牛糞聯(lián)合玉米秸稈好氧堆肥理化性狀分析

史向遠(yuǎn)，王秀紅，周 靜，李欣欣，王保平，李永平，張紀(jì)濤，杜慧平

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原030031）

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈是主要的農(nóng)業(yè)廢棄物來源之一，當(dāng)前我國年產(chǎn)牲畜糞便約40億t[1]，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)出量每年可達(dá)9億多t[2]。近年來，隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)的飛速發(fā)展，政府對農(nóng)業(yè)廢棄物造成的環(huán)境污染問題關(guān)注度增加，循環(huán)利用意識增強(qiáng)，作為生物質(zhì)能源的秸稈和畜禽糞便的處理和利用越來越受到重視。好氧堆肥技術(shù)處理農(nóng)業(yè)秸稈和畜禽糞便，不僅能達(dá)到無害化、減量化的要求，提高環(huán)境安全系數(shù)，而且通過堆肥使該類廢棄物得到了資源化利用，提高了其附加值。目前，通過將秸稈和畜禽糞便堆肥用作有機(jī)肥、食用菌栽培料或新型設(shè)施栽培基質(zhì)的研究越來越多[3-8]。

如何能使堆肥產(chǎn)品更好地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，對好氧堆肥技術(shù)參數(shù)的掌控尤為重要。影響好氧堆肥的因素很多，主要包括堆料碳氮比、含水率、pH值、透氣性等[9-12]，其中，堆肥物料的初始碳氮比對于好氧堆肥起決定性作用，好氧堆肥的實(shí)質(zhì)就是微生物降解復(fù)雜有機(jī)質(zhì)獲得簡單穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)的過程，初始C/N低于20時(shí)，不利于微生物的生長繁殖，微生物活動減少，C/N高于35時(shí)，微生物需經(jīng)過多次生命循環(huán)，氧化掉過量的碳，直至達(dá)到合適的C/N供其進(jìn)行新陳代謝，使降解速率降低、堆肥腐熟周期延長[13]，所以合適的C/N對不同來源的物料堆肥非常重要。

本研究將牛糞和粉碎的玉米秸稈進(jìn)行不同配比試驗(yàn)，研究起始C/N對好氧發(fā)酵堆肥物料理化性狀的影響，旨在為加快牛糞秸稈腐熟、提高堆肥品質(zhì)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試主要原料牛糞和玉米秸稈分別購自山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽試驗(yàn)基地周邊農(nóng)戶。其中，玉米秸稈直接在田間粉碎揉絲收集，長度小于10 cm；牛糞晾干碾碎。堆肥原料的理化性質(zhì)列于表1。

表1 堆料的理化指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心東陽基地堆肥車間。試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)處理：C/N＝30（配比 1）和 C/N＝25（配比 2），采用直徑×高＝2.3 m×1.3 m的堆垛進(jìn)行好氧發(fā)酵堆肥，用pH值為8左右的石灰水預(yù)濕玉米秸稈，按配比加入牛糞和一定比例的生石膏粉和過磷酸鈣，調(diào)節(jié)水分含量至65%左右，物料均勻混合。建堆后分別在第8，16，20，26，34 天進(jìn)行翻堆，并在建堆時(shí)及翻堆時(shí)從垂直高度1/2處的堆體表面由外向內(nèi)不同深度多點(diǎn)取樣，充分混合后，一部分樣品冷藏，另一部分樣品風(fēng)干用于生理生化指標(biāo)測定。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

溫度、含水率、pH 值、EC值、E4/E6、水溶性有機(jī)碳w（C）、水溶性有機(jī)總氮w（N）、總有機(jī)碳、全氮、有機(jī)物含量和種子發(fā)芽指數(shù)（GI）測定均參照王秀紅等[14-15]的方法進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配比堆體的溫度變化

堆體溫度是指示好氧堆肥是否正常進(jìn)行的一個(gè)重要指標(biāo)。從圖1可以看出，2種堆體到達(dá)高溫的時(shí)間不同，配比1的堆溫在建堆8 h后即上升至50.7℃，而配比2則是在建堆14 h后達(dá)到50℃以上高溫。每次人工翻堆后，堆體溫度均能快速升溫，2種配比除第1次建堆8 d內(nèi)溫度無明顯差別外，其余每次建堆后發(fā)酵期間的堆體溫度均表現(xiàn)為配比1高于配比2。在34 d的好氧發(fā)酵期間，配比1達(dá)到55℃以上的高溫時(shí)間累計(jì)持續(xù)了21 d左右，配比2為11 d，二者相差10 d。配比1堆體溫度為60℃以上的天數(shù)達(dá)16 d左右，而配比2僅在建堆后的7 d內(nèi)堆體溫度有4 d左右達(dá)60℃以上高溫，說明配比1更適合微生物的生長活動，也有利于無害化處理。

2.2 不同配比堆料的pH值變化

2種配比的堆體初始pH值均調(diào)至8.0左右，由圖2可知，隨著建堆時(shí)間的延長，配比1堆料的pH值呈先降低后升高再降低又升高的動態(tài)變化，pH值在7.43～8.16范圍內(nèi)，最后pH值為8.04。配比2的pH值則是持續(xù)升高，在第20天達(dá)到一個(gè)峰值8.72后開始下降，最后降至7.49。

2.3 不同配比堆料的C/N和w（C）/w（N）變化

C/N是好氧堆肥過程中的重要指標(biāo)之一，可以指導(dǎo)建堆時(shí)的物料搭配，對物料的發(fā)酵啟動起著關(guān)鍵作用。本研究依據(jù)微生物活動所需的C/N設(shè)置了2個(gè)配比進(jìn)行跟蹤，在34 d的好氧發(fā)酵期間，配比1的C/N值下降至18.65，配比2的C/N值為16.34（圖3），分別比建堆初期下降了37.83%和34.64%。從水溶性的碳氮比來看，配比1的w（C）/w（N）在堆肥全程，除第20天和第34天較配比2稍低外，其余時(shí)間均高于配比2。

2.4 堆肥過程中的有機(jī)質(zhì)含量和E4/E6變化

由圖4可知，配比1的有機(jī)質(zhì)含量高于配比2。隨著堆制時(shí)間的延長，配比1的有機(jī)質(zhì)含量開始下降，后期下降緩慢；配比2波動較小，總趨勢為上升趨勢。表明配比1的有機(jī)質(zhì)被微生物的降解效果優(yōu)于配比2。本次堆肥過程中，前4次翻堆時(shí)E4/E6值變化幅度不大，在第5次翻堆時(shí)，E4/E6值均有所上升；配比2的E4/E6值上升幅度大于配比1。整個(gè)發(fā)酵期間，配比1的E4/E6值與配比2相差不大，說明好氧發(fā)酵期間，堆料的腐殖化水平差異不大。最后一次翻堆時(shí)E4/E6值開始提高，表明有大分子質(zhì)量的腐植酸開始形成。

2.5 堆肥過程中EC值和發(fā)芽指數(shù)（GI）的變化

由圖5可知，2種配比的EC值在起初建堆時(shí)差異較大，配比1的初始EC值為1.403 mS/cm，而配比2的EC值為13.42 mS/cm。隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，配比1的EC值稍有升高，而配比2降低明顯，2種配比在5次翻堆時(shí)間的EC值大小相差不明顯，EC值在2.29～3.38 mS/cm。

配比1在整個(gè)發(fā)酵時(shí)期，原始堆料GI較高，堆制7 d后，GI降低，第2次翻堆時(shí)又有所上升，第3次翻堆時(shí)下降，最后2次翻堆則一直在上升，在不同發(fā)酵時(shí)間，其GI均較高；配比2則從一開始的GI為0，到第1次翻堆時(shí)，上升到100%以上，第2，3次翻堆時(shí)下降，第4，5次翻堆時(shí)上升，說明2種配比起始的物料搭配不同，影響整個(gè)堆肥不同翻堆時(shí)期的GI，但隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，GI均上升（圖5）。

3 結(jié)論與討論

溫度是監(jiān)測好氧堆肥過程的一個(gè)重要指標(biāo)。本研究中，堆體升溫速度、高溫持續(xù)時(shí)間均為配比1優(yōu)于配比2，說明配比1的碳氮比更利于微生物的生長，也表明初始碳氮比對于堆體快速升溫及維持高溫均起關(guān)鍵作用，與白永娟[16]這研究不同發(fā)酵條件對菇渣發(fā)酵溫度的影響結(jié)果一致。當(dāng)溫度高于55℃時(shí)，可以使一些病原微生物致死[17]。針對規(guī)模養(yǎng)殖場堆肥新標(biāo)準(zhǔn)要求，堆體溫度在55℃以上的天數(shù)不得少于10 d，這樣才能達(dá)到無害化要求[18]。本研究中，2種配比堆體溫度在55℃以上的天數(shù)均超過10 d，配比1在55℃以上持續(xù)時(shí)間更長。

中性或弱堿性的環(huán)境適宜微生物的生活，發(fā)酵過程中發(fā)酵物的pH值一般在6.7～8.5[12]。在堆肥過程中，微生物由于自身繁殖產(chǎn)生有機(jī)酸，引起pH值下降，隨著有機(jī)酸的分解以及有機(jī)質(zhì)分解過程中產(chǎn)生氨態(tài)氮，會引起pH值的升高，隨著氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，堆料的pH值又下降[19]。本研究在發(fā)酵初期的pH值可以通過添加石灰水來調(diào)節(jié)，使得堆料偏堿性，有利于堆體的快速升溫。在堆肥過程中，配比1的pH值先下降后上升，說明配比1初始碳氮比有利于微生物的活動，有機(jī)酸分泌較多引起pH值下降，配比2則由于起初牛糞含量較高，含氮量相對較高，易出現(xiàn)氨化現(xiàn)象，所以pH值呈上升趨勢。通過翻堆混勻，配比1堆體內(nèi)存在酸化和氨化交替進(jìn)行的過程，而配比2前期則以氨化現(xiàn)象占優(yōu)勢，后期才出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。

良好的堆肥過程其碳氮比應(yīng)是持續(xù)下降的。GARCIA等[20]研究認(rèn)為，最終堆肥產(chǎn)品C/N值在理論上趨于微生物菌體的C/N值，即堆體C/N值由30左右降為15～20時(shí)可以認(rèn)為堆肥腐熟，達(dá)到了穩(wěn)定化的程度。通常認(rèn)為，起始C/N在（20∶1）～（30∶1）均為一個(gè)理想比例，均有利于微生物生長活動。但是在實(shí)際應(yīng)用中，則要考慮原材料粒徑的大小、物料的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)和能夠提供微生物生命活動利用的表面積等[21]。本研究中，配比2的C/N值為25，理論上適合微生物的生長，但其腐熟效果與配比1效果相比較差，說明堆體溫度升高除了與配比有關(guān)外，堆體的孔隙度、堆料牛糞含量較高等均會影響微生物的代謝活性。堆肥反應(yīng)的微生物代謝發(fā)生在水溶相，w（C）/w（N）的理論意義為堆肥水溶相代謝的程度，即w（C）/w（N）高，則堆肥的可利用碳就充足[22]，起始可溶性的C和N含量也是決定堆肥能否正常進(jìn)行的關(guān)鍵，因此，堆肥物料的理化性質(zhì)是影響碳素利用的重要因素。本研究中，隨著堆肥的進(jìn)行，可溶性碳氮比大小有波動，認(rèn)為隨著微生物對有機(jī)質(zhì)的降解和對單糖的利用，可溶性的碳氮比也在發(fā)生變化，與pH值的變化也有一定相關(guān)性。C/N值可以反映堆肥的生物轉(zhuǎn)化程度[23]，固相C/N值小于12是堆肥成熟的標(biāo)志[24-25]。本研究只測定了好氧堆肥階段的C/N值，其尚未達(dá)到12，需要經(jīng)過二次發(fā)酵才能達(dá)到腐熟。較高的C/N值對應(yīng)的有較高的w（C）/w（N）值，但好氧發(fā)酵結(jié)束時(shí)，配比1低于配比2，說明配比1的有機(jī)質(zhì)得到更好的有效降解。

適合高溫好氧發(fā)酵的堆料有機(jī)質(zhì)含量高于20%就可以使堆肥正常進(jìn)行。丁文川等[26]研究結(jié)果表明，堆肥初期有機(jī)物對微生物的增長起主導(dǎo)作用，但隨著微生物代謝產(chǎn)物的積累，溫度值等的變化對微生物的影響日益強(qiáng)烈，有機(jī)物由主導(dǎo)因子變?yōu)榇我蜃印4/E6值通常隨堆肥固相腐植酸相對分子質(zhì)量或縮合度增加而減小[27]，E4/E6值越高，說明微生物活性越高，生物化學(xué)過程比較強(qiáng)烈，復(fù)雜有機(jī)物尚未得到降解，未到達(dá)腐植酸大量形成期。本研究中，到第5次翻堆時(shí)E4/E6值仍較高，說明此時(shí)堆體仍處于礦化階段，降解作用旺盛，腐殖化程度還較低。

EC值反映了基質(zhì)中可溶性鹽溶液的濃度和營養(yǎng)水平，EC值太低營養(yǎng)不足，EC值太高會導(dǎo)致鹽害，蔬菜作物基質(zhì)理想的EC值應(yīng)小于2.5 mS/cm[28]。堆肥產(chǎn)物在應(yīng)用于基質(zhì)栽培時(shí)，尤其栽培對鹽離子敏感的作物時(shí)，EC值的大小尤為重要。堆肥前期，因有機(jī)物分解產(chǎn)生大量有機(jī)酸分子、礦質(zhì)鹽分，以及堆體體積減小、溫度升高水分蒸發(fā)，再加上硝化細(xì)菌活動使有機(jī)物料持續(xù)礦化產(chǎn)生NO3-，均會導(dǎo)致EC值升高，隨著堆制過程的進(jìn)行，CO2和NH3等不斷揮發(fā)，同時(shí)小分子有機(jī)酸及陰陽離子被微生物轉(zhuǎn)化利用而合成腐殖質(zhì)類物質(zhì)，EC值會逐漸下降，到堆制結(jié)束時(shí)EC值基本維持在2.0 mS/cm左右[13]。本研究中，2種配比的EC值在堆制結(jié)束時(shí)均高于2.0 mS/cm，由于研究主要在好氧發(fā)酵期間檢測EC值的變化，尚未徹底腐熟，而且堆料用于栽培基質(zhì)時(shí)，還要與其他基質(zhì)原料搭配使用，EC值稍高不會影響園藝作物栽培效果。本研究中，配比2的初始EC值明顯高于配比1，可能是由于配比2中牛糞的比例較高導(dǎo)致，但隨著建堆時(shí)水分的調(diào)節(jié)以及堆肥的進(jìn)行，離子濃度下降，EC值隨之降低。

GI反映了堆肥產(chǎn)品對植物的毒性，是評價(jià)堆肥腐熟程度的重要指標(biāo)之一，當(dāng)GI達(dá)到80%～85%時(shí)，可以認(rèn)為對植物沒有毒性[29]。本試驗(yàn)中，GI的變化呈先下降又上升的趨勢，原因可能是由于好氧發(fā)酵階段微生物降解有機(jī)物產(chǎn)生的NH3-N和有機(jī)酸等對種子發(fā)芽產(chǎn)生了一定的抑制作用[30]。本研究在不同翻堆時(shí)間配比1較配比2的GI高，說明玉米秸稈比例較大的堆料產(chǎn)生的抑制物低于牛糞比例較大的堆料。