李 蓉,馬 進(jìn),王國(guó)貴,陳瀟飛,譚德俊,謝駿輝,朱云芬*

(1. 恩施土家族苗族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)院,湖北 恩施 445002;2. 湖北省富硒產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,湖北 恩施 445002)

2017年國(guó)務(wù)院辦公廳頒布《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》,指出將促進(jìn)畜禽廢棄物“減量化、無(wú)害化、資源化”的綜合研究利用作為重點(diǎn),加速構(gòu)建種養(yǎng)結(jié)合、農(nóng)牧循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展新格局[1]。

畜禽糞便高溫好氧堆肥是養(yǎng)殖廢棄物資源化利用生產(chǎn)有機(jī)肥最為經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便且二次污染小的方法之一,畜禽糞有機(jī)肥不僅能部分代替化肥使用,改善土壤板結(jié)狀況,還能增加土壤有機(jī)質(zhì),肥效持久,促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品增收、優(yōu)質(zhì)及農(nóng)田可持續(xù)利用[2]。羊糞在堆肥腐熟過程中所產(chǎn)生的高溫能殺滅糞便中的蟲卵、有害微生物等,不僅是一種優(yōu)質(zhì)的土壤改良劑更是一種豐厚的有機(jī)肥[3]。雞因?yàn)槠湎蓝痰奶厥馍斫Y(jié)構(gòu),雞糞中含有約40%～70%未被吸收代謝的有機(jī)質(zhì)和氮素等[4-5],也是腐熟有機(jī)肥的優(yōu)質(zhì)原料。菌渣是栽培食用菌后殘余的菌棒基料等固體廢棄物,其中含有豐富的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素[6-7],還有菌體蛋白質(zhì)、氨基酸等碳、氮營(yíng)養(yǎng)元素,這些大分子養(yǎng)分經(jīng)過高溫腐熟,在微生物的作用下代謝為可被植物吸收的養(yǎng)分[8-9]。研究表明,在雞糞中添加適宜比例的羊糞混合堆肥,能顯著改善與碳氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物菌群,降低雞糞堆肥過程的碳氮損失,提高堆肥質(zhì)量[10]。

目前,大多研究以單種畜禽糞便為原料,對(duì)于多種畜禽糞便混合堆肥的效果報(bào)道尚少,且不同畜禽糞便中養(yǎng)分含量和優(yōu)勢(shì)微生物菌群不同[11]。本研究將羊糞、雞糞和菌渣按不同比例混合,添加糞便微生物發(fā)酵劑和亞硒酸鈉,經(jīng)過好氧高溫堆肥,生產(chǎn)富硒有機(jī)肥。通過對(duì)高溫堆肥腐熟進(jìn)程中感官、物理、化學(xué)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)及堆肥成熟后有機(jī)肥養(yǎng)分濃度的差異性對(duì)比,篩選出羊糞、雞糞和菌渣高溫堆肥的最適配比,旨在為畜禽糞便和菌渣的資源化利用提供理論依據(jù)和科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2021年1月至2021年3月在恩施市三岔鎮(zhèn)禾陽(yáng)農(nóng)牧專業(yè)合作社內(nèi)進(jìn)行,環(huán)境溫度在0～15 ℃之間。羊糞來(lái)自于恩施州禾陽(yáng)農(nóng)牧專業(yè)合作社,菌渣來(lái)自恩施州硒康牧業(yè)公司,雞糞來(lái)自恩施州農(nóng)科院畜牧所養(yǎng)殖基地,糞便微生物發(fā)酵劑來(lái)自西安某草業(yè)公司,益生菌總數(shù)≥5×107個(gè)/g。

表1 堆肥原料的基本理化性狀Table 1 The basic properties of composting materials

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)GA、GB、GC和CK 4個(gè)處理,堆料組成見表2。4個(gè)試驗(yàn)組均混合糞便微生物發(fā)酵菌劑和亞硒酸鈉,添加劑量分別為0.1%和0.005%。各處理組設(shè)置堆體總重600 kg,調(diào)節(jié)初始含水率為50%,混合均勻后堆置成半徑為1.5 m、高1 m的圓錐體。堆肥開始前1周每2 d翻堆1次,之后每5 d翻堆1次,整個(gè)堆肥周期為30 d。

表2 堆料的組成Table 2 Component of the compostings %

1.3 樣品采集

每日上午10時(shí)用水銀溫度計(jì)測(cè)量堆體中心部分(約高60 cm處)的最高溫度,每次測(cè)量6個(gè)位置,取其平均值記載為實(shí)際堆溫,且測(cè)定室溫。在試驗(yàn)的第30天,用5點(diǎn)采樣法收集糞便樣品,并測(cè)定有機(jī)肥相關(guān)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及分析方法

有機(jī)肥堆體含水量采用105 ℃烘干法測(cè)定;pH用pH酸度計(jì)直接測(cè)定;有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法;氮、磷、鉀的測(cè)定方法參照農(nóng)業(yè)部《NY 525-2012》有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)[12]進(jìn)行。重金屬元素Cd、Pb和Cr采用原子吸收光度法進(jìn)行分析,As和Hg采用原子熒光儀進(jìn)行測(cè)定。有機(jī)肥堆體中糞大腸菌群數(shù)量采用多管發(fā)酵法檢測(cè),其方法參照《GB/T 19524.1-2004 肥料中糞大腸菌群的測(cè)定》[13];蛔蟲卵死亡率的測(cè)定方法按《GB/T 19524.2-2004 肥料中蛔蟲卵死亡率的測(cè)定》[14]規(guī)定進(jìn)行。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Microsoft Excel 2007軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),采用SPSS中One-way ANOVA進(jìn)行方差分析,Duncan法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較,P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥顏色和氣味變化

從感官層面即物理學(xué)指標(biāo)來(lái)判斷堆肥過程中物料的變化,各試驗(yàn)組羊糞、雞糞及菌渣在混合堆肥過程中色澤、味道和顆粒度均發(fā)生了明顯變化。隨著物料逐漸腐熟,含水量顯著降低、各試驗(yàn)組堆料顏色逐步變深,由最初的黃茶色變?yōu)轳液稚?。且從顆粒度上來(lái)看,隨著水分的蒸發(fā)、有機(jī)質(zhì)的降解利用,最初的團(tuán)塊狀、不均勻逐漸消失,變得松散、均勻、手感細(xì)膩。

在糞便發(fā)酵最初,各組堆體均散發(fā)出明顯糞臭味、氨味大,且有眾多蚊蠅環(huán)繞。隨著堆肥進(jìn)行,糞臭味減輕,且因?yàn)槲⑸锏陌l(fā)酵作用,堆料中蛋白質(zhì)降解、氨基酸脫氨,會(huì)產(chǎn)生大量NH3,此時(shí)翻動(dòng)堆料有刺鼻氨味。直到堆肥腐熟后期,糞臭味消失,有淡淡土腥味,且無(wú)蚊蠅。綜合觀察,各試驗(yàn)組肥料呈咖啡色粒狀或粉狀,無(wú)機(jī)械雜質(zhì),均符合《NY 884-2012 生物有機(jī)肥》[15]中外觀(感官)的規(guī)定。

2.2 堆肥溫度變化

由圖1可知,各試驗(yàn)組堆體內(nèi)部溫度均呈現(xiàn)先快速上升(0～6 d左右)、再保持穩(wěn)定(7～13 d)、后期(14～21 d)下降至室溫的趨勢(shì)。GC升溫最快,達(dá)到高溫期所需時(shí)間最短,在第3天就達(dá)到55 ℃,且維持高溫時(shí)間有10 d,表明該組發(fā)酵最為徹底。相比之下,CK升溫最慢,且維持高溫時(shí)間僅有5 d。

圖1 堆肥過程中溫度的變化Fig.1 Changes of temperature during composting

2.3 堆肥pH的變化

由圖2可知,各處理組的pH呈現(xiàn)先降低、后升高再下降最終趨于平穩(wěn)的走勢(shì),且在第15天達(dá)到最大值,在堆肥結(jié)束時(shí)均≤8.5,滿足有機(jī)肥料的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 堆肥過程中pH的變化Fig.2 Changes of pH during composting of sheep manure

在第15天時(shí),各試驗(yàn)組pH達(dá)最大值,且GC的pH最高,可能是因?yàn)樵摻M堆溫最高。

2.4 堆肥的品質(zhì)性狀

羊糞、雞糞及菌渣混合堆肥結(jié)束后,各試驗(yàn)組堆料的品質(zhì)性狀結(jié)果見表2,經(jīng)對(duì)比樣品所檢驗(yàn)指標(biāo)均符合《NY 525-2012 有機(jī)肥料》[12]的標(biāo)準(zhǔn),滿足有機(jī)肥的要求。由表2可知,GC的TN、TP及總養(yǎng)分含量顯著高于其他組(P<0.05),CK的OM和TK有最大值(P<0.05),各組的蛔蟲卵死亡率均為100%。

2.5 堆肥物料中重金屬和硒的含量

好氧堆肥結(jié)束后,各試驗(yàn)組重金屬及硒含量檢測(cè)結(jié)果見表3。對(duì)比各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo),均符合《NY 525-2012 有機(jī)肥料》標(biāo)準(zhǔn)[12],都在安全范圍內(nèi),滿足有機(jī)肥的指標(biāo)要求。且GC的總砷和總鉻含量顯著低于其他試驗(yàn)組,Se含量顯著高于其他各組(P<0.05)。

表3 堆肥的品質(zhì)性狀Table 3 Quality characteristics of compost

表4 堆料中重金屬與硒的含量Table 4 Heavy metal and Se content of the composting mg/kg

3 討 論

好氧堆肥是指通過堆料中微生物的新陳代謝將原材料中可降解的復(fù)雜有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單有機(jī)物或穩(wěn)定腐殖質(zhì)且產(chǎn)生二氧化碳、水以及能量等的過程[16],因此微生物的代謝活動(dòng)在腐熟過程中發(fā)揮著重要作用。本試驗(yàn)通過添加一定比例的糞便微生物發(fā)酵劑,推進(jìn)堆體升溫,加快有機(jī)物的降解及腐殖質(zhì)的形成,促進(jìn)好氧堆肥的進(jìn)行。物料的含水率是堆肥中重要的工藝控制參數(shù)。含水率高,會(huì)導(dǎo)致堆體空隙被水堵住,阻礙氧氣流通,形成厭氧環(huán)境,有機(jī)物發(fā)酵不充分,產(chǎn)生惡臭;含水率低,會(huì)降低微生物的新陳代謝活動(dòng),減緩升溫,堆體腐熟困難,當(dāng)含水率低于12%時(shí),微生物活動(dòng)幾乎全部停止[17]。眾多研究表明,堆料的含水率在45%～55%的范圍內(nèi)最適宜,因此本試驗(yàn)將物料初始含水率均控制在50%,更有利于堆肥的進(jìn)行。

3.1 羊糞、食用菌菌渣及雞糞混合堆肥后溫度變化

本研究發(fā)現(xiàn)混合了雞糞和菌渣堆肥的試驗(yàn)組升溫速度更快,維持高溫時(shí)間更長(zhǎng),最高溫度比對(duì)照組增加1～2 ℃,高溫連續(xù)時(shí)間可延長(zhǎng)2～3 d,其中以GC組(羊糞70%)升溫最高,表明該組發(fā)酵最為徹底。研究表明,堆體內(nèi)部溫度≥50 ℃且持續(xù)5～7 d,能有效殺害堆料中的病原菌、微生物和有害蟲卵等,從而達(dá)到堆肥工藝的安全標(biāo)準(zhǔn)[18]。雞糞與菌渣的添加豐富了堆料間隙,不僅給予微生物新陳代謝足夠的自由空間,還提高了堆料的含氧量,通氣量的增加增強(qiáng)了好氧微生物的新陳代謝與產(chǎn)熱能力[19],使得有機(jī)質(zhì)降解更加充分,堆料升溫更快且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。同時(shí)也改變了堆料的C/N,加快好氧堆肥腐熟進(jìn)程。C是微生物能量來(lái)源,N是微生物生長(zhǎng)中蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸等大分子物質(zhì)的必需元素,因此堆料的C/N是權(quán)衡堆體腐熟程度的關(guān)鍵指標(biāo)[20]。

3.2 羊糞、食用菌菌渣及雞糞混合堆肥后pH值變化

pH是調(diào)節(jié)堆肥進(jìn)程的關(guān)鍵指標(biāo),適宜的pH能有效提高微生物新陳代謝,促進(jìn)堆料腐殖化進(jìn)程,減少肥分流失[21],且pH在7.5～8.5范圍內(nèi)堆肥有最大腐殖速率[22]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,各組pH呈先降低、后升高再下降最終趨于平穩(wěn)的走勢(shì),且在第15天達(dá)到最大值。這可能是在堆肥剛開始時(shí),部分含碳有機(jī)物在高溫下降解為有機(jī)酸使得堆體pH迅速下降;隨著物料腐熟程度增加,微生物擴(kuò)繁增殖加速,堆料中的蛋白被大量降解為NH3,因此pH升高,最終形成了微堿的環(huán)境。中性或弱堿性pH有利于微生物高效分解,促進(jìn)堆料中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化,縮短腐熟時(shí)間,有效提升腐熟效果[23]。且在第15天時(shí),GC的pH最高,可能是因?yàn)樵摻M堆溫最高,微生物發(fā)酵最活躍,所產(chǎn)生的NH3多,導(dǎo)致堿性最強(qiáng)。

3.3 羊糞、食用菌菌渣及雞糞混合堆肥后品質(zhì)性狀

隨著好氧堆肥的進(jìn)行,堆體溫度升高后再降低,堆料中可降解的有機(jī)物逐漸減少直至穩(wěn)定,進(jìn)入到了好氧堆肥最后的腐熟階段,腐殖質(zhì)逐漸生成累積,糞便中的致病性微生物和蟲卵等有害物質(zhì)被殺死[24]。在糞便發(fā)酵的最后階段,判斷堆肥是否完成和堆料是否腐熟是整個(gè)好氧堆肥過程最重要的工作。糞便堆肥腐熟進(jìn)程中的物質(zhì)變化主要可以分為2個(gè)階段,即礦質(zhì)化和腐殖化[25]。礦質(zhì)化是指微生物將原料中有機(jī)物降解為無(wú)機(jī)化合物;腐殖化是微生物重新利用無(wú)機(jī)化合物生產(chǎn)更加復(fù)雜腐殖質(zhì),這2個(gè)過程在堆肥同時(shí)進(jìn)行,互相促進(jìn)[26]。因此有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀及總養(yǎng)分含量是有機(jī)肥最基礎(chǔ)的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo),也是反映堆體腐熟度的標(biāo)志[27]。有機(jī)質(zhì)是衡量土壤能夠提供作物生長(zhǎng)所需各種養(yǎng)分的能力,與土壤的理化性質(zhì)和生物活性息息相關(guān),是反映土壤肥力狀況和供肥特征的決定性因素[28]。氮、磷、鉀元素是肥料的3大基本要素,也是影響有機(jī)肥品質(zhì)分級(jí)劃分的主要因素。本試驗(yàn)好氧堆肥腐熟后,檢測(cè)了堆料總養(yǎng)分、氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)、蛔蟲卵死亡率等指標(biāo),均符合《NY 525-2012 有機(jī)肥料》[12]標(biāo)準(zhǔn),且各試驗(yàn)組堆料中有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分以及氮磷鉀含量存在顯著差異,這除了與堆肥工藝有關(guān)外,還與堆料中羊糞、雞糞和菌渣的混合比例有密切關(guān)系,羊糞有機(jī)質(zhì)的含量比雞糞和菌渣高,因此3個(gè)試驗(yàn)組的有機(jī)質(zhì)含量均低于CK。與此同時(shí),雞屬于單胃動(dòng)物,且消化道短,日糧精料中蛋白飼料比例高;而羊?qū)儆诜雌c動(dòng)物,其日糧除了精料以外,主要以富含纖維的粗飼料為主,故雞糞的TN、TP和總養(yǎng)分含量要高于羊糞,因此雞糞添加量越多,所制得有機(jī)肥中TN、TP和總養(yǎng)分就越高。隨著雞糞和菌渣量的增加(由GA,GB到GC)其OM、TN、TP和總養(yǎng)分含量均呈逐漸上升趨勢(shì),且差異顯著。陳芬等[29]、李林海等[30]研究結(jié)果表明,羊糞的有機(jī)質(zhì)和鉀含量顯著高于雞糞,因此羊糞添加越多,所制得有機(jī)肥中TK含量越高,與本研究結(jié)果一致。

3.4 羊糞、食用菌菌渣及雞糞混合堆肥后重金屬和硒的含量

好氧堆肥是畜禽糞便資源化利用的一種經(jīng)濟(jì)、傳統(tǒng)、高效、易操作的方式之一,但是伴隨而來(lái)的是重金屬殘留污染風(fēng)險(xiǎn)[31-32]。堆肥處理不能減少糞污的重金屬含量,但通過有機(jī)物絡(luò)合、螯合、靜電吸附等形式固定重金屬,從而降低堆肥物料中重金屬的生物有效性[33-34]。本試驗(yàn)將羊糞、雞糞和有機(jī)調(diào)理劑(食用菌菌渣)混合好氧堆肥,同時(shí)又添加糞便微生物發(fā)酵劑,增加堆體反應(yīng)中的碳源,使得堆肥原料空隙增大,促進(jìn)微生物的新陳代謝及有機(jī)質(zhì)的降解反應(yīng)。同時(shí)高溫堆肥所生成的腐殖質(zhì)(腐殖酸和富里酸)能與重金屬發(fā)生絡(luò)合使其鈍化[35],從而降低其毒性,減少環(huán)境污染,腐熟完成之后,4個(gè)試驗(yàn)組肥料中的重金屬含量均符合《NY 525-2012 有機(jī)肥料》標(biāo)準(zhǔn)。

在畜禽糞便中添加微量元素硒進(jìn)行混合好氧堆肥可得到富硒肥。富硒肥具有改良土壤的作用,它能對(duì)植物進(jìn)行富硒強(qiáng)化,通過植物體的吸收代謝作用,將土壤中的無(wú)機(jī)硒轉(zhuǎn)化為易被人體利用的有機(jī)硒。這對(duì)富硒功能性農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型及農(nóng)民增收具有重要意義[33]。同時(shí)硒還對(duì)重金屬有拮抗作用,可以抑制植物對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[36-37]。本試驗(yàn)在羊糞堆肥發(fā)酵時(shí)添加0.005%的無(wú)機(jī)硒-亞硒酸鈉,以GC組硒含量最高,這可能因?yàn)橥庠刺砑拥膩單徕c在微生物的生化作用及腐殖作用下被轉(zhuǎn)化為活性硒[38],相較于CK,GA和GB的好氧發(fā)酵溫度更高,微生物腐殖作用更強(qiáng),故其中硒含量更高一點(diǎn)。

4 小 結(jié)

在羊糞好氧堆肥過程中,與CK(純羊糞組)相比,混合雞糞和菌渣促進(jìn)了堆體升溫,延長(zhǎng)了高溫時(shí)間,以GC組(羊糞50%+雞糞20%+菌渣30%)的堆體發(fā)酵升溫最快和高溫時(shí)間最長(zhǎng)。在羊糞好氧堆肥腐熟后,與CK(純羊糞組)相比,混合雞糞和菌渣增加了堆料的總養(yǎng)分、TN和TP含量,以GC組(羊糞50%+雞糞20%+菌渣30%)的養(yǎng)分值最高。在羊糞好氧堆肥并添加亞硒酸鈉過程中,與CK(純羊糞組)相比,GC處理堆料硒含量最高。綜合以上結(jié)果,GC處理(羊糞50%+雞糞20%+菌渣30%)配合比例有最好的堆肥效果及有機(jī)肥品質(zhì),可選擇該比例來(lái)對(duì)羊糞、雞糞及食用菌菌渣進(jìn)行廢棄物資源化利用肥料化處理。