原料。玉米秸稈用大型裝載機充分碾破裂，形成條形碎料，以增大降解比表面積，促進腐解。開始堆肥時，用秸稈堆肥發酵廢水調節初始含水率在80%左右，堆肥原料的基本理化性質見表1。

發芽試驗用種子為中熟半緊湊型普通玉米蘇玉41，由江蘇省農業科學院提供。

表1 堆肥原料的基本理化性質

1.2 試驗方法

試驗在南京明珠肥料有限責任公司一塊水泥面廠房內進行，堆體按長5 m×寬2 m×高1.5 m自然堆置。設4個處理，分別為：T1，玉米秸稈1 000 kg（CK）；T2，玉米秸稈1 000 kg+中藥渣200 kg +固體氨基酸20 kg；T3，玉米秸稈1 000 kg +中藥渣150 kg +固體氨基酸15 kg；T4，玉米秸稈1 000 kg +中藥渣100 kg +固體氨基酸10 kg。

種子發芽試驗：將圓形濾紙放置于9 cm玻璃平板內，選取20粒玉米種子均勻鋪在濾紙上，每個處理加入堆肥發酵液5 mL，對照加純水5 mL，3次重復。然后置于30℃培養箱內，培養72 h后記錄每個處理種子發芽數量和根長。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 樣品采集 每隔5～7 d采集樣品1次，共采樣8次。采樣時每個處理從堆體上部、中部、下部各取50 g，3次重復，混勻。另外，分別在第9、22、36 d人工翻堆1次。

1.3.2 指標測定 溫度測定：每天上午10：00和下午14：00測定堆肥溫度，以堆體各范圍溫度平均值作為堆體的發酵溫度。測量時溫度計插入堆體表面50 cm以下，同時記錄環境溫度。

pH值和電導率（EC）的測定參照鮑士旦［12］的方法，碳氮比（C/N）采用德國PerkinElmer II型CHNS/O元素分析儀測定。

種子發芽指數（GI）的測定方法［13］：測定種子的發芽率及發芽后3 d根長，計算種子發芽指數：

試驗數據采用Excel和Minitab軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同有機物料配比對玉米秸稈高溫堆肥過程中理化指標的影響

由表2可知，不同比例有機物料T1～T4處理中，玉米秸稈堆肥各理化指標都發生了明顯變化，其中堆體溫度經升溫、高溫和降溫腐熟3個階段，各處理最高溫度均可達到70℃，T3處理后5 d升至最高溫度75℃，T4處理后11 d升至75℃，T2處理后5 d升至70℃，T1處理后11 d也可達到70℃；T1～T4處理EC值整體呈增加趨勢，但變化均在0～3 ms/cm范圍內；與EC值變化類似，T1～T4處理pH值整體呈增加趨勢，變化都在7.0～8.5范圍內；T1～T4處理C/N整體呈現下降趨勢，T1處理C/N降幅相對較小，T2、T3處理C/N降幅均比T1處理大，以T3處理下降幅度最大，其最后C/N值為16.1。

表2 不同有機物料配比玉米秸稈堆肥過程中理化指標變化

2.2 不同有機物料配比對玉米秸稈高溫堆肥過程發芽指數GI的影響

由表3可知，各處理種子發芽指數GI隨著堆肥的進行總體均呈上升趨勢，至堆肥結束時，T1～T4處理的GI均達到50%以上，其中T3、T4處理的GI均達到60%以上，而GI值達到80%以上的僅有T3處理，T1處理的GI最低為53%。

2.3 不同有機物料配比對玉米秸稈高溫堆肥過程的主成分分析

以pH值、EC值、GI、C/N作為堆肥腐熟度評價指標，應用主成分分析法對4個處理的堆肥腐熟度進行綜合評價。結果（圖1）顯示，同一處理不同取樣時間，堆肥腐熟指標相對分散，說明堆肥過程的不同階段，各腐熟指標發生了變化，從理論上可認為堆肥過程分別經歷了初始階段（S0）、升溫和高溫階段（S1、S2）、高溫和降溫階段（S3、S4、S5）、降溫和腐熟階段（S6、S7）。由于高溫階段時間相對較長，因此從圖1可以看出，S1～S5階段的區域指標分布比較密集，在綜合分析堆肥的不同階段，第1主成分對于總方差的貢獻率是7.82%，第2主成分對于總方差的貢獻率是1.44%，二者之和為9.26%，即前2個主成分只能把堆肥全部指標提供信息的9.26%反映出來。同樣，從圖1還可以看出，T2、T3、T4處理雖然在溫度、發芽指數等腐熟指標值上有差異，但總體表現相對一致，一方面說明添加有機物料對于秸稈堆肥腐熟過程有一定影響，但另一方面，在一定范圍內添加不同比例的有機物料從整體上并無顯著差異，這也說明單一指標并不能夠作為評價堆肥腐熟度的指標。綜合考慮到堆肥原料成本和實際堆肥環境，本試驗選擇T3處理為最佳配方。

表3 不同有機物料配比玉米秸稈堆肥不同時間對發芽指數的影響

圖1 不同有機物料配比對玉米秸稈堆肥腐熟指標主成分分析

3 結論與討論

溫度、電導率、pH值和碳氮比的變化情況是堆肥體系的重要理化指標。其中，溫度是影響堆肥過程中微生物活動和堆肥工藝過程的重要因素［3］，本研究中4個處理的最高溫度均在70℃及以上，而其他相關研究中秸稈和牛糞或豬糞等混合堆肥最高溫度均僅在50℃以上［14-16］，說明利用添加中藥渣和固體氨基酸的方式可使玉米秸稈堆肥達到較好的高溫堆肥效果。電導率（EC）是衡量堆肥腐熟度的重要指標，本研究堆肥結束時各處理的EC值介于2～3 ms/cm之間，符合堆肥腐熟度的要求［17］；Chon也提出EC值＜3.5 ms/cm時，不會影響植株生長［18］。pH值是反映堆肥過程的重要參數，適宜的pH值對堆肥微生物的生長代謝活動有重要促進作用，一般微生物最適宜的pH值為中性或弱堿性，pH值過低或過高都會使堆肥過程紊亂致使堆肥無法有效完成［19］，本研究中各處理pH值最后都在7.0～8.5之間，符合堆肥腐熟指標的一般標準［20］。碳氮比（C/N）是影響堆肥過程微生物活動的重要因素，微生物生長代謝較合適的碳氮比為25～30∶1［21］。堆肥產品C/N過高，施入土壤中微生物將奪取土壤中的氮素，造成植物的“氮饑餓”；C/N過低，則施入土壤后過量氮素會造成植物燒苗現象［22］，因此合適的C/N是堆肥是否達到腐熟的一個重要指標。Garcia等認為最終堆肥產品C/N值在理論上應趨于微生物菌體的C/N值，提出當C/N 值由30∶1降為15～20∶1時，可認為堆肥腐熟［23］，本研究中T2、T3處理堆肥的C/N均＜20，符合此堆肥腐熟標準。

種子發芽指數（GI）是判斷堆肥的植物毒性和腐熟度的重要參數之一［24］。未腐熟的堆肥含有毒性物質，對植物生長產生抑制作用，因此，國內外學者大多認為植物GI的變化體現了堆肥毒性的發展趨勢。堆肥過程中GI的升高說明堆肥過程有利于堆肥有害物質的減少，相關研究表明，當GI值＞50%時可認為堆肥達到腐熟標準［25］；但也有研究認為，GI值只有達到80%以上才可認為堆肥達到腐熟標準［26］。本研究中，如果以GI值＞50%為標準，則4個處理均達到腐熟標準，而按照GI值＞80%標準，則只有T3處理達到腐熟標準。

本研究利用主成分分析法對評價堆肥腐熟的指標進行分類，對評價不同處理的指標和堆肥腐熟度有重要的實踐意義［27-28］。通過主成分分析可以更科學、更全面地反映堆肥的腐熟水平，本研究中，各指標均與一個成熟的堆肥產品有重要聯系，但通過與主成分分析評價堆肥腐熟度結果相比較，說明單一或某幾個指標并不能夠完全反映出堆肥的腐熟程度，因此本研究從某種意義上說明對堆肥腐熟度的評價應采取綜合全面的評價標準。

本研究結果表明，通過添加中藥渣和固體氨基酸可以促進玉米秸稈高溫堆肥，其中堆肥相關腐熟指標如溫度、pH、EC以及C/N在堆肥初始和最后都發生了明顯變化；通過對堆肥指標進行主成分分析，說明堆肥腐熟度的評價需要更加綜合的評價標準，同時也表明單獨的堆肥腐熟指標并不能夠評價堆肥是否腐熟；考慮到實際堆肥添加的有機物料成本和最終堆肥腐熟效果，本試驗推薦使用玉米秸稈1 000 kg +中藥渣150 kg+固體氨基酸15 kg配方。

［1］馬常寶，史夢雅. 我國主要畜禽糞便資源利用現狀與分析研究［J］. 中國農技推廣，2016，32（11）：7-11.

［2］陳超玲，楊陽，謝光輝. 我國秸稈資源管理政策發展研究［J］. 中國農業大學學報，2016（8）：1-11.

［3］彭春艷，羅懷良，孔靜. 中國作物秸稈資源量估算與利用狀況研究進展［J］. 中國農業資源與區劃，2014，35（3）：14-20.

［4］李吉進，郝晉珉，鄒國元，等. 高溫堆肥碳氮循環及腐殖質變化特征研究［J］. 生態環境，2004，13（3）：332-334.

［5］樸哲，李玉敏. 堆肥制作中微生物侵染秸稈的環境掃描電鏡（ESEM）觀察［J］. 生態與農村環境學報，2011，27（5）：98-100.

［6］Wang P，Watson M E，Chen Y. Maturity indices for composted dairy and pig manures［J］. Soil Biology and Biochemistry，2004，36（5）：767-776.

［7］桂陽，韋小慶，朱國勝. 玉米秸稈與豬糞袋裝堆肥技術研究［J］. 廣東農業科學，2013，40（12）：67-71.

［8］韋小慶，桂陽，朱國勝，等. 玉米秸稈與牛糞袋裝堆肥的發酵技術研究［J］. 貴州農業科學，2012，40（4）：130-134.

［9］張永鋒，滕星，李忠和. 玉米秸稈堆肥及其影響因素研究進展［J］. 吉林農業大學學報，2016，38（5）：613-618.

［10］陳玨，劉沖，許梅玲. 玉米秸稈堆肥處理效果研究及在生菜上的應用［J］. 上海農業學報，2013，29（6）：107-110.

［11］吳坤，張世敏，朱顯峰. 木質素生物降解研究進展［J］. 河南農業大學學報，2000，34（4）：349-354.

［12］鮑士旦. 土壤農化分析［M］. 北京：中國農業出版社，2000.

［13］Tiquia S M，Tam N F Y. Elimination of phytotoxicity during co-composting of spent pig manure sawdust litter and pig sludge［J］. Bioresource Technology，1998，65：43-49.

［14］朱金蘭，王華為，吉莉. 秸稈和畜禽糞便聯合堆肥試驗研究［J］. 中國農業信息，2015（24）：27-30.

［15］盧秉林，王文麗，李娟，等. 添加小麥秸稈對豬糞高溫堆肥腐熟進程的影響［J］. 環境工程學報，2010，4（4）：926-930.

［16］趙秀玲，朱新萍，羅艷麗. 添加不同秸稈對牛糞好氧堆肥的影響［J］. 中國農業科技導報，2014，16（3）：119-125.

［17］Garc í a-Gómez A，Bernal M P，Cegarra J，et al. Plant response to the latent phytotoxicity in agroindustrial wastes in different stages of the composting process//In Proceedings of the International Conference ORBIT 2001 on Biological Processing of Waste：A Productoriented Perspective［C］. Sevilla，Spain，2001：321-325.

［18］Chon C. Experience with the utilization of wastes in nurserypotting mixes and as field soil amendments［J］. Canadian J Plant Sci，1999，79：139-148.

［19］孫先鋒，鄒奎，鐘海風，等. 堆肥工藝和填充料對豬糞堆肥的影響研究［J］. 土壤肥料，2004（4）：28-30.

［20］李洋，席北斗，趙越，等. 不同物料堆肥腐熟度評價指標的變化特性［J］. 環境科學研究，2014，27（6）：623-627.

［21］陸景陵. 植物營養與肥料（上冊）［M］. 第2版.北京：中國農業大學出版社，2003.

［22］張福鎖，龔元石，李曉林. 土壤與植物營養研究動態（第3卷）［M］. 北京：中國農業出版社，1995：319-349.

［23］Garcia C，Hernandez T，Costa F，et al. Evaluation of the maturity of municipal waste compost using simple chemical parameters［J］. Communications in Soil Science & Plant Analysis，2008，23（13/14）：1501-1512.

［24］Tiquia S M，Tam N F Y. Composting of spent pig litter in turned and forced-aerated piles［J］.Environmental Pollution，1998：329-337.

［25］Priac A，Badot P，Crini G，et al. Treated wastewater phytotoxicity assessment usingLactuca sativa：Focus on germination and root elongation test parameters［J］. Comptes Rendus Biologies，2017，340（3）：188-194.

［26］李艷霞，王敏健，王菊思. 有機固體廢棄物堆肥的腐熟度參數及指標［J］. 環境科學，1999，20（2）：99-103.

［27］陳吉，趙炳梓，張佳寶，等. 主成分分析方法在長期施肥土壤質量評價中的應用［J］. 土壤，2010，42（3）：415-420.

［28］張水清，黃紹敏，郭斗斗. 主成分分析在潮土土壤肥力評價中的應用［J］. 河南農業科學，2011，40（4）：82-86.