趙旭，王文麗，李娟

甘肅省農業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農業(yè)研究所，蘭州 730070

0 前言

由于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，使畜禽糞便的排出數量大大提高，給環(huán)境造成了巨大的壓力，能否快速高效地處理畜禽糞便，使其得到資源化、無害化利用，關系到畜禽養(yǎng)殖業(yè)能否可持續(xù)發(fā)展[1-2]。相關統(tǒng)計數據表明，一頭成年奶牛全年的糞尿產生量大約有 13 t，其中糞 9.5 t，尿 3.5 t。奶牛的糞便產生量是生豬的 4倍，肉羊的 13倍，蛋雞的 117倍，肉雞的219倍[3]，奶牛糞除少量生產成有機肥外，大部分被堆放棄置，給環(huán)境造成了很大的壓力[4]。牛糞中含有較高的氮、磷、鉀及微量元素，是很好的有機肥原料[5]。但由于新鮮牛糞含水率較高，內部孔隙度小，通氣性差，使得新鮮牛糞堆肥過程中堆體溫度上升較慢，堆肥效率低，并且易產生厭氧反應，從而降低了牛糞的利用效率。秸稈作為一種富含豐富有機質的干介質，不僅可以對新鮮牛糞進行水分調節(jié)，還能有效調節(jié)堆肥物料的 C/N，并且經粉碎后的秸稈又可以作為結構調理劑，能夠有效增加堆肥物料的粒度，提高堆體孔隙度，增大物料與空氣(氧氣)接觸面積，以保證在堆肥的過程中有足夠的氧氣[6]。劉凱等的研究結果表明，牛糞與玉米秸稈以 3:7配比效果最佳，堆肥升溫快，高溫維持時間長[7]。趙秀玲等[8]以新鮮牛糞和苜蓿秸稈混合物為堆料，對堆肥溫度及C/N 比進行調控。結果表明添加一定比例的苜蓿秸稈可以調節(jié)堆料的C/N比值、含水量，縮短堆肥時間，其中牛糞與秸稈比例為 1:1混合堆肥效果較好。目前雖然很多學者對牛糞堆肥中添加秸稈的量進行了研究，但由于加入秸稈的種類和大小不同，使得研究結果多樣，因此在實際應用中指導意義不大。本研究以鮮牛糞和秸稈的含水率為基礎，通過秸稈和鮮牛糞的加入量計算出混合堆料的含水率，以混合料的計算含水率為基礎設計試驗處理，研究不同初始含水率對堆肥溫度、pH值、有機碳、全氮、發(fā)芽指數、NH3的釋放量、纖維素降解率、半纖維素降解率和木質素降解率等參數的影響，以期獲得鮮牛糞和玉米秸稈混合好氧堆肥的最佳含水率，為提高農業(yè)廢棄物的利用率，減少農業(yè)面源污染，發(fā)展循環(huán)農業(yè)提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用新鮮牛糞和干玉米秸稈為堆肥材料。試驗所用牛糞取自蘭州市紅古區(qū)某奶牛場；玉米秸稈取自奶牛場附近農場: 使用前用碎機將玉米秸稈粉碎，并過長2cm篩。

1.2 試驗設計

以鮮牛糞為堆肥基礎材料，粉碎成2cm的玉米秸稈為調節(jié)牛糞初始含水率的材料，堆料初始含水率以鮮牛糞和玉米秸稈的含水率為基礎，通過計算獲得；設置5個處理，玉米秸稈添加量為0的處理作為對照(CK)，每個處理設3次重復(表2)。

1.3 堆肥方法

采用槽式堆置，發(fā)酵槽長、寬、高分別為2.0、1.50、1.4 m，堆體寬 1.5m、高 1m，長 1.7m。堆肥時間為2017 年4月2日至2017年5月20日，共計48d。按照試驗設計，將各處理的秸稈和牛糞混合均勻后移入發(fā)酵槽發(fā)酵。試驗地點設置在甘肅省農業(yè)科學院花卉中心試驗地，搭設防雨棚，通風條件良好。

表1 牛糞和玉米秸稈的主要理化性狀Table 1 The physical and chemical properties of maize straw and cow manure

表2 堆肥試驗設計Table 2 Design for the composting experiment

1.4 翻堆方法

堆體溫度在45 ℃以下時，72 h翻堆一次；堆體溫度保持在55 ℃以下，45 ℃以上時，同一溫度區(qū)間保持48 h時翻堆一次；堆體溫度保持在55 ℃以上時，保持24 h時翻堆一次。

1.5 取樣和指標測定方法

1.5.1 取樣

在第 0、8、16、24、32、40 和 48 d，分別在堆體的前、中、后3個剖面上分別取樣。充分混合并分成2份，一份貯存于4 ℃的冰箱中備用，一份在晾樣架上自然風干。

1.5.2 溫度測定

每天在堆體的8個不同的部位使用溫度計進行測定，分別為A、B、C、D表層下20 cm；E、F、G、H為堆體表層下40 cm，每天早8: 30和17:00時記錄溫度。

1.5.3 水分測定

取10.00 g的堆肥鮮樣，在105 ℃下烘24 h 至恒重，冷卻后測定其含水量。

1.5.4 pH的測定

取 5.00 g的堆肥鮮樣放于三角瓶中，加入 25 mL的蒸餾水，振蕩30 min后靜止10 min，濾紙過濾，濾液用上海雷磁儀器廠生產的 pHS-25型測定濾液的pH值。

1.5.5 種子發(fā)芽指數

稱取不同堆肥處理不同時期的新鮮樣品 10 g，加入到裝有 100 mL 去離子水的三角瓶中，150 r·min-1振蕩 30 min 后，靜置 30 min，吸取上清液 5 mL，加入放有 2張濾紙的直徑為 9 cm 培養(yǎng)皿中，均勻放20 粒顆粒飽滿的白菜種子，放入到25 ℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)48 h后，測定種子發(fā)芽率和根長。對照為去離子水，每個處理重復 3次。按以下公式計算種子的發(fā)芽指數: GI= (處理的發(fā)芽率×處理的根長) /(空白的發(fā)芽率×空白的根長)×100%[9]。

1.5.6 發(fā)酵物料有機碳、全氮測定

鮮樣風干后，粉碎、細化、均一化、最后過0.15 mm 篩后用錫箔紙包被，使用元素分析儀(VarioEL)，通過干燒法進行全碳和全氮含量的測定。每個樣品設置3次重復[10]。

1.5.7 氨氣吸收裝置及計算方法

氨氣吸收裝置由1個圓柱形氣室(高20 cm，內徑 16 cm，白色，PVC 材質)、2 層圓片形吸收海綿(直徑16 cm，厚3 cm)組成。在測定前在海綿上灌注20 mL磷酸甘油混合液(50 mL磷酸+ 40 mL丙三醇，定容至1000 mL)，以捕獲堆體揮發(fā)的氨氣。下層海綿距管底5 cm高度處，上層海綿與硬質塑料管頂端平齊。揮發(fā)氨的捕獲于堆肥當天開始，在堆體的不同位置，分別放置3個氨氣捕獲裝置，吸收3小時后，將捕獲裝置下層的海綿取出，按堆體編號分別裝入塑料袋中，密封，帶回試驗室后，分別裝入 1000 mL 的廣口瓶中，加 300 mL 1.0mol·L-1的 KCl溶液，使海綿完全浸于其中，振蕩 1h 后，浸取液中的銨態(tài)氮用連續(xù)流動分析儀測定。通過如下公式計算氨氣揮發(fā)量:

式中，f為氨氣排放量，[mg·(m2·h)-1]；C為浸提液中氨氮的含量(mg·L-1)；V為浸提液的體積(mL)；A為吸收氨氣的海綿的有效面積(m2)；t為采樣時間(h)。

1.5.8 半纖維素、纖維素、木質素測定

用 ANKOM A2000i型纖維素分析儀進行半纖維素、纖維素、木質素測定[11]。

1.6 數據統(tǒng)計分析

使用Excel 2010對數據進行統(tǒng)計，采用SPSS 21.0軟件進行 LSD 差異性分析(顯著水平分別為0.01和 0.05，以平均值±標準差表示)。

2 結果與分析

2.1 堆體溫度的動態(tài)變化

由圖 1可知，不同處理的堆體溫度動態(tài)變化呈現(xiàn)不同的變化趨勢。從堆肥第 2天開始，添加玉米秸稈調節(jié)含水率的處理，堆體內的溫度顯著高于環(huán)境溫度，但各處理升溫速度差異較大，含水率越低(玉米秸稈加入量越大)，堆體升溫速度越快。A1處理在堆肥的第2天進入高溫期(＞50 ℃)，A2和A3處理次之，在堆肥第3天進入高溫期，A4處理在堆肥第6天進入高溫期，CK處理所需時間最長，在堆肥第26天進入高溫期。從高溫期的持續(xù)時間來看，CK處理最長，持續(xù)16天；其次是A3和A4處理，持續(xù)15天，A1和A2處理持續(xù)時間較短，為14天。各處理的堆體最高溫隨堆料含水量的降低而升高，處理A1的堆體最高溫可達72.25 ℃，而CK處理的只有56.75 ℃。達到最高溫的升溫速率隨堆料初始含水率的降低而升高，隨玉米秸稈加入量的升高而升高。處理A1的堆體升溫速率為14.45 ℃·d-1，而CK處理的升溫速率只有1.89 ℃·d-1。

圖1 不同處理的堆體溫度動態(tài)變化Figure 1 Variations of temperature in different treatments during composting process

2.2 堆肥過程中pH 的變化

堆肥過程中pH值的變化如圖2所示，加玉米秸稈處理的 pH 值變化趨勢基本一致，都是先上升后下降。在堆肥初期，A1—A4處理的 pH 值分別為8.43、8.57、8.72、8.832。在堆肥第 8 d，A1—A4 處理的 pH 值達到最大，分別為 8.58、8.68、8.89、9.03；CK處理的pH值在第32d達到最大，為9.42。堆肥結束時，加玉米秸稈調節(jié)含水率的 A1—A4 處理，pH 值分別下降為 8.31、8.33、8.42、8.47，符合腐熟堆肥 pH值標準(pH8.0—9.0)[12]；未加玉米秸稈調節(jié)含水率的CK處理，pH值下降為9.13，不符合腐熟堆肥pH值標準。

2.3 堆肥過程種子發(fā)芽指數的變化

圖2 不同處理的堆料pH值動態(tài)變化Figure 2 Variations of pH in different treatments during composting process

由圖3可知，牛糞與玉米秸稈混合堆肥的A1—A4處理中，GI值呈現(xiàn)先平穩(wěn)后快速升高的變化趨勢。在堆肥0—32 d，GI值的升高速度隨含水率的降低(玉米秸稈添加量的升高)而升高。在堆肥8—24 d，A1—A4處理的GI值升高速度較快；CK處理的GI值在堆肥16—48 d升高速度較快；堆肥結束時，A1—A4處理的GI值隨初始含水率的降低(玉米秸稈加入量的升高)而降低，A1處理的 GI值最低，為84.33%；A4處理的GI值最高，為86.28%；未加玉米秸稈的CK處理只有64.1%，還未腐熟。

2.4 堆肥過程中碳氮比的變化

C/N 是評價堆肥產品腐熟度的重要指標，堆肥產品的C/N比值在15—20之間時，可認為堆肥腐熟[13]。由圖 4可知，隨著堆肥的進行，各處理的 C/N 均呈下降的趨勢，堆肥結束時，處理A1至A4的C/N分別為 19.38、17.93、16.39、15.78，CK 處理的為 15.5。Morel等用 T=(終點 C/N)/(初始 C/N)來評價腐熟度，認為當T值小于0.6時堆肥達到腐熟[14]。本試驗在堆肥結束時，各處理 T值在 0.596—0.676之間，A1處理、A2處理、CK處理T值分別為0.64、0.629、0.676，均大于0.6，所以堆肥結束時還沒有達到腐熟，A3處理、A4處理分別為0.599和0.596，所以堆肥結束時達到腐熟。

2.5 堆肥過程NH3釋放量的變化

圖3 不同處理堆料種子發(fā)芽指數動態(tài)變化Figure 3 Variations of GI in different treatments during composting process

圖4 不同處理堆料碳氮比(C/N)動態(tài)變化Figure 4 Variations of C/N in different treatments during composting process

堆肥過程中由于NH3揮發(fā)而損失的N素可以達到總氮損失的 90%以上[15]。因此，減少堆肥過程NH3的揮發(fā)對提高堆肥產品的質量十分重要。圖 5顯示了堆肥過程中 NH3揮發(fā)量的動態(tài)變化過程。NH3揮發(fā)量峰值出現(xiàn)的時間隨秸稈加入量的升高和含水量的降低而縮短。牛糞中加入秸稈，改善了堆料的通氣性，增強了微生物的活性，促進了堆料中有機物的降解，提高了堆體溫度，進而使 NH3揮發(fā)速率迅速達到峰值；而純牛糞的堆肥的處理CK，堆體的通氣性差，堆料中微生物的活性低，堆體升溫慢，所以 NH3揮發(fā)速率達到峰值需要的時間要長于加入秸稈的處理[16]。加入秸稈的處理，NH3釋放速率達到峰值后，隨著易降解有機物質的減少，NH3揮發(fā)速率迅速下降，堆肥結束時，基本檢測不到 NH3的釋放。未加秸稈的CK處理，NH3釋放速率達到峰值后下降的速度比其他加入秸稈的處理慢，堆肥結束時，還能檢測到少量NH3的釋放。由圖6可知，CK處理的每千克牛糞NH3釋放速率最大，A4處理的最低。A4處理的每千克牛糞NH3釋放速率小于A1、A2、A3 處理，由此可知，在鮮牛糞堆肥時，適當的加入秸稈，不僅可以促進堆肥的腐熟進程，而且可以減少 NH3的釋放量。秸稈加入量多，堆料的含水量越低，堆料中的牛糞含量也越低，氨氣的釋放量就會降低，所以從氨氣釋放量考慮，含水率為 71%的A4處理為最佳堆肥處理。

從表3可以看出，堆肥結束后，A1處理的有機碳含量最高，CK處理的全氮含量最高。氮素增加率最大是 A4 處理，為 11.73%，其次是 A3 處理，為11.49%，最小是A1 處理，為8.78%，；有機碳損失率最大是 A3 處理，為 29.71%，其次是 A4 處理，為25.95%，最小的是 A1 處理，為 23.9%。A2、A3、A4處理的全氮增加率高于CK處理，A1、A2處理的有機碳損失率低于CK處理，A4處理和CK處理的有機碳損失率差異不顯著。秸稈加入量越多，堆料含水率越低，高溫保持時間時間越短，所以 A2和 A3處理的有機碳損失率小于A3，A4和CK 處理。由于A4處理的最高堆溫低于A3處理，所以A3處理的有機碳損失率高于A4處理，全氮增加率低于A4處理。因此，A4處理的堆料含水率和秸稈加入量是鮮牛糞堆肥的最佳含水率和秸稈加入量。

圖5 不同處理NH3釋放速率動態(tài)變化Figure 5 Variations of NH3 evolution rate in different treatments during composting process

圖6 不同處理每千克牛糞NH3釋放速率比較Figure 6 Comparison of NH3 release rates per kilogram of cow dung in different treatments

表3 不同處理堆肥養(yǎng)分變化Table 3 Evolution of nutrients in different treatments during composting process

2.7 不同秸稈加入量對堆肥產品半纖維素、纖維素和木質素的降解率的影響

由圖 7可知，木質素的降解率低于纖維素和半纖維素的降解率，木質素比與半纖維素和纖維素更難降解。加秸稈堆肥處理的纖維素、半纖維素和木質素降解率為: A4＞A3＞A2＞A1。加秸稈堆肥處理的纖維素、半纖維素和木質素的降解率隨秸稈加入量的增加而下降，鮮牛糞中秸稈加入量越多，纖維素、半纖維素和木質素的降解率越低。秸稈加入量越多，堆料的含水率越低，堆體高溫持續(xù)的時間越短，進而降低了秸稈的降解率。含水量為71%的A4處理，在提高堆料通氣性，增加微生物活性的同時，促進了秸稈分解，提高了堆肥產品的質量。

圖7 不同處理堆料中半纖維素、纖維素、木質素的降解率Figure 7 Degradation rates of hemicellulose,cellulose and lignin in different treatment

3 討論

逐年增加的農作物秸稈和禽畜糞便長期棄置于土壤、水、空氣等環(huán)境要素中，如果不能快速的對其進行無害化處理，將嚴重危害農產品生產區(qū)的生態(tài)環(huán)境[17-18]。牛糞屬于冷性糞便，不易起溫、腐熟。通過物料調配和發(fā)酵劑的應用，建立牛糞的快速堆肥化技術是需要解決的問題[19]。好氧堆肥中堆料的初始含水率、C/N以及物料的粒度大小與堆肥效率和堆肥產品的品質直接相關，是進行好氧堆肥中考慮的主要控制參數。堆體溫度是反映好氧堆肥發(fā)酵進程最直接、最敏感的指標[20]。本研究中，隨著玉米秸稈的加入量增大，堆料的含水率降低，堆料的通氣性隨之升高，促使堆體溫度上升的速度加快。處理A1—A3的最高溫均高于70 ℃，使堆料中微生物多樣性減少，抑制了好氧細菌的活動，影響了堆肥產品的質量。CK處理的最高溫只有56.75 ℃，并且堆溫上升需要32 d，不利于堆肥的進行。處理A4的最高溫為 66.25 ℃，上升到最高溫需要 10 d，并且高溫持續(xù)時間長，所以處理 A4(初始含水率 71%)有利于牛糞玉米秸稈堆肥的腐熟。雷大鵬等研究表明，牛糞和粉碎后過0.45 mm孔徑篩的玉米秸稈堆肥時，初始含水率為 65%的處理最好，有機質損失和總熱值變化最大，有機質損失29.18%[21]。還有研究報道，糞便堆肥過程中適宜的含水量在 55%—65%之間[22]。與本研究獲得的結果不一致，筆者認為原因可能是加入玉米秸稈的大小不同或者是初始含水量的測定方法不同造成的，玉米秸稈越大，堆料的通氣性越好，越有利于堆體溫度的升高。

堆肥過程中通常用C/N來反映堆肥材料的營養(yǎng)平衡狀況。一般認為堆肥的最佳C/N在20—30之間。合適的C/N比可以增加堆體孔隙度，有利于通風供氧，為堆體中好氧微生物的活動提供合適的環(huán)境[23]。C/N 過高，堆料中氮不足，影響微生物的生長代謝，進而影響有機物的降解速率。C/N過低，堆肥過程中，堆料中的氮將以 NH3形式大量揮發(fā)損失，這不僅污染了環(huán)境，而且降低了堆肥產品的質量養(yǎng)[24]。本實驗結果表明，牛糞與玉米秸稈堆肥的初始含水率為71%的A4處理堆肥效果較其他好，其初始C/N為24.84，利于堆肥的快速腐熟。張鶴[25]等以牛糞和玉米秸稈為原料，設置C/N為15、20、25、30、35的5個處理組，研究不同碳氮比對牛糞好氧堆肥腐熟過程的影響，結果表明，在實際生產中，牛糞與秸稈C/N在25—30之間有利于堆體腐熟和養(yǎng)分保持，研究結論與本研究相近。

堆肥升溫階段，堆料中的微生物活動加速了有機氮的分解，產生了大量的 NH4+，高溫期過后，微生物的同化作用和硝化作用開始加強，使堆肥中NH4+-N含量逐漸降低[26]。本研究中A1—A3處理的全氮含量在堆肥第8 d后開始有所上升。加玉米秸稈調節(jié)牛糞含水量的處理的初始C/N 較高，通氣性好，有機物的分解速度快，氮素積累量大，由此說明，牛糞堆肥時添加玉米秸稈，可補充堆料中的碳源，有效地降低氮素的損失。但過量添加秸稈會對堆肥腐熟造成影響，降低纖維素的降解率，且最終將未腐熟的秸稈施入農田后被土壤微生物繼續(xù)分解，產生微生物與農田作物爭奪氮源的現(xiàn)象。在堆肥過程中有機質不斷分解成CO2和H2O而散失，總干物質重的下降幅度明顯大于NH3揮發(fā)所引起的下降幅度，最終使得干物質中TN含量相對增加[27]。本研究中，以初始含水率為71%的A4處理效果最好，其堆肥結束時的有機碳和全氮含量分別為 28.07%和1.792%。

堆肥過程中氨氣揮發(fā)導致的氮素損失占初始氨氮的47%—62%。影響氨氣排放的主要因素有C/N、pH值、溫度、通氣狀況、水分等[28]。堆肥過程中的氨氣釋放量可通過控制初始含水率、碳氮比、翻堆頻率和通風率等方法調控，達到控制氣體排放的目的[29]。本研究中NH3揮發(fā)量峰值出現(xiàn)的時間隨秸稈加入量的升高和含水量的降低而縮短，少量加入粉碎尺寸≤2cm的玉米秸稈，調節(jié)堆料含水量為71%，不僅可以促進牛糞腐熟，而且可以減少 NH3的釋放量，提高纖維素、半纖維素和木質素的降解率，縮短的鮮牛糞的堆肥時間，提高了堆肥產品中營養(yǎng)元素的含量，具有推廣應用價值。然而本研究只探討了過 2cm 篩玉米秸稈調節(jié)鮮牛糞堆肥的最佳含水率，沒有系統(tǒng)研究不同玉米秸稈大小調節(jié)鮮牛糞初始含水率對牛糞腐熟的影響作用，在不同季節(jié)和不同的環(huán)境溫度中是否會發(fā)生變化以及環(huán)境溫度對堆肥腐熟進程的影響尚有待于進一步研究。

4 結論

(1) 鮮牛糞中加入適量的玉米秸稈，可以加快牛糞的腐熟進程，提高農業(yè)廢棄物資源的利用率。

(2) 鮮牛糞和過2 cm篩玉米秸稈堆肥時，通過鮮牛糞和玉米秸稈的加入量和含水率計算出混合料的初始含水率，將初始含水率調制 71%左右進行混合堆肥時，堆肥高溫持續(xù)時間長，GI 指數最高，堆肥產品有機碳和全氮含量最高，NH3釋放量少，纖維素、半纖維素、木質素的降解率最高。