添加玉米芯对马粪堆肥的影响

洪文娟，马 健，张文杰，胡马尔，马超鑫，窦晶晶

（新疆农业大学动物科学学院，乌鲁木齐 830052）

作为传统的农业大国，我国是世界上农业废弃物最多的国家。据统计，每年我国农作物秸秆的产量在6～7亿t，主要以玉米、小麦和水稻秸秆为主，位列世界第一位［1］。同时，随着社会的发展，国人对于肉、蛋和奶等畜产品的需求，推动了我国畜禽养殖业的发展，猪肉和禽肉的产量已经连续几年占据世界第一位［2］。但是随着规模化、集约化养殖场的快速发展，畜禽粪便的产量也在迅速增多，带来了严重的污染问题。据农业部数据统计，当前我国每年畜禽粪污产生量约38×108t，预计到2020 年全国畜禽粪便产量将达到 42.44×108t［3］。

如何利用农作物废弃物对畜禽粪便进行无害化处理已成为一种有效的方法。Liu等［4］以牛粪为试验对象，在堆肥过程中加入农作物，发现其堆肥效果优于自然堆肥，并且堆肥效率提高。桂阳等［5］研究了玉米芯与畜禽粪便堆肥发酵的最佳技术参数，发现玉米芯与不同动物粪便堆肥发酵时，其最适添加量不同。当前对畜禽粪便堆肥的研究，主要集中在牛、羊、猪、鸡等动物上，而对马属动物研究较少。因此，本试验以马粪为试验原料，通过添加不同含量的玉米芯，研究对马粪堆肥过程中温度、有机质和全氮等指标的影响，为马粪和玉米芯的高效利用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

马粪：取自乌鲁木齐野马国际的新疆野马集团汗血马基地汗血宝马品种的新鲜马粪，共采集50 kg。玉米芯：取自乌鲁木齐市米东区羊毛工镇，总共带回10 kg。小白菜种子：新疆青县兴运蔬菜良种繁育中心生产的华煜牌，数量1包。马粪、玉米芯的主要理化指标见表1。在发酵前对试验原料进行处理：将马粪混匀，然后进行晾晒，晾晒期间定期翻晒，直至含水量降至65%左右；玉米芯切碎至长为2～3 cm的圆柱体。

表1 马粪和玉米芯的理化指标

1.2 试验设计

试验于2018年3—5月在新疆农业大学动物科学学院实验室进行。试验发酵过程在60 cm×30 cm×25 cm的塑料箱中进行，每个塑料箱加6 kg马粪。试验设4个处理组：其中对照组（CK组）马粪中不添加玉米芯；试验A组马粪中添加1.0 kg玉米芯；试验B组马粪中添加1.5 kg玉米芯；试验C组马粪中添加2.0 kg玉米芯。所有玉米芯与马粪均匀混合，堆肥发酵期为 30 d，分别在发酵第 1、6、12、18、24 和 30 天进行人工翻堆。

1.3 样品采集

在人工翻堆的同时进行采样，翻堆时打开塑料箱的盖子，按照“土壤农化分析”［6］中的采样方法进行多点取样，在上中下3层共计12个点采样，采集600 g的样品，用四分法分为2份，每份300 g。一份用来检测pH值、种子发芽指数等指标；另一份样品在65℃烘干48 h，回潮后称重，记录初水分含量，然后进行粉碎，过1 mm分析筛，保存备测。

1.4 检测指标与方法

1.4.1 检测指标 对采集样品的含水率、pH值、种子发芽指数和全氮等指标进行测定。并在每天17：00左右在翻堆前测定温度。

1.4.2 检测方法 温度：将温度计垂直插入发酵的粪便中18 cm处，在东南西北中5个方向均测量一次温度，取平均值，同时记录室内温度。

含水率：称取5 g左右的样品放入已知重量且恒重的铝盒中，将铝盒放入烘箱中在105℃烘4 h，取出干燥至恒重，称重记算含水量。

pH值：将新鲜的样品与蒸馏水按1∶10在烧杯中混合，室温下搅拌均匀，然后静置30 min，取上清液进行过滤，用便携式pH计测定pH值。

种子发芽指数：将新鲜的样品与蒸馏水按1∶10在烧杯中混合，室温下搅拌均匀，将上清液过滤备用，在干净无菌的培养皿中放一张大小合适的滤纸，取30粒小白菜种子均匀地铺在滤纸上，用吸管吸5 mL滤液滴在培养皿中，在恒温培养箱（25℃）中培养48 h，每个处理设置3个重复，用蒸馏水做对照。培养完成后，用游标卡尺测量种子的根长，然后根据下面的公式［7］计算种子发芽指数：种子发芽指数（%）=（处理的种子发芽率×处理的种子根长）/（对照的种子发芽率×对照的种子根长）×100%。

全氮：参照国家的行业标准 NY525—2012［8］，用双氧水消煮，利用凯氏定氮法进行测定。

1.5 数据处理

试验运用Excel 2010进行数据整理及图表制作，采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析，并用Duncan氏法进行多重比较，结果用平均值±标准差（Mean±SD）表示，以P＜0.05作为差异显著性的判断标准。

2 结果与分析

2.1 玉米芯对堆肥温度的影响

由表2可以看出，在发酵前24 d，各处理组均呈现升温至高温，再逐渐降温的变化趋势。在发酵第1天，各处理组温度间差异均不显著（P＞0.05），均在28℃左右；在第12天，除试验C组外，其他各处理组温度均达到最高，试验B组的温度最高，达到58.51℃，显著高于其他3组（P＜0.05）；试验B组在发酵第6天开始维持较高的温度，在发酵第24天后有一个缓慢的温度上升期。

表2 不同处理堆肥过程中温度的变化℃

2.2 玉米芯对堆肥含水率的影响

从表3看出，除试验B组外，其他各组的含水率均呈现随发酵时间延长而逐渐降低的趋势。在发酵第1天，各组含水率均在65%左右；在第6天，含水率均下降10个百分点以上，试验B组的含水率下降幅度最大，达12.89个百分点；试验B组在发酵第12天以后含水率缓慢升高，之后降低，下降幅度较小；在发酵第30天，试验B组的含水率最低，显著低于试验A组（P＜0.05）。

表3 不同处理堆肥过程中含水率的变化%

2.3 玉米芯对堆肥pH值的影响

由表4可以看出，各处理组pH值呈现的变化趋势基本一致，但幅度不同。在发酵第1天，各处理组pH值间差异均不显著（P＞0.05），均在7.7左右，呈中性，能满足微生物生长的需求；在第12天，试验B组的pH值显著高于其他各组（P＜0.05）；各处理组在发酵第18天后pH值缓慢降低，之后缓慢升高，呈弱碱性，但不同组上升幅度不同。

表4 不同处理堆肥过程中pH值的变化

2.4 玉米芯对堆肥种子发芽指数的影响

从表5看出，各组的种子发芽指数呈现逐渐升高的变化趋势。在发酵第1天，各组种子发芽指数间差异均不显著（P＞0.05），均在44%左右；在第12天，各试验组种子发芽指数均较第1天升高10个百分点以上，试验B组的种子发芽指数升高幅度最大，达16个百分点，且显著高于其他3组（P＜0.05）；在发酵第24天以后，各组的种子发芽指数升高幅度减缓，但有继续升高的趋势。

2.5 玉米芯对堆肥全氮的影响

从表6可知，发酵第1天各组全氮含量间差异均不显著（P＞0.05）；发酵第12天，B组的全氮含量显著高于另外3组（P＜0.05）；发酵末期，全氮含量最高的是对照组，但与其他各组间差异均不显著（P＞0.05）。

表5 不同处理堆肥过程中种子发芽指数的变化%

表6 不同处理堆肥过程中全氮的变化%

3 讨论

3.1 不同添加量的玉米芯对堆肥温度的影响

堆肥是一个温度不断变化的过程，先逐渐升温至一个最高温度，再逐渐下降，温度的变化能显著影响微生物的群落结构、数量以及相关酶的活力。徐盛洪［9］研究表明，处理过程中温度过低会抑制微生物活动，增加堆肥腐熟的时间，不能有效杀死粪便中的病原菌、寄生虫卵和杂草种子，而温度过高会杀死一些能分解纤维素的嗜热性微生物，降低肥化效率。Bach等［10］研究指出，当粪便堆体的温度高于50℃，并且持续5～7 d时，能有效杀死粪便中的致病微生物。在本试验中，各组的最高温度均超过了50℃，其中试验B组的温度最高，达到了58.51℃，并且高于55℃的天数超过了6 d，在发酵第12天的温度显著高于其他各组（P＜0.05），因此，从高温期来看，试验B组的发酵效果优于其他各组。李国学等［11］研究指出，堆肥最适合的温度在50～60℃之间。Cár等［12］的试验也表明，在一定范围内，堆肥的温度每升高10℃，其生化效率升高1倍。可以看出，本试验中的最高温度均在合适的范围内。各组粪便堆体的发酵温度在24 d后有所回升，这可能是因为气温升高而导致微生物活动剧烈所致，这需要进一步研究来说明。

3.2 不同添加量的玉米芯对堆肥含水率的影响

粪便发酵过程中微生物活动需要一定的水分，水分可为微生物提供新陈代谢的场所，同时还可以调节粪便的温度，因此，粪便含水量直接影响堆肥的物理化学变化，粪便适宜的含水量在55%～65%之间［13］。本试验中，各处理组的含水率在整个发酵期均在40%～65%之间，能够较好地满足微生物的需要。含水量过低，微生物的代谢停止；含水量过高，堆肥过程中温度下降快，微生物活性低。有研究指出，堆肥期间，大量水分会蒸发，因此，为了使水分处于微生物活动所需要的最佳含量，需要添加适当的水分［14］。

3.3 不同添加量的玉米芯对堆肥pH值的影响

pH值是影响堆肥过程微生物活性的一个重要指标。Bertoldi等［15］认为，堆肥过程中的最适pH值是5.5～8.0；而黄国锋等［16］研究进一步指出，堆肥高温阶段，pH值在7.5～8.5范围时，微生物的分解能力最大。本试验中，各处理组的pH值在7.68～8.63之间，适合微生物进行发酵。通常认为，pH值范围在6.7～9.0之间时，粪便中的微生物都可以较好地生长。过高的pH值会产生恶臭性气体，使 N 元素以 NH3的形式挥发［17］。任静等［18］指出，pH值可以作为粪便堆肥腐熟的重要指标之一，当粪便腐熟后，pH值一般为弱碱性，这与本试验结果一致。试验中各组的pH值基本先呈现上升的变化趋势，造成pH值上升的原因可能是粪便中的微生物分解有机物产生了NH4+。

3.4 不同添加量的玉米芯对堆肥种子发芽指数的影响

种子发芽指数是判断粪便堆肥腐熟度的一个直接而有效的生物学指标。当种子发芽指数大于50%时，可认为粪便堆肥基本没有毒性，肥料已经基本腐熟，当种子发芽指数大于80%时，可判定粪便对植物没有毒性，已经腐熟［19］。本试验中，随着发酵时间的延长，各组的种子发芽指数均呈现上升趋势，在第30天时，各组的种子发芽指数均超过了70%，说明粪便堆肥腐熟较好。其中试验B组在发酵第12天种子发芽指数就达到了61.54%，显著高于另外3组（P＜0.05），说明试验B组添加的玉米芯量有利于发酵。

3.5 不同添加量的玉米芯对堆肥全氮的影响

粪便中氮的变化在发酵中主要是通过微生物的代谢和挥发消耗而引起的：在堆肥初期，随着温度的升高，堆料中氮素的损失主要是因为NH3的挥发；高温期时，微生物代谢活动旺盛，有机氮被分解，氮素主要以氨态氮形式存在；在堆肥后期温度降低，硝化细菌活动旺盛，氨态氮含量上升［20］。本试验中，各组全氮含量均呈现不断下降的趋势。鲍艳宇等［21］以不同畜禽粪便为试验原料，发现除牛粪外，其他畜禽粪便的全氮含量均呈现下降趋势，这与本试验结果一致。黄向东等［22］指出，在粪便发酵初期，由于温度升高，粪便中氮素的损失主要是由于NH3的挥发而造成的。本试验在发酵第30天结束时，各处理组的全氮降幅的差异不大。

4 结论

（1）各处理组中，试验B组的高温持续时间最长，比其他3组提前进入50℃高温期，最高温度显著高于另外 3组（P＜0.05）。

（2）各处理组的种子发芽指数均随着发酵时间的延长而逐渐增大，其中试验B组在相同的发酵时间中，种子发芽指数最大，显著高于对照组（P＜0.05），在30 d时，种子发芽指数比对照组高7.73个百分点。

综上所述，在马粪堆肥发酵时，加入玉米芯能提高马粪的堆肥效率，马粪与玉米芯的比例以4∶1较为合适。