水葫蘆和豬糞混合堆肥發酵條件的研究

2014-08-12 08:21:55羅佳劉麗珠王同等

江蘇農業科學 2014年6期

羅佳+劉麗珠+王同+等

摘要：用漂浮植物水葫蘆治理水體富營養化已經在我國獲得大規模的應用，但目前對水葫蘆資源化利用技術的研究相對較少。本研究采用不同的堆肥方式來堆置水葫蘆和豬糞混合堆肥，以明確水葫蘆和豬糞混合堆肥堆置的最適條件。在不同形狀堆肥條件下，錐形發酵過程中升溫既快又高，形成的堆肥品質和腐熟度優于長方形堆置方式。堆肥的高度越高升溫越高，水分和養分流失越多，堆肥高度應適中。堆肥翻拋頻率對成肥有著重要的影響，2 d翻拋1次比3 d翻拋1次對溫度變化影響較大，2 d翻拋1次的處理腐熟度明顯高于3 d翻拋1次的處理。綜上所述，在水葫蘆和豬糞混合堆肥過程中應采用錐形發酵，高度在1 m左右適宜，2 d翻拋1次，從而可獲得高品質的有機肥。

關鍵詞：水葫蘆；豬糞；堆肥；發酵

中圖分類號： S555+.5；S141.4文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0336-03

收稿日期：2013-10-07

基金項目：國家公益性行業（農業）科研專項（編號：201203050-6）；江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（11）2038]。

作者簡介：羅佳（1982—），男，江蘇濱海人，博士，主要從事富營養化水體治理及資源化利用。Tel：（025）84390581，E-mail：luo_jia_428@163.com。

通信作者：張振華，研究員，主要從事富營養化水體治理及資源化利用。Tel：（025）84391207，E-mail：zhenhuaz70@hotmail.com。當前，我國一方面化肥價格上浮過快且過量施用現象較難遏制，另一方面大量固體有機廢棄物沒有得到很好的利用并造成環境污染，有機肥的施用量已從20世紀60年代的46.6%下降至目前的不足15%[1]。有機肥施用不僅可以減少因化肥過量施用引起的農業面源污染，還可改良農田土壤質量，提高農產品品質。大量研究表明，長期施用有機肥可改善土壤理化性質、提高農作物產量、增強土壤穩定性[2-4]，同時對土壤中的碳、氮有固定作用，減少溫室氣體的排放[5-6]。

水葫蘆（Eichhornia crassipes）別稱鳳眼蓮，系雨久花科鳳眼蓮屬，為多年生漂浮性草本植物，多生于河流、湖泊、池塘、水庫甚至稻田中，在沼澤地及其他低濕的地方，水葫蘆也可以生長繁殖。水葫蘆因其繁殖快而成為世界上危害最嚴重的多年生水生雜草，蔓延危害的原因不僅在水葫蘆本身，最主要的還是隨著經濟飛速發展，工業、農業和生活污染物增多，大量的氮、磷污染物排入江河湖泊，致使水體富營養化，造成水葫蘆泛濫[7]。水葫蘆大約于20世紀初傳入我國，曾于20世紀50—60年代作為豬飼料推廣種植，后因飼料工業的迅猛發展，逐漸失去利用價值而被人們放棄而逸為野生，這是造成水葫蘆泛濫的原因之一[8]。解決好水葫蘆資源化利用問題，使水葫蘆能夠被人們大量利用，水葫蘆泛濫問題必將解決使之變廢為寶。水葫蘆生物量大、富集養分含量高，被廣泛應用控制水體富營養化。江蘇省農業科學院通過在太湖、滇池流域水體對大型漂浮植物水葫蘆進行高效控制性種植，利用吸收湖水中的氮磷物質，通過機械化大規模采收水葫蘆，將收獲的水葫蘆制成有機肥，不僅改善了水體水質，還實現了水葫蘆的資源化利用。但是，目前對水葫蘆制成有機肥的發酵條件研究相對較少，本試驗通過研究不同條件下水葫蘆與豬糞混合發酵過程中物理化學變化，尋求水葫蘆與豬糞混合發酵堆肥的最適方式，以期為水葫蘆資源化利用提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗設計

試驗在江蘇省農業科學院六合基地有機肥廠進行，水葫蘆來源于江蘇省農業科學院武進竺山湖水污染治理科研基地，水葫蘆在武進基地進行擠壓脫水后運至六合基地進行發酵試驗。試驗設置5個處理，分別為處理1：堆肥高度 0.64 m，堆置形狀為長方形平鋪，翻拋時間間隔為2 d ；處理2：堆肥高度0.96 m，堆置形狀為錐形，翻拋時間間隔為2 d ；處理3：堆肥高度1.16 m，堆置形狀為錐形，翻拋時間間隔為2 d ；處理4：堆肥高度1.36 m，堆置形狀為錐形，翻拋時間間隔為2 d ；處理5：堆肥高度0.96 m，堆置形狀為錐形，翻拋時間間隔為3 d 。試驗周期為60 d，時間從2013年1月23日至2013年3月23日。每個處理堆置9 t（鮮重），其中含水葫蘆渣6 t（鮮重，含水量為85.22%），豬糞3 t（鮮重，含水量為66.34%），采用翻拋機進行翻拋。

1.2樣品采集與測定

溫度測定，每天14：00測定堆溫，測量時溫度計插入堆體表面30～40 cm處，同時記錄周圍環境溫度。

樣品采集，每間隔10 d采集堆肥樣品，采集時用取土鉆插入堆體30～40 cm處取出樣品，測定含水量、有機質、總氮（TN）、總磷（TP），并測定最后1次樣品的種子發芽指數和重金屬鉛、汞、砷、鎘、鉻的含量。采用烘干稱重法測定含水量；重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定有機質；凱氏定氮法測定總氮；酸溶-鉬銻抗比色法測定總磷[9]；重金屬采樣用原子吸收光譜儀測定。

種子發芽指數測定，將待測新鮮堆肥樣品與去離子水按照1 g ∶10 mL 混合，振蕩1 h，用移液管取10 mL提取液到先放有濾紙的培養皿中，將20粒小白菜種子均勻地放入其中，在30 ℃下培養48 h后測定發芽率和根長，每處理重復3次，以去離子水為對照。計算種子發芽指數[10]：發芽指數=（處理發芽率×處理根長）/（空白發芽率×空白根長）×100%

1.3數據分析與統計

試驗數據處理使用Excel 2003 程序和SPSS統計分析軟件進行單因素方差分析，比較各組數據之間差異顯著性。

2結果與分析

2.1不同堆置方式對溫度的影響

溫度是堆肥腐熟效果分析的主要指標之一。經過連續60 d的監測，不同處理溫度變化見圖1，各個處理的溫度隨著時間的推移逐漸升高，在堆肥后8 d左右升至最高溫度，然后逐漸降低，至30 d左右溫度趨向平穩，至40 d左右出現了2次升溫現象。結果表明，有機物以錐形方式發酵比長方形平鋪方式更容易提高堆體溫度，堆置的高度越高溫度提升得越高；每隔2 d翻拋1次溫度變化頻率比每隔3 d翻拋1次的高，溫度變化幅度是2 d翻拋比3 d翻拋的低。

2.2不同堆置方式對水分的影響

各個處理含水量在升溫階段降低比較慢，在降溫階段含水量的降低幅度最大，當溫度趨于穩定時含水量緩慢降低，處理5水分降低最?。▓D2）。表明錐形方式發酵比平鋪方式容易造成水分的蒸發，翻拋頻率快對堆肥水分流失有影響。

2.3不同堆置方式對養分含量的影響

堆肥中的有機質主要為微生物提供碳源和能源，堆肥便是利用微生物將有機物料中的可降解有機質分析和轉化為二氧化碳、水和熱能等。堆肥過程中各個處理有機質含量的變化見圖3。有機質含量隨著堆肥時間延長呈下降趨勢，從開始堆肥的68.15%不同處理分別下降至60.44%、58.42%、57.15%、56.14%和59.33%，分別降解了11.31%、14.28%、16.14%、17.62%和12.94%，處理4降解得最多。

堆肥中總氮和總磷含量的變化與微生物活動密切相關。從圖4、圖5可知，所有處理中堆肥總氮和總磷含量基本呈先降低后增加的趨勢，堆肥過程中的氨氮損失和微生物的同化作用同時存在，共同影響堆肥中總氮含量的變化；磷的礦化作用和微生物的降解會降低堆肥中總磷含量；有機質降解干物質減少以及水分蒸發會使總氮和總磷含量增加[11]。

2.4不同堆置方式對種子發芽率的影響

種子發芽指數是衡量堆肥產品質量和腐熟度的重要指標，間接表征堆肥的植物毒性。一般情況下，當種子發芽指

數>50%時，堆肥產品的植物毒性處于較低水平；當種子發芽指數>80%時，堆肥處于完全腐熟狀態[12]。經過60 d發酵，各處理種子發芽指數均大于50%，處于較低毒性水平，基本腐熟，處理4種子發芽指數達到了73.71%，高于其他處理（圖6）。

2.5堆肥中重金屬含量

堆肥重金屬含量是考核有機肥安全性的重要指標之一，我國農業部有機肥料行業標準（NY 525—2012）對有機肥中鉛、汞、砷、鎘、鉻明確給出了最高限度值，本試驗各處理堆置的有機肥中這5種重金屬含量均低于行業標準

3討論

水葫蘆生物量大、富集養分含量高，被廣泛應用于控制水體富營養化。但是，水葫蘆資源化利用方面還存在某些問題，造成再利用成本過高。水葫蘆含水量高達95%，經過擠壓脫水后含水量仍然超過80%，因此，含水量太高是造成水葫蘆資源化利用的一個瓶頸。含水量是堆肥成功關鍵要素之一，堆肥啟動時物料含水量必須在50%以上比較合適[13]，當含水量太高時造成微生物活性降低，堆肥升溫啟動速度慢。本試驗堆肥啟動較慢，9 d左右溫度才升至最高溫度，比其他相關研究慢50%時間[14-16]。

溫度是衡量堆肥質量和腐熟度的重要指標，其變化與微生物的降解活動密切相關。高溫階段是堆肥的重要過程，堆肥溫度持續3 d超過55 ℃將殺死堆體中的大部分病原菌[12]。我國GB 59—1987《糞便無害化衛生標準》要求，堆肥過程中最高堆肥溫度應達到50～55 ℃以上，并持續5～7 d，或者在55 ℃以上維持3 d。本試驗處理1在堆置過程中溫度未能超過50 ℃以上，不符合國家標準，其他處理均符合國家標準。處理1溫度過低的原因有2點，一是平鋪方式造成的表面積大，空氣進入堆體造成厭氧微生物難以生存，導致溫度升不上去；二是本試驗在2—3月進行的，當地氣溫較低，降低了微生物的活性，也影響了堆體的溫度升高。

水葫蘆對重金屬具有很好的富集能力，能夠吸收除了Co、Al 、Fe 外的所有元素[17-19]，因此，水葫蘆資源化利用受到很多學者關注和擔憂，擔心水葫蘆有機肥施用會對土壤和農作物造成重金屬污染。程志斌等對云南滇池中水葫蘆壓榨渣測定重金屬砷為0.70 mg/kg、鎘為28.86 μg/kg、鉛為 2.12 mg/kg、鉻為4.66 mg/kg、汞為0.58 mg/kg[20]，重金屬含量并未超過有機肥料（NY 525—2012）標準。本試驗制成的有機肥，經測定有害重金屬砷、鎘、鉛、鉻、汞含量均未超過我國農業部有機肥料行業標準的最高限度值（NY 525—2012）。連續多季施用水葫蘆有機肥，會否造成土壤中重金屬的累積效應，種植多長時間會造成土壤重金屬超標，相關問題需要進一步進行研究闡明。

溫度和含水量是堆肥堆置的關鍵因素，控制好堆肥的溫度和含水量才能制造出優質的有機肥。本研究為了降低水葫蘆含水量將水葫蘆與豬糞混合發酵，以期獲得高品質有機肥。經過60 d的腐熟發酵，獲得水葫蘆與豬糞混合發酵適宜條件，即采用錐形發酵，高度1 m左右，2 d翻拋1次，可獲得高品質有機肥。

參考文獻：

[1]楊興明，徐陽春，黃啟為，等. 有機（類）肥料與農業可持續發展和生態環境保護[J]. 土壤學報，2008，45（5）：925-932.

[2]吳曉晨，李忠佩，張桃林. 長期不同施肥措施下紅壤稻田的養分循環與平衡[J]. 土壤，2009，41（3）：377-383.

[3]Liu B，Gumpertz M L，Hu S J，et al. Long-term effects of organic and synthetic soil fertility amendments on soil microbial communities and the development of southern blight[J]. Soil Biology and Biochemistry，2007，39（9）：2302-2316.

[4]Hargreaves J C，Adl M S，Warman P R. A review of the use of composted municipal solid waste in agriculture[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2008，123（1/2/3）：1-14.

[5]Bailey K L，Lazarovits G. Suppressing soil-borne diseases with residue management and organic amendments[J]. Soil and Tillage Research，2003，72（2）：169-180.

[6]Venterea R T，Burger M，Spokas K A. Nitrogen oxide and methane emissions under varying tillage and fertilizer management[J]. Journal of Environmental Quality，2005，34（5）：1467-1477.

[7]Sinkala T，Mwala M. Control of aquatic weeds through pollutant reduction and weed utilization：a weed management approach in thelower Kafue River of Zambia[J]. Physics and Chemistry of the Earth，2002，27：983-991.

[8]丁建清，王韌，范中南，等. 惡性水生雜草——水葫蘆在我國的發生危害及其防治[J]. 雜草學報，1995，9（2）：49-51.

[9]魯如坤，朱海舟，何平安，等. 土壤農業化學分析[M]. 北京：中國農業科學技術出版社，2000.

[10]張鳴，高天鵬，劉玲玲，等. 麥稈和羊糞混合高溫堆肥腐熟進程研究[J]. 中國生態農業學報，2010，18（3）：566-569.

[11]黃川，李家祥，王里奧，等. 碳與氮質量比對雞糞與玉米秸稈混合堆肥的影響[J]. 中南大學學報：自然科學版，2012，43（12）：4956-4961.

[12]Zhang Y，He Y. Co-composting solid swine manure with pine sawdust as organic substrate[J]. Bioresource Technology，2006，97（16）：2024-2031.

[13]羅維，陳同斌.濕度對堆肥理化性質的影響[J]. 生態學報，2004，24（11）：2656-2663.

[14]呂育財，王俊剛，李寧，等. 間歇式曝氣與人工翻堆對堆肥化進程的影響[J]. 中國農業大學學報，2013，18（1）：69-75.

[15]胡春曉，陳耀寧，張嘉超，等. 農業廢物好氧堆肥中環境因子對nirK、nirS和nosZ數量的影響[J]. 環境科學，2013，34（3）：1196-1203.

[16]方華舟，安冬梅，王培清，等. 牛糞自然好氧發酵微生物變化規律[J]. 環境工程學報，2013，7（1）：333-339.

[17]Mishra K K，Rai U N，Prakash O. Bioconcentration and phytotoxicity of Cd in Eichhornia crassipes[J]. Environmental Monitoring and Assessment，2007，130（1/2/3）：237-243.

[18]Tiwari S，Dixit S，Verma N. An effective means of biofiltration of heavy metal contaminated water bodies using aquatic weed Eichhornia crassipes[J]. Environmental Monitoring and Assessment，2007，129（1/3）：253-256.

[19]Dixit S，Dhote S. Evaluation of uptake rate of heavy metals by Eichhornia crassipes and Hydrilla verticillata[J]. Environmental Monitoring and Assessment，2010，169（1/2/3/4）：367-374.