不同腐熟劑對堆肥效果的影響

于 建 董 磊 肖承澤 宋以玲 洪丕征 李玉環(huán) 陳士更 丁方軍 ，3★

1 山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司 泰安 271000

2 山東省腐植酸高效利用工程技術(shù)研究中心 泰安 271000

3 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 泰安 271018

堆肥是一種常用的通過好氧發(fā)酵處理有機(jī)廢棄物的方法。通過堆肥處理，可以解決畜禽糞便、秸稈等農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物因含有多種病原微生物、寄生蟲卵以及其他有害物質(zhì)對土壤環(huán)境造成的危害，從而使農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物得到資源化利用[1，2]，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)的良好有效對接。堆肥的實(shí)質(zhì)是好氧微生物通過自身的代謝作用，將廢棄物中一部分有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化成簡單的小分子物質(zhì)，使這些有機(jī)物向穩(wěn)定程度較高的腐殖質(zhì)方向轉(zhuǎn)化[3，4]。常規(guī)堆肥所需周期長，不利于有機(jī)廢棄物的快速資源化利用，通過添加有機(jī)物料腐熟劑可以縮短畜禽糞便的腐熟時(shí)間，加大其腐熟度，提高腐植酸類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而在施入土壤后可以提高土壤中活性物質(zhì)的含量[5，6]。

本試驗(yàn)擬在以豬糞和秸稈為主要原料的堆肥中接種“農(nóng)大肥業(yè)”腐熟劑，與市售腐熟劑進(jìn)行對比，通過檢測堆肥發(fā)酵過程中各項(xiàng)理化指標(biāo)的變化，研究“農(nóng)大肥業(yè)”腐熟劑對堆肥發(fā)酵效果的影響，為豬糞的無害化處理和秸稈的資源化利用提供技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

（1）堆肥物料。鮮豬糞由山東綠福地科技有限公司提供。小麥秸稈在當(dāng)?shù)夭少彛叩闹饕煞旨癈/N見表1。

（2）腐熟劑。腐熟劑1：“農(nóng)大肥業(yè)”腐熟劑，由山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司生產(chǎn)（以枯草芽孢桿菌、白淺灰鏈霉菌、唐德鏈霉菌、米曲霉、黑曲霉等為主要菌種，使用蘑菇渣和雞糞作為載體制作而成，有效活菌數(shù)為5億/克）。腐熟劑2：市售腐熟劑（含枯草芽孢桿菌、黑曲霉、米曲霉等菌種，有效活菌數(shù)為5億/克）。

表1 堆肥物料主要成分及C/NTab.1 The major components and C/N ratio of compost materials

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將鮮豬糞與小麥秸稈粉按照3∶2的比例復(fù)配成C/N為34左右的混合物料[7]，加適量的水調(diào)節(jié)含水量至60%。

共設(shè)3個(gè)處理，CK：不添加腐熟劑；T1：添加“農(nóng)大肥業(yè)”腐熟劑，用量0.1%；T2：添加市售腐熟劑，用量0.1%。混勻后建堆成長3 m，寬2 m，高1.2～1.5 m的腐熟堆，分別在堆肥進(jìn)行3、6、9、13、20、26和31天后進(jìn)行翻堆，并在堆肥第5、10、15、20、25、30、35天時(shí)取樣。

1.2.2 測定指標(biāo)及其方法

溫度測定：將雙金屬干溫度計(jì)插入腐熟堆中間位置，于每天上午9點(diǎn)和下午3點(diǎn)記錄溫度，取兩次的平均溫度作為測定溫度。

發(fā)芽指數(shù)：按1∶10的固液比稱取10 g新鮮堆肥加入100 mL蒸餾水，150 r/min震蕩1 h，制備堆肥浸提液，過濾，取濾液置于培養(yǎng)皿中，以蒸餾水為空白，每個(gè)培養(yǎng)皿中放入20粒小油菜種子，置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)（溫度保持在25～30 ℃，濕度70%～80%），黑暗下培養(yǎng)，在48 h后查看種子發(fā)芽數(shù)并用游標(biāo)卡尺測定根長。計(jì)算發(fā)芽指數(shù)，GI（%）=（堆肥浸提液的種子發(fā)芽率×種子根長）/（蒸餾水浸提的種子發(fā)芽率×種子根長）×100。

C/N：C/N=總有機(jī)碳含量/全氮量。

E4/E6：稱10 g新鮮堆肥樣品，加入100 mL蒸餾水，于200 r/min轉(zhuǎn)速振蕩機(jī)中振蕩1 h，過濾，取濾液在紫外分光光度計(jì)下測量465 nm和665 nm的吸光度，得到E4和E6，計(jì)算E4/E6。

總腐植酸和游離腐植酸含量：采用GB/T 11957-2001方法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2013和SAS軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中溫度的變化

堆肥過程中的溫度變化如圖1所示，堆肥過程中的氣溫在35 ℃以下，因堆肥棚為半封閉狀態(tài)，因而棚內(nèi)溫度與氣溫相差2～5 ℃，建堆完成以后的第3天，T1已經(jīng)升高到50 ℃，比T2高出2 ℃，比CK高出10 ℃。并且每次翻堆前的最高溫度，均比T2高2～3 ℃，比CK高9～10 ℃。其中，高于55 ℃的時(shí)間點(diǎn)，T1為37次，分別比T2多11次，比CK多30次。可見，在整個(gè)堆肥過程中，“農(nóng)大肥業(yè)”腐熟劑能夠快速起溫，促進(jìn)有機(jī)物料的快速腐熟。

圖1 堆肥過程中的溫度變化Fig.1 The change of temperature in composting process

2.2 堆肥過程中發(fā)芽指數(shù)的變化

種子發(fā)芽指數(shù)既能評價(jià)堆肥的腐熟度，又能評價(jià)堆肥的生物毒性[8，9]。圖2為堆肥過程中小油菜發(fā)芽指數(shù)變化。從圖中可以看出，在堆肥過程中，加入腐熟劑的堆肥浸提液中小油菜種子的發(fā)芽指數(shù)在1～7天中低于初始值，由16%降低到4%～5%，這可能是在堆肥初期，有機(jī)物料所產(chǎn)生的馬尿酸、尿囊酸和金霉素等毒性物質(zhì)較多，而分解量較少導(dǎo)致。隨著腐熟度的加深，堆肥中毒性物質(zhì)被分解，發(fā)芽指數(shù)開始逐漸升高，T1在20天時(shí)，發(fā)芽指數(shù)達(dá)到44%，堆肥達(dá)到基本腐熟，而T2在23天時(shí)，發(fā)芽指數(shù)才達(dá)到44%；到35天后，添加腐熟劑的兩個(gè)處理種子發(fā)芽指數(shù)均接近80%。而CK則一直維持在16%～20%之間，可能是因?yàn)槲刺砑痈靹逊矢炻以诟爝^程中產(chǎn)生的馬尿酸、尿囊酸和金霉素等毒性物質(zhì)所致。可見，添加腐熟劑對分解降低堆肥腐熟過程的有害物質(zhì)，加快堆肥腐熟具有顯著效果，且“農(nóng)大肥業(yè)”腐熟劑可以20天完成基本腐熟，35天時(shí)達(dá)到完全腐熟，效果優(yōu)于市售腐熟劑。

圖2 堆肥過程中小油菜發(fā)芽指數(shù)變化Fig.2 The change of small rapegermination index in composting process

2.3 堆肥過程中C/N的變化

C/N是有機(jī)物料總有機(jī)碳與總氮的比值，是堆肥的基本特征之一，也是最常用于評價(jià)腐熟度的參數(shù)之一。在實(shí)踐中，堆肥起始C/N一般調(diào)到25～35，GARCIA等[10]研究表明，當(dāng)堆肥的C/N從初始的35降低到20以下時(shí)，就可認(rèn)為已基本腐熟，否則，進(jìn)入土壤有可能與植物爭奪氮源，降低土壤肥力。圖3為堆肥過程中C/N變化。從圖中可以看出，當(dāng)堆肥時(shí)間進(jìn)行到20天時(shí)，T1和T2的C/N從初始的34分別降為20和22，T1已基本腐熟，而CK的C/N為29；在35天時(shí)，T1和T2的C/N分別降為16和19，二者均已達(dá)到完全腐熟，而CK為27，還需進(jìn)一步腐熟。可見，T1和T2整個(gè)堆肥過程隨著微生物的生長和對有機(jī)物的分解及營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，促使堆肥C/N降低速度較快，縮短腐熟時(shí)間，而CK的降低速度慢，所需腐熟時(shí)間長。

圖3 堆肥過程中C/N變化Fig.3 The change of C/N ratio in composting process

2.4 堆肥過程中E4/E6的變化

腐植酸在465 nm和665 nm處有特殊吸收峰，其吸光度的比值為E4/E6，E4/E6與腐植酸分子大小或分子間的縮合程度大小有直接關(guān)系，在正常狀態(tài)下，其隨腐植酸分子量的增加或縮合程度的增大而減小，因此E4/E6的變化反映了在堆肥過程中腐植酸縮合度和芳構(gòu)化程度的變化，反映著堆肥的腐熟度。圖4為堆肥過程中E4/E6變化。從圖可以看出，各處理的E4/E6都存在先上升后降低的趨勢，但其變化程度依次為T1＞T2＞CK，在20天時(shí)T1的E4/E6下降至1.90，堆肥達(dá)到基本腐熟；在23天時(shí)，T2的E4/E6下降至1.90，堆肥達(dá)到基本腐熟。

圖4 堆肥過程中E4/E6變化Fig.4 The change of E4/E6 in composting process

2.5 堆肥過程中總腐植酸含量的變化

堆肥中腐植酸的含量直接對有機(jī)肥或生物有機(jī)肥有機(jī)質(zhì)含量產(chǎn)生影響。圖5為堆肥過程中總腐植酸含量變化。從圖可以看出，隨著堆肥的腐熟，T1、T2的總腐植酸含量呈現(xiàn)先快速增加后略微下降的趨勢，從開始的12.70%升高到37.50%又降至32.06%；一方面是因?yàn)橛袡C(jī)物料分解的小分子物質(zhì)縮合成腐植酸，另一方面是因?yàn)榍捌谟袡C(jī)物料在微生物作用下不斷腐解產(chǎn)生腐植酸，使腐植酸含量一直上升，而在腐熟基本完成后有機(jī)物料所產(chǎn)生的腐植酸含量基本恒定，但小部分腐植酸不穩(wěn)定再分解，使總腐植酸含量有略微下降的趨勢。而CK中無腐熟劑，有機(jī)物料腐解產(chǎn)生的腐植酸少，表現(xiàn)出平緩上升的趨勢。堆肥完全腐熟時(shí)，各處理腐植酸含量依次為：T1＞T2＞CK。因此，添加腐熟劑對促進(jìn)有機(jī)物料腐熟，提高肥料內(nèi)腐植酸含量有顯著效果，且“農(nóng)大肥業(yè)”腐熟劑效果優(yōu)于市售腐熟劑效果。

圖5 堆肥過程中總腐植酸含量變化Fig.5 The change of total humic acid content in composting process

2.6 堆肥過程中游離腐植酸含量的變化

圖6 為堆肥過程中游離腐植酸含量變化。從圖可以看出，游離腐植酸含量與總腐植酸含量變化趨勢相反，前23天含量降低，原因可能是游離腐植酸被微生物分解所致，之后呈上升趨勢，原因可能是部分結(jié)合態(tài)腐植酸轉(zhuǎn)化為游離腐植酸所致。從圖中也可以看出，T1對游離腐植酸的消耗量要高于T2，同時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CK，這是由于在堆肥的腐熟過程中，微生物生長繁殖需要一定的養(yǎng)分，而T1內(nèi)微生物的繁殖代謝較T2旺盛，對可利用養(yǎng)分的需求相對較多，因此CK的游離腐植酸含量一直高于T1和T2。

圖6 堆肥過程中游離腐植酸含量變化Fig.6 The change of free humic acid content in composting process

3 討論與結(jié)論

該試驗(yàn)通過接種“農(nóng)大肥業(yè)”腐熟劑處理豬糞、秸稈堆肥，與市售腐熟劑對比，結(jié)果表明3個(gè)處理試驗(yàn)中，T1升溫迅速，并且每次翻堆前的最高溫度、高于55 ℃的次數(shù)均高于T2和CK；隨著堆肥的腐熟，小油菜種子發(fā)芽指數(shù)開始逐漸升高，T1在20天時(shí)，發(fā)芽指數(shù)達(dá)到44%，堆肥達(dá)到基本腐熟，而T2在23天時(shí)達(dá)到基本腐熟，CK發(fā)芽指數(shù)一直維持在16%～20%，變化不大。在堆肥過程中，隨著微生物的生長代謝，T1和T2的C/N降低較快，由34分別降低到16和19，而CK降低到27，變化較慢。2個(gè)試驗(yàn)組的E4/E6呈先升高后降低的趨勢，變化程度為：T1＞T2＞CK；隨著堆肥的腐熟，堆肥中總腐植酸含量呈現(xiàn)先快速增加后略微下降的趨勢，而游離腐植酸含量與總腐植酸含量的變化趨勢相反。可見，在堆肥過程中，“農(nóng)大肥業(yè)”腐熟劑能夠快速升溫，促進(jìn)堆肥的快速腐熟，并快速分解堆肥中有毒物質(zhì)，提高堆肥產(chǎn)品中總腐植酸含量。這表明，“農(nóng)大肥業(yè)”腐熟劑在堆肥過程中微生物的代謝活性更強(qiáng)，對以豬糞為主要原料的有機(jī)物料腐熟能力更強(qiáng)，效果更好。

綜上所述，添加腐熟劑既可加速堆肥的腐熟速度，還能提高堆肥內(nèi)總腐植酸含量和所含氮磷鉀等有效養(yǎng)分含量[11]，添加“農(nóng)大肥業(yè)”腐熟劑對有機(jī)物料的腐熟度較市售腐熟劑效果明顯，且腐熟時(shí)間短。本研究結(jié)果中總腐植酸含量變化趨勢同程紅勝等研究結(jié)果[12]相似，而游離腐植酸含量變化趨勢與陳迪等研究結(jié)果一致[13]。但已有研究結(jié)果顯示不同堆肥材料、不同發(fā)酵條件下腐植酸含量變化不盡相同[12～16]，深層機(jī)理有待研究；本次試驗(yàn)只測定了堆肥過程中的溫度、發(fā)芽指數(shù)、C/N、總腐植酸和游離腐植酸含量等的變化規(guī)律，而未對氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素、腐殖化系數(shù)（CHA/CFA）以及實(shí)際肥效等可行性指標(biāo)做相關(guān)測定、分析。在今后的研究中需要對以上兩點(diǎn)做深入研究，一是深入研究堆肥過程中腐植酸含量變化機(jī)理，二是尋找快速有效且能全面評價(jià)腐熟劑效果的可代表性指標(biāo)，為腐熟劑效果的評定、篩選以及日后在有機(jī)肥生產(chǎn)上的應(yīng)用提供參考，并推進(jìn)農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的合理化應(yīng)用。