馬國慶，于珍珍，王宏軒，李海亮，3，孫海天，汪春

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

我國是鵝業(yè)生產(chǎn)大國，目前在全世界范圍內(nèi)排名第一。據(jù)統(tǒng)計，2020年我國鵝存欄量約為1.73億只，鵝糞年產(chǎn)量約為600億萬t[1]。鵝糞中富含氮、磷、鉀、錳、銅、鐵、鋅等營養(yǎng)元素，是一種非常優(yōu)質(zhì)的農(nóng)家肥，通常用與制作肥料、采用鵝糞生產(chǎn)沼氣或直接用作燃料供熱，其中，肥料化利用是鵝糞后續(xù)處理的主要途徑。國內(nèi)的鵝養(yǎng)殖場主要以動物生產(chǎn)為主，缺乏固體廢棄物、干濕分離等相關(guān)機(jī)械，畜禽糞便隨便排放并積蓄，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的壓力[2]。

目前，秸稈糞污發(fā)酵是糞污資源化利用的主要途徑，但是主要集中在牛糞、羊糞、豬糞等研究較多，關(guān)于鵝糞的應(yīng)用及研究甚少[3-5]。另外，與其他畜禽糞便比較，鵝糞堿性較強(qiáng)，直接施用對土壤、農(nóng)作物危害巨大[6]。鵝糞中N、P等有機(jī)物含量及比例差別較大，而堆肥參數(shù)無法在鵝糞堆肥上直接應(yīng)用。且不能直接采用別人的發(fā)酵參數(shù)進(jìn)行鵝糞發(fā)酵，有必要進(jìn)行鵝糞秸稈發(fā)酵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的試驗研究。將通過比較研究不同體積配比條件下鵝糞渣—玉米秸稈堆肥效果，確定鵝糞—玉米秸稈混合堆肥最佳體積配比，為鵝糞和玉米秸稈資源化利用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗位于廣東省湛江市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所旱作農(nóng)業(yè)工程技術(shù)中心（E109°31′，N21°35′）進(jìn)行，年平均日照時間為2164 h，無霜期為351 d，年平均氣溫為23.4℃。

鵝糞取自廉江市河唇鎮(zhèn)上村村，玉米秸稈取自南亞熱帶作物研究所旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)研究中心種養(yǎng)結(jié)合基地，通過固液分離機(jī)分離后得到鵝糞渣；玉米秸稈收貨后利用多功能鍘草粉碎機(jī)（690型）粉碎至1~3 cm用于發(fā)酵試驗。發(fā)酵過程中加入綠隴有機(jī)肥發(fā)酵劑（生產(chǎn)廠家：山東綠隴生物技術(shù)有限公司）。鵝糞與玉米秸稈基本理化性質(zhì)（基于干基）如表1所示：

表1 發(fā)酵原料基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of fermentation raw materials

1.2 試驗方法

試驗于2021年3-4月在南亞熱帶作物研究所旱作農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心進(jìn)行，以鵝糞與玉米秸稈按不同體積比進(jìn)行桶裝式發(fā)酵試驗。試驗共設(shè)6組，其中鵝糞與玉米秸稈體積比分別為1∶3、2∶3、1∶1、3∶2、3∶1，對照組以純鵝糞進(jìn)行發(fā)酵。將每組配好的鵝糞與玉米秸稈混合均勻后裝入發(fā)酵桶并定期供氧，保證發(fā)酵過程是好氧發(fā)酵，總體積約為100 L左右。試驗時間為50 d。發(fā)酵開始后，在發(fā)酵后的第0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50 d采集發(fā)酵樣品，采用五點取樣法采集5個樣品作為重復(fù)，測定樣品的溫度、含水率、pH、養(yǎng)分及發(fā)芽指數(shù)。在發(fā)酵結(jié)束后，觀測試驗各組的物理性狀。

1.3 測定指標(biāo)及方法

溫度、含水率和pH值測定：選用土壤多參數(shù)測定儀（TZS-pHW-4G浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司），不同傳感器探頭進(jìn)行樣品溫度、含水率及pH的測定。

養(yǎng)分測定：養(yǎng)分取樣后進(jìn)行風(fēng)干研磨，放入干燥器進(jìn)行儲存，待試驗結(jié)束后一并檢測。全氮（TN）檢測采用凱氏定氮法，全磷（TP）含量檢測采用鹽酸—氟化銨法，全鉀（TK）檢測采用乙酸銨提取法，C/N比=TC/TN。檢測方法參照《NY525-2012有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)》[7]。

測定方法：新鮮樣品與去離子水按1∶10比例進(jìn)行混合，振蕩1 h后再過濾，然后離心，離心轉(zhuǎn)速為8000 r·min-1。取上清液于攤開并帶有濾紙的培養(yǎng)皿中。在培養(yǎng)皿中放置20粒飽滿的白菜種子，25℃無太陽光照條件下進(jìn)行培養(yǎng)48 h，觀察并計錄每個培養(yǎng)皿中白菜種子的發(fā)芽數(shù)，計算出該種子的發(fā)芽趨勢勢。發(fā)芽勢（GI，%）=（規(guī)定時間種子發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)）×100%[8]。

物理性狀：從感官指標(biāo)進(jìn)行測定，主要包括樣品的顏色、氣味及蓬松度。

1.4 統(tǒng)計與分析

用Origin2019進(jìn)行繪圖與顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵溫度的變化

如圖1所示，各試驗組發(fā)酵溫度的上升幅度和發(fā)酵最高溫度均優(yōu)于對照組，各試驗組在第10天達(dá)到最高溫度，以體積比為3∶2組溫度最高，為60.0℃，其余依次為體積比3∶1、1∶1、2∶3、1∶3，依次為58.5、57.2、57.0、56.8℃。第10~20天為高溫期（50℃以上），然后發(fā)酵堆體溫度開始逐漸降低，發(fā)酵結(jié)束時整體溫度保持在27℃左右，接近外界溫度，存在顯著性差異（P<0.05）。對照組整個發(fā)酵過程中溫度一直低于50℃，未能達(dá)到完全腐解。

圖1 發(fā)酵過程中溫度的變化Fig.1 Changes in temperature during fermentation

2.2 發(fā)酵含水率的變化

由圖2可知，在發(fā)酵第5天時，各組的含水率均出現(xiàn)下降，以體積比為1∶1、3∶2、3∶1組下降幅度最大，分別降低至63.38%、62.41%和63.35%。第5天后，各組含水率趨于穩(wěn)定，在15 d時，體積比為1∶1組呈小幅度上升，20 d后均趨于穩(wěn)定。發(fā)酵結(jié)束時，體積比為1∶1、3∶2、3∶1組的含水率顯著低于對照組和其余各處理組，分別降至62.66%、59.90%、62.63%，較起始值分別降低16.14%、22.37%和14.86%存在顯著性差異（P<0.05）。

圖2 發(fā)酵過程中含水率的變化Fig.2 Changes in moisture content during fermentation

2.3 發(fā)酵pH的變化

如圖3所示，在整個堆肥過程中，pH整體變化趨勢為先上升后下降。第10天，對照組pH達(dá)到最高值，在其余時間點均低于各處理組。在15 d時，各處理組pH值達(dá)到最高值，體積比為1∶3和2∶3組顯著高于其余各組，分別為8.83和8.92。在第25天時逐漸下降，至第35天時達(dá)到最低值，存在顯著性差異（P<0.05）。發(fā)酵結(jié)束時，體積比為1∶3、2∶3、1∶1、3∶2、3∶1組的pH分別為7.51、7.62、7.69、8.27、8.07，均符合有機(jī)肥料pH標(biāo)準(zhǔn)，參照《NY525-2012有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)》[4]。

圖3 發(fā)酵過程中pH的變化Fig.3 Changes in pH during fermentation

2.4 發(fā)酵養(yǎng)分含量變化

如圖4所示，在發(fā)酵0~5 d時，各試驗組全氮含量均呈下降趨勢，10 d之后緩慢升高，其中，以體積比為3∶2組全氮含量的增長幅度最高，起始含量為1.43%，發(fā)酵結(jié)束時含量為2.49%，增長幅度為74.13%，其余各試驗組的增長幅度依次為3.45%（1∶3）、14.10%（2∶3）、54.03%（1∶1）、65.09%（3∶1），均高于對照組，且存在顯著性差異（P<0.05）。

圖4 發(fā)酵過程中全氮含量的變化Fig.4 Changes in total nitrogen content during fermentation

如圖5所示，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，各試驗組全磷含量呈現(xiàn)上升趨勢，至25 d達(dá)到最高值。其中，體積比為1∶1、3∶2和3∶1組的增長幅度較高，分別為60.48%、62.50%和5.65%，顯著高于對照組和其余處理組，存在顯著性差異（P<0.05）。

圖5 發(fā)酵過程中全磷含量的變化Fig.5 Changes in total phosphorus content during fermentation

各試驗組的全鉀變化如圖6所示，在發(fā)酵過程中，各試驗組呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定，對照組全程低于試驗組，在發(fā)酵后期差異更為顯著（P<0.05）。各試驗組增長幅度依次為19.10%（1∶3）、12.06%（2∶3）、20.34%（1∶1）、24.00%（3∶2）、5.26%（3∶1）。

由圖6可知，在發(fā)酵過程中，各試驗組的C/N呈現(xiàn)出先下降后趨于穩(wěn)定，發(fā)酵結(jié)束后，各試驗組C/N比分別降至14.18（1∶3）、14.14（2∶3）、18.32（1∶1）、16.17（3∶2）、19.28（3∶1），存在顯著性差異（P<0.05）。

圖6 發(fā)酵過程中全鉀含量的變化Fig.6 Changes in total potassium content during fermentation

2.5 發(fā)酵發(fā)芽指數(shù)（GI）的變化

由圖8可知，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，發(fā)芽指數(shù)不斷增加，在發(fā)酵結(jié)束時，各試驗組發(fā)芽指數(shù)均已達(dá)到100%，但是對照組發(fā)芽指數(shù)為85.79%。發(fā)芽指數(shù)通常用作評價堆肥的腐熟和毒性[9]，當(dāng)GI＞85%，表明發(fā)酵產(chǎn)物已達(dá)到腐熟。研究中，各處理的GI均大于85%，表明各處理組已達(dá)到腐熟。

圖7 發(fā)酵過程中C/N的變化Fig.7 Changes in C/N during fermentation

圖8 發(fā)酵過程中發(fā)芽指數(shù)的變化Fig.8 Changes in germination index during fermentation

2.6 發(fā)酵產(chǎn)物物理性狀的變化

如表2所示，發(fā)酵完成后，試驗組顏色為茶褐色，沒有酸臭味，并且具有泥土的芳香，發(fā)酵體較為蓬松，用手拉扯即斷，沒有粘稠感，對照組在發(fā)酵結(jié)束后仍然具有糞污的酸臭味，顏色為深棕色，內(nèi)部還具有一些黃色物質(zhì)，質(zhì)地較為粘稠，水分含量較高。

表2 發(fā)酵結(jié)束時發(fā)酵產(chǎn)物各項理化指標(biāo)Table 2 Various physical and chemical indexes of fermentation products at the end of fermentation

3 討論

3.1 發(fā)酵過程中溫度、含水率、pH值變化

溫度被認(rèn)為時發(fā)酵是否完成的重要指標(biāo)，當(dāng)發(fā)酵溫度接近室溫且變化幅度較小時，視為發(fā)酵完成。在發(fā)酵過程中，溫度變化主要有三個階段，分別為：升溫階段、高溫階段和降溫階段[10-11]。高溫階段保持在50℃以上時，可以有效消滅發(fā)酵底物中的有害蟲卵，高溫階段持續(xù)時間較長，微生物可以充分分解有毒物質(zhì)，殺死有害蟲卵。研究顯示，其中體積比為3∶2組最高達(dá)到60℃，高溫時間持續(xù)達(dá)到了8 d，表明該試驗小組優(yōu)于其他處理。發(fā)酵第10天堆體溫度異常下降，主要是受外界低溫環(huán)境的影響，說明發(fā)酵堆體溫度受外界環(huán)境影響較大。

發(fā)酵過程中的水分主要用于發(fā)酵底物中各類微生物生命活動的進(jìn)行，主要是微生物分解有毒物質(zhì)的代謝活動，含水量高低會直接影響微生物的生理代謝活動。Emeterio等[12]研究表明發(fā)酵堆體水分含量為50%~60%左右最為適宜，有利于微生物活動。研究顯示，各試驗組初始發(fā)酵堆體含水率在74.12%~76.21%，發(fā)酵結(jié)束時為58.36%~68.57%。整體含水率偏高，主要是由于試驗過程中，伴有連續(xù)的陰雨天氣，水分散失緩慢。

試驗中，各小組在發(fā)酵過程中pH呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。相關(guān)研究表明，隨著發(fā)酵的逐漸進(jìn)行，尤其是在高溫期，微生物分解有機(jī)質(zhì)會產(chǎn)生大量NH3，導(dǎo)致pH逐漸升高，隨著微生物分解有機(jī)質(zhì)逐步完成，NH3被逐漸硝化，導(dǎo)致pH值在后期逐漸降低[13]。

3.2 發(fā)酵過程中養(yǎng)分含量變化

發(fā)酵初期，發(fā)酵底物中的微生物消耗氮元素，產(chǎn)生大量的氨氣，造成氮素的損失，各試驗小組的氮含量呈現(xiàn)下降趨勢，而在發(fā)酵后期，各試驗組氮含量不斷上升，這是由于發(fā)酵過程中C含量下降，所以氮元素濃縮，含量相對增加，其中體積比為3∶2組全氮含量最高，為2.49%。另外，各組處理下全磷（TP）、全鉀（TK）含量呈現(xiàn)出逐漸上升趨勢，發(fā)酵結(jié)束后，各組全磷（TP）、全鉀（TK）含量比初始值均升高，主要是由于磷元素和鉀元素較為穩(wěn)定，不易隨著水分的蒸發(fā)而揮發(fā)下降，該結(jié)果與牛糞、羊糞等其他發(fā)酵底物結(jié)果一致[14-15]。

3.3 發(fā)芽指數(shù)、物理性狀的變化

發(fā)芽指數(shù)（GI）用來進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)物毒性判斷，被認(rèn)為是評價堆腐產(chǎn)品無害腐熟最具說服力的方法[16]。種子發(fā)芽指數(shù)綜合反映了堆肥的植物毒性，被認(rèn)為是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度評價指標(biāo)[17]。一般情況下，發(fā)芽指數(shù)大于50%可認(rèn)為堆肥對種子基本無毒性。反映發(fā)酵腐熟程度。在糞污發(fā)酵初期，發(fā)酵糞污具有很強(qiáng)的生物毒性，GI值較低，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，毒性逐漸降低，GI值緩慢升高，發(fā)酵完全后發(fā)酵產(chǎn)物的GI值可以達(dá)到100%。糞污本身具有刺激性氣味，在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生刺激性氣體，如H2S、NH3等[18]。隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行，這些氣味逐漸降低并在完全發(fā)酵腐解后消失，發(fā)酵完全的產(chǎn)物整體較為疏松，具有土壤的芳香氣息，顏色為褐色或茶褐色[19]。在試驗中，各試驗組發(fā)酵產(chǎn)物顏色逐漸變?yōu)楹稚?，但是對照組發(fā)酵產(chǎn)物表明為黑棕色，內(nèi)層仍然有部分黃色粘塊，并伴有糞臭味和氨味，且蓬松度不夠，粘塊較多，這是由于在發(fā)酵過程中水分損失較少，整體水分含量仍然較高。

4 結(jié)論

（1）試驗通過不同的體積比處理，對鵝糞與玉米秸稈發(fā)酵結(jié)束后，各試驗組的溫度、含水率、pH和養(yǎng)分含量、發(fā)芽指數(shù)進(jìn)行評價，得出，鵝糞與玉米秸稈體積比為3∶2的處理進(jìn)行發(fā)酵最為適宜。且pH及養(yǎng)分含量均能達(dá)到有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)，參照《NY525-2012有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)》。發(fā)酵過程中55℃以上的高溫持續(xù)7 d左右，可以達(dá)到糞污無污化衛(wèi)生要求標(biāo)準(zhǔn)，參照《GB7959-87糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[20]。

（2）取最新鮮的鵝糞為主料，玉米秸稈為輔料。以不同的體積比為試驗因素，以溫度、含水率、pH、全氮、全磷、全鉀和發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)的變化來評價腐解度。試驗研究結(jié)果表明，鵝糞與玉米秸稈體積比為3∶2組的發(fā)酵效果最優(yōu)，實際發(fā)酵天數(shù)為35 d，種子發(fā)芽指數(shù)為100%。