雞糞與稻殼好氧堆肥的不同C/N研究

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雞糞與稻殼好氧堆肥的不同C/N研究

谷思玉，蔡海森，閆立龍，聶艷龍，崔凱歌，王風(fēng)，何鑫

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱150030）

摘要：在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，以新鮮雞糞與粉碎后稻殼為堆肥原料進(jìn)行高溫好氧堆肥試驗(yàn)，調(diào)節(jié)堆體初始C/N分別為15、20、25、30、35。研究堆體溫度、pH、GI、EC等理化指標(biāo)對堆肥產(chǎn)品腐熟度的影響，探索雞糞與稻殼高溫堆肥的最佳C/N配比。結(jié)果表明，除C/N為15處理未到達(dá)腐熟標(biāo)準(zhǔn)，其他處理均達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，其中C/N為20處理堆體溫度最高，持續(xù)時(shí)間最長，達(dá)到國家糞便衛(wèi)生無害化標(biāo)準(zhǔn)。因此，雞糞與稻殼C/N為20進(jìn)行堆肥較為適宜。

關(guān)鍵詞：雞糞；稻殼；C/N；堆肥

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間2015-4-23 13:00:30

[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150423.1300.014.html

谷思玉,蔡海森,閆立龍,等.雞糞與稻殼好氧堆肥的不同C/N研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 46(4): 51-58.

稻殼作為谷物加工的主要副產(chǎn)品之一，占稻谷子粒質(zhì)量18%~22%。因此，稻谷加工的主要副產(chǎn)品——稻殼是量大、面廣、價(jià)廉的可再生資源[1]。目前國內(nèi)外對稻殼的利用開發(fā)不斷深入，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。稻殼可代替煤炭作為固體燃料發(fā)電，也可代替木材制成新型稻殼板材[2]；粉碎后的稻殼可作為飼料也可加工成一次性降解餐具[3]；稻殼灰也可作為土壤改良劑，也可制備水泥[4]。盡管稻殼有許多實(shí)際或潛在的工業(yè)用途，目前稻殼利用率依然偏低，不少企業(yè)或農(nóng)村地區(qū)，仍自然堆放或焚燒，既占用土地資源，又污染周邊環(huán)境，還是潛在的火災(zāi)隱患，已經(jīng)使稻殼變成一種污染源[5-6]。雞糞能為土壤增加大量養(yǎng)分，施用后不但增加作物產(chǎn)量，還可以提高其品質(zhì)。但直接使用問題較多，雞糞中含有大量病原菌，是病毒傳播渠道之一，也容易招引地下害蟲，不經(jīng)過安全處理，不宜作肥料使用。所以，如何合理利用稻殼和雞糞，是一個(gè)亟待解決的問題。堆肥是決這些問題的最佳途徑。堆肥可殺滅廢物中的病菌、減小堆存的體積和重量，有利于貯存和施用，不僅可解決規(guī)模化養(yǎng)殖和燃燒秸稈產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，而且對發(fā)展有機(jī)肥、保持和提高土壤肥力、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[7]。在稻殼堆腐時(shí)添加雞糞不僅能改善稻殼堆肥的結(jié)構(gòu)、吸收水汽，而且可作為微生物的氮源[8]，既解決稻殼單獨(dú)堆肥時(shí)本身存在的弊端，還可以將雞糞充分資源化利用。本文通過研究雞糞與稻殼不同配比堆肥，尋求東北地區(qū)室內(nèi)環(huán)境下雞糞與稻殼高溫堆肥的最佳C/N配比，為稻殼資源化利用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1　材料與方法

1.1材料

試驗(yàn)于2013年12月11日至2014年1月25日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤肥力實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，環(huán)境溫度穩(wěn)定為24±1℃。供試的雞糞取自哈爾濱香坊養(yǎng)雞場，稻殼取自香坊糧庫，其主要成分見表1。

表1　堆肥原料主要成分Table 1　Component of raw materials used in composting

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

雞糞作為氮源，以粉碎后稻殼作為碳源，設(shè)置5個(gè)處理（見表2），按表2將原料混合均勻，用水調(diào)節(jié)堆料水分含量約為60%。堆入直徑約40 cm、高約56 cm的圓柱形50 L塑料發(fā)酵桶中，各組堆肥桶上部均用麻布覆蓋，保溫保濕。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。堆肥開始第1周每3天翻堆1次，之后每周翻堆1次。

1.3采樣及測定

1.3.1采樣方法

分別于堆肥第0、3、6、13、20、27、34、41、48 d采樣。在翻堆充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅妩c(diǎn)采樣法，每個(gè)處理每次采集200 g混合樣。100 g鮮樣儲存在4℃冰箱中待用，100 g鮮樣風(fēng)干粉碎后過1 mm篩。

表2　堆肥試驗(yàn)方案Table 2　Design of the composting experiment

1.3.2測定方法

堆肥溫度：每日上午8: 30用電子溫度計(jì)測量堆體溫度，并記錄室溫；含水率：105℃烘干法；NH4+-N、NO3--N：用1 mol·L-1的KCL溶液浸提，固液比為1?20，濾液上流動分析儀測定；全氮：硫酸-過氧化氫聯(lián)合消煮后通過凱氏定氮法測定；全碳：重鉻酸鉀容量法-沸水浴稀釋熱法；pH：電位計(jì)法；電導(dǎo)率：電導(dǎo)法。

種子發(fā)芽試驗(yàn)：稱取待測新鮮堆肥樣品5.0 g，與蒸餾水按體積比1?10混合，振蕩1 h后，過濾，吸取10mL濾液，加到鋪有2張濾紙的培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿均勻擺放20粒水蘿卜種子，在溫度為25± 1℃黑暗恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48h后，測定發(fā)芽率和根長，同時(shí)以蒸餾水為對照，每個(gè)處理3次重復(fù)。用發(fā)芽率指數(shù)GI（Germination Index）評價(jià)堆肥的毒性[9]。

2　結(jié)果與分析

2.1堆肥過程中溫度的變化

在好氧堆肥過程中，溫度是衡量堆肥質(zhì)量和腐熟程度的重要指標(biāo)，是影響微生物活動和堆肥工藝過程的關(guān)鍵因素。高溫可殺死病原菌，在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)有機(jī)質(zhì)降解最快[10]。高溫階段是堆肥過程中的重要階段，堆肥溫度連續(xù)3 d超過55℃將殺死堆體中的大部分病原體。當(dāng)堆體溫度超過60℃時(shí)，幾乎所有的微生物都無法生存[11]。我國《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB7959-87）》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。

圖1　堆肥過程中溫度的變化Fig. 1　Changes of temperature during composting chicken manure and rice hull

由圖1可知，各處理堆肥溫度變化情況，主要有3個(gè)階段，分別為升溫階段，高溫階段和后熟降溫階段。因?yàn)槲⑸锏慕到饣顒訉?dǎo)致堆體溫度升高，而隨著有機(jī)質(zhì)的消耗，溫度開始下降，并最終接近于環(huán)境溫度。各處理堆體在堆肥發(fā)酵第2天起堆體溫度開始急劇上升，達(dá)到最高溫度后持續(xù)10 d左右溫度開始下降，第12天開始堆體溫度緩慢下降。各處理最高溫度溫度分別為48、55、52、49、46℃，堆溫≥45℃的保持時(shí)間分別為9、10、8、4、4 d，堆溫≥50℃的保持時(shí)間分別為0、7、4、0、0 d。從溫度上看C/N20好于C/N25好于C/N15好于C/N30好于C/N35。其中處理C/N20達(dá)到溫度最高，且達(dá)到最高溫度所需時(shí)間最短（2 d），持續(xù)時(shí)間也最長。說明5個(gè)處理中C/N20即有利于微生物的生長和繁殖，又達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)。其他處理溫度較低或高溫保持時(shí)間短，均未達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)。這與低C/N條件下有效碳源不足和高C/N條件下有效氮源不足抑制微生物的生長和活性有關(guān)[12]。

2.2堆肥過程中含水率的變化

由圖2可知，各組處理含水率總體呈緩慢趨勢下降，由于本試驗(yàn)堆肥裝置和增加覆蓋措施的原因，保濕效果較好，堆肥初始含水率到堆肥結(jié)束時(shí)含水率沒有特別明顯變化，各處理堆肥結(jié)束時(shí)含水率均在55%~60%之間。

圖2　堆肥過程中含水率的變化Fig. 2　Changes of MC during composting chicken manure and rice hull

2.3堆肥過程中pH變化

適宜pH是微生物有效降解有機(jī)質(zhì)的重要環(huán)境因素，pH變化可以有效反映堆體中的微生物的降解活動。pH過高或過低都會影響微生物的降解活動，進(jìn)而影響堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量和腐熟度[13]。

堆肥過程中pH的變化如圖3所示，在整個(gè)堆肥過程中，各處理呈現(xiàn)的pH變化基本一致，均為先上升后逐漸下降的趨勢。在堆肥初期各處理初始pH為8.3、8.24、8.26、8.15、8.13，第6天各處理pH分別升到最高8.7、8.74、8.81、8.72、8.61，堆肥結(jié)束時(shí)pH下降到8.56、8.6、8.61、8.57、8.49。符合腐熟堆肥pH標(biāo)準(zhǔn)（8.0~9.0）[14]。在堆肥初期pH上升，是微生物對有機(jī)質(zhì)的氨化作用和礦化作用使得堆體中的氨大量積累造成，堆肥后期pH下降則是氨和二氧化碳的揮發(fā)下降、以及堆肥后期硝化菌的消化作用產(chǎn)生大量的H+造成[15-16]。

2.4堆肥過程中EC的變化

電導(dǎo)率（EC）是衡量堆肥含鹽量的重要參數(shù)，反映堆體浸提液中的離子總濃度，即可溶性鹽的含量。堆肥中的可溶性鹽是對作物產(chǎn)生毒害作用的重要因素之一，能在一定程度上反映堆肥產(chǎn)品的植物毒性及其對植物生長的抑制作用[17-18]。

圖3　堆肥過程中pH的變化Fig. 3　Changes of pH during composting chicken manure and rice hull

堆肥過程中EC的變化見圖4，在堆肥過程中各處理的EC總體呈先上升后下降再略有上升之后下降趨勢。EC的上升是由微生物降解有機(jī)物過程中釋放磷酸鹽、銨離子等礦物鹽離子引起的，而氨的揮發(fā)、各種礦物鹽離子的沉積則會使電導(dǎo)率下降。另外，堆體內(nèi)的氣體流動性也可能影響氨的揮發(fā)，從而影響EC的變化。在堆肥初始，各處理EC分別為3 790、2 323、1 970、1 470、1 157 μs·cm-1。至堆肥第13天上升到最高5 713、4 033、2 726、1 666、1 550 μs·cm-1。結(jié)束時(shí)下降到4 327、1 556、 1 453、1 027、1 053 μs·cm-1。

C/N越低的處理，EC越高。至堆肥結(jié)束時(shí)，低C/N處理的EC仍保持較高水平，說明低C/N處理堆體中水溶性鹽分含量較高。C/N越低的堆體EC越高，可能是由于C/N低的處理比C/N高的處理堆體中雞糞含量較多，對EC的影響較大。有研究認(rèn)為，EC不宜過高，否則會不利于植株的正常生長，EC越大，越容易造成土壤鹽化，損害植物根部功能，因而對植物的抑制作用越大；反之亦然[19]。

圖4　堆肥過程中電導(dǎo)率的變化Fig. 4　Changes of EC during composting chicken manure and rice hull

2.5堆肥過程中全碳含量的變化

堆肥物料中的全碳主要為微生物提供碳源和能源，堆肥便是利用微生物活動將原材料中可降解有機(jī)物分解和轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水及熱量等。

堆肥過程中全碳含量變化如圖5所示，各處理全碳含量均呈下降趨勢，從初始的471.5、417.1、394.1、374.2、365.2 g·kg-1。至堆肥結(jié)束時(shí)分別下降到306.8、314.3、305.8、284.9、231.4 g·kg-1。下降率依次為35%、25%、22%、24%、37%。隨著堆肥的進(jìn)行，碳水化合物降解為二氧化碳和水分揮發(fā)，全碳含量逐漸下降。堆肥初始C/N越低的全碳含量越高，因?yàn)榈虲/N處理雞糞含量大，是物料配比所致。

2.6堆肥過程中全氮的變化

全氮的變化與微生物活動密切相關(guān)。堆肥過程中的氨氮損失和微生物的同化作用同時(shí)存在，共同影響堆肥中全氮含量的變化。

堆肥過程中全氮的含量變化見圖6，A1處理初始全氮含量31.04 g·kg-1，在初始6 d內(nèi)呈現(xiàn)較大幅度的下降，下降至22.48 g·kg-1，到堆肥結(jié)束時(shí)全氮含量為23.63 g·kg-1。A2處理初始含氮量為20.35 g·kg-1，在第3天先小幅下降至19.14 g·kg-1，隨著堆肥的進(jìn)行又逐漸上升，至堆肥結(jié)束時(shí)上升到25.07 g·kg-1。A3、A4和A5處理則從堆肥開始到結(jié)束都呈現(xiàn)上升趨勢。分別從15.48、12.23、10.48 g·kg-1，上升至21.73、17.27、14.4 g·kg-1。各處理全氮上升率為24%、23%、40%、41%、38%。至堆肥結(jié)束，A1的處理全氮量有所減少，其余4個(gè)處理全氮量都有所增加。

這主要是由于A1處理C/N較低，氮源是微生物生長的限制因素，有機(jī)物的分解速度慢，大量充足的氮素在堆肥初期隨著溫度、pH升高出現(xiàn)損失。其余處理全氮含量上升，主要是因?yàn)槎逊手亓繙p輕，全氮絕對含量下降，而相對含量上升[20]。

圖5　堆肥過程中全碳的變化Fig. 5　Changes of TC during composting chicken manure and rice hull

圖6　堆肥過程中全氮的變化Fig. 6　Changes of TN during composting chicken manure and rice hull

2.7堆肥過程中C/N的變化

C/N是檢驗(yàn)堆肥產(chǎn)品腐熟度常用的指標(biāo)，堆肥過程中C/N變化如圖7所示，隨著堆肥的進(jìn)行，A2、A3、A4、A5各處理C/N呈下降趨勢，從開始20.5、25.5、30.6、34.9分別下降到12.5、14.1、16.5、16。只有A1處理，C/N變化趨勢程先上升后下降，從堆肥初始的15.2，至堆肥第6天上升到18.3，到堆肥結(jié)束下降到13。各處理C/N下降是因?yàn)榭偺剂砍氏陆第厔荩鄬υ黾樱苟洋wC/N逐漸減少。

T值（終點(diǎn)C/N）/（初始C/N）評價(jià)堆肥腐熟，T值在0.53~0.72堆肥才會完全腐熟[21-22]。各處理T值為0.85、0.61、0.55、0.54、0.46。處理A1、A5未達(dá)到腐熟。

圖7　堆肥過程中碳氮比的變化Fig. 7　Changes of C/N during composting chicken manure and rice hull

2.8堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化

種子發(fā)芽指數(shù)GI，是用生物學(xué)方法測定堆肥的毒性，是衡量堆肥產(chǎn)品質(zhì)量和腐熟度的重要指標(biāo)，可間接表征植物毒性[23]。種子發(fā)芽率不但能檢測堆肥樣品的毒性，而且能預(yù)測堆肥毒性的發(fā)展[24]。一般情況下當(dāng)GI>50%，視為堆肥產(chǎn)品植物毒性處于較低水平，當(dāng)GI>80%可認(rèn)為堆肥處于完全腐熟狀態(tài)。

堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化如圖8所示，A4、A5處理的種子發(fā)芽指數(shù)趨勢均隨時(shí)間的延長而逐漸上升。分別從堆肥開始的37%和40%。到堆肥結(jié)束時(shí)上升到103%和107%。A1、A2、A3處理的種子發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)先降低而后逐漸上升的趨勢。堆肥初始堆體浸提液生物毒性較強(qiáng)，A1、A2、A3處理的種子發(fā)芽指數(shù)分別為19%、24%和30%，在堆肥第13天種子發(fā)芽指數(shù)最低分別為7%、18%和25%，到堆肥結(jié)束時(shí)上升到52%、90% 和94%。除A1處理外，A2、A3、A4、A5處理完全腐熟。因?yàn)镃/N15處理含鹽量處于高水平，對植物生長有很高的抑制作用。

圖8　堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化Fig. 8　Changes of GI during composting chicken manure and rice hull

3　討論

好氧堆肥過程中，溫度是衡量堆肥無害化重要指標(biāo)。溫度高低和持續(xù)時(shí)間對于殺滅致病菌至關(guān)重要。因此，堆體溫度的高低和持續(xù)時(shí)間決定堆肥的品質(zhì)，堆肥發(fā)酵進(jìn)入高溫后，在高溫范圍內(nèi)穩(wěn)定一段時(shí)間，堆肥中寄生蟲和病原菌等被殺死。根據(jù)我國糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB7959-87的規(guī)定，要求堆肥溫度在50~55℃以上維5~7 d作為滅菌的標(biāo)準(zhǔn)。在本試驗(yàn)中，C/N20的處理最高溫度55℃，高溫持續(xù)7 d，達(dá)到國家無害化標(biāo)準(zhǔn)。而其他處理均未達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)。這與低C/N條件下有效碳源不足和高C/N條件下有效氮源不足抑制微生物的生長和活性有關(guān)。

國內(nèi)外研究顯示，一般C/N低于20視為堆肥腐熟[25-26]。由于生產(chǎn)中所采用堆肥原料的C/N差異很大，實(shí)際上并不能反映堆肥物料降解徹底與否[27]，所以研究人員認(rèn)為C/N不是科學(xué)的腐熟指標(biāo)。由圖7所示，本試驗(yàn)5個(gè)處理最終C/N都低于20，但A1、A2處理初始C/N為15、20。由于初始C/N過低，無法用最終C/N評定堆肥腐熟。有學(xué)者用T值評價(jià)堆肥腐熟，認(rèn)為T值在0.53~0.72堆肥才會完全腐熟。本試驗(yàn)A1、A5處理T值未符合腐熟標(biāo)準(zhǔn)。A2、A3、A4均符合腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

研究認(rèn)為當(dāng)GI>80%可認(rèn)為堆肥處于完全腐熟狀態(tài)。本試驗(yàn)至堆肥結(jié)束除A1處理GI為52%，未達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。其余處理GI>80%，均達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

4　結(jié)論

a.雞糞與稻殼C/N為20時(shí)，達(dá)到的最高溫度為55℃，進(jìn)入高溫期最快，高溫持續(xù)時(shí)間最長為7 d，達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)。堆肥過程中五個(gè)處理的pH變化基本相同，均為先升高后下降趨勢，堆肥結(jié)束時(shí)保持在8.49~8.61。堆肥過程中各處理EC變化，總體先上升后下降再上升后下降，至堆肥結(jié)束時(shí)C/N為15的處理EC仍處于很高水平，原因是雞糞含量較高。

b.總氮含量除A1處理降低，其余4個(gè)處理有所增加。整個(gè)堆肥過程中各處理全碳含量一直持續(xù)下降趨勢。各處理C/N下降，則是因?yàn)榭偺剂砍氏陆第厔?，全氮相對增加，堆體C/N逐漸減少。

c.除A1處理植物毒性較強(qiáng)外，其他處理種子發(fā)芽指數(shù)均達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。A1處理發(fā)芽指數(shù)較低，因其含鹽量較高導(dǎo)致對植物抑制作用增大。

綜上所述，雞糞與稻殼C/N為20時(shí)進(jìn)行堆肥，即達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)又達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，可獲得質(zhì)量和腐熟度更好的堆肥產(chǎn)品。

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Study on different C/N ratio of aerobic composting between chicken

manure and rice husk

/GU Siyu, CAI Haisen, YAN Lilong, NIE Yanlong, CUI Kaige, WANGFeng, HE Xin(School of Resources and Eveironment Sciences, Northeast Agricultural University, Harbin 150010, China)

Abstract:Carry out high temperature aerobic composting experiment with fresh chicken manure and rice husk after crushing and adjust the initial C/N of composts is 15, 20, 25, 30, 35 in the laboratory. Research reactor temperature, pH, GI, EC and other physical and chemical indicators have the influence of rotten degree for compost products and explore best C/N ratio between chicken manure and rice husk with high temperature. The results were showed that other processing are all achieves rotten standards in addition to the C/N handled by 15, 20 C/N for the treatment of composting temperature is highest and the longest that can reach to the standards for waste health harmless. So chicken manure is more suitable for 20C/N with composting.

Key words:chicken manure; rice husk; C/N; compost

作者簡介：谷思玉（1964-），女，教授，博士，研究方向?yàn)橥寥婪柿π迯?fù)。E-mail: gusiyu777@163. com

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)（2012ZX07201003-003）

收稿日期：2014-12-09

文章編號：1005-9369（2015）04-0051-08

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：S216.4