劉宇鋒,范如芹,羅 佳,蘇天明,唐玉邦,張振華*

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,江蘇 南京 210014;2.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,廣西 南寧 530007;3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所,江蘇 南京 210014)

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添加麥秸與發(fā)酵菌劑對廢墊料堆肥再發(fā)酵過程的影響

劉宇鋒1,2,范如芹1,羅 佳1,蘇天明2,唐玉邦3,張振華1*

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,江蘇 南京 210014;2.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,廣西 南寧 530007;3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所,江蘇 南京 210014)

設(shè)置4種麥秸與廢墊料比例(0∶10、2∶8、4∶6、6∶4)與2種發(fā)酵菌劑添加方式(不接種菌劑、接種菌劑)，研究了麥秸與廢墊料比例以及發(fā)酵菌劑對畜禽養(yǎng)殖廢墊料堆肥再發(fā)酵過程的影響。結(jié)果表明:添加麥秸對廢墊料堆肥再發(fā)酵過程存在顯著性影響,能增加發(fā)酵溫度和腐殖酸含量,相對增加全N含量,部分增加全磷、全鉀含量,降低物料EC值,提高有機(jī)質(zhì)含量,并能快速影響C/N的變化，以4∶6水平下的效果最為明顯；接種發(fā)酵菌劑對堆肥再發(fā)酵有一定的促進(jìn)作用，能在一定程度上提高發(fā)酵溫度,提高物料中腐殖酸含量,并在一定程度上降低C/N和EC；上述2個(gè)因素結(jié)合應(yīng)用的效果優(yōu)于單獨(dú)接種發(fā)酵菌劑的效果。綜上所述,麥秸與廢墊料比例為4∶6與接種發(fā)酵菌劑的處理組合是最合適的廢墊料再發(fā)酵模式。

廢墊料;麥秸與廢墊料比例;發(fā)酵菌劑;堆肥再發(fā)酵

發(fā)酵床墊料是畜禽活動場所和畜禽糞尿的主要載體[1]。發(fā)酵床墊料受到墊料組分性質(zhì)、畜禽養(yǎng)殖種類與方式、畜禽養(yǎng)殖密度和養(yǎng)殖過程日常維護(hù)等因素的影響,發(fā)酵床墊料有一定的使用壽命,一般0.5～5.0年不等[2]。在發(fā)酵床墊料達(dá)到使用壽命后,須更換新的發(fā)酵床墊料；被替換下來的墊料就成為廢墊料。由于廢墊料存在鹽度積累較高[3]、病原微生物滋生、寄生蟲卵殘留等問題[4-5],在廢棄墊料能否直接作為有機(jī)肥料使用并釋放到環(huán)境方面,還存在一定爭議[6-7]。若將廢墊料完全廢棄,則不但會造成資源浪費(fèi),還會形成新的農(nóng)業(yè)面源污染源,從而限制發(fā)酵床養(yǎng)殖技術(shù)的進(jìn)一步推廣。因此,廢棄墊料的無害化、資源化綜合利用成為廢墊料處理的基本方向。

目前對廢墊料的處理方式主要有再生和堆肥再發(fā)酵。因再生成本較高,堆肥再發(fā)酵成為目前對廢墊料進(jìn)行無害化、資源化處理的主要方法[8-9]。廢墊料堆肥再發(fā)酵處理可降低廢棄墊料中有害物質(zhì)的毒性,減小堆存的體積和重量;該處理具有處理成本低、無害化程度高,處理能力大,有利于貯存、運(yùn)輸和施用等諸多優(yōu)點(diǎn)，不僅可以解決畜禽規(guī)模化養(yǎng)殖帶來的環(huán)境污染問題,而且對發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)、培肥地力、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。

在商品有機(jī)肥生產(chǎn)過程中,加快升溫速度、縮短堆腐時(shí)間是提高商品有機(jī)肥生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。傳統(tǒng)堆肥法一般利用堆制原料中的土著微生物來降解物料,存在發(fā)酵時(shí)間長、NH3揮發(fā)嚴(yán)重、肥效降低和環(huán)境污染等問題[10-11]。大量研究表明接種外源發(fā)酵菌劑具有促使堆肥物料快速達(dá)到高溫、降低堆肥過程中N損失[12]、縮短發(fā)酵時(shí)間、提高堆肥質(zhì)量等作用[13-15]，可有效降低工廠化堆肥中堆肥時(shí)間和場地成本,經(jīng)濟(jì)提升效果明顯。

目前,在廢棄墊料的資源化評價(jià)[6-7,16]、有害物質(zhì)殘留分析[2,17-18]、對作物生長發(fā)育的影響[19-20]、發(fā)酵菌劑在廢墊料堆肥發(fā)酵中應(yīng)用[21]等方面已有不少研究報(bào)道，但對不同比例作物秸稈并結(jié)合發(fā)酵菌劑接種在廢墊料堆肥再發(fā)酵中使用的研究還不多見，同時(shí)對堆肥再發(fā)酵過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測目前尚缺乏系統(tǒng)報(bào)道。本試驗(yàn)以豬發(fā)酵床廢墊料為研究對象,添加不同比例的麥秸,并結(jié)合發(fā)酵菌劑接種,研究了廢墊料堆肥再發(fā)酵過程中堆肥物料主要理化性狀的變化,旨在為廢墊料資源化綜合利用提供數(shù)據(jù)支撐和理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2015年11月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玻璃溫室(32°2′22″N,118°51′43″E)內(nèi)進(jìn)行。本試驗(yàn)以江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動物科學(xué)基地生豬發(fā)酵床養(yǎng)殖場(其畜禽養(yǎng)殖種類為蘇中豬)提供的豬發(fā)酵床廢棄墊料(以下簡稱廢墊料)為主要試驗(yàn)材料,其主要由麥秸與木屑按1∶4(V/V)的比例組成,使用年限1.5年;其基本理化性狀為:pH 6.6,電導(dǎo)率(EC)6.1 ms/cm,有機(jī)質(zhì)含量391.8 g/kg,含水率37.6%,全N 18.7 g/kg,全P 21.3 g/kg,全K 8.3 g/kg,腐殖酸含量68.6 g/kg。供試小麥秸稈(以下簡稱麥秸)經(jīng)自然晾干后,用粉碎機(jī)粉碎2次,形成0.5～1.0 cm的麥秸顆粒,其基本理化性狀如下:有機(jī)質(zhì)含量924.6 g/kg,含水率9.4%,全N 6.6 g/kg,全P 0.5 g/kg,全K 36.7 g/kg。試驗(yàn)發(fā)酵用菌劑(以下簡稱菌劑)是由康源綠洲生物科技(北京)有限公司研制的EM有機(jī)肥發(fā)酵菌劑,其主要成分包括枯草芽孢桿菌、光合米曲霉、地衣芽孢桿菌、戊糖片球菌。再發(fā)酵試驗(yàn)在塑料周轉(zhuǎn)箱(長×寬×高為57.2 cm×38.5 cm×29.5 cm,空重2.5 kg)內(nèi)進(jìn)行,各發(fā)酵堆體總質(zhì)量為24 kg左右。試驗(yàn)從2015年11月4日開始，至2015年11月24日結(jié)束,歷時(shí)21 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

以麥秸與廢墊料比例(簡稱麥秸添加比例, RWS)和發(fā)酵菌劑(MI)為試驗(yàn)因素。在總發(fā)酵堆質(zhì)量不變的情況下,設(shè)置麥秸與廢墊料質(zhì)量比(m/m)0∶10、2∶8、4∶6和6∶4共4個(gè)水平;發(fā)酵菌劑接種設(shè)置2個(gè)水平,分別為不接種(MI-)與接種(MI+)。以廢墊料直接發(fā)酵作為對照,共組合成8個(gè)處理,每處理重復(fù)3次,共計(jì)24個(gè)發(fā)酵堆。

2015年11月4日各處理堆肥再發(fā)酵堆構(gòu)建,設(shè)為起點(diǎn)(0 d)；2015年11月24日堆肥再發(fā)酵結(jié)束,設(shè)為終點(diǎn)(20 d)。在堆肥過程中每5 d采集樣品,并人工翻堆1次。在每次翻堆前進(jìn)行取樣,使用土壤取樣器對各處理按“S”型5點(diǎn)法進(jìn)行樣品采集,然后將樣品充分混合，分成4份,用塑料封口袋密封保存。部分鮮樣用于腐殖酸含量等指標(biāo)的測定；對其余墊料樣品進(jìn)行風(fēng)干7 d處理,供其他試驗(yàn)指標(biāo)分析用。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 不同堆層堆溫和環(huán)境溫度 使用T-80型便攜式熱電偶溫度探針對堆體表面(0～1 cm)、中層(15～20 cm)和底部(25～30 cm)處進(jìn)行堆溫監(jiān)測,以“S”型5點(diǎn)位置測定法對相同試驗(yàn)處理各發(fā)酵堆層各進(jìn)行5次測定,計(jì)算其平均值作為各堆層發(fā)酵溫度;同時(shí)測定環(huán)境溫度。測定在每天上午9:00～11:00進(jìn)行。

1.3.2 腐殖酸含量 各處理物料腐殖酸含量的測定參照《有機(jī)肥料中腐殖酸含量的測定》[22]進(jìn)行。

1.3.3 全N、全P和全K含量 物料全N、全P、全K含量分析均采取H2SO4-H2O2法消煮,采用凱氏定氮法測定全N含量,用釩鉬黃比色法測定全P含量,用火焰光度法測定全K含量[23]。

1.3.4 物料pH 值與電導(dǎo)率(EC) 將風(fēng)干物料與去離子水按1∶5(m/V)的比例混合,經(jīng)振蕩過濾后測定pH值與EC。

1.3.5 物料有機(jī)質(zhì)和C/N 對各處理物料有機(jī)質(zhì)含量的測定采用灼燒法[24]。通過計(jì)算獲取C/N比，其中有機(jī)碳含量的計(jì)算用王飛等[25]的公式。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件中的通用線性模型雙因素變量法進(jìn)行方差分析,包括麥秸與廢墊料比例(RWS)、發(fā)酵菌劑(MI)以及兩者的交互作用(RWS×MI)；用Duncan’s法進(jìn)行多重比較(P<0.05)；使用Origin 9.3統(tǒng)計(jì)作圖軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆溫

分析麥秸與廢墊料比例與發(fā)酵菌劑對再發(fā)酵墊料表面、中層和底部堆溫的影響，結(jié)果(圖1)發(fā)現(xiàn)： RWS1、RWS2、RWS3和RWS4處理的再發(fā)酵表面溫度與環(huán)境溫度變化基本一致,受內(nèi)部發(fā)酵活動的影響較??；各處理發(fā)酵堆中部與底部堆溫均在0～5 d逐步上升,并維持高溫發(fā)酵階段,然后逐步下降；堆溫隨麥秸添加比例增加而不同程度增加,在5～7 d均不同程度地達(dá)到堆溫峰值,具體表現(xiàn)為RWS3>RWS4> RWS2>RWS1,表明麥秸與廢墊料比例4∶6處理能快速啟動發(fā)酵并達(dá)到高溫階段,并維持發(fā)酵高溫狀態(tài)；在25～30 cm發(fā)酵堆底部,發(fā)酵在一定程度上進(jìn)行,但活動強(qiáng)度不如中部；同時(shí),發(fā)酵菌劑接種各處理的堆溫均小幅高于未接種菌劑處理的。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)各處理的堆溫峰值均未超過50 ℃,這可能與發(fā)酵堆體不大有關(guān),在今后研究中需進(jìn)一步完善。

ET:環(huán)境溫度; S:發(fā)酵堆表面; M:發(fā)酵堆中部; B:發(fā)酵堆底部。圖1 添加麥秸與發(fā)酵菌劑對廢墊料再發(fā)酵過程中堆溫的影響

2.2 腐殖酸含量

從圖2可以看出，在整個(gè)再發(fā)酵過程中,各處理的腐殖酸含量均呈現(xiàn)先下降后上升再緩慢下降的變化趨勢。具體而言：腐殖酸含量在0～5 d階段出現(xiàn)下降,在5 d時(shí)各處理的腐殖酸含量較0 d下降了4.2%～10.7%；隨著再發(fā)酵的進(jìn)行,腐殖酸含量逐步增加,在5～10 d、10～15 d和15～20 d三個(gè)再發(fā)酵階段,后一時(shí)期的腐殖酸含量較前一時(shí)期分別增加了20.4%～61.6%、4.5%～10.4%和2.7%～10.6%,以5～10 d階段腐殖酸含量的增幅最大。各試驗(yàn)處理的腐殖酸含量在堆肥結(jié)束時(shí)(20 d)較啟堆階段(0 d)增加了3.2%～25.7%；而作為對照的RWS1處理,由于沒有添加麥秸,腐殖酸含量在堆肥再發(fā)酵過程中有波動,但腐殖酸含量在堆肥發(fā)酵結(jié)束時(shí)較啟堆時(shí)沒有明顯增加。在0 d和5 d,各處理的腐殖酸含量隨麥秸添加比例的增加而減少,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個(gè)處理組合的腐殖酸含量較對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)RWS1-MI-(CK)分別下降了5.7%～12.1%和2.9%～14.2%；在10 d、15 d和20 d三個(gè)再發(fā)酵階段，上述處理組合的腐殖酸含量較相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)對照分別增加了3.5%～19.3%、6.3%～16.2%、2.0%～10.7%。在各處理中,接種發(fā)酵菌劑(MI+)較不接種菌劑(MI-)小幅度增加了發(fā)酵墊料的腐殖酸含量;其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四個(gè)相同麥秸與廢墊料比例中,MI+的發(fā)酵墊料腐殖酸含量較MI-分別提高了0.7%～6.3%、1.2%～2.4%、1.1%～2.1%和0.9%～1.7%。

2.3 全N、全P和全K含量

從表1～表3可以看出：麥秸與廢墊料比例對整個(gè)再發(fā)酵過程中再發(fā)酵墊料的全N、全P和全K含量均有顯著性影響(P<0.05)；發(fā)酵菌劑對發(fā)酵過程中5 d各處理的全N含量影響顯著；麥秸與廢墊料比例×發(fā)酵菌劑對5 d、10 d再發(fā)酵墊料全N含量影響顯著；發(fā)酵菌劑、麥秸與廢墊料比例×發(fā)酵菌劑對發(fā)酵過程中5 d的發(fā)酵墊料的全P和全K含量影響顯著。

在再發(fā)酵過程中，各處理發(fā)酵墊料的全N含量呈先下降然后逐步上升的趨勢(表1)。在0～5 d發(fā)酵階段,各處理的全N含量下降較為明顯,5 d各處理的全N含量較0 d相應(yīng)處理下降了3.9%～16.6%；而在5～10 d、10～15 d、15～20 d這3個(gè)再發(fā)酵時(shí)間段內(nèi),各處理的全N含量較0 d分別增加了2.7%～13.9%、1.2%～3.2%和0.6%～3.2%。RWS1-MI-和RWS1-MI+處理再發(fā)酵墊料的全N含量在發(fā)酵中止時(shí)(20 d)較啟堆時(shí)(0 d)分別減少了5.3%和5.9%,而其他處理則增加了1.2%～4.5%。再發(fā)酵墊料的全N含量隨麥秸添加比例的增加而降低,這個(gè)趨勢在再發(fā)酵過程中均呈現(xiàn)。在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五個(gè)再發(fā)酵時(shí)間點(diǎn),RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個(gè)處理組合的物料全N含量較對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)RWS1-MI-(CK)分別降低了7.5%～17.6%、0.3%～0.8%、0.6%～11.0%、1.1%～10.9%和0.6%～9.7%。在各處理中,接種發(fā)酵菌劑 (MI+)較不接種菌劑(MI-)小幅度增加了發(fā)酵墊料的全N含量;其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四個(gè)相同麥秸與廢墊料比例中,MI+發(fā)酵墊料的全N含量較MI-分別提高了0%～0.6%、0.6%～1.7%、0.6%～1.2%和0.7%～1.3%。

各處理的全P含量在再發(fā)酵過程中均呈逐步上升的趨勢(表2)。發(fā)酵結(jié)束(20 d)時(shí)各處理的全P含量較啟堆時(shí)增加了4.3%～10.8%。在0～5 d、5～10 d、10～15 d、15～20 d四個(gè)堆肥再發(fā)酵時(shí)間段,各處理的全P含量較前一個(gè)時(shí)間段分別增加了1.0%～5.1%、1.0%～3.9%、0.5%～4.2%和0.9%～2.9%。再發(fā)酵墊料的全P含量隨麥秸添加比例的增高而降低,并在各發(fā)酵時(shí)期均有表現(xiàn),在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五個(gè)再發(fā)酵時(shí)間點(diǎn),RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個(gè)處理組合的全P含量較對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)RWS1-MI-(CK)分別降低了0.5%～8.5%、2.8%～6.5%、3.6%～6.8%、2.7%～6.3%和2.8%～3.7%。接種發(fā)酵菌劑 (MI+)較不接種菌劑(MI-)部分增加了發(fā)酵墊料的全P含量,其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四個(gè)相同麥秸與廢墊料比例中,MI+的發(fā)酵墊料的全P含量較MI-分別增加了0.5%～0.9%、0.5%～1.0%、0.4%～1.0%和0.1%～1.4%。

各處理物料的全K含量在再發(fā)酵過程中均呈逐步上升的趨勢(表3)。在發(fā)酵結(jié)束(20 d)時(shí)各處理的全K含量較啟堆(0 d)時(shí)增加了4.8%～10.8%。在0～5 d、5～10 d、10～15 d、15～20 d四個(gè)再發(fā)酵時(shí)間段內(nèi),各處理物料的全K含量分別較前一時(shí)間段增加了1.2%～3.8%、1.0%～3.2%、1.1%～3.5%和1.4%～3.4%。各處理發(fā)酵墊料的全K含量隨麥秸添加比例的增高而下降,在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五個(gè)再發(fā)酵時(shí)間段內(nèi),RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個(gè)處理組合的全K含量較對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)RWS1-MI-(CK)分別降低了1.2%～6.4%、1.2%～5.9%、1.2%～5.8%、2.2%～8.0%和4.0%～8.8%。在4個(gè)相同的麥秸與廢墊料比例中,MI+的發(fā)酵墊料的全K含量較MI-均有所提高。

表1 添加麥秸與發(fā)酵菌劑處理對廢墊料堆肥再發(fā)酵過程中全N含量的影響

變異因素顯著性(P值)0d5d10d15d20dRWS0.030.010.040.050.04MINS0.05NSNSNSRWS×MINS0.040.05NSNS

注：麥秸與廢墊料比例用RWS表示,發(fā)酵菌劑用MI表示, RWS與MI的交互作用采用RWS×MI表示。同一列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),NS表示不顯著。下同。

表2 添加麥秸與發(fā)酵菌劑處理對廢墊料堆肥再發(fā)酵過程中全P含量的影響

變異因素顯著性(P值)0d5d10d15d20dRWS0.020.030.040.040.05MINS0.04NSNSNSRWS×MINS0.05NSNSNS

2.4 pH與EC

由表4可知：麥秸與廢墊料比例在整個(gè)再發(fā)酵過程中對再發(fā)酵墊料的pH值均有極顯著的影響(P<0.01)；發(fā)酵菌劑在發(fā)酵5 d、10 d、15 d和20 d時(shí)對再發(fā)酵墊料的pH值有極顯著性影響(P<0.01)；麥秸與廢墊料比例×菌劑接種在除5 d外的其余4個(gè)發(fā)酵時(shí)間點(diǎn)上對pH值影響顯著。

在再發(fā)酵過程中，各處理的pH值呈先上升后下降再逐步回升的變化趨勢(表4),發(fā)酵結(jié)束(20 d)時(shí)各處理的pH較發(fā)酵起始(0 d)時(shí)增加了8.0%～17.8%。各處理的pH值隨麥秸添加比例的增加而升高,表現(xiàn)為RWS4>RWS3>RWS2>RWS1,這一變化規(guī)律在堆肥再發(fā)酵各時(shí)間點(diǎn)內(nèi)均有不同程度的表現(xiàn)。在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五個(gè)再發(fā)酵時(shí)間點(diǎn),RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個(gè)處理組合的pH值較對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)RWS1-MI-(CK)處理分別增加了1.2%～11.1%、2.5%～12.0%、2.0%～20.5%、5.1%～25.4%和2.6%～19.0%。在0～5 d發(fā)酵階段,pH值上升最為明顯,5 d各處理的pH值較0 d增加了7.5%～10.0%；除5～10 d外,各處理后期的pH值較對應(yīng)前期的pH值下降了0%～8.1%；而在10～15 d、15～20 d這2個(gè)再發(fā)酵階段內(nèi),各處理的pH值分別較前一個(gè)發(fā)酵時(shí)段上升了2.7%～9.1%和1.4%～6.2%。接種發(fā)酵菌劑較不接種菌劑均提高物料的pH值，其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四個(gè)相同麥秸與廢墊料比例中,MI+較MI-分別提高發(fā)酵墊料的pH值0.8%～4.5%、1.0%～2.7%、0.1%～3.8%和0.4%～1.4%,且差異顯著(P<0.05)。

變異因素顯著性(P值)0d5d10d15d20dRWS0.030.030.030.040.05MINS0.04NSNSNSRWS×MINS0.05NSNSNS

表4 添加麥秸與發(fā)酵菌劑處理對堆肥再發(fā)酵過程中物料pH值的影響

變異因素顯著性(P值)0d5d10d15d20dRWS<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01MINS<0.01<0.01<0.01<0.01RWS×MI<0.01NS<0.01<0.010.01

由表5可見：麥秸與廢墊料比例對整個(gè)堆肥再發(fā)酵過程中再發(fā)酵墊料的EC均有極顯著的影響(P<0.01)；發(fā)酵菌劑對15 d時(shí)再發(fā)酵墊料的EC存在顯著性影響(P<0.05)；麥秸與廢墊料比例×發(fā)酵菌劑對10 d、20 d時(shí)的EC均存在極顯著影響(P<0.01)。

在再發(fā)酵過程中，各處理的EC表現(xiàn)出先下降再小幅上升的趨勢(表5),但整體呈現(xiàn)下降趨勢,在發(fā)酵結(jié)束(20 d)時(shí)各處理的EC較發(fā)酵起始(0 d)時(shí)降低了2.1%～13.5%。作為對照的RWS1-MI-處理,EC的降幅最小。各處理的EC隨麥秸添加比例的升高而降低,表現(xiàn)為RWS4>RWS3>RWS2>RWS1,在各發(fā)酵時(shí)間點(diǎn)該趨勢均有不同程度的表現(xiàn)。在0～5 d、5～10 d、10～15 d這3個(gè)發(fā)酵階段,后期再發(fā)酵墊料的EC分別較前期下降了0.2%～12.4%、7.6%～63.3%和1.9%～17.3%,而在20 d增加了3.5%～60.7%。在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五個(gè)再發(fā)酵時(shí)間段,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個(gè)處理組合的EC較對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)RWS1-MI-(CK)的EC值分別減低了3.6%～15.2%、5.2%～19.7%、2.5%～67.1%、0.7%～51.2%和0.3%～30.0%。接種發(fā)酵菌劑均在一定程度上降低了再發(fā)酵墊料的EC,在RWS2和RWS3下EC的下降最為明顯,MI+較MI-分別降低再發(fā)酵墊料的EC 6.2%～7.2%和1.1%～10.7%。

表5 麥秸添加與發(fā)酵菌劑處理對再發(fā)酵過程中堆肥EC的影響

變異因素顯著性(P值)0d5d10d15d20dRWS<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01MINSNSNS0.02NSRWS×MINSNS<0.01NS0.01

2.5 有機(jī)質(zhì)和C/N

表6表明：麥秸與廢墊料比例在整個(gè)堆肥再發(fā)酵過程中對物料有機(jī)質(zhì)含量均有極顯著的影響(P<0.01)；發(fā)酵菌劑以及麥秸與廢墊料比例×發(fā)酵菌劑對堆肥再發(fā)酵進(jìn)行5 d、10 d、15 d時(shí)的物料有機(jī)質(zhì)含量均有顯著影響(P<0.05)。

從表6可以看出，各處理的物料有機(jī)質(zhì)含量在堆肥再發(fā)酵期間均呈明顯的下降趨勢,發(fā)酵結(jié)束(20 d)時(shí)各處理的有機(jī)質(zhì)含量較啟堆(0 d)時(shí)下降了4.0%～7.6%。在0～5 d再發(fā)酵階段,各處理的有機(jī)質(zhì)含量降幅最為明顯,5 d中各處理的有機(jī)質(zhì)含量較0 d時(shí)下降了2.1%～6.3%；而在5～10 d、10～15 d、15～20 d這3個(gè)再發(fā)酵時(shí)間段內(nèi),各處理的有機(jī)質(zhì)含量降幅分別為0.1%～2.3%、0.1%～1.1%和0.3%～3.0%,有機(jī)質(zhì)含量雖有下降,但降幅明顯降低。各處理的有機(jī)質(zhì)含量隨麥秸添加比例的升高而增加,表現(xiàn)為RWS4>RWS3>RWS2>RWS1,這一變化規(guī)律在發(fā)酵各時(shí)間點(diǎn)均有表現(xiàn)。在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五個(gè)再發(fā)酵時(shí)間點(diǎn),RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個(gè)處理的有機(jī)質(zhì)含量較相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)RWS1-MI-(CK)分別增加了1.9%～25.5%、2.0%～23.9%、1.0%～23.5%、0.1%～23.9%和0.2%～23.8%,但增幅逐步下降。接種發(fā)酵菌劑(MI+)較不接種菌劑(MI-)均降低了廢墊料的有機(jī)質(zhì)含量，其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4相同麥秸與廢墊料比例條件下,MI+較MI-分別降低有機(jī)質(zhì)含量0.7%～1.6%、0.4%～0.8%、0.3%～1.5%和1.3%～2.4%。

表6 添加麥秸與發(fā)酵菌劑處理對堆肥再發(fā)酵過程中物料有機(jī)質(zhì)含量的影響

變異因素顯著性(P值)0d5d10d15d20dRWS<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01MINS0.040.030.05NSRWS×MINS0.040.050.05NS

數(shù)據(jù)分析結(jié)果(表7)表明：麥秸與廢墊料比例在整個(gè)再發(fā)酵過程中對物料的C/N均有顯著性影響(P<0.05)；發(fā)酵菌劑在5 d、10 d和20 d對物料的C/N影響顯著；麥秸與廢墊料比例×發(fā)酵菌劑在5 d、10 d對物料的C/N存在顯著性影響(P<0.05)。

各處理的物料C/N隨堆肥再發(fā)酵過程的進(jìn)行而呈下降趨勢(表7)。在0～5 d、5～10 d、10～15 d、15～20 d四個(gè)再發(fā)酵時(shí)間段內(nèi),后期的C/N較前期的C/N分別下降了0.8%～22.2%、0.8%～21.9%、0%～12.3%和0.8%～14.4%;發(fā)酵結(jié)束(20 d)時(shí)各處理的C/N較啟堆(0 d)時(shí)下降了3.9%-49.2%,其中在RWS3和RWS4條件下的C/N在堆肥結(jié)束時(shí)下降最為明顯,分別下降了42.2%～44.6%和47.9%～49.2%。物料的C/N在啟堆時(shí)隨麥秸添加比例的增高而增加;隨著堆肥再發(fā)酵的進(jìn)行,作為外源碳源的麥秸被逐步消耗,C/N隨麥秸添加比例的增加而降低,在0 d、5 d、10 d、15 d再發(fā)酵時(shí)間點(diǎn)上,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七個(gè)處理的C/N較RWS1-MI-(CK)分別增加了15.6%～108.6%、1.5%～56.9%、5.6%～33.3%和3.2～19.4%;而在20 d時(shí),在7個(gè)麥秸添加與發(fā)酵菌劑處理中,僅RWS4-MI+、RWS4-MI-的C/N較RWS1-MI-分別增加了9.8%和13.0%,其余均不同程度下降，下降率為1.6%～8.1%。在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四個(gè)麥秸與廢墊料比例條件下,MI+較MI-分別減低發(fā)酵墊料的C/N 0.8%～2.4%、0.7%～8.6%、0.5%～3.4%、0.4%～3.7%。

表7 麥秸與廢墊料比例與發(fā)酵菌劑處理對廢墊料再發(fā)酵過程中C/N的影響

變異因素顯著性(P值)0d5d10d15d20dRWS<0.01<0.010.020.040.04MINS0.030.04NS0.05RWS×MINS0.020.03NSNS

3 討論

3.1 麥秸與廢墊料比例對堆肥再發(fā)酵過程的影響

在堆肥再發(fā)酵過程中,堆溫直接反映了微生物活動強(qiáng)度和堆肥物質(zhì)轉(zhuǎn)化速度,同時(shí)溫度變化對于殺滅致病菌、優(yōu)化呼吸速率、去除水分和穩(wěn)定堆肥物料至關(guān)重要,堆體溫度的高低決定堆肥再發(fā)酵進(jìn)程的快慢[26]。在本研究中,發(fā)現(xiàn)各處理的表層溫度受處理因素的影響較小;而中層與底部堆溫受自身發(fā)酵微生物活動影響明顯,并發(fā)現(xiàn)在15～20 cm層堆溫增幅最為明顯,均明顯高于表層和底部的,確認(rèn)為主高溫發(fā)酵層。汪開英等[27]研究發(fā)現(xiàn),豬糞高溫堆肥時(shí),堆體的高溫發(fā)酵層出現(xiàn)在離頂部20 cm和離底部20 cm之間。這與本試驗(yàn)的研究結(jié)果基本一致。同時(shí)在不同麥秸與廢墊料比例水平下對堆溫進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在RWS3水平下各處理的發(fā)酵堆增溫效果優(yōu)于在RWS1、RWS2和RWS4下的,在第5天堆溫達(dá)到了45～46 ℃,是4種麥秸添加比例中升高堆溫最高的。盧秉林等[11]研究認(rèn)為豬糞與麥秸按體積6∶4進(jìn)行堆肥較為適宜,可以縮短進(jìn)入高溫發(fā)酵階段的時(shí)間。這與以往的研究結(jié)果相似。根據(jù)我國糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB 7959─87的規(guī)定,將堆肥溫度在50～55 ℃以上維持5～7 d作為滅菌的標(biāo)準(zhǔn)。在本試驗(yàn)中,僅在RWS3下堆溫的最高溫度接近50 ℃,這與堆肥體積限制有關(guān),需在今后開展進(jìn)一步的研究。

腐殖酸是在堆肥過程中生成的最具代表性的次生產(chǎn)物,對堆肥的穩(wěn)定性、腐熟度等性質(zhì)有重要影響,其含量是判斷堆肥腐熟化的重要指標(biāo)之一[28]。在本試驗(yàn)中,在啟堆(0 d)時(shí),各處理的腐殖酸含量隨麥秸添加比例的增高而降低,這與麥秸添加增加了堆體體積,降低了單位體積的腐殖酸含量相關(guān);而在再發(fā)酵旺盛的5～7 d階段,發(fā)酵微生物需要分解腐殖酸等大分子有機(jī)物,以滿足自身快速生長的需要;發(fā)酵進(jìn)行到中后期(5～20 d),麥秸等物料被消耗殆盡,微生物促進(jìn)小分子有機(jī)物合成腐殖酸等大分子物質(zhì)。在腐殖酸含量再上升階段(5～10 d),各處理物料中腐殖酸含量均不同程度地增加,以4∶6麥秸與廢墊料比例(RWS3)下的腐殖酸含量增幅最大,再發(fā)酵結(jié)束時(shí)RWS3下的腐殖酸含量較啟堆時(shí)增加了18.0%。

在本試驗(yàn)中，在堆肥發(fā)酵初期,N素隨堆溫和發(fā)酵墊料pH值的升高而損失,同時(shí)高溫階段微生物代謝活動旺盛,消耗氮的速率明顯大于總干物質(zhì)的下降速率。這是造成0～5 d階段各處理全N含量下降的主要原因;在再發(fā)酵的中后期,堆肥逐漸腐熟,再發(fā)酵堆體體積與重量下降,部分有機(jī)碳還在被利用轉(zhuǎn)化為CO2,此時(shí)NH3的揮發(fā)損失較小,因此,堆肥中全氮含量轉(zhuǎn)為上升。這種變化趨勢與以往的研究結(jié)果[11,33]基本一致。全P和全K的絕對含量在堆肥過程中不會產(chǎn)生變化,顯然這是由于堆肥發(fā)酵過程中碳、氫、氧及氮等物質(zhì)被發(fā)酵微生物轉(zhuǎn)化或揮發(fā)損失,而磷和鉀反而被濃縮[34]。各處理在整個(gè)堆肥發(fā)酵腐熟過程中,全磷和全鉀含量的變化趨勢基本相同。

pH值的大小不僅影響有機(jī)物質(zhì)的分解、營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化及微生物的活動強(qiáng)度,而且是評價(jià)堆肥腐熟程度的重要指標(biāo)之一[29]。在發(fā)酵起始階段，微生物對有機(jī)質(zhì)的氨化作用和礦化作用使得發(fā)酵堆體中氨大量積累,促使pH值升高;在再發(fā)酵的中后期,硝化菌的消化作用產(chǎn)生大量的H+,同時(shí)NH3和CO2的揮發(fā)共同引起pH值下降[30]。在發(fā)酵結(jié)束后,本試驗(yàn)各處理的pH值在7.16～8.57范圍內(nèi)波動,符合NY 525─2012《農(nóng)業(yè)部有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)》對pH值的要求范圍5.5～8.5。相關(guān)報(bào)道[31]指出, pH值在8.0左右可以縮短堆肥發(fā)酵達(dá)到高溫所需要的時(shí)間,避免由于高溫反應(yīng)較慢引發(fā)的堆體NH3損失,從而有效降低墊料中N素?fù)p失。本試驗(yàn)各處理墊料的pH值數(shù)據(jù)與相關(guān)報(bào)道吻合。在本試驗(yàn)中,發(fā)酵結(jié)束時(shí)添加麥秸的各處理的pH值均高于對照的,其中在RWS3與RWS4下的pH值均達(dá)到或接近8.0,表明添加麥秸有利于廢墊料再發(fā)酵過程中pH值的增加,增加全N含量,減少N的損失,其中4∶6或6∶4的麥秸與廢墊料配比對再發(fā)酵過程pH值有較好的影響。

廢墊料鹽度偏高是影響廢墊料作為有機(jī)肥直接釋放到環(huán)境的主要原因之一,而EC是衡量發(fā)酵墊料中含鹽量的直接指標(biāo)[3]。在再發(fā)酵前期,EC隨麥秸與廢墊料比例的增加而降低,麥秸不斷添加,增加了再發(fā)酵堆的空間體積,在總鹽度沒有變化的情況下,單位體積內(nèi)鹽度被稀釋,同時(shí)發(fā)酵菌劑添加促進(jìn)麥秸等物料分解,并在分解物料的同時(shí)生成較多的腐殖酸等大分子物質(zhì),從而部分降低EC值。在再發(fā)酵后期，堆體產(chǎn)生大量的NH4+,腐殖酸等物質(zhì)部分合成,礦質(zhì)鹽分及堆體體積逐漸減小，從而引起墊料EC值的升高。本試驗(yàn)沒有添加麥秸的各處理在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的EC較試驗(yàn)開始前均有所增加,表明不補(bǔ)充其他物料而對廢墊料直接進(jìn)行堆肥再發(fā)酵處理不能有效降低鹽度;而添加麥秸的各處理的EC在發(fā)酵結(jié)束時(shí)均有不同程度的下降,其中以RWS3和RWS4下的下降最為明顯,較對照(RWS1)降低了15.2%～30.0%。可見,添加麥秸可以防止廢墊料在再發(fā)酵過程中EC值升高,提高堆肥成品的質(zhì)量,并且4∶6和6∶4的麥秸與廢墊料比例對再發(fā)酵墊料的EC有較好的降低作用。

堆肥再發(fā)酵實(shí)質(zhì)上是有機(jī)物質(zhì)穩(wěn)定化和腐殖化的過程,有機(jī)物質(zhì)的降解與轉(zhuǎn)化效率能客觀地反映堆肥腐熟度、穩(wěn)定度及堆肥品質(zhì)[32]。在再發(fā)酵前期(0～5 d)有機(jī)質(zhì)含量下降較快,后期下降平緩,這與堆肥前期堆肥升溫較快,麥秸碳源物料補(bǔ)充充足,易降解的有機(jī)物分解速率較快有關(guān)。在本研究中,經(jīng)過再發(fā)酵后，對照的有機(jī)質(zhì)含量下降了4.0%～4.9%,而添加麥秸的各處理的有機(jī)質(zhì)含量降低了6.2%～7.6%。

發(fā)酵微生物生長需要合適的C/N[33],同時(shí)C/N也是發(fā)酵完成后有機(jī)肥品質(zhì)的評價(jià)參數(shù)[34]。C/N作為堆肥再發(fā)酵過程與效果的重要指標(biāo),C/N低會導(dǎo)致大量的氮以NH3的形式揮發(fā)掉而降低肥效;當(dāng)C/N高時(shí),發(fā)酵微生物生長緩慢,有機(jī)物料分解速度放緩,堆肥時(shí)間延長[34]。廢墊料經(jīng)過長期使用后,C/N低和鹽度高,本身不具備理想的好氧堆肥條件。麥秸中含有豐富的有機(jī)碳、氮、磷、鉀和微量元素,是重要的多用途的農(nóng)業(yè)可再生生物資源[35]。在廢墊料好氧堆肥發(fā)酵中使用作物秸稈不僅能改善廢墊料的發(fā)酵結(jié)構(gòu),吸收水分,提高肥效[36],而且可作為發(fā)酵微生物活動的碳源;這樣既可以克服廢墊料單獨(dú)發(fā)酵時(shí)所存在的局限,降低綜合利用成本,而且也可為秸稈資源化利用開辟一條新途徑。在本研究中,廢墊料的初始C/N為12.8,如果不通過添加麥秸來提高物料的C/N,則自行發(fā)酵很難進(jìn)行;而在添加麥秸后，各處理的C/N在啟堆時(shí)大幅度增加,在再發(fā)酵中期大幅度降低,在再發(fā)酵后期逐步下降,在堆肥發(fā)酵結(jié)束時(shí)，各處理的C/N接近或部分低于廢墊料原有的C/N水平,其中RWS2和RWS3下C/N的降幅最為明顯。

總之,在本研究廢墊料堆肥再發(fā)酵過程中添加麥秸,不僅能改善再發(fā)酵堆的結(jié)構(gòu),提高堆溫,增加全N和有機(jī)質(zhì)的含量,還可以提高肥效,降低EC,提高pH值和腐殖酸含量。與RWS1、RWS2和RWS4等麥秸添加比例水平相比較,RWS3的綜合效果最好。

3.2 發(fā)酵菌劑對再發(fā)酵過程的影響

微生物是發(fā)酵床畜禽養(yǎng)殖與堆肥發(fā)酵的物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化中樞,其生命代謝活動均需要碳源、氮源、無機(jī)元素、水及生長物質(zhì)。發(fā)酵菌劑是固體廢棄物再發(fā)酵的重要添加物,堆肥發(fā)酵中主要物質(zhì)是較難降解的纖維素,接種外源發(fā)酵菌劑可使堆層中微生物的總量增加,形成優(yōu)勢菌群,加快堆肥發(fā)酵的過程；同時(shí),接種微生物對堆肥物料具有分解作用,可以相對濃縮無機(jī)養(yǎng)分,降低水分含量,使養(yǎng)分含量相對增加。據(jù)任靜等[37]報(bào)道，添加外源微生物對堆體快速升溫及延長高溫期有顯著作用，并可有效地加速總腐殖酸、水溶性腐殖酸的轉(zhuǎn)化與合成。胡紅偉等[14]的研究結(jié)果表明接種外源微生物菌劑能加快堆料有機(jī)物的分解,縮短堆肥反應(yīng)進(jìn)程,并提高發(fā)酵產(chǎn)物中全效與速效養(yǎng)分含量。在本試驗(yàn)中,發(fā)酵菌劑的接種對廢墊料再發(fā)酵過程具有一定的促進(jìn)作用；與不接種發(fā)酵菌劑(MI-)相比，接種發(fā)酵菌劑(MI+)后各處理的物料腐殖酸含量提高了0.7%～6.3%,全N含量增加了0.1%～1.7%，全P含量增加了0.1%～1.4%，全K含量提高了0.1%～2.5%, EC下降了0.3%～24.2%，C/N降低了0.4%～4.4%。這些結(jié)果與以往的相關(guān)報(bào)道基本一致。同時(shí)相關(guān)指標(biāo)在接種發(fā)酵菌劑后的增幅較小,這可能與發(fā)酵微生物是否適應(yīng)廢墊料高鹽環(huán)境有關(guān),還需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

廢墊料堆肥再發(fā)酵時(shí)添加麥秸可以提高堆溫。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)15～20 cm發(fā)酵層為主要高溫發(fā)酵層;在廢墊料再發(fā)酵過程中,添加麥秸可以增加全N和腐殖酸含量,降低物料EC值,降低C/N,并增加物料有機(jī)質(zhì)含量。在再發(fā)酵結(jié)束后,添加麥秸的各處理的堆肥均達(dá)到國家有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn),其中4∶6麥秸與廢墊料比例的效果最好。

接種發(fā)酵菌劑對廢墊料堆肥再發(fā)酵有一定的促進(jìn)作用。發(fā)酵菌劑與麥秸配合的堆肥再發(fā)酵效果優(yōu)于發(fā)酵菌劑單獨(dú)使用的效果。

綜合分析認(rèn)為,4∶6(m/m)的麥秸與廢墊料比例與接種發(fā)酵菌劑的處理組合在廢墊料堆肥再發(fā)酵中使用最合適。

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(責(zé)任編輯:黃榮華)

Effect of Adding Wheat Straw and Microbial Inoculum on Fermentation Process of Spent Pig Litter Compost

LIU Yu-feng1,2, FAN Ru-qin1, LUO Jia1, SU Tian-ming2, TANG Yu-bang3, ZHANG Zhen-hua1*

(1. Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 2. Institute of Agricultural Resources and Environment, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, China; 3. Institute of Agricultural Facility and Equipment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)

Four ratios of wheat straw to spent pig litter (0∶10, 2∶8, 4∶6, and 6∶4) and two modes of adding microbial inoculum (not adding microbial inoculum, adding microbial inoculum) were set, and the effect of wheat straw-spent pig litter ratio and microbial inoculum on the fermentation process of spent pig litter compost was studied. The results showed that adding wheat straw had a significant effect on the fermentation process of spent pig litter compost, and it could increase the fermentation temperature, humic acid content and organic matter content, relatively increase total nitrogen content, partly enhance the contents of total phosphorus and total potassium, reduce the EC value of material, and quickly affect the change of C/N; among 4 ratios of wheat straw to spent pig litter, the ratio of 4∶6 obtained the best effect. Microbial inoculum inoculation could promote the fermentation of spent pig litter compost, and it could enhance the fermentation temperature to a certain extent, increase the humic acid content in material, and decrease the C/N and EC value to a certain degree. The combined application of wheat straw and microbial inoculum had a better effect than the alone application of microbial inoculum. In conclusion, the combination of adding wheat straw into spent pig litter at the ratio of 4∶6 with microbial inoculum was the optimum mode for the fermentation of spent pig litter compost in this experiment.

Spent pig litter; Ratio of wheat straw to spent pig litter; Microbial inoculum; Composting

2016-07-11

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203050-6);江蘇省科技支撐計(jì)劃(農(nóng)業(yè)部分)(BE2013436);江蘇省自主創(chuàng)新基金項(xiàng)目[CX(14)2099];廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃(桂科合15104001-25)。

劉宇鋒(1980─),男,湖南湘陰人,助理研究員,博士后,主要從事發(fā)酵床墊料資源化利用研究。*通訊作者:張振華。

S141.4

A

1001-8581(2016)12-0036-10