肉鸭发酵床网上养殖垫料无害化处理及其还田效果研究

曹 云,刘兴超,王光奎,吴华山,孙 倩,黄红英①,徐跃定

(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部种养结合重点实验室,江苏 南京 210014;2.江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心/南京农业大学资源与环境科学学院,江苏 南京 210095;3.江苏省丰县畜牧兽医站,江苏 徐州 221700)

中国是鸭养殖大国,肉鸭出栏量与产肉量均位居世界第一[1]。近年来,随着环保要求越来越严格,肉鸭饲养方式由传统的亲水养殖逐步转型升级为旱养,主要包括网上饲养和厚垫料饲养[1]。肉鸭“上网下床”生态养殖模式结合了高床架养和厚垫料养鸭的优势。“上网”即肉鸭在网上清洁化养殖,减少了肉鸭与粪便及病原菌的直接接触,改善了鸭舍内空气环境质量,提高了肉鸭生产性能和抗病能力[2]。“下床”即网下为发酵床,采用稻壳、木屑及微生物制剂作为发酵床体,肉鸭排泄物通过格网滴落到发酵床上进行微生态发酵处理,通过发酵产热、水分蒸发以及基质吸水降低肉鸭粪便含水率,使之容易被清运处理,并作为有机肥资源化利用。网床养殖技术已逐步发展成熟,并在江苏、安徽、山东等多地的养殖场推广应用,成为水禽养殖污染防治、产业扶贫的典型模式之一[3-5]。

肉鸭网床养殖密度一般为 7～8只·m-2,每年饲养 6～7 批次,鸭舍垫料每3～5 a清理1次[5]。清理出的废弃垫料腐熟情况受到垫料自身特性、微生物活性以及使用年限的影响。腐熟程度不完全的垫料直接施用到土壤存在一定安全隐患[6]。此外,随着垫料使用时间的延长,垫料内重金属、抗生素等有毒有害物质有增加的趋势[6-7]。目前,国内外对肉鸭网床养殖的研究主要集中于生产性能、鸭舍环境质量、垫料基础性质等方面,对废弃垫料的处理处置及资源化利用,尤其是还田以后的安全性评价研究较少[2,8-9]。为此,以饲养3 a的肉鸭废弃垫料为对象,通过高温堆肥辅以嗜热微生物接种的方法,提高废弃垫料的堆肥腐熟效果,并设置不同的化肥替代比例,研究腐熟垫料堆肥还田后甜瓜产量、品质以及土壤养分、重金属含量的变化,以期为肉鸭网床养殖垫料无害化处理与安全还田利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

发酵床垫料取自徐州佳合食品有限公司下属肉鸭养殖场,发酵前垫料成分为牛粪渣、稻壳、秸秆、米糠。网床高度1.2 m,养殖肉鸭7～8只·m-2,每年饲养批次为7次。鸭舍垫料每3 a清1次。

1.2 堆肥试验设计

堆肥试验在休闲期甜瓜种植大棚内进行,堆肥时间50 d。设3个堆肥处理:垫料直接堆肥(CCK);垫料接种w=0.25%的菌剂堆肥(CT1);垫料接种w=0.5%的菌剂堆肥(CT2)。堆体成圆锥形,体积约2.5 m3,垫料初始含水率调整为60%。堆肥嗜热菌剂由嗜热脲芽孢杆菌、土芽孢杆菌、嗜热脱氮芽孢杆菌、红嗜热盐菌和嗜热栖热菌按照等体积比复合而成,菌剂有效活菌数1.8×109CFU·g-1[10]。每个堆体中央插温度计,每天记录温度。在堆制的0、10、21、35、50 d采用人工翻堆,取样约500 g,用冰袋立即带回实验室。

1.3 田间试验设计

田间试验于2022年1—7月在徐州市丰县赵庄镇大彭庄村进行。大棚东西长98 m,南北宽12 m。将大棚自东向西分成28个小区,每个小区宽3.5 m,长12 m,小区内有3垄,每垄种2行,共计6行。每行株距40 cm,种植30颗瓜苗,每小区种植180颗瓜苗。甜瓜品种为“博洋9号”。

各施肥处理为等氮处理,根据不同有机物料品种与无机氮素替代比例,设置7个处理,分别为无肥区、100%复合肥(N、P2O5、K2O质量比为15∶9∶21)、25%复合肥+75%商品有机肥、25%复合肥+75%猪粪(农户习惯施肥方案)、15%复合肥+85%发酵床垫料、25%复合肥+75%发酵床垫料、35%复合肥+65%发酵床垫料(表1)。有机物料作为基肥一次性施用,复合肥作为基肥、盛果期追肥施用,基追肥比例为6∶4。幼苗移栽后1～2个月选取长势良好且一致的甜瓜植株,调查其藤蔓长度、挂果数量、果实横向围度与纵径。于果实成熟期采集成熟甜瓜,用于单瓜品质指标测定。试验施用的有机物料基本理化性质见表2。

表1 田间试验处理

表2 有机物料基本理化性质

1.4 测定指标与方法

1.4.1堆肥指标

在堆肥开始后,每次翻堆时将样品充分混匀后,采用5点法采集堆肥样品500 g,分为干样和鲜样,干样于40 ℃风干备用,鲜样储存于4 ℃冰箱中待用。pH值和电导率采用m(肥)∶V(水)=1∶10浸提1 h后,分别用pH计和电导率测定仪测定。上清液过滤后同时用于发芽指数测定。具体测定方法为:将一张大小合适的滤纸放入干净无菌的直径9 cm 培养皿中,滤纸上整齐摆放20 粒小白菜种子,准确吸取8 mL滤液于培养皿中,在25 ℃、黑暗条件下培养96 h,测定小白菜种子的发芽率和根长,同时用去离子水作为空白对照。发芽指数(GI)=(堆肥处理的种子发芽率×种子根长)/(对照的种子发芽率×种子根长)×100%。铵态氮、硝态氮含量采用2 mol·L-1KCl浸提,连续流动分析仪测定;堆肥风干样用H2SO4-H2O2消煮后,消煮液内全氮含量测定采用凯氏定氮法;全磷、全钾含量测定采用等离子体发射光谱法。有机质含量测定采用重铬酸钾容量法(NY/T 525—2021《有机肥料》)[11]。堆肥重金属Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg含量测定按照GB/T 23349—2020《肥料中砷、镉、铬、铅、汞含量的测定》中规定进行[12]。

甜瓜果实收获后,每个小区随机采集3个耕作层土壤样品,风干后用于土壤肥力指标与重金属指标的测定。土壤pH采用值m(土)∶V(水)=1∶2.5浸提,pH值计测定;电导率(EC)采用电导率仪测定;土壤有机质含量测定采用重铬酸钾氧化法;全氮含量测定采用半微量凯氏定氮法;土壤铵态氮、硝态氮含量采用2 mol·L-1KCl浸提,流动分析仪法测定;有效磷含量采用NaHCO3浸提,钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用NH4Ac浸提,火焰光度法测定[13];土壤重金属Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg含量测定采用火焰原子吸收分光光度法[12]。

1.4.2植株指标

果实品质:甜瓜果实成熟后,各处理随机选取5个果实进行品质指标测定。可溶性糖含量使用蒽酮-H2SO4比色法测定;可溶性固形物含量采用折射仪法测定;可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝染色法测定;维生素C含量测定采用2,6-二氯酚靛酚滴定法[14]; 有效酸度采用pH计测定[15]。果实经冷冻干燥、粉碎、过1 mm孔径筛后用浓硫酸-H2O2消煮,消煮液用于总氮、总磷、总钾含量测定,测定方法参照文献[13]。果实重金属Cu、Zn、Cd含量测定采用火焰原子吸收分光光度法[12]。

果实产量:各处理随机选取5株甜瓜植株,采用游标卡尺测量果实横向围度、纵径,采用台秤测定单果重和单株产量。

1.5 数据处理

试验数据使用Microsoft Excel 2016、SPSS 19.0软件进行分析,采用Origin 9.0 软件制作图表。

2 结果与分析

2.1 不同堆肥处理对堆肥温度变化的影响

堆肥处理温度变化有3个阶段,即升温阶段、高温阶段(堆肥温度高于50 ℃)、降温腐熟阶段。如图1所示,添加菌剂堆肥处理CT1、CT2升温速度大于CCK。添加菌剂还提高了好氧发酵最高温度,CCK、CT1、CT2处理发酵最高温度分别为53.5、58.5、73.5 ℃。可见添加菌剂更能提高发酵温度,增加有机质分解速率,且添加0.5%菌剂的CT2处理最高温度比0.25%接种量的CT1高15 ℃(P<0.05)。CT1、CT2处理高温阶段分别维持到试验13、12 d,之后温度下降至50 ℃以下,CCK处理23 d后温度稳定低于50 ℃,说明添加菌剂可以加快堆肥腐熟,减少堆肥腐熟时间,菌剂接种量为0.5%时更有利于物料腐熟。

CCK—垫料直接堆肥;CT1—垫料接种w=0.25%的菌剂堆肥;CT2—垫料接种w=0.5%的菌剂堆肥。

2.2 不同堆肥处理过程中腐熟度相关理化性质变化

由图2可见,在发酵过程中,堆肥的pH 值维持在较高水平,为7.8～9.0。与CCK相比,堆肥反应高温期添加高温菌剂的CT1、CT2处理pH 值较大。这与添加菌剂堆肥发酵温度较高,有机氮分解为铵态氮导致pH值上升有关。电导率(EC)可体现堆料浸提液中可溶性盐总含量,是用于评价堆肥施用对植物生长可能造成毒害或抑制效应的重要指标[16]。各处理EC总体呈上升趋势,可能与堆肥物料被微生物剧烈分解产生较多的HCO3-、HSO4-、NH4+和磷酸盐等有关。堆肥结束时,CCK、CT1、CT2处理EC分别为4.09、4.08、3.99 mS·cm-1。接种菌剂对堆肥过程中EC变化影响不显著。

各处理TOC含量呈下降趋势,堆肥结束时CCK、CT1、CT2处理TOC含量比堆肥前分别下降38.13%、47.14%、50.77%。各堆肥处理发芽指数(GI)整体呈上升趋势。堆制35 d 后所有处理GI 均大于70%,表明此时堆体已无明显植物毒性。CT2处理GI最高(109.39%),且高于CK,说明添加0.5%高温菌剂能提高肉鸭发酵床垫料堆肥的腐熟度。

各处理堆体铵态氮含量均呈下降趋势,这是由于前期堆料中易分解氮素含量较高,微生物的快速生长和繁殖加速了有效氮的分解,生成铵态氮,在高温和碱性条件下发生氨挥发损失[17]。后期硝化作用增强,导致各处理铵态铵含量下降[18]。与CCK处理相比,CT1、CT2处理铵态氮含量略高,这可能与较快的有机氮降解速率有关。堆肥结束时,堆体中铵态氮含量均小于500 mg·kg-1,说明堆肥达到腐熟。堆肥过程中硝态氮含量呈上升趋势,堆肥结束时CCK、CT1、CT2处理硝态氮含量分别是堆肥前的6.81、5.94、7.43倍。

2.3 不同堆肥处理总氮、总磷、总钾养分含量变化

由图3可见,堆肥处理总氮含量基本变化趋势为先下降后上升,发酵开始阶段微生物活动旺盛,温度高,氨挥发量大,消耗氮的速率明显大于总干物质的下降速率。随着发酵的进行,堆肥逐渐腐熟,部分有机碳被利用转化为CO2,而此时NH3的挥发损失较小,堆肥中总氮含量转为上升[17]。在堆肥过程中,各处理总磷和总钾含量均呈上升趋势,其主要原因是磷、钾不可能通过挥发等形式损失,但在堆肥发酵过程中碳、氢、氧、氮等物质挥发损失,而磷和钾被浓缩[19]。CCK、CT1、CT2处理堆肥结束时总磷含量分别比堆肥前高9.35%、21.66%、39.30%,总钾含量分别比堆肥前高12.46%、20.59%、16.12%。添加菌剂处理对堆肥终产物总氮、总磷、总钾含量影响不大。

CCK—垫料直接堆肥;CT1—垫料接种w=0.25%的菌剂堆肥;CT2—垫料接种w=0.5%的菌剂堆肥。

2.4 不同堆肥处理过程中重金属含量变化

原始发酵床垫料中检测出Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg这7种重金属,但含量均较低(表3)。整体而言,高温堆肥增加了垫料中重金属含量,这与堆肥过程碳、氢、氧、氮、硫等物质挥发损失较大,重金属元素的浓缩效应有关[20],且添加菌剂对堆肥过程中重金属含量的影响不显著。腐熟垫料中重金属含量均符合国家有机肥质量标准(NY/T 525—2021)[11]。

表3 堆肥前后发酵床垫料中重金属总量变化

2.5 发酵床垫料堆肥对甜瓜生长的影响

纯化肥FT1处理甜瓜藤蔓长度最长(表4),说明化学氮肥肥效快,前期营养生长优势显著。与商品有机肥和猪粪处理相比,发酵床垫料堆肥的3个处理FT3、FT4、FT5藤蔓长度略低,可能与发酵床垫料堆肥中矿质氮养分含量较低有关,且发酵床垫料堆肥的比例越高,藤蔓长度越短。结果期FT5处理的挂果数最多,并显著高于FT2处理(P<0.05)。从果实横向围度、纵径来看,FCK、FT1处理较小,说明有机无机肥配合施用能提高甜瓜果实大小。单瓜重以FT5处理最大,比FT1处理高8.17%,并与FT2无显著差异,发酵床垫料不同配比之间单瓜重也无显著差异。总体而言,25%复合肥+75%腐熟垫料处理甜瓜生长良好,产量最高。

表4 不同施肥处理甜瓜生长与挂果情况

各处理设计见表1。同一列数据后英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P<0.05)。

2.6 发酵床垫料堆肥对甜瓜品质与养分含量的影响

由表5可知,与纯化肥FT1处理相比,发酵床垫料不同配比提高了甜瓜果实中的维生素C和可溶性糖含量,其中以FT5处理最高,维生素C、可溶性糖含量分别比FT1处理高10.79%、3.75%。可溶性蛋白含量以FT3处理最高,但与发酵床垫料相比无显著差异。发酵床垫料替代比例对果实酸度影响较大,与FT1相比,75%替代比例下(FT5)果实酸度略有上升,但FT5处理果实糖酸比最高,分别比FT1、FT2处理高6.93%、11.91%。可见腐熟发酵床垫料还田能显著改善羊角蜜甜瓜的果实品质[21],其中以FT5处理品质最佳。

表5 不同施肥处理甜瓜品质与养分

各处理设计见表1。同一列数据后英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P<0.05)。1)以鲜重计。

2.7 不同施肥处理土壤肥力指标

与FT1相比,施用垫料明显提高了土壤有机质含量以及肥力指标(表6)。垫料还田处理的土壤有机质、总氮、铵态氮、有效磷、速效钾含量分别提高17.27%、7.20%、70.54%、45.88%、27.65%。与FT2相比,垫料处理的土壤有机质质量提高9.24%,其余养分指标无显著差异。垫料还田处理土壤pH值与FT1无明显差异,但土壤EC值显著增加,平均比FT1提高40.19%,其中FT4处理EC值最高。通常认为,EC值达到2 000～4 000 μS·cm-1时会对作物生长产生不利影响[16],尽管笔者研究中土壤EC值远低于此标准,但若长期垫料还田应关注土壤的盐分变化[7]。

各处理设计见表1。同一列数据后英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P<0.05)。

2.8 不同施肥处理对土壤与甜瓜中重金属含量的影响

甜瓜果实检测出Cr、Cu、Zn这3种重金属。与FCK处理相比,施用纯化肥或有机无机肥配合施用处理的甜瓜果实重金属含量均有所增加(表7)。对于Cu、Zn含量,国家已不设立限量标准,但发酵床垫料3个处理甜瓜的Cu、Zn含量略高于FT2、FT3处理,且甜瓜中重金属含量随着垫料添加比例的增加而增加。所有处理甜瓜果实中Cr含量均低于GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》[22]规定的0.5 mg·kg-1(新鲜蔬菜)。

表7 不同施肥处理甜瓜与土壤中重金属含量

从表7可知,Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg这7 种重金属含量均在我国农用地土壤污染风险筛选值(GB 15618—1995)[23]范围内。总体来说,腐熟垫料还田提高了土壤中重金属含量,与FT1处理相比,垫料还田的3个处理土壤Cr、Cu、Zn含量分别提高3.15%、11.65%、10.17%。随着垫料替代比例的增加,土壤中重金属含量有增加趋势。与FT2相比,除Hg外,垫料处理土壤重金属含量略有降低,说明腐熟垫料还田与施用商品有机肥对土壤重金属含量的影响相当。

各处理设计见表1。

3 讨论

肉鸭上网下床养殖模式中,鸭粪直接排放在发酵床垫料上,可被微生物利用,实现粪便的原位降解。我国大部分肉鸭发酵床垫料通过还田实现资源化利用,但多数垫料腐熟程度不完全,直接施用到土壤中存在一定的安全隐患,需要将废弃垫料进一步利用高温堆肥无害化处理后才能安全还田[24-25]。笔者研究发现,接种0.5%的嗜热微生物菌剂能提高废弃垫料的堆肥腐熟效果,这与前人的研究结果一致[10,26-27]。王玉等[10]在猪粪秸秆堆肥中接种土芽孢杆菌属(Geobacillussp.)、栖热菌属(Thermussp.)、副土芽孢杆菌属(Parageobacillussp.)和红嗜热菌属(Rhodothermussp.)等组成的极端嗜热菌剂,堆体GI提高了35.9%。LIAO等[27]发现,土芽孢杆菌属(Geobacillus)、栖热菌属(Thermus)和Calditerricola等属的极端嗜热菌可提高堆体温度,促进堆肥腐熟。该研究中,废弃发酵床养殖垫料中添加0.5%的嗜热菌剂,高温好氧发酵50 d后GI达到109%。其主要机理是这些嗜热微生物具有耐高温、高pH值、高盐分的环境,同时具备较高的淀粉、纤维素含量和蛋白酶活性,可在高温堆肥中促进有机碳的降解,提高堆肥温度,促进堆肥腐熟[10]。

高温堆肥在增加养分含量的同时,也增加了肉鸭养殖垫料中重金属总量和EC。杨世忠等[28]研究发现,羊粪堆肥后Cu、Zn总含量较堆肥前增加16.4%～76.9%,笔者的研究结果与其一致。鲍艳宇等[20]认为,堆肥过程中由于C、N、S等有机物的降解造成堆肥干物质减少,导致重金属在堆料中浓缩,重金属含量呈增加趋势。尹晓敏等[29]研究表明,猪粪堆肥后Cu、Zn、Mn总量显著增加,与堆肥过程中有机质的矿化有关。多数研究认为,堆肥能降低重金属的生物有效性[30]。EC值反映堆体中的盐分含量,是用来评价堆肥施入土壤是否造成植物毒害的重要指标。堆肥后EC上升与微生物分解有机质,降解后产生较多的可溶性盐离子有关,当盐离子的沉淀、转化、挥发量小于生成量时,导致EC上升[19]。

该研究中,经高温堆肥后的肉鸭发酵床养殖垫料有机质含量超过40%,总氮、总磷、总钾养分总量超过 7%,种子发芽率超过90%,相关指标均达到或超过有机肥国家标准。将其作为有机肥还田产生了良好的作物促生和提高土壤肥力效应。等氮条件下,与全部施用化肥相比,腐熟垫料替代75%～85%化学氮肥,促进了甜瓜的生长,提高了单瓜大小和单瓜重,可改善甜瓜品质,这与前人研究结果一致[31-32]。胡国智等[31]研究表明,施用25%～50%的有机氮替代化肥氮,既能保证甜瓜营养生长期对磷钾的需求,又可促进果实膨大期对氮素的吸收与积累,进而提高甜瓜产量与品质。吴寿华[32]研究表明,养猪场发酵床垫料与氮肥配施条件下茶叶产量提高14.25%,茶叶叶绿素含量增加55.36%。陈应江等[33]考察了笼养蛋鸡发酵床腐熟垫料对水稻生长与产量的效应,发现施用腐熟垫料增强了水稻的抗倒伏能力,水稻干穗质量提高30.2%。腐熟垫料还田对甜瓜的促生效果与其增加土壤有机质和提高土壤氮磷钾养分有关。这与前人关于发酵床养猪垫料对甘蓝[24]、茶叶[32]等作物影响的研究结果一致。这可能是因为单施化肥前期养分释放快,甜瓜来不及吸收和利用,部分土壤养分通过挥发与淋洗损失。采用垫料还田能改善土壤中养分的供应过程,使土壤中的养分能够平稳释放[31]。

腐熟垫料还田土壤中重金属含量和EC值略高于单施化肥处理土壤,这与垫料自身较高的盐分与重金属含量有关[34-35]。该研究中发酵床垫料重金属和盐分在土壤中的富集现象不明显,可能与土壤施用发酵床垫料时间短、重金属与盐分积累量少等因素有关。此外,由于规模化养殖畜禽粪便中含有较高浓度的盐分,垫料长期使用后盐分浓度也偏高,长期施用容易引发土壤盐渍化风险[7]。

4 结论

(1)简单堆制、定期翻堆并接种0.5%的嗜热微生物菌剂能提高肉鸭养殖垫料高温堆肥发酵温度,提高有机质降解速率,促进垫料腐熟,提高垫料氮、磷、钾养分含量。但同时也增加了垫料Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg这7 种重金属含量和电导率。

(2)腐熟肉鸭发酵床养殖垫料替代75%的化学氮肥时,甜瓜产量与同样替代比例的商品有机肥氮相当,但品质略有提升。因此肉鸭养殖垫料堆肥可以作为农田、果树、蔬菜的肥料使用。

(3)发酵床垫料堆肥施入农田后,可使土壤盐分和重金属水平升高,长期施用导致土壤盐渍化与重金属累积风险较大,所以安全有效地利用废弃肉鸭养殖垫料,还需要通过肉鸭垫料堆肥长期定位试验综合分析评估。垫料替代比例以不超过75%为佳。