兔粪与中药渣低碳氮比堆肥理化性质变化特征
2020-02-22 02:54张霞潘孝青李健邵乐秦枫顾洪如翟频杨杰
江苏农业学报 2020年6期
关键词：理化性质
张霞 潘孝青 李健 邵乐 秦枫 顾洪如 翟频 杨杰
摘要：为了提高兔粪有机肥生产和资源化利用效率，针对兔粪与中药渣高温发酵过程，研究兔粪堆肥过程中理化性质等的变化特征。结果表明，在低C/N条件下，堆制期间的堆肥温度在堆制2～34 d持续保持在60～70 ℃，堆制34 d，堆肥含水量降至44%，氮、磷、钾总养分含量上升至85.26 g/kg，有机质含量下降至42.00%，均达到NY/T 3442-2019《畜禽粪便堆肥技术规范》的要求;堆肥总腐殖酸含量、富里酸含量及胡敏酸含量总体均表现为降低的趋势;堆肥pH值整体呈现先升高后降低的趋势，堆制34 d，pH值为9.28，呈碱性，高于NY/T 3442-2019《畜禽粪便堆肥技术规范》的要求。本研究采用萝卜种子发芽指数来确定堆肥的腐熟情况，结果显示，在本试验条件下，兔粪堆制24 d已经达到堆肥腐熟的要求。此外，研究结果显示，堆制34 d，堆肥的Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg含量均低于NY/T 3442-2019《畜禽粪便堆肥技术规范》与NY 525-2012《有机肥料》规定的限量标准。从重金属含量角度分析可知，兔粪有机肥是较为安全的有机肥。
关键词：兔粪;中药渣;好氧堆肥;C/N;理化性质
中图分类号：X713文献标识码：A文章编号：1000-4440（2020）06-1459-09
Abstract：In order to improve the production and utilization efficiency of rabbit manure， rabbit manure and traditional Chinese medical residue were used as materials during hightemperature composting. The variation characteristics of physical and chemical properties of rabbit manure were studied. At low carbon/nitrogen ratios， during the composting period， the water content of compost decreased to 44%， the total nutrient contents of nitrogen， phosphorus and potassium increased to 85.26 g/kg， and the organic matter content decreased to 42.00%， all these properties met the requirements of the
Key words：rabbit manure;Chinese medicine residue;aerobic composting;carbon/nitrogen ratio;physical and chemical properties
近年來，中国兔养殖业的规模化、集约化程度越来越高，已经成为许多地区的支柱型产业，但随之产生的大量粪便造成了严重的环境问题。目前，国内兔粪的主要处理模式通常是经过简单的收集贮存后直接销售给种植户或经中间商收购后再销售给种植户[1-2]。在江苏省，兔粪的处理方式还有通过兔粪中间商收购后外销给水果种植户，但是在运输过程中容易污染沿途的环境。兔粪是兔养殖业的主要副产物，含有丰富的氮、磷、钾和有机质等养分[1]。相对于猪粪、牛粪、鸡粪等其他畜禽粪便，兔粪内的重金属含量较低[1，3]，并且作为有机肥，兔粪具有较高的利用价值和经济效益。目前，中国对猪场、鸡场以及奶牛场等养殖场废弃物的利用和研究比较多， 但是对兔场废弃物的研究还很少， 随着兔规模化养殖范围的扩大，兔场粪污处理成为兔养殖企业的一个重要问题。本研究基于有机肥厂兔粪高温发酵生产堆肥的过程，研究兔粪堆肥过程中理化性质的变化特征，以期为兔粪的资源化利用提供技术支撑。
试验数据用Excel进行整理、作图。
2结果与分析
2.1兔粪堆肥在堆制过程中温度、含水量、灰分含量的变化
由图1a可以看出，堆制34 d时，堆肥已经经过升温-高温阶段，还未到降温期，堆肥温度在堆制2 d时达到60 ℃以上;堆制2～34 d，堆肥处于高温期且温度保持在60～70 ℃。由图1b可以看出，在整个堆制过程中，堆肥含水量呈持续降低的趋势，从最初的69%降至堆制34 d时的44%，达到堆肥产物质量要求标准（NY/T 3442-2019《畜禽粪便堆肥技术规范》）。由图1c可以看出，堆肥灰分含量呈现先增加后降低的趋势，从初始的25.00%上升至堆制24 d时的最高值40.62%，再降至堆制34 d时的35.87%。
2.2兔粪堆肥在堆制过程中电导率、pH值及无机氮含量的变化
由图2a可以看出，在堆制期间，堆肥电导率整体呈先上升后稍下降的趋势，由初始的2.80 mS/cm升高至堆制24 d时的4.06 mS/cm，之后略有下降，至堆制34 d时为3.98 mS/cm;堆肥的pH值呈现先波动升高后平缓降低的趋势，由初始的8.40升高至堆制10 d时的最高值9.37，之后开始缓慢下降，至堆制34 d时为9.28。由图2b可以看出，堆肥的铵态氮含量呈现先增加后减少的趋势，由初始的5.41 g/kg增加至堆制2 d时的最高值6.49 g/kg，之后持续下降，至堆制34 d时降至3.02 g/kg;堆肥的硝态氮含量在堆制0～15 d呈增加的趋势，由初始的0.44 g/kg快速增加至堆制6 d时的0.95 g/kg，之后缓慢增加，至堆制14 d时达最高值1.00 g/kg，堆制19 d时突然下降，之后再次增加，至堆制29 d时为0.99 g/kg，在堆制34 d时降至0.85 g/kg。
2.3兔粪堆肥堆制过程中氮、磷、钾养分含量的变化
由图2c可知，在堆制的0～2 d，堆体的全氮含量由23.16 g/kg下降至19.93 g/kg，至堆制24 d时，堆肥的全氮含量维持在20.00 g/kg左右，之后缓慢增加，至堆制34 d时，达到24.60 g/kg。堆肥的五氧化二磷含量总体呈先增加后降低的趋势，在堆制起始阶段为25.26 g/kg，在堆制14 d时增加至最高值35.43 g/kg，之后略有下降，并保持在33.70～34.50 g/kg。在堆制期间，堆肥的氧化钾含量波状增加，从初始的15.89 g/kg增加至堆制34 d时的26.29 g/kg。在堆制期间，堆肥的氮、磷、钾总养分含量呈波状增加，从初始的64.31 g/kg增加至堆制34 d时的85.26 g/kg。
2.4兔粪堆肥堆制过程中有机质含量、碳氮比、水溶性碳含量与木质纤维素含量的变化
由图3a可以看出，在堆制期间，堆肥的有机质含量呈波动降低趋勢，由起始阶段的53.76%降至堆制34 d的42.00%左右，堆制34 d较堆制29 d略有增加;堆肥碳氮比整体呈降低趋势，在堆制0～6 d保持在14.70～15.50，在堆制6 d时达到最高值15.50，之后持续降低，至堆制34 d时为10.23。由图3b可以看出，堆肥的水溶性碳含量整体呈波动增加趋势，从堆制初始阶段的24.88 g/kg持续升高至堆制14 d时的最高值30.33 g/kg，之后略有降低，至堆制34 d时为29.37 g/kg。由图3c可以看出，堆肥的半纤维素含量整体呈降低趋势，从初始的20.93%快速降至堆制6 d时的13.23%，之后缓慢降低，在堆制24 d时降为10.92%，堆制24 d后维持在10.50%左右;堆肥的纤维素含量在堆制期间呈缓慢波动式下降，从初始的14.26%降至堆制24 d时的10.72%，之后略有上升，至堆制34 d时为12.34%;堆肥的木质素含量呈持续、缓慢波动式增加，从初始的5.27%增加至堆制34 d时的8.44%。
2.5兔粪堆肥堆制过程中腐殖酸含量及其组分的变化
由图4a可以看出，堆肥的总腐殖酸含量总体呈降低趋势，在堆制0～6 d，堆肥总腐殖酸含量持续降低，从初始的162.92 g/kg快速降至堆制6 d的127.84 g/kg，之后略有增加并维持在130.00 g/kg左右;富里酸包括小分子的有机碳，堆制期间富里酸含量的变化趋势与总腐殖酸含量的变化趋势类似，在堆制0～6 d降低，从初始的78.62 g/kg降至堆制6 d的57.58 g/kg，堆制6 d后缓慢波动下降，至堆制34 d时为56.76 g/kg;堆肥的胡敏酸含量大致呈先降低后增加的趋势，由初始的84.24 g/kg缓慢降至堆制14 d时的68.59 g/kg，之后则缓慢波动增加，至堆制34 d时为76.11 g/kg。由图4b可以看出，堆肥的胡敏酸/富里酸表现为持续的波状升高，由初始的1.07升高至堆制34 d时的1.34。
2.6不同堆制程度兔粪堆肥对发芽指数的影响
由图4c可以看出，分别采用黄瓜种子、萝卜种子进行发芽试验，发芽指数呈波状升高趋势，黄瓜种子的发芽指数高于萝卜种子，表明萝卜种子对堆肥的毒害性反应更敏感。黄瓜种子的发芽指数由堆制10 d时的64.68%提高至堆制34 d时的93.61%，堆制14 d时为78.00%。萝卜种子的发芽指数由堆制10 d时的34.77%提高至堆制34 d时的75.00%，堆制24 d时为71.20%。
2.7兔粪堆肥堆制过程中重金属含量的变化
由图5a可以看出，堆制期间堆肥的Cu含量缓慢地波状增加，由初始值16.56 mg/kg增加至堆制34 d时的19.86 mg/kg;Zn含量呈缓慢波状增加趋势，由初始的78.42 mg/kg增加至堆制34 d时的96.77 mg/kg;Cr含量呈增→降→增→降的趋势，由初始的7.59 mg/kg增加至堆制4 d时的最高值14.42 mg/kg，至堆制34 d时降至6.92 mg/kg。由图5b可以看出，As含量呈缓慢波状增加趋势，由初始的0.61 mg/kg增加至堆制34 d时的0.69 mg/kg;Pb含量呈缓慢波状增加趋势，由初始的1.31 mg/kg增加至堆制34 d时的1.71 mg/kg。由图5c可以看出，Hg含量呈先增加后波状降低趋势，由初始的0.027 4 mg/kg增加至堆制2 d时的0.044 2 mg/kg，之后逐渐降低，至堆制34 d时为0.014 0 mg/kg;Cd含量呈增加趋势，由初始的0.058 8 mg/kg增加至堆制34 d时的0.098 7 mg/kg。堆肥中各重金属含量均低于NY/T 3442-2019《畜禽粪便堆肥技术规范》及NY 525-2012《有机肥料》规定的限量标准（As含量≤15 mg/kg，Hg含量≤2 mg/kg，Pb含量≤50 mg/kg，Cd含量≤3 mg/kg，Cr含量≤150 mg/kg）。
3讨论
3.1堆制过程中堆肥pH值与氮素的变化
与NY/T 3442-2019《畜禽粪便堆肥技术规范》[4]及NY 525-2012《有机肥料》[5]相比，兔粪堆肥发酵34 d时，除pH值（9.28）偏高外，其他测定指标均达到标准要求，可以作为有机肥料在农业生产中推广使用。堆肥pH值整体呈现先升高后降低趋势，与前人的研究结果一致[6-7]。因为在堆制初期，有机碳快速降解产生的有机酸、无机酸少于有机氮快速分解产生的NH+4-N，此时硝化细菌活动无法及时将NH+4-N转化为NO-3-N，从而使铵态氮大量积累，引起pH值升高[8-9];随着堆制时间的增加，促使堆体内积累的铵态氮以氨气的形式大量释放到空气中，同时堆体内硝化细菌的硝化作用使部分铵态氮转为硝态氮[10-12]，最后使得堆体内有机物分解产生的小分子有机酸、无机酸等酸性物质相对增多，使pH值下降[8，13]。
在本试验中，堆肥发酵的pH值为8.40～9.37，堆制34 d时堆肥的pH值为9.28，高于堆肥及有机肥标准规定的要求（pH值为8.50），这一结果也高于国内猪粪[6，13]、牛粪[14]、鸡粪[15]、羊粪[16-17]、鸭粪[18]等粪便堆肥的pH值。但不是所有兔粪堆肥的pH值均高于8.50，文斌等[19]通过兔粪与菌渣的堆制试验得出，最终pH值为8.20～8.60，平均为8.39左右。本试验所得兔粪堆肥pH值较高，可能是由堆肥原料等多种因素引起的。研究发现，堆制初期的酸碱度会直接影响最终堆肥产品的质量[6]，本试验所用中药渣的pH值较高，为9.23，所用新鲜兔粪的pH值也较高，为8.31。段恩泽等[1]認为，鲜兔粪是pH值在8.00以上的碱性物质，其pH值高于猪粪、鸡粪、鸭粪、牛粪及羊粪的pH值。此外，堆肥原材料的C/N可能也会影响堆肥的pH值。一般情况下，细菌细胞的C/N平均约为5，1份碳平均约需4份氮氧化释放出能量供合成细胞物质和满足其他生命活动所需，因此，在生长繁殖过程中，需要从外界吸收利用有机质的C/N大致为25[20]。一般认为C/N过低，微生物生长繁殖所需的能量来源受到限制，发酵温度上升缓慢，过量氮会以氨气的形式释放，有机氮损失大[21]。而在本试验中，兔粪中药渣初始C/N较低，为14.77，碳源不足，不能提供足够的能量给细菌使铵态氮向硝态氮转化，在堆肥高温期与高pH值的条件下，大量铵态氮只能以氨气的形态挥发出去[21-23]，导致堆肥全氮含量先降低，之后维持在较低状态，直至堆制24 d才呈缓慢增加的趋势，同时大量铵态氮存贮于堆肥内，使堆肥pH值保持较高的水平。韩战强等[24-25]对羊场C/N相对较低的纯羊粪进行堆肥发现，其最终pH值均为9.0～9.5。由此可见，规模兔场在进行兔粪堆肥时，应适当添加C/N高的有机物料，调节堆肥原料的C/N在合适范围，从而控制堆肥pH值在合适范围，减少氨气的排放，尽可能多地保存堆肥的氮素。
3.2堆肥碳素的变化
一般认为，当堆肥温度在55 ℃以上并维持15 d，就能达到粪便无害化卫生标准（NY/T 3442-2019《畜禽粪便堆肥技术规范》）。本试验在夏天进行，从堆肥温度与含水量看，堆制2～34 d时，堆肥温度保持在60～70 ℃，同时由于堆肥的高温，使水分含量从最初的69%持续下降至堆制34 d时的44%，促使堆肥腐殖化。而本试验在C/N较低的情况下还能够使堆肥长期（33 d）保持在高温（60～70 ℃）期，可能因为兔粪属于热性肥料，C/N低，易腐熟[26]，但是堆肥C/N较低时，堆肥的碳素损失也相应较低，本试验堆肥有机质含量及C/N在前期的变化较小，这与前人的研究结果[23，27]一致。持续高温抑制了能分解纤维素、木质素菌群的活性，使得堆肥高温期有机碳损失量较低[28]。
在堆制过程中，总腐殖酸含量及其组分胡敏酸与富里酸含量的变化不同，甚至相反。Inbar等[29]在研究牛粪堆制过程中发现， 堆肥总腐殖酸含量从184 g/kg提高到457 g/kg。而李吉进等[30]将鸡粪和牛粪混合堆腐后发现，总腐殖酸含量呈下降趋势。张霞等[31]通过研究猪发酵床垫料发现，总腐殖酸含量呈现先下降后上升的趋势，且最后的结果高于初始值。张雪英[32]研究发现，经过49 d堆腐的污泥堆肥，相对分子质量>25 000的腐殖质组分含量提高了68%，而相对分子质量<1 000的腐殖质组分含量降低了64%。马怀良等[33]认为，C/N是堆肥发酵的关键条件，可以影响堆制过程中腐殖酸及其组成，具体表现为：当C/N为20、25、30、35时，总腐殖酸含量呈现先增加后降低的趋势;当C/N为30、35时，最终的总腐殖酸含量高于初始含量;当C/N为20、25时，最终的总腐殖酸含量则低于初始值;当C/N为40、45时，总腐殖酸含量呈现持续降低的趋势;当C/N为30时，堆肥腐熟后总腐殖酸的生成量最多。在本试验中，堆肥的总腐殖酸含量从最初的162.92 mg/kg降至堆制6 d时的最低值127.84 mg/kg，并保持在130.00 mg/kg左右，这可能也是由于堆肥物料的C/N较低，堆体不能提供更多碳素来支持腐殖酸的生成，从而影响总腐殖酸的生成。本试验中的富里酸含量大致呈持续降低的趋势，胡敏酸含量则大致呈先降低后增加的趋势，这与马怀良等[34]的结果一致。尽管前人得出的总腐殖酸含量及其组分富里酸、胡敏酸含量的变化趋势不一致，但是堆制过程中胡敏酸与富里酸的比值（HA/FA）一致，均表现为上升的趋势。在本试验中，HA/FA也表现为持续上升的趋势，说明堆肥的腐殖化程度在增加，这与前人的研究结果[31，34]相一致。
3.3堆肥重金属含量的变化
本试验测定了兔粪堆肥中Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb及Hg等7种元素含量，最后1次取样结果表明， Cr含量（6.92 mg/kg）、As含量（0.69 mg/kg）、Cd含量（0.098 7 mg/kg）、Pb含量（1.72 mg/kg）及Hg含量（0.014 0 mg/kg）均低于NY/T 3442-2019《畜禽粪便堆肥技术规范》[4]与NY 525-2012《有机肥料》[5]规定的限量标准（Cr含量≤150 mg/kg，As含量≤15 mg/kg，Cd含量≤3 mg/kg，Pb含量≤50 mg/kg，Hg含量≤2 mg/kg）。Cu含量（19.86 mg/kg）、Zn含量（96.77 mg/kg）也均在GB 4284-2018《农用污泥污染物控制标准》的控制范围（Zn含量≤1 200 mg/kg、Cu含量≤500 mg/kg）[35]内。
国内学者对畜禽粪便及其堆肥中重金属含量变化进行了大量研究。丁丽军等[36]对江苏泰州鸡、猪、鸭、鹅、牛粪便的研究发现，Cu、Zn、As、Cr、Pb、Cd的平均含量分别为30.3～571.3 mg/kg、139～578 mg/kg、0.56～62.34 mg/kg、19.00～26.71 mg/kg、13.49～19.23 mg/kg、0.79～3.96 mg/kg，猪粪中的Cu、Zn、As及Cd含量显著高于鸭、鹅、牛粪，牛、鹅粪便中重金属含量较低。叶雪珠等[37]对浙江省内96家商品有机肥生产企业的99个商品有机肥样品的重金属含量研究发现，以猪粪、牛粪、鸡粪、羊粪、鸭粪及蚕沙为主要原料的商品有机肥中Cu、Zn、As、Cr、Pb、Hg、Cd的平均含量分别为42.3～284.6 mg/kg、302.3～770.8 mg/kg、3.7～6.3 mg/kg、14.5～44.2 mg/kg、12.3～19.2 mg/kg、0.077～0.220 mg/kg、0.49～1.20 mg/kg，猪粪有机肥内Cu、Zn、As含量较高，牛粪与鸡粪有机肥次之。袁凯等[38]研究发现，猪、鸡、牛粪便的平均铜含量分别为485 mg/kg、80.9 mg/kg、53.9 mg/kg，平均锌含量分别为1 220 mg/kg、405 mg/kg、156 mg/kg。与以上研究结果相比，本研究所用兔粪及其堆肥不同重金属（Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb及Hg）的平均含量均显著低于猪粪、鸡粪、牛粪、鸭粪、鹅粪及其堆肥重金属含量。由此可见，从重金属残留的角度認为兔粪是较为安全的有机肥原料。
3.4堆肥腐熟度的变化
发芽指数是简单有效地评价堆肥腐熟度的最精确、最有说服力的指标[39-40]。一般认为发芽指数达到50%便说明堆肥对植物已无毒害作用，达到80%则认为堆肥已完全腐熟。NY/T 3442-2019《畜禽粪便堆肥技术规范》规定，堆肥发芽指数达到70%即可认为该堆肥已达标[4]。从本研究中黄瓜种子与萝卜种子的发芽指数可以看出，萝卜种子对堆肥的植物毒害性反应更敏感，而黄瓜种子对堆肥的植物毒害性反应迟钝。本研究采用萝卜种子发芽指数来确定堆肥腐熟情况，结果表明，在本试验条件下，兔粪堆制24 d已达到堆肥腐熟的要求。
4结论
从堆制开始至堆制34 d，堆肥持续处于60～70 ℃的时间为32 d，堆制34 d时，堆肥含水量降至44%。堆肥中五氧化二磷含量、氧化钾含量及氮磷钾总养分含量均表现为前期增加较快，堆肥全氮含量呈先降低后增加的趋势。发酵温度、水分含量及氮磷钾总养分含量均达到堆肥产物质量标准（NY/T 3442-2019《畜禽粪便堆肥技术规范》）。堆肥pH值大致呈现先升高后降低的趋势，至堆制34 d时pH为9.28，呈碱性。
在堆制期间，堆肥有机质含量及碳/氮整体均表现为降低的趋势，分别由初始的53.76%、14.70降至堆制34 d时的42.00%、10.23;堆肥半纤维素、纤维素含量整体均呈降低趋势，木质素含量呈波状增加的趋势;堆体总腐殖酸、富里酸、胡敏酸含量总体均表现为降低趋势。发芽指数总体呈升高趋势，黄瓜种子发芽指数高于萝卜种子，因此采用萝卜种子发芽指数来确定堆肥腐熟情况，兔粪堆制24 d时已经达到堆肥腐熟的要求。
兔类堆肥Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg含量均低于NY/T 3442-2019《畜禽粪便堆肥技术规范》与NY 525-2012《有机肥料》规定的限量标准。与前人的报道相比，本研究所用兔粪及其堆肥不同重金属（Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb及Hg）含量均显著低于猪粪、鸡粪、牛粪、鸭粪、鹅粪及其堆肥。
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（责任编辑：徐艳）
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