秸秆不同还田方式的堆肥效果

刘绍鹏 李清秀 贺峰

摘要：将秸秆、秸秆制沼气后沼渣和秸秆饲喂羊后粪便与污水处理厂污泥混合进行堆肥试验。对此3种原料堆肥温度、pH值、C/N、有机质含量、种子发芽指数、气味变化进行堆肥评价，结果这3种原料均达到腐熟要求。综合经济效益和投入成本认为，秸秆先饲喂牲畜再进行沼气生产、最后进行堆肥的还田方式最佳。

关键词：秸秆还田；优化模式；堆肥；堆肥温度；pH值；有机质含量；气味变化；腐熟度；种子发芽指数

中图分类号： S141.4文献标志码：

文章編号：1002-1302（2016）08-0483-03

我国是农业大国，粮食产量世界第一，与此同时秸秆年产量为9亿t。对秸秆的利用目前有秸秆制备沼气、秸秆制备饲料和直接还田以及制备建材、编制手工品等[1]。其中，秸秆制备沼气或饲喂牲畜后留下沼渣或牲畜粪便，其最佳利用方式是制备肥料还田。然而，沼渣或牲畜粪便不经堆肥处理直接施放农田，会对农作物生长和农业生产造成负面影响[2-4]。秸秆直接还田可减少中间处理环节，且一次性处理量大，成本低廉。但是，由于秸秆中含氮量少，且直接还田时在微生物的作用下耗氧量上升，产生大量有害气体，导致作物根部受害，生长抑制，营养不良，免疫力差，倒伏减产[5]。因此，不论是直接还田或者是秸秆利用后间接还田都需要经过堆肥处理，才能够保障肥料营养安全。

堆肥处理可以保障秸秆、粪便或沼渣在微生物作用下通过高温发酵杀死病原菌、腐殖有机物、稳定质量，最终使其达到腐熟，成为宝贵的复混肥料[6]。而评价肥料是否腐熟，一般从种子发芽指数（GI）、有机质含量、氨氮含量、堆腐过程中温度变化等指标来评价。

本研究对秸秆、秸秆产沼气后沼渣和以秸秆为主食的牲畜粪便进行堆肥处理，以期找到秸秆还田的最佳方式。

1材料与方法

1.1材料来源

秸秆取自江苏省徐州市丰县宋楼镇农户，生污泥取自苏北某污水处理厂污泥脱水车间，沼渣取自徐州生物工程职业技术学院校内沼气池，牲畜粪便为以秸秆为主饲养的羊粪。

1.2试验装置

以自制立方体堆肥箱堆肥，容积为20 L，堆肥体积约为15 L。堆肥箱上方设有通风出气口和温度计插口，底部连接通风管和垃圾渗滤液出口塑料管。箱底接近底部处设有一面承托堆肥物的筛板，筛板与底部约为3 L气体容积。

1.3试验方法

1.3.1堆肥试验设计及堆制[7]以污泥为接种物，将污泥与堆肥对象按1 ∶[KG-3]2的比例混合，调节含水率至（65±5）%，密封上部，底部用曝气泵通风，环境温度为（20±1） ℃，堆制 15 d。其中，1号堆肥箱为秸秆，2号为沼渣，3号为羊粪便。

1.3.2分析方法

1.3.2.1温度分析每天09：00测定堆肥温度并记录，测试深度为堆层表面下30cm处。

1.3.2.2含水率分析称取10.0 g样品，烘箱内烘12 h，称质量。

1.3.2.3pH值测定取1.0 g样品，加去离子水10 mL，混匀，以pH计测定。

1.3.2.4有机质含量分析取1.0 g烘干后样品，于马弗炉中550 ℃下灼烧4 h，称质量。

1.3.2.5碳、氮含量分析其中，全氮分析以硫酸-过氧化氢联合消煮后通过凯氏定氮法测定；以重铬酸钾容量法-沸水浴稀释热法分析碳含量。

1.3.2.6GI测定[8]称取待测堆肥样品5.0 g，与蒸馏水按体积比1 ∶[KG-3]10混合，振荡后过滤，吸取10 mL滤液，加到铺有2张滤纸的培养皿中，每个培养皿均匀摆放20粒水芹种子，在温度为（30±1） ℃恒温培养箱中培养48 h后，测定发芽率和根长，同时以蒸馏水为对照，每个处理3次重复。

[JZ]GI=GI1/GI2×100%。

式中：GI1为浸提液种子发芽率×根长，GI2为对照种子发芽率×根长。

1.3.2.7气味分析将待测样品置于三角烧瓶中，离鼻孔30 cm，轻轻扇动瓶口上方判断气味。以新鲜沼渣气味5级，以稻田土壤气味为0级，判断待测样品腐熟情况。

2结果与分析

2.1堆肥过程中温度的变化

由图1可知，环境温度基本维持在20 ℃左右。堆肥时，堆肥箱内温度的变化可分为升温期、高温期、降温期和稳定期[8]。其中，在升温期时有机物开始分解，微生物生长。此时，主要利用的原料为单糖、蛋白质和脂肪等易降解原料。高温期温度基本达到48 ℃以上。在高温期，微生物生长迅猛，原料中纤维素和半纤维素出现降解，原料开始往腐殖化过渡。当温度维持在48～60 ℃/d时，原料中有害菌或寄生虫可被杀死。在降温期，当温度降低到50 ℃以下，高温菌活动衰弱，但中温性微生物活动依然存在，原料进一步腐熟。在稳定期，堆肥温度稍高于室温，原料中微生物活动处于衰退势，原料基本被腐熟。由图1可知，秸秆和羊粪便在堆肥过程中进入高温期迅速，维持时间也长，均为6 d，只是羊粪便进入高温期比秸秆快1 d且总体维持高温水平均高于其他2组。这可能是因为羊粪便中氮源较其他2组充分，更适合微生物的生长。而沼渣高温期维持时间仅为3 d，且进入高温期时间迟缓，约到9 d左右时才缓慢达到高温。这可能是因为沼渣中可被利用的有机物在之前的沼气发酵中消耗较大，从而导致整体堆肥温度水平不高。另一方面，沼渣蓬松度比秸秆和羊粪便差，与污泥混合后通气性较差，影响好养微生物呼吸，这有可能是导致沼渣不能迅速进入高温期的另一原因。

2.3堆肥过程中有机质含量的变化

由表2可知，秸秆的初始有机质含量高，堆肥过程中有机质含量下降也最多，沼渣有机质含量下降幅度最小，但最终有机质含量与秸秆相当。这是因为秸秆经沼气发酵时消耗的一部分有机质加上好氧堆肥时剩下被降解的有机质相当于秸秆可被微生物降解的部分。而秸秆直接堆肥，由于蓬松度比沼渣好，所以降解率会稍高一些。羊粪便的有機质降解幅度比秸秆低，初始有机质含量也低于秸秆，与沼渣相当。但以秸秆为主的饲料中添加了豆粕、玉米淀粉等材料，因此该数据不能直接反映秸秆在牲畜体内降解程度。通过最终有机质含量的确定，可以确定这3种原料最终剩余的有机质为51%左右，无明显差别。

2.5堆肥过程中pH值的变化

由表4可知，在堆肥开始前，3种原料pH值均为弱碱性；而随着堆肥过程的延续，3种原料pH值均呈下降趋势，这是由微生物活动时会产生大量有机酸所致；而在堆肥7 d时，沼渣和羊粪便pH值较秸秆的稍高，这是由于沼渣中微生物尚未达到最佳生长状态；羊粪便中氮元素含量较高，因此在分解过程中产生氨氮从而回补了有机酸生成所造成的pH值下降。大量有机酸的积累会抑制微生物生长，说明如果秸秆直接用于堆肥，应适当补充氮素，如添加粪肥、尿素等，以保持微生物的生长活性。

3结论

通过堆肥处理，秸秆、沼渣和羊粪便均可达到腐熟标准。未经堆肥处理的秸秆、沼渣和羊粪便C/N过高，沼渣和羊粪便气味很重，均不适合直接施放农田。秸秆不可不加任何处理直接还田，因为随着土壤微生物的分解作用，秸秆会产生有毒物质，一定程度上抑制植物生长。堆肥过程会消耗秸秆有机质，但同时也会消除秸秆的植物毒性。通过15 d的堆肥，沼渣、秸秆和羊粪便的GI均超过80%，可认为植物毒性已被消除。

从投入成本和效益来看，秸秆直接还田所投入成本最低，但依然需要进行堆肥处理才能做到还田。而秸秆制备沼气后，虽然在堆肥过程中效果较差，其制肥结果和秸秆直接堆肥差别不大。在制备沼气过程中，虽要投入一定的人力物力来满足沼气生产和沼渣出料，但经济收益远大于直接还田。秸秆制成饲料后以粪便还田的形式称为“过腹还田”。从堆肥效果来看，羊粪便的堆肥腐熟度最佳，且经济收益比沼气还田还高。然而，由于养分和口感的原因，目前以秸秆为主要饲料饲喂牲口的利用方式极其有限，所能利用的秸秆多为玉米秸秆，这也意味着“过腹还田”目前推广的局限性。

中国为农业大国，秸秆资源丰富。秸秆最佳的还田方式为先饲养牲畜，再取其粪便制备沼气，最后进行还田的间接还田方式。而在这过程中，制备牲畜饲料是核心技术问题。如能制备口感良好、营养丰富的动物饲料，则可进一步解决秸秆消费的问题，进而为畜粪制气和沼渣制肥环节带来充足原料。

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