外源輔熱處理促進(jìn)雞糞快速腐熟的效果

錢玉婷+杜靜+曹云+常志州+徐躍定+張建英+黃紅英

摘要：為考察外源輔熱處理促進(jìn)畜禽糞便快速腐熟的可行性，在外源輔熱60 ℃和熱處理24 h條件下，通過分析升溫效果、處理前后混合物料理化特性變化以及發(fā)芽指數(shù)等腐熟指標(biāo)，研究外源輔熱處理對不同C/N物料（雞糞/礱糠）腐熟效果的影響，并采用盆栽和田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探討施用熱處理物料對作物產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：外源輔熱處理有利于脫除供試堆肥物料惡臭味，堆溫上升速度隨著礱糠添加比例增加而升高；理化性狀分析發(fā)現(xiàn)，隨著礱糠添加比例增加，熱處理后物料pH值呈先降低后增加趨勢，C/N均降低并且降幅呈逐漸增加趨勢，而電導(dǎo)率和揮發(fā)性脂肪酸含量的變化趨勢則相反；養(yǎng)分分析表明，T1～T4處理有機(jī)碳含量分別比初始下降了6.29%、3.56%、5.38%、7.06%，全氮含量分別增加了13.88%、28.34%、34.30%、53.42%，處理間差異顯著（P<0.05），而各處理物料中P和K含量均有所增加，但各處理之間差異不顯著（P>0.05），T1～T4處理總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）含量分別較熱處理前提高7.35%、8.36%、10.99%、16.35%，表明熱處理有利于物料養(yǎng)分的保持，特別是保氮效果較好。施用效果試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用熱處理物料有明顯的促苗和增產(chǎn)作用，表明外源輔熱處理有助于促進(jìn)雞糞和礱糠混合物料快速腐熟，從而證明采用外源輔熱處理方式促進(jìn)畜禽糞便快速腐熟是可行的。

關(guān)鍵詞：外源輔熱處理；畜禽糞便；快速腐熟；理化特性；發(fā)芽指數(shù)；養(yǎng)分含量

中圖分類號(hào)： X713文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）10-0247-05

畜禽糞污已成為我國環(huán)境的重要污染源之一，國內(nèi)外學(xué)者對畜禽糞便的處理和資源化利用作了大量的研究[1-4]。由于畜禽糞便中含有大量的有機(jī)質(zhì)及礦物質(zhì)元素，將其肥料化還田利用是行之有效的方法[5]。然而，將畜禽糞便直接還田會(huì)對農(nóng)作物產(chǎn)生一定的毒害[6]，且其水分含量大，大量施用時(shí)極為不便，因此堆肥化技術(shù)是目前應(yīng)用最多、最廣泛的糞便肥料化處理方法[7-9]。傳統(tǒng)堆肥工藝存在占地面積大、生產(chǎn)周期長、惡臭嚴(yán)重、養(yǎng)分流失大和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)[10-11]，且堆肥腐熟的科學(xué)鑒定條件較為嚴(yán)格[12-13]，不利于規(guī)模化生產(chǎn)和企業(yè)化經(jīng)營。因此，探索一條適合畜禽糞便快速腐熟的方法將對現(xiàn)有堆肥工藝技術(shù)及堆肥行業(yè)產(chǎn)生顛覆性影響，也是工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用中所迫切需要的。

研究表明，高溫更有利于有機(jī)物的降解[14-15]，因此目前開展的有關(guān)促進(jìn)畜禽糞便快速腐熟研究，多數(shù)集中在通過添加輔材、菌劑或利用保溫設(shè)備等來縮短物料到達(dá)高溫的時(shí)間和延長高溫持續(xù)的時(shí)間方面[16-18]。Huang等研究指出，采用強(qiáng)制通風(fēng)與機(jī)械翻堆相結(jié)合的通風(fēng)方式有利于水溶性C的分解和固相C/N的降低，加快堆肥腐熟[19]。席北斗等通過添加多種天然接種劑或人工馴化的復(fù)合微生物菌劑比較研究，結(jié)果顯示，以復(fù)合微生物菌劑或馬糞作為接種劑，能明顯提高堆肥初期堆料中高效微生物的總數(shù)，加速堆肥材料的腐熟[20]。然而，上述研究均以堆肥物料自然升溫為前提，而對外源輔熱條件下畜禽糞便升溫情況及是否有利于促進(jìn)堆料快速腐熟的研究鮮見報(bào)道。

本試驗(yàn)在外源輔熱溫度60 ℃、熱處理時(shí)間24 h條件下，通過分析升溫效果及處理前后混合物料理化特性變化，研究外源輔熱處理對不同C/N物料（雞糞/礱糠）快速腐熟效果的影響，并采用盆栽和田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探討施用熱處理后物料對作物出苗率及產(chǎn)量的影響，從而證明采用外源輔熱處理方式促進(jìn)畜禽糞便快速腐熟的可行性。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試熱處理原料為雞糞和礱糠，其中新鮮雞糞取自江蘇省常州立華養(yǎng)雞場，礱糠取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，原料的理化性狀見表1。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1熱處理試驗(yàn)試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的熱處理反應(yīng)裝置（圖1），反應(yīng)器所用材料為不銹鋼，圓桶狀，有效容積28 L（直徑30 cm，高40 cm），外層加熱夾套厚度為2 cm，采用甲基硅油作為加熱介質(zhì)。反應(yīng)器設(shè)計(jì)頂部攪拌裝置，分上中下3層攪拌葉片，并在反應(yīng)器攪拌軸上安裝3個(gè)溫度探頭，分別監(jiān)測上中下3層物料溫度，并將探頭與自動(dòng)監(jiān)測裝置相連，定時(shí)記錄物料溫度。反應(yīng)供氧方式為攪拌通風(fēng)，設(shè)置通風(fēng)量為 10 L/min，攪拌頻次為5 min/h，攪拌轉(zhuǎn)速為20 r/min。

熱處理試驗(yàn)根據(jù)不同配比（雞糞/礱糠）共設(shè)置4個(gè)處理（表2），每個(gè)處理材料的鮮質(zhì)量為14 kg。將粉碎后的礱糠與

雞糞按表2中的配方混合，以自來水調(diào)節(jié)物料含水率為60%左右[21]，充分混勻，裝入反應(yīng)裝置中，設(shè)定反應(yīng)裝置的加熱溫度為60 ℃，恒溫反應(yīng)24 h后終止反應(yīng)。熱處理結(jié)束后分別于反應(yīng)器的上、中、下3處采集樣品，均勻混合后，分為鮮樣和風(fēng)干樣2份。取10 g處理后的新鮮樣品，按固水比1 g ∶[KG-*3]5 mL添加蒸餾水，于室溫下200 r/min振蕩30 min，用定性濾紙過濾，濾液用于pH值、電導(dǎo)率（EC）、發(fā)芽指數(shù)（GI）測定；經(jīng) 0.45 um 濾膜過濾后用于測定揮發(fā)性脂肪酸（TVFA）含量；風(fēng)干樣粉碎過60目篩后用于C、N、P、K含量的測定。

1.2.2應(yīng)用試驗(yàn)應(yīng)用試驗(yàn)分為盆栽試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，于2015年9—11月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。供試土壤取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)試驗(yàn)田水稻土（0～20 cm），基本理化性質(zhì)為：pH值7.55，電導(dǎo)率270.00 μS/cm，有機(jī)質(zhì)含量29.70 g/kg，全氮含量1.54 g/kg，全磷含量 0.58 g/kg，堿解氮含量124.80 mg/kg，速效磷含量 23.70 mg/kg，速效鉀含量115.40 mg/kg；土壤采回后自然風(fēng)干，過2 mm篩后備用。供試白菜（Brassica chinensis L.）品種為矮腳黃，種子由江蘇省明天種業(yè)公司提供；供試商品有機(jī)肥購自南京寧糧生物肥料有限公司，主要含總有機(jī)碳 23.3%、總氮3.66%、磷034%、鉀1.07%。

盆栽試驗(yàn)在長方形敞口塑料盒（41 cm×26 cm×8 cm）中進(jìn)行，田間試驗(yàn)單個(gè)小區(qū)面積2.3 m2（2.3 m×1 m）。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理，包括熱處理產(chǎn)物（T1～T4）、不施肥（CK1）和市購商品有機(jī)肥（CK2），每個(gè)處理6個(gè)重復(fù)。商品肥（CK2）、熱處理產(chǎn)物均作基肥一次性施用，于播種前與土壤混合，試驗(yàn)過程中不再追肥。各處理采用等氮量施肥，施氮量為90 kg/hm2，播種量為5.5 kg/hm2，試驗(yàn)周期為35 d。

1.3測試指標(biāo)及方法

試驗(yàn)過程中取樣測定有關(guān)指標(biāo)：（1）物料溫度。由溫度自動(dòng)記錄儀直接讀出，多點(diǎn)測量取平均值。（2）含水率。采用 105 ℃ 烘干24 h，差重法測定[22]；pH值采用精密pH計(jì)（METER 6219）測定；EC采用雷磁DDS-307電導(dǎo)率儀測定[23]；C、N、P、K含量的測定按照有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)[24]。（3）TVFA 含量。采用氣相色譜法（GC-2104，日本島津）測定，將浸提液在 4 ℃ 下12 000 r/min離心20 min，取上清液過045 μm濾膜后用于測定乙酸、丙酸和丁酸等含量（GC-2014，日本島津），使用Stabilwax -DA 30 m×0.53 mm×0.25 μm 型毛細(xì)管柱，F(xiàn)ID檢測器，檢測器溫度為240 ℃，進(jìn)樣器溫度為150 ℃，不分流。（4）發(fā)芽指數(shù)。參照文獻(xiàn)[25]。

1.4數(shù)據(jù)整理與分析

采用Orign 8.0和SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1熱處理物料的物理性狀

2.1.1感官變化試驗(yàn)期間觀察不同處理物料熱處理前后的感官情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱處理前，雞糞呈黃褐色，礱糠為淡黃色，混合后的物料顏色為棕色，塊狀，氣味難聞；隨著熱處理的進(jìn)行，12 h后物料臭味逐漸減輕，熱處理結(jié)束后，所有處理物料均轉(zhuǎn)變?yōu)楹稚薚1處理仍帶有部分糞臭味，其他處理基本無糞便所散發(fā)的惡臭味；在物料疏松程度方面，T1處理物料仍有較大結(jié)塊，T2處理表觀疏松，部分結(jié)塊，T3和T4處理均成疏松的粒狀。

2.1.2物料溫度變化由圖2可知，各處理物料因雞糞/礱糠配比不同，導(dǎo)致初始物料溫度存在一定差異。各處理物料溫度變化趨勢相似，表現(xiàn)為先迅速增加，T1～T4處理物料溫度分別于熱處理后4、4、3、3 h達(dá)到最大值，分別為73、75、77、85 ℃；隨后逐漸降低并于熱處理后12 h基本穩(wěn)定于70～80 ℃。從熱處理期間各處理物料平均溫度來看，T1～T4處理物料平均溫度分別為69、71、73、79 ℃，可見，物料溫度的上升速度隨礱糠添加比例的增加而增大，并且穩(wěn)定期物料溫度存在相同趨勢。

2.1.3物料含水率變化T1～T4處理物料熱處理前初始含水率均為60%，經(jīng)熱處理24 h后分別降至49.36%、47.64%、46.16%、43.30%，與初始含水率相比分別降低17.7%、 20.6%、23.1%、27.8%，可見熱處理后物料含水率隨著礱糠添加比例的增加而降低。

2.2熱處理物料的化學(xué)性狀變化

分析不同熱處理前后的樣品，其主要化學(xué)性狀變化情況見表3。pH值反映了物料酸堿性強(qiáng)弱程度，受H+、HCO3-、HSO4-及小分子有機(jī)酸含量的影響。從表3可以看出，不同處理經(jīng)熱處理后pH值變化趨勢并不一致，除T1處理外，T2～T4處理均有所升高，可能由于礱糠添加比例不同導(dǎo)致堆肥物料通透性差異，T1處理局部出現(xiàn)厭氧環(huán)境產(chǎn)生酸化所致。EC值反映了物料中的含鹽量，直接影響肥料施用后作物的生長，經(jīng)過外加熱高溫?zé)崽幚砗螅捎谖锪系姆纸猱a(chǎn)生大量的小分子有機(jī)酸及HCO3-、HSO4-、H+等離子[26]，T1～T4處理的EC值分別比初始增加54.29%、43.64%、32.26%、16.17%，可見EC值隨著礱糠添加比例的增加而呈現(xiàn)下降趨勢。

從對熱處理前后物料養(yǎng)分含量分析來看，T1～T4處理有機(jī)碳含量分別比初始下降6.29%、3.56%、5.38%、7.06%，而全氮含量則分別升高13.88%、19.05%、34.59%、52.73%，各處理物料中P和K含量均有所增加。從總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）來看，T1～T4處理分別較熱處理前提高735%、8.40%、11.05%、16.33%，可見熱處理有利于物料養(yǎng)分的保持，特別是保氮效果顯著。

C/N是肥料品質(zhì)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，C/N過高的熱處理成品施入土壤后，將奪取土壤中的氮素，造成植物的“氮饑餓”；而C/N過低，則氮素過多，施入土壤后會(huì)造成植物“燒苗”現(xiàn)象，一般認(rèn)為合適的C/N為（15～20） ∶[KG-*3]1[27-28] 。從表3中可以看出，經(jīng)熱處理后物料C/N均有所降低，但各處理間降幅差異明顯，T1～T4處理C/N分別較熱處理前降低17.69%、19.20%、29.56%、39.41%，表現(xiàn)為隨著礱糠添加比例的增加，其降幅呈逐漸增加趨勢；對照肥料適宜C/N要求，除T1處理C/N過低（僅為12.10）外，其余處理均在適宜范圍內(nèi)。值得一提的是，試驗(yàn)期間對熱處理后物料進(jìn)行了TVFA含量分析，各處理TVFA含量趨勢表現(xiàn)為T1>T2>T3>T4，即隨著礱糠添加比例增加呈明顯下降趨勢，可能由于礱糠添加量較低處理組堆肥物料通透性不佳，局部產(chǎn)生厭氧環(huán)境，從而使得有機(jī)物分解產(chǎn)生較多的揮發(fā)性有機(jī)酸所致。

2.3熱處理物料的生物學(xué)性狀變化及應(yīng)用效果分析

2.3.1發(fā)芽指數(shù)（GI）變化種子發(fā)芽指數(shù)被認(rèn)為是評(píng)價(jià)物料有無植物毒性的最具說服力的指標(biāo)[28]。Carcia等認(rèn)為，當(dāng)GI>50%時(shí)，可以認(rèn)為對植物已基本沒有毒性[28]。從圖3可以看出，T1～T4處理經(jīng)24 h熱處理后的GI值差異顯著（P<0.05），分別為12.62%、22.97%、39.35%、58.00%，表現(xiàn)出隨著礱糠添加比例的增加而增加的趨勢，并且除T4處理外，其余處理GI值均低于50%，表明T1～T3熱處理后物料均未達(dá)到無害化的標(biāo)準(zhǔn)，雞糞中適當(dāng)增加礱糠比例，有助于促進(jìn)熱處理物料無害化處理效果。

2.3.2熱處理物料施用效果為了進(jìn)一步驗(yàn)證熱處理后物料對植物的毒害情況，同時(shí)開展了盆栽和田間試驗(yàn)，結(jié)果見表4。從矮腳黃出苗率分析來看，盆栽試驗(yàn)中施用熱處理物料處理[CM（25]組顯著低于CK1和CK2處理（P<0.05），并且隨著礱糠添

加比例增加呈逐漸增高趨勢，但熱處理物料間差異不顯著（P>0.05）；而田間試驗(yàn)卻表現(xiàn)出截然不同的規(guī)律，施用熱處理物料處理組均明顯高于CK1，除T3和T4處理與CK2基本相當(dāng)外，其余處理略低，熱處理間變化趨勢與盆栽試驗(yàn)類似，同樣表現(xiàn)為差異不顯著（P>0.05）。

從矮腳黃總產(chǎn)量來看，盆栽試驗(yàn)各處理間產(chǎn)量趨勢與其出苗率相一致，但各處理間差異基本顯著；而田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，除T1處理顯著低于CK2處理（P<0.05）外，其余熱處理物料處理組產(chǎn)量顯著高于CK1和CK2（P<0.05），但T2～T4處理間差異不顯著（P>0.05），T2～T4處理田間產(chǎn)量分別較CK1和CK2提高260.89%和23.02%、263.35%和23.86%、285.61% 和31.45%。而從矮腳黃田間收獲總干質(zhì)量分析來看，除T2～T4處理與CK2之間差異不顯著（P>0.05）外，各處理間其余變化趨勢與總產(chǎn)量完全一致。

總體上講，盆栽試驗(yàn)中施用熱處理物料表現(xiàn)出明顯的抑制作用，但隨著礱糠比例增加呈逐漸降低趨勢，這與熱處理物料發(fā)芽指數(shù)（GI）變化趨勢相一致，表明對盆栽試驗(yàn)植株抑制作用隨著物料無害化程度增加而明顯降低；而田間試驗(yàn)中施用熱處理物料卻表現(xiàn)出明顯的促苗和增產(chǎn)作用，除T1處理外，施用其余熱處理物料處理在植株生物量指標(biāo)上與商品有機(jī)肥CK2相當(dāng)，表明經(jīng)外源輔熱處理后物料不僅可實(shí)現(xiàn)無害化，而且具有增產(chǎn)效果。

3討論

研究表明，土壤中施入有機(jī)物能改善土壤微生態(tài)環(huán)境，提高土壤生態(tài)肥力[29]。而本試驗(yàn)施用熱處理后物料在盆栽和田間試驗(yàn)中表現(xiàn)出截然不同的結(jié)果，因此試驗(yàn)結(jié)束后采集盆栽和田間試驗(yàn)的土壤，分別測量土壤中pH值和EC情況，結(jié)果如圖4所示，在盆栽試驗(yàn)中施用熱處理物料處理土壤中的pH值顯著低于CK1和CK2（P<0.05），而電導(dǎo)率卻顯著高于CK1和CK2（P<0.05）；在田間試驗(yàn)中，所有處理之間pH值差異均不顯著，而電導(dǎo)率除T1處理顯著較高外，其余處理間電導(dǎo)率均表現(xiàn)為差異不顯著（P>0.05）。研究表明，EC值<2.50 mS/cm更適合植物的生理生長[30-32]。從表3可以看出，熱處理物料EC值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2.50 mS/cm，但應(yīng)用效果試驗(yàn)結(jié)束后，T1～T4處理EC值均明顯降低，并且隨著礱糠比例增加，其降幅明顯增大，而田間試驗(yàn)EC值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于盆栽試驗(yàn)。結(jié)合表3和表4分析結(jié)果來看，施用熱處理物料受到物料本身pH值和EC影響較大，特別是相對封閉環(huán)境的盆栽試驗(yàn)中表現(xiàn)得較為突出，而在田間小區(qū)試驗(yàn)中卻不明顯，相關(guān)性分析結(jié)果表明，盆栽試驗(yàn)產(chǎn)量與各處理土壤pH值顯著正相關(guān)（r=0.812，P<0.05），而與土壤EC呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.986，P<0.01），從而證明盆栽試驗(yàn)中熱處理物料由于其自身pH值和EC差異，對植株產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響；而田間試驗(yàn)中卻無任何相關(guān)性，可能雖然熱處理物料從GI角度（除T4外）來看尚未達(dá)無害化要求，但在農(nóng)田環(huán)境下經(jīng)過土壤的消解作用后并沒有對植物的生長產(chǎn)生毒性，反而促進(jìn)了生長，這一點(diǎn)從田間試驗(yàn)EC值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于盆栽試驗(yàn)中可以得到證實(shí)，但具體作用機(jī)理有待進(jìn)一步的研究。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雞糞和礱糠混合物料經(jīng)外源輔熱處理24 h后可以快速脫除惡臭、縮小體積、提高養(yǎng)分、增加植物產(chǎn)量，熱處[CM（25]理產(chǎn)物對田間試驗(yàn)作物生長基本無害，這一結(jié)果與發(fā)芽指

數(shù)GI結(jié)果相矛盾，可見單純依靠無害化指示指標(biāo)（發(fā)芽指數(shù)GI）無法準(zhǔn)確反映物料是否達(dá)到無害化要求。常志州等認(rèn)為，目前有機(jī)物料的評(píng)價(jià)性狀與實(shí)際應(yīng)用間存在脫節(jié)現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)施用目的與作物對象不同，將有機(jī)物料處理產(chǎn)物分為土壤改良劑、生育期較長作物肥料、生育期較短作物肥料和栽培基質(zhì)4種[33]。若根據(jù)此分類標(biāo)準(zhǔn)，熱處理產(chǎn)物可作為田間土壤改良劑施用，其應(yīng)用目標(biāo)的確定將大大拓展畜禽糞便快速無害化處理技術(shù)發(fā)展。雞糞和礱糠混合物料經(jīng)外源輔熱處理24 h后，其田間施用效果表現(xiàn)出較好的促苗和增產(chǎn)效果，但盆栽試驗(yàn)中結(jié)果有較大差異，因此后續(xù)有必要開展熱處理物料的促增產(chǎn)機(jī)理研究，且針對不同熱處理時(shí)間對無害化處理及增產(chǎn)效果的影響，進(jìn)一步優(yōu)化熱處理工藝方案。此外，本試驗(yàn)通過估算外源輔熱處理的成本，評(píng)估該處理方式在經(jīng)濟(jì)上的可接受性，由于此部分內(nèi)容擬在后續(xù)工程應(yīng)用方面的文章中發(fā)表，在此不作贅述。

4結(jié)論

外源輔熱處理后物料從感觀上表現(xiàn)為惡臭基本脫除，物料體積大大降低；物料溫度上升速度隨著礱糠比例增加而增大，而熱處理后物料含水率卻隨之降低。理化性狀分析發(fā)現(xiàn)，隨著礱糠添加比例增加，熱處理后物料pH值呈先降低后增加趨勢，C/N均降低并且降幅呈逐漸增加趨勢，而EC和 TVFA 含量卻呈現(xiàn)相反趨勢；養(yǎng)分含量分析表明，熱處理有利于物料養(yǎng)分的保持，特別是保氮效果顯著。施用效果試驗(yàn)顯示，施用熱處理物料有明顯的促苗和增產(chǎn)作用，表明外源輔熱處理有助于促進(jìn)雞糞和礱糠混合物料的無害化處理效果，從而證明了采用外源輔熱處理方式促進(jìn)畜禽糞便快速無害化是可行的。

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