新型炭基輔料在堆肥工程中的應(yīng)用效果

王海候， 何 胥， 金梅娟， 陸長嬰， 施林林， 周新偉， 沈明星

(1.江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)部蘇州水稻土生態(tài)環(huán)境重點野外科學(xué)觀測試驗站，江蘇蘇州 215155；2.江蘇省安豐生物源農(nóng)藥工程中心有限公司，江蘇太倉 215400)

隨著畜禽養(yǎng)殖規(guī)模化和集約化的發(fā)展，畜禽糞便的累積與污染問題日趨嚴重[1]，科學(xué)合理地處置畜禽糞便已經(jīng)成為畜禽養(yǎng)殖業(yè)實現(xiàn)生態(tài)循環(huán)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[2-4]。高溫堆肥化是畜禽糞便廢棄物無害化和資源化利用的一項重要技術(shù)途徑，可以殺滅畜禽糞便中的病菌和草種、減小堆存的體積和質(zhì)量、有利于貯存和施用，不僅解決了規(guī)模化養(yǎng)殖廠的環(huán)境污染問題，而且對發(fā)展有機肥、保持和提高土壤肥力、提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)等方面具有重要的意義[5-6]。但常規(guī)的堆肥工程凸現(xiàn)以下問題：一是畜禽糞便含水率較高(含水率≥75%)，通常采用加入輔料(木屑、稻草、食用菌渣等)的方法來降低堆肥體的含水率、提高通氣性等，但輔料來源和性質(zhì)不穩(wěn)定、抗壓能力弱、收集與儲存費用高，輔料的有效供應(yīng)量遠低于堆肥生產(chǎn)對輔料的實際需求量[7-9]；二是堆肥高溫階段滯后，腐解周期偏長[10-11]。針對上述問題，筆者所在課題組利用樹枝等生態(tài)林地廢棄物，通過生物質(zhì)非充分炭化技術(shù)，創(chuàng)制了一種新型炭基輔料，該新型堆肥輔料具有可循環(huán)利用、多功能性(調(diào)水分、控氮損、促升溫)、顆粒狀、抗壓性強、理化性狀穩(wěn)定等優(yōu)點，另外，所用的樹枝等生態(tài)林地廢棄物，本身就須要資源化處置，采用的生物質(zhì)非充分炭化技術(shù)，只是在現(xiàn)有成熟的生物質(zhì)炭化技術(shù)上進行了改進，不會對環(huán)境造成二次污染。本試驗將新型炭基輔料與豬糞、食用菌渣進行混合，堆制一個50 t級的條垛狀堆體，模擬較大規(guī)模的堆肥工程，測定堆肥體的溫度、含水率、碳氮養(yǎng)分及其形態(tài)等指標，探討新型炭基輔料在堆肥工程中的應(yīng)用效果，檢驗該新型堆肥輔料的理論可行性，以期為炭基輔料在堆肥工程中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2016年11月在江蘇省太倉綠豐生物有機肥料有限公司進行。豬糞來源于當(dāng)?shù)氐酿B(yǎng)豬場，于試驗開始前7 d收集，豬糞總有機碳含量為34.3 g/kg、總氮含量為 2.34 g/kg、含水率為76.5%；食用菌渣取自江蘇省太倉市四季食用菌有限公司，菌包去除塑料袋后，機械粉碎至3～5 mm備用，食用菌渣總有機碳含量為48.21 g/kg、總氮含量為 1.17 g/kg、含水率為46.5%；新型炭基輔料，選擇直徑為5～8 cm的廢棄樹枝，先切割成6～8 cm長，然后置于裂解爐中，在650～750 ℃、無氧條件下進行不完全裂解處理，裂解時間為75～105 min，然后冷卻、備用。

1.2 試驗設(shè)計與概況

堆肥采用靜態(tài)堆置高溫好氧發(fā)酵的方法，以豬糞為堆肥原料，設(shè)計不同類型輔料，分別為60%新型炭基輔料+40%常規(guī)輔料(食用菌渣)、100%常規(guī)輔料，試驗共設(shè)2個處理。控制堆肥體碳氮比的值為20～25、含水率為65%～70%，將豬糞與輔料按體積比1 ∶1進行充分混合，每個處理的堆肥體規(guī)模為50 t，進行堆垛操作，垛體的標準要求為寬1.5 m、高 1.2 m、長30 m。當(dāng)堆體溫度超過75 ℃(前期)時或每隔7 d左右(后期)，采用翻拋機進行翻堆操作，每次翻堆后，將堆垛按照垛體的標準要求進行人工修整。每天10：00左右，用紅水溫度計，插入堆肥體30～50 cm處測定堆溫，每個堆體分布5個測定點，直至堆肥結(jié)束，同時測定氣溫，并按日期記錄溫度數(shù)據(jù)。堆肥結(jié)束后，采用2 cm孔徑的篩子，將添加炭基輔料處理的堆體進行炭基輔料與堆肥制品的篩分處理，然后將過篩后的炭基輔料回收、備用，堆肥制品進入有機肥的后期處理工序。

1.3 測定指標與方法

堆肥體溫度變化動態(tài)：每天人工測定堆體溫度，直至堆肥結(jié)束。堆肥體養(yǎng)分動態(tài)變化：分別在堆肥第1、第3、第7、第14、第21、第28、第35天取樣，每個處理在不同位置進行3次重復(fù)取樣，采樣點位于堆肥表層向內(nèi)30 cm處，每個采樣點在堆體上、中、下層采集混合樣品2 kg，在實驗室內(nèi)分成3份：一份采用 105 ℃ 烘干法測定堆肥樣品的含水率，一份制成新鮮樣品的浸提液，一份置于陰涼處進行風(fēng)干處理。浸提液的制備方法：稱取40 g新鮮樣品放入塑料瓶中，加400 mL去離子水，蓋緊瓶蓋后置于振蕩器內(nèi)，150 r/min振蕩浸提30 min后過濾，收集濾液并做好標記。浸提液采用SKALA流動分析儀測定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮。

堆肥制品的有機碳含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量測定：將堆肥后的風(fēng)干樣品粉碎后過100目篩，采用濃硫酸-雙氧水消煮和凱氏定氮法測定全氮含量、鉬銻抗比色法測定全磷含量、火焰光度計法測定全鉀含量、濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱-硫酸亞鐵滴定法測定有機碳含量。

種子發(fā)芽指數(shù)的測定：取堆肥第28、第35天的浸提液，待用。將一張大小合適的濾紙放入干凈無菌的培養(yǎng)皿(直徑為9 cm)中，濾紙上整齊擺放20粒小白菜種子，準確吸取 8 mL 浸提液于培養(yǎng)皿中，于25 ℃、黑暗條件下培養(yǎng)72 h，測定小白菜種子的發(fā)芽率和根長，同時用去離子水作空白對照。種子發(fā)芽指數(shù)=[(堆肥浸提液處理的種子發(fā)芽率×根長)/(對照的種子發(fā)芽指數(shù)×根長)]×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010進行整理與畫圖，采用SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 新型炭基輔料對堆肥溫度的影響

根據(jù)堆肥溫度，堆肥化進程可以劃分為升溫期、高溫期、降溫期、穩(wěn)定期等4個時期。由圖1可知，炭基輔料處理的堆肥體溫度在第2天就超過60 ℃，迅速進入高溫期，在堆肥第3天達到最高溫度，為75.5 ℃，之后逐漸下降，在翻堆措施下溫度有小幅度上升，但仍然繼續(xù)下滑直至接近常溫；而常規(guī)輔料處理的堆肥溫度上升幅度小于炭基輔料處理，在堆肥第12天達到最高溫度，為68.3 ℃，之后保持緩慢下降，在堆肥的第22天左右進入快速降溫期；在整個堆肥過程中，炭基輔料處理的堆肥溫度在第1至第7天明顯大于常規(guī)輔料處理，而在第10天至第20天，炭基輔料的堆肥溫度低于常規(guī)輔料處理，在第22天至第35天，2個處理之間的堆肥溫度差異較小。

進一步分析不同輔料處理的堆肥體溫度特征，由表1可知，炭基輔料處理的堆肥體最高溫度比常規(guī)輔料處理提高 7.2 ℃，差異達顯著水平(P<0.05)；根據(jù)堆肥衛(wèi)生合格指標和堆肥腐熟條件的標準，即堆體溫度在50 ℃以上保持5 ～7 d(或55 ℃條件下保持3 d以上)[11]，2種不同輔料處理的堆體均達到了無害化的標準。雖然2種不同處理的堆肥體溫度≥55 ℃的天數(shù)均為14 d，但炭基輔料處理在堆肥第2天就達到55 ℃，比常規(guī)輔料處理提前6 d。

堆肥的穩(wěn)定化是堆肥的一個重要過程，堆肥的穩(wěn)定化所需的時間目前還沒有明確的界限。常見的判斷方法為耗氧速率降低到所產(chǎn)生的厭氣和發(fā)臭情況不致達到妨礙產(chǎn)生貯存和最終使用，即認為穩(wěn)定化程度已滿足要求。陳同斌等將物候?qū)W上積溫的理論和計算方法引入堆肥科學(xué)，研究了城市污染與CTB調(diào)理劑混合堆制過程，在生物學(xué)零度為15 ℃基礎(chǔ)上，當(dāng)堆肥體的積溫達到10 000 ℃·h左右時，可以認為堆肥穩(wěn)定化過程基本完成[10]。本試驗結(jié)果表明，2種不同輔料處理的堆肥體在35 d堆肥過程中的堆肥積溫均達到了 10 000 ℃·h 的要求(表1)，完成了堆肥穩(wěn)定化過程，且2個處理的堆肥積溫?zé)o顯著性差異。

表1 新型炭基輔料處理對堆肥溫度特征的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

進一步分析2個處理不同時間段的堆肥積溫情況，由圖2可知，在堆肥第1天至第7天的堆肥進程中炭基輔料處理的堆肥積溫顯著大于常規(guī)輔料處理(P<0.05)，在第8天至第21天堆肥進程中炭基輔料的堆肥積溫小于常規(guī)輔料處理，但差異不顯著，在第22天至第35天的堆肥進程中，炭基輔料與常規(guī)輔料處理的堆肥積溫差異較小。

2.2 新型炭基輔料對堆肥體銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量的影響

銨態(tài)氮是堆肥中無機氮的主要存在形式。在堆肥初期，物料中大量的易分解有機物為微生物的生長、繁殖提供了充足的營養(yǎng)，有機氮快速分解而產(chǎn)生大量的銨態(tài)氮，而此時硝化細菌活動程度相對較弱，無法及時將銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，氮素極易以氨揮發(fā)的形式損失。

由圖3可知，隨著堆肥進程的持續(xù)，堆肥體的銨態(tài)氮含量呈下降的變化趨勢，在堆肥第3天至第7天出現(xiàn)小幅度的上升，之后又迅速下降，但不同處理之間，炭基輔料處理的堆肥體銨態(tài)氮含量在整個堆肥過程中均小于常規(guī)輔料處理。堆肥體中硝化過程的最佳溫度大約在25～35 ℃之間，堆肥體的硝態(tài)氮含量總體呈上升的變化趨勢，在堆肥第21天至第35天迅速上升，這與該時間段的堆肥溫度相對較低有關(guān)。不同處理之間，炭基輔料處理的硝態(tài)氮含量低于常規(guī)輔料處理。

2.3 新型炭基輔料對堆肥腐熟度的影響

堆肥體T值(T=終點碳氮比/初始碳氮比)是堆肥腐熟度的一個重要評價指標[12]。由圖4可知，炭基輔料處理的堆肥體T值為0.92，而常規(guī)輔料處理的堆肥體T值為0.74，炭基輔料處理的堆肥體T值大于常規(guī)輔料處理。用生物學(xué)的方法測定堆肥的毒性，是檢驗正在堆肥的有機物質(zhì)腐熟度的一種非常直接、有效的方法，用作物種子檢測堆肥植物毒性的一個生物學(xué)指標稱為種子發(fā)芽指數(shù)，種子發(fā)芽指數(shù)不但能檢測堆肥樣品中的毒性，還能預(yù)測堆肥毒性的發(fā)展[13-14]。從理論上說種子發(fā)芽指數(shù)大于50%就可判斷堆肥對植物沒有毒性，當(dāng)種子發(fā)芽指數(shù)大于80%時，可以判定堆肥腐熟[12]。本試驗結(jié)果(圖4)表明，堆肥第28天，炭基輔料處理的種子發(fā)芽指數(shù)即達85.47%，達到了腐熟的要求，而常規(guī)輔料處理的種子發(fā)芽指數(shù)為77.50%，低于腐熟標準；堆肥第35天，2個處理的種子發(fā)芽指數(shù)均大于80%，但炭基輔料處理的種子發(fā)芽指數(shù)大于常規(guī)輔料處理，第28、第35天的堆肥浸提液種子發(fā)芽指數(shù)分別比常規(guī)輔料提高10.28%、4.21%，說明炭基輔料處理的堆肥體對種子的毒性更低。

2.4 新型炭基輔料對有機肥料品質(zhì)的影響

堆肥結(jié)束后，將炭基輔料處理的堆肥物料進行堆肥制品與炭基輔料的篩分處理，由圖5可知，炭基輔料處理的堆肥制品，氮磷鉀養(yǎng)分總量為7.29%，有機質(zhì)含量達45.76%，與常規(guī)輔料處理相比，氮、五氧化二磷、氧化鉀的含量分別提高37.61%、17.04%、45.94%，氮磷鉀養(yǎng)分總量提高30.51%，雖然有機質(zhì)含量降低8.37%，但符合有機肥料農(nóng)業(yè)行業(yè)標準(NY 525—2012)的要求[15]。

3 結(jié)論與討論

陳同斌等采用福木勒法檢測堆肥穩(wěn)定化過程的結(jié)果表明，盡管不同處理的堆肥溫度升降情況變化及堆肥穩(wěn)定化所需時間均不一致，但達到穩(wěn)定化所需要的積溫較為一致，即堆肥溫度較高的處理，堆肥時間較短，堆肥溫度較低的處理，堆肥時間較長[10]。本試驗結(jié)果表明，炭基輔料處理的堆肥體符合無害化與穩(wěn)定化的標準，與常規(guī)輔料相比，炭基輔料促進了堆肥前期的溫度快速上升、提高了堆肥體的最高溫度、縮短了堆溫初始達到55 ℃以上的時間，可見，炭基輔料對堆肥體具有增溫與縮短堆肥周期的作用，其原因主要可能是炭基輔料具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，一方面為微生物的擴繁增殖提供了良好的場所[16]，另一方面有利于氧氣的傳輸，增強了微生物的活性，提高了微生物的代謝與產(chǎn)熱能力[17]，從而促進升溫。

與常規(guī)輔料相比，炭基輔料降低了堆肥體的銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量，其原因主要是生物質(zhì)炭可以通過離子鍵對銨態(tài)氮進行化學(xué)吸附[18-19]，王海候等研究生物質(zhì)炭與伊樂藻混合堆制過程也發(fā)現(xiàn)隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，伊樂藻堆肥體的銨態(tài)氮含量呈逐漸下降的趨勢[11]；另外，由于硝態(tài)氮主要來自于堆肥體銨態(tài)氮的硝化作用，炭基輔料處理的堆肥體由于銨態(tài)氮的下降，可能是導(dǎo)致炭基輔料處理硝態(tài)氮含量低于常規(guī)輔料處理的主要原因。

Morel等建議采用T值來評價城市垃圾的堆肥腐熟度，并提出當(dāng)T值小于0.6時堆肥達到腐熟[20]；Vuorionen等認為腐熟豬糞與稻草混合堆肥的T值應(yīng)當(dāng)在0.49～0.59之間[21]；Itavaara等研究表明，當(dāng)包裝廢棄物的T值下降到 0.53～0.72之間表示堆肥達腐熟[22]；可見，不同堆肥物料腐熟的T值不一致。本試驗結(jié)果表明，炭基輔料處理的堆肥體T值為0.92，而常規(guī)輔料處理的堆肥體T值為0.74，炭基輔料處理的堆肥體T值大于常規(guī)輔料處理。另外，在堆肥第28天，炭基輔料處理的種子發(fā)芽指數(shù)達到85.47%，達到了腐熟的要求，而常規(guī)輔料處理的種子發(fā)芽指數(shù)仍低于腐熟標準；在堆肥第35天，2個處理的種子發(fā)芽指數(shù)均大于80%，但炭基輔料處理的種子發(fā)芽指數(shù)大于常規(guī)輔料處理，說明炭基輔料處理的堆肥體對種子的毒性更低。與常規(guī)輔料處理相比，炭基輔料處理提高了堆肥制品的氮磷鉀養(yǎng)分含量，且符合有機肥料農(nóng)業(yè)行業(yè)標準(NY 525—2012)的要求。

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