有機物料對牛糞好氧堆肥過程的影響
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摘要：為了解決牛糞纖維含量較高，C/N值低，不易腐解的問題，本試驗結合當地農業廢棄物特點及數量，從玉米秸稈、糠醛渣、菌渣等材料中篩選出適合牛糞發酵的輔料，采用好氧發酵方法，通過測定發酵期間堆肥溫度、容重、pH值、有機質、氮磷鉀含量、種子發芽指數等指標，檢驗牛糞與不同輔料配合的發酵效果。結果表明，配方1（牛糞69%+輔料A31%+菌劑，輔料A為糠醛渣、秸稈、氧化鈣）、配方2（牛糞76%+輔料B24%+菌劑，輔料B為秸稈、尿素）、配方3（牛糞86%+輔料C14%+菌劑，輔料C為糠醛渣、氧化鈣）、配方4（牛糞63%+輔料D37%+菌劑，輔料D為糠醛渣、菌渣、氧化鈣）在發酵23d后各項指標趨于穩定;四個配方在發酵過程中達到50℃高溫的時間分別為1、6、3、3d，維持時間均在23d以上，達到了好氧發酵的衛生要求;0～1dpH值下降，1～11d升高，11～23d呈現下降趨勢，23～32d穩定，最終pH值達到7.5～8.2;有機質、氮、磷、鉀含量變化幅度較大的時段是0～23d，發酵結束后氮、磷、鉀含量均升高，C/N值由30下降到15.3～20.3;四個配方發酵產物浸出液的發芽指數均在95%以上，達到了無害化程度。綜合各項指標，四個配方在發酵23d后達到無害化程度，均適合做牛糞發酵的輔料;發酵到23d時四個配方的有機質含量乘以1.5后均達到70%以上，符合NY525—2012有機肥的標準;N+P2O5+K2O含量大于4.3%，接近商品有機肥的標準，四個配方的發酵產物均可以作為商品有機肥的原料。
關鍵詞：牛糞;有機物料;好氧發酵;秸稈;菌渣;糠醛渣
中圖分類號：S141.3文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2019）05-0076-07
隨著畜禽養殖業集約化程度提高，養殖業與種植業的日益分離，循環農業的鏈節中斷，畜禽糞便用作農田肥料的比重大幅下降，亂堆亂排的現象越來越普遍，造成了嚴重的環境污染。比如NH3、NOx的揮發造成酸雨;氮、磷流失及病原微生物的擴散造成水源富營養化，生活用水及地下水受污染[1];散發的惡臭氣味嚴重影響著附近居民的身心健康[2]。因此，有效合理使用畜禽糞便，已越來越為世界各國所重視。
大量研究證明，好氧堆肥是實現畜禽糞便無害化的有效措施，通過調控有機物料水分和碳氮比等條件，使微生物繁殖并分解有機物，將堆肥原料中不穩定的有機物，通過高溫好氧發酵，逐步降解為性質穩定、對作物無害或改良土壤的堆肥產物[3]。堆肥腐熟若不充分，則有害于農作物的生長發育，而過度腐熟，有機碳與氮素損失大、肥效低[4，5]。因此，針對畜禽糞便類型及發酵堆肥的用途，篩選出適合糞便好氧發酵的輔料是決定發酵質量的關鍵因素。牛糞纖維含量較高，不易腐解，C/N比約為13，不能滿足發酵所需要的C/N比為25～30的條件[6]，所以需要添加一定C/N較高的輔料將其調配到適合發酵的C/N、容重等指標。調節C/N比的輔料主要有農林廢棄物或食品副產品等。劉超等[7]以蘑菇渣、稻殼為輔料，研究表明C/N為25時堆體達到的溫度最高，達到最高溫度所需時間最短且保持65℃以上時間最長。朱海生等[8]利用鋸末調節牛糞C/N，添加鋸末顯著降低牛糞貯存過程中總溫室氣體排放量。Zhang等[9]在園林廢棄物中添加魚塘底泥和磷礦粉，可以加速腐殖化進程，使發酵時間從90～270d縮短至22d。輔料的選擇一方面要考慮達到發酵的條件，同時需要考慮輔料的來源，由于商品有機肥的利潤問題，所以最好選擇運輸半徑較近的原料，即充分利用當地農業廢棄物作為輔料。關于不同輔料的添加比例、發酵效果目前沒有統一的技術規程，本研究擬結合當地的玉米秸稈、糠醛渣、菌渣等輔料，篩選出適合牛糞發酵的輔料并確定其添加比例，以便提高牛糞發酵速度，實現牛糞無害化的同時，充分利用當地廢棄物資源。
1材料與方法
1.1試驗材料
?。?）牛糞：成年奶?；旌霞S便。（2）玉米秸稈：濟南附近農村購買。（3）菌渣：栽培雙孢菇的下腳料。（4）糠醛渣：生物質類物質如玉米芯、玉米稈、稻殼等農副產品中的聚戊糖成分水解生產糠醛（呋喃甲醛）產生的廢棄物。（5）微生物發酵菌劑：復合微生物（光合菌、酵母菌、乳酸菌、放線菌、芽孢桿菌等多種微生物，有效活菌數≥2×108cfu/mL）。（6）氧化鈣：CaO含量85%，大連老虎礦業有限公司生產，主要用于調整物料pH值。試驗材料基本理化性質見表1。
1.2試驗方法
好氧堆肥的關鍵是發酵條件，大量研究表明，最佳發酵條件是C/N為（25～30）∶1，pH值在6.5～8.0，含水量推薦上限在50%～60%[3]。本試驗根據物料特點，將其初期C/N調整約為28∶1，含水量約為60%，pH值約7.2。根據上述原則，試驗設置4個處理，各處理的原料及其比例（重量比，干基計）分別為：配方1：牛糞（69%）+輔料A（31%）+菌劑，輔料A為糠醛渣、秸稈、氧化鈣;配方2：牛糞（76%）+輔料B（24%）+菌劑，輔料B為秸稈、尿素;配方3：牛糞（86%）+輔料C（14%）+菌劑，輔料C為糠醛渣、氧化鈣;配方4：牛糞（63%）+輔料D（37%）+菌劑，輔料D為糠醛渣、菌渣、氧化鈣。4個配方處理的菌劑相同，用量為牛糞+輔料總重量的0.5%。
試驗于2017年5月22日至6月23日在濟南老伙計生態肥業有限公司進行。將玉米秸稈粉碎至1.5～2cm左右，然后將牛糞與粉碎好的秸稈、糠醛渣等物料混合，再加入發酵菌劑、尿素、水分等其它物料，充分混合。然后將混合物料運送至發酵槽中，堆成高約1.2m、寬約2m、長約3m的堆體。
于每天上午9∶30—10∶30和下午15∶30—16∶30，測定堆體中間位置的上中下部的溫度、含水量（采用SY系列堆肥專用溫度/含水率傳感器測定）、氧氣含量（采用堆肥專用氧含量分析儀測定）等指標。一般適宜的含水量在50%～60%，超過這個范圍，水分會堵塞物料間空隙，易形成厭氧狀況，微生物分解活性會降低[10，11]，產生臭氣，養分損失大，堆肥速度慢;水分在35%～40%時，堆肥中微生物的降解速率會顯著下降，小于30%時，降解完全停止[3]。所以當含水量低于30%時，開始補充水分至60%。一般認為堆體中的含氧量保持在5%～15%之間比較適宜。氧含量低于5%會導致厭氧發酵;氧含量高于15%則會使堆體冷卻，導致病原菌大量存活[12]。本試驗中氧氣含量低于5%時，翻堆;溫度達到65℃以上時，也開始翻堆。同時記錄周圍環境的平均溫度，以便有效控制堆肥進程和產品質量。分別于0、1、5、11、19、23、27、32d，采用5點法在堆體不同部位取樣一次，取樣量為200g左右，樣品混合均勻后測其pH值[13]、有機質[14]、氮[13]、磷[13]、鉀[13]含量、容重[3]。 發酵結束后，采用發芽率試驗檢測發酵物料腐熟度。具體測定方法：首先進行堆肥發酵物浸提液的提取。新鮮堆肥樣品和去離子水按固液比為1∶10（W∶V=質量∶體積）比例混合，在200r/min的速度下振蕩浸提1h，將其離心（4000r/min）10min，得到堆肥水浸提液，過濾后取上清液于塑料瓶中4℃貯存備用。在9cm培養皿內墊上一張濾紙，均勻放入20粒油菜種子，加入堆肥樣品浸提濾液5mL，在25℃培養箱中黑暗培養48h，取出計算發芽率，10d后，測定油菜根長，每個樣品做3次重復，同時用蒸餾水做空白試驗。按照以下公式計算發芽指數（GI）：
GI=（堆肥浸提液的種子發芽率×種子根長）/（蒸餾水的種子發芽率×種子根長）×100%
1.3數據分析
運用MicrosoftExcel進行數據處理及作圖，用DPSv7.00軟件對數據進行方差分析，應用Duncan’s新復極差法進行多重比較（P<0.05）。
2結果與分析
2.1不同有機物料配比堆肥過程中溫度的變化
好氧堆肥的關鍵是溫度，溫度變化是反映發酵是否正常的最直接、最敏感的指標[3]。從圖1看出，堆肥溫度變化有3個階段：升溫階段、高溫階段（堆肥溫度高于50℃）、降溫腐熟階段。配方1在堆肥1d后，溫度達到50℃以上，第8d時溫度達到最高72℃，2～25d基本維持在60℃以上，25d后開始下降，但依然在50℃以上，30d之后低于50℃，即1～29d均維持在50℃以上，此后溫度趨于穩定;配方2在堆肥6d時溫度達到50℃以上，第8d溫度達到最高70.9℃，7～24d基本維持在60℃以上，25d開始下降，6～29d均維持在50℃以上;配方3溫度變化較大，第3d時溫度達到50℃以上，20d時達到最高溫度68℃，3～29d間溫度大部分在50～68℃之間;配方4在堆肥3d后溫度達到50℃以上，第18d時溫度達到最高66.1℃，3～25d基本維持在50℃以上，26d開始下降，溫度低于50℃。四個配方相比，配方2溫度上升慢，配方3和配方4溫度低，配方1溫度上升快且25d前一直處于較高狀態。25d后四個配方的溫度均趨向穩定。
按照GB/T7959—2012糞便無害化衛生要求，機械：堆溫≥50℃，至少持續2d;人工：堆溫≥50℃，至少持續10d[15]。從本試驗發酵過程中溫度的變化看出，四個配方在發酵過程中達到50℃高溫的時間分別為1、6、3、3d，維持時間分別為29、24、27、23d，均達到了好氧發酵的衛生要求。
2.2不同有機物料配比堆肥過程中pH值的變化
在堆肥過程中pH值是一個重要的因素。一般pH值在5～9之間都可以進行堆肥。pH值過高或過低均影響微生物的活性，進而降低發酵速率，導致臭味產生[16，17]。發酵過程中pH值會隨著發酵進程的變化而變化，鮑艷宇等[18]研究表明，在前3d（升溫期），由于微生物分解蛋白質類有機物產生氨氮，促使pH值上升較快;在堆肥后期，隨著氨的揮發及蛋白質類有機物的降解，pH值下降。而李季等[3]研究表明，好氧堆肥初期，pH值一般下降到5～6，而后開始上升，過程完成前可達8.5～9.0。從圖2看出，發酵初期將物料pH值調整為約7.2，0～1dpH值下降，降低值為0.01～0.68，配方1和配方2降低幅度較大，配方2變幅最大，配方3和配方4降低幅度小;1～11dpH值升高，增加值為0.69～1.62，配方2增幅最大，最低的是配方4;11～23d呈現下降趨勢，降低值為0～0.27，降幅最高的是配方4，最小的是配方3。23d后pH值基本穩定，最終pH值達到7.5～8.2。與曹云等[19，20]研究結果基本一致。
不同配方間相比，在不同發酵時間基本呈現出配方3的pH值最高，最高值達到8.27;1～5d時，配方1的pH值最低，11～23d配方4的pH值最低;但差異未達到顯著水平。
2.3不同有機物料配比堆肥過程中容重的變化
圖3結果表明，發酵過程中，堆體的容重逐漸增加，0～23d間增幅較大，之后幅度變小。與未發酵時（0d）相比，第23d的容重均顯著升高，配方1、配方2的增幅較大，均在100%以上，因為這兩個配方中含有秸稈，因此隨著發酵時間延長，容重增加幅度較大，配方3、配方4的增加幅度較小，分別為21.43%和16.67%。不同配方間相比，配方2顯著低于其它處理，原因是配方2的主要原料是牛糞和玉米秸稈;配方3顯著高于其它處理;不同處理間容重差異的主要原因是不同配方的發酵原料差異較大。
2.4不同有機物料配比堆肥過程中有機質的變化
有機碳是微生物在分解有機物料中半纖維素、纖維素等的產物，但它又是微生物本身所依賴的碳源與能源。堆肥前期，水溶性有機碳呈波動上升趨勢[21]，因為在堆肥初始階段，溫度迅速升高，被微生物快速降解。此后，隨著易降解有機物的消耗，有機物分解速度減慢。
從有機質變化趨勢（圖4）看，配方1和配方3的整體變化較大，配方2在0～5d間變化大，此后變化很小，配方4在整個發酵過程中有機質的變化很小。有機質的變化主要在0～23d期間，之后變化較小，27d后略有下降。與未發酵時（0d）相比，配方1和配方2的有機質含量在堆肥過程中基本呈現下降趨勢，配方3、配方4的有機質含量均有升高，增幅最大的是配方3。不同配方間相比，11d之后配方2和配方4的有機質含量顯著高于配方1和配方3。試驗結果初步說明，本試驗條件下有機質的快速分解在23d內，此后分解速度減慢，發酵時間延長，有機質損失增加。與常志州等[4]研究結果基本一致，堆肥時間越長，有機碳的損失量越大。發酵到23d時四個配方的有機質含量乘以1.5后均達到70%以上，符合NY525—2012有機肥的標準。
2.5不同有機物料配比堆肥過程中全氮、磷、鉀含量的變化 從氮含量（圖5）變化趨勢看，配方1和配方4在0～19d呈現上升趨勢，19～32d逐漸下降;配方2和配方3在0～23d氮含量一直呈現上升趨勢，之后開始下降，配方2的上升幅度高于配方3。與未發酵時（0d）相比，不同時間段的氮含量均顯著升高，變幅最大的是配方2，最小的是配方4。這與有機物料堆肥過程一般伴隨著氮、磷、鉀等營養元素含量升高及形態的變化[22-25]研究一致。不同配方間相比，配方2顯著高于其它處理，配方3顯著低于其它處理，配方1和配方4差異不顯著。0～11d不同配方處理的氮含量呈現平行上升趨勢，19d開始，隨著時間的推進，變幅差異變大。
從圖5磷含量的變化趨勢看，配方1在0～23d間呈現逐漸上升趨勢，此后下降;配方2在0～23d基本呈上升趨勢，此后基本穩定;配方3在0～11d逐漸上升，此后基本呈下降趨勢;配方4在0～19d基本上升，19～27d下降;所有配方磷含量在27～32d變化平穩。與未發酵時（0d）相比，不同配方、不同階段的磷含量均顯著升高，變化幅度最大的是配方2，最小的是配方4。不同配方間相比，在第11d和第19d時差異較大，說明磷的變化主要在5～23d。
從圖5鉀含量變化趨勢看，除了配方2在第11d時下降較大外，其余時間所有配方基本呈上升趨勢。與未發酵時（0d）相比，不同配方、不同階段的鉀含量均顯著升高，0～11d變化幅度最大的是配方2，最小的是配方4。不同配方間相比，配方2的鉀含量最高，其次為配方1，均顯著高于配方3和配方4，主要是由于配方1和配方2中含有秸稈的原因，秸稈本身鉀含量高，此外含有秸稈的物料發酵后容重變化大。
從氮磷鉀總量（圖5）變化趨勢看出，配方1和配方4在19d時氮磷鉀總量達到最高值，配方2、配方3分別在23、11d時達到最高，此后逐漸下降;配方2最高值為5.04%，達到了商品有機肥的標準，其余配方最高值在4.30%以上，接近商品有機肥的標準，四個配方均可以作為商品有機肥的原料。
上述結果表明氮、磷、鉀素的變化主要在23d前，不同配方間差異的原因一方面是由于養分形態（主要是氮素）的變化，另一方面與容重的變化有關，這與劉超等[7]研究結果一致。在高溫堆肥結束時，全磷、全鉀含量比堆肥初始有所增加，原因是堆肥過程中磷素和鉀素不會揮發損失，而堆體的總干物質下降所致。下一步應該測定發酵過程中總養分的變化及氮素形態變化，進一步明確發酵過程中各類養分的變化規律，為減少養分流失，提高堆肥質量提供解決思路。
2.6不同有機物料配比堆肥過程中C/N的變化
圖6結果顯示，C/N比值由試驗初期的約28∶1降低到（15.3～20.3）∶1。達到了腐熟的C/N值。發酵過程中，C/N比基本呈現0～19d逐漸下降、19～23d開始稍微上升、之后穩定的趨勢。與前人的研究一致，即堆肥化過程是C/N逐漸下降并趨于穩定的過程，腐熟堆肥的C/N比一般為15左右[24]。
2.7不同有機物料發酵產物對油菜發芽指數的影響
種子發芽指數被認為是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度評價指標，一般情況下，發芽指數大于50%可認為堆肥對種子基本無毒性，大于85%可認為完全無毒性[3]。
本試驗取發酵23d時的樣品進行發芽率試驗，結果（圖7）表明，不同配方處理發酵產物浸出液處理的油菜發芽指數均在95%以上，達到完全無毒程度。
3結論
?。?）四個配方在發酵23d后均達到無害化的程度，玉米秸稈、糠醛渣、菌渣與牛糞按不同比例混合均適合做牛糞發酵的輔料。牛糞+糠醛渣+秸稈的優點是升溫快，高溫維持時間長。
?。?）發酵到23d時四個配方的有機質含量乘以1.5后均達到70%以上，符合NY525—2012有機肥的標準。配方2的N+P2O5+K2O總量最高達5.04%，達到了商品有機肥的標準，其余配方最高值在4.30%以上，接近商品有機肥的標準，四個配方均可以作為商品有機肥的原料。
?。?）本試驗條件下發酵時間最好為23d，之后養分損失加大。
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