劉成琛，袁蓉芳，周北海

（北京科技大學能源與環(huán)境工程學院，北京 100083）

近年來，隨著我國養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便的排放量急劇增加，而畜禽糞便資源化利用率尚不足20%，隨意排放或粗放處理，不僅極大地浪費了養(yǎng)分資源，也對環(huán)境造成了嚴重污染，給人類的健康帶來巨大威脅[1-2]。此外，我國的糧食產(chǎn)量穩(wěn)步增長，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量也不斷增加，但目前我國秸稈的綜合利用率大約只有50%，大量的秸稈被拋棄甚至直接焚燒，不僅浪費資源，也污染環(huán)境。研究表明，堆肥化處理尤其是好氧堆肥是農(nóng)業(yè)廢棄物變廢為寶的有效方法，畜禽糞便等經(jīng)過好氧發(fā)酵后制成有機肥，能減少化肥施用量、改良土壤理化性質(zhì)，對保護生態(tài)環(huán)境和推動養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

C/N值是高效堆肥的關(guān)鍵因素，其對微生物的正?；顒雍陀袡C肥的品質(zhì)有重要影響。C/N值過低，導致氮素損失而降低肥效，C/N值太高，則限制微生物分解有機物料，導致發(fā)酵周期延長。因為豬糞C/N值低，含水量高，直接堆肥容易發(fā)生堆體局部厭氧，導致堆肥效果差；而玉米秸稈C/N值高，含水量低，能夠有效解決純豬糞堆肥時所存在的不足，所以將豬糞和玉米秸稈相結(jié)合進行堆肥處理是資源化利用的有效途徑。因此，研究確定豬糞和玉米秸稈好氧堆肥適宜的C/N值，對堆肥的效率和堆肥產(chǎn)品的肥效具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試豬糞取自天津市某農(nóng)家豬場，玉米秸稈從農(nóng)田運回后采用粉碎機粉碎。試驗地點選擇在課題組試驗基地。堆肥原料的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 堆肥原料的理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

以豬糞和玉米秸稈為原料，根據(jù)C/N值為10、15和20設(shè)置3個處理，分別為A1、A2和A3，含水率均調(diào)節(jié)至60%～65%。堆體直徑為1.5 m、高1 m左右，每個處理重復3次，堆期為2018年3月1日至31日。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品采集與保存

堆肥開始后，分別于第1、8、15、22、29天的上午9:00點進行翻堆，翻堆后按照五點采樣法采樣，保證樣品代表性。鮮樣儲存于4℃冰箱，用于測定pH值，部分鮮樣經(jīng)風干，粉碎，過孔徑0.1 mm篩，統(tǒng)一測定有機碳、全氮、全磷、全鉀、種子發(fā)芽指數(shù)（GI），以及堆肥開始和結(jié)束時的重金屬。

1.3.2 測定項目與方法

對于溫度，每天9:00、15:00分別從堆體中心和4個邊角測定溫度1次，計算每個堆體的平均溫度。同時測定環(huán)境溫度。

對于pH值，取新鮮堆肥樣品10 g（以干質(zhì)量計）放入200 mL廣口瓶中，按1:10（W/V）加入去離子水，25℃振蕩30 min，靜置1 h后，用pH計測定其pH值。

總有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法測定；全氮、全磷和全鉀的含量分別用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法和火焰光度法測定；有害重金屬（As、Hg、Pb、Cd和Cr）測定方法及限量要求均參考《有機肥料》（NY525-2012）。

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）按照常規(guī)方法測定，種子發(fā)芽指數(shù)（GI）=（堆肥浸提液處理的平均根長×發(fā)芽率）/（空白的平均根長×發(fā)芽率）×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中溫度和pH值的變化

在堆肥過程中，溫度受C/N值影響顯著。由圖1可知，A3處理堆體溫度升高最快，2 d達到50℃，高溫維持時間為9 d，最高溫度為62℃。其次為A1和A2處理，到達高溫時間分別為4 d和5 d，高溫維持時間均為5 d，最高溫度各為54℃和56℃。有研究表明，堆體溫度在55℃條件下保持3 d以上（或50℃以上保持5～7 d），是殺滅堆肥所含致病微生物和害蟲卵，保證堆肥衛(wèi)生指標合格和堆肥腐熟的重要條件。因此，三個處理均可達到堆肥無害化衛(wèi)生標準。pH的變化是反映堆肥過程的重要參數(shù)。如圖2所示，在A1處理中，堆體的pH呈先下降后升高再降低的趨勢，這是由于純豬糞結(jié)構(gòu)緊實，通氣性差，堆體局部微生物無氧呼吸，積累了較多有機酸，而隨著堆肥的進行，有機酸逐漸分解，產(chǎn)生NH3，pH值開始升高，最后隨著NH3的揮發(fā)，pH趨于穩(wěn)定。其他處理堆體pH始終呈上升趨勢，這是因為堆體在反應(yīng)中快速達到高溫期，此時含氮有機物被大量分解產(chǎn)生氨，堆體pH值逐漸上升，隨著發(fā)酵的進行，有機酸不斷積累，產(chǎn)生的氨部分被有機酸固定，部分以氣體形式散發(fā)，導致pH值的回落。A3處理升溫最快，高溫期最長，與其pH的變化趨勢是一致的。

2.2 堆肥過程種子發(fā)芽指數(shù)（GI）的變化

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是一種通過測試堆肥浸出液的生物毒性來評價堆肥產(chǎn)品無害化的有效指標。由圖3可知，3個處理的種子發(fā)芽指數(shù)變化趨勢基本相同，均先緩慢下降又逐漸增加，至堆肥結(jié)束后，種子發(fā)芽指數(shù)達到最大值，且A3＞A2＞A1。堆肥初期，種子發(fā)芽指數(shù)逐漸降低，這可能是由于細菌和真菌把有機物轉(zhuǎn)化為小分子的有機酸或NH3，抑制了蘿卜種子的發(fā)芽。高溫期過后，堆肥進入腐熟期，氨類物質(zhì)被固定或者揮發(fā)，有機酸被慢慢分解，而且對植物有害的病原菌也被高溫殺死，因此種子發(fā)芽指數(shù)開始上升。一般認為，當種子發(fā)芽指數(shù)達到80%時，堆肥已沒有植物毒性或者說堆肥已經(jīng)完全腐熟，試驗結(jié)果表明，A2和A3處理的堆肥經(jīng)過29 d達到腐熟，而A1處理的堆肥尚未完全腐熟。

圖1 C/N值對堆體溫度的影響

圖2 C/N值對堆體pH值的影響

圖3 C/N值對堆體GI的影響

2.3 有機碳、全氮含量和碳氮比的變化

隨著堆肥的進行，各處理的有機碳含量呈下降趨勢，從最初的39.73%、44.48%和48.28%分別下降到31.17%、33.65%和27.72%，降幅分別為21.55%、24.35%和42.58%，A3處理的下降速率遠大于A1和A2（見圖4）。這是由于隨著堆肥的進行，微生物大量分解有機物質(zhì)，并以CO2的形式揮發(fā)損失。而在初始C/N值較低的情況下，微生物活動會因為受碳源的限制而導致分解有機物速度減緩，導致有機碳含量下降率較低。由圖5可知，全氮含量則先下降后緩慢上升，由堆肥初期的3.69%、2.93%和2.31%分別降至3.41%、2.64%和1.62%，后又緩慢升至3.96%、3.46%和2.61%。這是因為在堆肥前期，溫度和pH持續(xù)上升，導致氮素損失嚴重，但隨著堆體體積和重量的減少，后期全氮相對含量上升。一般認為，當堆肥產(chǎn)品的C/N值接近15時，可以認為堆肥達到基本腐熟。Morel等人建議采用T=（終點C/N值）/（初始C/N值）來評價腐熟度，認為當T值小于0.6時堆肥達到腐熟[3]。由表2可知，至堆肥結(jié)束時，A1、A2處理尚未完全腐熟，A3則已完全腐熟。結(jié)合3個處理的種子發(fā)芽指數(shù)（A3＞A2＞A1），進一步證實A3處理的腐熟效果最好。

圖4 C/N值對堆體有機碳的影響

圖5 C/N值對堆體全氮含量的影響

表2 不同處理C/N值值的變化

2.4 堆肥過程全磷和全鉀的變化

全磷含量呈上升趨勢，A1、A2和A3的全磷含量分別由3.72%、2.73%、1.91%升高至4.98%、3.92%、3.25%，且含量分別提高了33.87%、43.59%和69.15%，A3處理全磷含量的增長速率遠大于其他兩個處理。全鉀與全磷含量的變化趨勢一致，A1、A2和A3的全磷含量分別由堆肥初期的2.27%、2.31%和2.29%升高至3.21%、3.31%、和3.74%，分別提高了41.42%、42.29%和63.32%。其中，A3的全磷含量最高，其次為A2，但A1和A2處理的全磷含量差異不大，因為堆體中的磷和鉀絕對含量是不變的，二者也不易通過揮發(fā)等形式損失。隨著堆體體積和重量的不斷減少，養(yǎng)分“濃縮效應(yīng)”發(fā)生，從而使各處理中全磷、全鉀含量不斷增加[4-5]。但由于堆肥效率的不同，其上升幅度是不一致的。

2.5 堆肥過程中重金屬的變化

由表3可知，與初始混合物料相比，堆肥結(jié)束后各處理重金屬含量均顯著增加。Pb、Cr、Cd含量增長率大小順序均為A3＞A2＞A1；Hg含量的變化順序是A1＞A2=A3；As含量的增長情況為A3＞A1＞A2。其中，A3處理中的Pb、Cr、Cd和As含量增長均為最大，這與三個處理的堆體發(fā)酵效率基本一致。重金屬含量增加的主要原因是堆體中水分、CO2揮發(fā)損失后，總重量和體積減小濃縮。發(fā)酵后的產(chǎn)品符合機肥料標準要求，可以進行農(nóng)田施用，但仍需嚴格監(jiān)控，避免導致嚴重的土壤富集污染[6-7]。

表3 堆肥始末重金屬含量及限量

3 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，添加玉米秸稈更有利于豬糞堆肥的快速腐熟。A3處理的T值（（終點C/N值）/（初始C/N值））、種子發(fā)芽指數(shù)等指標均顯示已完全腐熟，而A1和A2處理，尤其A1處理由于C/N值低，其碳源不足，氮源過剩，導致堆體升溫慢，高溫期短，微生物活性下降，堆體有機態(tài)氮難以被轉(zhuǎn)化為無機態(tài)等問題，從而使堆體腐熟不完全。由于堆肥原料的元素特性，如果C/N值超過20，豬糞資源化量就太少，同時堆體氮源不足、碳源過剩會導致堆體中的秸稈難以被微生物分解，從而使堆體不能完全腐熟?？傮w來看，3種不同C/N值處理中，以A3處理的堆肥腐熟效果最好，因此筆者認為，C/N值為20是豬糞-玉米秸稈混合堆肥適宜的C/N值初始設(shè)定值。