鸡粪玉米秸秆厌氧堆肥中含水量、碳氮比、菌剂优化组合研究

摘 要：鸡粪玉米秸秆厌氧堆肥中，堆体中的含水量、碳氮比、厌氧菌剂对堆肥进程都会产生影响。三因素三水平正交试验表明，堆体含水量为65%～70%，碳氮比为20、施入厌氧加强菌剂量较多时，有利于堆肥腐熟。厌氧堆肥较缓慢，很难达到期望的高温，因此，在环境温度达不到堆肥要求时，可适当借助热源。在厌氧堆肥过程中，会产生有机酸等，pH值较低，会抑制有害病菌及寄生虫生长。

关键词：鸡粪；厌氧；三因素；三水平；正交试验

中图分类号：S141.4 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）07–00-03

根据相关研究资料，每只育成鸡每天产生鸡粪约0.1 kg[1]。每个饲养1万只鸡的家庭鸡场日产鸡粪约1 t，

年产鸡粪约360 t[2]。鸡粪随意堆放，未经堆肥处理，会对鸡场周围的环境造成不良影响。因此，探索合理利用鸡粪的相关技术十分有必要[3]。现阶段对于鸡粪堆肥的研究中，以好氧堆肥为主流，鸡粪厌氧堆肥研究较少。这与传统厌氧堆肥腐熟慢、周期长、堆肥效果往往不理想有关。研究表明，对传统厌氧堆肥条件加以改变，加入适当厌氧菌剂，控制含水量，碳氮比（C/N）等，会在一定程度上缩短鸡粪厌氧腐熟周期，提高鸡粪周转效率和还田率[4]。添加厌氧菌剂，能促进堆肥物快速腐熟，提高堆肥效率和质量[5-6]。碳氮比（C/N）也是影响鸡粪堆肥腐熟度最重要因素之一[7-8]。适度的碳与氮质量比有利于微生物降解活动，促进更有效利用堆肥中的营养元素[9]。向鸡粪中添加玉米秸秆等物质可以调节碳氮比。因此，确定鸡粪玉米秸秆厌氧堆肥中适宜的含水量、菌剂量、合理碳氮比是鸡粪厌氧堆肥的必要环节。对鸡粪厌氧堆肥含水量、碳氮比及厌氧菌剂用量进行审慎考虑，确定三因素三水平进行正交试验。试验结束后，观察堆肥混合物颜色变化、闻气味及测定其pH值，对鸡粪堆肥处理腐熟效果综合评分，选出最优组合方案，然后以最优方案进行堆肥试验，验证方案可行性。

1 材料与方法

1.1 鸡粪厌氧堆肥材料及菌剂预处理

1.1.1 试验材料

堆肥底料采用蛋鸡粪和风干玉米秸秆。鸡粪购自甘肃省白银市靖远县刘川镇某家庭蛋鸡养殖场，玉米秸秆也购自附近农户。玉米秸秆粉碎长度为1.0～1.5 cm。在堆肥时，按照菌剂使用说明激活微生物菌剂。新鲜鸡粪及风干玉米秸秆基本性质见表1。

1.2 试验原理及试验设计

1.2.1 正交试验原理

正交试验设计原理是利用数理统计原理，选择多个重要影响因子，设定若干合理水平，通过对试验方案结果分析，推断出最优化方案。国际标准正交试验方法最早由日本质量管理学专家田口玄一提出，正交试验中使用正交表对试验进行整体设计，能均衡抽样，使结果更具代表性。按照正交表进行试验，能够更好地达到试验目的。正交试验法在工业、农业、医药研究中被广泛采用，并取得了很好的效果[10-13]。

在鸡粪玉米秸秆厌氧堆肥试验研究中，若进行全面试验需进行27次试验。准备27份试验材料及相应设备，投资较大，增加了测温及日常工作量，试验结束后，数据处理量也较大。采用正交试验法，按照正交试验表3安排试验，选出代表性的9次试验，所需试验材料、设备、投资大幅度减少，检测费用减少了近二分之一。节省的费用可以进行其他必要的研究项目。鉴于正交试验法能优化试验方案，简化试验过程，是多因素多水平科学研究的常用方法。

此外，随着计算机技术的发展，正交试验分析软件不断升级更新，统计分析相关数据更加快捷。在使用正交试分析软件时，只要输入对应处理和水平数据，根据实际检测、观察结果，客观给予不同处理相应综合评分，计算机就可以按照设定好的程序计算出Ki（第i个水平试验指标值之和）及R值（极差），分析出各因素影响程度，能确定最优化组合方案，避免人工计算的烦琐过程。因此，对于鸡粪玉米秸秆厌氧堆肥中含水量、碳氮比、菌剂优化组合研究，运用正交试验设计原理，采用正交试验表，充分利用计算机软件技术发展的成果，有科学理论依据，得出的结论更具客观性。

1.2.2 正交试验设计

在本试验中，含氮量较高的鸡粪和含碳量较高的玉米秸秆可以满足本试验调节适宜碳氮比需求。选取对综合评分具有影响的3个因素是水分含量（A）、碳氮比（B）和特定厌氧菌种量（C）。含水量共设置3个水平，分别为55%、65%、75%；碳氮比（C/N）共设置了3个水平，分别为20∶1、25∶1、30∶1；菌剂共设置了0添加、一倍添加、二倍添加3个水平。利用正交试验设计原理，按三因素三水平正交试验表设计试验处理。

在试验中，需要先活化菌剂，将菌剂中所含水分计算在一个处理水分中。按照理论计算值准备所需的鲜鸡粪、风干玉米秸秆和活化菌剂，以干净自来水调节物料水分至相应含水量。尽可能混合均匀，不能出现结块或黏结现象。每份装入相应青贮袋，扎口，并做好标签。本试验将装堆肥材料的青贮袋贮存在浅坑中，露天相隔摆放，后期转移至校内日光温棚内。试验时间为2022年5月5日—9月5日（共约120 d）。在试验过程中，每日07：00～07：30、12：00～12：30、18：30～19：00分别测量1次环境和一个袋内温度，并做好详细记录。以3次测量气温或温棚内温度的平均值为环境温度，以3次测量袋内的温度作为堆肥温度。在坚持不开袋口的情况下，观察堆肥腐熟进展。按照正交设计表进行试验。正交试验因素与水平设计如表2所示。

1.3 测项目及方法

1.3.1 测定项目

分别测定新鲜鸡粪、自然风干玉米秸秆的pH值、含水量、总氮、总碳和有机质。

1.3.2 检测方法

将贮存120 d后9组堆肥取样，按照《有机肥料NY/T 525—2021》，分别测定pH值、观察各堆肥样的腐熟情况，嗅各样品气味，并以这3项指标鉴别堆肥腐熟效果。

2 结果与分析

2.1 正交试验方案及结果

试验处理120 d后，对T1～T9进行pH值测试，其pH值分别是6.97、6.62、6.21、6.12、6.02、6.12、6.41、6.80、6.73，分辨不同处理的气味、颜色，综合评分。利用正交设计助手V3.1进行交互作用分析，确定最优方案。正交试验方案及结果如表3所示。

正交试验分析中，Ki为对应因素中第i个水平试验指标值之和，R值表示固定因素中Ki的最大值和最小值的差值，R值越大，表明该因素设置的不同水平对评价指标的影响越大，反之，说明该因素对试验结果的影响较小。通过对综合评分进行正交分析，由表3中极差（R值）分析可知，3个因素对综合评分的影响程度依次为A＞C＞B，即水分含量＞特定菌种量＞碳氮比，以综合评分最大值为优化目标，从k1、k2、k3的大小分析得出，综合评分的最优条件为A2B1C3，即当水分含量为65%，碳氮比为20∶l，特定菌种量为2倍时，综合评分最大。

2.2 结果与分析

2.2.1 含水量影响

鸡粪玉米秸秆厌氧发酵过程中，有少量水分逸失，部分含有氮、碳、硫等物质在微生物作用下转化为二氧化碳、氨、甲烷、二氧化硫等挥发物质，袋内混合总质量有较明显减少[14]。从处理T1～T9，重量减少10%～20%，其中T4、T5、T6组合减少最为显著，T1、T8、T9处理不显著。可见，与正交分析结果一致，水分在鸡粪玉米秸秆厌氧堆肥中起着关键的作用。

2.2.2 菌剂影响

鸡粪玉米秸秆厌氧堆肥120 d中，只要添加厌氧加强菌剂处理组都表现腐熟程度较高，可见菌剂在堆肥中起到了重要作用。这主要是由于添加菌剂增加了堆肥中微生物含量，增强了微生物对有机质的分解作用，加快了堆肥进程。

2.2.3 碳氮比影响

在碳氮比为20∶1、25∶1、30∶1的相应处理中，T4、T5、T6水分含量相同，菌剂用量不同，但腐熟程度相近，这是由于碳氮比梯度较小，水分含量与菌剂量起到了主导作用，减少了碳氮比的影响。在碳氮比为20∶1、25∶1、30∶1情况下，堆肥都能进行。在高碳氮比的条件下，难以降解的有机质增加，但还有一部分能被厌氧微生降解，从而降低堆体的碳氮比。因此，正交分析结果中，碳氮比对鸡粪厌氧堆肥影响较小。适宜的碳氮比有利于微生物进行合成作用及新陈代谢。

2.2.4 最优组合

正交试分析结果最优条件为A2B1C3，即当水分含量为65%，碳氮比为20∶l，特定菌种量为2倍时，最适宜进行鸡粪厌氧堆肥。厌氧堆肥一般需时较长，腐熟程度较低，矿化程度较高。要想得到完全腐熟的肥料，厌氧堆肥需要外界供给热量，并在含水量适宜的发酵罐中接种厌氧菌种[15]。从实际情况考虑，普通厌氧发酵程度较低，少量加入玉米秸秆以调高碳氮比并吸收鲜鸡粪大量的水分是可取的方案。

3 结束语

此次正交试验表明，鸡粪玉米秸秆厌氧堆肥最优条件为A2B1C3，即当水分含量为65%左右、碳氮比为20左右且厌氧菌种较充足时，更能体现出鸡粪厌氧堆肥的效果。可参照此研究成果，根据实际情况解决鸡粪还田问题。

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