水葫蘆和豬糞混合堆肥發(fā)酵條件的研究

羅佳+劉麗珠+王同+等

摘要：用漂浮植物水葫蘆治理水體富營養(yǎng)化已經(jīng)在我國獲得大規(guī)模的應(yīng)用，但目前對水葫蘆資源化利用技術(shù)的研究相對較少。本研究采用不同的堆肥方式來堆置水葫蘆和豬糞混合堆肥，以明確水葫蘆和豬糞混合堆肥堆置的最適條件。在不同形狀堆肥條件下，錐形發(fā)酵過程中升溫既快又高，形成的堆肥品質(zhì)和腐熟度優(yōu)于長方形堆置方式。堆肥的高度越高升溫越高，水分和養(yǎng)分流失越多，堆肥高度應(yīng)適中。堆肥翻拋頻率對成肥有著重要的影響，2 d翻拋1次比3 d翻拋1次對溫度變化影響較大，2 d翻拋1次的處理腐熟度明顯高于3 d翻拋1次的處理。綜上所述，在水葫蘆和豬糞混合堆肥過程中應(yīng)采用錐形發(fā)酵，高度在1 m左右適宜，2 d翻拋1次，從而可獲得高品質(zhì)的有機(jī)肥。

關(guān)鍵詞：水葫蘆；豬糞；堆肥；發(fā)酵

中圖分類號： S555+.5；S141.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0336-03

收稿日期：2013-10-07

基金項目：國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（編號：201203050-6）；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（11）2038]。

作者簡介：羅佳（1982—），男，江蘇濱海人，博士，主要從事富營養(yǎng)化水體治理及資源化利用。Tel：（025）84390581，E-mail：luo_jia_428@163.com。

通信作者：張振華，研究員，主要從事富營養(yǎng)化水體治理及資源化利用。Tel：（025）84391207，E-mail：zhenhuaz70@hotmail.com。當(dāng)前，我國一方面化肥價格上浮過快且過量施用現(xiàn)象較難遏制，另一方面大量固體有機(jī)廢棄物沒有得到很好的利用并造成環(huán)境污染，有機(jī)肥的施用量已從20世紀(jì)60年代的46.6%下降至目前的不足15%[1]。有機(jī)肥施用不僅可以減少因化肥過量施用引起的農(nóng)業(yè)面源污染，還可改良農(nóng)田土壤質(zhì)量，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。大量研究表明，長期施用有機(jī)肥可改善土壤理化性質(zhì)、提高農(nóng)作物產(chǎn)量、增強(qiáng)土壤穩(wěn)定性[2-4]，同時對土壤中的碳、氮有固定作用，減少溫室氣體的排放[5-6]。

水葫蘆（Eichhornia crassipes）別稱鳳眼蓮，系雨久花科鳳眼蓮屬，為多年生漂浮性草本植物，多生于河流、湖泊、池塘、水庫甚至稻田中，在沼澤地及其他低濕的地方，水葫蘆也可以生長繁殖。水葫蘆因其繁殖快而成為世界上危害最嚴(yán)重的多年生水生雜草，蔓延危害的原因不僅在水葫蘆本身，最主要的還是隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染物增多，大量的氮、磷污染物排入江河湖泊，致使水體富營養(yǎng)化，造成水葫蘆泛濫[7]。水葫蘆大約于20世紀(jì)初傳入我國，曾于20世紀(jì)50—60年代作為豬飼料推廣種植，后因飼料工業(yè)的迅猛發(fā)展，逐漸失去利用價值而被人們放棄而逸為野生，這是造成水葫蘆泛濫的原因之一[8]。解決好水葫蘆資源化利用問題，使水葫蘆能夠被人們大量利用，水葫蘆泛濫問題必將解決使之變廢為寶。水葫蘆生物量大、富集養(yǎng)分含量高，被廣泛應(yīng)用控制水體富營養(yǎng)化。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院通過在太湖、滇池流域水體對大型漂浮植物水葫蘆進(jìn)行高效控制性種植，利用吸收湖水中的氮磷物質(zhì)，通過機(jī)械化大規(guī)模采收水葫蘆，將收獲的水葫蘆制成有機(jī)肥，不僅改善了水體水質(zhì)，還實現(xiàn)了水葫蘆的資源化利用。但是，目前對水葫蘆制成有機(jī)肥的發(fā)酵條件研究相對較少，本試驗通過研究不同條件下水葫蘆與豬糞混合發(fā)酵過程中物理化學(xué)變化，尋求水葫蘆與豬糞混合發(fā)酵堆肥的最適方式，以期為水葫蘆資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗設(shè)計

試驗在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合基地有機(jī)肥廠進(jìn)行，水葫蘆來源于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院武進(jìn)竺山湖水污染治理科研基地，水葫蘆在武進(jìn)基地進(jìn)行擠壓脫水后運(yùn)至六合基地進(jìn)行發(fā)酵試驗。試驗設(shè)置5個處理，分別為處理1：堆肥高度 0.64 m，堆置形狀為長方形平鋪，翻拋時間間隔為2 d ；處理2：堆肥高度0.96 m，堆置形狀為錐形，翻拋時間間隔為2 d ；處理3：堆肥高度1.16 m，堆置形狀為錐形，翻拋時間間隔為2 d ；處理4：堆肥高度1.36 m，堆置形狀為錐形，翻拋時間間隔為2 d ；處理5：堆肥高度0.96 m，堆置形狀為錐形，翻拋時間間隔為3 d 。試驗周期為60 d，時間從2013年1月23日至2013年3月23日。每個處理堆置9 t（鮮重），其中含水葫蘆渣6 t（鮮重，含水量為85.22%），豬糞3 t（鮮重，含水量為66.34%），采用翻拋機(jī)進(jìn)行翻拋。

1.2樣品采集與測定

溫度測定，每天14：00測定堆溫，測量時溫度計插入堆體表面30～40 cm處，同時記錄周圍環(huán)境溫度。

樣品采集，每間隔10 d采集堆肥樣品，采集時用取土鉆插入堆體30～40 cm處取出樣品，測定含水量、有機(jī)質(zhì)、總氮（TN）、總磷（TP），并測定最后1次樣品的種子發(fā)芽指數(shù)和重金屬鉛、汞、砷、鎘、鉻的含量。采用烘干稱重法測定含水量；重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定有機(jī)質(zhì)；凱氏定氮法測定總氮；酸溶-鉬銻抗比色法測定總磷[9]；重金屬采樣用原子吸收光譜儀測定。

種子發(fā)芽指數(shù)測定，將待測新鮮堆肥樣品與去離子水按照1 g ∶10 mL 混合，振蕩1 h，用移液管取10 mL提取液到先放有濾紙的培養(yǎng)皿中，將20粒小白菜種子均勻地放入其中，在30 ℃下培養(yǎng)48 h后測定發(fā)芽率和根長，每處理重復(fù)3次，以去離子水為對照。計算種子發(fā)芽指數(shù)[10]：發(fā)芽指數(shù)=（處理發(fā)芽率×處理根長）/（空白發(fā)芽率×空白根長）×100%

1.3數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)處理使用Excel 2003 程序和SPSS統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行單因素方差分析，比較各組數(shù)據(jù)之間差異顯著性。

2結(jié)果與分析

2.1不同堆置方式對溫度的影響

溫度是堆肥腐熟效果分析的主要指標(biāo)之一。經(jīng)過連續(xù)60 d的監(jiān)測，不同處理溫度變化見圖1，各個處理的溫度隨著時間的推移逐漸升高，在堆肥后8 d左右升至最高溫度，然后逐漸降低，至30 d左右溫度趨向平穩(wěn)，至40 d左右出現(xiàn)了2次升溫現(xiàn)象。結(jié)果表明，有機(jī)物以錐形方式發(fā)酵比長方形平鋪方式更容易提高堆體溫度，堆置的高度越高溫度提升得越高；每隔2 d翻拋1次溫度變化頻率比每隔3 d翻拋1次的高，溫度變化幅度是2 d翻拋比3 d翻拋的低。

2.2不同堆置方式對水分的影響

各個處理含水量在升溫階段降低比較慢，在降溫階段含水量的降低幅度最大，當(dāng)溫度趨于穩(wěn)定時含水量緩慢降低，處理5水分降低最小（圖2）。表明錐形方式發(fā)酵比平鋪方式容易造成水分的蒸發(fā)，翻拋頻率快對堆肥水分流失有影響。

2.3不同堆置方式對養(yǎng)分含量的影響

堆肥中的有機(jī)質(zhì)主要為微生物提供碳源和能源，堆肥便是利用微生物將有機(jī)物料中的可降解有機(jī)質(zhì)分析和轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和熱能等。堆肥過程中各個處理有機(jī)質(zhì)含量的變化見圖3。有機(jī)質(zhì)含量隨著堆肥時間延長呈下降趨勢，從開始堆肥的68.15%不同處理分別下降至60.44%、58.42%、57.15%、56.14%和59.33%，分別降解了11.31%、14.28%、16.14%、17.62%和12.94%，處理4降解得最多。

堆肥中總氮和總磷含量的變化與微生物活動密切相關(guān)。從圖4、圖5可知，所有處理中堆肥總氮和總磷含量基本呈先降低后增加的趨勢，堆肥過程中的氨氮損失和微生物的同化作用同時存在，共同影響堆肥中總氮含量的變化；磷的礦化作用和微生物的降解會降低堆肥中總磷含量；有機(jī)質(zhì)降解干物質(zhì)減少以及水分蒸發(fā)會使總氮和總磷含量增加[11]。

2.4不同堆置方式對種子發(fā)芽率的影響

種子發(fā)芽指數(shù)是衡量堆肥產(chǎn)品質(zhì)量和腐熟度的重要指標(biāo)，間接表征堆肥的植物毒性。一般情況下，當(dāng)種子發(fā)芽指

數(shù)>50%時，堆肥產(chǎn)品的植物毒性處于較低水平；當(dāng)種子發(fā)芽指數(shù)>80%時，堆肥處于完全腐熟狀態(tài)[12]。經(jīng)過60 d發(fā)酵，各處理種子發(fā)芽指數(shù)均大于50%，處于較低毒性水平，基本腐熟，處理4種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到了73.71%，高于其他處理（圖6）。

2.5堆肥中重金屬含量

堆肥重金屬含量是考核有機(jī)肥安全性的重要指標(biāo)之一，我國農(nóng)業(yè)部有機(jī)肥料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY 525—2012）對有機(jī)肥中鉛、汞、砷、鎘、鉻明確給出了最高限度值，本試驗各處理堆置的有機(jī)肥中這5種重金屬含量均低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

3討論

水葫蘆生物量大、富集養(yǎng)分含量高，被廣泛應(yīng)用于控制水體富營養(yǎng)化。但是，水葫蘆資源化利用方面還存在某些問題，造成再利用成本過高。水葫蘆含水量高達(dá)95%，經(jīng)過擠壓脫水后含水量仍然超過80%，因此，含水量太高是造成水葫蘆資源化利用的一個瓶頸。含水量是堆肥成功關(guān)鍵要素之一，堆肥啟動時物料含水量必須在50%以上比較合適[13]，當(dāng)含水量太高時造成微生物活性降低，堆肥升溫啟動速度慢。本試驗堆肥啟動較慢，9 d左右溫度才升至最高溫度，比其他相關(guān)研究慢50%時間[14-16]。

溫度是衡量堆肥質(zhì)量和腐熟度的重要指標(biāo)，其變化與微生物的降解活動密切相關(guān)。高溫階段是堆肥的重要過程，堆肥溫度持續(xù)3 d超過55 ℃將殺死堆體中的大部分病原菌[12]。我國GB 59—1987《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求，堆肥過程中最高堆肥溫度應(yīng)達(dá)到50～55 ℃以上，并持續(xù)5～7 d，或者在55 ℃以上維持3 d。本試驗處理1在堆置過程中溫度未能超過50 ℃以上，不符合國家標(biāo)準(zhǔn)，其他處理均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。處理1溫度過低的原因有2點，一是平鋪方式造成的表面積大，空氣進(jìn)入堆體造成厭氧微生物難以生存，導(dǎo)致溫度升不上去；二是本試驗在2—3月進(jìn)行的，當(dāng)?shù)貧鉁剌^低，降低了微生物的活性，也影響了堆體的溫度升高。

水葫蘆對重金屬具有很好的富集能力，能夠吸收除了Co、Al 、Fe 外的所有元素[17-19]，因此，水葫蘆資源化利用受到很多學(xué)者關(guān)注和擔(dān)憂，擔(dān)心水葫蘆有機(jī)肥施用會對土壤和農(nóng)作物造成重金屬污染。程志斌等對云南滇池中水葫蘆壓榨渣測定重金屬砷為0.70 mg/kg、鎘為28.86 μg/kg、鉛為 2.12 mg/kg、鉻為4.66 mg/kg、汞為0.58 mg/kg[20]，重金屬含量并未超過有機(jī)肥料（NY 525—2012）標(biāo)準(zhǔn)。本試驗制成的有機(jī)肥，經(jīng)測定有害重金屬砷、鎘、鉛、鉻、汞含量均未超過我國農(nóng)業(yè)部有機(jī)肥料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的最高限度值（NY 525—2012）。 連續(xù)多季施用水葫蘆有機(jī)肥，會否造成土壤中重金屬的累積效應(yīng)，種植多長時間會造成土壤重金屬超標(biāo)，相關(guān)問題需要進(jìn)一步進(jìn)行研究闡明。

溫度和含水量是堆肥堆置的關(guān)鍵因素，控制好堆肥的溫度和含水量才能制造出優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥。本研究為了降低水葫蘆含水量將水葫蘆與豬糞混合發(fā)酵，以期獲得高品質(zhì)有機(jī)肥。經(jīng)過60 d的腐熟發(fā)酵，獲得水葫蘆與豬糞混合發(fā)酵適宜條件，即采用錐形發(fā)酵，高度1 m左右，2 d翻拋1次，可獲得高品質(zhì)有機(jī)肥。

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