新型炭基輔料在堆肥工程中的應用效果

王海候， 何 胥， 金梅娟， 陸長嬰， 施林林， 周新偉， 沈明星

(1.江蘇太湖地區農業科學研究所/農業部蘇州水稻土生態環境重點野外科學觀測試驗站，江蘇蘇州 215155；2.江蘇省安豐生物源農藥工程中心有限公司，江蘇太倉 215400)

隨著畜禽養殖規模化和集約化的發展，畜禽糞便的累積與污染問題日趨嚴重[1]，科學合理地處置畜禽糞便已經成為畜禽養殖業實現生態循環發展的重要環節[2-4]。高溫堆肥化是畜禽糞便廢棄物無害化和資源化利用的一項重要技術途徑，可以殺滅畜禽糞便中的病菌和草種、減小堆存的體積和質量、有利于貯存和施用，不僅解決了規模化養殖廠的環境污染問題，而且對發展有機肥、保持和提高土壤肥力、提高作物產量與品質等方面具有重要的意義[5-6]。但常規的堆肥工程凸現以下問題：一是畜禽糞便含水率較高(含水率≥75%)，通常采用加入輔料(木屑、稻草、食用菌渣等)的方法來降低堆肥體的含水率、提高通氣性等，但輔料來源和性質不穩定、抗壓能力弱、收集與儲存費用高，輔料的有效供應量遠低于堆肥生產對輔料的實際需求量[7-9]；二是堆肥高溫階段滯后，腐解周期偏長[10-11]。針對上述問題，筆者所在課題組利用樹枝等生態林地廢棄物，通過生物質非充分炭化技術，創制了一種新型炭基輔料，該新型堆肥輔料具有可循環利用、多功能性(調水分、控氮損、促升溫)、顆粒狀、抗壓性強、理化性狀穩定等優點，另外，所用的樹枝等生態林地廢棄物，本身就須要資源化處置，采用的生物質非充分炭化技術，只是在現有成熟的生物質炭化技術上進行了改進，不會對環境造成二次污染。本試驗將新型炭基輔料與豬糞、食用菌渣進行混合，堆制一個50 t級的條垛狀堆體，模擬較大規模的堆肥工程，測定堆肥體的溫度、含水率、碳氮養分及其形態等指標，探討新型炭基輔料在堆肥工程中的應用效果，檢驗該新型堆肥輔料的理論可行性，以期為炭基輔料在堆肥工程中的應用提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2016年11月在江蘇省太倉綠豐生物有機肥料有限公司進行。豬糞來源于當地的養豬場，于試驗開始前7 d收集，豬糞總有機碳含量為34.3 g/kg、總氮含量為 2.34 g/kg、含水率為76.5%；食用菌渣取自江蘇省太倉市四季食用菌有限公司，菌包去除塑料袋后，機械粉碎至3～5 mm備用，食用菌渣總有機碳含量為48.21 g/kg、總氮含量為 1.17 g/kg、含水率為46.5%；新型炭基輔料，選擇直徑為5～8 cm的廢棄樹枝，先切割成6～8 cm長，然后置于裂解爐中，在650～750 ℃、無氧條件下進行不完全裂解處理，裂解時間為75～105 min，然后冷卻、備用。

1.2 試驗設計與概況

堆肥采用靜態堆置高溫好氧發酵的方法，以豬糞為堆肥原料，設計不同類型輔料，分別為60%新型炭基輔料+40%常規輔料(食用菌渣)、100%常規輔料，試驗共設2個處理。控制堆肥體碳氮比的值為20～25、含水率為65%～70%，將豬糞與輔料按體積比1 ∶1進行充分混合，每個處理的堆肥體規模為50 t，進行堆垛操作，垛體的標準要求為寬1.5 m、高 1.2 m、長30 m。當堆體溫度超過75 ℃(前期)時或每隔7 d左右(后期)，采用翻拋機進行翻堆操作，每次翻堆后，將堆垛按照垛體的標準要求進行人工修整。每天10：00左右，用紅水溫度計，插入堆肥體30～50 cm處測定堆溫，每個堆體分布5個測定點，直至堆肥結束，同時測定氣溫，并按日期記錄溫度數據。堆肥結束后，采用2 cm孔徑的篩子，將添加炭基輔料處理的堆體進行炭基輔料與堆肥制品的篩分處理，然后將過篩后的炭基輔料回收、備用，堆肥制品進入有機肥的后期處理工序。

1.3 測定指標與方法

堆肥體溫度變化動態：每天人工測定堆體溫度，直至堆肥結束。堆肥體養分動態變化：分別在堆肥第1、第3、第7、第14、第21、第28、第35天取樣，每個處理在不同位置進行3次重復取樣，采樣點位于堆肥表層向內30 cm處，每個采樣點在堆體上、中、下層采集混合樣品2 kg，在實驗室內分成3份：一份采用 105 ℃ 烘干法測定堆肥樣品的含水率，一份制成新鮮樣品的浸提液，一份置于陰涼處進行風干處理。浸提液的制備方法：稱取40 g新鮮樣品放入塑料瓶中，加400 mL去離子水，蓋緊瓶蓋后置于振蕩器內，150 r/min振蕩浸提30 min后過濾，收集濾液并做好標記。浸提液采用SKALA流動分析儀測定銨態氮、硝態氮。

堆肥制品的有機碳含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量測定：將堆肥后的風干樣品粉碎后過100目篩，采用濃硫酸-雙氧水消煮和凱氏定氮法測定全氮含量、鉬銻抗比色法測定全磷含量、火焰光度計法測定全鉀含量、濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱-硫酸亞鐵滴定法測定有機碳含量。

種子發芽指數的測定：取堆肥第28、第35天的浸提液，待用。將一張大小合適的濾紙放入干凈無菌的培養皿(直徑為9 cm)中，濾紙上整齊擺放20粒小白菜種子，準確吸取 8 mL 浸提液于培養皿中，于25 ℃、黑暗條件下培養72 h，測定小白菜種子的發芽率和根長，同時用去離子水作空白對照。種子發芽指數=[(堆肥浸提液處理的種子發芽率×根長)/(對照的種子發芽指數×根長)]×100%。

1.4 數據處理方法

試驗數據采用Excel 2010進行整理與畫圖，采用SPSS 22.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 新型炭基輔料對堆肥溫度的影響

根據堆肥溫度，堆肥化進程可以劃分為升溫期、高溫期、降溫期、穩定期等4個時期。由圖1可知，炭基輔料處理的堆肥體溫度在第2天就超過60 ℃，迅速進入高溫期，在堆肥第3天達到最高溫度，為75.5 ℃，之后逐漸下降，在翻堆措施下溫度有小幅度上升，但仍然繼續下滑直至接近常溫；而常規輔料處理的堆肥溫度上升幅度小于炭基輔料處理，在堆肥第12天達到最高溫度，為68.3 ℃，之后保持緩慢下降，在堆肥的第22天左右進入快速降溫期；在整個堆肥過程中，炭基輔料處理的堆肥溫度在第1至第7天明顯大于常規輔料處理，而在第10天至第20天，炭基輔料的堆肥溫度低于常規輔料處理，在第22天至第35天，2個處理之間的堆肥溫度差異較小。

進一步分析不同輔料處理的堆肥體溫度特征，由表1可知，炭基輔料處理的堆肥體最高溫度比常規輔料處理提高 7.2 ℃，差異達顯著水平(P<0.05)；根據堆肥衛生合格指標和堆肥腐熟條件的標準，即堆體溫度在50 ℃以上保持5 ～7 d(或55 ℃條件下保持3 d以上)[11]，2種不同輔料處理的堆體均達到了無害化的標準。雖然2種不同處理的堆肥體溫度≥55 ℃的天數均為14 d，但炭基輔料處理在堆肥第2天就達到55 ℃，比常規輔料處理提前6 d。

堆肥的穩定化是堆肥的一個重要過程，堆肥的穩定化所需的時間目前還沒有明確的界限。常見的判斷方法為耗氧速率降低到所產生的厭氣和發臭情況不致達到妨礙產生貯存和最終使用，即認為穩定化程度已滿足要求。陳同斌等將物候學上積溫的理論和計算方法引入堆肥科學，研究了城市污染與CTB調理劑混合堆制過程，在生物學零度為15 ℃基礎上，當堆肥體的積溫達到10 000 ℃·h左右時，可以認為堆肥穩定化過程基本完成[10]。本試驗結果表明，2種不同輔料處理的堆肥體在35 d堆肥過程中的堆肥積溫均達到了 10 000 ℃·h 的要求(表1)，完成了堆肥穩定化過程，且2個處理的堆肥積溫無顯著性差異。

表1 新型炭基輔料處理對堆肥溫度特征的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

進一步分析2個處理不同時間段的堆肥積溫情況，由圖2可知，在堆肥第1天至第7天的堆肥進程中炭基輔料處理的堆肥積溫顯著大于常規輔料處理(P<0.05)，在第8天至第21天堆肥進程中炭基輔料的堆肥積溫小于常規輔料處理，但差異不顯著，在第22天至第35天的堆肥進程中，炭基輔料與常規輔料處理的堆肥積溫差異較小。

2.2 新型炭基輔料對堆肥體銨態氮與硝態氮含量的影響

銨態氮是堆肥中無機氮的主要存在形式。在堆肥初期，物料中大量的易分解有機物為微生物的生長、繁殖提供了充足的營養，有機氮快速分解而產生大量的銨態氮，而此時硝化細菌活動程度相對較弱，無法及時將銨態氮轉化為硝態氮，氮素極易以氨揮發的形式損失。

由圖3可知，隨著堆肥進程的持續，堆肥體的銨態氮含量呈下降的變化趨勢，在堆肥第3天至第7天出現小幅度的上升，之后又迅速下降，但不同處理之間，炭基輔料處理的堆肥體銨態氮含量在整個堆肥過程中均小于常規輔料處理。堆肥體中硝化過程的最佳溫度大約在25～35 ℃之間，堆肥體的硝態氮含量總體呈上升的變化趨勢，在堆肥第21天至第35天迅速上升，這與該時間段的堆肥溫度相對較低有關。不同處理之間，炭基輔料處理的硝態氮含量低于常規輔料處理。

2.3 新型炭基輔料對堆肥腐熟度的影響

堆肥體T值(T=終點碳氮比/初始碳氮比)是堆肥腐熟度的一個重要評價指標[12]。由圖4可知，炭基輔料處理的堆肥體T值為0.92，而常規輔料處理的堆肥體T值為0.74，炭基輔料處理的堆肥體T值大于常規輔料處理。用生物學的方法測定堆肥的毒性，是檢驗正在堆肥的有機物質腐熟度的一種非常直接、有效的方法，用作物種子檢測堆肥植物毒性的一個生物學指標稱為種子發芽指數，種子發芽指數不但能檢測堆肥樣品中的毒性，還能預測堆肥毒性的發展[13-14]。從理論上說種子發芽指數大于50%就可判斷堆肥對植物沒有毒性，當種子發芽指數大于80%時，可以判定堆肥腐熟[12]。本試驗結果(圖4)表明，堆肥第28天，炭基輔料處理的種子發芽指數即達85.47%，達到了腐熟的要求，而常規輔料處理的種子發芽指數為77.50%，低于腐熟標準；堆肥第35天，2個處理的種子發芽指數均大于80%，但炭基輔料處理的種子發芽指數大于常規輔料處理，第28、第35天的堆肥浸提液種子發芽指數分別比常規輔料提高10.28%、4.21%，說明炭基輔料處理的堆肥體對種子的毒性更低。

2.4 新型炭基輔料對有機肥料品質的影響

堆肥結束后，將炭基輔料處理的堆肥物料進行堆肥制品與炭基輔料的篩分處理，由圖5可知，炭基輔料處理的堆肥制品，氮磷鉀養分總量為7.29%，有機質含量達45.76%，與常規輔料處理相比，氮、五氧化二磷、氧化鉀的含量分別提高37.61%、17.04%、45.94%，氮磷鉀養分總量提高30.51%，雖然有機質含量降低8.37%，但符合有機肥料農業行業標準(NY 525—2012)的要求[15]。

3 結論與討論

陳同斌等采用福木勒法檢測堆肥穩定化過程的結果表明，盡管不同處理的堆肥溫度升降情況變化及堆肥穩定化所需時間均不一致，但達到穩定化所需要的積溫較為一致，即堆肥溫度較高的處理，堆肥時間較短，堆肥溫度較低的處理，堆肥時間較長[10]。本試驗結果表明，炭基輔料處理的堆肥體符合無害化與穩定化的標準，與常規輔料相比，炭基輔料促進了堆肥前期的溫度快速上升、提高了堆肥體的最高溫度、縮短了堆溫初始達到55 ℃以上的時間，可見，炭基輔料對堆肥體具有增溫與縮短堆肥周期的作用，其原因主要可能是炭基輔料具有豐富的孔隙結構，一方面為微生物的擴繁增殖提供了良好的場所[16]，另一方面有利于氧氣的傳輸，增強了微生物的活性，提高了微生物的代謝與產熱能力[17]，從而促進升溫。

與常規輔料相比，炭基輔料降低了堆肥體的銨態氮與硝態氮含量，其原因主要是生物質炭可以通過離子鍵對銨態氮進行化學吸附[18-19]，王海候等研究生物質炭與伊樂藻混合堆制過程也發現隨著生物質炭添加量的增加，伊樂藻堆肥體的銨態氮含量呈逐漸下降的趨勢[11]；另外，由于硝態氮主要來自于堆肥體銨態氮的硝化作用，炭基輔料處理的堆肥體由于銨態氮的下降，可能是導致炭基輔料處理硝態氮含量低于常規輔料處理的主要原因。

Morel等建議采用T值來評價城市垃圾的堆肥腐熟度，并提出當T值小于0.6時堆肥達到腐熟[20]；Vuorionen等認為腐熟豬糞與稻草混合堆肥的T值應當在0.49～0.59之間[21]；Itavaara等研究表明，當包裝廢棄物的T值下降到 0.53～0.72之間表示堆肥達腐熟[22]；可見，不同堆肥物料腐熟的T值不一致。本試驗結果表明，炭基輔料處理的堆肥體T值為0.92，而常規輔料處理的堆肥體T值為0.74，炭基輔料處理的堆肥體T值大于常規輔料處理。另外，在堆肥第28天，炭基輔料處理的種子發芽指數達到85.47%，達到了腐熟的要求，而常規輔料處理的種子發芽指數仍低于腐熟標準；在堆肥第35天，2個處理的種子發芽指數均大于80%，但炭基輔料處理的種子發芽指數大于常規輔料處理，說明炭基輔料處理的堆肥體對種子的毒性更低。與常規輔料處理相比，炭基輔料處理提高了堆肥制品的氮磷鉀養分含量，且符合有機肥料農業行業標準(NY 525—2012)的要求。

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