張鶴，李孟嬋，楊慧珍，王友玲，路永莉，張春紅，邱慧珍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

近年來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，規(guī)模化、集約化成為主要的發(fā)展方向[1-2].隨著養(yǎng)殖業(yè)的增加，大量糞便排放，加劇了環(huán)境負(fù)荷.據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)大家畜飼養(yǎng)量達(dá)11 906.4萬(wàn)頭，其中牛的飼養(yǎng)量為10 667.9萬(wàn)頭[3]，占比達(dá)到89.6%.據(jù)估算全國(guó)每年產(chǎn)生畜禽糞污38億t，綜合利用率不到60%[4]，成為農(nóng)業(yè)污染的主要來(lái)源[5].養(yǎng)殖家畜糞便不合理處理已成為環(huán)境污染的重要原因.因此，畜禽糞污的科學(xué)處理是目前亟待解決的問(wèn)題.

我國(guó)農(nóng)作物秸稈具有產(chǎn)量大、種類多和分布廣的特點(diǎn).糧食作物秸稈是我國(guó)主要的秸稈類型，稻草、玉米秸桿和小麥秸桿是產(chǎn)量最高、分布最廣的3種作物秸稈，約占秸稈資源總量的75%，其中玉米秸稈占31.3%[6].秸稈的不合理處置會(huì)造成資源浪費(fèi)及環(huán)境污染等一系列問(wèn)題[7-8].通過(guò)好氧堆肥將畜禽糞便制成商品有機(jī)肥，是畜禽糞污及秸稈等廢棄物資源高效利用的最佳處置方法[2,9].

好氧堆肥是指在高溫環(huán)境下通過(guò)微生物代謝將畜禽糞便與秸稈中的大分子有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成二氧化碳、水、氨等物質(zhì)以及腐殖質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[9].研究表明，堆肥過(guò)程中溫度、顏色、pH、C/N、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮等理化指標(biāo)可以反映堆肥的腐熟過(guò)程[10-11].種子發(fā)芽指數(shù)也常被用作生物學(xué)指標(biāo)觀察堆體的腐熟度[12].堆體的C/N不僅是高效堆肥的關(guān)鍵因素，也是影響堆體發(fā)酵腐熟過(guò)程的主要因素之一[13].C/N過(guò)高，微生物供氮不足，生長(zhǎng)受到抑制，有機(jī)物降解緩慢；C/N過(guò)低則碳素不足，過(guò)量的氮素不能用于微生物細(xì)胞合成，易導(dǎo)致氮元素以氨氣的形式散失降低肥效[14-17].因此，研究不同C/N條件下堆肥的腐熟進(jìn)程及特征對(duì)糞肥質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量的影響具有雙重意義.鑒于此，本研究以牛糞與玉米秸稈為原料，設(shè)置不同C/N進(jìn)行好氧堆肥，旨在探明不同C/N對(duì)堆體腐熟過(guò)程和養(yǎng)分保持的影響，為有效處理農(nóng)業(yè)廢料(秸稈)與養(yǎng)殖糞污，防止環(huán)境污染提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

堆肥試驗(yàn)設(shè)在白銀市白銀區(qū)四龍鎮(zhèn)鑫昊有機(jī)肥廠，年平均氣溫約9 ℃，7～8月平均氣溫28 ℃，年均降雨量181 mm，全年多風(fēng)，屬典型的大陸性氣候.堆肥采用戶外條垛式堆置方式，于2017年7月6日～2017年8月19日進(jìn)行堆肥.供試新鮮牛糞采自鑫昊奶牛場(chǎng)，所需秸稈由肥料廠提供，使用前用切碎機(jī)將秸稈切為2～5 cm的碎料.堆肥原料的理化性質(zhì)見(jiàn)表1.

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

堆肥原料為牛糞和玉米秸稈，堆肥試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)C/N，分別為15、20、25、30、35，記為T1、T2、T3、T4、T5，詳見(jiàn)表2.固定牛糞用量，通過(guò)添加尿素和不同玉米秸稈調(diào)節(jié)原料C/N.各處理的畜禽糞便量干基相同，堆體初始含水率為65%，混勻后堆成高1 m，寬2 m的長(zhǎng)條堆.自然通風(fēng)，測(cè)溫翻堆，翻堆充分，混合均勻.

1.3 樣品采集與測(cè)定

本試驗(yàn)堆肥期間每3 d采集1次樣品，采樣時(shí)間為上午9∶30～10∶30.采樣時(shí)，將堆體分為上、中、下3層，按照5點(diǎn)采樣法在每層進(jìn)行采集，并將采集的3層樣品混勻.堆肥樣品分為2份，1份在4 ℃儲(chǔ)存，用于硝銨態(tài)氮的測(cè)定；1份自然風(fēng)干，用于測(cè)定總有機(jī)碳(TOC)、總氮(TN)、全P(TP)、全K(TK)以及種子發(fā)芽指數(shù)(GI).參照《中華人名共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) NY525-2012》[18]，有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，全氮采用H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮法測(cè)定，全磷采用釩鉬酸銨比色法測(cè)定，全鉀用火焰光度計(jì)法測(cè)定.測(cè)定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用鮮樣并用1 mol/L KCl浸提(水土比10∶1)，濾液上全自動(dòng)流動(dòng)分析儀.種子發(fā)芽指數(shù)參照Z(yǔ)ucconi等[19]的方法測(cè)定，在培養(yǎng)皿中墊一張濾紙，均勻放入10粒小白菜種子，取鮮樣按水肥比10∶1浸提，往培養(yǎng)皿中加浸提液5 mL，封口，25 ℃恒溫箱中培養(yǎng)48 h計(jì)算發(fā)芽率并測(cè)定根長(zhǎng).每個(gè)樣品做3個(gè)重復(fù)，同時(shí)以去離子水作空白對(duì)照試驗(yàn).

表1 堆肥原料的理化性質(zhì)

表2 不同處理的C/N原料配比

發(fā)芽指數(shù)=[樣品發(fā)芽率(%)×樣品根長(zhǎng)]/[對(duì)照發(fā)芽率(%)×對(duì)照根長(zhǎng)]×100%

堆肥期間用溫度計(jì)于每天8∶00、14∶00、20∶00進(jìn)行測(cè)量，并取3次溫度的平均值作為當(dāng)天堆體的溫度.每次測(cè)溫時(shí)測(cè)溫深度與取樣深度保持一致，從各堆體的中心到四周均勻測(cè)溫5次，取其平均值.同時(shí)進(jìn)行環(huán)境溫度的測(cè)量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行處理.相關(guān)性分析采用SPSS 22.0軟件分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過(guò)程中各處理堆體溫度的變化

由圖1可知，整個(gè)堆肥過(guò)程中，各處理的堆體溫度均表現(xiàn)出升溫、高溫持續(xù)和降溫穩(wěn)定3個(gè)階段.堆肥初始，各處理溫度迅速升高，且在第2天均已達(dá)到55 ℃，進(jìn)入高溫期.其中T1、T2處理在堆肥的第5天達(dá)到最高溫度，T3和T5在第7天達(dá)到最高溫度.T1～T5各處理高溫期持續(xù)時(shí)間分別為22、22、25、25、31 d，高溫期平均溫度為59.77、61.54、63.81、67.14、63.70 ℃，T4>T3>T5>T2>T1.T1和T2在第25天進(jìn)入降溫期，分別在第29、35天降至40 ℃左右，進(jìn)入后腐熟階段.T3和T4在第27天進(jìn)入降溫期，T5在第33天進(jìn)入降溫期.其中T3、T4在第35天進(jìn)入后腐熟階段，T5則在第43天進(jìn)入后腐熟階段.由于環(huán)境溫度的變化和翻堆的影響，在堆肥的整個(gè)過(guò)程中，各堆體溫度呈現(xiàn)鋸齒形變化.

圖1 不同處理堆體溫度的變化Figure 1 Variations of temperature of different treatments during composting process

2.2 堆肥過(guò)程中堆體pH、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的變化

由圖2可知，各處理的pH變化趨勢(shì)基本一致，都是先增大后緩慢減小并逐漸趨于穩(wěn)定.隨著堆肥的進(jìn)行，各處理之間開始出現(xiàn)較大的差異.其中T1和T2處理pH迅速升高，在第6天達(dá)到最高值，分別為8.96和8.94.T3、T4和T5在堆肥第12～15天達(dá)到最高值.達(dá)到最高值后各處理pH緩慢下降，至堆肥結(jié)束后，分別降為8.75、8.74、8.71、8.63和8.65，處于8.0～9.0之間，滿足堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)[20].其中，T2處理變化幅度最小，僅升高1.03個(gè)單位.T5上升幅度最大，升高了1.4個(gè)單位.在整個(gè)堆肥過(guò)程中，由于C/N的差異，各處理的堆肥產(chǎn)品pH值T1>T2>T3>T4>T5.

圖2 不同處理堆體pH的變化Figure 2 Variations of pH of different treatments during composting process

堆肥過(guò)程常常伴隨著明顯的氨化過(guò)程.堆肥過(guò)程中銨態(tài)氮含量變化如圖3所示，各處理銨態(tài)氮含量整體呈先升高后降低的趨勢(shì)，不同處理間銨態(tài)氮含量差異較大.堆肥初始，除T1處理，其余各處理銨態(tài)氮含量迅速增加，分別在堆肥第5、5、15、15天達(dá)到高峰.隨著堆肥時(shí)間的推進(jìn)，各處理銨態(tài)氮含量呈下降趨勢(shì).堆肥初始銨態(tài)氮含量T1>T2>T3>T4>T5.至堆肥結(jié)束，各處理銨態(tài)氮含量較初始分別下降了79.91%、61.96%、76.58%、24.26%、43.41%，T4處理的銨態(tài)氮損失最少.

硝態(tài)氮含量的變化趨勢(shì)與銨態(tài)氮相反，整體呈升高趨勢(shì).在堆肥初期，各處理硝態(tài)氮含量變化不明顯.經(jīng)過(guò)15 d堆置后，各處理硝態(tài)氮含量開始出現(xiàn)明顯變化.至堆肥結(jié)束時(shí)，各處理硝態(tài)氮含量分別為16.68、14.91、12.49、8.78、7.20 mg/kg，與初始值相比分別增加了11.75、9.88、7.62、4.11、2.39 mg/kg.硝態(tài)氮含量T1>T2>T3>T4>T5.

2.3 堆肥過(guò)程中堆體總有機(jī)碳(TOC)、全氮(TN)、碳氮比(C/N)的變化

堆肥的腐熟化過(guò)程是有機(jī)質(zhì)不斷被分解再合成的過(guò)程.由圖5可知，在好氧堆肥的過(guò)程中，各處理TOC含量隨著堆肥的進(jìn)行呈下降趨勢(shì)，且碳氮比越大TOC下降幅度越大.堆肥前12 d各處理TOC含量迅速減少，后期較為平緩.至堆肥結(jié)束，T1～T5各處理的TOC含量分別下降了25.93%、35.22%、43.22%、43.58%和47.88%.

圖3 不同處理堆體銨態(tài)氮的變化Figure 3 Evolution of ammonium of different treatments during composting process

圖4 不同處理堆體硝態(tài)氮的變化Figure 4 Evolution of ammonium of different treatments during composting process

圖5 不同處理堆體TOC的變化Figure 5 Evolution of TOC in different treatments during composting process

堆肥過(guò)程中的全氮含量變化由圖6可知，5個(gè)不同處理的全氮含量總體先降低后升高并趨于穩(wěn)定.T1、T2處理在1～3 d下降幅度大于其他處理，在堆肥21 d總氮含量達(dá)到最低值8.72、10.59 g/kg.T3、T4、T5處理組分別在第18、21、12天達(dá)到最低值，分別為12.04、11.68、11.19 g/kg，與初始相比氮素?fù)p失18.60%、14.64%、9.52%.雖然在腐熟過(guò)程中，氮素都存在不同程度的損失，但T3、T4和T5的氮損失明顯小于T1和T2.堆肥結(jié)束時(shí)，全氮含量除T1略有降低外，其余處理分別升高5.93%、6.19%、5.08%和16.80%.

圖6 不同處理堆體全氮的變化Figure 6 Change of total nitrogen of different treatments during composting process

由圖7可知，5個(gè)處理的碳氮比總體呈減小趨勢(shì)，并最終保持穩(wěn)定.T4和T5處理的碳氮比下降極為明顯，這是因?yàn)楦咛嫉葘?dǎo)致在堆肥初期總有機(jī)碳被大量分解，而全氮變化不明顯.T1、T2在堆肥前21 d略有上升，總體碳氮比變化不明顯，是因?yàn)樘妓胤纸饩徛卮罅繐p失.碳氮比的變化與有機(jī)質(zhì)變化基本相一致.至堆肥結(jié)束，5個(gè)處理組的C/N分別為13.37、13.38、13.46、14.95和15.32.

圖7 不同處理堆體C/N的動(dòng)態(tài)變化Figure 7 Variations of ratio of carbon to nitrogen in different treatments during composting process

2.4 堆肥前后各處理養(yǎng)分的變化

由表3可知，堆肥結(jié)束時(shí)，各處理全氮(除T1)、全磷及全鉀含量均有增加，堆肥結(jié)束時(shí)各處理總養(yǎng)分含量分別為5.05%、4.99%、4.92%、4.41%和4.25%，與堆肥初期相比，分別增加12.63%、18.41%、45.79%、35.43%和44.64%，T3的增幅最大.

表3 堆肥過(guò)程中養(yǎng)分的變化

2.5 各處理堆穩(wěn)定期種子發(fā)芽指數(shù)

發(fā)芽指數(shù)是表征堆肥腐熟度和有無(wú)毒害的重要指標(biāo).由表4可知，當(dāng)堆肥進(jìn)行到第30天，5個(gè)處理中T1的種子發(fā)芽指數(shù)為42.59%，其余4個(gè)處理分別為49.77%、53.57%、59.72%和68.90%.至堆肥結(jié)束，5個(gè)處理的種子發(fā)芽指數(shù)分別為73.43%、79.64%、87.56%、92.73%和98.53%.

表4 不同處理堆肥期間種子發(fā)芽指數(shù)

3 討論

堆肥是由微生物主導(dǎo)的生物化學(xué)過(guò)程，微生物的生長(zhǎng)繁殖和活動(dòng)離不開適宜的溫度條件.溫度不僅影響微生物的代謝，還通過(guò)微生物的降解活動(dòng)影響有機(jī)質(zhì)的分解礦化過(guò)程以及堆體腐熟進(jìn)程[21].本研究結(jié)果表明，5個(gè)處理均在堆肥第2天進(jìn)入高溫期(堆體溫度高于55 ℃)(圖1).其中T4處理堆體高溫天數(shù)達(dá)25 d，高溫期平均溫度67.14 ℃，遠(yuǎn)大于低碳氮比的T1處理(22 d，59.77 ℃).Zucconi等[19]認(rèn)為當(dāng)種子發(fā)芽指數(shù)大于50%時(shí)，堆肥基本腐熟；當(dāng)種子發(fā)芽指數(shù)大于80%時(shí)，堆肥完全腐熟.本試驗(yàn)中，堆肥結(jié)束時(shí)5個(gè)處理的種子發(fā)芽指數(shù)分別為73.43%、79.64%、87.56%、92.73%和98.53%，除T1和T2處理基本腐熟外，其余3個(gè)處理均完全腐熟.這是因?yàn)門1處理有效碳源不足，抑制了微生物生長(zhǎng)和代謝，限制其升溫過(guò)程和腐熟進(jìn)程[22].各處理C/N在堆體腐熟過(guò)程中呈下降趨勢(shì)，一般認(rèn)為堆肥C/N<20時(shí)基本腐熟[23].有研究認(rèn)為T值(最終碳氮比/初始碳氮比)可以評(píng)價(jià)腐熟度[24]，當(dāng)T<0.6時(shí)堆肥達(dá)到腐熟[24-25].本試驗(yàn)堆肥結(jié)束時(shí)，各處理的T值分別為0.80、0.64、0.53、0.54、0.45，可以認(rèn)為除T1和T2外其他處理達(dá)到腐熟.

pH也是堆肥順利進(jìn)行的重要因素，過(guò)酸或過(guò)堿都會(huì)影響堆肥腐熟過(guò)程.本試驗(yàn)堆肥初始各處理pH有一定的差異，分別為7.67、7.71、7.45、7.36和7.25.這可能因?yàn)橛衩捉斩挼膒H較低，而高碳氮比的處理組含有更多的玉米秸稈[26].堆肥發(fā)酵初期各處理組pH迅速增加(圖2)，可能是因?yàn)殡S著微生物活動(dòng)的增強(qiáng)及堆體溫度的上升，有機(jī)酸分解，氨化作用增強(qiáng)，硝化反應(yīng)被抑制，堆肥物料pH上升，并達(dá)到微堿性環(huán)境[27].堆肥初始銨態(tài)氮含量升高(圖3)，這可能因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生的有機(jī)酸導(dǎo)致pH值降低[28-29]，氨氣難以揮發(fā)，銨態(tài)氮大量積累.從堆肥第5天開始銨態(tài)氮含量出現(xiàn)不同程度下降，這是因?yàn)殡S著堆體內(nèi)微生物活動(dòng)的增強(qiáng)，溫度持續(xù)升高，氨揮發(fā)不斷增加，銨態(tài)氮迅速向氨氣轉(zhuǎn)化，某些微生物也能夠?qū)H4+-N固定為含氮化合物，例如氨基酸、核酸和蛋白質(zhì)[30-33].堆肥結(jié)束后硝態(tài)氮含量T1>T2>T3>T4>T5，這與王若斐[34]和劉超[32]的研究結(jié)果一致[32，34].堆肥第15天后各處理硝態(tài)氮含量上升(圖4)，這可能是因?yàn)槎逊是捌谙趸?xì)菌和亞硝化細(xì)菌的活性受到了高溫和有機(jī)質(zhì)降解的影響[35-38]，因此硝化作用主要出現(xiàn)在堆肥的后期，后期堆肥處理中硝化細(xì)菌將銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，導(dǎo)致硝態(tài)氮含量升高[39-40].

本研究結(jié)果表明，堆肥前期各處理總有機(jī)碳降解程度均大于后期(圖5)，這是因?yàn)樵诙逊食跏茧A段，原料中的碳素物質(zhì)是微生物活動(dòng)的主要能源和碳源，易分解有機(jī)質(zhì)組分，在微生物活動(dòng)下被大量分解[2].堆肥結(jié)束時(shí)各處理總有機(jī)碳含量分別下降了25.93%、35.22%、43.22%、43.58%和47.88%，高碳氮比的處理總有機(jī)碳含量下降程度大于低碳氮比的處理.可能是因?yàn)槎逊手泻笃?，隨著高溫的持續(xù)，微生物活動(dòng)增強(qiáng)，較低的碳氮比不能滿足微生物生長(zhǎng)活動(dòng)，微生物開始利用纖維素、木質(zhì)素等難分解組分，碳源成為了限制微生物活動(dòng)的主要因素[41].堆肥前期T1、T2全氮含量迅速下降可能是因?yàn)樘嫉容^低，總氮含量高，在腐解前期有機(jī)氮不斷礦化，無(wú)機(jī)氮?jiǎng)t以銨態(tài)氮形式大量積累，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)榘睔鈸]發(fā)，造成大量的氮損失[24].最終全氮含量高于初始值，這是因?yàn)槲⑸锵奶妓衔?，肥堆體積不斷減小，重量急劇下降，氮素的相對(duì)含量被濃縮，總氮含量逐漸上升.這與張雪辰等[41]和趙建榮等[42]的研究結(jié)果一致.由于整個(gè)堆肥過(guò)程中全磷、全鉀不存在揮發(fā)問(wèn)題，相對(duì)穩(wěn)定，而隨著堆肥的進(jìn)行，堆體體積不斷減小，因此全磷和全鉀的相對(duì)含量相較于初始升高[43].堆肥結(jié)束時(shí)，與初始相比T3處理總養(yǎng)分含量增加了45.79%，增幅最大.總養(yǎng)分含量T1>T2>T3>T4>T5，可見(jiàn)C/N過(guò)高會(huì)導(dǎo)致堆肥肥料養(yǎng)分含量不達(dá)標(biāo)，堆肥品質(zhì)下降[45].

4 結(jié)論

本研究比較了牛糞與玉米秸稈混合堆置腐熟過(guò)程中溫度、pH、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮、全磷、全鉀的變化以及堆肥結(jié)束時(shí)各處理種子發(fā)芽指數(shù)的不同.研究結(jié)果表明，C/N在25～30時(shí)堆肥腐熟進(jìn)程中升溫快，高溫期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，養(yǎng)分損失量少，腐熟進(jìn)程快且徹底.因此，在實(shí)際生產(chǎn)中C/N在25～30之間，牛糞與玉米秸稈的配比1∶0.7～1∶1.5之間更有益于養(yǎng)分保持和堆體發(fā)酵.研究結(jié)果能夠?yàn)橛行幚砟膛?chǎng)養(yǎng)殖廢棄物和工廠化生產(chǎn)有機(jī)肥料提供依據(jù).