陶 勇，湛含輝，唐鑠松

（ 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化和規(guī)?；母咚侔l(fā)展，我國的養(yǎng)殖場的數(shù)量迅速增加，其中養(yǎng)豬場的個數(shù)最多［1］。巨大的豬糞產(chǎn)量加上低的糞便利用率［2］，就會產(chǎn)生大量的污染物污染環(huán)境。畜禽糞便中含有大量的營養(yǎng)成分，2011年畜禽糞便的氮、磷產(chǎn)量為1 419.76萬和247.98萬t，其中豬糞便的氮、磷貢獻(xiàn)率分別從1978年的16.40%和4.87%上升到2011年的28.15%和22.93%［3］，可見對豬糞的有效利用不僅會改善環(huán)境，而且豬糞作為有機(jī)肥其所含的大量養(yǎng)分被作物吸收利用，將會實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。

陜西省是全國范圍內(nèi)蘋果生產(chǎn)和加工的主要大省，據(jù)陜西省統(tǒng)計(jì)局和陜西省果業(yè)管理局最新統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，到2016年底，陜西省蘋果栽種總面積已達(dá)72萬hm2，產(chǎn)量為1 100.78萬t；甚至到2017年底，陜西省蘋果產(chǎn)量達(dá)約1 120萬t，是全球集中性成片種植及蘋果產(chǎn)出量最大的區(qū)域［4］。隨著蘋果產(chǎn)量的急速增長，濃縮蘋果汁加工業(yè)迅猛發(fā)展，蘋果深加工帶來的副產(chǎn)物蘋果渣，儼然成為一個環(huán)境污染難題。中國每年大約500萬t蘋果用于生產(chǎn)蘋果汁，約產(chǎn)生100多t蘋果渣［5］。陜西省每年濕蘋果渣的排放量就達(dá)60萬t以上，數(shù)量驚人［6］，然而僅有30%左右的蘋果渣回收利用，主要作為動物飼料和燃料使用，剩余70%左右的蘋果渣被當(dāng)做垃圾丟棄［7］，蘋果渣極易腐爛并散發(fā)惡臭，污染環(huán)境［8］。

蘋果渣中含有豐富的纖維素、礦物質(zhì)、可溶性糖、有機(jī)酸等營養(yǎng)物質(zhì)［9］，如果得不到合理利用，浪費(fèi)資源的同時也會造成環(huán)境污染。目前對蘋果渣的利用主要集中在生產(chǎn)牲畜飼料，由于果渣中所含的纖維素不易被牲畜消化吸收，而且生產(chǎn)中還要注意果渣的農(nóng)藥殘留等問題［10］，所以用于飼料生產(chǎn)有一定局限性。近些年來不少學(xué)者利用蘋果渣進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)酒精［11-12］、制取果膠［13-14］、提取膳食纖維［15-17］等。雖然經(jīng)過深度研究和開發(fā)，取得了一定的研究成果，但未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求，而且有些操作過程復(fù)雜，運(yùn)行成本過高，不利于大范圍的生產(chǎn)。

本研究用豬糞和小麥秸稈原料作堆肥底物，固體廢棄物蘋果渣作調(diào)理劑，對其混合堆肥過程中溫度、pH值以及有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分的變化進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期實(shí)現(xiàn)蘋果渣和豬糞的資源化利用，提高堆肥品質(zhì)、降低氮素的損失，為豬糞有機(jī)肥的規(guī)模化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

養(yǎng)殖場豬糞、粉碎的小麥秸稈、蘋果渣，試驗(yàn)材料的初始性質(zhì)見表1。

表1 堆肥物料的特性

1.2 方法

1.2.1 堆肥試驗(yàn)方法

堆肥試驗(yàn)共設(shè)置5個處理：對照（CK），豬糞與小麥秸稈按質(zhì)量比（鮮豬糞∶干秸稈）10.5∶1混合，調(diào)節(jié)含水率在65%左右，控制堆肥總重為25.6 kg左右；其余4個處理分別為添加5%、10%、20%的蘋果渣以及1%的檸檬酸處理，記為AP1、AP2、AP3、N?；靹蛭锪喜⑵溆袑哟蔚亩逊庞谠囼?yàn)箱的篩板上，堆制30 d。

1.2.2 堆肥裝置

堆肥采用自制的強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥反應(yīng)器（圖 1）。

圖1 堆肥反應(yīng)器示意圖

反應(yīng)器實(shí)際體積約為90 L，箱外加裝厚為80 cm的保溫層，防止夜間溫度過低使堆體散熱。采用空氣泵以60 mL/min的流量由篩板向上均勻充氣，通風(fēng)時間根據(jù)堆溫調(diào)節(jié)，一般情況下每天上、下午各通風(fēng)30 min，當(dāng)堆溫超過65℃時，通風(fēng)時間增加45 min，堆肥進(jìn)入腐熟期后，停止通風(fēng)。

1.3 采樣及指標(biāo)測定

1.3.1 堆肥采樣

各處理分別于0、6、11、16、23、30 d采樣，取樣前先將堆肥箱蓋子打開去水，然后迅速翻堆充分混合均勻再取樣，并稱取樣品質(zhì)量，樣品總量控制在500 g左右。將其分為兩部分處理，200 g放入密封塑裝袋，用于水浸提液提取及其它性質(zhì)的測定；其余自然風(fēng)干，經(jīng)粉碎處理后，過1 mm篩存儲備用。

1.3.2 溫度和pH值測定

每日9：00、15：00采用XMT616智能ID溫度計(jì)于堆體中部測溫，同時測定環(huán)境溫度；pH值的測定采用雷磁pHS-3C型酸度測定儀（水樣比5∶1）。

1.3.3 全N、全P、全K的含量測定

全N的測定采用凱氏定氮儀；全P采用消煮法將堆肥內(nèi)有機(jī)磷轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)磷，再用釩鉬黃比色法進(jìn)行測定；全K的含量可直接用火焰光度計(jì)測定。

1.3.4 有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的測定

有機(jī)質(zhì)的測定采用馬弗爐燃燒法（550℃）；銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測定首先按土液比1∶10進(jìn)行浸提，然后利用連續(xù)的流動分析儀測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理堆肥過程中基本理化性質(zhì)變化

2.1.1 溫度、pH值變化

本試驗(yàn)通過每天9：00和15：00同一時刻對添加不同含量蘋果渣、檸檬酸的堆肥堆體及環(huán)境溫度進(jìn)行連續(xù)30 d的測溫記錄，求其平均值作當(dāng)天的溫度，制得各堆體溫度的變化趨勢如圖2所示。

由圖2可知，各處理堆溫都呈現(xiàn)先升高再降低，最后趨于穩(wěn)定并接近外界溫度的趨勢，添加檸檬酸處理的堆體溫度變化與對照處理基本一致，符合堆肥要經(jīng)歷的升溫、高溫、降溫腐熟3個階段。各處理堆溫在50℃以上均達(dá)到7 d，均符合無害化處理的要求［18］。添加20%蘋果渣處理在12～15 d有個明顯升溫降溫的過程，有可能是當(dāng)時環(huán)境下微生物活動更活躍，釋放大量的熱導(dǎo)致的，會影響氮素?fù)p失。

在30 d的堆肥期間，每隔一段時間取一次樣進(jìn)行pH值的測定，總共6次樣每個樣分3個平行進(jìn)行測定，記錄后取平均值制得各堆肥過程中pH值的變化趨勢如圖3所示。

圖2 不同處理堆肥過程中溫度變化

整個堆肥期間堆體pH值表現(xiàn)為先升高后降低再上升，各堆體pH值的范圍均在6.5～9.0之間。堆肥初期含氮有機(jī)物所產(chǎn)生的氨使pH值升高，此后由于堆溫降低，硝化細(xì)菌的活性增強(qiáng)，銨態(tài)氮在硝化作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮，同時有機(jī)物分解產(chǎn)生有機(jī)酸［19］，均使堆體pH值逐漸降低。隨著堆肥的進(jìn)行，有機(jī)酸揮發(fā)，pH值又升高，與Bernal等［20］的研究一致，說明符合堆肥的pH值要求。從圖3中可以看出，各處理堆肥過程中pH值普遍都比對照組略低，各處理的保氮效果也都比對照組好。

圖3 不同處理堆肥過程中pH變化

2.1.2 有機(jī)質(zhì)含量變化

在30 d堆肥過程對每個處理各取得6次樣品，每次樣品分3組平行進(jìn)行有機(jī)質(zhì)含量的測定，求平均后制作的各處理堆肥過程中有機(jī)質(zhì)的變化趨勢如圖4所示。

各堆肥處理中有機(jī)質(zhì)含量均逐漸降低，并最終趨于穩(wěn)定，與其他學(xué)者［21-22］均有一致結(jié)果。堆肥初期，由于蘋果渣中含有較多的有機(jī)質(zhì)，且蘋果渣添加量越多，有機(jī)質(zhì)含量越多，使得添加蘋果渣的各處理堆肥有機(jī)質(zhì)含量均高于對照。堆肥過程實(shí)際上是有機(jī)質(zhì)的分解和腐殖化過程，16 d之后易降解的有機(jī)質(zhì)大部分被降解，堆肥基本腐熟。堆肥后期，添加蘋果渣的堆肥還能繼續(xù)降解腐殖化。

圖4 不同處理堆肥過程中有機(jī)質(zhì)變化

2.2 不同處理堆肥過程中養(yǎng)分的變化

2.2.1 全P和全K含量變化

本次試驗(yàn)在30 d有氧堆肥過程中對每個處理各取了6次樣，每次樣分3個平行測定其中的全P、全K的含量，記錄取其平均值制得的趨勢圖見圖5和圖6。

隨著堆肥進(jìn)程的深入，全P和全K總體呈上升趨勢。由于堆肥過程中不存在P和K的揮發(fā)損失，引起P和K含量增加的原因主要是，微生物將堆肥中的有機(jī)質(zhì)降解成CO2、NH3等揮發(fā)氣體逸出，而使堆體重減少1/3～1/2［23-24］，導(dǎo)致P和K相對含量的增加。在30 d堆制完成時，只有添加20%蘋果渣處理的堆肥全P含量顯著低于對照，達(dá)到最低，說明添加20%蘋果渣處理最終不利于P的積累，堆肥效果比其他處理效果差一點(diǎn)。原因在于，雖然初期微生物分解了部分果酸，但是由于20%的果渣所含的果酸過多，不足以完全利用，最終還是阻礙了有機(jī)質(zhì)的分解進(jìn)而影響了P的濃縮［21］。

圖5 不同處理堆肥過程中全P含量變化

圖6 不同處理堆肥過程中全K含量變化

2.2.2 全N含量的變化

在30 d好氧堆肥過程中，對各處理采取的6次樣品做3次平行進(jìn)行全氮含量的測定，求平均值后制作的變化趨勢如圖7所示。

圖7 不同處理堆肥過程中全N含量變化

堆肥初期各處理全氮的含量都明顯低于對照組，因?yàn)樘O果渣的全氮含量低于豬糞的。各處理全氮含量先降低再升高，堆肥開始的0～6 d內(nèi)，堆肥的升溫期，在微生物的作用下，易分解的有機(jī)物礦化為銨態(tài)氮，在高溫和堿性條件下形成氨氣，導(dǎo)致氨氣的大量揮發(fā)，造成氮素的損失，全氮的含量降低。進(jìn)入高溫期之后隨著有機(jī)質(zhì)的大量消耗，堆肥的總重量減小，全氮得到濃縮會有所增加［25］。堆肥結(jié)束時，各處理全氮含量均高于對照處理，說明添加蘋果渣和檸檬酸均能起到保氮效果，而且蘋果渣處理的全氮含量更高，添加10%的蘋果渣處理的保氮效果最好。由堆肥溫度變化（圖8）可以看出，添加20%的蘋果渣處理在12～15 d有突然升溫的變化，從而導(dǎo)致NH4+-N轉(zhuǎn)化成NH3釋放增多，氮損失增加，全氮含量降低，所以保氮效果不及添加10%的。

圖8 添加10%、20%蘋果渣保氮效果比較

2.2.3 NH4+-N含量的變化

對堆肥期間各處理采取的6次樣每個樣分3個平行進(jìn)行NH4+-N含量的測定，取其平均值制作的變化趨勢如圖9所示。

圖9 堆肥過程中銨態(tài)氮含量變化

堆肥初期有機(jī)氮礦化產(chǎn)生NH4+-N，導(dǎo)致NH4+-N的含量增加；進(jìn)入高溫期NH3的大量揮發(fā)、NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化和微生物的吸收利用均降低了NH4+-N的含量［26］；此后（12～18 d）由于NO3--N對NH4+-N的影響［27］使得NH4+-N獲得短暫積累；堆肥后期硝化作用使得NH4+-N含量減少。整個堆肥期間10%的蘋果渣NH4+-N的含量明顯高于其他處理，升溫期不同處理的pH值和銨態(tài)氮含量關(guān)系如圖10所示。

圖10 堆肥過程升溫期不同處理pH值與銨態(tài)氮含量關(guān)系

添加10%的蘋果渣處理的pH值在升溫期低于其他處理，銨態(tài)氮含量高于其他處理。那是因?yàn)樘O果渣所含的果酸降低堆肥的pH值，降低了NH4+-N向NH3的轉(zhuǎn)化，減少氨氣的釋放，從而減少氮素的損失。30 d堆肥結(jié)束時，NH4+-N含量隨著蘋果渣添加量增加而降低，但顯著高于檸檬酸處理。說明蘋果渣處理對于銨態(tài)氮的保留好于檸檬酸處理，且5%的蘋果渣添加量較好，降低了氮素的損失，起到了保氮效果。

2.2.4 NO3--N含量的變化

對堆肥過程中各處理采集的6次樣每個樣分3個平行進(jìn)行NO3--N含量的測定，取其平均值制作的變化趨勢如圖11所示。

圖11 不同處理堆肥過程中硝態(tài)氮含量變化

一般情況下堆肥中NO3--N的含量較低，整體變化趨勢為先升高后降低再升高。由于高溫期硝化細(xì)菌的硝化作用受溫度控制［28］，在堆肥初期，高溫和堿性條件抑制了硝化細(xì)菌的作用，使得NO3--N含量增加緩慢；堆肥的12～18 d內(nèi)，NO3--N迅速降低可能是由于堆溫已基本接近外界溫度，堆肥進(jìn)入腐熟期，停止通風(fēng)導(dǎo)致堆體內(nèi)氧濃度過低，加上此時弱堿性的條件下，使得反硝化細(xì)菌大量繁殖，將NO3--N還原成N2O和N2，除N2之外，在不完全厭氧條件下也會產(chǎn)生NO和NO2，從而導(dǎo)致NO3--N迅速降低［27］。此后硝化作用增強(qiáng)，NO3--N含量上升。整個堆肥期間5%的蘋果渣對NO3--N含量有明顯提升，而且相同時期對應(yīng)的NH4+-N的含量明顯降低，有可能是降溫腐熟期內(nèi)添加5%的蘋果渣硝化細(xì)菌的活性較高，促進(jìn)硝化作用，抑制了氨化作用從而降低氮素的流失。其余各處理NO3--N含量差異不明顯。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在堆肥中添加蘋果渣后，各處理堆肥均達(dá)到無害化和腐熟化處理，說明廢棄的蘋果渣可以加入禽畜糞便中進(jìn)行資源化利用；各處理堆肥全P和全K含量總體均呈上升趨勢，但添加20%的果渣處理不利于P含量的積累；蘋果渣中的果酸可以降低堆肥的pH值，減少NH4+-N向NH3的轉(zhuǎn)化，降低氮素的損失，起到保氮效果；添加10%的蘋果渣的保氮效果最好，添加20%的蘋果渣處理堆肥后期溫度升高不利于氮素的積累從而降低保氮效果，添加5%的蘋果渣對NO3--N的影響最大，對NH4+-N的積累最好。用蘋果渣作為豬糞好氧堆肥中的調(diào)理劑不僅可以做到物盡其用，避免浪費(fèi)，而且減輕了對環(huán)境的污染，取得的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)及社會效益顯著，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的可持續(xù)化。