水稻秸稈預處理對豬糞高溫堆肥過程的影響

王 硯，李念念，朱端衛，周文兵，陳焰鑫，3，伍玉鵬 *

（1.華中農業大學資源與環境學院，武漢 430070；2.農業部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070；3.生豬健康養殖協同創新中心，武漢 430070）

我國是世界上農作物秸稈和畜禽糞便產出量最大的國家之一。據統計，目前全國年農作物秸稈總量約為9.3億t，年畜禽糞污總量約為38億t，但二者的綜合利用率均不足70%[1-2]。將秸稈和畜禽糞便混合后進行堆肥是農業廢棄物資源循環利用的重要方式，腐熟的堆肥是一種優質的有機肥，農田施用后不僅可以替代部分外來化肥養分的投入，也能提高作物的產量和品質，改善土壤的物理化學性質[3-4]，符合農業部《到2020年化肥使用量零增長行動方案》的要求。

作物秸稈在畜禽糞便堆肥中既可作為高碳源的物質用來平衡堆肥的總C/N，也具有調節堆肥孔隙率與含水率的作用，對堆肥品質起著非常重要的作用[5]。然而，秸稈中的纖維素、半纖維素和木質素形成了結晶度和聚合度較高的晶體結構，在自然條件下晶體結構很難被打破，導致秸稈分解速率十分緩慢，進而拖慢了與畜禽糞便混合堆肥的整體速度，甚至在堆肥完成后秸稈仍以整塊的形式保留在堆肥產物中，降低了堆肥品質[6-8]。

為加速作物秸稈的分解，提高秸稈與畜禽糞便混合堆肥的效率，必須解除上述不利于秸稈迅速分解的限制因素，即通過秸稈預處理技術將與纖維素物質緊密相聯的木質素分解掉，打斷木質素與纖維素相連的氫鍵，降低纖維素的結晶程度[7-9]。一般認為，堿處理能快速有效地破壞木質纖維素的復雜結構，但成本較高且環境污染嚴重[10-11]。生物處理秸稈盡管處理時間長，但是處理條件溫和，成本低，且不存在環境污染，從而成為近年來的研究熱點[8，12]。總體來說，不同的預處理方法有其各自的優缺點，因此大量研究針對不同預處理方式下的秸稈厭氧發酵過程進行了比較[13-15]，但秸稈不同方式預處理后與畜禽糞便高溫堆肥的過程研究卻較少。

本研究分別用氫氧化鈣和秸稈腐熟劑對水稻秸稈進行化學的和生物的預處理，并與豬糞按比例混合進行堆肥。通過比較堆體溫度、pH值、水溶性銨態氮/水溶性硝態氮（-N/-N）、電導率（EC）、T值[（C/N）終點/（C/N）起點]和種子發芽率（GI）等指標探討不同秸稈預處理方式對腐熟進程的影響，結合堆肥產物總養分含量，以期優選出對豬糞-水稻秸稈堆肥最有利的秸稈預處理工藝，為提高農業廢棄物的利用率提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

水稻秸稈收集自農田干稻草，破碎機粉碎成1～3 cm小段后備用，其含水率為5.9%，總碳（TC）含量為404.60 g·kg-1，總氮（TN）含量為5.10 g·kg-1，總磷（TP）含量為4.49 g·kg-1，總鉀（TK）含量為0.83 g·kg-1，C/N為79.33。豬糞收集自武漢市新洲區某養豬廠，其含水率為73.1%，TC含量為359.42 g·kg-1，TN含量為31.01 g·kg-1，TP含量為12.65 g·kg-1，TK含量為12.50 g·kg-1，C/N為11.59。秸稈腐熟劑為湖北啟明生物工程有限公司市售菌劑，主要成分包括芽孢桿菌、放線菌、酵母菌、絲狀真菌等多種微生物及其胞外酶，有效活菌數≥200億·g-1。

1.2 實驗設計及堆肥過程

1.2.1 實驗設計

采用雙因素設計開展實驗，包括兩種秸稈預處理方式和兩種預處理時間，分別為化學預處理10 d（C1）、化學預處理20 d（C2）、生物預處理10 d（B1）、生物預處理20 d（B2），同時設置未經任何處理的水稻秸稈為對照（CK）。

1.2.2 水稻秸稈預處理及堆肥管理

（1）水稻秸稈預處理

按照實驗設計分別用氫氧化鈣和秸稈腐熟劑對水稻秸稈進行不同時間的預處理。C1：水稻秸稈+5%氫氧化鈣，調節水分70%左右，靜態堆置10 d；C2：水稻秸稈+5%氫氧化鈣，調節水分70%左右，靜態堆置20 d；B1：水稻秸稈+1%尿素+0.5%秸稈腐熟劑，調節水分70%左右，靜態堆置10 d；B2：水稻秸稈+1%尿素+0.5%秸稈腐熟劑，調節水分70%左右，靜態堆置20 d；CK：水稻秸稈不經任何處理。

（2）堆肥的管理

在室內利用保溫桶開展為期38 d的發酵實驗。保溫桶由80 L大桶套50 L小桶組成，兩桶之間塞入保溫材料，桶高50 cm。分別將預處理的水稻秸稈和未處理的水稻秸稈與豬糞按質量比1∶7（因水稻秸稈預處理后質量可能發生變化，故按照水稻秸稈與豬糞的原始狀態計算混合比例）的比例進行混合，加水調節堆體水分含量至55%。將混勻的堆料32 kg分別放入保溫中進行堆制，并分別命名為B1、B2、C1、C2和CK組（與水稻秸稈的預處理相對應）。由于實驗體系較大，每個處理僅設置兩個重復。在堆肥過程中，根據堆體的實際情況，高溫期每1～3 d進行一次人工翻堆，降溫期則每5 d進行一次人工翻堆。

1.3 取樣及測定

1.3.1 預處理水稻秸稈樣品的測定

分別在水稻秸稈預處理前后進行掃描電鏡（SEM）分析和紅外光譜（IR）分析。SEM分析在超高分辨率場發射掃描電子顯微鏡（SU8010，HITACHI，日本）上進行；IR分析在FTIR光譜儀（VERTEX 70，BRUKER，德國）上進行。

1.3.2 堆肥參數的測定

（1）樣品采集處理

在堆肥開始后的第0、3、7、13、18、23、28、33、38 d采集堆肥樣品。在翻堆充分攪拌均勻后進行五點采樣，混合縮分后保留200 g樣品，其中100 g作為鮮樣保存于4℃的冰箱中，另外100 g置于室內風干，磨細過100目篩待用。

（2）參數測定方法

1.4 統計與分析

實驗數據均以均值表示，采用SPSS 17.0（IBM，USA）統計軟件對不同處理進行相關的統計分析、差異檢驗等（顯著水平為0.05）。

2 結果與討論

2.1 不同預處理方式對水稻秸稈的影響

圖1A顯示，水稻秸稈中硅酸沉積于葉表皮形成的硅化細胞包裹著組織，表面平滑、有蠟質層，無微孔，結構緊湊，內部結構無裸露（CK）。經過預處理后，水稻秸稈表面凸起的球狀結構均明顯縮小（B1、C1和C2），有的甚至消失且表面凹凸不平（B2）。經過秸稈腐熟劑處理的水稻秸稈細胞壁和復雜的纖維結構被明顯破壞，內部組織暴露、出現了大量的孔隙和微孔道（B1和B2），尤其以處理20 d的水稻秸稈最為明顯（B2）。經過氫氧化鈣處理的水稻秸稈雖然結構也有一定程度的破壞，但其內部組織暴露較少，幾乎沒有微孔（C1、C2）。這表明，秸稈腐熟劑對水稻秸稈進行預處理，其破壞性強于化學處理，且處理時間越長效果越好；而氫氧化鈣對水稻秸稈致密的結構雖有一定的破壞作用，但僅限于秸稈表面，可能是由于氫氧化鈣在秸稈堆置的過程中形成了碳酸鈣結晶附著在秸稈表面從而阻礙了其降解。

圖1B為水稻秸稈預處理前后的紅外光譜對比圖。波數3300～3500 cm-1處表征分子內羥基-OH（主要來自纖維素、半纖維素、多糖和單糖）伸縮振動譜帶，而波數2915 cm-1是纖維素中-CH2反對稱伸縮振動的吸收峰，表征秸稈外表面親脂類物質碳鏈上的烴基結構[16]。本研究中不論化學預處理還是生物預處理，均未明顯改變3300～3500 cm-1和2915 cm-1處的峰強度，說明不同預處理方式并未造成秸稈中纖維素的損失。1431 cm-1和1163 cm-1處是纖維素結構的特征吸收峰[17]，此吸收峰在不同預處理后變化不大，說明不同預處理方式對纖維素大分子結構的影響不大。1732 cm-1的吸收峰表征與木質素或半纖維素有關的羧酸脂類化合物以及酮類化合物中羰基C=O伸縮振動[18]。未經處理的秸稈此峰較為明顯，而秸稈經過氫氧化鈣和秸稈腐熟劑處理后，該峰的強度明顯減弱至幾乎完全消失，表明羰基C=O被破壞。1235 cm-1的吸收峰歸因于乙酰酯鍵[19]，經過預處理后，該峰減弱或消失，說明木質素與碳水化合物之間的酯鍵發生了斷裂，木質素與纖維素、半纖維素之間的部分連接鍵受到了破壞，這有利于讓纖維素和半纖維素從木質素的包裹中釋放出來。

圖1 水稻秸稈預處理前后掃描電鏡（A）分析和紅外光譜（B）分析圖Figure 1 The SEM image（A）and infrared spectra（B）of the rice straw before and after pretreatment

總體來看，秸稈腐熟劑進行預處理的效果優于氫氧化鈣預處理的效果，且秸稈腐熟劑處理的時間越長其破壞力越大。從電鏡掃描可以看出，預處理可去除表面蠟質層和硅酸鹽物質，在一定程度上破壞秸稈的形態結構，增加秸稈的孔隙率；由紅外光譜圖可知，秸稈預處理能破壞木質素-纖維素-半纖維素之間的連接，使其在堆肥過程中更容易被微生物分泌的纖維酶水解為小分子化合物而得到充分利用。

2.2 不同水稻秸稈預處理對堆體腐熟過程的影響

腐熟度作為衡量堆肥產品的質量指標，是評價堆肥產品是否會對環境、土壤和作物產生不良影響的概念性參數。由于腐熟度指標繁多且堆肥產品本身成分的復雜性和多樣性，目前并沒有固定統一的參數作為腐熟度評價標準。本研究以我國農業行業有機肥料標準（NY 525—2012）為指導，結合前人研究[20-21]，分別從溫度、pH值、-N/-N、EC、T值和GI幾個方面來評價不同水稻秸稈預處理對堆體腐熟過程的影響。

堆肥溫度是微生物活動及物料氧化綜合作用的結果，通過堆溫的升降完成有機物的分解，從而實現堆肥的腐熟和無害化過程。因此，溫度是評價堆肥腐熟程度的一個重要指標[22]。圖2A顯示，本試驗中五個處理堆體溫度的升降過程符合堆肥溫度的三段變化，即升溫期、高溫持續期和降溫過程。所有處理均在堆置完成后快速升溫至70℃，并迅速地進入堆肥高溫期。從第14 d開始各處理堆體溫度逐漸下降，其中B1、B2溫度下降最快，C1、C2略慢，而CK則持續保持一段時間高溫后緩慢下降。之后進行了翻堆，堆體溫度再次快速上升，仍以B1和B2的溫度上升最劇烈，至25 d后進入腐熟階段，C1、C2與CK則在第33、33 d與38 d時陸續進入腐熟階段。這說明對水稻秸稈進行生物處理可使堆肥高溫期縮短8～13 d，而化學處理對縮短堆肥進程效果并不十分明顯。一般認為，堆體起始階段的溫度之所以上升較快，是因為堆制初期原料中易被微生物利用的物質較多，加快了微生物新陳代謝進程，從而產生大量的熱，直至堆體中易分解和部分較容易分解的有機物消耗殆盡時，僅剩下少量難降解的物質，微生物活動減弱，堆體才開始降溫[22]。本研究中對水稻秸稈進行生物預處理后有利于其中的纖維素、木質素、半纖維素水解形成大量的易分解有機物，有利于加快堆體中有機物的降解，從而縮短原料的發酵進程。若能在堆肥過程中針對秸稈預處理后大部分難分解物質已轉化為易分解有機物的特性添加適當的菌劑，并提高通風效果，將有助于進一步縮短堆肥時間，提高堆肥效率[21]。

圖2 不同秸稈預處理方式對豬糞堆肥過程中溫度（A）、pH值（B）、-N/-N（C）、EC（D）、T值（E）和GI（F）的影響Figure 2 Changes of temperature（A），pH（B），-N-N（C），EC（D），T value（E）and GI during the composting

pH值是影響堆肥微生物生長的重要因素，不但影響礦物質的溶解、氧化還原，而且影響微生物的活動強度[23]。試驗中物料沒有進行初始pH值的調節，但所有堆體pH值皆隨時間的變化呈現出先上升后下降的趨勢（圖2B）。這是因為堆肥初期隨著溫度升高，有機酸產生量逐漸降低且分解為CO2，同時N不斷積累，從而使pH值不斷升高。堆肥后期，隨著堆體溫度的下降和易分解有機質的減少，活躍的硝化細菌促使堆體發生硝化作用，-N增加，加之N積累后的氨揮發，使pH下降。然而，整體來看，堆肥過程中pH值均維持在7～9之間，可滿足一般微生物生長適宜的pH值。堆肥初期（前18 d），所有預處理組的pH值皆高于CK，且在第18 d后快速下降，而CK組pH值則在27 d時才開始緩慢下降。秸稈預處理后的堆體pH值快速下降，有利于減少堆肥過程中氨的揮發和氮素的保存。根據有機肥料的國家標準，要求堆肥產品的pH應在5.5～8.5之間，截至實驗結束所有秸稈預處理的堆體均符合標準，而CK堆體的pH值為8.61，仍未達標。

堆肥過程中氮素形態之間的變化是一個復雜的過程，各階段微生物伴隨著明顯的氨化和硝化反應過程，因此-N/-N的變化趨勢可以作為判斷堆肥腐熟度的依據[24]。圖2C顯示，不同處理堆體的-N/-N變化趨勢一致，即先上升后下降，這說明堆肥初期-N急劇上升而-N含量較低，隨著堆肥的進行，-N含量逐漸增加，-N含量降低。總體來說，-N/-N的值在高溫期（0～18 d）變化劇烈，腐熟期（18～38 d）變化趨勢平緩。利用-N/-N作為腐熟度指標已得到了廣泛的應用，Bernai等[24]提出，當堆肥中-N/-N的比值小于0.16時，表明堆肥達到腐熟，而鮑艷宇等[25]認為-N/N≤0.5適宜作為畜禽糞便的腐熟評價標準。按照鮑艷宇等[25]提出的標準，堆肥結束后B1、B2、C2均達到要求，而CK和C1未達到腐熟標準。

EC值是反映堆肥可溶性鹽含量的指標，是評價堆肥是否對植物產生毒害作用的重要參數，在一定程度上表示堆肥對植物的毒性以及對植物生長抑制作用的大小。本研究中各處理的堆體EC值變化趨勢一致（圖2D），與堆肥初始相比都有所增加，可能是微生物分解有機物產生磷酸鹽、銨鹽等可溶性鹽的結果。在堆肥后期，由于氨的揮發以及微生物自身生長對磷酸鹽的消耗，使后期EC略有下降。堆肥結束后，秸稈預處理的堆體EC皆低于CK，且B1、B2、C1的電導率皆降至4 mS·cm-1以下，達到安全使用標準[26]。

堆肥處理是微生物在適宜條件下，利用其中可降解的碳源作為能源的反應過程，因此，C/N是評價堆肥腐熟度的直觀的化學指標之一。良好的堆肥過程其C/N應是持續下降的，普遍認為腐熟的堆肥C/N應小于20[27]。按照這一標準，本研究中各處理均在第13 d時即達到了腐熟標準。而由于不同物料特性不同，Garcia等[28]則建議采用T值[T=（C/N）終點/（C/N）起點]這一指標來評價，并認為當T＜0.6時堆肥達到腐熟，由此來看，在堆肥完成后僅有B2處理達到腐熟標準（圖2E）。

通過對堆肥毒性敏感植物種子的毒性研究，不但可以檢測堆肥樣品中的殘留植物毒性，而且也能預計毒性的發展。一般認為，當GI＞50%時，說明堆肥已腐熟并達到了可接受的程度，即基本沒有毒性；當GI達到80%時，就可認為堆肥產品是沒有植物毒性的，或者說堆肥已達到腐熟[29-30]。圖2F顯示，所有處理的GI均呈上升趨勢，且都在堆肥第28 d達到50%，至堆肥結束（滿38 d），CK、B1、B2、C1、C2的種子發芽率分別為65.1%、74.2%、83.6%、74.7%、74.57%，因此與CK相比，秸稈預處理有利于降低豬糞堆肥的毒性。

2.3 不同水稻秸稈預處理方式下堆肥產物的養分含量

根據有機肥料行業標準（NY 525—2012），有機肥料中總養分（N+P2O5+K2O）的質量分數（以烘干基計）應≥5%。本研究中各處理堆置38 d后按N+P2O5+K2O計算總養分含量均已符合標準要求（圖3）。秸稈預處理后的堆體總養分含量均高于CK（CK、B1、B2、C1、C2的總養分含量分別為11.09%、11.49%、13.29%、11.75%、11.37%），其中B2總養分含量要顯著高于其他處理，而B1、C1、C2與CK之間并無顯著差別。這一差別可歸結于預處理對秸稈木質纖維素復雜結構的破壞作用，尤其是B2因處理時間較B1更長，水稻秸稈細胞壁和復雜的纖維結構被明顯破壞，內部組織暴露、出現了大量的孔隙和微孔道（圖1），更有利于促進堆體中難分解物質的快速降解，并促進“濃縮效應”而提高堆肥產物的養分含量[31-32]。此外，本研究在進行秸稈與豬糞混合堆肥時按照水稻秸稈與豬糞的原始狀態計算配比，水稻預處理導致的附帶效果“減量化”也可能有利于后期堆肥中總養分含量的提升。

圖3 不同處理下堆肥產物的總養分含量Figure 3 The total nutrient content in different composting product

本研究在室內利用保溫桶開展實驗，與工廠化堆肥相比，過小的堆肥規模可能由于存在保溫效果差、取樣缺乏代表性等缺陷，致使其運行參數和工況與實際工廠化運行存在較大差異[33]。此外，堆肥工廠化生產要求場地面積小，土建設施投資少。而堆肥前的秸稈預處理這一環節則可能會增加額外的場地面積、土建設施和設備的投入，從而降低秸稈預處理帶來的堆肥優勢。因此，進一步開展秸稈預處理堆肥的中試研究及秸稈預處理與堆肥的工藝整合可能是未來的研究重點之一。

3 結論

（1）秸稈腐熟劑對水稻秸稈進行預處理，其破壞性強于氫氧化鈣處理，且處理20 d的效果優于10 d。

（2）秸稈預處理可以加快堆體的腐熟過程，提高堆肥產物的總養分含量，其中采用秸稈腐熟劑預處理20 d的效果最為明顯，相比對照能夠縮短堆肥高溫期8～13 d，提高堆肥產物總養分含量2.2%。