牛粪联合玉米秸秆好氧堆肥理化性状分析

史向远，王秀红，周 静，李欣欣，王保平，李永平，张纪涛，杜慧平

（山西省农业科学院现代农业研究中心，山西太原030031）

我国是一个农业大国，畜禽粪便和农作物秸秆是主要的农业废弃物来源之一，当前我国年产牲畜粪便约40亿t[1]，据不完全统计，农作物秸秆产出量每年可达9亿多t[2]。近年来，随着畜禽养殖业和种植业的飞速发展，政府对农业废弃物造成的环境污染问题关注度增加，循环利用意识增强，作为生物质能源的秸秆和畜禽粪便的处理和利用越来越受到重视。好氧堆肥技术处理农业秸秆和畜禽粪便，不仅能达到无害化、减量化的要求，提高环境安全系数，而且通过堆肥使该类废弃物得到了资源化利用，提高了其附加值。目前，通过将秸秆和畜禽粪便堆肥用作有机肥、食用菌栽培料或新型设施栽培基质的研究越来越多[3-8]。

如何能使堆肥产品更好地满足农业生产的需要，对好氧堆肥技术参数的掌控尤为重要。影响好氧堆肥的因素很多，主要包括堆料碳氮比、含水率、pH值、透气性等[9-12]，其中，堆肥物料的初始碳氮比对于好氧堆肥起决定性作用，好氧堆肥的实质就是微生物降解复杂有机质获得简单稳定有机质的过程，初始C/N低于20时，不利于微生物的生长繁殖，微生物活动减少，C/N高于35时，微生物需经过多次生命循环，氧化掉过量的碳，直至达到合适的C/N供其进行新陈代谢，使降解速率降低、堆肥腐熟周期延长[13]，所以合适的C/N对不同来源的物料堆肥非常重要。

本研究将牛粪和粉碎的玉米秸秆进行不同配比试验，研究起始C/N对好氧发酵堆肥物料理化性状的影响，旨在为加快牛粪秸秆腐熟、提高堆肥品质提供理论基础和技术支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试主要原料牛粪和玉米秸秆分别购自山西省农业科学院东阳试验基地周边农户。其中，玉米秸秆直接在田间粉碎揉丝收集，长度小于10 cm；牛粪晾干碾碎。堆肥原料的理化性质列于表1。

表1 堆料的理化指标

1.2 试验设计

试验地点设在山西省农业科学院现代农业研究中心东阳基地堆肥车间。试验设置2个处理：C/N＝30（配比 1）和 C/N＝25（配比 2），采用直径×高＝2.3 m×1.3 m的堆垛进行好氧发酵堆肥，用pH值为8左右的石灰水预湿玉米秸秆，按配比加入牛粪和一定比例的生石膏粉和过磷酸钙，调节水分含量至65%左右，物料均匀混合。建堆后分别在第8，16，20，26，34 天进行翻堆，并在建堆时及翻堆时从垂直高度1/2处的堆体表面由外向内不同深度多点取样，充分混合后，一部分样品冷藏，另一部分样品风干用于生理生化指标测定。

1.3 测定项目及方法

温度、含水率、pH 值、EC值、E4/E6、水溶性有机碳w（C）、水溶性有机总氮w（N）、总有机碳、全氮、有机物含量和种子发芽指数（GI）测定均参照王秀红等[14-15]的方法进行。

1.4 数据分析

采用Excel 2007进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同配比堆体的温度变化

堆体温度是指示好氧堆肥是否正常进行的一个重要指标。从图1可以看出，2种堆体到达高温的时间不同，配比1的堆温在建堆8 h后即上升至50.7℃，而配比2则是在建堆14 h后达到50℃以上高温。每次人工翻堆后，堆体温度均能快速升温，2种配比除第1次建堆8 d内温度无明显差别外，其余每次建堆后发酵期间的堆体温度均表现为配比1高于配比2。在34 d的好氧发酵期间，配比1达到55℃以上的高温时间累计持续了21 d左右，配比2为11 d，二者相差10 d。配比1堆体温度为60℃以上的天数达16 d左右，而配比2仅在建堆后的7 d内堆体温度有4 d左右达60℃以上高温，说明配比1更适合微生物的生长活动，也有利于无害化处理。

2.2 不同配比堆料的pH值变化

2种配比的堆体初始pH值均调至8.0左右，由图2可知，随着建堆时间的延长，配比1堆料的pH值呈先降低后升高再降低又升高的动态变化，pH值在7.43～8.16范围内，最后pH值为8.04。配比2的pH值则是持续升高，在第20天达到一个峰值8.72后开始下降，最后降至7.49。

2.3 不同配比堆料的C/N和w（C）/w（N）变化

C/N是好氧堆肥过程中的重要指标之一，可以指导建堆时的物料搭配，对物料的发酵启动起着关键作用。本研究依据微生物活动所需的C/N设置了2个配比进行跟踪，在34 d的好氧发酵期间，配比1的C/N值下降至18.65，配比2的C/N值为16.34（图3），分别比建堆初期下降了37.83%和34.64%。从水溶性的碳氮比来看，配比1的w（C）/w（N）在堆肥全程，除第20天和第34天较配比2稍低外，其余时间均高于配比2。

2.4 堆肥过程中的有机质含量和E4/E6变化

由图4可知，配比1的有机质含量高于配比2。随着堆制时间的延长，配比1的有机质含量开始下降，后期下降缓慢；配比2波动较小，总趋势为上升趋势。表明配比1的有机质被微生物的降解效果优于配比2。本次堆肥过程中，前4次翻堆时E4/E6值变化幅度不大，在第5次翻堆时，E4/E6值均有所上升；配比2的E4/E6值上升幅度大于配比1。整个发酵期间，配比1的E4/E6值与配比2相差不大，说明好氧发酵期间，堆料的腐殖化水平差异不大。最后一次翻堆时E4/E6值开始提高，表明有大分子质量的腐植酸开始形成。

2.5 堆肥过程中EC值和发芽指数（GI）的变化

由图5可知，2种配比的EC值在起初建堆时差异较大，配比1的初始EC值为1.403 mS/cm，而配比2的EC值为13.42 mS/cm。随着发酵时间的延长，配比1的EC值稍有升高，而配比2降低明显，2种配比在5次翻堆时间的EC值大小相差不明显，EC值在2.29～3.38 mS/cm。

配比1在整个发酵时期，原始堆料GI较高，堆制7 d后，GI降低，第2次翻堆时又有所上升，第3次翻堆时下降，最后2次翻堆则一直在上升，在不同发酵时间，其GI均较高；配比2则从一开始的GI为0，到第1次翻堆时，上升到100%以上，第2，3次翻堆时下降，第4，5次翻堆时上升，说明2种配比起始的物料搭配不同，影响整个堆肥不同翻堆时期的GI，但随着发酵时间的延长，GI均上升（图5）。

3 结论与讨论

温度是监测好氧堆肥过程的一个重要指标。本研究中，堆体升温速度、高温持续时间均为配比1优于配比2，说明配比1的碳氮比更利于微生物的生长，也表明初始碳氮比对于堆体快速升温及维持高温均起关键作用，与白永娟[16]这研究不同发酵条件对菇渣发酵温度的影响结果一致。当温度高于55℃时，可以使一些病原微生物致死[17]。针对规模养殖场堆肥新标准要求，堆体温度在55℃以上的天数不得少于10 d，这样才能达到无害化要求[18]。本研究中，2种配比堆体温度在55℃以上的天数均超过10 d，配比1在55℃以上持续时间更长。

中性或弱碱性的环境适宜微生物的生活，发酵过程中发酵物的pH值一般在6.7～8.5[12]。在堆肥过程中，微生物由于自身繁殖产生有机酸，引起pH值下降，随着有机酸的分解以及有机质分解过程中产生氨态氮，会引起pH值的升高，随着氨态氮转化为硝态氮，堆料的pH值又下降[19]。本研究在发酵初期的pH值可以通过添加石灰水来调节，使得堆料偏碱性，有利于堆体的快速升温。在堆肥过程中，配比1的pH值先下降后上升，说明配比1初始碳氮比有利于微生物的活动，有机酸分泌较多引起pH值下降，配比2则由于起初牛粪含量较高，含氮量相对较高，易出现氨化现象，所以pH值呈上升趋势。通过翻堆混匀，配比1堆体内存在酸化和氨化交替进行的过程，而配比2前期则以氨化现象占优势，后期才出现酸化现象。

良好的堆肥过程其碳氮比应是持续下降的。GARCIA等[20]研究认为，最终堆肥产品C/N值在理论上趋于微生物菌体的C/N值，即堆体C/N值由30左右降为15～20时可以认为堆肥腐熟，达到了稳定化的程度。通常认为，起始C/N在（20∶1）～（30∶1）均为一个理想比例，均有利于微生物生长活动。但是在实际应用中，则要考虑原材料粒径的大小、物料的物理化学结构和能够提供微生物生命活动利用的表面积等[21]。本研究中，配比2的C/N值为25，理论上适合微生物的生长，但其腐熟效果与配比1效果相比较差，说明堆体温度升高除了与配比有关外，堆体的孔隙度、堆料牛粪含量较高等均会影响微生物的代谢活性。堆肥反应的微生物代谢发生在水溶相，w（C）/w（N）的理论意义为堆肥水溶相代谢的程度，即w（C）/w（N）高，则堆肥的可利用碳就充足[22]，起始可溶性的C和N含量也是决定堆肥能否正常进行的关键，因此，堆肥物料的理化性质是影响碳素利用的重要因素。本研究中，随着堆肥的进行，可溶性碳氮比大小有波动，认为随着微生物对有机质的降解和对单糖的利用，可溶性的碳氮比也在发生变化，与pH值的变化也有一定相关性。C/N值可以反映堆肥的生物转化程度[23]，固相C/N值小于12是堆肥成熟的标志[24-25]。本研究只测定了好氧堆肥阶段的C/N值，其尚未达到12，需要经过二次发酵才能达到腐熟。较高的C/N值对应的有较高的w（C）/w（N）值，但好氧发酵结束时，配比1低于配比2，说明配比1的有机质得到更好的有效降解。

适合高温好氧发酵的堆料有机质含量高于20%就可以使堆肥正常进行。丁文川等[26]研究结果表明，堆肥初期有机物对微生物的增长起主导作用，但随着微生物代谢产物的积累，温度值等的变化对微生物的影响日益强烈，有机物由主导因子变为次要因子。E4/E6值通常随堆肥固相腐植酸相对分子质量或缩合度增加而减小[27]，E4/E6值越高，说明微生物活性越高，生物化学过程比较强烈，复杂有机物尚未得到降解，未到达腐植酸大量形成期。本研究中，到第5次翻堆时E4/E6值仍较高，说明此时堆体仍处于矿化阶段，降解作用旺盛，腐殖化程度还较低。

EC值反映了基质中可溶性盐溶液的浓度和营养水平，EC值太低营养不足，EC值太高会导致盐害，蔬菜作物基质理想的EC值应小于2.5 mS/cm[28]。堆肥产物在应用于基质栽培时，尤其栽培对盐离子敏感的作物时，EC值的大小尤为重要。堆肥前期，因有机物分解产生大量有机酸分子、矿质盐分，以及堆体体积减小、温度升高水分蒸发，再加上硝化细菌活动使有机物料持续矿化产生NO3-，均会导致EC值升高，随着堆制过程的进行，CO2和NH3等不断挥发，同时小分子有机酸及阴阳离子被微生物转化利用而合成腐殖质类物质，EC值会逐渐下降，到堆制结束时EC值基本维持在2.0 mS/cm左右[13]。本研究中，2种配比的EC值在堆制结束时均高于2.0 mS/cm，由于研究主要在好氧发酵期间检测EC值的变化，尚未彻底腐熟，而且堆料用于栽培基质时，还要与其他基质原料搭配使用，EC值稍高不会影响园艺作物栽培效果。本研究中，配比2的初始EC值明显高于配比1，可能是由于配比2中牛粪的比例较高导致，但随着建堆时水分的调节以及堆肥的进行，离子浓度下降，EC值随之降低。

GI反映了堆肥产品对植物的毒性，是评价堆肥腐熟程度的重要指标之一，当GI达到80%～85%时，可以认为对植物没有毒性[29]。本试验中，GI的变化呈先下降又上升的趋势，原因可能是由于好氧发酵阶段微生物降解有机物产生的NH3-N和有机酸等对种子发芽产生了一定的抑制作用[30]。本研究在不同翻堆时间配比1较配比2的GI高，说明玉米秸秆比例较大的堆料产生的抑制物低于牛粪比例较大的堆料。