玉米秸秆调节牛粪含水率对其腐熟进程及氨气释放量的影响

赵旭，王文丽，李娟

甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，兰州 730070

0 前言

由于畜禽养殖业的迅猛发展，使畜禽粪便的排出数量大大提高，给环境造成了巨大的压力，能否快速高效地处理畜禽粪便，使其得到资源化、无害化利用，关系到畜禽养殖业能否可持续发展[1-2]。相关统计数据表明，一头成年奶牛全年的粪尿产生量大约有 13 t，其中粪 9.5 t，尿 3.5 t。奶牛的粪便产生量是生猪的 4倍，肉羊的 13倍，蛋鸡的 117倍，肉鸡的219倍[3]，奶牛粪除少量生产成有机肥外，大部分被堆放弃置，给环境造成了很大的压力[4]。牛粪中含有较高的氮、磷、钾及微量元素，是很好的有机肥原料[5]。但由于新鲜牛粪含水率较高，内部孔隙度小，通气性差，使得新鲜牛粪堆肥过程中堆体温度上升较慢，堆肥效率低，并且易产生厌氧反应，从而降低了牛粪的利用效率。秸秆作为一种富含丰富有机质的干介质，不仅可以对新鲜牛粪进行水分调节，还能有效调节堆肥物料的 C/N，并且经粉碎后的秸秆又可以作为结构调理剂，能够有效增加堆肥物料的粒度，提高堆体孔隙度，增大物料与空气(氧气)接触面积，以保证在堆肥的过程中有足够的氧气[6]。刘凯等的研究结果表明，牛粪与玉米秸秆以 3:7配比效果最佳，堆肥升温快，高温维持时间长[7]。赵秀玲等[8]以新鲜牛粪和苜蓿秸秆混合物为堆料，对堆肥温度及C/N 比进行调控。结果表明添加一定比例的苜蓿秸秆可以调节堆料的C/N比值、含水量，缩短堆肥时间，其中牛粪与秸秆比例为 1:1混合堆肥效果较好。目前虽然很多学者对牛粪堆肥中添加秸秆的量进行了研究，但由于加入秸秆的种类和大小不同，使得研究结果多样，因此在实际应用中指导意义不大。本研究以鲜牛粪和秸秆的含水率为基础，通过秸秆和鲜牛粪的加入量计算出混合堆料的含水率，以混合料的计算含水率为基础设计试验处理，研究不同初始含水率对堆肥温度、pH值、有机碳、全氮、发芽指数、NH3的释放量、纤维素降解率、半纤维素降解率和木质素降解率等参数的影响，以期获得鲜牛粪和玉米秸秆混合好氧堆肥的最佳含水率，为提高农业废弃物的利用率，减少农业面源污染，发展循环农业提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用新鲜牛粪和干玉米秸秆为堆肥材料。试验所用牛粪取自兰州市红古区某奶牛场；玉米秸秆取自奶牛场附近农场: 使用前用碎机将玉米秸秆粉碎，并过长2cm筛。

1.2 试验设计

以鲜牛粪为堆肥基础材料，粉碎成2cm的玉米秸秆为调节牛粪初始含水率的材料，堆料初始含水率以鲜牛粪和玉米秸秆的含水率为基础，通过计算获得；设置5个处理，玉米秸秆添加量为0的处理作为对照(CK)，每个处理设3次重复(表2)。

1.3 堆肥方法

采用槽式堆置，发酵槽长、宽、高分别为2.0、1.50、1.4 m，堆体宽 1.5m、高 1m，长 1.7m。堆肥时间为2017 年4月2日至2017年5月20日，共计48d。按照试验设计，将各处理的秸秆和牛粪混合均匀后移入发酵槽发酵。试验地点设置在甘肃省农业科学院花卉中心试验地，搭设防雨棚，通风条件良好。

表1 牛粪和玉米秸秆的主要理化性状Table 1 The physical and chemical properties of maize straw and cow manure

表2 堆肥试验设计Table 2 Design for the composting experiment

1.4 翻堆方法

堆体温度在45 ℃以下时，72 h翻堆一次；堆体温度保持在55 ℃以下，45 ℃以上时，同一温度区间保持48 h时翻堆一次；堆体温度保持在55 ℃以上时，保持24 h时翻堆一次。

1.5 取样和指标测定方法

1.5.1 取样

在第 0、8、16、24、32、40 和 48 d，分别在堆体的前、中、后3个剖面上分别取样。充分混合并分成2份，一份贮存于4 ℃的冰箱中备用，一份在晾样架上自然风干。

1.5.2 温度测定

每天在堆体的8个不同的部位使用温度计进行测定，分别为A、B、C、D表层下20 cm；E、F、G、H为堆体表层下40 cm，每天早8: 30和17:00时记录温度。

1.5.3 水分测定

取10.00 g的堆肥鲜样，在105 ℃下烘24 h 至恒重，冷却后测定其含水量。

1.5.4 pH的测定

取 5.00 g的堆肥鲜样放于三角瓶中，加入 25 mL的蒸馏水，振荡30 min后静止10 min，滤纸过滤，滤液用上海雷磁仪器厂生产的 pHS-25型测定滤液的pH值。

1.5.5 种子发芽指数

称取不同堆肥处理不同时期的新鲜样品 10 g，加入到装有 100 mL 去离子水的三角瓶中，150 r·min-1振荡 30 min 后，静置 30 min，吸取上清液 5 mL，加入放有 2张滤纸的直径为 9 cm 培养皿中，均匀放20 粒颗粒饱满的白菜种子，放入到25 ℃培养箱培养48 h后，测定种子发芽率和根长。对照为去离子水，每个处理重复 3次。按以下公式计算种子的发芽指数: GI= (处理的发芽率×处理的根长) /(空白的发芽率×空白的根长)×100%[9]。

1.5.6 发酵物料有机碳、全氮测定

鲜样风干后，粉碎、细化、均一化、最后过0.15 mm 筛后用锡箔纸包被，使用元素分析仪(VarioEL)，通过干烧法进行全碳和全氮含量的测定。每个样品设置3次重复[10]。

1.5.7 氨气吸收装置及计算方法

氨气吸收装置由1个圆柱形气室(高20 cm，内径 16 cm，白色，PVC 材质)、2 层圆片形吸收海绵(直径16 cm，厚3 cm)组成。在测定前在海绵上灌注20 mL磷酸甘油混合液(50 mL磷酸+ 40 mL丙三醇，定容至1000 mL)，以捕获堆体挥发的氨气。下层海绵距管底5 cm高度处，上层海绵与硬质塑料管顶端平齐。挥发氨的捕获于堆肥当天开始，在堆体的不同位置，分别放置3个氨气捕获装置，吸收3小时后，将捕获装置下层的海绵取出，按堆体编号分别装入塑料袋中，密封，带回试验室后，分别装入 1000 mL 的广口瓶中，加 300 mL 1.0mol·L-1的 KCl溶液，使海绵完全浸于其中，振荡 1h 后，浸取液中的铵态氮用连续流动分析仪测定。通过如下公式计算氨气挥发量:

式中，f为氨气排放量，[mg·(m2·h)-1]；C为浸提液中氨氮的含量(mg·L-1)；V为浸提液的体积(mL)；A为吸收氨气的海绵的有效面积(m2)；t为采样时间(h)。

1.5.8 半纤维素、纤维素、木质素测定

用 ANKOM A2000i型纤维素分析仪进行半纤维素、纤维素、木质素测定[11]。

1.6 数据统计分析

使用Excel 2010对数据进行统计，采用SPSS 21.0软件进行 LSD 差异性分析(显著水平分别为0.01和 0.05，以平均值±标准差表示)。

2 结果与分析

2.1 堆体温度的动态变化

由图 1可知，不同处理的堆体温度动态变化呈现不同的变化趋势。从堆肥第 2天开始，添加玉米秸秆调节含水率的处理，堆体内的温度显著高于环境温度，但各处理升温速度差异较大，含水率越低(玉米秸秆加入量越大)，堆体升温速度越快。A1处理在堆肥的第2天进入高温期(＞50 ℃)，A2和A3处理次之，在堆肥第3天进入高温期，A4处理在堆肥第6天进入高温期，CK处理所需时间最长，在堆肥第26天进入高温期。从高温期的持续时间来看，CK处理最长，持续16天；其次是A3和A4处理，持续15天，A1和A2处理持续时间较短，为14天。各处理的堆体最高温随堆料含水量的降低而升高，处理A1的堆体最高温可达72.25 ℃，而CK处理的只有56.75 ℃。达到最高温的升温速率随堆料初始含水率的降低而升高，随玉米秸秆加入量的升高而升高。处理A1的堆体升温速率为14.45 ℃·d-1，而CK处理的升温速率只有1.89 ℃·d-1。

图1 不同处理的堆体温度动态变化Figure 1 Variations of temperature in different treatments during composting process

2.2 堆肥过程中pH 的变化

堆肥过程中pH值的变化如图2所示，加玉米秸秆处理的 pH 值变化趋势基本一致，都是先上升后下降。在堆肥初期，A1—A4处理的 pH 值分别为8.43、8.57、8.72、8.832。在堆肥第 8 d，A1—A4 处理的 pH 值达到最大，分别为 8.58、8.68、8.89、9.03；CK处理的pH值在第32d达到最大，为9.42。堆肥结束时，加玉米秸秆调节含水率的 A1—A4 处理，pH 值分别下降为 8.31、8.33、8.42、8.47，符合腐熟堆肥 pH值标准(pH8.0—9.0)[12]；未加玉米秸秆调节含水率的CK处理，pH值下降为9.13，不符合腐熟堆肥pH值标准。

2.3 堆肥过程种子发芽指数的变化

图2 不同处理的堆料pH值动态变化Figure 2 Variations of pH in different treatments during composting process

由图3可知，牛粪与玉米秸秆混合堆肥的A1—A4处理中，GI值呈现先平稳后快速升高的变化趋势。在堆肥0—32 d，GI值的升高速度随含水率的降低(玉米秸秆添加量的升高)而升高。在堆肥8—24 d，A1—A4处理的GI值升高速度较快；CK处理的GI值在堆肥16—48 d升高速度较快；堆肥结束时，A1—A4处理的GI值随初始含水率的降低(玉米秸秆加入量的升高)而降低，A1处理的 GI值最低，为84.33%；A4处理的GI值最高，为86.28%；未加玉米秸秆的CK处理只有64.1%，还未腐熟。

2.4 堆肥过程中碳氮比的变化

C/N 是评价堆肥产品腐熟度的重要指标，堆肥产品的C/N比值在15—20之间时，可认为堆肥腐熟[13]。由图 4可知，随着堆肥的进行，各处理的 C/N 均呈下降的趋势，堆肥结束时，处理A1至A4的C/N分别为 19.38、17.93、16.39、15.78，CK 处理的为 15.5。Morel等用 T=(终点 C/N)/(初始 C/N)来评价腐熟度，认为当T值小于0.6时堆肥达到腐熟[14]。本试验在堆肥结束时，各处理 T值在 0.596—0.676之间，A1处理、A2处理、CK处理T值分别为0.64、0.629、0.676，均大于0.6，所以堆肥结束时还没有达到腐熟，A3处理、A4处理分别为0.599和0.596，所以堆肥结束时达到腐熟。

2.5 堆肥过程NH3释放量的变化

图3 不同处理堆料种子发芽指数动态变化Figure 3 Variations of GI in different treatments during composting process

图4 不同处理堆料碳氮比(C/N)动态变化Figure 4 Variations of C/N in different treatments during composting process

堆肥过程中由于NH3挥发而损失的N素可以达到总氮损失的 90%以上[15]。因此，减少堆肥过程NH3的挥发对提高堆肥产品的质量十分重要。图 5显示了堆肥过程中 NH3挥发量的动态变化过程。NH3挥发量峰值出现的时间随秸秆加入量的升高和含水量的降低而缩短。牛粪中加入秸秆，改善了堆料的通气性，增强了微生物的活性，促进了堆料中有机物的降解，提高了堆体温度，进而使 NH3挥发速率迅速达到峰值；而纯牛粪的堆肥的处理CK，堆体的通气性差，堆料中微生物的活性低，堆体升温慢，所以 NH3挥发速率达到峰值需要的时间要长于加入秸秆的处理[16]。加入秸秆的处理，NH3释放速率达到峰值后，随着易降解有机物质的减少，NH3挥发速率迅速下降，堆肥结束时，基本检测不到 NH3的释放。未加秸秆的CK处理，NH3释放速率达到峰值后下降的速度比其他加入秸秆的处理慢，堆肥结束时，还能检测到少量NH3的释放。由图6可知，CK处理的每千克牛粪NH3释放速率最大，A4处理的最低。A4处理的每千克牛粪NH3释放速率小于A1、A2、A3 处理，由此可知，在鲜牛粪堆肥时，适当的加入秸秆，不仅可以促进堆肥的腐熟进程，而且可以减少 NH3的释放量。秸秆加入量多，堆料的含水量越低，堆料中的牛粪含量也越低，氨气的释放量就会降低，所以从氨气释放量考虑，含水率为 71%的A4处理为最佳堆肥处理。

从表3可以看出，堆肥结束后，A1处理的有机碳含量最高，CK处理的全氮含量最高。氮素增加率最大是 A4 处理，为 11.73%，其次是 A3 处理，为11.49%，最小是A1 处理，为8.78%，；有机碳损失率最大是 A3 处理，为 29.71%，其次是 A4 处理，为25.95%，最小的是 A1 处理，为 23.9%。A2、A3、A4处理的全氮增加率高于CK处理，A1、A2处理的有机碳损失率低于CK处理，A4处理和CK处理的有机碳损失率差异不显著。秸秆加入量越多，堆料含水率越低，高温保持时间时间越短，所以 A2和 A3处理的有机碳损失率小于A3，A4和CK 处理。由于A4处理的最高堆温低于A3处理，所以A3处理的有机碳损失率高于A4处理，全氮增加率低于A4处理。因此，A4处理的堆料含水率和秸秆加入量是鲜牛粪堆肥的最佳含水率和秸秆加入量。

图5 不同处理NH3释放速率动态变化Figure 5 Variations of NH3 evolution rate in different treatments during composting process

图6 不同处理每千克牛粪NH3释放速率比较Figure 6 Comparison of NH3 release rates per kilogram of cow dung in different treatments

表3 不同处理堆肥养分变化Table 3 Evolution of nutrients in different treatments during composting process

2.7 不同秸秆加入量对堆肥产品半纤维素、纤维素和木质素的降解率的影响

由图 7可知，木质素的降解率低于纤维素和半纤维素的降解率，木质素比与半纤维素和纤维素更难降解。加秸秆堆肥处理的纤维素、半纤维素和木质素降解率为: A4＞A3＞A2＞A1。加秸秆堆肥处理的纤维素、半纤维素和木质素的降解率随秸秆加入量的增加而下降，鲜牛粪中秸秆加入量越多，纤维素、半纤维素和木质素的降解率越低。秸秆加入量越多，堆料的含水率越低，堆体高温持续的时间越短，进而降低了秸秆的降解率。含水量为71%的A4处理，在提高堆料通气性，增加微生物活性的同时，促进了秸秆分解，提高了堆肥产品的质量。

图7 不同处理堆料中半纤维素、纤维素、木质素的降解率Figure 7 Degradation rates of hemicellulose,cellulose and lignin in different treatment

3 讨论

逐年增加的农作物秸秆和禽畜粪便长期弃置于土壤、水、空气等环境要素中，如果不能快速的对其进行无害化处理，将严重危害农产品生产区的生态环境[17-18]。牛粪属于冷性粪便，不易起温、腐熟。通过物料调配和发酵剂的应用，建立牛粪的快速堆肥化技术是需要解决的问题[19]。好氧堆肥中堆料的初始含水率、C/N以及物料的粒度大小与堆肥效率和堆肥产品的品质直接相关，是进行好氧堆肥中考虑的主要控制参数。堆体温度是反映好氧堆肥发酵进程最直接、最敏感的指标[20]。本研究中，随着玉米秸秆的加入量增大，堆料的含水率降低，堆料的通气性随之升高，促使堆体温度上升的速度加快。处理A1—A3的最高温均高于70 ℃，使堆料中微生物多样性减少，抑制了好氧细菌的活动，影响了堆肥产品的质量。CK处理的最高温只有56.75 ℃，并且堆温上升需要32 d，不利于堆肥的进行。处理A4的最高温为 66.25 ℃，上升到最高温需要 10 d，并且高温持续时间长，所以处理 A4(初始含水率 71%)有利于牛粪玉米秸秆堆肥的腐熟。雷大鹏等研究表明，牛粪和粉碎后过0.45 mm孔径筛的玉米秸秆堆肥时，初始含水率为 65%的处理最好，有机质损失和总热值变化最大，有机质损失29.18%[21]。还有研究报道，粪便堆肥过程中适宜的含水量在 55%—65%之间[22]。与本研究获得的结果不一致，笔者认为原因可能是加入玉米秸秆的大小不同或者是初始含水量的测定方法不同造成的，玉米秸秆越大，堆料的通气性越好，越有利于堆体温度的升高。

堆肥过程中通常用C/N来反映堆肥材料的营养平衡状况。一般认为堆肥的最佳C/N在20—30之间。合适的C/N比可以增加堆体孔隙度，有利于通风供氧，为堆体中好氧微生物的活动提供合适的环境[23]。C/N 过高，堆料中氮不足，影响微生物的生长代谢，进而影响有机物的降解速率。C/N过低，堆肥过程中，堆料中的氮将以 NH3形式大量挥发损失，这不仅污染了环境，而且降低了堆肥产品的质量养[24]。本实验结果表明，牛粪与玉米秸秆堆肥的初始含水率为71%的A4处理堆肥效果较其他好，其初始C/N为24.84，利于堆肥的快速腐熟。张鹤[25]等以牛粪和玉米秸秆为原料，设置C/N为15、20、25、30、35的5个处理组，研究不同碳氮比对牛粪好氧堆肥腐熟过程的影响，结果表明，在实际生产中，牛粪与秸秆C/N在25—30之间有利于堆体腐熟和养分保持，研究结论与本研究相近。

堆肥升温阶段，堆料中的微生物活动加速了有机氮的分解，产生了大量的 NH4+，高温期过后，微生物的同化作用和硝化作用开始加强，使堆肥中NH4+-N含量逐渐降低[26]。本研究中A1—A3处理的全氮含量在堆肥第8 d后开始有所上升。加玉米秸秆调节牛粪含水量的处理的初始C/N 较高，通气性好，有机物的分解速度快，氮素积累量大，由此说明，牛粪堆肥时添加玉米秸秆，可补充堆料中的碳源，有效地降低氮素的损失。但过量添加秸秆会对堆肥腐熟造成影响，降低纤维素的降解率，且最终将未腐熟的秸秆施入农田后被土壤微生物继续分解，产生微生物与农田作物争夺氮源的现象。在堆肥过程中有机质不断分解成CO2和H2O而散失，总干物质重的下降幅度明显大于NH3挥发所引起的下降幅度，最终使得干物质中TN含量相对增加[27]。本研究中，以初始含水率为71%的A4处理效果最好，其堆肥结束时的有机碳和全氮含量分别为 28.07%和1.792%。

堆肥过程中氨气挥发导致的氮素损失占初始氨氮的47%—62%。影响氨气排放的主要因素有C/N、pH值、温度、通气状况、水分等[28]。堆肥过程中的氨气释放量可通过控制初始含水率、碳氮比、翻堆频率和通风率等方法调控，达到控制气体排放的目的[29]。本研究中NH3挥发量峰值出现的时间随秸秆加入量的升高和含水量的降低而缩短，少量加入粉碎尺寸≤2cm的玉米秸秆，调节堆料含水量为71%，不仅可以促进牛粪腐熟，而且可以减少 NH3的释放量，提高纤维素、半纤维素和木质素的降解率，缩短的鲜牛粪的堆肥时间，提高了堆肥产品中营养元素的含量，具有推广应用价值。然而本研究只探讨了过 2cm 筛玉米秸秆调节鲜牛粪堆肥的最佳含水率，没有系统研究不同玉米秸秆大小调节鲜牛粪初始含水率对牛粪腐熟的影响作用，在不同季节和不同的环境温度中是否会发生变化以及环境温度对堆肥腐熟进程的影响尚有待于进一步研究。

4 结论

(1) 鲜牛粪中加入适量的玉米秸秆，可以加快牛粪的腐熟进程，提高农业废弃物资源的利用率。

(2) 鲜牛粪和过2 cm筛玉米秸秆堆肥时，通过鲜牛粪和玉米秸秆的加入量和含水率计算出混合料的初始含水率，将初始含水率调制 71%左右进行混合堆肥时，堆肥高温持续时间长，GI 指数最高，堆肥产品有机碳和全氮含量最高，NH3释放量少，纤维素、半纤维素、木质素的降解率最高。