羊粪、食用菌菌渣及鸡粪混合堆肥的效果研究

李 蓉,马 进,王国贵,陈潇飞,谭德俊,谢骏辉,朱云芬*

(1. 恩施土家族苗族自治州农业科学院,湖北 恩施 445002;2. 湖北省富硒产业技术研究院,湖北 恩施 445002)

2017年国务院办公厅颁布《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》,指出将促进畜禽废弃物“减量化、无害化、资源化”的综合研究利用作为重点,加速构建种养结合、农牧循环的可持续发展新格局[1]。

畜禽粪便高温好氧堆肥是养殖废弃物资源化利用生产有机肥最为经济简便且二次污染小的方法之一,畜禽粪有机肥不仅能部分代替化肥使用,改善土壤板结状况,还能增加土壤有机质,肥效持久,促进农产品增收、优质及农田可持续利用[2]。羊粪在堆肥腐熟过程中所产生的高温能杀灭粪便中的虫卵、有害微生物等,不仅是一种优质的土壤改良剂更是一种丰厚的有机肥[3]。鸡因为其消化道短的特殊生理结构,鸡粪中含有约40%～70%未被吸收代谢的有机质和氮素等[4-5],也是腐熟有机肥的优质原料。菌渣是栽培食用菌后残余的菌棒基料等固体废弃物,其中含有丰富的木质素、纤维素、半纤维素[6-7],还有菌体蛋白质、氨基酸等碳、氮营养元素,这些大分子养分经过高温腐熟,在微生物的作用下代谢为可被植物吸收的养分[8-9]。研究表明,在鸡粪中添加适宜比例的羊粪混合堆肥,能显著改善与碳氮转化相关的微生物菌群,降低鸡粪堆肥过程的碳氮损失,提高堆肥质量[10]。

目前,大多研究以单种畜禽粪便为原料,对于多种畜禽粪便混合堆肥的效果报道尚少,且不同畜禽粪便中养分含量和优势微生物菌群不同[11]。本研究将羊粪、鸡粪和菌渣按不同比例混合,添加粪便微生物发酵剂和亚硒酸钠,经过好氧高温堆肥,生产富硒有机肥。通过对高温堆肥腐熟进程中感官、物理、化学指标的监测及堆肥成熟后有机肥养分浓度的差异性对比,筛选出羊粪、鸡粪和菌渣高温堆肥的最适配比,旨在为畜禽粪便和菌渣的资源化利用提供理论依据和科学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年1月至2021年3月在恩施市三岔镇禾阳农牧专业合作社内进行,环境温度在0～15 ℃之间。羊粪来自于恩施州禾阳农牧专业合作社,菌渣来自恩施州硒康牧业公司,鸡粪来自恩施州农科院畜牧所养殖基地,粪便微生物发酵剂来自西安某草业公司,益生菌总数≥5×107个/g。

表1 堆肥原料的基本理化性状Table 1 The basic properties of composting materials

1.2 试验设计

试验共设GA、GB、GC和CK 4个处理,堆料组成见表2。4个试验组均混合粪便微生物发酵菌剂和亚硒酸钠,添加剂量分别为0.1%和0.005%。各处理组设置堆体总重600 kg,调节初始含水率为50%,混合均匀后堆置成半径为1.5 m、高1 m的圆锥体。堆肥开始前1周每2 d翻堆1次,之后每5 d翻堆1次,整个堆肥周期为30 d。

表2 堆料的组成Table 2 Component of the compostings %

1.3 样品采集

每日上午10时用水银温度计测量堆体中心部分(约高60 cm处)的最高温度,每次测量6个位置,取其平均值记载为实际堆温,且测定室温。在试验的第30天,用5点采样法收集粪便样品,并测定有机肥相关营养指标。

1.4 测定指标及分析方法

有机肥堆体含水量采用105 ℃烘干法测定;pH用pH酸度计直接测定;有机质含量采用重铬酸钾容量法;氮、磷、钾的测定方法参照农业部《NY 525-2012》有机肥料标准[12]进行。重金属元素Cd、Pb和Cr采用原子吸收光度法进行分析,As和Hg采用原子荧光仪进行测定。有机肥堆体中粪大肠菌群数量采用多管发酵法检测,其方法参照《GB/T 19524.1-2004 肥料中粪大肠菌群的测定》[13];蛔虫卵死亡率的测定方法按《GB/T 19524.2-2004 肥料中蛔虫卵死亡率的测定》[14]规定进行。

1.5 数据处理及分析

采用Microsoft Excel 2007软件对数据进行统计,采用SPSS中One-way ANOVA进行方差分析,Duncan法对数据进行多重比较,P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 堆肥颜色和气味变化

从感官层面即物理学指标来判断堆肥过程中物料的变化,各试验组羊粪、鸡粪及菌渣在混合堆肥过程中色泽、味道和颗粒度均发生了明显变化。随着物料逐渐腐熟,含水量显著降低、各试验组堆料颜色逐步变深,由最初的黄茶色变为褚褐色。且从颗粒度上来看,随着水分的蒸发、有机质的降解利用,最初的团块状、不均匀逐渐消失,变得松散、均匀、手感细腻。

在粪便发酵最初,各组堆体均散发出明显粪臭味、氨味大,且有众多蚊蝇环绕。随着堆肥进行,粪臭味减轻,且因为微生物的发酵作用,堆料中蛋白质降解、氨基酸脱氨,会产生大量NH3,此时翻动堆料有刺鼻氨味。直到堆肥腐熟后期,粪臭味消失,有淡淡土腥味,且无蚊蝇。综合观察,各试验组肥料呈咖啡色粒状或粉状,无机械杂质,均符合《NY 884-2012 生物有机肥》[15]中外观(感官)的规定。

2.2 堆肥温度变化

由图1可知,各试验组堆体内部温度均呈现先快速上升(0～6 d左右)、再保持稳定(7～13 d)、后期(14～21 d)下降至室温的趋势。GC升温最快,达到高温期所需时间最短,在第3天就达到55 ℃,且维持高温时间有10 d,表明该组发酵最为彻底。相比之下,CK升温最慢,且维持高温时间仅有5 d。

图1 堆肥过程中温度的变化Fig.1 Changes of temperature during composting

2.3 堆肥pH的变化

由图2可知,各处理组的pH呈现先降低、后升高再下降最终趋于平稳的走势,且在第15天达到最大值,在堆肥结束时均≤8.5,满足有机肥料的标准。

图2 堆肥过程中pH的变化Fig.2 Changes of pH during composting of sheep manure

在第15天时,各试验组pH达最大值,且GC的pH最高,可能是因为该组堆温最高。

2.4 堆肥的品质性状

羊粪、鸡粪及菌渣混合堆肥结束后,各试验组堆料的品质性状结果见表2,经对比样品所检验指标均符合《NY 525-2012 有机肥料》[12]的标准,满足有机肥的要求。由表2可知,GC的TN、TP及总养分含量显著高于其他组(P<0.05),CK的OM和TK有最大值(P<0.05),各组的蛔虫卵死亡率均为100%。

2.5 堆肥物料中重金属和硒的含量

好氧堆肥结束后,各试验组重金属及硒含量检测结果见表3。对比各项检验指标,均符合《NY 525-2012 有机肥料》标准[12],都在安全范围内,满足有机肥的指标要求。且GC的总砷和总铬含量显著低于其他试验组,Se含量显著高于其他各组(P<0.05)。

表3 堆肥的品质性状Table 3 Quality characteristics of compost

表4 堆料中重金属与硒的含量Table 4 Heavy metal and Se content of the composting mg/kg

3 讨 论

好氧堆肥是指通过堆料中微生物的新陈代谢将原材料中可降解的复杂有机物转化为简单有机物或稳定腐殖质且产生二氧化碳、水以及能量等的过程[16],因此微生物的代谢活动在腐熟过程中发挥着重要作用。本试验通过添加一定比例的粪便微生物发酵剂,推进堆体升温,加快有机物的降解及腐殖质的形成,促进好氧堆肥的进行。物料的含水率是堆肥中重要的工艺控制参数。含水率高,会导致堆体空隙被水堵住,阻碍氧气流通,形成厌氧环境,有机物发酵不充分,产生恶臭;含水率低,会降低微生物的新陈代谢活动,减缓升温,堆体腐熟困难,当含水率低于12%时,微生物活动几乎全部停止[17]。众多研究表明,堆料的含水率在45%～55%的范围内最适宜,因此本试验将物料初始含水率均控制在50%,更有利于堆肥的进行。

3.1 羊粪、食用菌菌渣及鸡粪混合堆肥后温度变化

本研究发现混合了鸡粪和菌渣堆肥的试验组升温速度更快,维持高温时间更长,最高温度比对照组增加1～2 ℃,高温连续时间可延长2～3 d,其中以GC组(羊粪70%)升温最高,表明该组发酵最为彻底。研究表明,堆体内部温度≥50 ℃且持续5～7 d,能有效杀害堆料中的病原菌、微生物和有害虫卵等,从而达到堆肥工艺的安全标准[18]。鸡粪与菌渣的添加丰富了堆料间隙,不仅给予微生物新陈代谢足够的自由空间,还提高了堆料的含氧量,通气量的增加增强了好氧微生物的新陈代谢与产热能力[19],使得有机质降解更加充分,堆料升温更快且持续时间更长。同时也改变了堆料的C/N,加快好氧堆肥腐熟进程。C是微生物能量来源,N是微生物生长中蛋白质、氨基酸、核酸等大分子物质的必需元素,因此堆料的C/N是权衡堆体腐熟程度的关键指标[20]。

3.2 羊粪、食用菌菌渣及鸡粪混合堆肥后pH值变化

pH是调节堆肥进程的关键指标,适宜的pH能有效提高微生物新陈代谢,促进堆料腐殖化进程,减少肥分流失[21],且pH在7.5～8.5范围内堆肥有最大腐殖速率[22]。本试验结果显示,各组pH呈先降低、后升高再下降最终趋于平稳的走势,且在第15天达到最大值。这可能是在堆肥刚开始时,部分含碳有机物在高温下降解为有机酸使得堆体pH迅速下降;随着物料腐熟程度增加,微生物扩繁增殖加速,堆料中的蛋白被大量降解为NH3,因此pH升高,最终形成了微碱的环境。中性或弱碱性pH有利于微生物高效分解,促进堆料中铵态氮向硝态氮转化,缩短腐熟时间,有效提升腐熟效果[23]。且在第15天时,GC的pH最高,可能是因为该组堆温最高,微生物发酵最活跃,所产生的NH3多,导致碱性最强。

3.3 羊粪、食用菌菌渣及鸡粪混合堆肥后品质性状

随着好氧堆肥的进行,堆体温度升高后再降低,堆料中可降解的有机物逐渐减少直至稳定,进入到了好氧堆肥最后的腐熟阶段,腐殖质逐渐生成累积,粪便中的致病性微生物和虫卵等有害物质被杀死[24]。在粪便发酵的最后阶段,判断堆肥是否完成和堆料是否腐熟是整个好氧堆肥过程最重要的工作。粪便堆肥腐熟进程中的物质变化主要可以分为2个阶段,即矿质化和腐殖化[25]。矿质化是指微生物将原料中有机物降解为无机化合物;腐殖化是微生物重新利用无机化合物生产更加复杂腐殖质,这2个过程在堆肥同时进行,互相促进[26]。因此有机质、氮、磷、钾及总养分含量是有机肥最基础的营养指标,也是反映堆体腐熟度的标志[27]。有机质是衡量土壤能够提供作物生长所需各种养分的能力,与土壤的理化性质和生物活性息息相关,是反映土壤肥力状况和供肥特征的决定性因素[28]。氮、磷、钾元素是肥料的3大基本要素,也是影响有机肥品质分级划分的主要因素。本试验好氧堆肥腐熟后,检测了堆料总养分、氮、磷、钾、有机质、蛔虫卵死亡率等指标,均符合《NY 525-2012 有机肥料》[12]标准,且各试验组堆料中有机质、总养分以及氮磷钾含量存在显著差异,这除了与堆肥工艺有关外,还与堆料中羊粪、鸡粪和菌渣的混合比例有密切关系,羊粪有机质的含量比鸡粪和菌渣高,因此3个试验组的有机质含量均低于CK。与此同时,鸡属于单胃动物,且消化道短,日粮精料中蛋白饲料比例高;而羊属于反刍动物,其日粮除了精料以外,主要以富含纤维的粗饲料为主,故鸡粪的TN、TP和总养分含量要高于羊粪,因此鸡粪添加量越多,所制得有机肥中TN、TP和总养分就越高。随着鸡粪和菌渣量的增加(由GA,GB到GC)其OM、TN、TP和总养分含量均呈逐渐上升趋势,且差异显著。陈芬等[29]、李林海等[30]研究结果表明,羊粪的有机质和钾含量显著高于鸡粪,因此羊粪添加越多,所制得有机肥中TK含量越高,与本研究结果一致。

3.4 羊粪、食用菌菌渣及鸡粪混合堆肥后重金属和硒的含量

好氧堆肥是畜禽粪便资源化利用的一种经济、传统、高效、易操作的方式之一,但是伴随而来的是重金属残留污染风险[31-32]。堆肥处理不能减少粪污的重金属含量,但通过有机物络合、螯合、静电吸附等形式固定重金属,从而降低堆肥物料中重金属的生物有效性[33-34]。本试验将羊粪、鸡粪和有机调理剂(食用菌菌渣)混合好氧堆肥,同时又添加粪便微生物发酵剂,增加堆体反应中的碳源,使得堆肥原料空隙增大,促进微生物的新陈代谢及有机质的降解反应。同时高温堆肥所生成的腐殖质(腐殖酸和富里酸)能与重金属发生络合使其钝化[35],从而降低其毒性,减少环境污染,腐熟完成之后,4个试验组肥料中的重金属含量均符合《NY 525-2012 有机肥料》标准。

在畜禽粪便中添加微量元素硒进行混合好氧堆肥可得到富硒肥。富硒肥具有改良土壤的作用,它能对植物进行富硒强化,通过植物体的吸收代谢作用,将土壤中的无机硒转化为易被人体利用的有机硒。这对富硒功能性农产品生产、现代农业转型及农民增收具有重要意义[33]。同时硒还对重金属有拮抗作用,可以抑制植物对重金属的吸收和转运[36-37]。本试验在羊粪堆肥发酵时添加0.005%的无机硒-亚硒酸钠,以GC组硒含量最高,这可能因为外源添加的亚硒酸钠在微生物的生化作用及腐殖作用下被转化为活性硒[38],相较于CK,GA和GB的好氧发酵温度更高,微生物腐殖作用更强,故其中硒含量更高一点。

4 小 结

在羊粪好氧堆肥过程中,与CK(纯羊粪组)相比,混合鸡粪和菌渣促进了堆体升温,延长了高温时间,以GC组(羊粪50%+鸡粪20%+菌渣30%)的堆体发酵升温最快和高温时间最长。在羊粪好氧堆肥腐熟后,与CK(纯羊粪组)相比,混合鸡粪和菌渣增加了堆料的总养分、TN和TP含量,以GC组(羊粪50%+鸡粪20%+菌渣30%)的养分值最高。在羊粪好氧堆肥并添加亚硒酸钠过程中,与CK(纯羊粪组)相比,GC处理堆料硒含量最高。综合以上结果,GC处理(羊粪50%+鸡粪20%+菌渣30%)配合比例有最好的堆肥效果及有机肥品质,可选择该比例来对羊粪、鸡粪及食用菌菌渣进行废弃物资源化利用肥料化处理。