有機(jī)物料配比對(duì)堆肥腐殖質(zhì)及養(yǎng)分含量變化的影響

王廣耀，李 雪

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

近年來(lái)，隨著我國(guó)糧食產(chǎn)量的提高，農(nóng)牧養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。我國(guó)每年農(nóng)業(yè)廢棄物高達(dá)40億t，其中，作物秸稈占比17.5%，畜禽糞便占比65.3%[1-2]。牛糞中含有大量的微生物菌劑，以牛糞作為能量調(diào)節(jié)劑，可以加速玉米秸稈的腐解，形成高質(zhì)量的腐解產(chǎn)物，提高資源利用率[3-4]。秸稈與牛糞的合理化配比，可使資源得以有效利用，減少農(nóng)業(yè)污染，提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入[5]。堆肥是資源化處理農(nóng)業(yè)廢棄物的有效途徑之一。堆肥條件的不同也會(huì)導(dǎo)致堆肥性質(zhì)上的差異，進(jìn)一步影響植物的生長(zhǎng)安全[6]。堆肥物料初始碳氮比(C/N)會(huì)影響堆肥過(guò)程碳素的損失[7]。相關(guān)研究結(jié)果表明，秸稈與有機(jī)物料腐熟劑的配施可以增加秸稈中有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，加速腐殖質(zhì)組分的形成，加快秸稈的腐殖化進(jìn)程[8]。腐殖質(zhì)形成過(guò)程受到堆肥物料組成的影響。另外，堆肥物料的養(yǎng)分含量受到各種物理化學(xué)參數(shù)的顯著影響，例如腐殖質(zhì)的溶解性、組分的有機(jī)碳含量和腐殖化系數(shù)等。據(jù)報(bào)道，這些物理化學(xué)參數(shù)可以調(diào)節(jié)群落組成，以提高堆肥質(zhì)量，進(jìn)一步促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成[3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了一系列針對(duì)堆肥腐殖質(zhì)及養(yǎng)分含量的研究，牛糞堆肥可以使腐殖質(zhì)含量提高近2倍，玉米秸稈的添加可以增加堆肥的腐殖化程度[2]。李恕艷等[8]研究表明，與空白對(duì)照處理相比，菌劑與雞糞的混合配比可以明顯增加堆肥的有機(jī)碳含量，同時(shí)水溶態(tài)物質(zhì)的含量也相應(yīng)提高。因此，可利用多個(gè)指標(biāo)包括養(yǎng)分特性、腐殖質(zhì)組成對(duì)堆肥腐熟度進(jìn)行快速合理的評(píng)價(jià)[9]。鑒于此，利用吉林市常見(jiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物玉米秸稈和牛糞，研究不同配比對(duì)堆肥腐殖質(zhì)養(yǎng)分含量及組成的影響，旨在選出一種符合當(dāng)?shù)貙?shí)際、相對(duì)效果佳的有機(jī)物料配比措施，為設(shè)置合理的堆肥物料配比提供參考，為揭示土壤有機(jī)培肥機(jī)制、科學(xué)培肥土壤提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米秸稈取自吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院北大地玉米試驗(yàn)田，牛糞由吉林省豐禾育苗營(yíng)養(yǎng)土有限公司提供，玉米秸稈、牛糞材料的具體理化性質(zhì)見(jiàn)表1。微生物腐熟劑購(gòu)于金禾佳農(nóng)(北京)生物技術(shù)有限公司，有效活菌數(shù)≥5.0億cfu/g。稱(chēng)取30 g腐熟劑于1 000 mL錐形瓶中，加入300 mL蒸餾水，在28 ℃氣浴振蕩器中搖瓶培養(yǎng)24 h，4 000 r/min離心后收集上清液，即為液體接種菌劑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用室內(nèi)培養(yǎng)法，將玉米秸稈和牛糞分別晾曬風(fēng)干、粉碎，過(guò)0.10 mm篩，以牛糞為能量調(diào)理劑，將上述物料按照如下配比混合，物料總質(zhì)量50 g，控制含水量60%。共設(shè)置7個(gè)處理：(Ⅰ)僅玉米秸稈粉末；(Ⅱ)玉米秸稈粉末∶牛糞=9∶1；(Ⅲ)玉米秸稈粉末∶牛糞=7∶3；(Ⅳ)玉米秸稈粉末∶牛糞=5∶5；(Ⅴ)玉米秸稈粉末∶牛糞=3∶7；(Ⅵ)玉米秸稈粉末∶牛糞=1∶9；(Ⅶ)僅牛糞。均勻接種20 mL液體接種菌劑，在28 ℃恒溫恒濕條件下啟動(dòng)好氧堆肥。堆肥時(shí)間設(shè)為90 d，期間在0、15、30、60、90 d動(dòng)態(tài)取樣。每個(gè)處理、每個(gè)堆肥時(shí)間下均設(shè)置3次重復(fù)，達(dá)規(guī)定時(shí)間取樣后立即裝入鼓風(fēng)干燥箱，在45 ℃條件下風(fēng)干至恒質(zhì)量，終止微生物反應(yīng)，粉碎堆肥樣品過(guò)0.10 mm篩備用。

1.3 測(cè)試方法

采用腐殖質(zhì)組成修改法[10]測(cè)定堆肥試樣水溶性物質(zhì)(WSS)含量、可提取腐殖酸(HE)含量、胡敏酸(HA)含量和富里酸(FA)含量；采用重鉻酸鉀氧化法對(duì)HA和FA組分碳含量(CFA和CHA)進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)而求出腐殖化系數(shù)(CHA/CFA)。采用凱氏定氮法和重鉻酸鉀氧化法對(duì)堆肥試樣進(jìn)行全氮(TN)含量及總有機(jī)碳(TOC)含量的測(cè)定，兩者質(zhì)量比即為堆肥C/N。采用H2SO4-H2O2消煮、釩鉬黃比色法及火焰光度法對(duì)堆肥試樣進(jìn)行全磷(TP)、全鉀(TK)含量的測(cè)定，將TN、TP、TK含量加和，計(jì)算出堆肥的總養(yǎng)分含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理堆肥TOC含量及pH值的變化

在堆肥過(guò)程中，TOC含量的變化如圖1所示，處理Ⅰ和處理Ⅶ過(guò)程中TOC含量均呈不斷下降趨勢(shì)，但是處理Ⅶ前、中期TOC含量的下降幅度與處理Ⅰ相比較大，堆肥后期2個(gè)處理TOC含量下降較慢，最終趨于穩(wěn)定，堆肥結(jié)束時(shí)，處理Ⅰ和處理Ⅶ的TOC含量分別是堆肥初期(0 d)的57.5%和62.8%。處理Ⅳ、Ⅴ的TOC含量在堆肥0～15 d內(nèi)迅速下降，分別下降了19.7%、20.5%，但是在堆肥結(jié)束時(shí)的TOC含量大于堆肥初期，分別為114.6、125.1 g/kg。由此可見(jiàn)，玉米秸稈粉末與牛糞比例為5∶5或玉米秸稈粉末與牛糞比例為3∶7，堆肥反應(yīng)結(jié)束時(shí)，TOC含量明顯大于堆肥初期。

圖1 不同處理對(duì)堆肥總有機(jī)碳含量的影響

由圖2可知，玉米秸稈與牛糞混合腐解配比為5∶5和3∶7時(shí)，pH值在7.00～7.65，為微生物生長(zhǎng)繁殖提供最適宜的環(huán)境，pH值過(guò)低或者過(guò)高，都會(huì)使微生物生長(zhǎng)受阻甚至引起死亡。

圖2 不同處理對(duì)堆肥pH值的影響

2.2 不同處理堆肥養(yǎng)分含量的變化

由表2可知，在玉米秸稈和牛糞混合腐解條件下，隨著堆肥反應(yīng)的進(jìn)行，堆肥的TP含量呈增加趨勢(shì)，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的TN含量明顯增加，處理Ⅵ、Ⅶ有所下降。TK含量明顯降低。處理Ⅵ在堆肥結(jié)束時(shí)的TP含量最高，是堆肥初期的4.24倍，處理Ⅱ的TP含量最低，僅為3.49 g/kg。TK含量在處理Ⅲ下降最多。

表2 不同處理堆肥初期和堆肥結(jié)束時(shí)速效養(yǎng)分含量的變化

2.3 不同處理堆肥腐殖質(zhì)的變化

2.3.1 不同處理堆肥WSS含量的變化 不同處理WSS含量的變化如圖3所示，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 4個(gè)處理的WSS含量呈先下降后上升趨勢(shì)，在堆肥前60 d，4個(gè)處理WSS含量分別下降了70%、58%、59%、51%。在堆肥0、15、30、60、90 d時(shí)，處理Ⅶ的WSS含量分別是處理Ⅰ的2.6、3.1、1.2、1.3、2.9倍。

圖3 不同處理對(duì)堆肥WSS含量的影響

2.3.2 不同處理堆肥CHA/CFA值的變化 CHA/CFA值反映堆肥的熟化程度以及HA與FA之間的相互消長(zhǎng)與轉(zhuǎn)化。由圖4可知，隨著堆肥的進(jìn)行，不同處理的CHA/CFA值均呈上升趨勢(shì)。堆肥結(jié)束后處理Ⅰ的CHA/CFA值僅為1.13，比堆肥初期增加了61%。處理Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ在堆肥30 d時(shí)，已經(jīng)分別達(dá)到2.28，2.16、2.35，這3個(gè)處理在堆肥結(jié)束時(shí)的CHA/CFA值分別是初始水平的4.49、4.50、6.90倍，且高于堆肥完全腐熟水平(CHA/CFA=1.712)。相同堆肥時(shí)期內(nèi)，隨著牛糞配比的增加，堆料CHA/CFA值略有增加。但是處理Ⅶ的CHA/CFA值在堆肥30 d時(shí)僅為1.85。

圖4 不同處理對(duì)堆肥CHA/CFA值的影響

2.4 不同處理堆肥養(yǎng)分含量與CHA/CFA值的相關(guān)關(guān)系

對(duì)不同處理不同培養(yǎng)時(shí)期堆肥養(yǎng)分含量平均值與CHA/CFA平均值的Pearson相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，CHA/CFA值與養(yǎng)分含量間均呈顯著或極顯著正相關(guān)，說(shuō)明堆肥的養(yǎng)分循環(huán)與CHA/CFA值具有相互促進(jìn)作用，它們之間息息相關(guān)。添加牛糞可促進(jìn)堆肥腐熟，促進(jìn)玉米秸稈的分解，加快堆肥中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和循環(huán)過(guò)程。

表3 不同處理堆肥養(yǎng)分含量與CHA/CFA值的Pearson相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論與討論

本研究中，堆肥處理前期TOC含量下降快，主要是由于微生物會(huì)優(yōu)先利用有機(jī)物中的活性物質(zhì)，例如以可溶性糖、有機(jī)酸等作為能量來(lái)源，進(jìn)行生命活動(dòng)，因此TOC分解速度較快[11]。而在堆肥反應(yīng)的后期，微生物在消耗掉堆肥物料中的易分解物質(zhì)后，只能利用纖維素、木質(zhì)素等難以分解的物質(zhì)，使堆肥的TOC最終趨于穩(wěn)定[12]。在牛糞作為能量調(diào)節(jié)劑與玉米秸稈混合配比以后，畜禽糞便中含有大量的微生物，且有機(jī)物質(zhì)豐富，加快了堆肥物料中微生物對(duì)易分解物質(zhì)的礦化速率[13]。由此可見(jiàn)，在牛糞作為能量調(diào)節(jié)劑以后，可以加快堆肥有機(jī)質(zhì)的降解，同時(shí)又能夠起到良好的固碳效果[14-15]。處理Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ的pH值持續(xù)下降原因可能是牛糞配比增加，有機(jī)物被微生物大量分解產(chǎn)生了較多的有機(jī)酸，并且隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氨釋放量減少，被分解產(chǎn)生的有機(jī)酸中和[16-18]。因此,導(dǎo)致了牛糞配比量高的處理pH值降低。牛糞的增加促進(jìn)玉米秸稈的分解，釋放大量的氨，進(jìn)一步提高了微生物的固氮能力，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)堆肥養(yǎng)分含量的有效提升[19]。pH值是影響微生物生長(zhǎng)的重要條件之一。有機(jī)物料堆積過(guò)程中，堆肥內(nèi)酸堿度是變化的，微生物的降解活動(dòng)需要一個(gè)微酸性或中性的環(huán)境條件，pH值過(guò)高或過(guò)低都不利于微生物的生長(zhǎng)和有機(jī)物的降解。處理Ⅰ由于pH值未在微生物適宜活動(dòng)的最佳范圍，導(dǎo)致堆肥通氣結(jié)構(gòu)不佳，微生物呼吸作用減弱，處理Ⅰ的WSS含量與CHA/CFA值明顯低于其他處理。與之相比，處理Ⅶ的pH值雖然一直呈下降趨勢(shì)，但pH值范圍一直處于符合堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，能夠?yàn)槲⑸锘顒?dòng)提供相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，因此處理Ⅶ的WSS含量與CHA/CFA值大體上明顯高于處理Ⅰ[20]。

本研究以玉米秸稈為基礎(chǔ)原料，以牛糞作為能量添加劑，共設(shè)置了7個(gè)不同配比條件的堆肥試驗(yàn)。主要監(jiān)測(cè)堆肥90 d的過(guò)程中腐殖質(zhì)組成以及養(yǎng)分特性的變化，以評(píng)價(jià)出有利于堆肥腐熟的最佳堆肥條件。研究結(jié)果表明，在整個(gè)堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)組成表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化。在堆肥結(jié)束時(shí)，處理Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的TOC含量明顯高于其他處理。所有處理的CHA/CFA值都隨著堆肥反應(yīng)的進(jìn)行而增加，最終趨于穩(wěn)定和腐熟狀態(tài)。在堆制有機(jī)肥料時(shí)，選擇不同材料的最佳配比，以促進(jìn)堆肥中腐殖質(zhì)的形成。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈與牛糞比例為5∶5和3∶7的處理下，可以獲得最佳效果。