盧佳偉，王銘澤，汪 棋，魏宗友，張艷麗，王 鋒

（1南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，南京 210095；2太倉市畜牧獸醫(yī)站，江蘇太倉 215400）

0 引言

隨著中國肉羊產(chǎn)業(yè)集約化、規(guī)模化進程的不斷加快，如何有效資源地處理羊糞也備受關(guān)注[1]。據(jù)統(tǒng)計，中國僅羊糞年產(chǎn)出量就超過2億t，但目前中國的畜禽糞污綜合利用率僅為50%～60%[2]，加強和完善畜禽糞污的處理，提高糞便資源化的利用效率是中國急需處理和解決的問題。目前，肥料化和能源化是處理畜禽糞污的主要方法。糞污肥料化，即將畜禽糞便通過堆肥處理轉(zhuǎn)化為有機肥，是無害化、資源化利用畜禽糞污的一種有效途徑[3]。已有大量研究發(fā)現(xiàn)，牛、豬和雞等畜禽的糞便與菌糠混合堆肥，能有效的解決畜禽糞便污染的問題，同時隨著堆肥的進行也生產(chǎn)出大量的有機肥料[4-6]。羊糞中含有豐富的養(yǎng)分，其有機質(zhì)、氮的含量高于其他畜禽糞便，但不經(jīng)適當(dāng)處理直接用于作物肥料，易發(fā)生二次發(fā)酵造成農(nóng)作物燒根[7]。好氧堆肥是指在人工控制堆肥過程的氧氣、水分等條件下，通過堆體中微生物的大量繁殖，將羊糞中的不穩(wěn)定有機物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定有機物如腐殖質(zhì)的過程。其處理成本低、安全、生態(tài)環(huán)保、還可以循環(huán)利用，是目前羊糞主推的資源化利用方式之一。但羊糞好氧堆肥仍然存在發(fā)酵臭味較濃、發(fā)酵菌劑缺乏、養(yǎng)分含量低等問題。其中堆肥輔料及配比、堆肥菌劑是影響好氧堆肥過程的重要因素。原輔料的配比決定了堆體內(nèi)部通氣環(huán)境及初始養(yǎng)分的含量差異；外加微生物菌劑能縮短發(fā)酵周期，保持養(yǎng)分，加快肥料腐熟[8-9]。因此，本研究分別以水稻秸稈和菌糠為羊糞堆肥輔料，接種單一菌劑或混合菌劑進行好氧堆肥試驗，檢測不同處理對堆肥各個時期理化指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)的影響以及堆肥結(jié)束后重金屬的影響。以期篩選出最適于羊糞堆肥的輔料以及菌劑，為羊糞堆肥處理提供科學(xué)依據(jù)與理論方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

羊糞選自太倉金倉湖生態(tài)養(yǎng)殖基地，水稻秸稈、菌糠購自金倉湖飼料廠。試驗地點在江蘇省太倉市金倉湖生態(tài)養(yǎng)殖基地。堆肥初始原料的理化值見表1。

表1 堆肥初始原料的理化值

1.2 試驗設(shè)計

堆肥自2019年5月25日至7月24日，歷時64天。以羊糞為主料，水稻秸稈和菌糠為輔料，再添加EM菌劑和根據(jù)各菌種作用以及適應(yīng)生存條件，對功能性微生物按一定比例配置出的混合菌劑（枯草芽孢桿菌：地衣芽孢桿菌：綠色木霉：黑曲霉：酵母菌=0.5:0.5:1:1:2），EM菌劑與混合菌劑購自山東和眾康源生物科技有限公司，EM菌劑的有效活菌數(shù)為1×1010cfu/g，枯草芽孢桿菌與地衣芽孢桿菌的有效活菌數(shù)為1×1011cfu/g，綠色木霉、黑曲霉、酵母菌的有效活菌數(shù)為1×1010cfu/g。進行以下兩個實驗：

不同輔料對羊糞堆肥效果的影響：以羊糞為主料，分別以水稻秸稈和菌糠為輔料，將混勻的物料運至發(fā)酵區(qū)，調(diào)節(jié)含水率為55%～60%，C/N約25。堆成兩堆長×寬×高=1.5 m×1 m×1.5 m的堆體，分別于第1、4、7、10、22、37、51天和64天進行翻堆并采樣，測定其含水率、pH、銨態(tài)氮和發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)以評價不同輔料對羊糞堆肥的影響。

不同菌劑對羊糞堆肥效果的影響：以羊糞為主料，菌糠為輔料，將混勻后的物料運至發(fā)酵區(qū)，調(diào)節(jié)含水率約55%～60%，C/N約25。堆成兩堆長×寬×高=1.5 m×1 m×1.5 m的堆體，然后按4‰的比例均勻撒入EM菌和混合菌劑進行好氧堆肥，分別于第1、4、7、10、22、37、51天和64天進行翻堆并采樣測定含水率、pH、銨態(tài)氮、發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)以評估不同菌劑對羊糞堆肥的影響。

1.3 測定指標(biāo)及其方法

1.3.1 樣品的采集與保存 在整個試驗過程中，分別在第1、4、7、10、22、37、51天和64天采樣。按照5點混合取樣法采集鮮樣，每個點采樣約0.5 kg[10]。將樣品分成兩部分，一部分自然風(fēng)干保存，用于測定不同堆肥時期樣品的含水率、pH、發(fā)芽指數(shù)；另一部分密封后于-4℃和-80℃冰箱中保存，測定C/N，銨態(tài)氮等其他理化指標(biāo)。

1.3.2 溫度的測定 分別在每天上午9:00和下午15:00使用溫度計測量堆體上、中、下層的溫度（每層隨機測量5個位置的溫度），計算平均值并做好記錄。

1.3.3 pH的測定 取10 g堆肥樣品放入200 mL的廣口瓶內(nèi)，加入去離子水（比例為W/V=1:10），然后在搖床上震蕩2 h，靜置30 min后用pH計檢測堆肥樣品的pH，并重復(fù)3次[11]。

1.3.4 含水率的測定 稱量5 g堆肥樣品放入已經(jīng)烘干的鋁盒內(nèi)，放入恒溫干燥箱(105℃)24 h后再放入干燥器中30 min，取出稱量烘干后的堆肥樣品記為A[12]，見公式(1)。

1.3.5 C/N的測定 使用粉碎器將風(fēng)干樣品粉碎，過100目篩后稱量出20～30 mg的樣品放入錫箔紙中，記錄稱取量（精確至0.001 mg），使用元素分析儀檢測其全氮和全碳的含量，計算C/N，重復(fù)測量3次。

1.3.6 全磷、全鉀及重金屬含量的測定 根據(jù)有機肥料標(biāo)準(zhǔn)NY 525—2012測定全磷、全鉀及重金屬的含量[13]。

1.3.7 銨態(tài)氮含量的測定 將新鮮樣品與去離子水1:10(W/V)混合，置于搖床上震蕩2 h后過濾，用流動分析儀測定銨態(tài)氮含量。每個樣品設(shè)3個重復(fù)。

1.3.8 發(fā)芽指數(shù)的測定 將堆肥樣品與蒸餾水1:10混合，充分搖勻后在30℃的培養(yǎng)箱中浸提24 h。用移液槍吸取7 mL濾液至9 cm培養(yǎng)皿中，該培養(yǎng)皿內(nèi)襯兩張7 cm定性濾紙。每個培養(yǎng)皿播種20粒小白菜種子，并放于30℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h。確定種子發(fā)芽率，根長并計算發(fā)芽指數(shù)GI(%)。每個處理重復(fù)3遍。種子發(fā)芽率計算見公式(2)[14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel 2010進行數(shù)據(jù)的處理以及圖表的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理堆肥過程中溫度的變化

溫度非常直觀地反映了堆肥的進程，并且可以反映出微生物的活動強度。試驗結(jié)果表明，與菌糠處理相比，以水稻為輔料與羊糞好氧堆肥能夠縮短堆肥進入高溫期的時間并提高堆肥的最高溫度。與EM菌處理相比，堆肥中加入混合菌能夠縮短堆肥進入高溫期的時間，并延長堆肥的高溫期時間，提高堆肥的最高溫度。由圖1可以看出堆肥經(jīng)歷了升溫期、高溫期以及腐熟期。由圖1可知，在未添加菌劑的情況下，Z2處理溫度的平均值率先到達60℃，Z1處理次之，在50℃以上都維持了34天。2個處理的最高溫度分別是67.7℃（26天）和69.1℃（20天）。在第36天左右每層的溫度迅速下降至45℃左右，然后基本保持在40℃。由此可見，以水稻為輔料與羊糞混合進行好氧堆肥，可以提高堆肥在高溫期的溫度。Z4處理的平均溫度比Z3處理提前1天達到60℃，在50℃以上分別維持了31天和34天。2個處理的最高溫度分別是69.3℃（25天）和71.1℃（26天）。Z3處理在第35天左右溫度迅速下降至45℃左右，然后基本保持在40℃。而Z4處理在第37天左右迅速下降。由此可知，添加混合菌能夠縮短堆肥進入高溫期的時間，并延長堆肥的高溫期時間，提高堆肥的最高溫度，加快腐熟進程。

圖1 堆肥過程中各個處理溫度的變化

2.2 不同處理堆肥過程中含水率的變化

含水率是影響堆肥發(fā)酵的重要因素，過高或過低都不利于微生物的活動。堆肥過程中的含水率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢（圖2）。在堆肥初期含水率分別為63.19%(Z1)、60.51%(Z2)、59.50%(Z3)和 64.07%(Z4)，堆肥結(jié)束時含水率變?yōu)?4.82%(Z1)、20.08%(Z2)、28.20%(Z3)和 24.28%(Z4)，較堆肥初期分別減少了60.72%(Z1)、66.82%(Z2)、52.61%(Z3)和62.10%(Z4)。相對于Z1處理，Z2處理在堆肥后期含水率下降更快，并且堆肥結(jié)束時含水率更低，可能是Z2處理比Z1處理高溫期的溫度要高，好氧發(fā)酵更加徹底。Z4處理(64.07%)堆肥開始時比Z3處理(59.50%)含水率要高，但結(jié)束時卻更低，并且減少更多?？赡芑旌暇鷦┍葐我痪鷦‥M菌劑）對羊糞好氧堆肥的效果更好，延長了堆體處于高溫期的時間，并提高了高溫期的溫度，更有利于含水率的下降。

圖2 堆肥過程中各個處理含水率的變化

2.3 不同處理堆肥過程中pH值的變化

由圖3可知pH的變化趨勢是先逐漸升高隨后逐漸降低，Z1和Z2處理在第4天下降到最低值8.20，4個處理的pH在第22天達到最高，分別是pH 8.86，pH 8.98，pH 8.95，pH 8.97，隨后下降最后穩(wěn)定在pH 8.2～8.6之間。與未加菌劑的兩個處理相比，加入EM菌劑的Z3處理與加入混合菌劑的Z4處理可以減少堆肥前期pH的降低。堆肥前期pH增加可能是由于堆肥中的微生物活動劇烈，生成NH4+-N并分解有機酸，使堆體pH略有升高，進入腐熟期后，微生物消耗N生成NH3，使pH逐漸降低。一般認為pH 8.0～9.0范圍內(nèi)符合堆肥標(biāo)準(zhǔn)，各個處理在堆肥期間都符合標(biāo)準(zhǔn)。堆肥結(jié)束時Z3處理pH最低。

圖3 堆肥過程中各個處理pH值的變化

2.4 不同處理堆肥過程中碳氮比的變化

C/N是指堆肥中全碳與全氮的比值，其高低反映了堆肥中微生物分解有機物的快慢。通過圖4可知C/N逐漸降低，由初始的24(Z1)、26(Z2)、23(Z3)和24(Z4)下降到 15(Z1)、16(Z2)、15(Z3)和 14(Z4),下降幅度分別為 37.50%(Z1)、38.46%(Z2)、34.78%(Z3)和41.67%(Z4)。Z2和Z4兩個處理的下降幅度較高，說明水稻相比于菌糠與羊糞堆肥更有利于C/N的下降，混合菌劑相比EM菌劑更有利于堆肥腐熟程度的提高。

圖4 堆肥過程中各個處理碳氮比的變化

2.5 不同處理堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化

發(fā)芽指數(shù)反映了堆肥對植物種子的毒性，其大小表征了堆肥的腐熟程度。由圖5可知，Z1處理由堆肥初期的28%上升到117%，Z2處理由23%上升到111%，Z3處理由29%上升至123%，Z4處理由30%上升至132%。當(dāng)堆肥10天后發(fā)芽指數(shù)開始迅速上升，本實驗4個處理在50天左右發(fā)芽指數(shù)都已經(jīng)達到110%，可以認為4個處理在50天左右已經(jīng)達到腐熟。其中Z4處理最先達到110%，大約在29天左右。當(dāng)堆肥結(jié)束時Z4處理的GI值最高，說明混合菌劑的加入有利于堆肥的提前腐熟并且腐熟程度更加徹底。

圖5 堆肥過程中各個處理種子發(fā)芽指數(shù)的變化

2.6 不同處理堆肥過程中銨態(tài)氮的變化

由圖6可知4個處理的銨態(tài)氮含量波動式下降，Z1、Z2、Z3、Z4處理由最初的1.0、0.6、0.8、1.1 mg/g下降到0.2、0.1、0.2、0.1 mg/g，較堆肥初期分別減少了80.00%、83.33%、75.00%、90.91%。Z2與Z4處理下降較多，并且堆肥結(jié)束后銨態(tài)氮含量最低，均為0.1 mg/g?？赡苁俏⑸镌诟邷仄陂g活動劇烈，反硝化作用強烈，堆肥中大量的NH4+-N生成NH3逸出，造成NH4+-N含量的降低。

圖6 堆肥過程中各個處理銨態(tài)氮的變化

2.7 不同處理堆肥過程中全鉀的變化

堆肥過程中全鉀的含量是代表肥力的一個最直觀指標(biāo)。由圖7可知各個處理的全鉀含量逐漸升高，堆肥結(jié)束時分別為2.95%，3.13%，2.81%和3.47%。Z2較Z1處理全鉀含量較高，Z4較Z3處理全鉀含量較高。說明以水稻為輔料與羊糞混合堆肥更有利于養(yǎng)分的保持，混合菌劑比EM菌劑有助于維持堆肥的養(yǎng)分。

圖7 堆肥過程中各個處理全鉀的變化

2.8 不同處理對重金屬含量的影響

由表2可知經(jīng)過檢測4個處理中鎘、汞和鉻均未檢出，4個處理中鉛的含量Z2處理(4.80 mg/kg)＞Z4處理(4.05 mg/kg)＞Z1處理(3.65 mg/kg)＞Z3處理(3.55 mg/kg)；砷的含量Z2處理(1.90 mg/kg)＞ Z1處理(1.80mg/kg)＞Z3處理(1.45mg/kg)＞Z4處理(1.20mg/kg)，4個處理重金屬含量均低于國家指標(biāo)，滿足國內(nèi)外堆肥標(biāo)準(zhǔn)[15]。

表2 堆肥結(jié)束后的重金屬含量

3 討論

3.1 不同處理堆肥溫度的變化

溫度是判斷堆肥是否腐熟的要素之一，整個堆肥期間都會伴隨著溫度的不斷變化，隨著溫度的升高和降低整個堆肥過程大致可分成3個階段分別是升溫階段、高溫階段和腐熟階段[16]。在本實驗中4個處理的堆肥均經(jīng)歷了升溫期、高溫期以及腐熟期，這與鮑艷宇[17]等結(jié)果相似。本試驗4個處理的堆溫均在50℃維持了10天以上，在60℃同樣保持了5天以上，符合糞污無害化衛(wèi)生要求。有研究表明溫度不僅對微生物具有選擇性，并且能反應(yīng)出堆肥所在階段[18]。本試驗表明溫度在60～70℃之間腐熟度急劇上升，發(fā)芽指數(shù)明顯提高，在70～75℃之間達到了最高。這與李紅燕等[19]研究結(jié)果相似。在Z1處理和Z2處理中，Z2處理先于Z1處理達到60℃可能是由于菌糠結(jié)構(gòu)較密，堆體孔隙度較小，導(dǎo)致堆體致密緊湊，氧氣流通不順暢，使微生物活性降低，導(dǎo)致溫度上升相對于水稻秸稈堆肥來說較慢。從第31天到第41天左右四個處理的溫度都出現(xiàn)了急劇下降，這可能與C/N的變化有關(guān)，因為有研究表明C/N對微生物的活動影響較大，而且溫度的變化也主要與微生物的活動及種類有關(guān)，通過影響微生物的活性可以顯著提高堆肥中的溫度[16,20]。

3.2 不同處理堆肥含水率的變化

含水率是影響堆肥的因素之一，含水率的高低對堆肥的pH和保氮效果都有影響[21]。水分是影響堆肥效果的重要指標(biāo)，堆肥過程中含水率的持續(xù)下降，一方面與堆體溫度和高溫維持的時間有關(guān)，另一方面也與秸稈的添加量有關(guān)，秸稈所占比例越大，透氣性越好，越有利于氣體的蒸發(fā)和散失[18]。本試驗4個處理的初始含水率都在60%左右，并且隨著堆肥的進行含水量呈“鋸齒狀”波動下降，這與翟紅等[22]結(jié)果相似。其中Z1和Z2處理在第10天左右含水率下降速度加快，主要原因是堆肥進入高溫期，導(dǎo)致含水率快速下降，Z2處理在堆肥中期含水率下降較Z1處理快的可能原因是水稻秸稈相對于菌糠的孔隙度較大，促進了空氣的流通，因此含水率下降較快。本實驗中Z4處理含水率從堆肥開始到結(jié)束下降了39.79%，而Z3處理下降了31.30%，可能是由于Z4處理堆肥的平均溫度率先達到60℃并且維持的天數(shù)也多于Z3處理，長期的高溫導(dǎo)致含水率下降較快，這與易榮菲等結(jié)果相似[23]。

3.3 不同處理堆肥pH的變化

合適的pH對堆肥過程中保氮和防止NH4+的減少有著重要作用，同時適宜的pH也能使堆肥中的微生物更高效的發(fā)揮作用[24]。本試驗中除Z4處理外其他3個處理在堆肥初期都呈現(xiàn)了下降的趨勢，可能是因為堆肥開始階段水分含量較高，堆體中會出現(xiàn)厭氧狀態(tài)，微生物進行無氧呼吸降解了堆肥原料中淀粉等物質(zhì)隨即產(chǎn)生的一些小分子有機酸導(dǎo)致pH下降。隨后4個處理pH又逐漸上升的可能原因是隨著堆肥時間的延長，不斷地翻堆含水量越來越低，微生物降解速率加快，隨之產(chǎn)生大量的NH3，堆肥結(jié)束時pH 8.4左右，這與Cai等[25]結(jié)果相似。

3.4 不同處理堆肥碳氮比的變化

堆肥是糞便和輔料中的有機物通過微生物進行分解的復(fù)雜過程，而碳素不僅是微生物進行分解的能量來源也是構(gòu)成細胞的基本物質(zhì)。因此調(diào)節(jié)合適的C/N是保證堆肥中微生物生命活動的重要一環(huán)[26-27]。C/N是評價堆肥是否腐熟的常用指標(biāo)，C/N低于20時堆肥已經(jīng)腐熟[28]，4個處理的堆肥都達到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。有試驗表明添加EM菌有利于全氮的保存[29]，這可能與Z3處理C/N的持續(xù)下降有關(guān)。試驗表明在堆肥中添加酵母菌和芽孢桿菌等微生物菌劑能有效的抑制NH3的揮發(fā)[30]，因此Z4處理中C/N的下降可能與混合菌劑抑制了NH3的揮發(fā)有關(guān)，起到了保氮的效果。本試驗4個處理的C/N在起始的5天內(nèi)都呈現(xiàn)了快速下降的趨勢，之后一直到堆肥結(jié)束呈現(xiàn)緩慢的下降趨勢，最后停留在14～16之間，這與壟建英等[31]研究結(jié)果相似。

3.5 不同處理堆肥發(fā)芽指數(shù)的變化

一般認為堆肥的腐熟度通過發(fā)芽指數(shù)來評價比較可靠。大量研究表明由于堆肥的材料差異，單用C/N來評價堆肥是否腐熟并不準(zhǔn)確，而利用堆肥浸提液對種子的毒性檢驗來表征腐熟度已被大多數(shù)學(xué)者認可。發(fā)芽指數(shù)是評價堆肥腐熟度的重要指標(biāo)。4個處理的堆肥過程中發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，可能是因為堆肥初始物料含水率高，造成局部厭氧的狀態(tài)從而產(chǎn)生小分子有機酸導(dǎo)致種子發(fā)芽指數(shù)降低[32]。Ko等[33]把發(fā)芽指數(shù)達到110%作為堆肥腐熟的標(biāo)準(zhǔn)，本試驗4個處理都達到標(biāo)準(zhǔn)，Z3和Z4處理在堆肥后期發(fā)芽指數(shù)高于Z1和Z2處理，可能是因為微生物的加入延長了堆肥的嗜熱階段從而提高了發(fā)芽指數(shù)。本試驗4個處理發(fā)芽指數(shù)分別在54天、51天、35天、29天左右達到110%，說明加入微生物菌劑后可以促進羊糞堆肥的提前腐熟，并且混合菌劑比EM菌劑的促腐效果更好。

4 結(jié)論

本試驗研究了以水稻秸稈與菌糠作為輔料，接種EM菌或混合菌對羊糞好氧堆肥腐熟度的影響。通過測定堆肥不同時期溫度、含水率、pH、發(fā)芽指數(shù)、碳氮比、銨態(tài)氮、全鉀的變化以及堆肥結(jié)束后的重金屬含量，篩選出有利于羊糞好氧堆肥的輔料以及微生物菌劑。本研究顯示，4個處理在堆肥結(jié)束時均已完全腐熟，水稻處理的發(fā)芽指數(shù)先于菌糠處理達到110%，水稻秸稈作為輔料的堆肥效果優(yōu)于菌糠。堆肥后期混合菌處理的發(fā)芽指數(shù)明顯高于EM菌處理，并且保氮效果更好，添加混合菌的堆肥效果優(yōu)于EM菌。綜合來看，羊糞好氧堆肥，以菌糠為輔料，枯草芽孢桿菌:地衣芽孢桿菌:綠色木霉:黑曲霉:酵母菌=0.5:0.5:1:1:2的菌劑配比，腐熟質(zhì)量、保氮效果最好，發(fā)芽指數(shù)最高，發(fā)酵時間最短。