史向遠，王秀紅，周 靜，李欣欣，王保平，李永平，張紀濤，杜慧平

（山西省農(nóng)業(yè)科學院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原030031）

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈是主要的農(nóng)業(yè)廢棄物來源之一，當前我國年產(chǎn)牲畜糞便約40億t[1]，據(jù)不完全統(tǒng)計，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)出量每年可達9億多t[2]。近年來，隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)的飛速發(fā)展，政府對農(nóng)業(yè)廢棄物造成的環(huán)境污染問題關注度增加，循環(huán)利用意識增強，作為生物質(zhì)能源的秸稈和畜禽糞便的處理和利用越來越受到重視。好氧堆肥技術處理農(nóng)業(yè)秸稈和畜禽糞便，不僅能達到無害化、減量化的要求，提高環(huán)境安全系數(shù)，而且通過堆肥使該類廢棄物得到了資源化利用，提高了其附加值。目前，通過將秸稈和畜禽糞便堆肥用作有機肥、食用菌栽培料或新型設施栽培基質(zhì)的研究越來越多[3-8]。

如何能使堆肥產(chǎn)品更好地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，對好氧堆肥技術參數(shù)的掌控尤為重要。影響好氧堆肥的因素很多，主要包括堆料碳氮比、含水率、pH值、透氣性等[9-12]，其中，堆肥物料的初始碳氮比對于好氧堆肥起決定性作用，好氧堆肥的實質(zhì)就是微生物降解復雜有機質(zhì)獲得簡單穩(wěn)定有機質(zhì)的過程，初始C/N低于20時，不利于微生物的生長繁殖，微生物活動減少，C/N高于35時，微生物需經(jīng)過多次生命循環(huán)，氧化掉過量的碳，直至達到合適的C/N供其進行新陳代謝，使降解速率降低、堆肥腐熟周期延長[13]，所以合適的C/N對不同來源的物料堆肥非常重要。

本研究將牛糞和粉碎的玉米秸稈進行不同配比試驗，研究起始C/N對好氧發(fā)酵堆肥物料理化性狀的影響，旨在為加快牛糞秸稈腐熟、提高堆肥品質(zhì)提供理論基礎和技術支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試主要原料牛糞和玉米秸稈分別購自山西省農(nóng)業(yè)科學院東陽試驗基地周邊農(nóng)戶。其中，玉米秸稈直接在田間粉碎揉絲收集，長度小于10 cm；牛糞晾干碾碎。堆肥原料的理化性質(zhì)列于表1。

表1 堆料的理化指標

1.2 試驗設計

試驗地點設在山西省農(nóng)業(yè)科學院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心東陽基地堆肥車間。試驗設置2個處理：C/N＝30（配比 1）和 C/N＝25（配比 2），采用直徑×高＝2.3 m×1.3 m的堆垛進行好氧發(fā)酵堆肥，用pH值為8左右的石灰水預濕玉米秸稈，按配比加入牛糞和一定比例的生石膏粉和過磷酸鈣，調(diào)節(jié)水分含量至65%左右，物料均勻混合。建堆后分別在第8，16，20，26，34 天進行翻堆，并在建堆時及翻堆時從垂直高度1/2處的堆體表面由外向內(nèi)不同深度多點取樣，充分混合后，一部分樣品冷藏，另一部分樣品風干用于生理生化指標測定。

1.3 測定項目及方法

溫度、含水率、pH 值、EC值、E4/E6、水溶性有機碳w（C）、水溶性有機總氮w（N）、總有機碳、全氮、有機物含量和種子發(fā)芽指數(shù)（GI）測定均參照王秀紅等[14-15]的方法進行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結果與分析

2.1 不同配比堆體的溫度變化

堆體溫度是指示好氧堆肥是否正常進行的一個重要指標。從圖1可以看出，2種堆體到達高溫的時間不同，配比1的堆溫在建堆8 h后即上升至50.7℃，而配比2則是在建堆14 h后達到50℃以上高溫。每次人工翻堆后，堆體溫度均能快速升溫，2種配比除第1次建堆8 d內(nèi)溫度無明顯差別外，其余每次建堆后發(fā)酵期間的堆體溫度均表現(xiàn)為配比1高于配比2。在34 d的好氧發(fā)酵期間，配比1達到55℃以上的高溫時間累計持續(xù)了21 d左右，配比2為11 d，二者相差10 d。配比1堆體溫度為60℃以上的天數(shù)達16 d左右，而配比2僅在建堆后的7 d內(nèi)堆體溫度有4 d左右達60℃以上高溫，說明配比1更適合微生物的生長活動，也有利于無害化處理。

2.2 不同配比堆料的pH值變化

2種配比的堆體初始pH值均調(diào)至8.0左右，由圖2可知，隨著建堆時間的延長，配比1堆料的pH值呈先降低后升高再降低又升高的動態(tài)變化，pH值在7.43～8.16范圍內(nèi)，最后pH值為8.04。配比2的pH值則是持續(xù)升高，在第20天達到一個峰值8.72后開始下降，最后降至7.49。

2.3 不同配比堆料的C/N和w（C）/w（N）變化

C/N是好氧堆肥過程中的重要指標之一，可以指導建堆時的物料搭配，對物料的發(fā)酵啟動起著關鍵作用。本研究依據(jù)微生物活動所需的C/N設置了2個配比進行跟蹤，在34 d的好氧發(fā)酵期間，配比1的C/N值下降至18.65，配比2的C/N值為16.34（圖3），分別比建堆初期下降了37.83%和34.64%。從水溶性的碳氮比來看，配比1的w（C）/w（N）在堆肥全程，除第20天和第34天較配比2稍低外，其余時間均高于配比2。

2.4 堆肥過程中的有機質(zhì)含量和E4/E6變化

由圖4可知，配比1的有機質(zhì)含量高于配比2。隨著堆制時間的延長，配比1的有機質(zhì)含量開始下降，后期下降緩慢；配比2波動較小，總趨勢為上升趨勢。表明配比1的有機質(zhì)被微生物的降解效果優(yōu)于配比2。本次堆肥過程中，前4次翻堆時E4/E6值變化幅度不大，在第5次翻堆時，E4/E6值均有所上升；配比2的E4/E6值上升幅度大于配比1。整個發(fā)酵期間，配比1的E4/E6值與配比2相差不大，說明好氧發(fā)酵期間，堆料的腐殖化水平差異不大。最后一次翻堆時E4/E6值開始提高，表明有大分子質(zhì)量的腐植酸開始形成。

2.5 堆肥過程中EC值和發(fā)芽指數(shù)（GI）的變化

由圖5可知，2種配比的EC值在起初建堆時差異較大，配比1的初始EC值為1.403 mS/cm，而配比2的EC值為13.42 mS/cm。隨著發(fā)酵時間的延長，配比1的EC值稍有升高，而配比2降低明顯，2種配比在5次翻堆時間的EC值大小相差不明顯，EC值在2.29～3.38 mS/cm。

配比1在整個發(fā)酵時期，原始堆料GI較高，堆制7 d后，GI降低，第2次翻堆時又有所上升，第3次翻堆時下降，最后2次翻堆則一直在上升，在不同發(fā)酵時間，其GI均較高；配比2則從一開始的GI為0，到第1次翻堆時，上升到100%以上，第2，3次翻堆時下降，第4，5次翻堆時上升，說明2種配比起始的物料搭配不同，影響整個堆肥不同翻堆時期的GI，但隨著發(fā)酵時間的延長，GI均上升（圖5）。

3 結論與討論

溫度是監(jiān)測好氧堆肥過程的一個重要指標。本研究中，堆體升溫速度、高溫持續(xù)時間均為配比1優(yōu)于配比2，說明配比1的碳氮比更利于微生物的生長，也表明初始碳氮比對于堆體快速升溫及維持高溫均起關鍵作用，與白永娟[16]這研究不同發(fā)酵條件對菇渣發(fā)酵溫度的影響結果一致。當溫度高于55℃時，可以使一些病原微生物致死[17]。針對規(guī)模養(yǎng)殖場堆肥新標準要求，堆體溫度在55℃以上的天數(shù)不得少于10 d，這樣才能達到無害化要求[18]。本研究中，2種配比堆體溫度在55℃以上的天數(shù)均超過10 d，配比1在55℃以上持續(xù)時間更長。

中性或弱堿性的環(huán)境適宜微生物的生活，發(fā)酵過程中發(fā)酵物的pH值一般在6.7～8.5[12]。在堆肥過程中，微生物由于自身繁殖產(chǎn)生有機酸，引起pH值下降，隨著有機酸的分解以及有機質(zhì)分解過程中產(chǎn)生氨態(tài)氮，會引起pH值的升高，隨著氨態(tài)氮轉化為硝態(tài)氮，堆料的pH值又下降[19]。本研究在發(fā)酵初期的pH值可以通過添加石灰水來調(diào)節(jié)，使得堆料偏堿性，有利于堆體的快速升溫。在堆肥過程中，配比1的pH值先下降后上升，說明配比1初始碳氮比有利于微生物的活動，有機酸分泌較多引起pH值下降，配比2則由于起初牛糞含量較高，含氮量相對較高，易出現(xiàn)氨化現(xiàn)象，所以pH值呈上升趨勢。通過翻堆混勻，配比1堆體內(nèi)存在酸化和氨化交替進行的過程，而配比2前期則以氨化現(xiàn)象占優(yōu)勢，后期才出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。

良好的堆肥過程其碳氮比應是持續(xù)下降的。GARCIA等[20]研究認為，最終堆肥產(chǎn)品C/N值在理論上趨于微生物菌體的C/N值，即堆體C/N值由30左右降為15～20時可以認為堆肥腐熟，達到了穩(wěn)定化的程度。通常認為，起始C/N在（20∶1）～（30∶1）均為一個理想比例，均有利于微生物生長活動。但是在實際應用中，則要考慮原材料粒徑的大小、物料的物理化學結構和能夠提供微生物生命活動利用的表面積等[21]。本研究中，配比2的C/N值為25，理論上適合微生物的生長，但其腐熟效果與配比1效果相比較差，說明堆體溫度升高除了與配比有關外，堆體的孔隙度、堆料牛糞含量較高等均會影響微生物的代謝活性。堆肥反應的微生物代謝發(fā)生在水溶相，w（C）/w（N）的理論意義為堆肥水溶相代謝的程度，即w（C）/w（N）高，則堆肥的可利用碳就充足[22]，起始可溶性的C和N含量也是決定堆肥能否正常進行的關鍵，因此，堆肥物料的理化性質(zhì)是影響碳素利用的重要因素。本研究中，隨著堆肥的進行，可溶性碳氮比大小有波動，認為隨著微生物對有機質(zhì)的降解和對單糖的利用，可溶性的碳氮比也在發(fā)生變化，與pH值的變化也有一定相關性。C/N值可以反映堆肥的生物轉化程度[23]，固相C/N值小于12是堆肥成熟的標志[24-25]。本研究只測定了好氧堆肥階段的C/N值，其尚未達到12，需要經(jīng)過二次發(fā)酵才能達到腐熟。較高的C/N值對應的有較高的w（C）/w（N）值，但好氧發(fā)酵結束時，配比1低于配比2，說明配比1的有機質(zhì)得到更好的有效降解。

適合高溫好氧發(fā)酵的堆料有機質(zhì)含量高于20%就可以使堆肥正常進行。丁文川等[26]研究結果表明，堆肥初期有機物對微生物的增長起主導作用，但隨著微生物代謝產(chǎn)物的積累，溫度值等的變化對微生物的影響日益強烈，有機物由主導因子變?yōu)榇我蜃印4/E6值通常隨堆肥固相腐植酸相對分子質(zhì)量或縮合度增加而減小[27]，E4/E6值越高，說明微生物活性越高，生物化學過程比較強烈，復雜有機物尚未得到降解，未到達腐植酸大量形成期。本研究中，到第5次翻堆時E4/E6值仍較高，說明此時堆體仍處于礦化階段，降解作用旺盛，腐殖化程度還較低。

EC值反映了基質(zhì)中可溶性鹽溶液的濃度和營養(yǎng)水平，EC值太低營養(yǎng)不足，EC值太高會導致鹽害，蔬菜作物基質(zhì)理想的EC值應小于2.5 mS/cm[28]。堆肥產(chǎn)物在應用于基質(zhì)栽培時，尤其栽培對鹽離子敏感的作物時，EC值的大小尤為重要。堆肥前期，因有機物分解產(chǎn)生大量有機酸分子、礦質(zhì)鹽分，以及堆體體積減小、溫度升高水分蒸發(fā)，再加上硝化細菌活動使有機物料持續(xù)礦化產(chǎn)生NO3-，均會導致EC值升高，隨著堆制過程的進行，CO2和NH3等不斷揮發(fā)，同時小分子有機酸及陰陽離子被微生物轉化利用而合成腐殖質(zhì)類物質(zhì)，EC值會逐漸下降，到堆制結束時EC值基本維持在2.0 mS/cm左右[13]。本研究中，2種配比的EC值在堆制結束時均高于2.0 mS/cm，由于研究主要在好氧發(fā)酵期間檢測EC值的變化，尚未徹底腐熟，而且堆料用于栽培基質(zhì)時，還要與其他基質(zhì)原料搭配使用，EC值稍高不會影響園藝作物栽培效果。本研究中，配比2的初始EC值明顯高于配比1，可能是由于配比2中牛糞的比例較高導致，但隨著建堆時水分的調(diào)節(jié)以及堆肥的進行，離子濃度下降，EC值隨之降低。

GI反映了堆肥產(chǎn)品對植物的毒性，是評價堆肥腐熟程度的重要指標之一，當GI達到80%～85%時，可以認為對植物沒有毒性[29]。本試驗中，GI的變化呈先下降又上升的趨勢，原因可能是由于好氧發(fā)酵階段微生物降解有機物產(chǎn)生的NH3-N和有機酸等對種子發(fā)芽產(chǎn)生了一定的抑制作用[30]。本研究在不同翻堆時間配比1較配比2的GI高，說明玉米秸稈比例較大的堆料產(chǎn)生的抑制物低于牛糞比例較大的堆料。