稻秸與豬糞靜態(tài)好氧共堆肥的最佳配比

范嘉妍，王 帥，姜 巖，董振宇，嚴(yán) 婷，王 楠

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院農(nóng)學(xué)院，吉林 吉林 132101）

近年來，隨著種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)量過剩的畜禽糞便與秸稈已成為農(nóng)牧業(yè)良性發(fā)展的環(huán)境問題。兩類農(nóng)業(yè)廢棄物處置不當(dāng)既造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，又加速了溫室氣體的產(chǎn)生和病原體的擴(kuò)散［1］。堆肥能夠使畜禽糞便、秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物無害化、減量化和資源化，消除多種微生物病菌及其他有害物質(zhì)對(duì)土壤環(huán)境的污染，是當(dāng)前資源化利用農(nóng)業(yè)廢棄物的最佳途徑之一。

畜禽糞便有著氮素含量高、C/N低、有機(jī)質(zhì)豐富且易被微生物分解的特點(diǎn)，是秸稈堆肥的優(yōu)質(zhì)能量調(diào)理劑［2］。作物秸稈在畜禽糞便堆肥中既可作為高碳源物質(zhì)來均衡堆肥的C/N，又具有調(diào)節(jié)堆肥孔隙度和含水率的作用［3］，基于二者性狀互補(bǔ)的特點(diǎn)，對(duì)于兩類廢棄物共堆肥的研究較多。王亞飛等［4］以畜禽糞便為主料、玉米秸稈為輔料進(jìn)行堆肥研究，結(jié)果表明畜禽糞便在共堆肥中具有提升微生物數(shù)量，提高微生物代謝強(qiáng)度及堆肥物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率的作用。于子旋等［5］研究指出，牛糞和豬糞在堆肥過程中脂肪族、多糖類物質(zhì)減少，相應(yīng)芳香碳結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，腐殖化程度有所增加。黃紅麗等［6］以豬糞和秸稈為堆肥原料，指出伴隨堆肥的進(jìn)行，腐殖化程度會(huì)相應(yīng)提高。王玉軍等［7］以雞糞和玉米秸稈為堆腐原料，研究了堆肥過程中腐殖物質(zhì)的變化規(guī)律，指出堆肥過程有機(jī)碳、水溶性物質(zhì)會(huì)漸趨下降，腐殖化程度會(huì)有所增加。Qian等［8］分別以豬糞-稻草與牛糞-稻草為原料進(jìn)行堆腐試驗(yàn)，結(jié)果表明豬糞-稻草共堆腐的腐熟指標(biāo)要優(yōu)于牛糞-稻草，更易促進(jìn)堆肥腐熟。Wang等［9］以豬糞和鋸末為基料，研究了添加生物炭對(duì)堆肥品質(zhì)的影響，指出添加生物炭可促進(jìn)腐植酸的合成，同時(shí)有利于腐殖化進(jìn)程。綜上所述，多數(shù)報(bào)道集中于堆肥腐殖化程度及分子結(jié)構(gòu)特征的評(píng)價(jià)，缺乏腐殖質(zhì)各組分及特點(diǎn)的研究。本研究擬采用室內(nèi)培養(yǎng)法，以稻草、豬糞為基礎(chǔ)物料，設(shè)置不同質(zhì)量比，以腐殖質(zhì)組成為評(píng)價(jià)依據(jù)，為兩者共堆肥配方的研制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

稻秸取自吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院北大地水稻試驗(yàn)田，豬糞由某公司提供，稻秸、豬糞中有機(jī)碳、N、P2O5、K2O含量、pH值分別為50.5%、0.14%、3.54%、1.72%、6.77和43.4%、3.0%、4.8%、2.1%、6.11。 微生物腐熟劑購于公司，粉劑，有效活菌數(shù)≥5.0億/g，稱取30 g微生物腐熟劑于1 000 mL錐形瓶中，加入300 mL無菌水，在28℃氣浴振蕩器中搖瓶培養(yǎng)24 h，4 000 r/min離心10 min，收集上清液，得到接種所需的菌懸液。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采取室內(nèi)培養(yǎng)法，將稻秸與豬糞分別晾曬風(fēng)干、粉碎過0.10 mm篩，按照表1所列配比均勻混合。物料總質(zhì)量為50 g，裝入100 mL三角瓶，用（NH4）2SO4溶液調(diào)節(jié)物料適宜的含水量（60%）和C/N（25∶1），隨后均勻接種20 mL菌懸液，啟動(dòng)好氧堆肥。每個(gè)處理、每個(gè)時(shí)間點(diǎn)下均設(shè)置3次重復(fù)，期間按照0、15、30、60和90 d動(dòng)態(tài)取樣，在鼓風(fēng)干燥箱中45℃風(fēng)干至恒質(zhì)量，備用。

表1 稻秸與豬糞共堆肥的質(zhì)量比及對(duì)應(yīng)的處理

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

采用腐殖質(zhì)組成修改法［10］進(jìn)行分析，步驟如下：稱取過0.10 mm篩的腐解物料1.00 g于50 mL聚乙烯離心管中，加入30 mL蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?，?0℃恒溫水浴振蕩器上提取1 h，4 000 r/min離心10 min，將上清液過濾于50 mL容量瓶中，在帶有殘?jiān)碾x心管中繼續(xù)加水20 mL攪拌均勻，離心并將此次上清液與前次合并、用蒸餾水定容，此溶液即為水溶性物質(zhì)（WSS）。按照上述方法，將蒸餾水改為0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L Na2P2O7的混合液對(duì)殘?jiān)M(jìn)行二次提取，此次收集的溶液即為可提取腐植酸（HE）。離心管中殘?jiān)谜麴s水多次洗滌，直至洗液近中性，將其轉(zhuǎn)入55℃鼓風(fēng)干燥箱烘干至恒重，該沉淀物質(zhì)即為胡敏素（Hu）。

吸取HE溶液30 mL，用0.5 mol/L H2SO4將其pH值調(diào)至1.0～1.5，置于70℃水浴鍋中保溫1.5 h、靜置過夜，次日將溶液過濾于50 mL容量瓶、定容，此溶液即為富里酸（FA）。濾紙上殘?jiān)扔孟∷嵯礈?、再用溫?zé)岬?.05 mol/L NaOH將其溶解于50 mL容量瓶中，用蒸餾水定容，即為胡敏酸（HA）。WSS、HE、HA和Hu組分的有機(jī)碳含量（CWSS、CHE、CHA和CHu）均采用外加熱-重鉻酸鉀氧化法測(cè)定，富里酸（FA）碳含量CFA采用差減法計(jì)算，即CFA=CHE-CHA。采用北京普析通用有限公司生產(chǎn)的TU-1810型紫外可見分光光度計(jì)對(duì)HA堿溶液的吸光值（OD465和OD665）進(jìn)行測(cè)定，并由公式E4/E6=OD465/OD665計(jì)算出 E4/E6。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2003和SPSS 18.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法測(cè)驗(yàn)差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻秸與豬糞共堆肥對(duì)水溶性物質(zhì)碳含量的影響

圖1 稻秸與豬糞共堆肥對(duì)CWSS的影響

CWSS是堆肥有機(jī)質(zhì)中最活躍的部分，是微生物最易利用的營養(yǎng)源［1］。由圖1可知，與稻秸相比，豬糞有更高含量的CWSS，在0 d，堆肥中豬糞比例的提高有助于CWSS含量的增加。隨堆肥進(jìn)行，不同處理CWSS含量的變化規(guī)律有所不同，與0 d相比，90 d堆肥結(jié)束時(shí)，各處理CWSS含量均有不同程度降低，由Rs至Pm處理，CWSS含量分別降低22.5%、95.8%、60.4%、64.6%、93.8%、31.4%和95.4%?？梢?，Rp1處理CWSS的消耗程度最大，而Rs處理CWSS的消耗程度最小。

2.2 稻秸與豬糞共堆肥對(duì)可提取腐植酸碳含量的影響

CHE是有機(jī)物料在微生物、酶的作用下形成的一類特殊的高分子化合物，它是由一系列分子構(gòu)成的聚類物質(zhì)［7］，是堆肥發(fā)揮肥力效應(yīng)的關(guān)鍵物質(zhì)。如圖2所示，在0 d，堆肥中稻秸與豬糞等比例混合CHE含量可顯著高于其他處理。各處理CHE隨堆肥進(jìn)行所表現(xiàn)的規(guī)律不同。與0 d相比，90 d堆肥結(jié)束時(shí)，除Rp1處理使CHE增加13.1%外，其余處理均使得CHE有著不同幅度的降低，大小順序如下：Rp4（56.7%）＞Rp3（42.7%）＞Rp2（37.4%）＞Rs（21.8%）＞Rp5（18.4%）＞Pm（5.0%）， 可 見，僅有Rp1處理能促進(jìn)CHE的積累，其余處理CHE均表現(xiàn)為消耗。

圖2 稻秸與豬糞共堆肥對(duì)CHE的影響

2.3 稻秸與豬糞共堆肥對(duì)胡敏酸碳含量、胡敏酸堿溶液E4/E6及腐殖化指數(shù)的影響

CHA是分子量大小不等的一系列高分子縮聚物［7］，含有羧基、酚羥基等多種活性官能團(tuán)，是CHE的核心組分。由圖3可知，在0 d時(shí)，堆肥中豬糞比例占半數(shù)以上的處理，其CHA顯著高于其他處理。隨堆肥進(jìn)行，各處理CHA均表現(xiàn)為先減后增的規(guī)律，與0 d相比，堆肥結(jié)束時(shí)，除Rp1處理能使CHA提高22.0%外，其余6個(gè)處理CHA均表現(xiàn)為消 耗，Rs、Rp2、Rp3、Rp4、Rp5和Pm處 理CHA的降低幅度分別為9.0%、4.2%、28.2%、43.9%、61.6%和51.9%，可見，在稻秸與豬糞質(zhì)量比為7∶3的基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加豬糞的比例更有助于CHA的消耗，稻秸與豬糞質(zhì)量比1∶9時(shí)CHA的損失最大，其次是僅有豬糞的堆肥處理。

圖3 稻秸與豬糞共堆肥對(duì)CHA的影響

HA堿溶液E4/E6與其分子的縮合度呈反比，該值越小表明HA分子的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜［11］。如圖4所示，伴隨堆肥的進(jìn)行，除Rp4處理HA堿溶液E4/E6呈漸趨增加外，其余處理均表現(xiàn)為先增后減的規(guī)律。堆肥結(jié)束時(shí)，與0 d相比，Rs、Rp1、Rp2、Rp3、Rp4和Pm 6個(gè)處理下HA堿溶液E4/E6分別增加了39.5%、12.3%、75.2%、5.5%、126.8%和27.0%，而Rp5處理的E4/E6降低了6.3%。由此可見，Rp5處理在堆肥結(jié)束時(shí)HA分子的縮合度和芳構(gòu)化程度有所增強(qiáng)，而其他處理HA的脂族化程度加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。

圖4 稻秸與豬糞共堆肥對(duì)HA堿溶液E4/E6的影響

根據(jù)CHA/CFA的變化可大致判斷堆肥的腐熟程度，該比值越高表明腐殖質(zhì)的品質(zhì)越高［6，8］。由圖5可知，隨堆肥進(jìn)行，各處理CHA/CFA均表現(xiàn)為先降低后升高的規(guī)律。與0 d相比，堆肥結(jié)束時(shí)，Rs、Rp1、Rp2、Rp3和Rp4處理CHA/CFA均有所增加，增幅分別為41.2%、20.3%、149.4%、46.8%和91.3%，而Rp5和Pm處理CHA/CFA分別降低了79.8%和75.4%?？梢?，各處理堆肥HA均表現(xiàn)為先降解向FA轉(zhuǎn)化，再由FA縮合形成HA的規(guī)律，當(dāng)豬糞在共堆肥中質(zhì)量比例≥90%，最終形成的CFA高于CHA，腐殖質(zhì)品質(zhì)有所降低，而在稻秸質(zhì)量比例≥30%，則最終有利于腐殖質(zhì)品質(zhì)的提升。

圖5 稻秸與豬糞共堆肥對(duì)CHA/CFA的影響

2.4 稻秸與豬糞共堆肥對(duì)胡敏素碳含量的影響

CHu是與礦物質(zhì)緊密結(jié)合的腐殖物質(zhì)，被認(rèn)為是堆肥中的惰性物質(zhì)［7］。由圖6可知，在0 d，豬糞在物料中比例的提升與其CHu含量的變化呈反比。隨堆肥進(jìn)行，各處理CHu的變化規(guī)律不同。與0 d相比，在堆肥結(jié)束時(shí)，各處理CHu均有所降低，由Rs至Pm處理，CHu的降低幅度分別為65.2%、57.4%、25.7%、68.9%、46.4%、65.7%和32.0%，其中，Rp3處理對(duì)CHu的分解作用最強(qiáng)。

圖6 稻秸與豬糞共堆肥對(duì)CHu的影響

3 結(jié)論與討論

與稻秸相比，豬糞中有更高含量的CWSS和CHA，而CHu含量較低，這是因?yàn)樨i糞是經(jīng)“過腹消化”的產(chǎn)物，其在豬腸胃中經(jīng)過乳酸菌等多種細(xì)菌復(fù)雜酶系的降解，已初步發(fā)酵，經(jīng)計(jì)算，其C/N為14.5，而稻秸C/N為360.7，可見豬糞的腐熟程度明顯高于未經(jīng)腐熟的稻秸。

CWSS是微生物能迅速利用的底物，在腐殖質(zhì)形成過程中起主要作用［7］。不同處理所表現(xiàn)的規(guī)律不一，與0 d相比，90 d堆肥結(jié)束時(shí)，各處理CWSS含量均有不同程度降低，其中，稻秸與豬糞質(zhì)量比為9∶1時(shí)對(duì)CWSS的消耗程度最大。在堆肥過程中，微生物利用CWSS并以此為能量物質(zhì)，被合成的物質(zhì)一部分進(jìn)入腐殖質(zhì)，還有一小部分能夠以芳香環(huán)的形式存在［7］。

CHE在堆肥過程中的變化可以有效評(píng)價(jià)堆肥的腐熟程度［12］。在供試處理中，僅有稻秸與豬糞質(zhì)量比為9∶1時(shí)在堆肥結(jié)束后能使CHE增加13.1%，其余處理CHE均表現(xiàn)為消耗；李恕艷等［13］研究表明，堆肥形成的腐植酸不穩(wěn)定，較易被分解，部分分解產(chǎn)物在微生物作用下能夠縮合、形成結(jié)構(gòu)與性質(zhì)更為穩(wěn)定的腐殖物質(zhì)。可見，在本試驗(yàn)條件下，稻秸與豬糞質(zhì)量比為9∶1堆肥時(shí)更有利于腐熟進(jìn)程、促進(jìn)腐殖物質(zhì)的形成，而其余處理CHE降低的原因也許與CWSS的損失有關(guān)，通常，CWSS可視為合成腐殖質(zhì)的“源頭物質(zhì)”［14］，因“源頭物質(zhì)”被微生物消耗而減少了CHE的合成。

HA是腐殖質(zhì)中的活躍物質(zhì)［15］，其分子結(jié)構(gòu)變化可用于評(píng)價(jià)堆肥的腐熟特征。吳萍萍等［16］提出，秸稈對(duì)加強(qiáng)HA分子芳香化的貢獻(xiàn)較大，而豬糞則更有利于HA的脂族化。HA堿溶液E4/E6能反映HA分子結(jié)構(gòu)的芳構(gòu)化程度，比值越小，說明分子的縮合度和芳構(gòu)化程度越高、分子量越大［17］。在本試驗(yàn)條件下，稻秸與豬糞共堆肥質(zhì)量比為9∶1時(shí)，在堆肥結(jié)束后能夠促進(jìn)HA分子的縮合，然而，其他處理HA分子的芳構(gòu)化程度均有所下降。隨堆肥進(jìn)行，各處理HA均表現(xiàn)為先降解、再縮合的規(guī)律，這與于建等［18］研究結(jié)果相同。可見，除稻秸與豬糞共堆肥質(zhì)量比為9∶1外，其他處理下新形成的HA，其分子的芳構(gòu)化程度尚未縮合到其原有HA的復(fù)雜程度［19］。腐殖化指數(shù)（CHA/CFA）是評(píng)價(jià)腐殖質(zhì)品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，該比值越大說明CHA含量越高，品質(zhì)越好［20］。隨堆肥進(jìn)行，各處理CHA/CFA均表現(xiàn)為先降低后升高的總體規(guī)律，這與Zhang等［10］的研究結(jié)果一致。當(dāng)?shù)窘照级逊士傎|(zhì)量≥30%時(shí)，經(jīng)堆肥后有利于腐殖質(zhì)品質(zhì)的提升，而豬糞占堆肥總質(zhì)量≥90%，則堆肥后腐殖質(zhì)品質(zhì)會(huì)有所下降。

Hu作為腐殖質(zhì)的惰性組分，分子量大且性質(zhì)穩(wěn)定，在自然狀態(tài)下多與黏土礦物結(jié)合而以復(fù)合體的形式存在［21］。與0 d相比，堆肥結(jié)束時(shí)，各處理CHu含量均有所消耗，其中，稻秸與豬糞等比例處理對(duì)CHu的分解作用最強(qiáng)，使其向活性腐殖質(zhì)組分轉(zhuǎn)化［22］。