雷仁清,秦文婧,劉 佳,陳靜蕊,徐昌旭,萬(wàn)里平,龔貴金,陳曉芬*
(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 330200;2.福建農(nóng)林大學(xué)國(guó)際鎂營(yíng)養(yǎng)研究所,福建 福州 350002;3.贛州銳源生物科技有限公司,江西 贛州 341900)
我國(guó)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速,據(jù)統(tǒng)計(jì),近年我國(guó)每年生產(chǎn)畜禽糞便約3×109t,若經(jīng)厭氧發(fā)酵處理后可產(chǎn)生約1.8×108m3的沼氣[1]。然而,厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的同時(shí)也產(chǎn)生大量沼渣和沼液,這些副產(chǎn)品的處置制約著沼氣工程的發(fā)展[2]。對(duì)于沼渣,一方面其含有大量有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀以及微量元素,是優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥源;另一方面,沼氣發(fā)酵工程中原料無(wú)法完全分解,沼渣中可能含病原體、有毒化合物和植物毒素等,直接利用會(huì)有二次污染的風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。盡管有研究認(rèn)為有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵殘余的沼渣生物穩(wěn)定性較高,可直接用作有機(jī)肥[5],但沼氣工程為保證甲烷產(chǎn)量最大化,厭氧消化時(shí)間通常較短,沼渣的生物穩(wěn)定性不強(qiáng)[6]。堆肥是在有氧條件下通過(guò)各種微生物活動(dòng)將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定腐殖質(zhì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,是處理沼渣等農(nóng)業(yè)廢棄物的有效措施[7]。畜禽糞便厭氧發(fā)酵后的沼渣須進(jìn)行好氧堆肥處理,以穩(wěn)定其中的有機(jī)物并抑制和滅殺可能存在的病原體,從而生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)安全的有機(jī)肥[8]。
用畜禽糞便厭氧發(fā)酵后的沼渣進(jìn)行好氧堆肥生產(chǎn)商品有機(jī)肥,目前在生產(chǎn)中仍存在原料配比缺乏理論指導(dǎo)、堆體腐熟效率低下甚至產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[9],如何提高堆肥效率及產(chǎn)品效果,已成為實(shí)現(xiàn)沼渣資源循環(huán)利用、降低環(huán)境危害必須要面對(duì)和解決的問(wèn)題。適宜的碳氮比(C/N)是高效堆肥的關(guān)鍵因素,堆肥原料組成比例變化引起的初始C/N不同直接影響著堆肥的效率和有機(jī)肥的品質(zhì)[10]。堆體C/N過(guò)高,細(xì)菌等微生物的生長(zhǎng)受到限制,有機(jī)物分解速度慢,使得發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng);堆體C/N過(guò)低,氮素將變成氨態(tài)氮揮發(fā)掉,最終導(dǎo)致大量氮素?fù)p失而降低肥效[11-12]。沼渣通常含水量高,C/N較低,且其中難降解的纖維素類(lèi)物質(zhì)含量較高,不適合單獨(dú)進(jìn)行好氧發(fā)酵[13]。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)調(diào)節(jié)沼渣和輔料配比以優(yōu)化堆肥初始C/N,從而實(shí)現(xiàn)快速、高效堆肥。
一般而言,評(píng)價(jià)堆肥腐熟程度的指標(biāo)包括溫度、pH和C/N等[11]。這些理化指標(biāo)雖能從不同方面反映堆肥腐熟度,但由于堆肥用料復(fù)雜,這些指標(biāo)有時(shí)不能直觀評(píng)價(jià)堆肥的綜合腐熟程度,在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定偏差。腐熟完全的堆肥產(chǎn)品除了能提供充足的肥力,還必須保證對(duì)作物無(wú)毒。植物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)毒害較為敏感,種子發(fā)芽及幼苗生長(zhǎng)狀況是衡量堆肥植物毒性和腐熟度的直接反映[14]。因此,在評(píng)價(jià)堆肥產(chǎn)品的腐熟程度時(shí),開(kāi)展種子發(fā)芽試驗(yàn),可以充分反映堆肥的腐熟度及產(chǎn)品效果。本文以沼氣工程產(chǎn)量最大的豬糞沼渣為原料,以含水量低、C/N高的木屑為輔料進(jìn)行好氧堆肥,研究不同初始C/N對(duì)沼渣堆肥過(guò)程和產(chǎn)品品質(zhì)的影響,并選擇主要糧食作物水稻開(kāi)展堆肥產(chǎn)品的種子萌發(fā)試驗(yàn),考察水稻種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)的特性,為提高堆肥產(chǎn)品肥效及促進(jìn)沼渣廢棄物資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。
堆肥試驗(yàn)在江西省新余市江西正合生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司的有機(jī)肥生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行,豬糞沼渣來(lái)自該公司運(yùn)營(yíng)的南英沼氣發(fā)電站(江西省新余市),木屑購(gòu)自當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)。沼渣和木屑的基本性質(zhì)見(jiàn)表1。
表1 堆肥原料的基本性質(zhì)
堆肥時(shí)間為2019年6月16日至8月5日,共持續(xù)51 d。以沼渣為堆肥原料,木屑為輔料,設(shè)置初始C/N為13、17、21和25共4個(gè)處理,分別為B1、B2、B3和B4?;旌衔锏某跏己烤?5%左右,將混勻物料轉(zhuǎn)運(yùn)至有機(jī)肥生產(chǎn)車(chē)間發(fā)酵區(qū),用翻拋機(jī)翻堆后建成常規(guī)條垛式堆體,每個(gè)堆體質(zhì)量約為6 t。堆肥第3 d用翻拋機(jī)進(jìn)行第1次翻拋,之后每4 d翻拋1次。
1.3.1 樣品采集與保存
分別于建堆后的第1、5、9、15、21、29、39和51 d采集堆體的混合樣。按長(zhǎng)度將堆體平均分為3段,在每段中分別選擇1個(gè)剖面,于每個(gè)剖面的上層(5~10 cm)、中層(50~60 cm)和下層(100~120 cm)采集等量的堆肥樣品。將3個(gè)剖面的樣品集中混勻后,采用四分法多次分取樣品,每個(gè)取樣時(shí)間獲得重復(fù)樣品3個(gè)。堆肥樣品分成3份,2份分別保存于4和-20℃冰箱,1份自然風(fēng)干后待用。
1.3.2 堆體溫度和水分的測(cè)定
堆肥過(guò)程中,每天10:00使用工業(yè)電子溫度計(jì)分別測(cè)定堆體上層、中層和下層的最高溫度,每個(gè)堆體層測(cè)定3個(gè)點(diǎn),取平均溫度。將采集的部分新鮮堆肥于105℃烘箱中烘干至恒重,計(jì)算樣品含水量。
1.3.3 有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀含量的測(cè)定
參照國(guó)家有機(jī)肥料農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[15],堆肥樣品的有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定。堆肥樣品用硫酸和過(guò)氧化氫進(jìn)行消煮、定容、靜置澄清和過(guò)濾后,用凱式定氮法測(cè)定全氮含量,釩鉬酸銨比色法測(cè)定全磷含量,火焰光度法測(cè)定全鉀含量。
1.3.4 pH值、電導(dǎo)率和銨態(tài)氮的測(cè)定
將新鮮樣品與去離子水按1∶10(W/V)混合,水平搖床上振蕩2 h后靜置30 min,用pH計(jì)和電導(dǎo)率儀測(cè)定pH值和電導(dǎo)率。新鮮樣品與去離子水同樣按上述比例混合并振蕩24 h,12000 r·min-1離心10 min后取上清液過(guò)0.45 μm濾膜,用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定銨態(tài)氮含量。
取堆肥結(jié)束的新鮮樣品與去離子水以1∶10(W/V)混合,振蕩提取2 h后過(guò)濾。取10 mL濾液加入鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中,每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)放置30粒消毒好的水稻種子,設(shè)置去離子水為空白對(duì)照,每個(gè)處理3次重復(fù)。培養(yǎng)皿放置于25℃光照培養(yǎng)箱(光照12 h,黑暗12 h)中培養(yǎng)7 d,每天定時(shí)記錄水稻種子萌發(fā)數(shù)(幼芽達(dá)到種子長(zhǎng)度1/2即為萌發(fā))。培養(yǎng)結(jié)束時(shí),每個(gè)培養(yǎng)皿隨機(jī)選取10株具有代表性的幼苗,測(cè)量其胚根和胚芽的長(zhǎng)度、鮮重及干重。水稻種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)按如下公式計(jì)算[16-17]:
活力指數(shù)=GI×S,S為胚芽長(zhǎng)度。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2016整理后,用SPSS 24.0進(jìn)行方差分析,Duncan法檢驗(yàn)0.05水平上的差異顯著性。采用Origin 9.0進(jìn)行繪圖。
由圖1a可知,4個(gè)堆體均在起堆后快速升溫,B1在第6 d進(jìn)入高溫期(>55℃),而B(niǎo)2、B3和B4在第2 d便進(jìn)入高溫期。各堆體的高溫期分別持續(xù)了24、36、27和24 d,之后溫度逐步下降,其中B4堆體最早出現(xiàn)降溫趨勢(shì),B1和B2堆體降溫較晚。在堆肥過(guò)程中,4個(gè)堆體高溫階段的平均溫度分別為58.0、58.5、58.4和58.6℃,堆肥結(jié)束時(shí)的溫度分別為42.2、44.1、37.0和38.1℃,接近于環(huán)境溫度(40.5℃)。
隨著堆肥過(guò)程的進(jìn)行,4個(gè)堆體的水分含量均呈逐漸下降的趨勢(shì),水分的損失主要發(fā)生在升溫期、高溫期以及降溫前期,而堆肥后期水分損失較少(圖1b)。堆肥結(jié)束時(shí),堆體的含水量維持在40.4%~42.0%之間。在堆肥前39 d,B1堆體的水分含量最高,其次是B2堆體。整個(gè)堆肥過(guò)程中,4個(gè)堆體的水分散失率分別為39.3%、34.0%、34.9%和34.6%。
圖1 堆肥過(guò)程中的溫度和水分變化
在堆肥過(guò)程中,各處理的有機(jī)碳含量總體呈下降趨勢(shì),除B1外,其余3個(gè)處理的有機(jī)碳含量在堆肥39 d后略有回升(圖2a)。與第1 d相比,堆肥結(jié)束時(shí)4個(gè)處理有機(jī)碳含量分別降低22.9%、6.0%、6.8%和6.5%。各處理的全氮含量在堆肥前期總體上升而在堆肥中后期有一定程度地下降(圖2b)。堆肥結(jié)束時(shí),B3的全氮含量(19.74 g·kg-1)與第1 d(19.84 g·kg-1)相當(dāng),而B(niǎo)1、B2和B4的 全 氮含量較第1 d分別提高39.6%、2.6%和19.9%。所有處理的C/N均隨堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降且在堆肥后期趨于平穩(wěn),堆肥結(jié)束時(shí)各處理C/N分別為8.5、13.5、17.1和18.1,比第1 d低36.4%、23.3%、20.5%和28.5%(圖2c)。總體上,堆肥過(guò)程中各處理間有機(jī)碳含量和C/N均表現(xiàn)為B4>B3>B2>B1,而全氮含量的變化則相反。
圖2 堆肥過(guò)程中有機(jī)碳、全氮及碳氮比的變化
由表2可知,隨著C/N的增大,堆肥產(chǎn)品的有機(jī)質(zhì)含量、電導(dǎo)率和銨態(tài)氮含量呈增加的趨勢(shì),而氮(N)、磷(P2O5)和鉀(K2O)的含量及pH值則隨C/N的增大而降低。參照國(guó)家有機(jī)肥料農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[15],除B1外,其余處理產(chǎn)品有機(jī)質(zhì)含量均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的45%。4個(gè)處理堆肥產(chǎn)品的養(yǎng)分總含量(N+P2O5+K2O)分別為90.69、75.84、66.69和57.55 g·kg-1,均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(≥5.0%)。此外,各處理堆肥產(chǎn)品的pH值為7.05~7.53,在規(guī)定的5.5~8.5范圍之內(nèi)。盡管堆肥產(chǎn)品的含水量高于30%,但可以通過(guò)晾曬使其水分達(dá)標(biāo)。
表2 堆肥產(chǎn)品的性質(zhì)
堆肥產(chǎn)品處理的水稻種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)與去離子水對(duì)照相比差異不顯著,B3處理的水稻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)略高于其余處理(表3)。堆肥產(chǎn)品和對(duì)照處理的種子發(fā)芽率均在94%以上,其中B4處理的種子發(fā)芽率稍低。不同C/N沼渣堆肥產(chǎn)品的水稻種子活力指數(shù)以B3處理最高,各處理分別比對(duì)照高40.4%、63.0%、77.3%和52.9%,且差異均顯著。
表3 堆肥產(chǎn)品對(duì)水稻種子發(fā)芽指標(biāo)的影響
堆肥產(chǎn)品處理的水稻幼苗芽長(zhǎng)均顯著高于對(duì)照,其中B3處理的水稻幼苗芽長(zhǎng)最大,比對(duì)照高70.7%(表4)。堆肥產(chǎn)品處理的水稻幼苗根長(zhǎng)以B3處理為最高,但所有堆肥產(chǎn)品處理的幼苗根長(zhǎng)比對(duì)照顯著降低30.6%~42.0%。堆肥產(chǎn)品處理的幼苗芽鮮重和總鮮重比對(duì)照分別高63.5%~125.1%和22.2%~44.9%,芽干重和總干重較對(duì)照分別高47.1%~115.3%和2.1%~15.3%,這其中又以B3處理的芽重(鮮重和干重)和總重(鮮重和干重)為最高。而對(duì)于根鮮重和干重,堆肥產(chǎn)品處理與對(duì)照差異不顯著。
表4 堆肥產(chǎn)品對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響
堆體溫度的變化與堆肥過(guò)程中的微生物代謝活性密切相關(guān)。堆肥起始階段4個(gè)堆體溫度上升較快,說(shuō)明堆肥初期堆肥原料中容易被微生物利用的物質(zhì)(如蛋白質(zhì)和脂肪等)較多[8],微生物在分解這些物質(zhì)時(shí)新陳代謝旺盛,產(chǎn)生大量的熱。B1處理較其他處理晚進(jìn)入高溫期,可能是由于其水分稍高易形成厭氧環(huán)境,加上碳源相對(duì)不足,使得堆肥初期微生物的生長(zhǎng)繁殖受到一定限制。B4處理最先出現(xiàn)降溫趨勢(shì),可能是因?yàn)槠銫/N最高,氮素率先消耗殆盡。盡管B1和B4處理高溫期持續(xù)時(shí)間最短,但各處理高溫期均超過(guò)20 d,足以滅殺堆體中的病原體和寄生蟲(chóng)卵,滿足堆肥產(chǎn)品的無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)[18]。堆肥過(guò)程中,升溫期、高溫期及降溫前期堆體溫度較高,也使得該期間堆體含水率急劇下降。B1和B2堆體含水量整體較高,這與2個(gè)處理木屑添加量少、堆體較致密,導(dǎo)致水分不易散失有一定關(guān)系。
堆肥前期,有機(jī)物料中的易降解有機(jī)物被微生物分解,造成有機(jī)碳損失;堆肥后期,微生物代謝活動(dòng)較弱,且以合成作用為主,小分子物質(zhì)逐漸向大分子腐殖酸類(lèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化,有機(jī)碳含量有小幅回升[19]。對(duì)于氮含量,盡管堆肥前期部分氮以NH3形式揮發(fā)造成一定損失,但是損失量小于總干物質(zhì)的損失量,最終使得干物質(zhì)中全氮相對(duì)含量增加[11];堆肥中后期可能由于水分散失減緩,氮素?fù)p失量高于總干物質(zhì)的損失量,全氮相對(duì)含量降低。堆肥過(guò)程中有機(jī)碳含量總體下降,而全氮含量總體上升,使得堆體C/N逐漸降低,這與前人開(kāi)展的室內(nèi)沼渣堆肥研究結(jié)果一致[20]。堆肥結(jié)束時(shí)C/N與堆肥開(kāi)始C/N的比值即T值,是評(píng)價(jià)堆肥腐熟度的指標(biāo)。張相鋒等[21]認(rèn)為堆肥過(guò)程中T值為0.53~0.72時(shí),堆肥達(dá)到腐熟。本研究在堆肥進(jìn)行29 d時(shí),4個(gè)堆體基本已進(jìn)入降溫期,除B1處理(T值為0.73)外,其余處理(T值分別為0.67、0.67和0.65)均達(dá)到腐熟要求。
本研究以木屑作輔料進(jìn)行豬糞沼渣好氧堆肥,堆體初始C/N越大,木屑添加比例越大。木屑有機(jī)碳含量雖高但其養(yǎng)分含量通常很低,因此堆肥產(chǎn)品的有機(jī)質(zhì)含量隨C/N的增大而增加,而氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的變化趨勢(shì)則相反。初始C/N越小,堆肥產(chǎn)品pH越高,這是由于低C/N處理氮含量較高,有機(jī)氮分解產(chǎn)生的NH4OH較多,導(dǎo)致pH升高[22],這與王若斐等[12]開(kāi)展的豬糞工廠化堆肥試驗(yàn)結(jié)果一致。EC值反映了堆肥中可溶性鹽的濃度,一般認(rèn)為堆肥產(chǎn)品EC值低于4.0 mS·cm-1的可安全施用[23],本研究堆肥產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)。堆肥產(chǎn)品EC值隨C/N的增大而增加,這可能是由于沼渣堆肥在較高的C/N下微生物活動(dòng)更為強(qiáng)烈,有機(jī)態(tài)物質(zhì)容易被降解產(chǎn)生鹽類(lèi)物質(zhì)如銨鹽等,這與C/N越大堆肥產(chǎn)品銨態(tài)氮含量也越高的現(xiàn)象一致。參照有機(jī)肥料的技術(shù)指標(biāo)(有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分和酸堿度)要求[15],除初始C/N為13(B1處理)時(shí)的堆肥產(chǎn)品有機(jī)質(zhì)含量不達(dá)標(biāo)外,其余處理堆肥產(chǎn)品均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),表明以豬糞沼渣和木屑進(jìn)行好氧堆肥,通過(guò)調(diào)節(jié)C/N可以生產(chǎn)出合格的有機(jī)肥料。但考慮到養(yǎng)分含量隨C/N的增大而降低,為了生產(chǎn)出高質(zhì)量有機(jī)肥,沼渣堆肥初始C/N不宜過(guò)高。
發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)是衡量農(nóng)作物種子發(fā)芽能力的重要指標(biāo);活力指數(shù)是種子發(fā)芽速率與生長(zhǎng)量的綜合反映[24]。本研究中,所有處理的水稻種子最終均接近完全萌發(fā),與去離子水對(duì)照相比,沼渣堆肥產(chǎn)品對(duì)水稻種子發(fā)芽能力無(wú)顯著影響,說(shuō)明所有處理在堆肥結(jié)束時(shí)都已達(dá)腐熟狀態(tài)。C/N為21時(shí)水稻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)稍高,C/N為25時(shí)種子發(fā)芽率稍低,這說(shuō)明適宜C/N下的沼渣堆肥產(chǎn)品仍有利于促進(jìn)水稻種子萌發(fā)。基于水稻種子發(fā)芽指數(shù)和幼苗芽長(zhǎng)的種子活力指數(shù)表現(xiàn)為堆肥產(chǎn)品處理顯著高于對(duì)照,且以C/N為21的處理最高,這與不同處理間幼苗芽長(zhǎng)的變化規(guī)律一致。
與水稻幼苗芽長(zhǎng)不同,堆肥產(chǎn)品處理的幼苗根長(zhǎng)顯著低于對(duì)照,這可能是由于堆肥產(chǎn)品銨態(tài)氮含量較高,對(duì)根生長(zhǎng)有一定的抑制作用[25]。堆肥產(chǎn)品處理的幼苗芽鮮重、芽干重、總鮮重及總干重均高于對(duì)照,且以C/N為21的處理為最高,而根鮮重和根干重與對(duì)照均無(wú)顯著差異,這說(shuō)明不同處理幼苗生物量(包括鮮重和干重)的差異主要是由芽重決定的。Jennifer等[26]的研究顯示葡萄果渣、牛糞和稻草混合堆肥產(chǎn)品的提取物對(duì)小麥幼苗芽和根的生物量有明顯的提升作用,而宋成軍等[27]在以沼渣作基質(zhì)的研究中發(fā)現(xiàn),基質(zhì)會(huì)對(duì)高羊茅草皮地上和地下生物量的分配格局產(chǎn)生影響,有降低地下部分和增加地上部分的趨勢(shì),這與本研究結(jié)果類(lèi)似。堆肥產(chǎn)品中含有豐富的氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),有利于水稻幼苗碳水化合物的合成,促使光合產(chǎn)物積累增加,地上部營(yíng)養(yǎng)成分積累加快,進(jìn)而使幼苗生物量顯著增加[28]。從生物量來(lái)看,C/N為21時(shí)堆肥產(chǎn)品處理幼苗鮮重和干重均高于其他處理,最利于水稻幼苗生長(zhǎng)。
以不同配比豬糞沼渣和木屑為原料,設(shè)置初始C/N分別為13、17、21和25進(jìn)行工廠化高溫堆肥,C/N為13時(shí)堆體升溫較慢,最晚進(jìn)入腐熟期,且其堆肥產(chǎn)品有機(jī)質(zhì)含量不達(dá)標(biāo)。堆肥產(chǎn)品的有機(jī)質(zhì)含量、EC值及銨態(tài)氮含量隨C/N增大而增加,而氮、磷、鉀養(yǎng)分含量及pH變化趨勢(shì)相反。
以堆肥產(chǎn)品浸提液進(jìn)行水稻種子萌發(fā)試驗(yàn),C/N為21的處理種子活力指數(shù)最高。堆肥產(chǎn)品促進(jìn)水稻幼芽的生長(zhǎng)和地上部生物量的積累,且以C/N為21的處理效果最好。綜合考慮堆肥腐熟進(jìn)程、堆肥產(chǎn)品品質(zhì)及其對(duì)種子萌發(fā)和幼苗的促生效果,C/N為21是豬糞沼渣堆肥適宜的初始設(shè)定值。