肉牛发酵床垫料的理化性状变化研究

李晓锋,刘明雄,樊孝军,夏斌斌

(1.湖北省农业科学院 畜牧兽医研究所，湖北 武汉 430064；2.潜江市畜牧技术推广站，湖北 潜江 433100；3.湖北鹏乐农业发展有限公司，湖北 潜江 433100)

畜禽养殖产生的粪污是环境污染的主要来源之一。肉牛发酵床养殖模式是在牛栏内铺设垫料，添加发酵菌种，肉牛散放式饲养，粪尿随牛的活动而与垫料充分混合、发酵，垫料定期清理，无需冲栏、无需每日清粪，可降低人工成本，近年来在湖北等南方省区应用较多。国内关于发酵床养牛的文献报道较少，且多集中于牛舍建设、犊牛培育、生产性能、牛群健康、舍内空气质量、成本分析等方面，而对垫料理化性状的演变及成分分析的报道还不多见。同时，种养结合、循环利用是农业发展的重要方向，所谓的“零排放”只是暂时不排放，畜禽粪便最终还是要回到农田，而牛床垫料的肥效成分及重金属含量则是种植业所关注的问题。为此，本研究分析发酵床养牛时垫料理化性状的变化情况，为发酵床养牛模式的推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 时间地点

试验于2018年9月至2019年8月在湖北省潜江市某肉牛育肥场进行。

1.2 试验分组

选择牛舍内同侧相邻的4个小栏，面积96 m/栏，垫料、发酵菌两因子交叉分组，垫料A由切短稻草、麦壳按体积比1:1混合，垫料B为本场自然晒干的牛粪，微生物发酵菌由黑曲酶、地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、酵母、乳酸菌等原料自配而成。设4个处理组，处理1为垫料A，处理2为垫料A加发酵菌，处理3为垫料B，处理4为垫料B加发酵菌。试验牛为西门塔尔杂交公牛，体重450～650 kg，常规育肥，养殖密度10～15 m/头。

1.3 饲养管理

牛床垫料初始铺设厚度10 cm，处理1和处理3不添加菌种，正常饲养管理，处理2和处理4于垫料水分达到30%时，按10 g·m添加菌种。各处理垫床厚度超过30 cm时(该牛舍挡粪墙高度为45 cm)清运30%～50%的垫料，水分超过60%时适当降低养殖密度或添加干垫料，垫床每月翻耙1～2次。散放式饲养管理，由青贮玉米、酒糟、稻草、混合精料制备TMR日粮，日喂2次，自由采食、饮水，正常出栏、补栏。

1.4 设备及测定工具

卷尺、温度计、台秤、烘箱等。

1.5 样品采集及测定分析

采样和测定每月进行1次(上午10:00左右)，其中垫床温湿度自添加菌种后测定，转群、垫料添加及清运等管理情况随时记录。肉眼估测育肥牛体重，以单位牛栏面积的育肥牛体重(kg·m)来表示垫床承载量；在牛栏的外侧、中部、内侧测定垫床厚度，于垫床深25 cm处测定温度；随机多点采垫料样，设2个重复，带回实验室，65 ℃烘干法测定含水率，烘干样委托青岛科创公司测定碳氮比(C/N)、全氮(N)、磷(P)、钾(K)、有机质(以干基计)、重金属铅(Pb)、汞(Hg)、镉(Cd)、铬(Cr)、砷(As)；分层随机多点取农田土壤样2个，测定同前。随机取各阶段鲜粪50份，测定含水率。

1.6 数据统计

采用Excel 2007进行数据初步处理与图表绘制，采用SPSS 21.0软件进行两因素交叉分组方差分析或样本均数差异的显著性检验及各因素之间相关性的显著性分析，采用Duncan法进行多重比较，<0.01表示差异极显著，<0.05表示差异显著，>0.05表示差异不显著。

2 结果与分析

2.1 垫床厚度

各组的垫床承载量及厚度变化见图1，除处理4外，其余3组于中期清运1次垫料。以体重600 kg育肥牛占地15 m为标准(承载量40 kg·m)按比例计算，本试验平均每个月(30 d)的垫床厚度增量为2.95±2.55 cm，组间无显著差异(>0.05)，亦无季节性差异(>0.05)。

图1 各组垫床承载量(A)及厚度(B)变化

2.2 垫床温湿度

4个处理组的垫床平均温度变化情况见图2A。组间的垫床温度无显著差异(>0.05)，与舍内环境温度的变化规律基本一致(冬季比舍内气温高2～3 ℃，夏季比舍内气温低2～4 ℃)。

因垫床初期较薄(10 cm)，其湿度迅速增加至70%左右，随后根据承载量的不同，在60%～70%间波动(见图2B)，组间无显著差异(>0.05)。牛粪(鲜样)含水量为82.6%±2.4%。

图2 垫床温度(A)与湿度(B)变化

2.3 垫料肥效成分及C/N

垫料(烘干样)的肥效成分变化详见表1。含N量总体呈现前期略有下降、后期缓慢升高的趋势，8月份最高，其中处理1的含N量8月份较12月和2月份分别提高11.6%(<0.01)和9.6%(<0.05)，6月和10月份较12月分别提高了8.5%和8.9%(<0.05)；处理2在6月和8月份较12月分别提高了12.8%和13.2%(<0.01)，较10月和2月的也有显著提高(<0.05)；处理3各月份间差异均不显著(>0.05)；处理4在6月和8月份较2月分别提高了9.7%和10.6%(<0.05)；同月份的组间差异不显著(>0.05)。

表1 各阶段垫料N、P、K含量

含P量总体呈缓慢升高趋势，其中处理1的含P量4月、6月和8月份均极显著高于10月和12月(<0.01)，提高幅度为23.8%～30.1%，8月份较2月提高17.1%(<0.05)；处理2在12月份极显著低于4月、6月和8月(<0.01)；处理3及处理4各月份间差异均不显著(>0.05)；同月份的组间差异不显著(>0.05)。

含K量明显呈升高趋势，其中处理1在8月份分别高于10月59.0%、12月63.1%、2月36.4%和4月19.1%(<0.01)，比6月高15.4%(<0.05)，4月、6月极显著高于10月和12月(<0.01)，显著高于2月(<0.05)，2月显著高于10月和12月(<0.05)；处理2含K量8月份分别高于10月44.7%、12月67.6%、2月38.5%(<0.01)，比4月高18.3%(<0.05)，4月、6月较12月分别提高41.7%和48.2%(<0.01)、较10月分别提高22.4%和28.0%(<0.05)，6月较2月提高22.4%(<0.05)；处理3在8月份分别高于10月29.8%、4月32.2%(<0.01)，高于12月22.7%(<0.05)；处理4的6月、8月份的较10月的分别提高21.3%(<0.05)和28.1%(<0.01)；同月份的组间差异不显著(>0.05)。

各处理组的垫料有机质含量均呈下降趋势，其中处理1在8月份较10月、12月、2月分别降低27.4%、28.9%和24.6%(<0.01)，较4月、6月的分别降低9.5%和10.7%(<0.05)，4月和6月的也较10月、12月、2月的降低12.5%～17.7%(<0.01)；处理2在8月份较10月、12月、2月、4月分别降低27.1%、26.4%、24.7%和15.3%(<0.01)，较6月降低8.5%(<0.05)，4月和6月也较10月、12月、2月降低8.1%～17.2%(<0.01或<0.05)；处理3的4月、6月、8月份的较10月、12月、2月的降低10.1%～18.4%(<0.01)，6月的较4月降低6.3%(<0.05)；处理4在8月份较10月、12月、2月分别降低18.9%、19.0%和20.2%(<0.05)，详见表2。10月、12月、2月的垫料A的有机质含量均极显著高于对应月份垫料B的有机质含量(<0.01)，其他月份两者差异均不显著(>0.05)；各月份加菌种组有机质含量与不加菌种组的差异均不显著(>0.05)。

表2 各阶段垫料的有机质含量

垫料的C/N前期变化幅度不大、后期逐渐下降，其中处理1在8月份的C/N较12月的降低了38.5%(<0.05)；处理2在6月、8月份较2月分别降低25.8%和38.0%(<0.05)；处理3在8月份较2月降低了19.0%(<0.01),较12月、4月、6月分别降低15.3%、16.6%和11.8%(<0.05)；处理4的各月份间差异均不显著(>0.05)，详见表3。各月份垫料A的C/N与垫料B的差异均不显著(>0.05)，加菌种组的与不加菌种组的差异也不显著(>0.05)。

表3 各阶段垫料的C/N

垫料及其原料的N含量(干基，下同)与土壤的相当；干牛粪和垫料的P含量平均比麦壳、稻草及土壤的高6%、K含量高24%；麦壳、稻草的有机质含量最高，干牛粪和垫料的次之，土壤的相对很低；干牛粪和垫料的C/N低于麦壳和稻草。牛场土壤的P、K、有机质含量均比农户土壤的高。详见表4。

表4 垫料及其原料与土壤成分对比

2.4 垫料重金属含量

试验中期(2月)，垫料B的Pb、Cd含量均极显著高于垫料A(<0.01)，Cr、As含量差异均不显著(>0.05)；加菌种与否无差异(>0.05)。试验结束时(8月)，垫料B的Pb含量显著高于垫料A(<0.05)，其他重金属含量差异均不显著(>0.05)；加菌种组的Cr含量显著低于不加菌种组(<0.05)，其他重金属含量差异均不显著(>0.05)。与2月份相比，8月份垫料Pb含量显著升高(<0.05)，Cd、As含量极显著升高(<0.01)，Cr含量有所提高(>0.05)。2月份垫料Hg未检出(最低检测限量0.03 mg·kg)；8月份垫料Hg亦未检出(最低检测限量0.05 mg·kg)，但给出了参考值(0.033～0.035 mg·kg)，因此不作比较。详见图3。

图3 中期与末期的垫料重金属含量对比

各样品的Hg未检出。麦壳的Pb、Cd、Cr、As含量均较低，稻草的Cr含量较高；与干牛粪相比，垫料的Cd含量较高，Pb、Cr、As含量相当；土壤中的Pb含量较高，牛场土壤的Pb、Cd、As含量均比农户土壤的高。详见表5。

图5 垫料及其原料与土壤的重金属含量对比

3 讨 论

3.1 原料和菌种对垫床发酵的影响

原料、温度和湿度互有影响，是垫床管理的3大核心。较高的温度有利于蒸发水分、降低湿度，据杨前平等测定，垫料发酵的温度可达55～60 ℃，而本试验垫床温度接近舍温，应是湿度较大且不蓬松所致。菌种发酵的适宜含水量为30%～55%，蓬松性好的可放宽到65%左右，本试验垫料原料铺设较少，垫床水分迅速增加到65%～70%，外观及质地呈淤泥状，不利于耗氧发酵，也未体现出添加菌种后温湿度的差别。为保持垫床蓬松、促进发酵，应首选谷壳、秸秆等农副产品，铺设干牛粪则有利于降低垫料成本，可因地制宜、搭配使用。

3.2 原料和菌种对垫料成分的影响

垫料的成分在初期受原料影响，后期则与饲料配方、牛粪成分及菌种发酵直接相关。在本研究中，N、P、K的含量均随着使用期的延长而增加，应当是来自于牛粪的积累，C/N逐渐下降，同样是N的增加，而有机质含量下降，则可能是缓慢分解所致，处理间差异不显著，应与原料铺设少、垫床湿度大等有关。发酵床养猪的研究表明，垫料中的重金属含量有富集效应，并因饲料的改变而有所波动，本试验中的肉牛垫料也呈类似规律，部分指标的差异性可能与垫料原料有关。试验结束时加菌种组的Cr含量显著低于不加菌种组，是否被微生物转化利用，需进一步验证。

3.3 垫料还田的重金属问题

畜禽粪便是农业生产的重要肥料资源，对作物增产、土壤改良发挥了积极作用，近年来随着养殖业规模化的发展，粪污处理引起公众关注。刘卫东等较早提出了畜禽粪便的重金属残留问题，随后有更多学者开展深入研究，有超标、不超标等不同结果，这可能与地区、饲料原料、畜种等差异有关。与国家标准、行业标准相比较，本研究中干牛粪、垫料的有机质、总养分(氮+五氧化二磷+氧化钾)达标，重金属含量均未超标。与农户的相比，本试验中牛场的饲料地经连续4年施用牛粪，土壤的有机质含量有所提高，重金属积累效应不明显，与前人观点一致。对照国家土壤环境质量标准，pH取5.5～6.5，牛场饲料地的Cd含量略高于污染风险筛选值、低于风险管制值，其余4种重金属含量低于风险筛选值；农户土壤的重金属含量均低于风险筛选值。

4 结 论

采用发酵床模式养殖肉牛，垫床的厚度增长受承载量影响，湿度较大且不蓬松者不利于菌种发酵。垫料N、P、K含量随着使用时间的延长而显著升高，有机质含量逐渐下降。比之添加菌种，优选谷壳等垫料原料、勤翻耙、保持垫床蓬松性和较低的湿度更为重要。使用1年后的垫料，有机质、总养分含量达到国家相关标准要求，重金属含量均未超标，可以还田利用。