添加硫酸對牛糞堆肥過程及其養(yǎng)分變化的影響

胡雨彤， 時連輝, 3*， 劉登民， 仝少偉， 魏美艷， 孫 杰

(1 土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東泰安 271018; 2 山東農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山東泰安 271018; 3 山東省農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，山東泰安 271018)

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

于2012年5月9日至6月21日，牛糞堆肥試驗在山東農(nóng)業(yè)大學南校區(qū)堆肥基地進行，在山東農(nóng)業(yè)大學資環(huán)學院進行堆肥理化性質(zhì)分析。以鮮牛糞和鋸末為原料進行條垛式翻堆堆肥。牛糞取于山東省泰安市岱宗北集坡趙莊，鋸末購自泰安市木材市場，為松樹板材加工下腳料，發(fā)酵菌劑由山東省泰安亞細亞食品有限公司有機肥料廠提供。堆肥原料的理化性質(zhì)見表1。

表1 堆肥原料的理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗進行初期，將鮮牛糞樣品采集至室內(nèi)，在1 L牛糞中添加不同量不同濃度的硫酸，發(fā)現(xiàn)用50 mL 0.02 mol/L的硫酸可以將牛糞中pH值調(diào)節(jié)至7.5左右， 用50 mL 0.1 mol/L的硫酸可以將牛糞中pH調(diào)節(jié)至6.3左右。針對堆肥過程中堆肥初期pH值在中至微堿性之間微生物活躍，酸性環(huán)境下抑制微生物活動，堆體溫度上升較慢，易產(chǎn)生臭味等， 綜合考慮各個因素，同時達到降低牛糞中pH值的作用，本試驗共設(shè)4個處理： 1)不加硫酸僅原料堆肥+蒸餾水10 L/m3(CK); 2)原料+0.1 mol/L硫酸10 L/m3(H1); 3)原料+0.2 mol/L硫酸10 L/m3(H2); 4)原料+0.3 mol/L硫酸10 L/m3(H3)。將蒸餾水和硫酸溶液在堆料堆制過程中均勻地噴灑到原料中。在堆肥堆制第0、 3、 6、 13、 20、 27、 43 d進行采樣，共計7次。采樣方式為5點采樣法，即中心和四角部位采集樣品共約1 kg。采樣點為距堆體表面30 cm處，然后進行混合均勻。將采集的新鮮樣品用于測定含水量、 有機碳、 發(fā)芽指數(shù); 部分放于室內(nèi)風干，取部分測pH值、 EC值，其余粉碎，過1 mm篩貯存，用于全氮、 全磷、 全鉀、 有效磷、 速效鉀的測定。剩余樣品于4℃冰箱保存。

1.3 測定項目與方法

溫度： 于每天早上10： 00用溫度計插入堆體表層下30 cm處，采用多點測量取平均值的方法，同時監(jiān)測環(huán)境溫度的變化。

含水率： 用80℃恒溫箱烘24 h后測定，含水率=(濕重-干重)×100%/濕重。

pH、 EC： 采用1 ∶5(v/v)蒸餾水提取液測定基質(zhì)pH和EC值。取自然狀態(tài)下風干基質(zhì)10 mL裝入震蕩瓶中，加蒸餾水50 mL，震蕩30 min，過濾，用PC700測定儀測定。

堆肥中全氮、 全磷、 全鉀指標按照農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY525-2011測定; 有效磷按照NY/T300-1995測定; 速效鉀按照NH4OAC浸提—火焰光度法測定; 有機碳按照灰化法測定，隨后求出C/N。

種子發(fā)芽指數(shù)： 取5 g鮮樣加入50 mL蒸餾水，振蕩1 h，吸取5 mL濾液，加到鋪有2張濾紙的9 cm培養(yǎng)皿中，每培養(yǎng)皿中均勻放入10粒新白菜籽(品種為北京3號)，以蒸餾水作對照，每個處理重復3次，在25℃黑暗條件下培養(yǎng)24 h，測定種子發(fā)芽率和根長，然后按以下公式計算種子的發(fā)芽指數(shù)GI值。

GI=(堆肥處理的種子發(fā)芽率×種子根長)×100%/(對照的種子發(fā)芽率×種子根長)。

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2003和SPSS 15.0進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體物理性狀的變化

在堆肥第1 d，4個處理物料均呈現(xiàn)黃褐色，黏結(jié)成球塊狀，同時牛糞的氣味基本未變。從第2 d測量溫度發(fā)現(xiàn)，4個處理堆肥發(fā)酵速度較快，特別是添加硫酸處理。表層下30 cm左右已經(jīng)開始冒熱氣及散發(fā)出刺激性氣味。到堆肥第3 d采樣發(fā)現(xiàn)有大量白色菌絲和強烈氨味。隨著堆肥化進程的發(fā)展，堆肥物料顏色逐漸變深至黑褐色，開始腐爛。在堆肥第20天，測量發(fā)現(xiàn)各堆體高度與開始相比下降約25%左右。

2.2 堆體溫度的變化

圖1 不同添加量的硫酸對堆體溫度的影響Fig.1 Temperature changes in the composting with different amounts of sulfuric acid

圖2 不同添加量的硫酸對堆體含水量的變化Fig.2 Changes of moisture content in the composting with different amounts of sulfuric acid

2.3 堆肥過程中含水量的變化

2.4 堆肥過程中pH和EC值的變化

圖3 不同添加量的硫酸對堆體pH和EC的影響Fig.3 pH and EC changes in the composting with different amounts of sulfuric acid

從圖3中還可以看出，各處理的EC值在堆肥初期變化基本一致，呈現(xiàn)出升—降—升—降的趨勢。整個堆肥過程中CK處理的EC值最低，其余3個處理由于硫酸的添加，增加了堆肥中可溶性鹽的含量，同時由于發(fā)酵過程中產(chǎn)生大量小分子物質(zhì)，促使EC值上升。研究認為，當堆肥EC值小于9.0 mS/cm時，對種子發(fā)芽沒有抑制作用[11]。試驗各處理EC值最高為3.02 mS/cm，并且到堆肥結(jié)束各個處理的EC值分別為1.65、 1.91、 2.16、 2.53 mS/cm，因此從EC值上看添加硫酸處理對堆肥質(zhì)量影響不大。

2.5 堆肥過程中碳、 氮的變化

在堆肥過程中，微生物參與各種生化反應(yīng)，而有機碳為微生物活動提供能量和碳源，所以有機碳的變化能在一定程度上反映堆肥的進程，很多學者通過研究有機碳的降解率來判斷堆肥的腐熟度[13-15]。圖4顯示，整個堆肥周期內(nèi)有機碳呈現(xiàn)下降趨勢，且添加硫酸處理中有機碳下降趨勢明顯大于對照CK，堆肥結(jié)束時，H1、 H2、 H3中有機碳含量分別比對照CK降低了6.81%、 18.85%、 11.54%，說明添加硫酸對有機碳礦化有促進作用，特別是H2處理。

圖4 不同添加量的硫酸對堆體全氮和有機碳含量的影響Fig.4 Total N and organic carbon in the composting with different amounts of sulfuric acid

2.5.2 堆體中C/N的變化 C/N比是堆肥過程中決定有機物質(zhì)分解的重要因素可被作為評價堆肥腐熟的參數(shù)，反映堆肥的穩(wěn)定程度以及堆肥中是否存在對植物有毒害作用的物質(zhì)[16]。

圖5 不同添加量的硫酸對堆肥過程中C/N的影響Fig.5 C/N in the composting with different amounts of sulfuric acid

2.6 堆體中鉀的變化

圖6表明，全鉀含量在堆肥13天時略有下降趨勢，隨后開始上升，全鉀含量上升可能由于鉀在堆肥過程中不易揮發(fā)，隨著堆肥過程的進行，堆體總質(zhì)量下降，全鉀含量發(fā)生濃縮所致。添加硫酸處理的堆肥中全鉀含量顯著高于對照CK，在堆肥結(jié)束時，CK、 H1、 H2、 H3中全鉀含量分別達到12.40、 13.43、 14.08、 13.91 g/kg。在堆肥過程中，有機物料中固有的養(yǎng)分得到了充分的活化，速效鉀含量隨著堆肥的進行呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，堆肥43 d與第1 d相比，CK、 H1、 H2、 H3中速效鉀增幅達到64.91%、 76.00%、 96.00%、 84.02%，說明添加硫酸可以較好將鉀素轉(zhuǎn)化成可溶性鉀以及交換性鉀，利于堆肥產(chǎn)品中鉀素被植物吸收利用，特別是H2處理。圖6中速效鉀在全鉀中的百分比在堆肥過程中出現(xiàn)波動，但總體趨勢是增加的，其百分比出現(xiàn)降低的時候，可能是當時速效鉀的增加量小于全鉀的增加量的緣故。堆肥結(jié)束時，不同處理中速效鉀占全鉀的百分比基本達到75%左右。

2.7 堆體中磷的變化

圖6 不同添加量的硫酸對堆肥過程中鉀的影響Fig.6 Potassium in the composting with different amounts of sulfuric acid

圖7 不同添加量的硫酸對堆肥過程中磷的影響Fig.7 Phosphorus in the composting with different amounts of sulfuric acid

2.8 種子發(fā)芽指數(shù)的變化

發(fā)芽指數(shù)是用來評價培養(yǎng)介質(zhì)對植物毒性的參數(shù)，是檢驗堆肥腐熟度最精確最有效的方法，一般認為當GI大于50%時，堆肥基本腐熟且沒有毒性，當GI大于80%時堆肥已完全腐熟，對植物的毒性完全消失[18]。

圖8 不同添加量的硫酸對堆肥過程中發(fā)芽指數(shù)的影響Fig. 8 Changes of seed germination index in the composting with different amounts of sulfuric acid

圖8顯示，堆肥3天采集樣品時，添加硫酸處理的發(fā)芽指數(shù)略有下降，可能由于此時添加硫酸處理堆體內(nèi)微生物活動劇烈，產(chǎn)生大量有機酸所致; 隨后發(fā)芽指數(shù)開始上升，在堆肥20 d以后，試驗中4個處理發(fā)芽指數(shù)均大于50%，說明此時堆體已基本腐熟; 堆肥結(jié)束時CK、 T1、 T2、 T3處理中發(fā)芽指數(shù)分別達到81.54%、 84.01%、 93.46%、 90.28%，均大于80%，說明添加硫酸不會對堆肥產(chǎn)品產(chǎn)生植物毒害作用。

3 討論

硫酸是農(nóng)業(yè)上制造農(nóng)藥和化肥的常用原料，常用來改良高pH值的石灰質(zhì)土壤，在調(diào)節(jié)堆肥pH值的應(yīng)用中直接應(yīng)用硫酸的較少。本試驗處理中，在添加不同濃度硫酸之后，各處理均可進行高溫堆肥。在添加不同濃度硫酸之后，堆肥中氮的固定效果增強，有機碳得到充分降解(圖4)，這與顧文杰等[7]、 黃懿梅等[19]、 林小風等[20]的研究結(jié)果相似。李曉娜等[21]研究表明，在堿性土壤中添加改良劑在降低土壤pH值的同時，可以活化土壤磷的有效性，徐鵬翔[22]研究表明，在豬糞中添加腐植酸可以使有效鉀得到顯著增加，有效磷得到活化，但轉(zhuǎn)化效果不明顯。該試驗中添加硫酸處理，堆體中有效養(yǎng)分得到活化，添加0.2 mol/L硫酸處理下有效養(yǎng)分含量最高(圖6、 圖7)。堆體結(jié)束時發(fā)芽指數(shù)均大于80%，EC值最大為3.02 mS/cm，說明添加硫酸雖然活化了鹽分離子的活性，但是對作物生長不會產(chǎn)生抑制作用。

本試驗從保氮以及養(yǎng)分元素有效性來看，使用0.2 mol/L硫酸效果最好，pH值降低幅度最大的是0.3 mol/L硫酸，在實際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)需要謹慎選擇硫酸濃度，同時如果需要更大幅度降低牛糞pH值，在增大硫酸濃度的同時，應(yīng)注意使堆肥達到無害化標準。

4 結(jié)論

1)本試驗進展中，CK、 H1、 H2、 H3 4個處理中堆肥高溫期(≥50℃)均大于10 d，達到畜禽糞便無害化的要求，堆肥結(jié)束時EC值在3 mS/cm以下，不會對作物生長產(chǎn)生毒害作用。

3)加入適當?shù)牧蛩崮芴岣叨逊十a(chǎn)品中全量養(yǎng)分及速效養(yǎng)分的含量，尤其是使用0.2 mol/L的硫酸時，在堆肥結(jié)束的時候，養(yǎng)分含量最高，從養(yǎng)分元素的有效性上來說使用0.2 mol/L的硫酸處理堆肥腐熟效果最好。

4)各處理的發(fā)芽指數(shù)表明，堆肥20 d之后，堆體已達到基本腐熟，堆肥結(jié)束時，已達到完全腐熟，對植物無毒害作用，其中添加0.2 mol/L硫酸堆體發(fā)芽指數(shù)最高。

參考文獻:

[1] 袁立, 王占哲, 劉春龍. 國內(nèi)外牛糞生物質(zhì)資源利用的現(xiàn)狀與趨勢[J]. 中國奶牛, 2011(5): 3-9.

Yuan L, Wang Z Z, Liu C L. Current situation and trend of dairy manure biomass resources at home and abroad[J].China Dairy Cattle, 2011(5): 3-9.

[2] 孫永明, 李國學, 張夫道, 等. 中國農(nóng)業(yè)廢棄物資源化現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2005, 21(8): 169-173.

Su Y M, Li G X, Zhang F Detal. Status quo and developmental strategy of agricultural residues resources in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2005, 21 (8): 169-173.

[3] 黃鴻翔, 李書田, 李向林, 等. 我國有機肥的現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析[J]. 土壤肥料, 2006, (1): 3-8.

Huang H X, Li S T, Li X Letal. Analysis on the status of organic fertilizer and its development strategies in China[J]. Soils and Ferterlizes, 2006, (1): 3-8.

[4] García de la Fuente R，Carrión C，Botella Setal. Biological oxidation of elemental sulphur added to three composts from different feedstocks to reduce their pH for horticultural purposes[J]. Bioresource Technology, 2007, 98(18): 3561-3569.

[5] 單谷, 羅廉, 余世袁. pH值對纖維素酶制備的影響[J]. 南京林業(yè)大學學報, 1999, 23(3): 60-62.

Shan G, Luo L, Yu S Y. Cellulase production by controlling the pH value of medium[J]. Journal of Nanjing Forestry University, 1999, 23(3): 60-62.

[6] 姚曉芹, 馬文奇, 楚建周. 磷酸對石灰性土壤pH及微量元素有效性的影響[J]. 土壤肥料, 2005， (2): 14-16, 20.

Yao X Q, Ma W Q, Chu J Z. Effect of phosphoric acid on pH and micronutrient availability in calcareous soil[J]. Soils and Ferterlizes, 2005, (2): 14-16, 20.

[7] 顧文杰, 張發(fā)寶, 徐培智, 等. 堆肥反應(yīng)器中硫磺對牛糞好氧堆肥的保氮效果研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2011, 17(1): 224-230.

Gu W J, Zhang F B, Xu P Zetal. Nitrogen conservation by adding sulfur to dairy manure in compost bioreactors[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(1): 224-230.

[8] 李冰, 王昌全, 江連強, 等. 化學改良劑對稻草豬糞堆肥氨氣釋放規(guī)律及其腐熟進程的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2008, 27(4): 1653-1661.

Li B, Wang C Q, Jiang L Qetal. Effect of chemical amendments on NH3emissions and compost maturity during co-composting of pig manure and straw[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2008, 27(4): 1653-1661.

[9] GB7959-1987. 糞便無害化衛(wèi)生標準[S].

GB7959-1987. Sanitary standard for the non-hazardous treatment of night soil[S].

[10] Liang C. Das K C, McClendon R W. The influence of temperature and moisture contents regimes on the aerobic microbial activity of a biosolids composting blend[J]. Bioresource Technology, 2003, 86(2): 131-137.

[11] 魯如坤. 土壤-植物營養(yǎng)原理和施肥[M]. 北京： 化學工業(yè)出版社，1998.

Lu R K. Principles of soil and plant nutrition and fertilizer application[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 1998.

[12] Garcia C, Hernandez T, Costa F, Ayuso M. Evaluation of the maturity of municipal waste compost using simple chemical parameters[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 1992, 23(13-14): 1501-1512.

[13] Chefetz B, Hatcher P G, Hadar Y, Chen Y. Chemical and biological characterization of organic matter during composting of municipal solid waste[J]. Journal of Environmental Quality, 1996, 25(4): 776-785.

[14] Gennaro M C, Ferrara E, Abollino O, Paredes C. Multi-method analysis in studies of characterization and degradation of municipal treatment sludges[J]. International Journal of Environmental Analytical Chemistry, 1993, 53(2): 101-114.

[15] Murwira H K, Kirchmann H, Swift M J. The effect of moisture on the decomposition rate of cattle manure[J]. Plant and Soil, 1990, 122(2): 197-199.

[16] Bernai M P, Paredes C, Sánchez-Monedero M A, Cegarra J. Maturity and stability parameters of composts prepared with a wide range of organic waste[J]. Bioresource Technology, 1998, 63(1): 91-99.

[17] 黃懿梅, 茍春林, 梁軍峰. 兩種添加劑對牛糞秸稈堆肥化中氮素損失的控制效果探討[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2008, 27(3): 1219-1225.

Huang Y M, Gou C L, Liang J F. Effect of two amendments on nitrogen loss from composting of cattle manure and corn straw[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2008, 27(3): 1219-1225.

[18] Tognetti C, Mazzarino M J, Laos F. Improving the quality of municipal organic waste compost[J]. Bioresource Technology, 2007, 98(5): 1067-1076.

[19] 黃懿梅, 曲東, 李國學. 調(diào)理劑在雞糞鋸末堆肥中的保氮效果[J]. 環(huán)境科學, 2003, 24(2): 156-160.

Huang Y M, Qu D, Li G X. Effect of adding amendments on preserving nitrogen during chicken manure and saw composting[J]. Environmental Science, 2003, 24 (2): 156-160.

[20] 林小鳳, 李國學, 任麗梅, 王博. 氯化鐵和過磷酸鈣控制堆肥氮素損失的效果研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2008, 27(4): 1662-1666.

Lin X F, Li G X, Ren L M, Wang B. Effect of FeCl3and Ca(H2PO4)2as amendments on reducing nitrogen loss during composting[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2008, 27(4): 1662-1666.

[21] 李曉娜, 張強, 陳明昌, 章衡.不同改良劑對蘇打堿土磷有效性影響的研究[J].水土保持學報, 2005, 19(1): 71-74.

Li X N, Zhang Q, Chen M C, Zhang H. Study on effect of three soil conditioners on phosphorus availability of Soda-alkali soil[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(1): 71-74.

[22] 徐鵬翔, 趙金蘭, 楊明. 添加不同量的腐植酸對豬糞堆肥中主要養(yǎng)分變化的影響[J]. 環(huán)境工程學報, 2011, 5(3): 685-688.

Xu P X, Zhao J L, Yang M. Effects of different levels of humic acid on changes of main nutrients from composting of pig manure[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2011, 5(3): 685-688.