不同体积配比对鹅粪—玉米秸秆混合发酵效果的影响

马国庆，于珍珍，王宏轩，李海亮，3，孙海天，汪春

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2.中国热带农业科学院南亚热带作物研究所；3.河南农业大学机电工程学院）

我国是鹅业生产大国，目前在全世界范围内排名第一。据统计，2020年我国鹅存栏量约为1.73亿只，鹅粪年产量约为600亿万t[1]。鹅粪中富含氮、磷、钾、锰、铜、铁、锌等营养元素，是一种非常优质的农家肥，通常用与制作肥料、采用鹅粪生产沼气或直接用作燃料供热，其中，肥料化利用是鹅粪后续处理的主要途径。国内的鹅养殖场主要以动物生产为主，缺乏固体废弃物、干湿分离等相关机械，畜禽粪便随便排放并积蓄，对生态环境产生了巨大的压力[2]。

目前，秸秆粪污发酵是粪污资源化利用的主要途径，但是主要集中在牛粪、羊粪、猪粪等研究较多，关于鹅粪的应用及研究甚少[3-5]。另外，与其他畜禽粪便比较，鹅粪碱性较强，直接施用对土壤、农作物危害巨大[6]。鹅粪中N、P等有机物含量及比例差别较大，而堆肥参数无法在鹅粪堆肥上直接应用。且不能直接采用别人的发酵参数进行鹅粪发酵，有必要进行鹅粪秸秆发酵技术关键技术参数的试验研究。将通过比较研究不同体积配比条件下鹅粪渣—玉米秸秆堆肥效果，确定鹅粪—玉米秸秆混合堆肥最佳体积配比，为鹅粪和玉米秸秆资源化利用提供科学依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验位于广东省湛江市中国热带农业科学院南亚热带作物研究所旱作农业工程技术中心（E109°31′，N21°35′）进行，年平均日照时间为2164 h，无霜期为351 d，年平均气温为23.4℃。

鹅粪取自廉江市河唇镇上村村，玉米秸秆取自南亚热带作物研究所旱作农业技术研究中心种养结合基地，通过固液分离机分离后得到鹅粪渣；玉米秸秆收货后利用多功能铡草粉碎机（690型）粉碎至1~3 cm用于发酵试验。发酵过程中加入绿陇有机肥发酵剂（生产厂家：山东绿陇生物技术有限公司）。鹅粪与玉米秸秆基本理化性质（基于干基）如表1所示：

表1 发酵原料基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of fermentation raw materials

1.2 试验方法

试验于2021年3-4月在南亚热带作物研究所旱作农业工程技术研究中心进行，以鹅粪与玉米秸秆按不同体积比进行桶装式发酵试验。试验共设6组，其中鹅粪与玉米秸秆体积比分别为1∶3、2∶3、1∶1、3∶2、3∶1，对照组以纯鹅粪进行发酵。将每组配好的鹅粪与玉米秸秆混合均匀后装入发酵桶并定期供氧，保证发酵过程是好氧发酵，总体积约为100 L左右。试验时间为50 d。发酵开始后，在发酵后的第0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50 d采集发酵样品，采用五点取样法采集5个样品作为重复，测定样品的温度、含水率、pH、养分及发芽指数。在发酵结束后，观测试验各组的物理性状。

1.3 测定指标及方法

温度、含水率和pH值测定：选用土壤多参数测定仪（TZS-pHW-4G浙江托普云农科技股份有限公司），不同传感器探头进行样品温度、含水率及pH的测定。

养分测定：养分取样后进行风干研磨，放入干燥器进行储存，待试验结束后一并检测。全氮（TN）检测采用凯氏定氮法，全磷（TP）含量检测采用盐酸—氟化铵法，全钾（TK）检测采用乙酸铵提取法，C/N比=TC/TN。检测方法参照《NY525-2012有机肥料标准》[7]。

测定方法：新鲜样品与去离子水按1∶10比例进行混合，振荡1 h后再过滤，然后离心，离心转速为8000 r·min-1。取上清液于摊开并带有滤纸的培养皿中。在培养皿中放置20粒饱满的白菜种子，25℃无太阳光照条件下进行培养48 h，观察并计录每个培养皿中白菜种子的发芽数，计算出该种子的发芽趋势势。发芽势（GI，%）=（规定时间种子发芽数/供试种子数）×100%[8]。

物理性状：从感官指标进行测定，主要包括样品的颜色、气味及蓬松度。

1.4 统计与分析

用Origin2019进行绘图与显著性分析。

2 结果与分析

2.1 发酵温度的变化

如图1所示，各试验组发酵温度的上升幅度和发酵最高温度均优于对照组，各试验组在第10天达到最高温度，以体积比为3∶2组温度最高，为60.0℃，其余依次为体积比3∶1、1∶1、2∶3、1∶3，依次为58.5、57.2、57.0、56.8℃。第10~20天为高温期（50℃以上），然后发酵堆体温度开始逐渐降低，发酵结束时整体温度保持在27℃左右，接近外界温度，存在显著性差异（P<0.05）。对照组整个发酵过程中温度一直低于50℃，未能达到完全腐解。

图1 发酵过程中温度的变化Fig.1 Changes in temperature during fermentation

2.2 发酵含水率的变化

由图2可知，在发酵第5天时，各组的含水率均出现下降，以体积比为1∶1、3∶2、3∶1组下降幅度最大，分别降低至63.38%、62.41%和63.35%。第5天后，各组含水率趋于稳定，在15 d时，体积比为1∶1组呈小幅度上升，20 d后均趋于稳定。发酵结束时，体积比为1∶1、3∶2、3∶1组的含水率显著低于对照组和其余各处理组，分别降至62.66%、59.90%、62.63%，较起始值分别降低16.14%、22.37%和14.86%存在显著性差异（P<0.05）。

图2 发酵过程中含水率的变化Fig.2 Changes in moisture content during fermentation

2.3 发酵pH的变化

如图3所示，在整个堆肥过程中，pH整体变化趋势为先上升后下降。第10天，对照组pH达到最高值，在其余时间点均低于各处理组。在15 d时，各处理组pH值达到最高值，体积比为1∶3和2∶3组显著高于其余各组，分别为8.83和8.92。在第25天时逐渐下降，至第35天时达到最低值，存在显著性差异（P<0.05）。发酵结束时，体积比为1∶3、2∶3、1∶1、3∶2、3∶1组的pH分别为7.51、7.62、7.69、8.27、8.07，均符合有机肥料pH标准，参照《NY525-2012有机肥料标准》[4]。

图3 发酵过程中pH的变化Fig.3 Changes in pH during fermentation

2.4 发酵养分含量变化

如图4所示，在发酵0~5 d时，各试验组全氮含量均呈下降趋势，10 d之后缓慢升高，其中，以体积比为3∶2组全氮含量的增长幅度最高，起始含量为1.43%，发酵结束时含量为2.49%，增长幅度为74.13%，其余各试验组的增长幅度依次为3.45%（1∶3）、14.10%（2∶3）、54.03%（1∶1）、65.09%（3∶1），均高于对照组，且存在显著性差异（P<0.05）。

图4 发酵过程中全氮含量的变化Fig.4 Changes in total nitrogen content during fermentation

如图5所示，随着发酵的进行，各试验组全磷含量呈现上升趋势，至25 d达到最高值。其中，体积比为1∶1、3∶2和3∶1组的增长幅度较高，分别为60.48%、62.50%和5.65%，显著高于对照组和其余处理组，存在显著性差异（P<0.05）。

图5 发酵过程中全磷含量的变化Fig.5 Changes in total phosphorus content during fermentation

各试验组的全钾变化如图6所示，在发酵过程中，各试验组呈现出先增加后趋于稳定，对照组全程低于试验组，在发酵后期差异更为显著（P<0.05）。各试验组增长幅度依次为19.10%（1∶3）、12.06%（2∶3）、20.34%（1∶1）、24.00%（3∶2）、5.26%（3∶1）。

由图6可知，在发酵过程中，各试验组的C/N呈现出先下降后趋于稳定，发酵结束后，各试验组C/N比分别降至14.18（1∶3）、14.14（2∶3）、18.32（1∶1）、16.17（3∶2）、19.28（3∶1），存在显著性差异（P<0.05）。

图6 发酵过程中全钾含量的变化Fig.6 Changes in total potassium content during fermentation

2.5 发酵发芽指数（GI）的变化

由图8可知，随着发酵的进行，发芽指数不断增加，在发酵结束时，各试验组发芽指数均已达到100%，但是对照组发芽指数为85.79%。发芽指数通常用作评价堆肥的腐熟和毒性[9]，当GI＞85%，表明发酵产物已达到腐熟。研究中，各处理的GI均大于85%，表明各处理组已达到腐熟。

图7 发酵过程中C/N的变化Fig.7 Changes in C/N during fermentation

图8 发酵过程中发芽指数的变化Fig.8 Changes in germination index during fermentation

2.6 发酵产物物理性状的变化

如表2所示，发酵完成后，试验组颜色为茶褐色，没有酸臭味，并且具有泥土的芳香，发酵体较为蓬松，用手拉扯即断，没有粘稠感，对照组在发酵结束后仍然具有粪污的酸臭味，颜色为深棕色，内部还具有一些黄色物质，质地较为粘稠，水分含量较高。

表2 发酵结束时发酵产物各项理化指标Table 2 Various physical and chemical indexes of fermentation products at the end of fermentation

3 讨论

3.1 发酵过程中温度、含水率、pH值变化

温度被认为时发酵是否完成的重要指标，当发酵温度接近室温且变化幅度较小时，视为发酵完成。在发酵过程中，温度变化主要有三个阶段，分别为：升温阶段、高温阶段和降温阶段[10-11]。高温阶段保持在50℃以上时，可以有效消灭发酵底物中的有害虫卵，高温阶段持续时间较长，微生物可以充分分解有毒物质，杀死有害虫卵。研究显示，其中体积比为3∶2组最高达到60℃，高温时间持续达到了8 d，表明该试验小组优于其他处理。发酵第10天堆体温度异常下降，主要是受外界低温环境的影响，说明发酵堆体温度受外界环境影响较大。

发酵过程中的水分主要用于发酵底物中各类微生物生命活动的进行，主要是微生物分解有毒物质的代谢活动，含水量高低会直接影响微生物的生理代谢活动。Emeterio等[12]研究表明发酵堆体水分含量为50%~60%左右最为适宜，有利于微生物活动。研究显示，各试验组初始发酵堆体含水率在74.12%~76.21%，发酵结束时为58.36%~68.57%。整体含水率偏高，主要是由于试验过程中，伴有连续的阴雨天气，水分散失缓慢。

试验中，各小组在发酵过程中pH呈现出逐渐下降的趋势。相关研究表明，随着发酵的逐渐进行，尤其是在高温期，微生物分解有机质会产生大量NH3，导致pH逐渐升高，随着微生物分解有机质逐步完成，NH3被逐渐硝化，导致pH值在后期逐渐降低[13]。

3.2 发酵过程中养分含量变化

发酵初期，发酵底物中的微生物消耗氮元素，产生大量的氨气，造成氮素的损失，各试验小组的氮含量呈现下降趋势，而在发酵后期，各试验组氮含量不断上升，这是由于发酵过程中C含量下降，所以氮元素浓缩，含量相对增加，其中体积比为3∶2组全氮含量最高，为2.49%。另外，各组处理下全磷（TP）、全钾（TK）含量呈现出逐渐上升趋势，发酵结束后，各组全磷（TP）、全钾（TK）含量比初始值均升高，主要是由于磷元素和钾元素较为稳定，不易随着水分的蒸发而挥发下降，该结果与牛粪、羊粪等其他发酵底物结果一致[14-15]。

3.3 发芽指数、物理性状的变化

发芽指数（GI）用来进行发酵产物毒性判断，被认为是评价堆腐产品无害腐熟最具说服力的方法[16]。种子发芽指数综合反映了堆肥的植物毒性，被认为是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度评价指标[17]。一般情况下，发芽指数大于50%可认为堆肥对种子基本无毒性。反映发酵腐熟程度。在粪污发酵初期，发酵粪污具有很强的生物毒性，GI值较低，随着发酵的进行，毒性逐渐降低，GI值缓慢升高，发酵完全后发酵产物的GI值可以达到100%。粪污本身具有刺激性气味，在发酵过程中会产生刺激性气体，如H2S、NH3等[18]。随着发酵过程的进行，这些气味逐渐降低并在完全发酵腐解后消失，发酵完全的产物整体较为疏松，具有土壤的芳香气息，颜色为褐色或茶褐色[19]。在试验中，各试验组发酵产物颜色逐渐变为褐色，但是对照组发酵产物表明为黑棕色，内层仍然有部分黄色粘块，并伴有粪臭味和氨味，且蓬松度不够，粘块较多，这是由于在发酵过程中水分损失较少，整体水分含量仍然较高。

4 结论

（1）试验通过不同的体积比处理，对鹅粪与玉米秸秆发酵结束后，各试验组的温度、含水率、pH和养分含量、发芽指数进行评价，得出，鹅粪与玉米秸秆体积比为3∶2的处理进行发酵最为适宜。且pH及养分含量均能达到有机肥料标准，参照《NY525-2012有机肥料标准》。发酵过程中55℃以上的高温持续7 d左右，可以达到粪污无污化卫生要求标准，参照《GB7959-87粪便无害化卫生标准》[20]。

（2）取最新鲜的鹅粪为主料，玉米秸秆为辅料。以不同的体积比为试验因素，以温度、含水率、pH、全氮、全磷、全钾和发芽指数等指标的变化来评价腐解度。试验研究结果表明，鹅粪与玉米秸秆体积比为3∶2组的发酵效果最优，实际发酵天数为35 d，种子发芽指数为100%。