小麥秸稈添加量對(duì)羊糞條垛式堆肥進(jìn)程的影響

趙 旭,車宗賢,李 娟,薛林貴

(1. 蘭州交通大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,蘭州 730070;2. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所,蘭州 730070)

近幾年羊養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛,同時(shí)大量羊糞污的排放也產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。科學(xué)的無(wú)害化和資源化利用畜禽糞便關(guān)系到人類健康和生態(tài)平衡[1]。畜禽糞污是農(nóng)作物生長(zhǎng)所需有機(jī)肥料的優(yōu)質(zhì)原料,好氧堆肥是資源化利用畜禽糞污的主要技術(shù)[2]。畜禽養(yǎng)殖的品種、飼料類型、生長(zhǎng)周期和環(huán)境差異,造成畜禽糞便的理化性質(zhì)有很大的差別。羊糞呈顆粒狀,且具有良好的表面致密形態(tài)和較大的孔隙率,通常含水率為60%、C/N比為20左右,是生產(chǎn)有機(jī)肥料的優(yōu)質(zhì)原料[3]。羊糞好氧堆肥過(guò)程中,添加一定量的輔料可促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的降解和提升堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。

在堆肥過(guò)程中添加比表面積較大且碳元素含量高的農(nóng)作物秸稈、菌糠等物料,不僅可以提高堆肥物料的C/N,而且可以改善通氣條件,加快腐熟進(jìn)程[5]。顧艾節(jié)等[6]以羊糞、梨樹粉碎枝條為主料,尿素為輔料堆肥,研究發(fā)現(xiàn)梨樹廢棄枝條與羊糞混合堆肥的總積溫最高,且達(dá)到50 ℃以上的時(shí)間最長(zhǎng),腐熟程度好。王海候等[7]以2種不同熱解溫度制備的稻殼生物質(zhì)炭為堆肥添加劑,與羊糞、食用菌渣混合進(jìn)行堆肥試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭可以減少堆肥過(guò)程中的氮素?fù)p失,提高堆肥質(zhì)量。

秸稈作為輔料對(duì)畜禽糞污堆肥影響作用顯著,研究其對(duì)堆肥中物質(zhì)轉(zhuǎn)化、產(chǎn)品質(zhì)量的影響具有重要意義。由于肉羊養(yǎng)殖場(chǎng)糞污含水率高,腐熟速度慢,因此添加秸稈調(diào)節(jié)含水率,提高通氣性是加快羊糞腐熟速度的有效方法,但針對(duì)肉羊糞污堆肥腐熟最佳小麥秸稈添加量的研究報(bào)道較少。本研究以肉羊養(yǎng)殖場(chǎng)的鮮羊糞為堆肥的主要原料,結(jié)合當(dāng)?shù)氐男←溄斩拋?lái)調(diào)節(jié)物料C/N,研究堆肥溫度、pH值、有機(jī)碳、全氮、發(fā)芽指數(shù)、C/N等指標(biāo)的變化趨勢(shì),以期獲得適合鮮羊糞快速堆肥的小麥秸稈添加量,加快羊糞堆肥腐熟效率,提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量,為羊糞和秸稈資源的肥料化利用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

堆肥材料為取自武威市涼州區(qū)永豐鎮(zhèn)某羊場(chǎng)的新鮮羊糞和小麥秸稈。堆肥前將小麥秸稈粉碎至2 cm,并與羊糞混合均勻。堆肥時(shí)間為2021-05-15-2021-07-05,共50天,堆肥地點(diǎn)在武威市涼州區(qū)某有機(jī)肥廠。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及建堆

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理,分別為:處理1(CK):羊糞;處理2:羊糞+1.5%秸稈;處理3:羊糞+3%秸稈;處理4:羊糞+4.5%秸稈;每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。

將小麥秸稈按不同處理添加量加入到羊糞中,混料3次使羊糞與秸稈充分混合均勻,采用條垛式堆肥方式,堆體長(zhǎng)10 m,寬2.5 m,高1.4 m。

1.3 采樣、翻堆及檢測(cè)方法

1.3.1 采樣及翻堆

在堆肥第0、10、20、30、40、50天取樣,取堆體3、6、9 m處3個(gè)橫截剖面上的樣品,樣品混合均勻后利用四分法分為2份。一份檢測(cè)含水率、pH值、種子發(fā)芽指數(shù),一份風(fēng)干后檢測(cè)全氮和有機(jī)質(zhì)含量。

采用條垛式翻堆機(jī)進(jìn)行翻堆,翻堆間隔為5～7天。

圖1 堆肥試驗(yàn)照片

1.3.2 溫度測(cè)定

在堆體的2、4、6、8 m處不同的位置用水銀溫度計(jì)測(cè)定表層下25 cm的溫度,計(jì)算平均值;每天早9:00和晚18:00記錄堆體溫度。

1.3.3 含水率測(cè)定

稱取10.00 g的堆肥樣品,利用鼓風(fēng)干燥箱在105 ℃下烘干至恒重,冷卻后稱重并計(jì)算含水率。

1.3.4 pH值的測(cè)定

稱取10.00 g堆肥樣品放于250 mL的三角瓶中,加入50 mL蒸餾水,在恒溫?fù)u床上振蕩30 min,然后靜止10 min并利用濾紙過(guò)濾,用pHS-25型酸度計(jì)測(cè)定濾液的pH值。

1.3.5 種子發(fā)芽指數(shù)的測(cè)定

稱取堆肥樣品10.00 g放于250 mL的三角瓶中,加入100 mL去蒸餾水,在恒溫?fù)u床上150 r/min振蕩30 min,取出靜置30 min后,吸取上清液10 mL,加入到放有2張濾紙和20粒蘿卜種子的9 cm培養(yǎng)皿中,然后放入25 ℃的培養(yǎng)箱,48 h后測(cè)定種子發(fā)芽率和根長(zhǎng)。對(duì)照組用去蒸餾水,每個(gè)處理3個(gè)平行。種子發(fā)芽指數(shù)計(jì)算公式如下:

GI=(處理的發(fā)芽率×處理的根長(zhǎng))/(空白的發(fā)芽率×空白的根長(zhǎng))×100%[8]。

1.3.6 堆料有機(jī)碳、全氮測(cè)定

樣品風(fēng)干后,去除雜質(zhì)并粉碎過(guò)1 mm篩,有機(jī)碳含量采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[9];全氮含量采用H2SO4-H2O2消煮凱氏定氮法測(cè)定[10]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體溫度的動(dòng)態(tài)變化

溫度變化是堆肥過(guò)程中微生物新陳代謝能力變化的重要表現(xiàn),同時(shí)也是評(píng)價(jià)糞污堆肥無(wú)害化和穩(wěn)定化的重要指標(biāo)[11]如圖2所示。由圖2和表2可知,不同秸稈添加量的堆體溫度變化趨勢(shì)不同。堆肥第2天后,添加小麥秸稈的處理,堆體溫度顯著高于未加秸稈處理,并且秸稈添加量越大,升溫速度越快,溫度越高。添加秸稈的處理分別在第3、4天進(jìn)入高溫期(>50 ℃),未加秸稈的處理1在堆肥第11天進(jìn)入高溫期。處理3的高溫期持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),達(dá)到28天;其次是處理4和處理2,分別達(dá)到27天和26天,CK處理的持續(xù)時(shí)間最短,為19天,各處理均達(dá)到了高溫堆肥的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[12]。最高溫隨堆料秸稈添加量的增加而升高,添加量為4.5%的處理4,最高溫為63 ℃,而處理1最高溫只有59 ℃。同樣升溫速率也隨秸稈添加量的增加而升高,處理4的升溫速率最高,為3.71 ℃/d,而CK處理的升溫速率最低,為2.45 ℃/d,由此可知,添加秸稈可加快羊糞堆肥升溫速度,增加高溫保持時(shí)間。

圖2 堆體溫度動(dòng)態(tài)變化

表2 溫度動(dòng)態(tài)變化特征

2.2 堆料含水率的動(dòng)態(tài)變化

隨著堆肥的進(jìn)行,各處理堆料的含水率呈下降的趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)。添加秸稈處理的堆體溫度快速升高,水分蒸發(fā)量增加,含水率下降速度加快。各處理的含水率曲線在堆肥20～30 d時(shí)斜率較大,即含水率減少量較大,這是由于堆體內(nèi)氣體流動(dòng)性好,堆體溫度高,水分蒸發(fā)快。堆肥結(jié)束時(shí),各處理堆料的含水率隨秸稈添加量的升高而降低。秸稈添加量為4.5%的處理4含水率最低,為29.12%,處理1含水率最高,為42.24%。與CK處理比較,添加秸稈可降低堆料含水率的8.08%～31.06%,羊糞堆肥時(shí)添加適量的秸稈,可有效降低堆肥產(chǎn)品的含水率。

圖3 不同處理的堆料含水率動(dòng)態(tài)變化

2.3 堆料pH的變化

堆肥過(guò)程中pH值的變化如圖4所示,各處理的pH值變化呈先上升后下降的趨勢(shì)。堆肥初期,處理1～4的pH值分別為8.95、8.86、8.74、8.69,pH值隨著秸稈添加量的增加而降低。各處理的pH值在堆肥第30 d達(dá)到最大值,分別為9.16、9.14、9.11、9.02。堆肥結(jié)束時(shí),各處理的pH值分別為9.12、9.10、8.95、8.88,pH值隨著秸稈添加量的增加而降低。秸稈添加量為3%和4.5%的處理3、處理4 pH值下降到9以下,達(dá)到腐熟堆肥pH值標(biāo)準(zhǔn)(pH在8.0～9.0之間)[13];處理1(CK),pH值下降為9.12,未達(dá)到腐熟堆肥pH值標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 不同處理的堆料pH值動(dòng)態(tài)變化

2.4 堆料種子發(fā)芽指數(shù)的變化

不同處理的種子發(fā)芽指數(shù)(GI值)變化趨勢(shì)基本相同,呈現(xiàn)先下降后快速升高的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖5),但添加秸稈處理的種子發(fā)芽指數(shù)顯著高于未加秸稈的處理。堆肥0～10 d,各處理GI值呈下降趨勢(shì),10 d后,GI值迅速升高。GI值的升高速度隨秸稈添加量的增加而升高。堆肥10～20 d,GI值升高速度最快;堆肥結(jié)束時(shí),各處理的GI值隨秸稈加入量的增加而升高,處理1(CK)GI值最低,為56.3%;處理4的GI值最高,為75.4%;由此可見(jiàn),添加秸稈,可有效提高堆料的種子發(fā)芽指數(shù)。

圖5 不同處理堆料種子發(fā)芽指數(shù)動(dòng)態(tài)變化

2.5 堆料碳氮比的變化

堆肥物料的C/N可反應(yīng)物料腐熟過(guò)程中有機(jī)質(zhì)的降解速度,是堆肥物料腐熟的重要指標(biāo)[14]。由于有機(jī)碳在堆肥過(guò)程中的降解速率高于有機(jī)氮,碳素?fù)p失率高于氮素?fù)p失率,因此各處理的C/N在堆肥腐熟過(guò)程中均呈下降趨勢(shì)[15](見(jiàn)圖6)。由圖6可知,堆肥過(guò)程中,各處理的C/N變化趨勢(shì)基本相同,均呈先緩慢上升后下降的變化趨勢(shì),但添加秸稈處理2、3、4的C/N顯著高處理1(CK)。堆肥結(jié)束時(shí),處理1～4的C/N分別為17.6、19.2、20.8、22.5。由此可知,添加秸稈可提高堆肥物料的C/N,秸稈添加量越大,C/N越高。

圖6 不同處理堆料碳氮比(C/N)動(dòng)態(tài)變化

2.6 堆料有機(jī)碳的變化

堆肥過(guò)程中,各處理的有機(jī)碳變化趨勢(shì)基本相同,均呈緩慢下降的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖7),但添加秸稈處理2、3、4的C/N顯著高處理1(CK)。堆肥結(jié)束時(shí),處理1～4的有機(jī)碳分別為33.86%、35.78%、37.25%、38.91%。由此可知,添加秸稈可提高堆肥物料的有機(jī)碳,秸稈添加量越大,有機(jī)碳越高。

圖7 不同處理堆料有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化

2.7 堆料銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的變化

圖8 不同處理銨態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化

圖9 不同處理堆料硝態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化

3 討論

影響堆肥進(jìn)程的因素有溫度、初始C/N、通氣情況、含水率及pH等[16]。堆體溫度的上升是堆料中微生物代謝所產(chǎn)生能量積累的結(jié)果,堆體溫度的高低,代表了微生物代謝的強(qiáng)弱以及堆肥物質(zhì)轉(zhuǎn)化速度的快慢[17]。堆料初始含水率是影響堆肥腐熟時(shí)間及有機(jī)物降解速率的關(guān)鍵因素,它與堆體的通氣量、溫度及孔隙率密切相關(guān),進(jìn)而影響堆肥微生物的新陳代謝速率[18]。物料的配比決定了堆肥初期堆體內(nèi)部的氧氣供應(yīng)狀況、C/N和其他養(yǎng)分含量,對(duì)提高堆肥腐熟效率和降低養(yǎng)分損失有重要作用[19]。研究發(fā)現(xiàn)秸稈作為填充劑可以調(diào)節(jié)堆肥物料含水率、孔隙度,改善堆肥過(guò)程的通風(fēng)、升溫效果,平衡堆肥物料的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),進(jìn)而加快堆肥腐熟速度,提高堆肥產(chǎn)物質(zhì)量[20]。在麥秸堆腐時(shí)添加雞糞不僅能改善麥秸堆肥的結(jié)構(gòu)、吸收水分,而且可作為微生物的氮源,既解決了麥秸單獨(dú)堆肥時(shí)本身所存在的弊端,還可以將廢棄的雞糞充分資源化利用[21]。

4 結(jié)論

鮮羊糞堆肥時(shí)添加1.5%～4.5%的小麥秸稈,可增加高溫保持時(shí)間7～9天,達(dá)到26～28天,最高溫度提高4 ℃,達(dá)到63 ℃;可加快堆料水分的蒸發(fā)速度,降低堆料含水率8.08%～31.06%;堆肥產(chǎn)品的pH值從9.12下降到8.88;可提高種子發(fā)芽指數(shù)21.85%～33.93%;提高堆肥產(chǎn)品的C/N 10%～30%。由此可知,添加1.5%～4.5%的小麥秸稈,可加快羊糞的腐熟速度,但當(dāng)秸稈添加量大于1.5%時(shí),堆肥產(chǎn)品的C/N大于20,不利用微生物的分解利用,因此,在羊糞堆肥時(shí),小麥秸稈的最佳添加量為1.5%。