雞糞堆肥周期中養(yǎng)分指標和腐熟程度變化研究

徐偉棟 張佳楠 王俊梅 史云飛

摘要為了提高及改善農(nóng)業(yè)廢棄物中禽畜糞便和農(nóng)作物秸稈的資源利用率，采用肉雞雞糞和玉米秸稈為原料，同時添加不同發(fā)酵劑進行高溫好氧堆肥試驗。應(yīng)用物理和化學(xué)分析法研究雞糞高溫好氧堆肥過程中堆體溫度、pH、C/N，NPK含量、重金屬含量等理化指標的變化，以研究在玉米秸稈添加量一定的情況下，發(fā)酵劑的有無及不同發(fā)酵劑以及翻拋和通氣對堆肥腐熟度變化的影響。結(jié)果表明，初始堆積物雞糞與秸稈的C/N達到堆肥發(fā)酵最適的C/N后，升溫很快，溫度最高為60℃，其pH在7.2～8.5，整體上偏弱堿性，呈先下降后上升趨勢。發(fā)酵劑對堆肥溫度變化無明顯影響，但添加發(fā)酵劑的處理除臭效果顯著。雞糞堆肥原料和工藝復(fù)雜，其腐熟度需多種指標參數(shù)進行綜合判斷。

關(guān)鍵詞雞糞;堆肥;養(yǎng)分;腐熟度;環(huán)境

中圖分類號S141.4文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2021）08-0153-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.08.040

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

DynamicsofNutrientIndexesandMaturityChangesofChickenManureComposting

XUWei-dong，ZHANGJia-nan，WANGJun-meietal

（CollegeofNaturalResourceandEnvironment，ShenyangAgriculturalUniversity，Shenyang，Liaoning110866）

AbstractInordertoimprovetheresourceutilizationrateoflivestockmanureandcropstrawinagriculturalwaste，broilermanureandcornstrawwereusedasrawmaterials，anddifferentfermentationagentswereaddedtocarryouthightemperatureaerobiccompostingexperiment.Thechangesofphysicalandchemicalindexes，suchastemperature，pH，C/N，NPKcontentandheavymetalcontent，werestudiedbyusingphysicalandchemicalanalysismethod，inordertostudytheinfluenceofthepresenceofstarter，differentstarter，turningoverandventilationonthechangeofcompostripeningdegreeundertheconditionofacertainamountofcornstraw.TheresultsshowedthatwhentheC/N（C/N）ofchickenmanuretostrawreachedtheoptimalC/N，thetemperaturewasupto60℃，andthepHwasbetween7.2and8.5.Onthewhole，itwasslightlyalkalineandshowedatrendofdecreasingfirstandthenincreasing.Theleaveningagenthadnoobviouseffectonthecomposttemperature，butthedeodorizationeffectwasremarkablewhentheleaveningagentwasadded.Therawmaterialsandtechnologyofchickenmanurecompostingwerecomplex，andthedegreeofcompostingshouldbecomprehensivelyjudgedbyvariousindexesandparameters.

KeywordsChickenmanure;Straw;Composting;Nutrient;Maturity

隨著我國農(nóng)業(yè)規(guī)?；?、集約化發(fā)展，農(nóng)業(yè)有機廢棄物產(chǎn)生量不斷增加[1]。生物有機肥-有機農(nóng)產(chǎn)品-畜禽和農(nóng)產(chǎn)品廢棄物-生物有機肥的綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈條對于提高經(jīng)濟效益和生態(tài)效益意義重大。筆者以測定雞糞與玉米秸稈堆肥過程中各項養(yǎng)分指標為基礎(chǔ)，探究雞糞高溫好氧堆肥腐熟過程中腐熟度指標的變化，以期通過好氧堆肥將禽畜糞便無害化、資源化，為建立規(guī)?；a(chǎn)中的腐熟度指標快速測定體系提供技術(shù)指導(dǎo)，對于有機肥及有機無機復(fù)混肥生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

1材料與方法

1.1試驗材料

堆肥原料采用肉雞雞糞和玉米秸稈，供試雞糞取自遼寧省沈陽市耘墾牧業(yè)集團法庫縣肉雞養(yǎng)殖場。發(fā)酵菌劑由沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物技術(shù)學(xué)院（三色農(nóng)業(yè)發(fā)展中心）提供。以雞糞作為堆肥氮源，以粉碎的4號、10號玉米秸稈為碳源，調(diào)節(jié)碳氮比為30：1左右，噴施菌劑后均勻地混合，以干凈自來水調(diào)節(jié)物料含水量在55%左右，然后將其堆成長、寬、高分別為1.0、1.0、1.2m的堆垛進行堆肥。堆肥原材料性質(zhì)見表1。

1.2試驗設(shè)計采用自制的簡易堆肥裝置，試驗時間為3月28日至5月6日（共40d），各處理設(shè)計見表2。試驗過程中用通氣管及翻堆方式通風(fēng)供氧，通氣管置于堆體底部，堆肥過程中的溫度、pH、水分含量均為每隔3d測一次，取樣時間為09：00。同時根據(jù)堆體溫度、水分的變化情況，在堆肥開始每3d翻1次，堆制物溫度升至58～62℃時，通過調(diào)整通風(fēng)量，讓堆體溫度保持3d不變。取樣則采用“五點取樣法”，即分別在堆體中部的前、后、左、右及中心采集樣品，混合均勻[2]。自堆肥開始，每隔3d取樣（250g），用于測定堆肥腐熟度指標，裝在自封袋中冷藏，直到發(fā)酵結(jié)束。

1.3測定項目與方法

將分別在堆制第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35、37、39天的堆肥取樣，解凍后于陰涼處自然風(fēng)干。測定pH時，要稱取一定量鮮樣，與蒸餾水以體積比1：5混合，連續(xù)振蕩30min，再靜置30min，取上層清液過濾后用pH計測定。含水率要在105℃下烘干至恒重測定。各項養(yǎng)分指標測定前，將鮮樣風(fēng)干，粉碎過lmm篩，全氮測定采用H2SO4-H2O2消煮-開氏定氮法[3]，全磷測定采用H2SO4-H2O2消煮-釩鉬酸銨-分光光度計比色法，全鉀測定采用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度計法（中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準一有機肥料YN525—2002）。重金屬含量的測定采用微波消解結(jié)合電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES），對堆肥中的重金屬元素As、Ge、Pb、Cr、Hg進行含量檢測。

2結(jié)果與分析

2.1不同處理對堆肥溫度的影響溫度是比較常用的物理評價指標之一，在堆肥過程中溫度是影響微生物活動和堆肥工藝過程的關(guān)鍵因素。從圖1可以看出，堆體溫度主要可分為初始升溫期、高溫期、腐熟降溫期。所有處理的溫度上升趨勢相同，所有處理堆肥3d后溫度均超過50℃，第4天達60℃以上的高溫階段。堆肥初期堆體溫度上升很快，說明堆體水分及碳氮比適合微生物生長繁殖，很快由升溫期達到高溫期。高溫可殺死病原菌，有機質(zhì)降解速率在適宜溫度條件下達到最快，但同時要控制好水分，需要在適當情況下減少水分，降低堆溫以結(jié)束堆腐[4]。處理前期T1和T2與T3和T4相比，保持相對高的溫度，但中后期開始T4和T3的溫度相對高，尤其是T4的溫度相對高。堆肥后期溫度自然降低，標志著堆肥已經(jīng)腐熟。

2.2不同處理對堆制物pH的影響

研究表明，堆制物的pH為6.0～7.5，都處在正常范圍，一開始T1處理的pH為6.28，但隨著堆肥的進程逐漸上升為7左右，T4也是小幅上升，但所有處理的pH在整個堆制過程中變化不大。pH在堆肥初期升高，微生物繁殖很快，有機酸分解，產(chǎn)生大量的NH3，堆制后期，由于NH3揮發(fā)速率降低，以及在堆肥后期硝化菌的硝化作用產(chǎn)生大量的H+造成pH的下降[5]。從最終堆積物的pH來看，都在7左右，處于中性或微弱堿性。

2.3不同處理對堆制物C/N變化的影響

C/N是檢驗堆肥產(chǎn)品腐熟度常用的指標，碳素物質(zhì)是微生物活動的能源和碳源，在雞糞腐解過程中微生物首先利用易降解的有機碳和簡單的有機碳進行新陳代謝和礦化[6]，其中易被生物降解的有機碳包括糖、淀粉、糖原、果、脂肪酸、甘油、脂類和脂肪等。研究表明，堆肥C/N應(yīng)滿足微生物所需的最佳值25～35，理論上C/N下降至20以下時堆肥達到腐熟[7]。從圖2可以看出，所有處理的初始C/N為21～27，都接近堆肥最適碳氮比（C/N=25～30）范圍。隨著堆肥進程，各處理的C/N有所降低，處于16～20。

2.4不同處理對堆制物養(yǎng)分含量的影響

2.4.1氮（N）含量。在雞糞與秸稈堆肥腐熟過程中，全氮含量在1.3%～3.4%，與初始含量相比T2處理則下降，在整個腐解過程中全氮含量呈下降趨勢。有機氮礦化，氨的揮發(fā)，以

及硝態(tài)氮可能發(fā)生反硝化作用，都是全氮含量下降的原因[8]。而T3處理的最終氮含量增加2倍以上，在所有處理中氮增加量最多，而其余處理變化不大。

2.4.2P（P2O5）含量。堆肥過程中磷素存在形態(tài)轉(zhuǎn)化，但磷酸鹽性質(zhì)穩(wěn)定，易被吸附，不會由于揮發(fā)損失。堆制物的初始磷含量（P2O5%）和最終磷含量的變化較大，隨著堆肥進程磷含量呈上升趨勢，由初始含量5%～7%增加到8%以上，翻拋的T3和T4處理與通氣處理的T1和T2處理相比磷含量相對較高。由于微生物將有機物分解或轉(zhuǎn)化，二氧化碳和氨氣大量釋放，導(dǎo)致堆體的體積與重量降低，從而使堆肥的全磷含量呈上升趨勢[9]。

2.4.3鉀（K2O）含量。

堆制物的最終鉀含量（K2O）與最初鉀含量相比，所有處理均呈緩慢上升趨勢，T3與T4處理鉀含量增加大于2倍，由初始的0.8%～1.0%增加到2.4%～3.0%，而T1和T2處理變化不大。但由于堆制物料部分不均勻，監(jiān)測周期中，同一個處理的鉀含量可能變化較大。在最終堆積物中，翻拋的T3和T4處理含鉀量顯著高于通氣處理的T1和T2處理，這與磷含量的結(jié)果一致。

2.4.4總養(yǎng)分含量（N+P2O5+K2O）。在整個堆肥腐熟過程中，各處理由于通風(fēng)條件和發(fā)酵菌劑不同，氮磷鉀養(yǎng)分含量變化均有差異。有機物在微生物作用下不斷分解并以CO2、H2O、NH3等形式揮發(fā)，使堆肥的體積和干重不斷降低[10]。堆肥的腐熟是一系列微生物活動的復(fù)雜過程，包含堆肥材料的礦質(zhì)化和腐殖化過程[11]。各處理堆制物的最終總養(yǎng)分含量在12%左右，均增加。其中，T2處理增加幅度最小，T3和T4處理明顯大于T1和T2處理，這說明翻拋處理的試驗效果優(yōu)于通氣處理。同一處理的總養(yǎng)分含量變化不大。

2.5不同處理纖維素降解率及糖生成率的變化

堆肥物料中的纖維素、木質(zhì)素等有機質(zhì)被微生物代謝降解轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，其中纖維素降解率和糖生成率可作為腐熟程度的評價指標[12]。原始堆制物的纖維素含量為580.16g/kg，發(fā)酵過程中各處理纖維素含量均呈下降趨勢，平均降解率為47.51%，至堆肥結(jié)束時，總降解率較大的T1處理含量降至227.66g/kg，總降解率較小的T2處理含量降至352.76g/kg（圖3）。

從圖4可以看出，堆制物腐熟發(fā)酵前期，纖維素降解率緩慢上升，糖生成率逐步下降，至發(fā)酵過程后期，糖生成率明顯下降，纖維素降解產(chǎn)物大部分被轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)等物質(zhì)，有利于促進堆肥腐熟[13]。

2.6不同處理對堆物最終產(chǎn)物中重金屬含量的影響

由于農(nóng)業(yè)固體廢棄物可以作為有機肥生產(chǎn)原料，尤其是禽畜糞便和農(nóng)作物秸稈不僅含有大量有機質(zhì)，還含有作物生長必需的鐵、鈣、鋅、銅、鎂、硼、鉬等中微量營養(yǎng)元素[14]，但其中砷、鎘、鉛、鉻、汞等重金屬元素，在堆肥過程中難以降解，鑒于土壤污染的累積性、不可逆轉(zhuǎn)性、隱蔽性和滯后性，要及早認識肥料及土壤中重金屬含量[15]。從圖5可以看出，T1、T2、T3、T4處理的Cd、Cr、Pb含量均達到國家有機肥行業(yè)重金屬含量標準Cd<3mg/kg、Cr<150mg/kg、Pb<50mg/kg、Hg<3mg/kg），但As含量超標（As>15mg/kg）。其中T2和T3處理與T1和T4處理相比，As含量相對較低。

3結(jié)論與討論

堆肥技術(shù)將農(nóng)業(yè)廢棄物進行資源化處理，雞糞與玉米秸稈中的蛋白質(zhì)、纖維素等有機物，經(jīng)過高溫腐熟發(fā)酵，降解為性質(zhì)穩(wěn)定的有機肥[16]，減少了環(huán)境污染，提高經(jīng)濟效益，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機肥的工藝技術(shù)對廢棄資源重新利用[17]，有利于農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收。

研究結(jié)果表明，雞糞與秸稈自然堆制進行發(fā)酵，則腐熟發(fā)酵周期長，養(yǎng)分損失大，同時產(chǎn)生大量致臭物質(zhì)如氨氣、硫化氫等，添加發(fā)酵劑的處理可以迅速除臭，堆制過程中死角的堆制物不會發(fā)臭。但添加發(fā)酵劑與對照（不添加發(fā)酵劑）相比，溫度上升和養(yǎng)分含量無顯著差異，所有處理的溫度上升趨勢相同，都是堆肥3d后溫度超過了50℃，第4天達到60℃以上的高溫階段。但處理前期T1和T2與T3和T4相比，保持相對高的溫度，T2無發(fā)酵劑后期溫度上升略慢。中后期開始T4和T3的溫度相對高，尤其是用4號秸稈的T4溫度相對高。且T3和T4為翻拋處理，高溫保持時間較長，對總養(yǎng)分含量無明顯影響。T4的C/N整體略高有所浮動，初始堆積物的碳氮比（C/N）基本上達到堆肥發(fā)酵最適的碳氮比，所有處理的溫度上升均較快。從堆制物的養(yǎng)分含量變化來看，氮的初始和最終含量變化不大;但磷和鉀隨著腐熟發(fā)酵進程的推進，含量均逐漸增加。各處理的最終堆制物總養(yǎng)分含量都達到了國家商品有機肥標準。最終堆制物中的重金屬含量除As略超標準外，Cd、Cr、Pb的含量都在正常范圍內(nèi)。但堆肥技術(shù)工藝煩瑣，成品肥料成分復(fù)雜，關(guān)于禽畜糞便廢棄物的高溫好氧堆肥養(yǎng)分變化規(guī)律和腐熟度評價指標目前沒有統(tǒng)一的工藝評定標準，對農(nóng)業(yè)固體廢棄物進行無害化、資源化的環(huán)保處理技術(shù)也有待進一步發(fā)展。

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