添加硫酸对牛粪堆肥过程及其养分变化的影响

胡雨彤， 时连辉, 3*， 刘登民， 仝少伟， 魏美艳， 孙 杰

(1 土肥资源高效利用国家工程实验室，山东泰安 271018; 2 山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018; 3 山东省农业环境重点实验室，山东泰安 271018)

1 材料与方法

1.1 堆肥材料

于2012年5月9日至6月21日，牛粪堆肥试验在山东农业大学南校区堆肥基地进行，在山东农业大学资环学院进行堆肥理化性质分析。以鲜牛粪和锯末为原料进行条垛式翻堆堆肥。牛粪取于山东省泰安市岱宗北集坡赵庄，锯末购自泰安市木材市场，为松树板材加工下脚料，发酵菌剂由山东省泰安亚细亚食品有限公司有机肥料厂提供。堆肥原料的理化性质见表1。

表1 堆肥原料的理化性质

1.2 试验设计

试验进行初期，将鲜牛粪样品采集至室内，在1 L牛粪中添加不同量不同浓度的硫酸，发现用50 mL 0.02 mol/L的硫酸可以将牛粪中pH值调节至7.5左右， 用50 mL 0.1 mol/L的硫酸可以将牛粪中pH调节至6.3左右。针对堆肥过程中堆肥初期pH值在中至微碱性之间微生物活跃，酸性环境下抑制微生物活动，堆体温度上升较慢，易产生臭味等， 综合考虑各个因素，同时达到降低牛粪中pH值的作用，本试验共设4个处理： 1)不加硫酸仅原料堆肥+蒸馏水10 L/m3(CK); 2)原料+0.1 mol/L硫酸10 L/m3(H1); 3)原料+0.2 mol/L硫酸10 L/m3(H2); 4)原料+0.3 mol/L硫酸10 L/m3(H3)。将蒸馏水和硫酸溶液在堆料堆制过程中均匀地喷洒到原料中。在堆肥堆制第0、 3、 6、 13、 20、 27、 43 d进行采样，共计7次。采样方式为5点采样法，即中心和四角部位采集样品共约1 kg。采样点为距堆体表面30 cm处，然后进行混合均匀。将采集的新鲜样品用于测定含水量、 有机碳、 发芽指数; 部分放于室内风干，取部分测pH值、 EC值，其余粉碎，过1 mm筛贮存，用于全氮、 全磷、 全钾、 有效磷、 速效钾的测定。剩余样品于4℃冰箱保存。

1.3 测定项目与方法

温度： 于每天早上10： 00用温度计插入堆体表层下30 cm处，采用多点测量取平均值的方法，同时监测环境温度的变化。

含水率： 用80℃恒温箱烘24 h后测定，含水率=(湿重-干重)×100%/湿重。

pH、 EC： 采用1 ∶5(v/v)蒸馏水提取液测定基质pH和EC值。取自然状态下风干基质10 mL装入震荡瓶中，加蒸馏水50 mL，震荡30 min，过滤，用PC700测定仪测定。

堆肥中全氮、 全磷、 全钾指标按照农业行业标准NY525-2011测定; 有效磷按照NY/T300-1995测定; 速效钾按照NH4OAC浸提—火焰光度法测定; 有机碳按照灰化法测定，随后求出C/N。

种子发芽指数： 取5 g鲜样加入50 mL蒸馏水，振荡1 h，吸取5 mL滤液，加到铺有2张滤纸的9 cm培养皿中，每培养皿中均匀放入10粒新白菜籽(品种为北京3号)，以蒸馏水作对照，每个处理重复3次，在25℃黑暗条件下培养24 h，测定种子发芽率和根长，然后按以下公式计算种子的发芽指数GI值。

GI=(堆肥处理的种子发芽率×种子根长)×100%/(对照的种子发芽率×种子根长)。

试验数据用Excel 2003和SPSS 15.0进行分析。

2 结果与分析

2.1 堆体物理性状的变化

在堆肥第1 d，4个处理物料均呈现黄褐色，黏结成球块状，同时牛粪的气味基本未变。从第2 d测量温度发现，4个处理堆肥发酵速度较快，特别是添加硫酸处理。表层下30 cm左右已经开始冒热气及散发出刺激性气味。到堆肥第3 d采样发现有大量白色菌丝和强烈氨味。随着堆肥化进程的发展，堆肥物料颜色逐渐变深至黑褐色，开始腐烂。在堆肥第20天，测量发现各堆体高度与开始相比下降约25%左右。

2.2 堆体温度的变化

图1 不同添加量的硫酸对堆体温度的影响Fig.1 Temperature changes in the composting with different amounts of sulfuric acid

图2 不同添加量的硫酸对堆体含水量的变化Fig.2 Changes of moisture content in the composting with different amounts of sulfuric acid

2.3 堆肥过程中含水量的变化

2.4 堆肥过程中pH和EC值的变化

图3 不同添加量的硫酸对堆体pH和EC的影响Fig.3 pH and EC changes in the composting with different amounts of sulfuric acid

从图3中还可以看出，各处理的EC值在堆肥初期变化基本一致，呈现出升—降—升—降的趋势。整个堆肥过程中CK处理的EC值最低，其余3个处理由于硫酸的添加，增加了堆肥中可溶性盐的含量，同时由于发酵过程中产生大量小分子物质，促使EC值上升。研究认为，当堆肥EC值小于9.0 mS/cm时，对种子发芽没有抑制作用[11]。试验各处理EC值最高为3.02 mS/cm，并且到堆肥结束各个处理的EC值分别为1.65、 1.91、 2.16、 2.53 mS/cm，因此从EC值上看添加硫酸处理对堆肥质量影响不大。

2.5 堆肥过程中碳、 氮的变化

在堆肥过程中，微生物参与各种生化反应，而有机碳为微生物活动提供能量和碳源，所以有机碳的变化能在一定程度上反映堆肥的进程，很多学者通过研究有机碳的降解率来判断堆肥的腐熟度[13-15]。图4显示，整个堆肥周期内有机碳呈现下降趋势，且添加硫酸处理中有机碳下降趋势明显大于对照CK，堆肥结束时，H1、 H2、 H3中有机碳含量分别比对照CK降低了6.81%、 18.85%、 11.54%，说明添加硫酸对有机碳矿化有促进作用，特别是H2处理。

图4 不同添加量的硫酸对堆体全氮和有机碳含量的影响Fig.4 Total N and organic carbon in the composting with different amounts of sulfuric acid

2.5.2 堆体中C/N的变化 C/N比是堆肥过程中决定有机物质分解的重要因素可被作为评价堆肥腐熟的参数，反映堆肥的稳定程度以及堆肥中是否存在对植物有毒害作用的物质[16]。

图5 不同添加量的硫酸对堆肥过程中C/N的影响Fig.5 C/N in the composting with different amounts of sulfuric acid

2.6 堆体中钾的变化

图6表明，全钾含量在堆肥13天时略有下降趋势，随后开始上升，全钾含量上升可能由于钾在堆肥过程中不易挥发，随着堆肥过程的进行，堆体总质量下降，全钾含量发生浓缩所致。添加硫酸处理的堆肥中全钾含量显著高于对照CK，在堆肥结束时，CK、 H1、 H2、 H3中全钾含量分别达到12.40、 13.43、 14.08、 13.91 g/kg。在堆肥过程中，有机物料中固有的养分得到了充分的活化，速效钾含量随着堆肥的进行呈现明显的增加趋势，堆肥43 d与第1 d相比，CK、 H1、 H2、 H3中速效钾增幅达到64.91%、 76.00%、 96.00%、 84.02%，说明添加硫酸可以较好将钾素转化成可溶性钾以及交换性钾，利于堆肥产品中钾素被植物吸收利用，特别是H2处理。图6中速效钾在全钾中的百分比在堆肥过程中出现波动，但总体趋势是增加的，其百分比出现降低的时候，可能是当时速效钾的增加量小于全钾的增加量的缘故。堆肥结束时，不同处理中速效钾占全钾的百分比基本达到75%左右。

2.7 堆体中磷的变化

图6 不同添加量的硫酸对堆肥过程中钾的影响Fig.6 Potassium in the composting with different amounts of sulfuric acid

图7 不同添加量的硫酸对堆肥过程中磷的影响Fig.7 Phosphorus in the composting with different amounts of sulfuric acid

2.8 种子发芽指数的变化

发芽指数是用来评价培养介质对植物毒性的参数，是检验堆肥腐熟度最精确最有效的方法，一般认为当GI大于50%时，堆肥基本腐熟且没有毒性，当GI大于80%时堆肥已完全腐熟，对植物的毒性完全消失[18]。

图8 不同添加量的硫酸对堆肥过程中发芽指数的影响Fig. 8 Changes of seed germination index in the composting with different amounts of sulfuric acid

图8显示，堆肥3天采集样品时，添加硫酸处理的发芽指数略有下降，可能由于此时添加硫酸处理堆体内微生物活动剧烈，产生大量有机酸所致; 随后发芽指数开始上升，在堆肥20 d以后，试验中4个处理发芽指数均大于50%，说明此时堆体已基本腐熟; 堆肥结束时CK、 T1、 T2、 T3处理中发芽指数分别达到81.54%、 84.01%、 93.46%、 90.28%，均大于80%，说明添加硫酸不会对堆肥产品产生植物毒害作用。

3 讨论

硫酸是农业上制造农药和化肥的常用原料，常用来改良高pH值的石灰质土壤，在调节堆肥pH值的应用中直接应用硫酸的较少。本试验处理中，在添加不同浓度硫酸之后，各处理均可进行高温堆肥。在添加不同浓度硫酸之后，堆肥中氮的固定效果增强，有机碳得到充分降解(图4)，这与顾文杰等[7]、 黄懿梅等[19]、 林小风等[20]的研究结果相似。李晓娜等[21]研究表明，在碱性土壤中添加改良剂在降低土壤pH值的同时，可以活化土壤磷的有效性，徐鹏翔[22]研究表明，在猪粪中添加腐植酸可以使有效钾得到显著增加，有效磷得到活化，但转化效果不明显。该试验中添加硫酸处理，堆体中有效养分得到活化，添加0.2 mol/L硫酸处理下有效养分含量最高(图6、 图7)。堆体结束时发芽指数均大于80%，EC值最大为3.02 mS/cm，说明添加硫酸虽然活化了盐分离子的活性，但是对作物生长不会产生抑制作用。

本试验从保氮以及养分元素有效性来看，使用0.2 mol/L硫酸效果最好，pH值降低幅度最大的是0.3 mol/L硫酸，在实际应用时应根据需要谨慎选择硫酸浓度，同时如果需要更大幅度降低牛粪pH值，在增大硫酸浓度的同时，应注意使堆肥达到无害化标准。

4 结论

1)本试验进展中，CK、 H1、 H2、 H3 4个处理中堆肥高温期(≥50℃)均大于10 d，达到畜禽粪便无害化的要求，堆肥结束时EC值在3 mS/cm以下，不会对作物生长产生毒害作用。

3)加入适当的硫酸能提高堆肥产品中全量养分及速效养分的含量，尤其是使用0.2 mol/L的硫酸时，在堆肥结束的时候，养分含量最高，从养分元素的有效性上来说使用0.2 mol/L的硫酸处理堆肥腐熟效果最好。

4)各处理的发芽指数表明，堆肥20 d之后，堆体已达到基本腐熟，堆肥结束时，已达到完全腐熟，对植物无毒害作用，其中添加0.2 mol/L硫酸堆体发芽指数最高。

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