2种翻抛频率对鸡粪好氧堆肥发酵的影响

宋小宇, 朱 浩, 邹海明

(安徽科技学院 资源与环境学院,安徽 凤阳 233100)

鸡粪是一种常见的农业有机肥料,有效利用鸡粪肥料对于提高农作物产量和改善土壤质量具有重要意义,鸡粪堆肥腐熟度决定其肥效。杨文勇[1]的研究表明鸡粪的肥力需要通过堆肥腐熟后才能达到最优状态。鲍艳宇等[2]表明,充分腐熟的鸡粪堆肥能增加土壤的肥力,改善土地结构。高腐熟度的堆肥养分更容易被植物吸收利用,对植物生长有良好的促进作用[3-5]。周桐[6]在田间试验中,发现使用有机肥代替化肥能显著提高小麦的生物量和产量。鸡粪堆肥腐熟程度在植物生长中起至关重要的作用。好氧堆肥是鸡粪资源化利用最有效的手段之一,同时有效的好氧堆肥技术不仅能灭杀鸡粪中大多数病原体,还能有效降解堆肥过程中激素、抗生素及大多数有机酸等[7]。然而由于堆体高水分、高pH的特性,使堆体产生好氧厌氧共存区域,导致堆体易产生大量NH3和温室气体,不仅易造成堆体养分流失严重,还导致全球变暖问题突出[8]。而翻抛能有效减少堆体厌氧区域的产生,加速堆肥发酵。路一鸣等[9]发现翻抛能加快堆肥腐熟过程中腐殖质电子的转移能力。王博等[10]研究表明,采用不同翻抛频率堆肥可以有效提高堆体通透性并使堆体更早进入高温发酵期。然而,翻抛频率的不同会影响鸡粪堆肥的腐熟度。研究表明,采用高翻率翻抛(HTF)的处理方式,在堆肥过程中能够加大氧气的供应,加快生物活性,使堆肥含水率更低,更好地保存有机质和维生素等成分,从而提高肥料品质和腐熟度[11]。由于对堆肥过程的干扰增加,采用HTF会导致其中的菌群受到较大的干扰而未能很好的繁殖[12],同时增加了空气流通,使得水分和养分的流失增加[13],导致鸡粪堆肥腐熟程度不能得到较好的保证。低频率翻抛(LTF)堆肥需要更长的时间,而且堆肥中的氧气供应相对减少,导致其腐熟度相对较低[14]。但在较长时间内进行LTF,则菌群有时间巩固建立,可更好地生长繁殖,促进腐熟,使堆肥中的有机质分解和提供营养元素的过程得以加强[15-16]。目前,国内外研究多集中在鸡粪堆肥的腐熟度与农作物产量之间的关系上。然而,鸡粪堆肥的腐熟度不同对于农作物的影响却存在争议。王秀红等[14]认为腐熟度高的鸡粪堆肥对农作物生长更有利;高新昊等[17]研究认为,半腐熟堆肥处理在提高番茄产量、增加叶片光合作用等方面优于完全腐熟堆肥;周新伟等[18]研究发现,低腐熟鸡粪堆肥对播种幼苗的出苗率可产生一定影响,但不影响出苗后的生长,对移栽苗(成苗)的器官建成及苗期生长也不存在安全问题。翻抛能改变堆肥过程中堆体的理化性质,但翻堆如何影响堆肥腐熟程度目前仍不清楚。鉴于此,本研究通过改变鸡粪堆肥过程中的翻抛频率,测定处理后的鸡粪堆肥的温度、pH、有机质、氮磷钾含量、EC及GI等参数,探究2种翻抛频率对鸡粪好氧堆肥的影响,为有机肥的生产和畜禽粪污的资源化和无害化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验样品

将堆肥原料鸡粪、秸杆堆置为长30.0 m、宽3.0 m、高1.0 m的三角形条垛或堆堤。鸡粪、秸秆按1.2∶1比例混合成发酵原料。本试验堆肥的鸡粪和秸秆均取自安徽省阜阳市义丰肥业有限公司,基本理化性质见表1。

表1 堆肥原料基本理化性质

1.2 试验设计

试验设置2个处理。(1)高频率翻抛(HTF):每3天翻抛1次。(2)低频率翻抛(LTF):每6天翻抛1次。各组均设计对照组,以探究其对鸡粪堆肥腐熟度的影响。

在第1、4、7、10、13、16、19、22、25天对堆肥进行取样,选取条垛式堆体的两侧和顶部分别混合粉碎作为样品,采集的固体样品分为2个部分。第一部分鲜样用于测定样品的含水量、有机质含量和种子发芽指数(GI);第二部分置于-20 ℃下保存,测定氮磷钾含量、pH和EC。

1.3 测定项目及方法

每日分别用3个温度计在4个堆体相同间隔位置50 cm深度处测量温度,取平均值作为当天堆体温度;取鲜样25 g加入250 mL纯净水充分搅拌混匀,采用pH计和电导仪分别测定pH和EC;采用硫酸亚铁滴定重铬酸钾的方法测定有机质含量;将样品进行消煮后,分别用凯氏定氮仪、火焰光度计和分光光度计测定样品的氮磷钾总量。

GI的测定:取10.00 g鲜样置于250 mL锥形瓶中,加入90 mL纯净水,震荡1 h后取上层清液过滤,收集过滤后的浸提液,备用,在9 cm培养皿中放一张定性滤纸,均匀放置10粒大小一致、饱满的黄瓜种子,加入10 mL浸提液,纯净水代替浸提液作为空白对照,在25 ℃下恒温培养箱培养48 h后测发芽率和根长,计算公式为:

其中,A1为浸提液培养的种子发芽粒数占放入总粒数的百分比(%);A2为浸提液培养的全部种子的平均根长(mm);B1为水培养的种子发芽粒数占放入总粒数的百分比(%);B2为水培养的全部种子的平均根长(mm)。

1.4 数据处理

用Excel对试验所测定的各项指标进行整理和筛选,确定数据的有效性。并用Origin 2018对所得数据进行图表分析。

2 结果与分析

2.1 2种翻抛频率对堆肥温度的影响

图1显示2种翻抛频率对堆肥温度的变化。整体来看,随着堆肥的进行,2组堆肥温度均呈先上升后下降的变化趋势,这与好氧堆肥的基本特点一致[8],前期温度变化曲线大致相同,可能由于升温期堆体内营养物质较丰富,翻抛对温度的影响程度较小,因而2种翻抛温度曲线相似,但15 d后,2种温度曲线差异明显,因为HTF加快了堆体水分的蒸发,温度下降幅度更大。前10 d堆体温度快速升高,7 d时,堆体温度均在60 ℃以上,进入高温期,温度最高能到达71 ℃,高温期持续时间超过10 d,说明此次堆肥的物料含碳量较高,升温明显,HTF和LTF堆肥效果均较好。15 d后,HTF和LTF温度均呈较大幅度快速下降,此时堆肥进入降温期,堆肥氮元素消耗较大,微生物的活性受到抑制,减缓堆肥进程,这与Tuomela[19]研究成果一致。20 d时,HTF温度逐渐稳定,堆肥进入腐熟期,而LTF温度仍较大幅度下降,HTF能较早进入腐熟期,加快堆肥进程,这可能因为HTF水分挥发更快,能更快进入腐熟期。堆肥结束后,各组处理堆体高温发酵时间均能达到10 d以上,各处理均达到《粪便无害化处理要求》,平均室温为25.00±3.25 ℃。

图1 2种翻抛频率下温度的变化Fig.1 Change of temperature at two tumbling frequencies

2.2 2种翻抛频率对堆肥腐熟度的影响

2.2.1 2种翻抛频率对堆肥水分的影响 2种翻抛频率对堆肥水分质量分数的影响如图2所示。堆料水分随着堆肥的进行逐渐降低,到堆肥结束后降低至31.4%、31.8%、30.8%、33.1%。整个堆肥过程中,水分的降低量相差较小,但2种翻抛频率对水分的降幅不同。翻抛能加速水分挥发,7 d前,HTF水分的降低幅度高于LTF;但7 d后,LTF降低幅度更大,这可能是因为堆肥进入高温期,翻抛对水分质量分数影响较小,而堆体中微生物的活性更影响水分的降低速率;13 d时,HTF和LTF水分的降低量接近,此时堆肥正处于高温期,堆体平均温度高达70 ℃,堆体高温好氧微生物活性较高,但HTF破坏微生物的群落结构,影响微生物活性,因而HTF组的降低速率低于LTF。16 d后堆肥进入降温期,堆体温度下降, 此时微生物活性较低,但HTF组质量分数水分仅40%左右,LTF组水分质量分数处于40%以下,水分质量分数降低效果明显。分析结果表明,HTF在一定程度上能加快堆肥水分质量分数的降低,但堆肥进入高温期后,HTF易破坏堆体内微生物的活性,此时不宜采用HTF降低水分;但堆肥处于降温期甚至腐熟期时,提高翻抛频率能加速水分的挥发速率。

图2 2种翻抛频率下水分质量分数的变化Fig.2 Moisture changes at two tumbling frequencies

2.2.2 2种翻抛频率对堆肥有机质质量分数的影响 由图3可见,HTF组和LTF组的有机质质量分数随堆肥进行逐渐降低,至堆肥结束时各处理分别下降至33.06%、30.64%。4 d前,LTF组有机质降低幅度高于HTF组,可能翻抛破坏了微生物的群落,降低了微生物活性,且堆体呈现高水分低氧气含量的特性,从而减少有机质的消耗量。4～19 d HTF组和LTF组有机质均呈大幅度降低趋势,此时堆肥进入升温期和高温期,堆体温度升高加快了微生物的活性,加剧堆肥有机质消耗,HTF和LTF降低幅度接近,此时有机质质量分数降低的影响因素主要为温度,这与郑博文等[20]的研究相一致。19 d后HTF组和LTF组有机质含量逐渐稳定,可能此时堆肥处于降温期和腐熟期,堆肥腐熟程度较高,而且此时堆肥氮元素质量分数较低,微生物消耗较大,有机质保存较好。LTF组的有机质含量降低幅度较大,可能因为在较长时间内进行LTF,菌群有时间巩固建立,可以更好地生长繁殖,促进腐熟,使得堆肥中的有机质分解得以加强;而HTF通常不能形成较厚连续层,不能为其他微生物生产提供条件。堆肥结束后HTF组的有机质质量分数较高,是由于HTF在堆肥过程中破坏好氧微生物种群生长环境,微生物的活性低于LTF,受微生物影响,其堆肥的有机质消耗较低,且HTF组氮元素消耗大,在堆肥进入腐熟期时,HTF组微生物活性更低,能更好地保存堆肥中有机成分[21]。

图3 2种翻抛频率下有机质质量分数的变化Fig.3 Change of organic matter content at two tumbling frequencies

2.2.3 2种翻抛频率对堆肥总氮质量分数的影响 研究表明,NH3的挥发是堆肥过程中氮元素损耗的主要途径。2种翻抛频率对堆肥总氮质量分数的影响由图4可知,呈先增大后减小的趋势。堆肥过程中,总氮质量分数在7～10 d之间达到峰值,在第10天后,总氮含量均快速下降,但HTF下降幅度高于LTF组的下降幅度,且HTF氮元素的下降总量高于LTF组。7 d之前,HTF组和LTF组总氮质量分数均呈上升趋势,这可能是因为堆肥初期堆料中的氮主要以有机氮的形式存在,此时堆肥处于升温期,堆肥温度逐渐升高且水分较高,此时堆体通气量较低,有机物降解形成氨态氮,其中少量氨态氮转化为NH3挥发,此时反硝化细菌活性较高。7 d后堆肥进入高温期,HTF和LTF堆体挥发大量的NH3分子,高浓度NH3分子抑制了硝化反应,而矿化作用明显,产生更多的无机氮成分。随着堆肥的进行,温度及pH升高,好氧微生物的活性提升,加速了氮的硝化反应,促进了NH3挥发,加剧了堆肥有机氮的分解[22-23],总氮质量分数降低较快。15 d后,堆肥温度逐渐降低,22 d时,HTF进入腐熟期,大部分有机物已完全降解,NH3排放速率显著下降,总氮质量分数保持在较低水平,LTF仍处于堆肥降温期,堆体温度较高,但此时堆体有机物质量分数、堆体水分和氧气质量分数均不足,影响微生物的活性,受堆体温度和微生物活性的影响,HTF在10 d后总氮质量分数的降低量高于LTF。

图4 2种翻抛频率下总氮质量分数的变化Fig.4 Change of total nitrogen content at two tumbling frequencies

2.2.4 2种翻抛频率对堆肥总磷总钾质量分数的影响 图5为总磷和总钾质量分数变化趋势。总磷和总钾质量分数在堆肥过程中,变化幅度较低,磷钾元素损失较小。可能由于磷元素和钾元素是堆肥过程中较为稳定的元素,其绝对含量一般不会随着发酵过程的进行而出现变化。在水分质量分数的变化上,HTF水分质量分数的降低速率高于LTF;有机质的变化上,2组均呈快速下降的趋势,但堆肥结束后HTF组有机质质量分数较高;各组养分总和均达到10.0以上,符合有机肥标准,综合堆肥的水分、有机质、氮磷钾总养分各项指标的表现,在相同处理时间下,HTF组鸡粪堆肥腐熟度高于LTF组。

图5 2种翻抛频率下总磷总钾质量分数的变化Fig.5 Changes of total phosphorus and total potassium content at two tumbling frequencies

2.3 堆肥的毒性检测

2.3.1 2种翻抛频率对堆肥pH的影响 pH是反映堆肥进程的主要参数之一。由图6可知,HTF和LTF对堆肥pH的变化均呈现先减后增再减的趋势。各组均在第7和第13天呈现低峰和高峰。堆肥中物料pH均呈弱碱性,初始pH较高是因为堆肥含氮有机物氨化形成NH3;1～7 d pH呈下降趋势,LTF组下降幅度高于HTF组,这可能因为堆肥含水量较高,局部堆肥发酵呈厌氧发酵,堆料中的有机物被微生物降解时产生有机酸、无机酸等一系列成分,此时氮的氨化作用较低导致pH下降,7～13 d pH呈上升趋势,HTF和LTF堆体可能随着有机酸的进一步被降解及含氮物质进一步被降解产生NH3,导致pH快速升高,第13天后pH呈缓慢下降趋势,这可能是因为随着物料被进一步翻抛,水分降低导致堆体中好氧厌氧共存区域,厌氧微生物分解有机质产生有机酸等物质[12],导致pH逐渐降低,但厌氧菌数量较少,pH降低频率较为平缓。HTF组整体变化幅度低于LTF组,这可能由于HTF使大量未分解的有机物分解,铵态氮浓度明显增加,pH会相对更高。堆肥结束时,各处理的pH在7.0～8.5之间,符合有机肥农业标准(NY/T525—2021)的要求[24]。

图6 2种翻抛频率下pH的变化Fig.6 Change of pH at two tumbling frequencies

图7 2种翻抛频率下EC的变化Fig.7 Change of EC at two tumbling frequencies

2.3.3 2种翻抛频率对堆肥GI的影响 种子发芽指数(GI)是评价堆肥腐熟程度的重要指标。一般认为,发芽指数大于80%时堆肥完全腐熟[26]。2种翻抛频率堆肥前后对堆肥GI的影响由表2可知,堆肥结束时,各组的GI分别为106.32%、103.49%、82.72%、83.98%,均大于80%,为完全腐熟状态,但HTF组的GI明显高于LTF组,腐熟度更高。通过毒性检测,各组堆肥均达到无害化水平,施用土壤后不会对植物产生毒害作用。

表2 2种翻抛频率堆肥前后的GI

4 结论

堆肥高温持续时间超过10 d,且最高温度超过71 ℃,HTF组更快进入腐熟期,加快堆肥进程;从各组试验数据分析得知,在相同处理时间下,HTF组鸡粪堆肥腐熟度高于LTF组;通过毒性检测,各组堆肥均达到无害化水平。因此,HTF在一定程度上更能促进鸡粪好氧堆肥发酵快速进行。