有機物料腐熟劑對豬糞堆肥效果的影響

首雅瀟，鄭美漩，鄭業(yè)魯，鄭 煒

（1.廣東廣墾畜牧工程研究院有限公司，廣州 510000；2.茂名市名富生物科技有限公司，廣東 化州 525100；3.北京豐合宇泰生物科技有限公司，北京 100000）

1 試驗背景

隨著全國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖業(yè)所產(chǎn)生的糞便污染問題日益加重，已經(jīng)成為主要的農(nóng)業(yè)面源污染源之一[1]。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部數(shù)據(jù)，全國每年產(chǎn)生的畜禽糞污為38 億噸，綜合利用率不到60%[2]。

高溫好氧堆肥技術(shù)是循環(huán)農(nóng)業(yè)中固體廢棄物處理及資源化利用最常用的有效手段之一，具有成本低廉、環(huán)境污染小、易大規(guī)模操作等特點。經(jīng)過一定時間堆肥腐熟制成的有機肥可作為土壤改良劑，改良土壤理化性質(zhì)，提升土壤肥力，具有顯著的環(huán)境效益和社會效益[2]。然而，堆肥過程中會有40%～80%的氮素在堆肥的高溫期以氨氣和氧化亞氮的形式排放損失掉。含氮氣體的大量逸出不僅導(dǎo)致堆肥中的氮養(yǎng)分損失，降低了堆肥肥效，還對大氣環(huán)境造成了二次污染，加劇了全球的溫室效應(yīng)，阻礙了堆肥技術(shù)的大規(guī)模發(fā)展[3～4]。

氮素的遷移和排放主要受堆體原料構(gòu)成、通風(fēng)情況、溫度、含水率、C/N、pH、添加劑等因素影響[5]。目前，控制堆肥中氨氣排放以減少氮素損失的方法大致可分為物理法、化學(xué)法和生物法。沸石、活性炭、泥炭、黏土、玄武石等吸附性能好的添加劑能減少堆肥過程中氨氣和其他含氮氣體的排放，從而降低氮素損失[6]。魏晶晶[7]研究發(fā)現(xiàn)，堆肥過程中添加生物炭后，全氮含量相對于對照組增加了14%，N2O 減排率為17%～87%，NH3減排率為18%～26%；徐鵬翔等[8]研究發(fā)現(xiàn)，原料含水率為63%時總氮養(yǎng)分含量最高（14.20 g/kg），原料含水率為60%時有效氮養(yǎng)分含量最高（9.53g/kg）；莫云等[9]發(fā)現(xiàn)，不添加功能菌能顯著降低堆體的銨態(tài)氮和氨氣，堆肥結(jié)束時總氮相對于對照組提高了11.7%；薛文濤等[10]發(fā)現(xiàn)，添加了5%的檸檬酸和草酸，分別降低了堆肥中氨氣累計排放量的44.15%和69.57%，氮素損失量分別降低25.16%和48.54%。其中，微生物功能菌劑不僅引入了效果較好的菌種，還可以調(diào)節(jié)原體系的碳代謝和氮代謝，加快堆肥進程，提高堆肥的腐熟度。在堆體中加入微生物菌劑，還能起到固氮作用，將氨氮轉(zhuǎn)化為有機氮。

本試驗以新鮮豬糞為研究對象，木屑為輔料，對比了外源微生物菌劑對畜禽糞便堆肥發(fā)酵腐熟度及固氮效果的影響，探討了可能的保氮機制，以期獲得一種簡單快速減少氮素損失的技術(shù)。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

本堆肥試驗在名富有機肥場露天地面硬化場地進行，堆肥2020 年12 月7 日開始，2021 年3 月3 日結(jié)束，為期90 天。

堆肥原料為新鮮豬糞；木屑購于當?shù)匾患壹揖邚S，以木屑為輔料，用于調(diào)節(jié)C/N 和含水率到合適水平。菌劑由北京豐合宇泰生物科技有限公司提供，菌劑含菌數(shù)為9.94×107CFU/g。

2.2 試驗方法

試驗開始前，將10 kg 菌劑與200 L 木屑充分混合，再將混有菌劑的200 L 木屑均勻混入剩余木屑中，制成5 噸堆肥輔料。然后將固液分離后的豬糞渣10 噸混入輔料中，制成堆肥，原料的基本性質(zhì)詳見表1。堆肥開始后的第1、2、3、4 天翻堆，此后從第8 天開始每5 天翻1 次堆。整個試驗期間，堆體如有滲瀝液，可用木屑吸收，并記錄滲瀝液出現(xiàn)的時間和數(shù)量。

表1 堆肥原料的基本性質(zhì)

2.3 試驗測定

1.3.1 取樣。分別在堆肥初始階段、升溫階段、最高溫度、堆肥結(jié)束時各取樣1 次，在堆體的上中下3 點隨機取樣，并用四分法混合均勻后分取200 g 左右鮮樣。取出小部分用于當天測定含水率、pH 值；其余部分風(fēng)干后粉碎過40 目篩，用于全氮、有機質(zhì)、全磷、全鉀測定。

1.3.2 測定指標及方法

溫度測定。將工業(yè)溫度計插入距離頂部50 cm 的堆體中心測量，堆肥開始前5 天每天上午7：00 測量1 次堆體中心溫度，此后每天上午7：00 和下午4：00 測量2 次堆體中心溫度，2 次測量的平均值作為堆體溫度。

pH 值測定。鮮樣和去離子水按照1：10（g/mL）在搖床振蕩浸提1 h 后，在4000 r/min 下離心10 min，取得的堆肥浸提液用pH 計測定并記錄結(jié)果。

總氮測定采用凱氏定氮法。

有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀水浴加熱法。

全磷測定采用釩鉬酸銨比色法。

堆肥結(jié)束后進行種子發(fā)芽指數(shù)測定。種子發(fā)芽指數(shù)的測定參考中華人民共和國國家標準（GB/T 23486-2009），四季奶油小白菜種子25℃下避光培養(yǎng)48 h，測定種子的發(fā)芽率和根長。試驗取2 個平行樣品進行，以去離子水作為空白對照，3 次重復(fù)。

種子發(fā)芽率指數(shù)GI 公式如下：

GI=（浸提液種子發(fā)芽率×根長）/（對照種子發(fā)芽率×根長）×100%

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中的溫度變化

堆肥時間持續(xù)90 天，整個堆肥過程主要由3 個階段組成，即升溫期、高溫期和降溫期。由圖1 可知，該堆肥的溫度總體呈先升高后降低，最終趨于平穩(wěn)的變化趨勢。堆肥在第26 天達到50.08℃，并在第39 天達到最高溫度59.42℃。整個過程中，堆肥溫度超過50℃持續(xù)時間超過7 天，符合GB/T 36195-2018《畜禽糞便無害化處理技術(shù)規(guī)范》標準，同時也是殺滅糞便中致病菌和寄生蟲的重要條件，該堆肥達到無害化腐熟標準。

圖1 堆肥中的溫度變化

2.2 堆肥過程中的含水率和有機質(zhì)變化

水是堆肥中微生物生長繁殖必不可少的條件之一，含水率60%～70%是微生物生長最適宜的條件。堆肥過程中，一方面因為有機物氧化分解產(chǎn)生水分而增加；另一方面由于通風(fēng)和堆體溫度使水分以水蒸氣形式揮發(fā)而降低，堆肥含水率的變化主要是這兩者綜合作用的結(jié)果[11]。

堆肥過程中含水率和有機質(zhì)的變化如圖2 所示，在整個堆肥過程中，堆肥的含水率總體呈逐漸下降趨勢。堆肥起始時，豬糞含水率為75.7%；到第36 天時，降至59.9%；第91 天結(jié)束時，含水率為45.5%，相比第1 天下降了40%。程紹明等[12]研究發(fā)現(xiàn)，木屑作為調(diào)理劑有助于堆體水分的散失，并且在堆肥結(jié)束時各處理的含水率均在50%左右，與本試驗的結(jié)果基本一致。

堆肥過程是微生物參與的各種代謝過程，有機質(zhì)能為微生物提供碳源，有機質(zhì)的變化在一定程度上反映了堆肥的腐熟度。由圖2 可知，整個堆肥周期內(nèi)有機質(zhì)含量均呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，堆肥初期有機質(zhì)含量為100.2%，結(jié)束時為91.3%。整個堆肥過程中有機質(zhì)含量變化不大的原因可能是因為木屑的添加比例過大，并且木屑中的有機質(zhì)含量過高，導(dǎo)致豬糞有機質(zhì)所占比例較小。而木屑的主要成分是難降解的木質(zhì)素，豬糞中有機質(zhì)的降解不足以引起堆肥有機質(zhì)明顯變化[13]。

C/N 是堆肥過程中決定有機物質(zhì)分解的重要因素，可作為評價堆肥腐熟的重要參數(shù)之一，也可反映堆肥的穩(wěn)定程度以及判斷堆肥中是否存在對植物有毒害作用的物質(zhì)[14]。由圖2 可知，堆肥過程中C/N 呈先下降后趨于穩(wěn)定的變化。堆肥初期C/N 下降速度較快，可能是由于堆肥初期微生物較活躍，消耗了大量的碳源，并以CH4、CO2、N2O 等形式散發(fā)出去，而且碳損失速度大于氮損失速率。堆肥后期，碳源損耗較快，C/N 呈現(xiàn)出較低水平，并趨于穩(wěn)定。堆肥起始時，堆肥C/N 為35.9，堆肥結(jié)束時為28.3。

圖2 堆肥過程中含水率、有機質(zhì)和C/N 的變化

2.3 堆肥過程中總養(yǎng)分和氮磷鉀含量變化

從圖3 可以看出，堆肥的全氮含量隨著堆肥進程呈逐漸降低趨勢。堆肥初期的豬糞全氮含量為1.62%，在第36 天時堆肥的全氮含量為3.35%，到堆肥結(jié)束時降低至1.87%。從堆肥第36天到第41 天，全氮含量下降41.8%，主要原因是該階段處于堆肥高溫期，堆體含氮有機物分解產(chǎn)生的NH3大量逸散，導(dǎo)致全氮含量降低。從堆肥第41 天至堆肥結(jié)束，堆肥處于降溫期，整個堆肥處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，好氧微生物活動相對減弱，同時含水率也在逐漸降低，導(dǎo)致全氮相對含量基本不變。張建華等[15]的研究結(jié)果表明，使用藥渣作為調(diào)理劑能起到較好的固氮效果，而木屑作為調(diào)理劑堆肥結(jié)束時的全氮含量為3.0%左右。

如圖3 所示，堆肥開始時全磷含量為1.6%，在整個堆肥過程中，全磷含量呈上升趨勢，結(jié)束時含量為2.4%。整體來說，全磷的絕對含量雖有所增加，但是增幅較小。高云航等[16]試驗中，堆肥開始至結(jié)束全磷含量也在1.08%～2.35%之間，與本試驗結(jié)果基本一致。

圖3 堆肥過程中的總養(yǎng)分和氮磷鉀含量變化

堆肥過程中全鉀整體呈先上升后下降趨勢。堆肥初始時全鉀含量為0.27%，第36 天時上升至最大值0.55%，結(jié)束時下降至0.52%。全鉀含量的上升可能是由于鉀在堆肥中不易揮發(fā)，隨著堆肥進行，總質(zhì)量下降，全鉀含量發(fā)生濃縮所致。

2.4 堆肥過程中的pH 值變化

適宜的pH 值是微生物發(fā)揮應(yīng)有作用的前提，pH 值會隨著時間和溫度變化而變化。由圖4 所示，堆肥起始時pH 值為8.1，第36 天達到最小值7.34，第41 天達到最大值8.36。堆肥結(jié)束時，堆體的pH 值為7.62，符合一般堆肥腐熟后呈弱堿性的特點。羅一鳴等[17]試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過90 天的堆肥pH 值均保持在7.0～8.0，符合有機肥料標準。

圖4 堆肥過程中的pH 值變化

2.5 堆肥過程中的種子發(fā)芽指數(shù)變化

堆肥腐熟最具有實際意義的指標為種子發(fā)芽指數(shù)（GI），種子的生長試驗是評價堆肥腐熟度最具有代表性的方法[18]。發(fā)芽指數(shù)大于50%時，可認為堆肥對植物基本無毒性；大于80%時，認為對植物完全無毒性[19]。本次試驗堆肥結(jié)束時發(fā)芽指數(shù)2個平行樣品3 次重復(fù)取平均值，詳見表2，可知結(jié)束時GI 平均為91.78%，遠高于80%。由此可知，該堆肥已達到腐熟，并且對植物生長無影響。侯月卿等[20]研究結(jié)果也表明，各處理種子發(fā)芽指數(shù)達到95%以上，均達到堆肥腐熟標準，與本試驗結(jié)果基本一致。有機肥料的行業(yè)標準（NYT 525-2021）關(guān)于種子發(fā)芽指數(shù)的技術(shù)指標要求是≥70%，本試驗的堆肥滿足該技術(shù)指標要求。

表2 堆肥結(jié)束時種子發(fā)芽指數(shù)（GI）

3 結(jié)論

經(jīng)過90 天堆肥發(fā)酵，本試驗堆肥高溫期（≥50 ℃）大于7天，達到畜禽糞便無害化的要求。堆肥結(jié)束時GI 在80%以上，不會對作物而生長產(chǎn)生毒害作用。

添加外源菌劑對堆肥起到一定固氮作用，同時有利于堆肥組分中有機物的分解。堆肥結(jié)束時C/N 仍高于20，說明堆肥時木屑添加比例過高，初始C/N 較大，木屑中難分解的木質(zhì)素較多，影響堆肥有機物分解。

經(jīng)過90 天的堆肥發(fā)酵，堆肥結(jié)束時含水率仍在40%以上，說明物料緊實度過高，影響堆肥的通氣性，可增加翻堆頻率加速水分散失。

堆肥結(jié)束時pH 值在7.0～8.0 之間，符合有機肥標準。堆肥的全磷和全鉀變化不大，主要是因為其在堆肥中含量較低，并且不易逸散。