首雅瀟，鄭美漩，鄭業(yè)魯，鄭 煒

（1.廣東廣墾畜牧工程研究院有限公司，廣州 510000；2.茂名市名富生物科技有限公司，廣東 化州 525100；3.北京豐合宇泰生物科技有限公司，北京 100000）

1 試驗(yàn)背景

隨著全國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖業(yè)所產(chǎn)生的糞便污染問題日益加重，已經(jīng)成為主要的農(nóng)業(yè)面源污染源之一[1]。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部數(shù)據(jù)，全國每年產(chǎn)生的畜禽糞污為38 億噸，綜合利用率不到60%[2]。

高溫好氧堆肥技術(shù)是循環(huán)農(nóng)業(yè)中固體廢棄物處理及資源化利用最常用的有效手段之一，具有成本低廉、環(huán)境污染小、易大規(guī)模操作等特點(diǎn)。經(jīng)過一定時(shí)間堆肥腐熟制成的有機(jī)肥可作為土壤改良劑，改良土壤理化性質(zhì)，提升土壤肥力，具有顯著的環(huán)境效益和社會(huì)效益[2]。然而，堆肥過程中會(huì)有40%～80%的氮素在堆肥的高溫期以氨氣和氧化亞氮的形式排放損失掉。含氮?dú)怏w的大量逸出不僅導(dǎo)致堆肥中的氮養(yǎng)分損失，降低了堆肥肥效，還對(duì)大氣環(huán)境造成了二次污染，加劇了全球的溫室效應(yīng)，阻礙了堆肥技術(shù)的大規(guī)模發(fā)展[3～4]。

氮素的遷移和排放主要受堆體原料構(gòu)成、通風(fēng)情況、溫度、含水率、C/N、pH、添加劑等因素影響[5]。目前，控制堆肥中氨氣排放以減少氮素?fù)p失的方法大致可分為物理法、化學(xué)法和生物法。沸石、活性炭、泥炭、黏土、玄武石等吸附性能好的添加劑能減少堆肥過程中氨氣和其他含氮?dú)怏w的排放，從而降低氮素?fù)p失[6]。魏晶晶[7]研究發(fā)現(xiàn)，堆肥過程中添加生物炭后，全氮含量相對(duì)于對(duì)照組增加了14%，N2O 減排率為17%～87%，NH3減排率為18%～26%；徐鵬翔等[8]研究發(fā)現(xiàn)，原料含水率為63%時(shí)總氮養(yǎng)分含量最高（14.20 g/kg），原料含水率為60%時(shí)有效氮養(yǎng)分含量最高（9.53g/kg）；莫云等[9]發(fā)現(xiàn)，不添加功能菌能顯著降低堆體的銨態(tài)氮和氨氣，堆肥結(jié)束時(shí)總氮相對(duì)于對(duì)照組提高了11.7%；薛文濤等[10]發(fā)現(xiàn)，添加了5%的檸檬酸和草酸，分別降低了堆肥中氨氣累計(jì)排放量的44.15%和69.57%，氮素?fù)p失量分別降低25.16%和48.54%。其中，微生物功能菌劑不僅引入了效果較好的菌種，還可以調(diào)節(jié)原體系的碳代謝和氮代謝，加快堆肥進(jìn)程，提高堆肥的腐熟度。在堆體中加入微生物菌劑，還能起到固氮作用，將氨氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮。

本試驗(yàn)以新鮮豬糞為研究對(duì)象，木屑為輔料，對(duì)比了外源微生物菌劑對(duì)畜禽糞便堆肥發(fā)酵腐熟度及固氮效果的影響，探討了可能的保氮機(jī)制，以期獲得一種簡單快速減少氮素?fù)p失的技術(shù)。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

本堆肥試驗(yàn)在名富有機(jī)肥場露天地面硬化場地進(jìn)行，堆肥2020 年12 月7 日開始，2021 年3 月3 日結(jié)束，為期90 天。

堆肥原料為新鮮豬糞；木屑購于當(dāng)?shù)匾患壹揖邚S，以木屑為輔料，用于調(diào)節(jié)C/N 和含水率到合適水平。菌劑由北京豐合宇泰生物科技有限公司提供，菌劑含菌數(shù)為9.94×107CFU/g。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)開始前，將10 kg 菌劑與200 L 木屑充分混合，再將混有菌劑的200 L 木屑均勻混入剩余木屑中，制成5 噸堆肥輔料。然后將固液分離后的豬糞渣10 噸混入輔料中，制成堆肥，原料的基本性質(zhì)詳見表1。堆肥開始后的第1、2、3、4 天翻堆，此后從第8 天開始每5 天翻1 次堆。整個(gè)試驗(yàn)期間，堆體如有滲瀝液，可用木屑吸收，并記錄滲瀝液出現(xiàn)的時(shí)間和數(shù)量。

表1 堆肥原料的基本性質(zhì)

2.3 試驗(yàn)測定

1.3.1 取樣。分別在堆肥初始階段、升溫階段、最高溫度、堆肥結(jié)束時(shí)各取樣1 次，在堆體的上中下3 點(diǎn)隨機(jī)取樣，并用四分法混合均勻后分取200 g 左右鮮樣。取出小部分用于當(dāng)天測定含水率、pH 值；其余部分風(fēng)干后粉碎過40 目篩，用于全氮、有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀測定。

1.3.2 測定指標(biāo)及方法

溫度測定。將工業(yè)溫度計(jì)插入距離頂部50 cm 的堆體中心測量，堆肥開始前5 天每天上午7：00 測量1 次堆體中心溫度，此后每天上午7：00 和下午4：00 測量2 次堆體中心溫度，2 次測量的平均值作為堆體溫度。

pH 值測定。鮮樣和去離子水按照1：10（g/mL）在搖床振蕩浸提1 h 后，在4000 r/min 下離心10 min，取得的堆肥浸提液用pH 計(jì)測定并記錄結(jié)果。

總氮測定采用凱氏定氮法。

有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀水浴加熱法。

全磷測定采用釩鉬酸銨比色法。

堆肥結(jié)束后進(jìn)行種子發(fā)芽指數(shù)測定。種子發(fā)芽指數(shù)的測定參考中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 23486-2009），四季奶油小白菜種子25℃下避光培養(yǎng)48 h，測定種子的發(fā)芽率和根長。試驗(yàn)取2 個(gè)平行樣品進(jìn)行，以去離子水作為空白對(duì)照，3 次重復(fù)。

種子發(fā)芽率指數(shù)GI 公式如下：

GI=（浸提液種子發(fā)芽率×根長）/（對(duì)照種子發(fā)芽率×根長）×100%

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中的溫度變化

堆肥時(shí)間持續(xù)90 天，整個(gè)堆肥過程主要由3 個(gè)階段組成，即升溫期、高溫期和降溫期。由圖1 可知，該堆肥的溫度總體呈先升高后降低，最終趨于平穩(wěn)的變化趨勢。堆肥在第26 天達(dá)到50.08℃，并在第39 天達(dá)到最高溫度59.42℃。整個(gè)過程中，堆肥溫度超過50℃持續(xù)時(shí)間超過7 天，符合GB/T 36195-2018《畜禽糞便無害化處理技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是殺滅糞便中致病菌和寄生蟲的重要條件，該堆肥達(dá)到無害化腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 堆肥中的溫度變化

2.2 堆肥過程中的含水率和有機(jī)質(zhì)變化

水是堆肥中微生物生長繁殖必不可少的條件之一，含水率60%～70%是微生物生長最適宜的條件。堆肥過程中，一方面因?yàn)橛袡C(jī)物氧化分解產(chǎn)生水分而增加；另一方面由于通風(fēng)和堆體溫度使水分以水蒸氣形式揮發(fā)而降低，堆肥含水率的變化主要是這兩者綜合作用的結(jié)果[11]。

堆肥過程中含水率和有機(jī)質(zhì)的變化如圖2 所示，在整個(gè)堆肥過程中，堆肥的含水率總體呈逐漸下降趨勢。堆肥起始時(shí)，豬糞含水率為75.7%；到第36 天時(shí)，降至59.9%；第91 天結(jié)束時(shí)，含水率為45.5%，相比第1 天下降了40%。程紹明等[12]研究發(fā)現(xiàn)，木屑作為調(diào)理劑有助于堆體水分的散失，并且在堆肥結(jié)束時(shí)各處理的含水率均在50%左右，與本試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。

堆肥過程是微生物參與的各種代謝過程，有機(jī)質(zhì)能為微生物提供碳源，有機(jī)質(zhì)的變化在一定程度上反映了堆肥的腐熟度。由圖2 可知，整個(gè)堆肥周期內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，堆肥初期有機(jī)質(zhì)含量為100.2%，結(jié)束時(shí)為91.3%。整個(gè)堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量變化不大的原因可能是因?yàn)槟拘嫉奶砑颖壤^大，并且木屑中的有機(jī)質(zhì)含量過高，導(dǎo)致豬糞有機(jī)質(zhì)所占比例較小。而木屑的主要成分是難降解的木質(zhì)素，豬糞中有機(jī)質(zhì)的降解不足以引起堆肥有機(jī)質(zhì)明顯變化[13]。

C/N 是堆肥過程中決定有機(jī)物質(zhì)分解的重要因素，可作為評(píng)價(jià)堆肥腐熟的重要參數(shù)之一，也可反映堆肥的穩(wěn)定程度以及判斷堆肥中是否存在對(duì)植物有毒害作用的物質(zhì)[14]。由圖2 可知，堆肥過程中C/N 呈先下降后趨于穩(wěn)定的變化。堆肥初期C/N 下降速度較快，可能是由于堆肥初期微生物較活躍，消耗了大量的碳源，并以CH4、CO2、N2O 等形式散發(fā)出去，而且碳損失速度大于氮損失速率。堆肥后期，碳源損耗較快，C/N 呈現(xiàn)出較低水平，并趨于穩(wěn)定。堆肥起始時(shí)，堆肥C/N 為35.9，堆肥結(jié)束時(shí)為28.3。

圖2 堆肥過程中含水率、有機(jī)質(zhì)和C/N 的變化

2.3 堆肥過程中總養(yǎng)分和氮磷鉀含量變化

從圖3 可以看出，堆肥的全氮含量隨著堆肥進(jìn)程呈逐漸降低趨勢。堆肥初期的豬糞全氮含量為1.62%，在第36 天時(shí)堆肥的全氮含量為3.35%，到堆肥結(jié)束時(shí)降低至1.87%。從堆肥第36天到第41 天，全氮含量下降41.8%，主要原因是該階段處于堆肥高溫期，堆體含氮有機(jī)物分解產(chǎn)生的NH3大量逸散，導(dǎo)致全氮含量降低。從堆肥第41 天至堆肥結(jié)束，堆肥處于降溫期，整個(gè)堆肥處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，好氧微生物活動(dòng)相對(duì)減弱，同時(shí)含水率也在逐漸降低，導(dǎo)致全氮相對(duì)含量基本不變。張建華等[15]的研究結(jié)果表明，使用藥渣作為調(diào)理劑能起到較好的固氮效果，而木屑作為調(diào)理劑堆肥結(jié)束時(shí)的全氮含量為3.0%左右。

如圖3 所示，堆肥開始時(shí)全磷含量為1.6%，在整個(gè)堆肥過程中，全磷含量呈上升趨勢，結(jié)束時(shí)含量為2.4%。整體來說，全磷的絕對(duì)含量雖有所增加，但是增幅較小。高云航等[16]試驗(yàn)中，堆肥開始至結(jié)束全磷含量也在1.08%～2.35%之間，與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖3 堆肥過程中的總養(yǎng)分和氮磷鉀含量變化

堆肥過程中全鉀整體呈先上升后下降趨勢。堆肥初始時(shí)全鉀含量為0.27%，第36 天時(shí)上升至最大值0.55%，結(jié)束時(shí)下降至0.52%。全鉀含量的上升可能是由于鉀在堆肥中不易揮發(fā)，隨著堆肥進(jìn)行，總質(zhì)量下降，全鉀含量發(fā)生濃縮所致。

2.4 堆肥過程中的pH 值變化

適宜的pH 值是微生物發(fā)揮應(yīng)有作用的前提，pH 值會(huì)隨著時(shí)間和溫度變化而變化。由圖4 所示，堆肥起始時(shí)pH 值為8.1，第36 天達(dá)到最小值7.34，第41 天達(dá)到最大值8.36。堆肥結(jié)束時(shí)，堆體的pH 值為7.62，符合一般堆肥腐熟后呈弱堿性的特點(diǎn)。羅一鳴等[17]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過90 天的堆肥pH 值均保持在7.0～8.0，符合有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 堆肥過程中的pH 值變化

2.5 堆肥過程中的種子發(fā)芽指數(shù)變化

堆肥腐熟最具有實(shí)際意義的指標(biāo)為種子發(fā)芽指數(shù)（GI），種子的生長試驗(yàn)是評(píng)價(jià)堆肥腐熟度最具有代表性的方法[18]。發(fā)芽指數(shù)大于50%時(shí)，可認(rèn)為堆肥對(duì)植物基本無毒性；大于80%時(shí)，認(rèn)為對(duì)植物完全無毒性[19]。本次試驗(yàn)堆肥結(jié)束時(shí)發(fā)芽指數(shù)2個(gè)平行樣品3 次重復(fù)取平均值，詳見表2，可知結(jié)束時(shí)GI 平均為91.78%，遠(yuǎn)高于80%。由此可知，該堆肥已達(dá)到腐熟，并且對(duì)植物生長無影響。侯月卿等[20]研究結(jié)果也表明，各處理種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到95%以上，均達(dá)到堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)，與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致。有機(jī)肥料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NYT 525-2021）關(guān)于種子發(fā)芽指數(shù)的技術(shù)指標(biāo)要求是≥70%，本試驗(yàn)的堆肥滿足該技術(shù)指標(biāo)要求。

表2 堆肥結(jié)束時(shí)種子發(fā)芽指數(shù)（GI）

3 結(jié)論

經(jīng)過90 天堆肥發(fā)酵，本試驗(yàn)堆肥高溫期（≥50 ℃）大于7天，達(dá)到畜禽糞便無害化的要求。堆肥結(jié)束時(shí)GI 在80%以上，不會(huì)對(duì)作物而生長產(chǎn)生毒害作用。

添加外源菌劑對(duì)堆肥起到一定固氮作用，同時(shí)有利于堆肥組分中有機(jī)物的分解。堆肥結(jié)束時(shí)C/N 仍高于20，說明堆肥時(shí)木屑添加比例過高，初始C/N 較大，木屑中難分解的木質(zhì)素較多，影響堆肥有機(jī)物分解。

經(jīng)過90 天的堆肥發(fā)酵，堆肥結(jié)束時(shí)含水率仍在40%以上，說明物料緊實(shí)度過高，影響堆肥的通氣性，可增加翻堆頻率加速水分散失。

堆肥結(jié)束時(shí)pH 值在7.0～8.0 之間，符合有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)。堆肥的全磷和全鉀變化不大，主要是因?yàn)槠湓诙逊手泻枯^低，并且不易逸散。