不同碳氮比豬糞沼渣堆肥及其產品對水稻種子萌發的影響

雷仁清，秦文婧，劉 佳，陳靜蕊，徐昌旭，萬里平，龔貴金，陳曉芬*

（1．江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所/國家紅壤改良工程技術研究中心，江西 南昌 330200；2．福建農林大學國際鎂營養研究所，福建 福州 350002；3．贛州銳源生物科技有限公司，江西 贛州 341900）

我國規模化畜禽養殖業發展迅速，據統計，近年我國每年生產畜禽糞便約3×109t，若經厭氧發酵處理后可產生約1.8×108m3的沼氣［1］。然而，厭氧發酵生產沼氣的同時也產生大量沼渣和沼液，這些副產品的處置制約著沼氣工程的發展［2］。對于沼渣，一方面其含有大量有機質、氮、磷、鉀以及微量元素，是優質的有機肥源；另一方面，沼氣發酵工程中原料無法完全分解，沼渣中可能含病原體、有毒化合物和植物毒素等，直接利用會有二次污染的風險［3-4］。盡管有研究認為有機廢棄物厭氧發酵殘余的沼渣生物穩定性較高，可直接用作有機肥［5］，但沼氣工程為保證甲烷產量最大化，厭氧消化時間通常較短，沼渣的生物穩定性不強［6］。堆肥是在有氧條件下通過各種微生物活動將有機物轉化為穩定腐殖質的動態過程，是處理沼渣等農業廢棄物的有效措施［7］。畜禽糞便厭氧發酵后的沼渣須進行好氧堆肥處理，以穩定其中的有機物并抑制和滅殺可能存在的病原體，從而生產出優質安全的有機肥［8］。

用畜禽糞便厭氧發酵后的沼渣進行好氧堆肥生產商品有機肥，目前在生產中仍存在原料配比缺乏理論指導、堆體腐熟效率低下甚至產品不達標等現實問題［9］，如何提高堆肥效率及產品效果，已成為實現沼渣資源循環利用、降低環境危害必須要面對和解決的問題。適宜的碳氮比（C/N）是高效堆肥的關鍵因素，堆肥原料組成比例變化引起的初始C/N不同直接影響著堆肥的效率和有機肥的品質［10］。堆體C/N過高，細菌等微生物的生長受到限制，有機物分解速度慢，使得發酵時間延長；堆體C/N過低，氮素將變成氨態氮揮發掉，最終導致大量氮素損失而降低肥效［11-12］。沼渣通常含水量高，C/N較低，且其中難降解的纖維素類物質含量較高，不適合單獨進行好氧發酵［13］。在實際生產中應調節沼渣和輔料配比以優化堆肥初始C/N，從而實現快速、高效堆肥。

一般而言，評價堆肥腐熟程度的指標包括溫度、pH和C/N等［11］。這些理化指標雖能從不同方面反映堆肥腐熟度，但由于堆肥用料復雜，這些指標有時不能直觀評價堆肥的綜合腐熟程度，在實際應用中也存在一定偏差。腐熟完全的堆肥產品除了能提供充足的肥力，還必須保證對作物無毒。植物種子萌發和幼苗生長發育階段對毒害較為敏感，種子發芽及幼苗生長狀況是衡量堆肥植物毒性和腐熟度的直接反映［14］。因此，在評價堆肥產品的腐熟程度時，開展種子發芽試驗，可以充分反映堆肥的腐熟度及產品效果。本文以沼氣工程產量最大的豬糞沼渣為原料，以含水量低、C/N高的木屑為輔料進行好氧堆肥，研究不同初始C/N對沼渣堆肥過程和產品品質的影響，并選擇主要糧食作物水稻開展堆肥產品的種子萌發試驗，考察水稻種子發芽和幼苗生長的特性，為提高堆肥產品肥效及促進沼渣廢棄物資源化利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堆肥試驗在江西省新余市江西正合生態農業有限公司的有機肥生產車間進行，豬糞沼渣來自該公司運營的南英沼氣發電站（江西省新余市），木屑購自當地市場。沼渣和木屑的基本性質見表1。

表1 堆肥原料的基本性質

1.2 堆肥試驗設計

堆肥時間為2019年6月16日至8月5日，共持續51 d。以沼渣為堆肥原料，木屑為輔料，設置初始C/N為13、17、21和25共4個處理，分別為B1、B2、B3和B4。混合物的初始含水量均在65%左右，將混勻物料轉運至有機肥生產車間發酵區，用翻拋機翻堆后建成常規條垛式堆體，每個堆體質量約為6 t。堆肥第3 d用翻拋機進行第1次翻拋，之后每4 d翻拋1次。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品采集與保存

分別于建堆后的第1、5、9、15、21、29、39和51 d采集堆體的混合樣。按長度將堆體平均分為3段，在每段中分別選擇1個剖面，于每個剖面的上層（5～10 cm）、中層（50～60 cm）和下層（100～120 cm）采集等量的堆肥樣品。將3個剖面的樣品集中混勻后，采用四分法多次分取樣品，每個取樣時間獲得重復樣品3個。堆肥樣品分成3份，2份分別保存于4和-20℃冰箱，1份自然風干后待用。

1.3.2 堆體溫度和水分的測定

堆肥過程中，每天10：00使用工業電子溫度計分別測定堆體上層、中層和下層的最高溫度，每個堆體層測定3個點，取平均溫度。將采集的部分新鮮堆肥于105℃烘箱中烘干至恒重，計算樣品含水量。

1.3.3 有機碳、全氮、全磷和全鉀含量的測定

參照國家有機肥料農業行業標準［15］，堆肥樣品的有機碳含量用重鉻酸鉀氧化-容量法測定。堆肥樣品用硫酸和過氧化氫進行消煮、定容、靜置澄清和過濾后，用凱式定氮法測定全氮含量，釩鉬酸銨比色法測定全磷含量，火焰光度法測定全鉀含量。

1.3.4 pH值、電導率和銨態氮的測定

將新鮮樣品與去離子水按1∶10（W/V）混合，水平搖床上振蕩2 h后靜置30 min，用pH計和電導率儀測定pH值和電導率。新鮮樣品與去離子水同樣按上述比例混合并振蕩24 h，12000 r·min-1離心10 min后取上清液過0.45 μm濾膜，用連續流動分析儀測定銨態氮含量。

1.4 水稻種子萌發試驗

取堆肥結束的新鮮樣品與去離子水以1∶10（W/V）混合，振蕩提取2 h后過濾。取10 mL濾液加入鋪有2層濾紙的培養皿中，每個培養皿內放置30粒消毒好的水稻種子，設置去離子水為空白對照，每個處理3次重復。培養皿放置于25℃光照培養箱（光照12 h，黑暗12 h）中培養7 d，每天定時記錄水稻種子萌發數（幼芽達到種子長度1/2即為萌發）。培養結束時，每個培養皿隨機選取10株具有代表性的幼苗，測量其胚根和胚芽的長度、鮮重及干重。水稻種子發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數按如下公式計算［16-17］：

活力指數=GI×S，S為胚芽長度。

1.5 數據統計分析

試驗數據經Excel 2016整理后，用SPSS 24.0進行方差分析，Duncan法檢驗0.05水平上的差異顯著性。采用Origin 9.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中溫度、水分和碳、氮的變化

由圖1a可知，4個堆體均在起堆后快速升溫，B1在第6 d進入高溫期（＞55℃），而B2、B3和B4在第2 d便進入高溫期。各堆體的高溫期分別持續了24、36、27和24 d，之后溫度逐步下降，其中B4堆體最早出現降溫趨勢，B1和B2堆體降溫較晚。在堆肥過程中，4個堆體高溫階段的平均溫度分別為58.0、58.5、58.4和58.6℃，堆肥結束時的溫度分別為42.2、44.1、37.0和38.1℃，接近于環境溫度（40.5℃）。

隨著堆肥過程的進行，4個堆體的水分含量均呈逐漸下降的趨勢，水分的損失主要發生在升溫期、高溫期以及降溫前期，而堆肥后期水分損失較少（圖1b）。堆肥結束時，堆體的含水量維持在40.4%～42.0%之間。在堆肥前39 d，B1堆體的水分含量最高，其次是B2堆體。整個堆肥過程中，4個堆體的水分散失率分別為39.3%、34.0%、34.9%和34.6%。

圖1 堆肥過程中的溫度和水分變化

在堆肥過程中，各處理的有機碳含量總體呈下降趨勢，除B1外，其余3個處理的有機碳含量在堆肥39 d后略有回升（圖2a）。與第1 d相比，堆肥結束時4個處理有機碳含量分別降低22.9%、6.0%、6.8%和6.5%。各處理的全氮含量在堆肥前期總體上升而在堆肥中后期有一定程度地下降（圖2b）。堆肥結束時，B3的全氮含量（19.74 g·kg-1）與第1 d（19.84 g·kg-1）相當，而B1、B2和B4的 全 氮含量較第1 d分別提高39.6%、2.6%和19.9%。所有處理的C/N均隨堆肥時間的延長逐漸下降且在堆肥后期趨于平穩，堆肥結束時各處理C/N分別為8.5、13.5、17.1和18.1，比第1 d低36.4%、23.3%、20.5%和28.5%（圖2c）。總體上，堆肥過程中各處理間有機碳含量和C/N均表現為B4＞B3＞B2＞B1，而全氮含量的變化則相反。

圖2 堆肥過程中有機碳、全氮及碳氮比的變化

2.2 堆肥產品的性質

由表2可知，隨著C/N的增大，堆肥產品的有機質含量、電導率和銨態氮含量呈增加的趨勢，而氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）的含量及pH值則隨C/N的增大而降低。參照國家有機肥料農業行業標準［15］，除B1外，其余處理產品有機質含量均高于標準規定的45%。4個處理堆肥產品的養分總含量（N+P2O5+K2O）分別為90.69、75.84、66.69和57.55 g·kg-1，均符合國家標準（≥5.0%）。此外，各處理堆肥產品的pH值為7.05～7.53，在規定的5.5～8.5范圍之內。盡管堆肥產品的含水量高于30%，但可以通過晾曬使其水分達標。

表2 堆肥產品的性質

2.3 堆肥產品對水稻種子發芽指標的影響

堆肥產品處理的水稻種子發芽勢、發芽率和發芽指數與去離子水對照相比差異不顯著，B3處理的水稻種子發芽勢和發芽指數略高于其余處理（表3）。堆肥產品和對照處理的種子發芽率均在94%以上，其中B4處理的種子發芽率稍低。不同C/N沼渣堆肥產品的水稻種子活力指數以B3處理最高，各處理分別比對照高40.4%、63.0%、77.3%和52.9%，且差異均顯著。

表3 堆肥產品對水稻種子發芽指標的影響

2.4 堆肥產品對水稻幼苗生長的影響

堆肥產品處理的水稻幼苗芽長均顯著高于對照，其中B3處理的水稻幼苗芽長最大，比對照高70.7%（表4）。堆肥產品處理的水稻幼苗根長以B3處理為最高，但所有堆肥產品處理的幼苗根長比對照顯著降低30.6%～42.0%。堆肥產品處理的幼苗芽鮮重和總鮮重比對照分別高63.5%～125.1%和22.2%～44.9%，芽干重和總干重較對照分別高47.1%～115.3%和2.1%～15.3%，這其中又以B3處理的芽重（鮮重和干重）和總重（鮮重和干重）為最高。而對于根鮮重和干重，堆肥產品處理與對照差異不顯著。

表4 堆肥產品對水稻幼苗生長指標的影響

3 討論

3.1 不同C/N對豬糞沼渣堆肥及其產品質量的影響

堆體溫度的變化與堆肥過程中的微生物代謝活性密切相關。堆肥起始階段4個堆體溫度上升較快，說明堆肥初期堆肥原料中容易被微生物利用的物質（如蛋白質和脂肪等）較多［8］，微生物在分解這些物質時新陳代謝旺盛，產生大量的熱。B1處理較其他處理晚進入高溫期，可能是由于其水分稍高易形成厭氧環境，加上碳源相對不足，使得堆肥初期微生物的生長繁殖受到一定限制。B4處理最先出現降溫趨勢，可能是因為其C/N最高，氮素率先消耗殆盡。盡管B1和B4處理高溫期持續時間最短，但各處理高溫期均超過20 d，足以滅殺堆體中的病原體和寄生蟲卵，滿足堆肥產品的無害化標準［18］。堆肥過程中，升溫期、高溫期及降溫前期堆體溫度較高，也使得該期間堆體含水率急劇下降。B1和B2堆體含水量整體較高，這與2個處理木屑添加量少、堆體較致密，導致水分不易散失有一定關系。

堆肥前期，有機物料中的易降解有機物被微生物分解，造成有機碳損失；堆肥后期，微生物代謝活動較弱，且以合成作用為主，小分子物質逐漸向大分子腐殖酸類物質轉化，有機碳含量有小幅回升［19］。對于氮含量，盡管堆肥前期部分氮以NH3形式揮發造成一定損失，但是損失量小于總干物質的損失量，最終使得干物質中全氮相對含量增加［11］；堆肥中后期可能由于水分散失減緩，氮素損失量高于總干物質的損失量，全氮相對含量降低。堆肥過程中有機碳含量總體下降，而全氮含量總體上升，使得堆體C/N逐漸降低，這與前人開展的室內沼渣堆肥研究結果一致［20］。堆肥結束時C/N與堆肥開始C/N的比值即T值，是評價堆肥腐熟度的指標。張相鋒等［21］認為堆肥過程中T值為0.53～0.72時，堆肥達到腐熟。本研究在堆肥進行29 d時，4個堆體基本已進入降溫期，除B1處理（T值為0.73）外，其余處理（T值分別為0.67、0.67和0.65）均達到腐熟要求。

本研究以木屑作輔料進行豬糞沼渣好氧堆肥，堆體初始C/N越大，木屑添加比例越大。木屑有機碳含量雖高但其養分含量通常很低，因此堆肥產品的有機質含量隨C/N的增大而增加，而氮、磷、鉀養分含量的變化趨勢則相反。初始C/N越小，堆肥產品pH越高，這是由于低C/N處理氮含量較高，有機氮分解產生的NH4OH較多，導致pH升高［22］，這與王若斐等［12］開展的豬糞工廠化堆肥試驗結果一致。EC值反映了堆肥中可溶性鹽的濃度，一般認為堆肥產品EC值低于4.0 mS·cm-1的可安全施用［23］，本研究堆肥產品符合標準。堆肥產品EC值隨C/N的增大而增加，這可能是由于沼渣堆肥在較高的C/N下微生物活動更為強烈，有機態物質容易被降解產生鹽類物質如銨鹽等，這與C/N越大堆肥產品銨態氮含量也越高的現象一致。參照有機肥料的技術指標（有機質、總養分和酸堿度）要求［15］，除初始C/N為13（B1處理）時的堆肥產品有機質含量不達標外，其余處理堆肥產品均符合行業標準，表明以豬糞沼渣和木屑進行好氧堆肥，通過調節C/N可以生產出合格的有機肥料。但考慮到養分含量隨C/N的增大而降低，為了生產出高質量有機肥，沼渣堆肥初始C/N不宜過高。

3.2 不同C/N豬糞沼渣堆肥產品對水稻種子發芽和幼苗生長的影響

發芽勢、發芽率和發芽指數是衡量農作物種子發芽能力的重要指標；活力指數是種子發芽速率與生長量的綜合反映［24］。本研究中，所有處理的水稻種子最終均接近完全萌發，與去離子水對照相比，沼渣堆肥產品對水稻種子發芽能力無顯著影響，說明所有處理在堆肥結束時都已達腐熟狀態。C/N為21時水稻種子發芽勢和發芽指數稍高，C/N為25時種子發芽率稍低，這說明適宜C/N下的沼渣堆肥產品仍有利于促進水稻種子萌發。基于水稻種子發芽指數和幼苗芽長的種子活力指數表現為堆肥產品處理顯著高于對照，且以C/N為21的處理最高，這與不同處理間幼苗芽長的變化規律一致。

與水稻幼苗芽長不同，堆肥產品處理的幼苗根長顯著低于對照，這可能是由于堆肥產品銨態氮含量較高，對根生長有一定的抑制作用［25］。堆肥產品處理的幼苗芽鮮重、芽干重、總鮮重及總干重均高于對照，且以C/N為21的處理為最高，而根鮮重和根干重與對照均無顯著差異，這說明不同處理幼苗生物量（包括鮮重和干重）的差異主要是由芽重決定的。Jennifer等［26］的研究顯示葡萄果渣、牛糞和稻草混合堆肥產品的提取物對小麥幼苗芽和根的生物量有明顯的提升作用，而宋成軍等［27］在以沼渣作基質的研究中發現，基質會對高羊茅草皮地上和地下生物量的分配格局產生影響，有降低地下部分和增加地上部分的趨勢，這與本研究結果類似。堆肥產品中含有豐富的氮、磷、鉀營養物質，有利于水稻幼苗碳水化合物的合成，促使光合產物積累增加，地上部營養成分積累加快，進而使幼苗生物量顯著增加［28］。從生物量來看，C/N為21時堆肥產品處理幼苗鮮重和干重均高于其他處理，最利于水稻幼苗生長。

4 結論

以不同配比豬糞沼渣和木屑為原料，設置初始C/N分別為13、17、21和25進行工廠化高溫堆肥，C/N為13時堆體升溫較慢，最晚進入腐熟期，且其堆肥產品有機質含量不達標。堆肥產品的有機質含量、EC值及銨態氮含量隨C/N增大而增加，而氮、磷、鉀養分含量及pH變化趨勢相反。

以堆肥產品浸提液進行水稻種子萌發試驗，C/N為21的處理種子活力指數最高。堆肥產品促進水稻幼芽的生長和地上部生物量的積累，且以C/N為21的處理效果最好。綜合考慮堆肥腐熟進程、堆肥產品品質及其對種子萌發和幼苗的促生效果，C/N為21是豬糞沼渣堆肥適宜的初始設定值。