畜禽糞便有機肥制備及其對土壤營養和西紅柿品質的影響

李濤 仲惟 趙君 劉歡龍 李立軍

DOI：10.3976/j.issn.1002-4026.20230092

收稿日期：2023-06-01

基金項目：國家自然科學基金項目（32200089）；河南省科技攻關項目（222102110198）

作者簡介：李濤，女，博士，副教授，研究方向為農業生物技術及微生物-宿主-環境互作。E-mail：litao83929@163.com

摘要：以畜禽養殖糞便為主要原料，以玉米秸稈糠為調理劑，通過生物+納米復合分子膜靜態堆肥分別生產出符合標準NY 884—2021的品質優良有機肥（OF）產品及生物有機肥（BOF）。設計5組平行西紅柿栽培試驗，即CK組（不施肥）、CF組（100% 硫酸鉀型復合肥，400 kg/hm2）、COF組（80% 硫酸鉀型復合肥+20%OF 3 000 kg/hm2）、CBO組（80% 硫酸鉀型復合肥+20%BOF 3 000 kg/hm2、COB組（70% 硫酸鉀型復合肥+20%OF 2 000 kg/hm2+10%BOF 1 000 kg/hm2）5種施肥方式，試驗結束后進行土壤有機質、全氮、速效鉀等養分質量分數及果實品質指標，如可溶性糖、維生素C質量分數等的測定。結果發現：配施有機肥可使土壤中的速效氮、磷、鉀相對提高，且化肥減施20%～30%對番茄產量影響不大。有機無機配施與單施化肥相比可顯著提高果實品質，如提高可溶性糖和維生素C質量分數的同時有效降低可滴定酸及硝酸鹽的質量分數（p＜0.05）。通過對土壤耕層理化指標影響主成分進行分析，發現各施肥方式對土壤耕層理化指標影響由大到小排序依次為：CBO、COB、COF、CK、CF。采用冗余分析對土壤耕層理化指標與番茄品質相關性進行分析，發現土壤耕層6個理化指標均與番茄品質顯著相關。

關鍵詞：有機肥；生物有機肥；理化指標；主成分分析；冗余分析

中圖分類號：S-3??? 文獻標志碼：A??? 文章編號：1002-4026（2024）03-0048-07

開放科學（資源服務）標志碼（OSID）：

Preparation of organic fertilizer from livestock manure and its effects

on soil nutrition and tomato quality

LI Tao1，2， ZHONG Wei1，2， ZHAO Jun1，2， LIU Huanlong1，2， LI Lijun1，2

（1.College of Applied Engineering， Henan University of Science and Technology， Sanmenxia 472000， China;

2.Sanmenxia Polytechnic， Sanmenxia 472000， China）

Abstract∶Using livestock and poultry manure as the main raw material and corn straw bran as the conditioner， organic fertilizer （OF） and bio-organic fertilizer （BOF） products were produced by biological nano-composite molecular film static composting， and all products were in line with standards of NY 884—2021. Five parallel tomato cultivation experiments were designed， namely， CK （no fertilizer）， CF（100% potassium sulfate compound fertilizer， 400 kg/hm2）， COF（80% potassium sulfate compound fertilizer+20%OF 3 000 kg/hm2）， CBO（80% potassium sulfate compound fertilizer+20%BOF 3 000 kg/hm2）， and COB （70% potassium sulfate compound fertilizer+20%OF 2 000 kg/hm2+10%BOF 1 000 kg/hm2）. After the experiment， the nutrient contents of soil， organic matter， total nitrogen， and available potassium， as well as fruit quality indicators such as soluble sugar and vitamin C content were measured. The results showed that the application of organic fertilizer could relatively increase the available nitrogen， phosphorus， and potassium in the soil， and reducing chemical fertilizer application by 20% to 30% had little effect on tomato yield. Compared to the single application of chemical fertilizer， the combined application of organic and inorganic fertilizers could significantly improve fruit quality， such as increasing soluble sugar and vitamin C content while effectively reducing the content of titratable acid and nitrate （p<0.05）. Through the analysis of the main component of the impact of soil physicochemical indicators on the soil layer， it was found that the impact of each fertilization method on the soil physicochemical indicators was ranked as follows： CBO， COB， COF， CK， and CF. The correlation between six physicochemical indicators in the soil layer and tomato quality was analyzed by redundancy analysis and it was found that all six physicochemical indicators in the soil layer were significantly correlated with tomato quality （p<0.05）.

Key words∶organic fertilizer; biological organic fertilizer; physicochemical indicators; principal component analysis; redundancy analysis

化肥因其施用方便、肥效快且增產效果明顯，在農業生產中發揮著至關重要的作用，然而長期大量施用化肥會降低土壤有機質含量，引發土壤理化性狀惡化、營養功能衰減［1］。之前已有大量國內外研究發現有機肥在改良土壤、培肥地力、增產及提升作物品質上作用顯著［2-4］。近期很多研究證實，化肥與有機肥合理配施可改善土壤微生物群落結構，改良土壤養分性狀，有效提高農產品產量和品質，從而提高化肥利用效率，減少化肥用量［5-6］。從農業廢棄物高效利用和維護農田地力的角度出發，有機無機配施將是我國今后肥料施用發展的必然趨勢。

隨著強農惠農政策的實施，大型牲畜及家禽養殖量將呈現穩步上升趨勢，伴隨而來的畜禽養殖產業污染物產生量大、污染負荷高、處理難度大，亦成為我國重要的農業面源污染源之一。畜禽糞便中富含大量有機質，包括蛋白質及碳水化合物，在無氧條件下可分解產生氨氣、硫化氫等有毒氣體及甲烷、二氧化碳等溫室氣體［7］。其中大量有害微生物、病原菌及寄生蟲卵，易對土壤及水體環境造成污染。

堆肥技術具有對糞污無害化處理比較徹底、糞便附加值高、經濟效益好等優點，是目前應用較廣的畜禽糞便處理模式。Huang等［8］研究發現，采用強制通風和機械堆翻相結合的方式有利于水溶碳的分解和固相碳氮比的降低，加快堆肥腐熟。劉世亮等［9］研究指出，隨畜禽糞便有機肥施用量增加，小麥土壤中的堿解氮、速效鉀和速效磷、有機質和活性有機質質量分數顯著增加，而化學氮肥施用量增加，僅增加土壤堿解氮質量分數，對土壤速效鉀、速效磷和有機質質量分數的影響不明顯。王玉軍等［10］研究指出，添加微生物菌劑處理雞糞和玉米秸稈混合有機物料，不僅加快了分解速度，而且促進了氮的積累，比未添加菌劑處理的氮質量分數增加了5.4%。Shen等［11］研究發現隨著植株連作的增加，土壤細菌群落多樣性和豐富度下降，真菌群落多樣性和豐富度增加，施用生物有機肥導致土壤根際細菌和放線菌數量顯著增加，土壤真菌數量顯著減少。前人對畜禽糞便為主料的堆肥產品的肥效及其微生物群落結構進行了探討，但綜合土壤理化指標、微生物多樣性及土壤營養狀況互作分析的文獻較少，本項目主要開展此系統研究。

本研究選取畜禽養殖糞便及秸稈等農業廢棄物為主要原料和調理劑，采用生物+納米復合分子膜靜態堆肥技術，生產出高于傳統發酵模式的品質優良的有機肥（OF）產品，并添加功效菌種開發復配出生物有機肥（BOF）。將OF及BOF復配常規化肥，設計若干配施比例開展西紅柿栽培試驗，進行土壤有機質、全氮、速效鉀等養分含量及果實品質指標，如可溶性糖、可溶性蛋白質、維生素C含量等進行測定，分析不同有機無機肥配施對果實品質和土壤營養狀況的影響，為農業生產力提高及養分資源高效利用提供技術支持。

1? 材料與方法

1.1? 供試植物及試驗地點

選擇供試植物為番茄，品名為粉都金冠王，購自河南豫藝種業科技發展有限公司。

試驗地點位于三門峽市湖濱區富村千畝蔬菜基地（北緯34°43′15.41″、東經111°14′20.30″）。土壤類型為褐土，尤其以半淋溶型壤質土居多，有機質和全氮質量分數均較低，有機質質量分數約為10～20 g/kg，全氮質量分數約0.4～1.0 g/kg，堿解氮質量分數約40～60 mg/kg。由于土壤中Ca離子呈飽和狀態，P多與Ca結合而被固定，導致其中速效磷含量也較低。另該地區微量元素Zn、Mn、Fe、B等有效態含量亦較低。

1.2? 供試有機肥及生物有機肥制備

1.2.1? 堆肥原料成分分析、重金屬含量測定

參照有機肥料（NY/T 525—2021）標準［12］中的相應方法測定畜禽糞便含水率、pH、有機質質量分數、總氮質量分數、總磷質量分數、總鉀質量分數等，尤其對其中的砷、汞、鉛、鉻、鎘的限量（以烘干基計，mg/kg）數值進行測定，確保原料無重金屬污染方可用于堆肥試驗。

1.2.2? 生物+納米復合分子膜靜態堆肥

選取三門峽養殖產業畜禽養殖糞便為主要原料，以玉米秸稈糠為調理劑，經過物料碳氮比計算最終確定原料質量配比為m（畜禽糞便）：m（玉米秸稈糠）=3：1，另外在體系中添加質量分數為0.5%石灰作為重金屬鈍化劑，質量分數為0.03% 的茶皂素作為病原菌拮抗劑。采用具有分子過濾微孔結構的納米復合分子膜（24 h透濕量為8 000 g/m2，透氣率為2 L/（m2·s-1））構建的密閉發酵系統，配備智能控制系統調節發酵溫度約65 ℃，底部安裝曝氣系統以穩定氧氣體積分數約為13%，堆體中添加質量分數為3‰高效發酵混合菌劑（包含光合菌、酵母菌、乳酸菌、放線菌、芽孢桿菌等，購自天津ETS生物科技，執行標準GB 20287—2006［13］），高溫快速發酵約15 d后停止供氧進行陳化腐熟，持續發酵約10 d至腐熟完全，即得符合農業部行業標準NY 884—2021的品質優良的有機肥（OF）產品［14］。

1.2.3? 供試生物有機肥制備

將上述發酵好的有機物料粉碎、過篩，在發酵好的有機肥中添加購自湖北啟明生物工程有限公司質量分數為2‰的復合功效菌劑（枯草芽孢桿菌、哈茨木霉菌等，執行標準GB 20287—2006［13］）混合均勻，即得生物有機肥產品（BOF），枯草芽孢桿菌活菌數≥4.00×1010 g-1，哈茨木霉菌活菌數≥1.00×109 g-1。

1.3? 西紅柿栽培試驗設計

1.3.1? 供試肥料

化肥采用硫酸鉀型復合肥（N、P2O5、K2O質量比為15：15：15，總養分≥45%），有機肥（OF）及生物有機肥（BOF）為本研究中所制備產品。所制備有機肥及生物有機肥有機質質量分數≥35% 、氮磷鉀質量分數≥5%，復合功效菌劑有效活菌數≥0. 5×108 g-1。

1.3.2? 試驗設計

共設計5組平行試驗：（1）CK組（不施肥）；（2）CF組（100% 硫酸鉀型復合肥，400 kg/hm2）；（3）COF組（80% 硫酸鉀型復合肥+20%OF 3 000 kg/hm2）；（4）CBO組（80% 硫酸鉀型復合肥+20%BOF 3 000 kg/hm2）；（5）COB組（70%硫酸鉀型復合肥+20%OF 2 000 kg/hm2+10%BOF 1 000 kg/hm2）。

小區面積9.0 m2（1.0 m×9.0 m），每組試驗6次重復，隨機區組排列，采用起壟方式進行種植，壟高約0.3 m，植株間距 0.3 m。各小區周邊設置田埂（寬50 cm，高20 cm）將相鄰小區隔開。OF、BOF在土壤翻耕時期基施，硫酸鉀型復合肥以條溝狀施肥，第一穗果膨大到雞蛋大小時可進行一次硫酸鉀型復合肥追肥，結合灌水采用淺穴溝施。于2022年5月上旬播種，定期觀察和記錄番茄生長情況，試驗結束后，番茄成熟期進行土壤養分含量及果實中硝酸鹽、可溶性固形物、可溶性糖及維生素C等指標測定。

1.4? 土壤樣本測定方法

pH測定采用電位法；土壤有機質（OM）采用重鉻酸鉀外加熱容量法測定；土壤全氮（TN）采用半微量凱氏法（KS04-CuSO4-Se蒸餾法）測定；土壤速效鉀（AK）采用火焰光度法1 mol/L NH4AcO提取測定；土壤有效磷（AP）采用鉬銻抗比色法0.5 moL/L NaHCO3提取測定；土壤堿解氮（AHN）的測定采用擴散吸收法。

番茄可溶性糖采用蒽酮法，可滴定酸采用堿溶液滴定法，糖酸比為可溶性糖含量與可滴定酸含量比值；維生素C采用 2，6-二酚靛酚滴定比色法；硝酸鹽則采用濃硫酸-水楊酸比色法進行測定。

1.5? 數據分析及統計

采用Microsoft Excel進行數據整理，用SPSS 21. 0軟件進行數據方差分析（Duncan檢驗法） 及主成分分析，差異顯著性水平設為p=0.05。土壤耕層理化指標與番茄品質相關性冗余分析采用圖圖云平臺https：//www.cloudtutu.com/#/login在線分析。

2? 結果及分析

2.1? 堆肥原料成分及重金屬含量分析

對畜禽糞便理化指標進行檢測，檢測結果如表1所示，畜禽糞便中營養成分質量分數較高且5項重金屬檢測均未超出國標GB 15618—2018規定的農用地土壤污染風險篩選值［15］，可用作堆肥原料。

2.2? 不同施肥方式對土壤耕層理化指標的影響

由表2可以看到，試驗地塊pH呈弱堿性，CF處理使得土壤pH下降0.44，有明顯酸化趨勢，COF、CBO及COB處理對土壤pH影響不大，與CK間無顯著性差異（p＜0.05）。土壤有機質是植物營養的主要來源之一，在一定含量范圍內，其含量與土壤肥力水平呈現正相關，施用有機肥使得土壤中有機質含量均有不同程度的增加，尤其COF處理增加最為顯著，其次是CBO處理，CF處理則使得土壤有機質含量下降（p＜0.05）。土壤全氮代表氮素總貯量及供氮能力，堿解氮則為速效氮，反映土壤近期的氮素供應能力，有機無機配施使得土壤中的全氮及堿解氮質量分數均顯著高于CK和CF處理，COF處理土壤的全氮質量分數最高，比CK高出0.64 g/kg，CBO處理土壤中堿解氮質量分數相比CK增加最為明顯，為64.89 g/kg（p＜0.05）。化肥減量增施有機肥及生物有機肥使土壤中速效養分增加顯著，尤其CBO處理土壤的速效鉀質量分數增加9.47 g/kg，COB處理土壤的有效磷質量分數增加21.25 g/kg（p＜0.05），表明有機肥促進磷和鉀的轉化，從而增加土壤中鉀肥和磷肥的利用率。

2.3? 不同施肥方式對番茄產量的影響

圖1中可以看到，CF處理與CK相比番茄產量提高顯著，COF與CF處理間差距不明顯，COB處理比COF和CF處理所得番茄產量差異不顯著，CBO處理所得番茄產量最高，且與COB和CK間差異顯著（p＜0.05），這說明與單施化肥相比，有機無機配施對番茄產量提高影響不大，即化肥減施20%～30%對番茄生長影響不大。

2.4? 不同施肥方式對番茄品質的影響

果實中可溶性糖和可滴定酸的質量分數直接決定其鮮食口感，表3中可見，CBO處理所得番茄的可溶性糖質量分數最高，與CK相比提高8.6%，且COF、CBO及COB處理可溶性糖質量分數差異不顯著，CF處理所得番茄的可溶性糖質量分數最低，比CBO處理低45.5%（p＜0.05）；CBO處理所得番茄的可滴定酸質量分數最低，與CF處理相比低26%，且COF、CBO及COB處理可滴定酸質量分數差異亦不顯著（p＜0.05），可見化肥減施20%～30%可顯著提高番茄的鮮食口感，這一結果與果實糖酸比結果一致。維生素C質量分數的高低是評價果實營養品質的常見指標，COB處理所得番茄維生素C質量分數最高，與CK及CF處理相比分別提高21.6%及43.1%，CBO處理所得番茄維生素C質量分數亦顯著提高（p＜0.05），COF處理所得番茄維生素C質量分數與CF處理相比提高30.6%，可見有機無機配施可顯著提高番茄維生素C質量分數。硝酸鹽質量分數是評價各類蔬菜質量及食用安全性的重要指標，各處理所得番茄硝酸鹽質量分數均低于國家標準432.00 mg/kg，其中CBO處理所得番茄硝酸鹽質量分數最低，其次COF和COB處理所得番茄硝酸鹽質量分數亦較低，而CF處理所得番茄硝酸鹽質量分數最高，說明有機無機配施與單施化肥相比顯著降低番茄中硝酸鹽質量分數。

3? 討論

3.1? 土壤耕層理化指標影響主成分分析

由表4可知，前2個主成分解釋了全部方差的95.102％，說明提取的２個主成分能夠代表原來6個土壤理化指標的95.102%，因此，提取的２個主成分分別為PC1和PC2。

根據２個主成分系數，得到Y1和Y2的線性組合為：Y1=0.177X1+0.493X2+0.365X3+0.461X4+0.415X5+0.455X6，Y2=0.689X1+0.145X2+0.493X3+0.190X4+0.384X5+0.277X6。

使用SPSS 21.0軟件，將原始數據進行標準化（Ｚ-score法）處理后，根據主成分方程計算的主成分得分和以各個主成分方差貢獻率占兩個主成分總方差貢獻率的比率為權重計算綜合得分，得到各施肥方式對土壤耕層理化指標影響由大到小排序依次為：CBO、COB、COF、CK、CF。

3.2? 土壤耕層理化指標與番茄品質的相關性

采用冗余分析對土壤耕層理化指標與番茄品質相關性進行分析，土壤耕層理化性質對番茄品質的解釋率為93.671%（圖2），土壤耕層6個理化指標均與番茄品質顯著相關（表5）（p＜0.05）。pH、AK與番茄各品質指標除硝酸鹽外均呈正相關；OM、AP、TN及AHN與番茄各品質指標除糖酸比外均呈正相關（圖2）。

3? 結論

本研究以畜禽養殖糞便為主要原料，以玉米秸稈糠為調理劑，其中添加質量分數3‰ 高效發酵混合菌劑，采用具有分子過濾微孔結構的納米復合分子膜（透濕量為8 000 g/（m2·d），透氣率為 2 L/（m2·s））構建的密閉發酵系統，通過智能控制及曝氣系統調節發酵溫度為65 ℃、氧氣質量分數為13%，物料在適宜微生物繁殖的密閉空間可實現約15 d穩定的高溫菌快速發酵，后停止供氧進行陳化腐熟，持續發酵約10 d即腐熟完全，通過此法生產出符合農業部生物有機肥行業標準NY 884—2021的品質優良的有機肥（OF）產品，然后添加復合功效菌種開發復配出生物有機肥（BOF）。分別設計5組平行西紅柿栽培試驗，即采取CK（不施肥）、CF（單施化肥）、COF（80%化肥+20%有機肥）、CBO（80%化肥+20%生物有機肥）及COB（70%化肥+20%有機肥+10%生物有機肥）施肥方式，試驗結束后進行土壤有機質、全氮、速效鉀等養分含量及果實品質指標，如可溶性糖、維生素C含量等的測定，結果發現配施有機肥可使土壤中的速效氮、磷、鉀相對提高，且化肥減施20%～30% 對番茄產量影響不大。有機無機配施與單施化肥相比可顯著提高果實品質，如提高可溶性糖和維生素C質量分數的同時有效降低可滴定酸及硝酸鹽的質量分數（p＜0.05）。通過對土壤耕層理化指標影響主成分進行分析，發現各施肥方式對土壤耕層理化指標影響由大到小排序依次為：CBO、COB、COF、CK、CF。采用冗余分析對土壤耕層理化指標與番茄品質相關性進行分析，發現土壤耕層6個理化指標均與番茄品質顯著相關（p＜0.05）。

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