畜禽糞便好氧堆肥腐熟度及其用于設施栽培基質的可行性分析

王秀紅，史向遠，李欣欣，王保平，周 靜，杜慧平，李永平，張紀濤

（山西省農業科學院現代農業研究中心，山西太原030031）

條垛式堆肥因其對場地、機械器具要求簡單、易于操作、堆料處理量不受限制，是目前最常用的大批量處理固體畜禽糞便的一種有效方式[1]。圓錐堆則是一種傳統自然堆漚有機肥的方式，受生產力水平和科技知識的限制，農民就地堆制，常常為厭氧發酵，堆放比較隨意，造成養分流失嚴重[2]，為了加速堆肥進程，農戶在田間地頭經常將傳統堆漚與好氧堆肥技術相結合[3]。但是，圓錐堆堆體太大，影響了堆體內的氣體交換，限制了有機物料的處理量。本研究采用2 種堆體進行好氧發酵處理，對發酵過程的理化性狀進行分析，從而探討2 種堆體對堆肥腐熟效果的影響。

好氧發酵的產物有多種用途，可用于有機肥、牛床墊料、設施栽培基質等[4-6]，近年來，用于設施基質的研究越來越多，路揚等[7]利用玉米秸稈高溫堆肥無害化處理后作為基質栽培番茄，結果表明，玉米秸稈堆肥理化性質比土壤更適合作物生長，且養分含量也高于土壤。張舒玄等[8]將奶牛糞蚯蚓堆肥與泥炭、珍珠巖和蛭石按不同體積比復配成草莓生長基質，結果顯示，以堆肥料50%替代泥炭的效果最佳，草莓可溶性糖、糖酸比及可溶性固形物、抗壞血酸、可溶性蛋白、花青素含量均不同程度高于無堆肥添加的基質。李燕等[9]進行紅掌栽培研究，結果表明，以60%的園林廢棄物堆肥替代泥炭效果最好，株高、冠幅和葉綠素質量分數分別提高23.74%、13.05%和10.15%。可見，堆肥產物用于設施栽培基質，不僅可以克服土壤連作障礙、提高栽培作物品質，而且可以部分替代草炭、降低設施基質栽培成本。

本研究擬對以條垛堆和圓錐堆2 種堆制方式獲得的腐熟料以及基質替代后的物料進行理化性狀分析，以探討牛糞和玉米秸稈為原料的堆肥腐熟料用于設施栽培基質的可行性。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

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。牛糞晾干碾碎，玉米秸稈為機械收獲玉米后的田間粉碎料，長度小于10 cm，作為調理劑用于牛糞堆肥。堆肥原料的理化性質列于表1。

表1 堆肥原料的理化指標

1.2 試驗設計

好氧堆肥試驗地點設在山西省農業科學院現代農業研究中心榆次東陽設施循環農業中試基地堆肥車間。試驗設置2 個處理，分別為條垛堆和圓錐堆，條垛堆采用截面為上底寬0.9 m、下底寬1.5 m、高1.3 m 的梯形堆體，堆體長度約3.0 m；圓錐堆采用底面直徑3.0 m，堆體高1.3 m，用pH 值為8.0 的石灰水預濕玉米秸稈，按堆料碳氮比30∶1 加入一定比例牛糞，并添加適量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，并在建堆及翻堆時從垂直高度1/2 處的堆體表面從外向內45、60、75 cm 處多點取樣后混合均勻，其中，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。

好氧堆肥結束的物料再后熟60 d 后，分別獲得條垛堆腐熟料1 和圓錐堆腐熟料2。將泥炭與腐熟料進行配比組合，與常用設施栽培基質泥炭、珍珠巖2∶1（表2）[10]對比，分析理化性狀，探索腐熟料配制設施園藝作物栽培基質的可行性。

表2 不同處理基質配方（體積比）

1.3 項目測定及方法

堆肥溫度、含水率、pH 值、EC 值、E4/E6、可溶性有機碳（Dissolved organic carbon，DOC）、可溶性氮（Dissolved nitrogen，DN）、有機質和種子發芽指數（Germination index，GI）均參照王秀紅等[11]的方法進行。基質的理化性狀分析參照周靜等[12]的方法進行。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2007 進行試驗數據處理與作圖，采用SPSS 統計軟件進行試驗數據的方差分析，采用Duncan 新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中的溫度變化

堆體溫度是評價堆肥腐熟進程的一個重要指標[13]。由圖1 可知，2 種堆體均在建堆后快速升溫，圓錐堆距側面垂直向內45、60、75 cm 處分別在建堆后8、8、28 h 后達到50 ℃，條垛堆對應的3 個部位的堆溫上升至50 ℃的時間分別為18、24、48 h，3 處升溫分別提前10、16、20 h，說明圓錐堆升溫明顯快于條垛堆。從堆體50 ℃以上高溫的持續時間來看，圓錐堆45 cm 處為30 d 左右，條垛堆為27 d 左右，二者在60 cm 處均為27 d 左右，條垛堆在75 cm 處高溫持續時間較圓錐堆少5 d。

2.2 含水率和有機質含量的變化

由圖2 可知，2 種堆體初期含水量均在70%左右，但隨著堆制時間的延長，含水量均在下降，其中，條垛堆的下降比較平穩，圓錐堆則下降明顯，說明圓錐堆較條垛堆更易散失水分，到第2 次翻堆時圓錐堆的含水量已經低于60%。好氧發酵結束時，條垛堆和圓錐堆的有機質含量分別從建堆初期的82.10%和91.39%下降至56.78%和63.27%，分別降低25.42%和28.12%，說明圓錐堆的有機質降解效果優于條垛堆。

2.3 pH 值和EC 值的變化

從圖3 可以看出，條垛堆在前2 次翻堆時，堆體pH 值明顯降低，在第3 次翻堆時則開始上升；圓錐堆在第1 次翻堆時pH 值下降明顯，隨后上升，在第3 次翻堆時達到較高值，后又下降；圓錐堆較條垛堆下降提前，pH 值上升快下降也快；最后一次翻堆時兩堆體的pH 值均為8.0 左右，稍高于初始物料，說明不同堆體對堆料微生物分泌有機酸及氨化作用有一定的影響。條垛堆和圓錐堆在第1 次翻堆時的EC 值變化趨勢不同，條垛堆下降，圓錐堆上升，整個好氧發酵期呈上下波動趨勢，在整個堆肥過程中圓錐堆的EC 值較條垛式堆高；最后一次取樣時條垛堆和圓錐堆的EC 值均較建堆初期升高，分別為2.76、3.31 mS/cm。

2.4 堆肥過程中E4/E6 和發芽指數（GI）的變化

腐植酸光學特性（E4/E6 值）是可以用來評價堆肥腐殖化作用大小的一個指標。從圖4 可以看出，E4/E6 值均在一個較高的范圍，隨著發酵時間的延長，E4/E6 有波動，但好氧發酵結束時，2 種堆體的E4/E6 值均上升，說明腐植酸開始形成，圓錐堆和條垛堆分別上升1.01 和0.35；條垛堆和圓錐堆在建堆初期的發芽指數均大于100%，隨著發酵時間的延長，條垛堆的發芽指數降低較快，說明條垛堆發酵產生的發芽抑制物多于圓錐堆；經34 d 好氧發酵，條垛堆的發芽指數為73.41%，明顯低于圓錐堆，而圓錐堆的GI 在整個堆肥期均高于80%。

2.5 腐熟料用于固態基質的生物學性狀和理化性狀分析

碳氮比代表了基質的發酵程度，好氧發酵料經60 d 的后熟，2 種堆體來源的物料均達到完全腐熟，可用于設施園藝作物栽培基質的配料。由表3可知，與常見基質原料泥炭對比，2 種腐熟料其容重均極顯著高于泥炭，處于0.15～0.8 g/cm3范圍內，對植株生長具有較好的支撐作用；2 種物料的總孔隙度、通氣孔隙度和持水孔隙度均極顯著低于泥炭，總孔隙度均高于54%，通氣孔隙度高于15%，持水孔隙度高于45%；2 種腐熟料的氣水比均高于泥炭，泥炭和腐熟料2 的氣水比達到基質理想范圍（（1∶1.5）～（1∶4））[14]，2 種腐熟料的pH 均偏堿性，極顯著高于泥炭；2 種腐熟料的EC 值均高于泥炭，說明腐熟料的可溶性鹽分含量明顯偏高，三者之間均存在極顯著差異。GI 是檢測基質配方是否會對植物生長產生毒害的重要指標，從表3 可以看出，腐熟料2 的GI 與泥炭無顯著差異，腐熟料1 與泥炭和腐熟料2 間差異極顯著，3 種物料對GI 均高于70%，腐熟料達到了無害化標準，同時滿足《NY/T 3442—2019 畜禽糞便堆肥技術標準》中對GI 的要求。

表3 腐熟料用作基質的性狀分析

2.6 腐熟料進行基質組合后的理化性狀分析

在腐熟料完全腐熟的前提下，選取腐熟料2 進行基質組合試驗，結果如表4 所示。與表3 腐熟料2 對應指標相比，通過不同基質配方組合，栽培基質的各項理化指標均發生了變化，處理T1、T2、T3的容重、總孔隙度、持水孔隙度、pH 值和EC 值均降低，通氣孔隙度和氣水比增加，說明腐熟料通過與其他物料組合，可以改變基質的理化性狀。由表4可知，與CK 相比，處理T1、T2、T3 的容重均極顯著高于CK，均大于0.1 g/cm3；總孔隙度均顯著低于CK，且處理T2 與CK 間差異極顯著，但3 個處理的總孔隙度均高于54%；持水孔隙度表現出處理T3高于CK、T1、T2，且極顯著高于處理T2，與CK 間差異不顯著，T3 和CK 均高于45%；T3 的通氣孔隙度極顯著低于CK，顯著低于T1、T2 處理，處理T1 和T2 也顯著低于CK，3 個處理均高于15%；處理T3和CK 的基質氣水比處于理想范圍（（1∶1.5）～（1∶4））之內；通過混配，腐熟料100%替代泥炭的處理T2 的pH 值與單一腐熟料pH 值沒有明顯變化，而25%替代泥炭的處理T1 和50%替代泥炭的處理T3 的pH 值均下降，呈弱酸性；3 個處理的EC值極顯著高于CK，說明組合后的基質中含有的可溶性鹽仍然較高。

表4 腐熟料組合基質的性狀分析

3 結論與討論

溫度可以最直觀地表征堆肥的腐熟程度[15]。好氧發酵適宜的發酵溫度為50～60 ℃，在該溫度范圍內持續一段時間，可以加快發酵進程[16]，并且可以將堆肥物料中所攜帶的病原菌、蟲卵和雜草種籽等殺死，90%以上的抗生素類有害物質也會被微生物降解掉[17-18]，從而達到無害化要求。本研究中2 種堆體在不同深度的高溫維持時間均在20 d 以上，均可實現無害化。圓錐堆較條垛堆更易散失水分，與圓錐堆的側表面積有關，利用圓錐堆堆肥，需要注意水分的調節。微生物合成自身細胞物質以及進行各種生理活動均需要有機質提供能量，本研究在堆肥過程中，2 種堆體有機質含量均下降，說明2 種堆體的微生物活躍，發酵正常進行。一般認為，pH值在7.5～8.5 時，可獲得最大堆肥速率，本研究中，2 種堆體在建堆初期均添加適量的石灰，將堆料調為堿性環境，利于微生物生長繁殖。隨著發酵進行，pH 值呈先下降后上升的動態變化，是由于微生物繁殖產生了有機酸導致pH 值下降，隨著有機酸和堆料有機質的逐漸分解，會產生一定量的氨態氮，引起pH 值升高。隨著氨態氮轉化為硝態氮，pH 值又有下降[19]。發酵腐熟物料pH 值一般在8～9，呈弱堿性[20]，本研究中，2 種堆體經過好氧堆肥后均偏堿性。EC 值反映了土壤或栽培基質中含有可溶性鹽分的多少。一般適宜作物生長的EC 值應介于0.6～2.0 mS/cm，若高于3.5 mS/cm，則會導致植株不能正常生長[21]。白永娟等[22]認為，發酵時用有機氮作為氮源，會引起EC 值的提高。EC 值與添加糞肥的量呈正相關，糞肥量越多，EC 值越高。本研究2 種堆體EC 值均在3.5 mS/cm 以上，含可溶性鹽分偏高，可能與堆料中添加牛糞有關。

發酵不完全或C/N 比較高的有機質，在使用過程中有可能釋放出有毒有害物質，影響有機基質的穩定性和使用性能。C/N 在（15～20）∶1 時可以認為堆肥腐熟，達到了穩定化的程度[23]。本研究中，2 種堆體的腐熟料均達到腐熟，且GI 試驗結果表明，對植株生長無毒害作用，可以用于設施園藝作物基質的研究。郭世榮等[24-27]提出關于基質各理化指標的理想范圍，容重在0.1～0.8 g/cm3，總孔隙度在54%～96%，通氣孔隙度在15%～30%、持水孔隙度在45%～75%、氣水比在1∶（1.5～4）為宜，EC 值在0.75～3.5 mS/cm，pH 值5.8～7.0，作物栽培效果較好。本研究中，單一腐熟料的容重、總孔隙度、持水孔隙度、通氣孔隙度和氣水比均在比較合適的范圍內，但pH 值和EC 值均超出理想范圍，pH 偏弱堿性，EC 值偏高，說明單一腐熟料滿足基質的物理性狀指標，但化學性狀超標。不同類型基質按一定比例混合可以調整基質理化性狀[28]。本研究將腐熟料與泥炭、珍珠巖組合用作基質，改變了基質的物理性狀，基質的容重、總孔隙度、通氣孔隙度均在理想范圍內，但是持水孔隙度偏低，僅有50%泥炭替代的處理T3 的氣水比超過理想范圍下限（（1∶1.5）～（1∶4）），說明添加腐熟料后會影響基質的持水效果。從基質的化學性狀來看，部分替代泥炭的處理T1 和T3 均為弱酸性，而全部替代泥炭的處理T2的pH 值沒有得到改善。白永娟等[22]認為，若基質的EC 值高于理想范圍，可通過添加無機基質進行混配，使得EC 值達到理想范圍。本研究將腐熟料與泥炭和珍珠巖混配后，EC 值均降低，但與單一腐熟料的差異不明顯，基質的可溶性鹽分含量仍較高，但已降至3.5 mS/cm 以下。

綜上所述，條垛堆和圓錐堆均能達到完全腐熟，其生物學性狀和物理性狀基本能滿足栽培基質配料要求，通過基質混配可以改善腐熟料用于基質的理化性狀。混配后持水孔隙較低，可以嘗試通過對發酵原料進行揉絲處理解決。EC 值較高的問題，可通過部分替代泥炭或淋洗降低EC 值。此外，種植一些耐鹽性作物，也可實現腐熟料基質化的目的。所以，牛糞秸稈腐熟料用于設施栽培基質是可行的。