牛糞聯合玉米秸稈好氧堆肥理化性狀分析

史向遠，王秀紅，周 靜，李欣欣，王保平，李永平，張紀濤，杜慧平

（山西省農業科學院現代農業研究中心，山西太原030031）

我國是一個農業大國，畜禽糞便和農作物秸稈是主要的農業廢棄物來源之一，當前我國年產牲畜糞便約40億t[1]，據不完全統計，農作物秸稈產出量每年可達9億多t[2]。近年來，隨著畜禽養殖業和種植業的飛速發展，政府對農業廢棄物造成的環境污染問題關注度增加，循環利用意識增強，作為生物質能源的秸稈和畜禽糞便的處理和利用越來越受到重視。好氧堆肥技術處理農業秸稈和畜禽糞便，不僅能達到無害化、減量化的要求，提高環境安全系數，而且通過堆肥使該類廢棄物得到了資源化利用，提高了其附加值。目前，通過將秸稈和畜禽糞便堆肥用作有機肥、食用菌栽培料或新型設施栽培基質的研究越來越多[3-8]。

如何能使堆肥產品更好地滿足農業生產的需要，對好氧堆肥技術參數的掌控尤為重要。影響好氧堆肥的因素很多，主要包括堆料碳氮比、含水率、pH值、透氣性等[9-12]，其中，堆肥物料的初始碳氮比對于好氧堆肥起決定性作用，好氧堆肥的實質就是微生物降解復雜有機質獲得簡單穩定有機質的過程，初始C/N低于20時，不利于微生物的生長繁殖，微生物活動減少，C/N高于35時，微生物需經過多次生命循環，氧化掉過量的碳，直至達到合適的C/N供其進行新陳代謝，使降解速率降低、堆肥腐熟周期延長[13]，所以合適的C/N對不同來源的物料堆肥非常重要。

本研究將牛糞和粉碎的玉米秸稈進行不同配比試驗，研究起始C/N對好氧發酵堆肥物料理化性狀的影響，旨在為加快牛糞秸稈腐熟、提高堆肥品質提供理論基礎和技術支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試主要原料牛糞和玉米秸稈分別購自山西省農業科學院東陽試驗基地周邊農戶。其中，玉米秸稈直接在田間粉碎揉絲收集，長度小于10 cm；牛糞晾干碾碎。堆肥原料的理化性質列于表1。

表1 堆料的理化指標

1.2 試驗設計

試驗地點設在山西省農業科學院現代農業研究中心東陽基地堆肥車間。試驗設置2個處理：C/N＝30（配比 1）和 C/N＝25（配比 2），采用直徑×高＝2.3 m×1.3 m的堆垛進行好氧發酵堆肥，用pH值為8左右的石灰水預濕玉米秸稈，按配比加入牛糞和一定比例的生石膏粉和過磷酸鈣，調節水分含量至65%左右，物料均勻混合。建堆后分別在第8，16，20，26，34 天進行翻堆，并在建堆時及翻堆時從垂直高度1/2處的堆體表面由外向內不同深度多點取樣，充分混合后，一部分樣品冷藏，另一部分樣品風干用于生理生化指標測定。

1.3 測定項目及方法

溫度、含水率、pH 值、EC值、E4/E6、水溶性有機碳w（C）、水溶性有機總氮w（N）、總有機碳、全氮、有機物含量和種子發芽指數（GI）測定均參照王秀紅等[14-15]的方法進行。

1.4 數據分析

采用Excel 2007進行數據處理和分析。

2 結果與分析

2.1 不同配比堆體的溫度變化

堆體溫度是指示好氧堆肥是否正常進行的一個重要指標。從圖1可以看出，2種堆體到達高溫的時間不同，配比1的堆溫在建堆8 h后即上升至50.7℃，而配比2則是在建堆14 h后達到50℃以上高溫。每次人工翻堆后，堆體溫度均能快速升溫，2種配比除第1次建堆8 d內溫度無明顯差別外，其余每次建堆后發酵期間的堆體溫度均表現為配比1高于配比2。在34 d的好氧發酵期間，配比1達到55℃以上的高溫時間累計持續了21 d左右，配比2為11 d，二者相差10 d。配比1堆體溫度為60℃以上的天數達16 d左右，而配比2僅在建堆后的7 d內堆體溫度有4 d左右達60℃以上高溫，說明配比1更適合微生物的生長活動，也有利于無害化處理。

2.2 不同配比堆料的pH值變化

2種配比的堆體初始pH值均調至8.0左右，由圖2可知，隨著建堆時間的延長，配比1堆料的pH值呈先降低后升高再降低又升高的動態變化，pH值在7.43～8.16范圍內，最后pH值為8.04。配比2的pH值則是持續升高，在第20天達到一個峰值8.72后開始下降，最后降至7.49。

2.3 不同配比堆料的C/N和w（C）/w（N）變化

C/N是好氧堆肥過程中的重要指標之一，可以指導建堆時的物料搭配，對物料的發酵啟動起著關鍵作用。本研究依據微生物活動所需的C/N設置了2個配比進行跟蹤，在34 d的好氧發酵期間，配比1的C/N值下降至18.65，配比2的C/N值為16.34（圖3），分別比建堆初期下降了37.83%和34.64%。從水溶性的碳氮比來看，配比1的w（C）/w（N）在堆肥全程，除第20天和第34天較配比2稍低外，其余時間均高于配比2。

2.4 堆肥過程中的有機質含量和E4/E6變化

由圖4可知，配比1的有機質含量高于配比2。隨著堆制時間的延長，配比1的有機質含量開始下降，后期下降緩慢；配比2波動較小，總趨勢為上升趨勢。表明配比1的有機質被微生物的降解效果優于配比2。本次堆肥過程中，前4次翻堆時E4/E6值變化幅度不大，在第5次翻堆時，E4/E6值均有所上升；配比2的E4/E6值上升幅度大于配比1。整個發酵期間，配比1的E4/E6值與配比2相差不大，說明好氧發酵期間，堆料的腐殖化水平差異不大。最后一次翻堆時E4/E6值開始提高，表明有大分子質量的腐植酸開始形成。

2.5 堆肥過程中EC值和發芽指數（GI）的變化

由圖5可知，2種配比的EC值在起初建堆時差異較大，配比1的初始EC值為1.403 mS/cm，而配比2的EC值為13.42 mS/cm。隨著發酵時間的延長，配比1的EC值稍有升高，而配比2降低明顯，2種配比在5次翻堆時間的EC值大小相差不明顯，EC值在2.29～3.38 mS/cm。

配比1在整個發酵時期，原始堆料GI較高，堆制7 d后，GI降低，第2次翻堆時又有所上升，第3次翻堆時下降，最后2次翻堆則一直在上升，在不同發酵時間，其GI均較高；配比2則從一開始的GI為0，到第1次翻堆時，上升到100%以上，第2，3次翻堆時下降，第4，5次翻堆時上升，說明2種配比起始的物料搭配不同，影響整個堆肥不同翻堆時期的GI，但隨著發酵時間的延長，GI均上升（圖5）。

3 結論與討論

溫度是監測好氧堆肥過程的一個重要指標。本研究中，堆體升溫速度、高溫持續時間均為配比1優于配比2，說明配比1的碳氮比更利于微生物的生長，也表明初始碳氮比對于堆體快速升溫及維持高溫均起關鍵作用，與白永娟[16]這研究不同發酵條件對菇渣發酵溫度的影響結果一致。當溫度高于55℃時，可以使一些病原微生物致死[17]。針對規模養殖場堆肥新標準要求，堆體溫度在55℃以上的天數不得少于10 d，這樣才能達到無害化要求[18]。本研究中，2種配比堆體溫度在55℃以上的天數均超過10 d，配比1在55℃以上持續時間更長。

中性或弱堿性的環境適宜微生物的生活，發酵過程中發酵物的pH值一般在6.7～8.5[12]。在堆肥過程中，微生物由于自身繁殖產生有機酸，引起pH值下降，隨著有機酸的分解以及有機質分解過程中產生氨態氮，會引起pH值的升高，隨著氨態氮轉化為硝態氮，堆料的pH值又下降[19]。本研究在發酵初期的pH值可以通過添加石灰水來調節，使得堆料偏堿性，有利于堆體的快速升溫。在堆肥過程中，配比1的pH值先下降后上升，說明配比1初始碳氮比有利于微生物的活動，有機酸分泌較多引起pH值下降，配比2則由于起初牛糞含量較高，含氮量相對較高，易出現氨化現象，所以pH值呈上升趨勢。通過翻堆混勻，配比1堆體內存在酸化和氨化交替進行的過程，而配比2前期則以氨化現象占優勢，后期才出現酸化現象。

良好的堆肥過程其碳氮比應是持續下降的。GARCIA等[20]研究認為，最終堆肥產品C/N值在理論上趨于微生物菌體的C/N值，即堆體C/N值由30左右降為15～20時可以認為堆肥腐熟，達到了穩定化的程度。通常認為，起始C/N在（20∶1）～（30∶1）均為一個理想比例，均有利于微生物生長活動。但是在實際應用中，則要考慮原材料粒徑的大小、物料的物理化學結構和能夠提供微生物生命活動利用的表面積等[21]。本研究中，配比2的C/N值為25，理論上適合微生物的生長，但其腐熟效果與配比1效果相比較差，說明堆體溫度升高除了與配比有關外，堆體的孔隙度、堆料牛糞含量較高等均會影響微生物的代謝活性。堆肥反應的微生物代謝發生在水溶相，w（C）/w（N）的理論意義為堆肥水溶相代謝的程度，即w（C）/w（N）高，則堆肥的可利用碳就充足[22]，起始可溶性的C和N含量也是決定堆肥能否正常進行的關鍵，因此，堆肥物料的理化性質是影響碳素利用的重要因素。本研究中，隨著堆肥的進行，可溶性碳氮比大小有波動，認為隨著微生物對有機質的降解和對單糖的利用，可溶性的碳氮比也在發生變化，與pH值的變化也有一定相關性。C/N值可以反映堆肥的生物轉化程度[23]，固相C/N值小于12是堆肥成熟的標志[24-25]。本研究只測定了好氧堆肥階段的C/N值，其尚未達到12，需要經過二次發酵才能達到腐熟。較高的C/N值對應的有較高的w（C）/w（N）值，但好氧發酵結束時，配比1低于配比2，說明配比1的有機質得到更好的有效降解。

適合高溫好氧發酵的堆料有機質含量高于20%就可以使堆肥正常進行。丁文川等[26]研究結果表明，堆肥初期有機物對微生物的增長起主導作用，但隨著微生物代謝產物的積累，溫度值等的變化對微生物的影響日益強烈，有機物由主導因子變為次要因子。E4/E6值通常隨堆肥固相腐植酸相對分子質量或縮合度增加而減小[27]，E4/E6值越高，說明微生物活性越高，生物化學過程比較強烈，復雜有機物尚未得到降解，未到達腐植酸大量形成期。本研究中，到第5次翻堆時E4/E6值仍較高，說明此時堆體仍處于礦化階段，降解作用旺盛，腐殖化程度還較低。

EC值反映了基質中可溶性鹽溶液的濃度和營養水平，EC值太低營養不足，EC值太高會導致鹽害，蔬菜作物基質理想的EC值應小于2.5 mS/cm[28]。堆肥產物在應用于基質栽培時，尤其栽培對鹽離子敏感的作物時，EC值的大小尤為重要。堆肥前期，因有機物分解產生大量有機酸分子、礦質鹽分，以及堆體體積減小、溫度升高水分蒸發，再加上硝化細菌活動使有機物料持續礦化產生NO3-，均會導致EC值升高，隨著堆制過程的進行，CO2和NH3等不斷揮發，同時小分子有機酸及陰陽離子被微生物轉化利用而合成腐殖質類物質，EC值會逐漸下降，到堆制結束時EC值基本維持在2.0 mS/cm左右[13]。本研究中，2種配比的EC值在堆制結束時均高于2.0 mS/cm，由于研究主要在好氧發酵期間檢測EC值的變化，尚未徹底腐熟，而且堆料用于栽培基質時，還要與其他基質原料搭配使用，EC值稍高不會影響園藝作物栽培效果。本研究中，配比2的初始EC值明顯高于配比1，可能是由于配比2中牛糞的比例較高導致，但隨著建堆時水分的調節以及堆肥的進行，離子濃度下降，EC值隨之降低。

GI反映了堆肥產品對植物的毒性，是評價堆肥腐熟程度的重要指標之一，當GI達到80%～85%時，可以認為對植物沒有毒性[29]。本試驗中，GI的變化呈先下降又上升的趨勢，原因可能是由于好氧發酵階段微生物降解有機物產生的NH3-N和有機酸等對種子發芽產生了一定的抑制作用[30]。本研究在不同翻堆時間配比1較配比2的GI高，說明玉米秸稈比例較大的堆料產生的抑制物低于牛糞比例較大的堆料。