添加麦秸与发酵菌剂对废垫料堆肥再发酵过程的影响

刘宇锋,范如芹,罗 佳,苏天明,唐玉邦,张振华*

(1.江苏省农业科学院 农业资源与环境研究所,江苏 南京 210014;2.广西农业科学院 农业资源与环境研究所,广西 南宁 530007;3.江苏省农业科学院 农业设施与装备研究所,江苏 南京 210014)



添加麦秸与发酵菌剂对废垫料堆肥再发酵过程的影响

刘宇锋1,2,范如芹1,罗 佳1,苏天明2,唐玉邦3,张振华1*

(1.江苏省农业科学院 农业资源与环境研究所,江苏 南京 210014;2.广西农业科学院 农业资源与环境研究所,广西 南宁 530007;3.江苏省农业科学院 农业设施与装备研究所,江苏 南京 210014)

设置4种麦秸与废垫料比例(0∶10、2∶8、4∶6、6∶4)与2种发酵菌剂添加方式(不接种菌剂、接种菌剂)，研究了麦秸与废垫料比例以及发酵菌剂对畜禽养殖废垫料堆肥再发酵过程的影响。结果表明:添加麦秸对废垫料堆肥再发酵过程存在显著性影响,能增加发酵温度和腐殖酸含量,相对增加全N含量,部分增加全磷、全钾含量,降低物料EC值,提高有机质含量,并能快速影响C/N的变化，以4∶6水平下的效果最为明显；接种发酵菌剂对堆肥再发酵有一定的促进作用，能在一定程度上提高发酵温度,提高物料中腐殖酸含量,并在一定程度上降低C/N和EC；上述2个因素结合应用的效果优于单独接种发酵菌剂的效果。综上所述,麦秸与废垫料比例为4∶6与接种发酵菌剂的处理组合是最合适的废垫料再发酵模式。

废垫料;麦秸与废垫料比例;发酵菌剂;堆肥再发酵

发酵床垫料是畜禽活动场所和畜禽粪尿的主要载体[1]。发酵床垫料受到垫料组分性质、畜禽养殖种类与方式、畜禽养殖密度和养殖过程日常维护等因素的影响,发酵床垫料有一定的使用寿命,一般0.5～5.0年不等[2]。在发酵床垫料达到使用寿命后,须更换新的发酵床垫料；被替换下来的垫料就成为废垫料。由于废垫料存在盐度积累较高[3]、病原微生物滋生、寄生虫卵残留等问题[4-5],在废弃垫料能否直接作为有机肥料使用并释放到环境方面,还存在一定争议[6-7]。若将废垫料完全废弃,则不但会造成资源浪费,还会形成新的农业面源污染源,从而限制发酵床养殖技术的进一步推广。因此,废弃垫料的无害化、资源化综合利用成为废垫料处理的基本方向。

目前对废垫料的处理方式主要有再生和堆肥再发酵。因再生成本较高,堆肥再发酵成为目前对废垫料进行无害化、资源化处理的主要方法[8-9]。废垫料堆肥再发酵处理可降低废弃垫料中有害物质的毒性,减小堆存的体积和重量;该处理具有处理成本低、无害化程度高,处理能力大,有利于贮存、运输和施用等诸多优点，不仅可以解决畜禽规模化养殖带来的环境污染问题,而且对发展循环农业、培肥地力、促进农业可持续发展均具有重要意义。

在商品有机肥生产过程中,加快升温速度、缩短堆腐时间是提高商品有机肥生产经济效益的关键。传统堆肥法一般利用堆制原料中的土著微生物来降解物料,存在发酵时间长、NH3挥发严重、肥效降低和环境污染等问题[10-11]。大量研究表明接种外源发酵菌剂具有促使堆肥物料快速达到高温、降低堆肥过程中N损失[12]、缩短发酵时间、提高堆肥质量等作用[13-15]，可有效降低工厂化堆肥中堆肥时间和场地成本,经济提升效果明显。

目前,在废弃垫料的资源化评价[6-7,16]、有害物质残留分析[2,17-18]、对作物生长发育的影响[19-20]、发酵菌剂在废垫料堆肥发酵中应用[21]等方面已有不少研究报道，但对不同比例作物秸秆并结合发酵菌剂接种在废垫料堆肥再发酵中使用的研究还不多见，同时对堆肥再发酵过程进行动态监测目前尚缺乏系统报道。本试验以猪发酵床废垫料为研究对象,添加不同比例的麦秸,并结合发酵菌剂接种,研究了废垫料堆肥再发酵过程中堆肥物料主要理化性状的变化,旨在为废垫料资源化综合利用提供数据支撑和理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015年11月在江苏省农业科学院玻璃温室(32°2′22″N,118°51′43″E)内进行。本试验以江苏省农业科学院六合动物科学基地生猪发酵床养殖场(其畜禽养殖种类为苏中猪)提供的猪发酵床废弃垫料(以下简称废垫料)为主要试验材料,其主要由麦秸与木屑按1∶4(V/V)的比例组成,使用年限1.5年;其基本理化性状为:pH 6.6,电导率(EC)6.1 ms/cm,有机质含量391.8 g/kg,含水率37.6%,全N 18.7 g/kg,全P 21.3 g/kg,全K 8.3 g/kg,腐殖酸含量68.6 g/kg。供试小麦秸秆(以下简称麦秸)经自然晾干后,用粉碎机粉碎2次,形成0.5～1.0 cm的麦秸颗粒,其基本理化性状如下:有机质含量924.6 g/kg,含水率9.4%,全N 6.6 g/kg,全P 0.5 g/kg,全K 36.7 g/kg。试验发酵用菌剂(以下简称菌剂)是由康源绿洲生物科技(北京)有限公司研制的EM有机肥发酵菌剂,其主要成分包括枯草芽孢杆菌、光合米曲霉、地衣芽孢杆菌、戊糖片球菌。再发酵试验在塑料周转箱(长×宽×高为57.2 cm×38.5 cm×29.5 cm,空重2.5 kg)内进行,各发酵堆体总质量为24 kg左右。试验从2015年11月4日开始，至2015年11月24日结束,历时21 d。

1.2 试验设计与样品采集

以麦秸与废垫料比例(简称麦秸添加比例, RWS)和发酵菌剂(MI)为试验因素。在总发酵堆质量不变的情况下,设置麦秸与废垫料质量比(m/m)0∶10、2∶8、4∶6和6∶4共4个水平;发酵菌剂接种设置2个水平,分别为不接种(MI-)与接种(MI+)。以废垫料直接发酵作为对照,共组合成8个处理,每处理重复3次,共计24个发酵堆。

2015年11月4日各处理堆肥再发酵堆构建,设为起点(0 d)；2015年11月24日堆肥再发酵结束,设为终点(20 d)。在堆肥过程中每5 d采集样品,并人工翻堆1次。在每次翻堆前进行取样,使用土壤取样器对各处理按“S”型5点法进行样品采集,然后将样品充分混合，分成4份,用塑料封口袋密封保存。部分鲜样用于腐殖酸含量等指标的测定；对其余垫料样品进行风干7 d处理,供其他试验指标分析用。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 不同堆层堆温和环境温度 使用T-80型便携式热电偶温度探针对堆体表面(0～1 cm)、中层(15～20 cm)和底部(25～30 cm)处进行堆温监测,以“S”型5点位置测定法对相同试验处理各发酵堆层各进行5次测定,计算其平均值作为各堆层发酵温度;同时测定环境温度。测定在每天上午9:00～11:00进行。

1.3.2 腐殖酸含量 各处理物料腐殖酸含量的测定参照《有机肥料中腐殖酸含量的测定》[22]进行。

1.3.3 全N、全P和全K含量 物料全N、全P、全K含量分析均采取H2SO4-H2O2法消煮,采用凯氏定氮法测定全N含量,用钒钼黄比色法测定全P含量,用火焰光度法测定全K含量[23]。

1.3.4 物料pH 值与电导率(EC) 将风干物料与去离子水按1∶5(m/V)的比例混合,经振荡过滤后测定pH值与EC。

1.3.5 物料有机质和C/N 对各处理物料有机质含量的测定采用灼烧法[24]。通过计算获取C/N比，其中有机碳含量的计算用王飞等[25]的公式。

1.4 数据处理与分析

用SPSS 22.0统计分析软件中的通用线性模型双因素变量法进行方差分析,包括麦秸与废垫料比例(RWS)、发酵菌剂(MI)以及两者的交互作用(RWS×MI)；用Duncan’s法进行多重比较(P<0.05)；使用Origin 9.3统计作图软件进行相关数据的统计作图。

2 结果与分析

2.1 堆温

分析麦秸与废垫料比例与发酵菌剂对再发酵垫料表面、中层和底部堆温的影响，结果(图1)发现： RWS1、RWS2、RWS3和RWS4处理的再发酵表面温度与环境温度变化基本一致,受内部发酵活动的影响较小；各处理发酵堆中部与底部堆温均在0～5 d逐步上升,并维持高温发酵阶段,然后逐步下降；堆温随麦秸添加比例增加而不同程度增加,在5～7 d均不同程度地达到堆温峰值,具体表现为RWS3>RWS4> RWS2>RWS1,表明麦秸与废垫料比例4∶6处理能快速启动发酵并达到高温阶段,并维持发酵高温状态；在25～30 cm发酵堆底部,发酵在一定程度上进行,但活动强度不如中部；同时,发酵菌剂接种各处理的堆温均小幅高于未接种菌剂处理的。本试验还发现各处理的堆温峰值均未超过50 ℃,这可能与发酵堆体不大有关,在今后研究中需进一步完善。

ET:环境温度; S:发酵堆表面; M:发酵堆中部; B:发酵堆底部。图1 添加麦秸与发酵菌剂对废垫料再发酵过程中堆温的影响

2.2 腐殖酸含量

从图2可以看出，在整个再发酵过程中,各处理的腐殖酸含量均呈现先下降后上升再缓慢下降的变化趋势。具体而言：腐殖酸含量在0～5 d阶段出现下降,在5 d时各处理的腐殖酸含量较0 d下降了4.2%～10.7%；随着再发酵的进行,腐殖酸含量逐步增加,在5～10 d、10～15 d和15～20 d三个再发酵阶段,后一时期的腐殖酸含量较前一时期分别增加了20.4%～61.6%、4.5%～10.4%和2.7%～10.6%,以5～10 d阶段腐殖酸含量的增幅最大。各试验处理的腐殖酸含量在堆肥结束时(20 d)较启堆阶段(0 d)增加了3.2%～25.7%；而作为对照的RWS1处理,由于没有添加麦秸,腐殖酸含量在堆肥再发酵过程中有波动,但腐殖酸含量在堆肥发酵结束时较启堆时没有明显增加。在0 d和5 d,各处理的腐殖酸含量随麦秸添加比例的增加而减少,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七个处理组合的腐殖酸含量较对应时间点内RWS1-MI-(CK)分别下降了5.7%～12.1%和2.9%～14.2%；在10 d、15 d和20 d三个再发酵阶段，上述处理组合的腐殖酸含量较相应时间点内对照分别增加了3.5%～19.3%、6.3%～16.2%、2.0%～10.7%。在各处理中,接种发酵菌剂(MI+)较不接种菌剂(MI-)小幅度增加了发酵垫料的腐殖酸含量;其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四个相同麦秸与废垫料比例中,MI+的发酵垫料腐殖酸含量较MI-分别提高了0.7%～6.3%、1.2%～2.4%、1.1%～2.1%和0.9%～1.7%。

2.3 全N、全P和全K含量

从表1～表3可以看出：麦秸与废垫料比例对整个再发酵过程中再发酵垫料的全N、全P和全K含量均有显著性影响(P<0.05)；发酵菌剂对发酵过程中5 d各处理的全N含量影响显著；麦秸与废垫料比例×发酵菌剂对5 d、10 d再发酵垫料全N含量影响显著；发酵菌剂、麦秸与废垫料比例×发酵菌剂对发酵过程中5 d的发酵垫料的全P和全K含量影响显著。

在再发酵过程中，各处理发酵垫料的全N含量呈先下降然后逐步上升的趋势(表1)。在0～5 d发酵阶段,各处理的全N含量下降较为明显,5 d各处理的全N含量较0 d相应处理下降了3.9%～16.6%；而在5～10 d、10～15 d、15～20 d这3个再发酵时间段内,各处理的全N含量较0 d分别增加了2.7%～13.9%、1.2%～3.2%和0.6%～3.2%。RWS1-MI-和RWS1-MI+处理再发酵垫料的全N含量在发酵中止时(20 d)较启堆时(0 d)分别减少了5.3%和5.9%,而其他处理则增加了1.2%～4.5%。再发酵垫料的全N含量随麦秸添加比例的增加而降低,这个趋势在再发酵过程中均呈现。在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五个再发酵时间点,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七个处理组合的物料全N含量较对应时间点内RWS1-MI-(CK)分别降低了7.5%～17.6%、0.3%～0.8%、0.6%～11.0%、1.1%～10.9%和0.6%～9.7%。在各处理中,接种发酵菌剂 (MI+)较不接种菌剂(MI-)小幅度增加了发酵垫料的全N含量;其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四个相同麦秸与废垫料比例中,MI+发酵垫料的全N含量较MI-分别提高了0%～0.6%、0.6%～1.7%、0.6%～1.2%和0.7%～1.3%。

各处理的全P含量在再发酵过程中均呈逐步上升的趋势(表2)。发酵结束(20 d)时各处理的全P含量较启堆时增加了4.3%～10.8%。在0～5 d、5～10 d、10～15 d、15～20 d四个堆肥再发酵时间段,各处理的全P含量较前一个时间段分别增加了1.0%～5.1%、1.0%～3.9%、0.5%～4.2%和0.9%～2.9%。再发酵垫料的全P含量随麦秸添加比例的增高而降低,并在各发酵时期均有表现,在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五个再发酵时间点,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七个处理组合的全P含量较对应时间点内RWS1-MI-(CK)分别降低了0.5%～8.5%、2.8%～6.5%、3.6%～6.8%、2.7%～6.3%和2.8%～3.7%。接种发酵菌剂 (MI+)较不接种菌剂(MI-)部分增加了发酵垫料的全P含量,其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四个相同麦秸与废垫料比例中,MI+的发酵垫料的全P含量较MI-分别增加了0.5%～0.9%、0.5%～1.0%、0.4%～1.0%和0.1%～1.4%。

各处理物料的全K含量在再发酵过程中均呈逐步上升的趋势(表3)。在发酵结束(20 d)时各处理的全K含量较启堆(0 d)时增加了4.8%～10.8%。在0～5 d、5～10 d、10～15 d、15～20 d四个再发酵时间段内,各处理物料的全K含量分别较前一时间段增加了1.2%～3.8%、1.0%～3.2%、1.1%～3.5%和1.4%～3.4%。各处理发酵垫料的全K含量随麦秸添加比例的增高而下降,在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五个再发酵时间段内,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七个处理组合的全K含量较对应时间点内RWS1-MI-(CK)分别降低了1.2%～6.4%、1.2%～5.9%、1.2%～5.8%、2.2%～8.0%和4.0%～8.8%。在4个相同的麦秸与废垫料比例中,MI+的发酵垫料的全K含量较MI-均有所提高。

表1 添加麦秸与发酵菌剂处理对废垫料堆肥再发酵过程中全N含量的影响

变异因素显著性(P值)0d5d10d15d20dRWS0.030.010.040.050.04MINS0.05NSNSNSRWS×MINS0.040.05NSNS

注：麦秸与废垫料比例用RWS表示,发酵菌剂用MI表示, RWS与MI的交互作用采用RWS×MI表示。同一列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05),NS表示不显著。下同。

表2 添加麦秸与发酵菌剂处理对废垫料堆肥再发酵过程中全P含量的影响

变异因素显著性(P值)0d5d10d15d20dRWS0.020.030.040.040.05MINS0.04NSNSNSRWS×MINS0.05NSNSNS

2.4 pH与EC

由表4可知：麦秸与废垫料比例在整个再发酵过程中对再发酵垫料的pH值均有极显著的影响(P<0.01)；发酵菌剂在发酵5 d、10 d、15 d和20 d时对再发酵垫料的pH值有极显著性影响(P<0.01)；麦秸与废垫料比例×菌剂接种在除5 d外的其余4个发酵时间点上对pH值影响显著。

在再发酵过程中，各处理的pH值呈先上升后下降再逐步回升的变化趋势(表4),发酵结束(20 d)时各处理的pH较发酵起始(0 d)时增加了8.0%～17.8%。各处理的pH值随麦秸添加比例的增加而升高,表现为RWS4>RWS3>RWS2>RWS1,这一变化规律在堆肥再发酵各时间点内均有不同程度的表现。在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五个再发酵时间点,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七个处理组合的pH值较对应时间点内RWS1-MI-(CK)处理分别增加了1.2%～11.1%、2.5%～12.0%、2.0%～20.5%、5.1%～25.4%和2.6%～19.0%。在0～5 d发酵阶段,pH值上升最为明显,5 d各处理的pH值较0 d增加了7.5%～10.0%；除5～10 d外,各处理后期的pH值较对应前期的pH值下降了0%～8.1%；而在10～15 d、15～20 d这2个再发酵阶段内,各处理的pH值分别较前一个发酵时段上升了2.7%～9.1%和1.4%～6.2%。接种发酵菌剂较不接种菌剂均提高物料的pH值，其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四个相同麦秸与废垫料比例中,MI+较MI-分别提高发酵垫料的pH值0.8%～4.5%、1.0%～2.7%、0.1%～3.8%和0.4%～1.4%,且差异显著(P<0.05)。

变异因素显著性(P值)0d5d10d15d20dRWS0.030.030.030.040.05MINS0.04NSNSNSRWS×MINS0.05NSNSNS

表4 添加麦秸与发酵菌剂处理对堆肥再发酵过程中物料pH值的影响

变异因素显著性(P值)0d5d10d15d20dRWS<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01MINS<0.01<0.01<0.01<0.01RWS×MI<0.01NS<0.01<0.010.01

由表5可见：麦秸与废垫料比例对整个堆肥再发酵过程中再发酵垫料的EC均有极显著的影响(P<0.01)；发酵菌剂对15 d时再发酵垫料的EC存在显著性影响(P<0.05)；麦秸与废垫料比例×发酵菌剂对10 d、20 d时的EC均存在极显著影响(P<0.01)。

在再发酵过程中，各处理的EC表现出先下降再小幅上升的趋势(表5),但整体呈现下降趋势,在发酵结束(20 d)时各处理的EC较发酵起始(0 d)时降低了2.1%～13.5%。作为对照的RWS1-MI-处理,EC的降幅最小。各处理的EC随麦秸添加比例的升高而降低,表现为RWS4>RWS3>RWS2>RWS1,在各发酵时间点该趋势均有不同程度的表现。在0～5 d、5～10 d、10～15 d这3个发酵阶段,后期再发酵垫料的EC分别较前期下降了0.2%～12.4%、7.6%～63.3%和1.9%～17.3%,而在20 d增加了3.5%～60.7%。在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五个再发酵时间段,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七个处理组合的EC较对应时间点内RWS1-MI-(CK)的EC值分别减低了3.6%～15.2%、5.2%～19.7%、2.5%～67.1%、0.7%～51.2%和0.3%～30.0%。接种发酵菌剂均在一定程度上降低了再发酵垫料的EC,在RWS2和RWS3下EC的下降最为明显,MI+较MI-分别降低再发酵垫料的EC 6.2%～7.2%和1.1%～10.7%。

表5 麦秸添加与发酵菌剂处理对再发酵过程中堆肥EC的影响

变异因素显著性(P值)0d5d10d15d20dRWS<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01MINSNSNS0.02NSRWS×MINSNS<0.01NS0.01

2.5 有机质和C/N

表6表明：麦秸与废垫料比例在整个堆肥再发酵过程中对物料有机质含量均有极显著的影响(P<0.01)；发酵菌剂以及麦秸与废垫料比例×发酵菌剂对堆肥再发酵进行5 d、10 d、15 d时的物料有机质含量均有显著影响(P<0.05)。

从表6可以看出，各处理的物料有机质含量在堆肥再发酵期间均呈明显的下降趋势,发酵结束(20 d)时各处理的有机质含量较启堆(0 d)时下降了4.0%～7.6%。在0～5 d再发酵阶段,各处理的有机质含量降幅最为明显,5 d中各处理的有机质含量较0 d时下降了2.1%～6.3%；而在5～10 d、10～15 d、15～20 d这3个再发酵时间段内,各处理的有机质含量降幅分别为0.1%～2.3%、0.1%～1.1%和0.3%～3.0%,有机质含量虽有下降,但降幅明显降低。各处理的有机质含量随麦秸添加比例的升高而增加,表现为RWS4>RWS3>RWS2>RWS1,这一变化规律在发酵各时间点均有表现。在0 d、5 d、10 d、15 d和20 d五个再发酵时间点,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七个处理的有机质含量较相应时间点内RWS1-MI-(CK)分别增加了1.9%～25.5%、2.0%～23.9%、1.0%～23.5%、0.1%～23.9%和0.2%～23.8%,但增幅逐步下降。接种发酵菌剂(MI+)较不接种菌剂(MI-)均降低了废垫料的有机质含量，其中在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4相同麦秸与废垫料比例条件下,MI+较MI-分别降低有机质含量0.7%～1.6%、0.4%～0.8%、0.3%～1.5%和1.3%～2.4%。

表6 添加麦秸与发酵菌剂处理对堆肥再发酵过程中物料有机质含量的影响

变异因素显著性(P值)0d5d10d15d20dRWS<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01MINS0.040.030.05NSRWS×MINS0.040.050.05NS

数据分析结果(表7)表明：麦秸与废垫料比例在整个再发酵过程中对物料的C/N均有显著性影响(P<0.05)；发酵菌剂在5 d、10 d和20 d对物料的C/N影响显著；麦秸与废垫料比例×发酵菌剂在5 d、10 d对物料的C/N存在显著性影响(P<0.05)。

各处理的物料C/N随堆肥再发酵过程的进行而呈下降趋势(表7)。在0～5 d、5～10 d、10～15 d、15～20 d四个再发酵时间段内,后期的C/N较前期的C/N分别下降了0.8%～22.2%、0.8%～21.9%、0%～12.3%和0.8%～14.4%;发酵结束(20 d)时各处理的C/N较启堆(0 d)时下降了3.9%-49.2%,其中在RWS3和RWS4条件下的C/N在堆肥结束时下降最为明显,分别下降了42.2%～44.6%和47.9%～49.2%。物料的C/N在启堆时随麦秸添加比例的增高而增加;随着堆肥再发酵的进行,作为外源碳源的麦秸被逐步消耗,C/N随麦秸添加比例的增加而降低,在0 d、5 d、10 d、15 d再发酵时间点上,RWS4-MI+、RWS4-MI-、RWS3-MI+、RWS3-MI-、RWS2-MI+、RWS2-MI-、RWS1-MI+七个处理的C/N较RWS1-MI-(CK)分别增加了15.6%～108.6%、1.5%～56.9%、5.6%～33.3%和3.2～19.4%;而在20 d时,在7个麦秸添加与发酵菌剂处理中,仅RWS4-MI+、RWS4-MI-的C/N较RWS1-MI-分别增加了9.8%和13.0%,其余均不同程度下降，下降率为1.6%～8.1%。在RWS1、RWS2、RWS3和RWS4四个麦秸与废垫料比例条件下,MI+较MI-分别减低发酵垫料的C/N 0.8%～2.4%、0.7%～8.6%、0.5%～3.4%、0.4%～3.7%。

表7 麦秸与废垫料比例与发酵菌剂处理对废垫料再发酵过程中C/N的影响

变异因素显著性(P值)0d5d10d15d20dRWS<0.01<0.010.020.040.04MINS0.030.04NS0.05RWS×MINS0.020.03NSNS

3 讨论

3.1 麦秸与废垫料比例对堆肥再发酵过程的影响

在堆肥再发酵过程中,堆温直接反映了微生物活动强度和堆肥物质转化速度,同时温度变化对于杀灭致病菌、优化呼吸速率、去除水分和稳定堆肥物料至关重要,堆体温度的高低决定堆肥再发酵进程的快慢[26]。在本研究中,发现各处理的表层温度受处理因素的影响较小;而中层与底部堆温受自身发酵微生物活动影响明显,并发现在15～20 cm层堆温增幅最为明显,均明显高于表层和底部的,确认为主高温发酵层。汪开英等[27]研究发现,猪粪高温堆肥时,堆体的高温发酵层出现在离顶部20 cm和离底部20 cm之间。这与本试验的研究结果基本一致。同时在不同麦秸与废垫料比例水平下对堆温进行分析，发现在RWS3水平下各处理的发酵堆增温效果优于在RWS1、RWS2和RWS4下的,在第5天堆温达到了45～46 ℃,是4种麦秸添加比例中升高堆温最高的。卢秉林等[11]研究认为猪粪与麦秸按体积6∶4进行堆肥较为适宜,可以缩短进入高温发酵阶段的时间。这与以往的研究结果相似。根据我国粪便无害化卫生标准GB 7959─87的规定,将堆肥温度在50～55 ℃以上维持5～7 d作为灭菌的标准。在本试验中,仅在RWS3下堆温的最高温度接近50 ℃,这与堆肥体积限制有关,需在今后开展进一步的研究。

腐殖酸是在堆肥过程中生成的最具代表性的次生产物,对堆肥的稳定性、腐熟度等性质有重要影响,其含量是判断堆肥腐熟化的重要指标之一[28]。在本试验中,在启堆(0 d)时,各处理的腐殖酸含量随麦秸添加比例的增高而降低,这与麦秸添加增加了堆体体积,降低了单位体积的腐殖酸含量相关;而在再发酵旺盛的5～7 d阶段,发酵微生物需要分解腐殖酸等大分子有机物,以满足自身快速生长的需要;发酵进行到中后期(5～20 d),麦秸等物料被消耗殆尽,微生物促进小分子有机物合成腐殖酸等大分子物质。在腐殖酸含量再上升阶段(5～10 d),各处理物料中腐殖酸含量均不同程度地增加,以4∶6麦秸与废垫料比例(RWS3)下的腐殖酸含量增幅最大,再发酵结束时RWS3下的腐殖酸含量较启堆时增加了18.0%。

在本试验中，在堆肥发酵初期,N素随堆温和发酵垫料pH值的升高而损失,同时高温阶段微生物代谢活动旺盛,消耗氮的速率明显大于总干物质的下降速率。这是造成0～5 d阶段各处理全N含量下降的主要原因;在再发酵的中后期,堆肥逐渐腐熟,再发酵堆体体积与重量下降,部分有机碳还在被利用转化为CO2,此时NH3的挥发损失较小,因此,堆肥中全氮含量转为上升。这种变化趋势与以往的研究结果[11,33]基本一致。全P和全K的绝对含量在堆肥过程中不会产生变化,显然这是由于堆肥发酵过程中碳、氢、氧及氮等物质被发酵微生物转化或挥发损失,而磷和钾反而被浓缩[34]。各处理在整个堆肥发酵腐熟过程中,全磷和全钾含量的变化趋势基本相同。

pH值的大小不仅影响有机物质的分解、营养元素的转化及微生物的活动强度,而且是评价堆肥腐熟程度的重要指标之一[29]。在发酵起始阶段，微生物对有机质的氨化作用和矿化作用使得发酵堆体中氨大量积累,促使pH值升高;在再发酵的中后期,硝化菌的消化作用产生大量的H+,同时NH3和CO2的挥发共同引起pH值下降[30]。在发酵结束后,本试验各处理的pH值在7.16～8.57范围内波动,符合NY 525─2012《农业部有机肥料标准》对pH值的要求范围5.5～8.5。相关报道[31]指出, pH值在8.0左右可以缩短堆肥发酵达到高温所需要的时间,避免由于高温反应较慢引发的堆体NH3损失,从而有效降低垫料中N素损失。本试验各处理垫料的pH值数据与相关报道吻合。在本试验中,发酵结束时添加麦秸的各处理的pH值均高于对照的,其中在RWS3与RWS4下的pH值均达到或接近8.0,表明添加麦秸有利于废垫料再发酵过程中pH值的增加,增加全N含量,减少N的损失,其中4∶6或6∶4的麦秸与废垫料配比对再发酵过程pH值有较好的影响。

废垫料盐度偏高是影响废垫料作为有机肥直接释放到环境的主要原因之一,而EC是衡量发酵垫料中含盐量的直接指标[3]。在再发酵前期,EC随麦秸与废垫料比例的增加而降低,麦秸不断添加,增加了再发酵堆的空间体积,在总盐度没有变化的情况下,单位体积内盐度被稀释,同时发酵菌剂添加促进麦秸等物料分解,并在分解物料的同时生成较多的腐殖酸等大分子物质,从而部分降低EC值。在再发酵后期，堆体产生大量的NH4+,腐殖酸等物质部分合成,矿质盐分及堆体体积逐渐减小，从而引起垫料EC值的升高。本试验没有添加麦秸的各处理在试验结束时的EC较试验开始前均有所增加,表明不补充其他物料而对废垫料直接进行堆肥再发酵处理不能有效降低盐度;而添加麦秸的各处理的EC在发酵结束时均有不同程度的下降,其中以RWS3和RWS4下的下降最为明显,较对照(RWS1)降低了15.2%～30.0%。可见,添加麦秸可以防止废垫料在再发酵过程中EC值升高,提高堆肥成品的质量,并且4∶6和6∶4的麦秸与废垫料比例对再发酵垫料的EC有较好的降低作用。

堆肥再发酵实质上是有机物质稳定化和腐殖化的过程,有机物质的降解与转化效率能客观地反映堆肥腐熟度、稳定度及堆肥品质[32]。在再发酵前期(0～5 d)有机质含量下降较快,后期下降平缓,这与堆肥前期堆肥升温较快,麦秸碳源物料补充充足,易降解的有机物分解速率较快有关。在本研究中,经过再发酵后，对照的有机质含量下降了4.0%～4.9%,而添加麦秸的各处理的有机质含量降低了6.2%～7.6%。

发酵微生物生长需要合适的C/N[33],同时C/N也是发酵完成后有机肥品质的评价参数[34]。C/N作为堆肥再发酵过程与效果的重要指标,C/N低会导致大量的氮以NH3的形式挥发掉而降低肥效;当C/N高时,发酵微生物生长缓慢,有机物料分解速度放缓,堆肥时间延长[34]。废垫料经过长期使用后,C/N低和盐度高,本身不具备理想的好氧堆肥条件。麦秸中含有丰富的有机碳、氮、磷、钾和微量元素,是重要的多用途的农业可再生生物资源[35]。在废垫料好氧堆肥发酵中使用作物秸秆不仅能改善废垫料的发酵结构,吸收水分,提高肥效[36],而且可作为发酵微生物活动的碳源;这样既可以克服废垫料单独发酵时所存在的局限,降低综合利用成本,而且也可为秸秆资源化利用开辟一条新途径。在本研究中,废垫料的初始C/N为12.8,如果不通过添加麦秸来提高物料的C/N,则自行发酵很难进行;而在添加麦秸后，各处理的C/N在启堆时大幅度增加,在再发酵中期大幅度降低,在再发酵后期逐步下降,在堆肥发酵结束时，各处理的C/N接近或部分低于废垫料原有的C/N水平,其中RWS2和RWS3下C/N的降幅最为明显。

总之,在本研究废垫料堆肥再发酵过程中添加麦秸,不仅能改善再发酵堆的结构,提高堆温,增加全N和有机质的含量,还可以提高肥效,降低EC,提高pH值和腐殖酸含量。与RWS1、RWS2和RWS4等麦秸添加比例水平相比较,RWS3的综合效果最好。

3.2 发酵菌剂对再发酵过程的影响

微生物是发酵床畜禽养殖与堆肥发酵的物质能量转化中枢,其生命代谢活动均需要碳源、氮源、无机元素、水及生长物质。发酵菌剂是固体废弃物再发酵的重要添加物,堆肥发酵中主要物质是较难降解的纤维素,接种外源发酵菌剂可使堆层中微生物的总量增加,形成优势菌群,加快堆肥发酵的过程；同时,接种微生物对堆肥物料具有分解作用,可以相对浓缩无机养分,降低水分含量,使养分含量相对增加。据任静等[37]报道，添加外源微生物对堆体快速升温及延长高温期有显著作用，并可有效地加速总腐殖酸、水溶性腐殖酸的转化与合成。胡红伟等[14]的研究结果表明接种外源微生物菌剂能加快堆料有机物的分解,缩短堆肥反应进程,并提高发酵产物中全效与速效养分含量。在本试验中,发酵菌剂的接种对废垫料再发酵过程具有一定的促进作用；与不接种发酵菌剂(MI-)相比，接种发酵菌剂(MI+)后各处理的物料腐殖酸含量提高了0.7%～6.3%,全N含量增加了0.1%～1.7%，全P含量增加了0.1%～1.4%，全K含量提高了0.1%～2.5%, EC下降了0.3%～24.2%，C/N降低了0.4%～4.4%。这些结果与以往的相关报道基本一致。同时相关指标在接种发酵菌剂后的增幅较小,这可能与发酵微生物是否适应废垫料高盐环境有关,还需进一步深入研究。

4 结论

废垫料堆肥再发酵时添加麦秸可以提高堆温。本试验发现15～20 cm发酵层为主要高温发酵层;在废垫料再发酵过程中,添加麦秸可以增加全N和腐殖酸含量,降低物料EC值,降低C/N,并增加物料有机质含量。在再发酵结束后,添加麦秸的各处理的堆肥均达到国家有机肥标准,其中4∶6麦秸与废垫料比例的效果最好。

接种发酵菌剂对废垫料堆肥再发酵有一定的促进作用。发酵菌剂与麦秸配合的堆肥再发酵效果优于发酵菌剂单独使用的效果。

综合分析认为,4∶6(m/m)的麦秸与废垫料比例与接种发酵菌剂的处理组合在废垫料堆肥再发酵中使用最合适。

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(责任编辑:黄荣华)

Effect of Adding Wheat Straw and Microbial Inoculum on Fermentation Process of Spent Pig Litter Compost

LIU Yu-feng1,2, FAN Ru-qin1, LUO Jia1, SU Tian-ming2, TANG Yu-bang3, ZHANG Zhen-hua1*

(1. Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 2. Institute of Agricultural Resources and Environment, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, China; 3. Institute of Agricultural Facility and Equipment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)

Four ratios of wheat straw to spent pig litter (0∶10, 2∶8, 4∶6, and 6∶4) and two modes of adding microbial inoculum (not adding microbial inoculum, adding microbial inoculum) were set, and the effect of wheat straw-spent pig litter ratio and microbial inoculum on the fermentation process of spent pig litter compost was studied. The results showed that adding wheat straw had a significant effect on the fermentation process of spent pig litter compost, and it could increase the fermentation temperature, humic acid content and organic matter content, relatively increase total nitrogen content, partly enhance the contents of total phosphorus and total potassium, reduce the EC value of material, and quickly affect the change of C/N; among 4 ratios of wheat straw to spent pig litter, the ratio of 4∶6 obtained the best effect. Microbial inoculum inoculation could promote the fermentation of spent pig litter compost, and it could enhance the fermentation temperature to a certain extent, increase the humic acid content in material, and decrease the C/N and EC value to a certain degree. The combined application of wheat straw and microbial inoculum had a better effect than the alone application of microbial inoculum. In conclusion, the combination of adding wheat straw into spent pig litter at the ratio of 4∶6 with microbial inoculum was the optimum mode for the fermentation of spent pig litter compost in this experiment.

Spent pig litter; Ratio of wheat straw to spent pig litter; Microbial inoculum; Composting

2016-07-11

公益性行业(农业)科研专项(201203050-6);江苏省科技支撑计划(农业部分)(BE2013436);江苏省自主创新基金项目[CX(14)2099];广西科学研究与技术开发计划(桂科合15104001-25)。

刘宇锋(1980─),男,湖南湘阴人,助理研究员,博士后,主要从事发酵床垫料资源化利用研究。*通讯作者:张振华。

S141.4

A

1001-8581(2016)12-0036-10