甘蔗渣与牛粪高温好氧堆肥的适宜配比研究

彭 宇,戴 辉，武 丽，李章海，江玉平,丁 婷，齐永霞，胡向丹，刘锦华

(1.贵州省黔西南州烟草公司，贵州 兴义 562400；2.安徽农业大学，安徽 合肥 230036；3.中国科学技术大学 烟草与健康研究中心，安徽 合肥 230051)



甘蔗渣与牛粪高温好氧堆肥的适宜配比研究

彭 宇1,戴 辉1，武 丽2*，李章海3，江玉平3,丁 婷2，齐永霞2，胡向丹1，刘锦华1

(1.贵州省黔西南州烟草公司，贵州 兴义 562400；2.安徽农业大学，安徽 合肥 230036；3.中国科学技术大学 烟草与健康研究中心，安徽 合肥 230051)

目的：探讨甘蔗渣的资源化利用技术。方法：以甘蔗渣(或玉米秆)和牛粪为主要高温好氧堆肥原料，以菜籽粉、尿素和微生物菌剂为辅料，设不同甘蔗渣(或玉米秆)和牛粪堆制原料比例，研究了不同甘蔗渣和牛粪好氧堆肥的最佳配比。结果：结果表明，从有机肥的有机质、总养分和重金属等指标含量来看，不同比例的甘蔗渣物料配方和玉米秆物料配方处理的有机肥均达到了农业部有机肥质量标准要求。不同甘蔗渣(或玉米秆)和牛粪处理的总养分含量分别为6.88 %、6.42 %、7.28 %和7.32 %，腐殖酸含量差异较小。不同甘蔗渣(或玉米秆)和牛粪处理的铵态氮占速效氮比例分别为97.5 %、96.7 %、99.7 %和99.7 %，以甘蔗渣与牛粪配比处理的速效氮含量有随着甘蔗渣用量比例的增加而有下降趋势。不同甘蔗渣(或玉米秆)和牛粪堆制有机肥的重金属含量低，均不到限量标准的1/3。甘蔗渣与牛粪的干重比为5 ∶5和6 ∶4的两个配方处理的有机肥的大肠杆菌数量达标，甘蔗渣对真菌、细菌和放线菌的生长繁殖较玉米秸秆有一定的抑制作用。结论：甘蔗渣与牛粪配比干重比以5 ∶5或6 ∶4较适宜，能提高有机肥的速效性和安全性。

甘蔗渣；牛粪；堆肥；配比

黔西南州是甘蔗的主产区，甘蔗生产行业是其一项支柱产业[1]。黔西南州甘蔗种植面积达2万公顷，种植规模的不断扩大带来了甘蔗渣农业废弃资源的大量增长，成为黔西南州农村环境污染的主要来源[2]。以农业废弃物为原料堆制有机肥是实现农业废弃资源再利用的较好途径[3]。有机肥的堆制过程是将固体废弃物以微生物发酵为主，在酶的作用下，将有机物发生生物化学反应生成无机物的过程[4]。堆肥所需要的微生物的繁殖生长的前提条件是适宜的碳氮比，堆肥过程中过高的碳素时，微生物需要多次消耗过量碳素后才进行新陈代谢[5]，但过多氮素时，在高温和高pH条件下，氮素易以氨气形式损失掉[6]，因此适宜的碳氮比在有机肥堆制过程中尤为重要。以甘蔗渣作为秸秆原料进行单独堆肥，因其较高的纤维素含量使得难以分解腐熟[7]，腐熟时间长，可以通过添加不同堆制物料进行碳氮比的调节，并且通过微生物菌剂以加快甘蔗渣的腐熟进程。牛粪是良好的有机氮素肥源，含有植物生长所需的营养元素和有机质，但单独堆肥并不利于养分保存[8]。因此，适宜比例的甘蔗渣和牛粪的用量搭配是进行甘蔗渣有机肥堆制的关键技术。

有机肥施用是我国传统农业生产方式，有关有机肥的研究文献较多[9-14]，但对于有机肥的研究主要集中在有机肥在农作物的使用技术和土壤肥力影响等方面[15-20]，而对于以不同物料进行有机肥的堆制研究文献很少[21-22]，尤其是以甘蔗渣和牛粪为主要原料，进行不同甘蔗渣和牛粪用量堆制有机肥的文献鲜见。因此，基于贵州省黔西南州甘蔗渣资源丰富的现状和有机肥发酵工艺技术要求，本文主要以甘蔗渣和牛粪为堆肥基本原料，添加适宜的腐熟菌剂，比较不同甘蔗渣与牛粪配比制作的有机肥的酸碱度、养分、重金属以及微生物、蛔虫卵等含量的差异，以期探讨适宜比例的甘蔗渣和牛粪有机肥物料配方，为生产高质量甘蔗渣有机肥提供理论依据，实现农业有机废弃资源的循环利用。

1 材料与方法

1.1 试验基本情况

试验于2014年1月至5月在贵州省兴义市猪场坪有机肥工厂进行。以甘蔗渣和牛粪为基本原料，由当地烟草生产合作社提供。采用福州农博士生物技术有限公司生产的农博士微生物腐熟菌剂。进行条垛型有机肥发酵，堆垛下底宽2 m，上底宽1 m，堆高0.9 m，长度根据物料总量决定，堆垛底部设置30 cm宽，20 cm深的通风槽，甘蔗渣或玉米秸秆与牛粪按25 ∶23 ∶20 ∶17 ∶15比例分5层堆积，在每层甘蔗渣或玉米秸秆上按上述比例洒上尿素和农博士微生物菌剂(每处理3 kg用量)进行氮素调节和促进发酵。各处理物料水分控制在70%左右。分别于堆制后10 d、20 d、30 d和结束前20 d翻堆4次。

1.2 试验设计

试验共设4个处理，其中，A、B和C处理为不同甘蔗渣与牛粪配比(干重比分别约为5 ∶5，6 ∶4和7 ∶3)，D处理是玉米秸秆与牛粪配比(干重比约为6 ∶4)作为对照。每个处理干物料重(甘蔗渣或玉米秸秆+牛粪)约为1000 kg，不同处理物料配比见表1。各处理用尿素调节初始物料的C/N比值约为25 ∶1。菜籽粉在发酵结束前20 d左右添加，堆肥完成后，对成品有机肥取样进行基本质量指标和安全性指标的测定。取1 kg有机肥样品风干后，粉碎研磨过100目的网筛，用于测定养分和重金属含量，另取1 kg有机肥样品用于微生物和蛔虫卵等安全指标检测。

1.3 检测指标与方法

1.3.1 质量指标测定[23]有机质含量测定采用重铬酸钾比色法；全氮测定采用硫酸-过氧化氢消解，蒸馏滴定法；全磷采用硫酸-过氧化氢消解,钒钼黄比色法；全钾测定采用硫酸-过氧化氢消解,火焰光度法；pH采用电位法；总腐殖酸测定采用碱性焦磷酸钠浸提-重铬酸钾容量法；游离腐殖酸测定采用氢氧化钠浸提-重铬酸钾容量法；水溶性腐殖酸测定采用水浸提-重铬酸钾容量法；速效氮采用氯化钠浸提，锌-硫酸亚铁还原蒸馏法测定；铵态氮采用氯化钠浸提，扩散法测定。

表1 不同物料配比处理原料用量(kg)

1.3.2 重金属含量[23]重金属Cr、Cd、Pb采用Thermo Scientific(USA) 公司X Series Ⅱ,等离子体质谱法测定；As和Hg采用北京吉天仪器有限公司AFS9130，原子荧光光谱法测定。

1.3.3 微生物检测 (1)堆肥中微生物数量测定采用梯度稀释涂平板法。分离真菌、细菌、放线菌和霉菌所用的培养基分别是PDA培养基、营养琼脂培养基、高氏(Gause)1号培养基和马丁氏(Martin)培养基[24]。

步骤：称取样品5 g，加入带玻璃珠的45 mL无菌水制成母液菌悬液(基础液)。用无菌移液管分别吸取5.0 mL上述母液菌悬液，加入45 mL无菌水，按10倍进行系列稀释，依次得到10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6稀释倍数的菌悬液。每个样品取3个连续适宜的稀释度，分别吸取不同稀释度菌悬液0.1 mL, 加至预先制备好的固体培养基平板上，用涂布棒在培养基表面将菌液来回推散涂抹均匀，于适宜的条件下培养。细菌培养24 h后计数，真菌、霉菌培养72h后计数，放线菌培养1周后计数。以出现20个～300个菌落数的稀释度的平板为计数标准，统计有效活菌数目。

(2)蛔虫卵数量检测(改良饱和硝酸钠漂浮法)

剔除杂物，压碎样品中的大颗粒后过筛，先后用孔径3 mm的铜筛和孔径为2 mm的铜筛，收集过筛后的土样；取2支50mL大离心管，各放入过筛后的样品5g, 加5%氢氧化钠溶液至40 mL或45 mL刻度线；充分混合，以每分钟2000转离心4 min；加入饱和硝酸钠溶液搅拌混匀，每分钟2000转离心4 min；离心后，再加饱和硝酸钠溶液满至管口，覆上18 mm×18 mm盖玻片；静置15 min后，取下盖玻片置于载玻片上镜检。

1.4 数据分析方法

数据采用 Microsoft Excel 2007 和SPSS 19.0软件进行计算和分析。

2 结果与分析

2.1 不同物料配比有机肥有机质、总养分含量和酸碱度比较

根据农业部NY525-2012《有机肥料》标准要求有机质≥45%，总养分(N+ P2O5+ K2O)≥5%，酸碱度(pH)在5.5～8.5之间。

由表2可以看出，各处理的有机质含量均大于45%，表现为D>A>C>B，各处理之间相差1.00～3.67个百分点，差异较小。甘蔗渣与牛粪配比的处理有随着甘蔗渣比例增加有机质含量下降的趋势。在牛粪等物料用量相同的情况下，甘蔗渣与牛粪配比(B处理)比玉米秸秆与牛粪配比(D处理)的有机质含量低。

不同物料配比堆制有机肥的总养分含量表现为D>C>A>B，A、B、C和D处理分别为6.88%、6.42%、7.28%和7.32%，各处理均大于5%，处理之间相差0.04～0.90个百分点，表现以甘蔗渣与牛粪配比的处理有随着甘蔗渣比例增加，全氮和全磷含量下降，全钾含量有增加趋势。在牛粪等物料用量相同的情况下，B处理与D处理的全氮含量相同，但D处理比B处理的全磷和全钾含量高。

酸碱度(pH)表现为D>C>B>A，其中，D和C处理大于8.5，以玉米秸秆与牛粪配比的pH值最高，甘蔗渣与牛粪配比处理随着甘蔗渣比例增加，pH值有提高趋势，对于黔西南酸性土壤为主的烟区，有机肥pH值偏碱性对改良土壤有利。

表2 不同物料配比有机肥有机质和养分含量

2.2 不同物料配比有机肥速效氮和腐殖酸含量比较

有机肥是一种缓效性肥料，主要是因为有机肥中速效养分较低[25]。由表3可以看出，有机肥速效氮表现为A>B>C>D。A、B、C和D不同物料配比处理的有机肥速效氮占全氮比例分别为7.1%、5.0%、3.8%和3.0%，可见，以甘蔗渣与牛粪配比的处理随着甘蔗渣比例增加，速效氮有下降趋势，以玉米秸秆与牛粪配比的速效氮含量最低。不同物料配比的有机肥铵态氮占速效氮比例A、B、C和D处理分别为97.5%、96.7%、99.7%和99.7%，可见，速效氮几乎是铵态氮。

表3 不同物料配比有机肥速效氮和腐殖酸含量

有机肥中的腐殖酸是各种植物残体经微生物分解合成产物再缩聚而成的高分子有机化合物，呈黑色或棕色，具有很好的生理活性，对作物营养和土壤肥力有着极为重要的作用[26]。由表3可见，各处理的腐殖酸总量表现为A>C>D>B，其中，游离腐殖酸为A>C>D>B，水溶性腐殖酸为C>D>A>B，但各处理之间差异很小。说明以甘蔗渣或玉米秸秆与牛粪配比生产的有机肥腐殖酸含量较稳定。水溶性腐殖酸是能够被土壤直接利用的形态，4个处理相比，以较高甘蔗渣用量的有机肥中水溶性腐殖酸含量高。

2.3 不同物料配比有机肥重金属含量比较

重金属对农业生产安全有着重要影响，根据农业部NY525-2012《有机肥料》标准要求有机肥限量标准为，总As≤15 mg/kg，总Hg≤2 mg/kg，总Pb≤50 mg/kg，总Cd≤3 mg/kg，总Cr≤150 mg/kg。

由表4可见，总As含量表现为C>B>D>A，以甘蔗渣与牛粪配比的处理有随着甘蔗渣比例增加而上升的趋势，但各处理总As含量约为限量标准的24%～29%之间。总Hg含量表现为B>D>A>C，但各处理总Hg含量约为限量标准的22%～31%之间。总Pb含量表现为B>A>C>D，以甘蔗渣与牛粪配比的处理均高于玉米秸秆与牛粪配比的D处理，但各处理总Pb含量约为限量标准的23%～33%之间。总Cd含量表现为C>B>A>D，以甘蔗渣与牛粪配比的处理有随着甘蔗渣比例增加而上升的趋势，均高于玉米秸秆与牛粪配比的D处理，但各处理总Cd含量约为限量标准的11%～19%之间。总Cr含量表现为B>A>C>D，以甘蔗渣与牛粪配比的处理均高于玉米秸秆与牛粪配比的D处理，但各处理总Cr含量约为限量标准的15%～30%之间。

由此可见，以贵州省兴义市当地甘蔗渣或玉米秸秆与牛粪配比生产的有机肥重金属含量低，均不到限量标准的1/3。

表4 不同物料配比有机肥重金属含量(mg/kg)

2.4 不同物料配比有机肥微生物和蛔虫卵数量比较

以作物秸秆(纤维素含量高)和畜禽粪便为主要原料的有机肥发酵过程，是一系列微生物活动的复杂过程。在整个有机物料微生物群落中，细菌占主导地位，真菌、放线菌也有较多的数量，能促进有机物料的分解和腐熟。同时，有机肥中大量的有益微生物对改良土壤，促进作物生长和抗病具有重要的作用[27]。霉菌是一种多细胞微生物，霉菌孢子普遍存在于土壤和一些腐烂植物中，其孢子经由空气、水及昆虫传播到植物上。孢子接触到破裂的种子，便会迅速萌发，出现种子发霉现象，造成种子出芽率的降低。因此，在有机肥发酵中，将霉菌作为有害微生物的检测指标之一。畜禽粪便中含有大量的病原微生物、寄生虫和虫卵。未经处理的畜禽粪便或添加了畜禽粪便而未腐熟的有机肥施到田间后, 其中的致病微生物(大肠杆菌)、寄生虫和虫卵可能随流水流入附近的灌溉或饮用水源, 甚至更远的水源，造成水源污染，从而间接危害人和畜禽的健康。因此，在有机肥发酵中，将蛔虫卵死亡率以及大肠杆菌数量均作为检测指标。

根据农业部NY884-2012《生物有机肥》标准要求有效活菌数(cfu)≥0.20亿/g，粪大肠菌群数≤100个/g，蛔虫卵死亡率≥95%。由表5可见，有机肥中真菌、细菌和放线菌以甘蔗渣与牛粪配比的处理均明显低于玉米秸秆与牛粪配比的D处理。和D处理相比，A、B和C处理的真菌数量分别是D处理的36.4%、54.5%和27.3%，细菌数量分别是26.2%、18.9%和24.6%，放线菌数量分别是40.1%、36.5%和34.8%。说明，甘蔗渣对真菌、细菌和放线菌生长繁殖较玉米秸秆有一定抑制作用。霉菌数量表现为C>A>D>B，在牛粪等物料用量相同的情况下，B处理与D处理差异不明显，但甘蔗渣用量大的C处理霉菌数量较大。4个不同物料处理的有机肥有效活菌数(cfu)≥0.20亿/g，A、B、C和D处理分别是标准要求的8.1、5.9、7.6和30.9倍。A和B处理的大肠杆菌数量达标，而C和D处理超标，尤其D处理超标严重，说明适量甘蔗渣对控制大肠杆菌是有利的。由表5可见，蛔虫卵数量表现为D>A>C>B，但各处理相差较小，与新鲜牛粪中蛔虫卵数量相比，各处理蛔虫卵死亡率≥95%。

表5 不同物料配比有机肥微生物和蛔虫卵数量

3 讨论

以甘蔗渣和牛粪为主要原料进行有机肥堆制，对黔西南州丰富的农畜牧业的有机废弃物进行无害化处理，减少了农业有机废弃资源的排放污染。有机肥堆制过程中，一方面，有机物分解矿化，释放养分，另一方面，有机物会转化为腐殖质，这些分解转化过程会释放大量能量，温度升高，病原微生物和虫卵致死[28-29]。从本试验研究结果来看，以甘蔗渣或玉米秆和牛粪为原料进行堆制，有机肥的养分、重金属和腐殖酸的含量以及有效活菌数、蛔虫卵死亡率均达到了国家质量标准要求，但过高甘蔗渣用量和玉米秆处理的有机肥中大肠杆菌超标，推测可能与不同原料物质组成特性以及不同用量有关，较高含量的甘蔗渣用量和玉米秆处理，有机物质的转化反应弱于适宜甘蔗渣比例的处理，能量释放和温度升高受抑，高温阶段对微生物的繁殖生长影响较小，从而带来大肠杆菌含量的超标，但其具体原因还有待进一步研究。本试验中设置的碳氮比为25 ∶1，从有机肥的堆制技术来看，碳氮比在20 ∶1到40 ∶1之间均能进行，因此，在以甘蔗渣为堆制原料时，可以进行不同碳氮比搭配的深入研究，或者在配方优化中将玉米秸秆和甘蔗渣配合使用以利微生物的生长繁殖。从本试验各个处理的有益微生物种群量来看，以细菌数量最大，真菌最少，放线菌居中，这与前人研究结果一致[3]，细菌较真菌高出4～5个数量级，可能是因为细菌较大的比表面积更有利于细胞对底物的摄取，推断在甘蔗渣有氧发酵堆肥时，促进发酵升温的优势菌种是细菌群。一些文献研究表明，甘蔗渣的农药残留量低，但木质化程度较高[30-31]，而且存在硅化细胞，有机物的消化率较低，不宜用作反刍动物饲料，这限制了甘蔗渣废弃资源的循环利用，因此甘蔗渣有机肥的利用推动了甘蔗主产区农业生产低碳、有效的发展。

4 结论

4种处理均能进行有机肥好氧堆制，实现了有机废弃物的无害化、减量化和资源化处理。与玉米秸秆相比，甘蔗渣对真菌、细菌和放线菌生长繁殖有一定抑制作用；从有机质、总养分和重金属含量看，4种物料配方处理均达到农业部NY525-2012《有机肥料》标准要求，甘蔗渣与牛粪配比的处理有随着甘蔗渣用量比例增加，有机肥速效氮含量有下降趋势；4种物料配方处理的有效活菌数(cfu)和蛔虫卵死亡率也均符合农业部NY884-2012《生物有机肥》标准要求，大肠杆菌数量以甘蔗渣与牛粪干重比为5 ∶5和6 ∶4处理达标。综上，以甘蔗渣和牛粪为好氧堆肥原料时，甘蔗渣与牛粪干重配比以5 ∶5或6 ∶4较为适宜，有机肥的速效性和安全性均较好，达到无害化标准和腐熟要求，获得较高质量的甘蔗渣有机肥。

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(责任编辑：李孟良)

The Optimum Proportion by Bagasse and Cow Dung of High-temperature Composting Organic Fertilizer

PENG Yu1，DAI Hui1, WU Li2*, LI Zhang-hai3, JIANG Yu-ping3，DING Ting2，QI Yong-xia2，HU Xiang-dan1,LIU Jin-hua1

(1.Guizhou Southwest Tobacco Company, Xingyi 562400, China；2.Anhui Agriculture University, Hefei 230036, China；3. University of Science and Technology of China, Hefei 230052，China.)

Objective:To explore the utilization technology of bagasse. Method:Used by bagasse and cow dung as main raw materials of high-temperature composting organic fertilizer and used by rapeseed cake and urea as auxiliary materials, different proportion of sugarcane residue to cow dung were studied in the high-temperature composting organic fertilizer. Result:The results showed that the contents of organic matter, total nutrient and heavy metals in the organic fertilizer reached the standard of agriculture organic fertilizer quality, contents of total nutrient were 6.88%、6.42%、7.28% and 7.32%，and the difference of humic acid content was little. The available nitrogen content of bagasse and cow dung treatment decreased with the increasing of the bagasse proportion. Proportion of N-NH4to N-NO3of four treatments were 97.5%、96.7%、99.7% and 99.7% respechively. Escherichia coli number of bagasse and cow dung treatments whose dry weight proportion were 5 ∶5 and 6 ∶4 were standard. The growth and propagation of fungi, bacteria and actinomycetes of bagasse were inhibited. Conclusion:Dry weight proportion of 5 ∶5 or 6 ∶4 of bagasse to cow dung are more appropriate, and they can improve the available safety and organic fertilizer.

Bagasse; Cow dung; Compost; Proportion

2016-07-15

贵州省烟草公司科技项目“甘蔗渣自制有机肥生产工艺研究”([2014]92)。

彭宇(1972-)，男，贵州省六盘水市人，农艺师，主要从事烤烟生产技术和管理研究。*通讯作者：武丽，副教授，E-mail:wulisuc@163.com。

S566.1

A

1673-8772(2016)05-0017-07