新型炭基辅料在堆肥工程中的应用效果

王海候， 何 胥， 金梅娟， 陆长婴， 施林林， 周新伟， 沈明星

(1.江苏太湖地区农业科学研究所/农业部苏州水稻土生态环境重点野外科学观测试验站，江苏苏州 215155；2.江苏省安丰生物源农药工程中心有限公司，江苏太仓 215400)

随着畜禽养殖规模化和集约化的发展，畜禽粪便的累积与污染问题日趋严重[1]，科学合理地处置畜禽粪便已经成为畜禽养殖业实现生态循环发展的重要环节[2-4]。高温堆肥化是畜禽粪便废弃物无害化和资源化利用的一项重要技术途径，可以杀灭畜禽粪便中的病菌和草种、减小堆存的体积和质量、有利于贮存和施用，不仅解决了规模化养殖厂的环境污染问题，而且对发展有机肥、保持和提高土壤肥力、提高作物产量与品质等方面具有重要的意义[5-6]。但常规的堆肥工程凸现以下问题：一是畜禽粪便含水率较高(含水率≥75%)，通常采用加入辅料(木屑、稻草、食用菌渣等)的方法来降低堆肥体的含水率、提高通气性等，但辅料来源和性质不稳定、抗压能力弱、收集与储存费用高，辅料的有效供应量远低于堆肥生产对辅料的实际需求量[7-9]；二是堆肥高温阶段滞后，腐解周期偏长[10-11]。针对上述问题，笔者所在课题组利用树枝等生态林地废弃物，通过生物质非充分炭化技术，创制了一种新型炭基辅料，该新型堆肥辅料具有可循环利用、多功能性(调水分、控氮损、促升温)、颗粒状、抗压性强、理化性状稳定等优点，另外，所用的树枝等生态林地废弃物，本身就须要资源化处置，采用的生物质非充分炭化技术，只是在现有成熟的生物质炭化技术上进行了改进，不会对环境造成二次污染。本试验将新型炭基辅料与猪粪、食用菌渣进行混合，堆制一个50 t级的条垛状堆体，模拟较大规模的堆肥工程，测定堆肥体的温度、含水率、碳氮养分及其形态等指标，探讨新型炭基辅料在堆肥工程中的应用效果，检验该新型堆肥辅料的理论可行性，以期为炭基辅料在堆肥工程中的应用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2016年11月在江苏省太仓绿丰生物有机肥料有限公司进行。猪粪来源于当地的养猪场，于试验开始前7 d收集，猪粪总有机碳含量为34.3 g/kg、总氮含量为 2.34 g/kg、含水率为76.5%；食用菌渣取自江苏省太仓市四季食用菌有限公司，菌包去除塑料袋后，机械粉碎至3～5 mm备用，食用菌渣总有机碳含量为48.21 g/kg、总氮含量为 1.17 g/kg、含水率为46.5%；新型炭基辅料，选择直径为5～8 cm的废弃树枝，先切割成6～8 cm长，然后置于裂解炉中，在650～750 ℃、无氧条件下进行不完全裂解处理，裂解时间为75～105 min，然后冷却、备用。

1.2 试验设计与概况

堆肥采用静态堆置高温好氧发酵的方法，以猪粪为堆肥原料，设计不同类型辅料，分别为60%新型炭基辅料+40%常规辅料(食用菌渣)、100%常规辅料，试验共设2个处理。控制堆肥体碳氮比的值为20～25、含水率为65%～70%，将猪粪与辅料按体积比1 ∶1进行充分混合，每个处理的堆肥体规模为50 t，进行堆垛操作，垛体的标准要求为宽1.5 m、高 1.2 m、长30 m。当堆体温度超过75 ℃(前期)时或每隔7 d左右(后期)，采用翻抛机进行翻堆操作，每次翻堆后，将堆垛按照垛体的标准要求进行人工修整。每天10：00左右，用红水温度计，插入堆肥体30～50 cm处测定堆温，每个堆体分布5个测定点，直至堆肥结束，同时测定气温，并按日期记录温度数据。堆肥结束后，采用2 cm孔径的筛子，将添加炭基辅料处理的堆体进行炭基辅料与堆肥制品的筛分处理，然后将过筛后的炭基辅料回收、备用，堆肥制品进入有机肥的后期处理工序。

1.3 测定指标与方法

堆肥体温度变化动态：每天人工测定堆体温度，直至堆肥结束。堆肥体养分动态变化：分别在堆肥第1、第3、第7、第14、第21、第28、第35天取样，每个处理在不同位置进行3次重复取样，采样点位于堆肥表层向内30 cm处，每个采样点在堆体上、中、下层采集混合样品2 kg，在实验室内分成3份：一份采用 105 ℃ 烘干法测定堆肥样品的含水率，一份制成新鲜样品的浸提液，一份置于阴凉处进行风干处理。浸提液的制备方法：称取40 g新鲜样品放入塑料瓶中，加400 mL去离子水，盖紧瓶盖后置于振荡器内，150 r/min振荡浸提30 min后过滤，收集滤液并做好标记。浸提液采用SKALA流动分析仪测定铵态氮、硝态氮。

堆肥制品的有机碳含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量测定：将堆肥后的风干样品粉碎后过100目筛，采用浓硫酸-双氧水消煮和凯氏定氮法测定全氮含量、钼锑抗比色法测定全磷含量、火焰光度计法测定全钾含量、浓硫酸-重铬酸钾外加热-硫酸亚铁滴定法测定有机碳含量。

种子发芽指数的测定：取堆肥第28、第35天的浸提液，待用。将一张大小合适的滤纸放入干净无菌的培养皿(直径为9 cm)中，滤纸上整齐摆放20粒小白菜种子，准确吸取 8 mL 浸提液于培养皿中，于25 ℃、黑暗条件下培养72 h，测定小白菜种子的发芽率和根长，同时用去离子水作空白对照。种子发芽指数=[(堆肥浸提液处理的种子发芽率×根长)/(对照的种子发芽指数×根长)]×100%。

1.4 数据处理方法

试验数据采用Excel 2010进行整理与画图，采用SPSS 22.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 新型炭基辅料对堆肥温度的影响

根据堆肥温度，堆肥化进程可以划分为升温期、高温期、降温期、稳定期等4个时期。由图1可知，炭基辅料处理的堆肥体温度在第2天就超过60 ℃，迅速进入高温期，在堆肥第3天达到最高温度，为75.5 ℃，之后逐渐下降，在翻堆措施下温度有小幅度上升，但仍然继续下滑直至接近常温；而常规辅料处理的堆肥温度上升幅度小于炭基辅料处理，在堆肥第12天达到最高温度，为68.3 ℃，之后保持缓慢下降，在堆肥的第22天左右进入快速降温期；在整个堆肥过程中，炭基辅料处理的堆肥温度在第1至第7天明显大于常规辅料处理，而在第10天至第20天，炭基辅料的堆肥温度低于常规辅料处理，在第22天至第35天，2个处理之间的堆肥温度差异较小。

进一步分析不同辅料处理的堆肥体温度特征，由表1可知，炭基辅料处理的堆肥体最高温度比常规辅料处理提高 7.2 ℃，差异达显著水平(P<0.05)；根据堆肥卫生合格指标和堆肥腐熟条件的标准，即堆体温度在50 ℃以上保持5 ～7 d(或55 ℃条件下保持3 d以上)[11]，2种不同辅料处理的堆体均达到了无害化的标准。虽然2种不同处理的堆肥体温度≥55 ℃的天数均为14 d，但炭基辅料处理在堆肥第2天就达到55 ℃，比常规辅料处理提前6 d。

堆肥的稳定化是堆肥的一个重要过程，堆肥的稳定化所需的时间目前还没有明确的界限。常见的判断方法为耗氧速率降低到所产生的厌气和发臭情况不致达到妨碍产生贮存和最终使用，即认为稳定化程度已满足要求。陈同斌等将物候学上积温的理论和计算方法引入堆肥科学，研究了城市污染与CTB调理剂混合堆制过程，在生物学零度为15 ℃基础上，当堆肥体的积温达到10 000 ℃·h左右时，可以认为堆肥稳定化过程基本完成[10]。本试验结果表明，2种不同辅料处理的堆肥体在35 d堆肥过程中的堆肥积温均达到了 10 000 ℃·h 的要求(表1)，完成了堆肥稳定化过程，且2个处理的堆肥积温无显著性差异。

表1 新型炭基辅料处理对堆肥温度特征的影响

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

进一步分析2个处理不同时间段的堆肥积温情况，由图2可知，在堆肥第1天至第7天的堆肥进程中炭基辅料处理的堆肥积温显著大于常规辅料处理(P<0.05)，在第8天至第21天堆肥进程中炭基辅料的堆肥积温小于常规辅料处理，但差异不显著，在第22天至第35天的堆肥进程中，炭基辅料与常规辅料处理的堆肥积温差异较小。

2.2 新型炭基辅料对堆肥体铵态氮与硝态氮含量的影响

铵态氮是堆肥中无机氮的主要存在形式。在堆肥初期，物料中大量的易分解有机物为微生物的生长、繁殖提供了充足的营养，有机氮快速分解而产生大量的铵态氮，而此时硝化细菌活动程度相对较弱，无法及时将铵态氮转化为硝态氮，氮素极易以氨挥发的形式损失。

由图3可知，随着堆肥进程的持续，堆肥体的铵态氮含量呈下降的变化趋势，在堆肥第3天至第7天出现小幅度的上升，之后又迅速下降，但不同处理之间，炭基辅料处理的堆肥体铵态氮含量在整个堆肥过程中均小于常规辅料处理。堆肥体中硝化过程的最佳温度大约在25～35 ℃之间，堆肥体的硝态氮含量总体呈上升的变化趋势，在堆肥第21天至第35天迅速上升，这与该时间段的堆肥温度相对较低有关。不同处理之间，炭基辅料处理的硝态氮含量低于常规辅料处理。

2.3 新型炭基辅料对堆肥腐熟度的影响

堆肥体T值(T=终点碳氮比/初始碳氮比)是堆肥腐熟度的一个重要评价指标[12]。由图4可知，炭基辅料处理的堆肥体T值为0.92，而常规辅料处理的堆肥体T值为0.74，炭基辅料处理的堆肥体T值大于常规辅料处理。用生物学的方法测定堆肥的毒性，是检验正在堆肥的有机物质腐熟度的一种非常直接、有效的方法，用作物种子检测堆肥植物毒性的一个生物学指标称为种子发芽指数，种子发芽指数不但能检测堆肥样品中的毒性，还能预测堆肥毒性的发展[13-14]。从理论上说种子发芽指数大于50%就可判断堆肥对植物没有毒性，当种子发芽指数大于80%时，可以判定堆肥腐熟[12]。本试验结果(图4)表明，堆肥第28天，炭基辅料处理的种子发芽指数即达85.47%，达到了腐熟的要求，而常规辅料处理的种子发芽指数为77.50%，低于腐熟标准；堆肥第35天，2个处理的种子发芽指数均大于80%，但炭基辅料处理的种子发芽指数大于常规辅料处理，第28、第35天的堆肥浸提液种子发芽指数分别比常规辅料提高10.28%、4.21%，说明炭基辅料处理的堆肥体对种子的毒性更低。

2.4 新型炭基辅料对有机肥料品质的影响

堆肥结束后，将炭基辅料处理的堆肥物料进行堆肥制品与炭基辅料的筛分处理，由图5可知，炭基辅料处理的堆肥制品，氮磷钾养分总量为7.29%，有机质含量达45.76%，与常规辅料处理相比，氮、五氧化二磷、氧化钾的含量分别提高37.61%、17.04%、45.94%，氮磷钾养分总量提高30.51%，虽然有机质含量降低8.37%，但符合有机肥料农业行业标准(NY 525—2012)的要求[15]。

3 结论与讨论

陈同斌等采用福木勒法检测堆肥稳定化过程的结果表明，尽管不同处理的堆肥温度升降情况变化及堆肥稳定化所需时间均不一致，但达到稳定化所需要的积温较为一致，即堆肥温度较高的处理，堆肥时间较短，堆肥温度较低的处理，堆肥时间较长[10]。本试验结果表明，炭基辅料处理的堆肥体符合无害化与稳定化的标准，与常规辅料相比，炭基辅料促进了堆肥前期的温度快速上升、提高了堆肥体的最高温度、缩短了堆温初始达到55 ℃以上的时间，可见，炭基辅料对堆肥体具有增温与缩短堆肥周期的作用，其原因主要可能是炭基辅料具有丰富的孔隙结构，一方面为微生物的扩繁增殖提供了良好的场所[16]，另一方面有利于氧气的传输，增强了微生物的活性，提高了微生物的代谢与产热能力[17]，从而促进升温。

与常规辅料相比，炭基辅料降低了堆肥体的铵态氮与硝态氮含量，其原因主要是生物质炭可以通过离子键对铵态氮进行化学吸附[18-19]，王海候等研究生物质炭与伊乐藻混合堆制过程也发现随着生物质炭添加量的增加，伊乐藻堆肥体的铵态氮含量呈逐渐下降的趋势[11]；另外，由于硝态氮主要来自于堆肥体铵态氮的硝化作用，炭基辅料处理的堆肥体由于铵态氮的下降，可能是导致炭基辅料处理硝态氮含量低于常规辅料处理的主要原因。

Morel等建议采用T值来评价城市垃圾的堆肥腐熟度，并提出当T值小于0.6时堆肥达到腐熟[20]；Vuorionen等认为腐熟猪粪与稻草混合堆肥的T值应当在0.49～0.59之间[21]；Itavaara等研究表明，当包装废弃物的T值下降到 0.53～0.72之间表示堆肥达腐熟[22]；可见，不同堆肥物料腐熟的T值不一致。本试验结果表明，炭基辅料处理的堆肥体T值为0.92，而常规辅料处理的堆肥体T值为0.74，炭基辅料处理的堆肥体T值大于常规辅料处理。另外，在堆肥第28天，炭基辅料处理的种子发芽指数达到85.47%，达到了腐熟的要求，而常规辅料处理的种子发芽指数仍低于腐熟标准；在堆肥第35天，2个处理的种子发芽指数均大于80%，但炭基辅料处理的种子发芽指数大于常规辅料处理，说明炭基辅料处理的堆肥体对种子的毒性更低。与常规辅料处理相比，炭基辅料处理提高了堆肥制品的氮磷钾养分含量，且符合有机肥料农业行业标准(NY 525—2012)的要求。

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