水葫芦和猪粪混合堆肥发酵条件的研究

2014-08-12罗佳刘丽珠王同等

江苏农业科学 2014年6期

罗佳+刘丽珠+王同+等

摘要：用漂浮植物水葫芦治理水体富营养化已经在我国获得大规模的应用，但目前对水葫芦资源化利用技术的研究相对较少。本研究采用不同的堆肥方式来堆置水葫芦和猪粪混合堆肥，以明确水葫芦和猪粪混合堆肥堆置的最适条件。在不同形状堆肥条件下，锥形发酵过程中升温既快又高，形成的堆肥品质和腐熟度优于长方形堆置方式。堆肥的高度越高升温越高，水分和养分流失越多，堆肥高度应适中。堆肥翻抛频率对成肥有着重要的影响，2 d翻抛1次比3 d翻抛1次对温度变化影响较大，2 d翻抛1次的处理腐熟度明显高于3 d翻抛1次的处理。综上所述，在水葫芦和猪粪混合堆肥过程中应采用锥形发酵，高度在1 m左右适宜，2 d翻抛1次，从而可获得高品质的有机肥。

关键词：水葫芦；猪粪；堆肥；发酵

中图分类号： S555+.5；S141.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0336-03

收稿日期：2013-10-07

基金项目：国家公益性行业（农业）科研专项（编号：201203050-6）；江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（11）2038]。

作者简介：罗佳（1982—），男，江苏滨海人，博士，主要从事富营养化水体治理及资源化利用。Tel：（025）84390581，E-mail：luo_jia_428@163.com。

通信作者：张振华，研究员，主要从事富营养化水体治理及资源化利用。Tel：（025）84391207，E-mail：zhenhuaz70@hotmail.com。当前，我国一方面化肥价格上浮过快且过量施用现象较难遏制，另一方面大量固体有机废弃物没有得到很好的利用并造成环境污染，有机肥的施用量已从20世纪60年代的46.6%下降至目前的不足15%[1]。有机肥施用不仅可以减少因化肥过量施用引起的农业面源污染，还可改良农田土壤质量，提高农产品品质。大量研究表明，长期施用有机肥可改善土壤理化性质、提高农作物产量、增强土壤稳定性[2-4]，同时对土壤中的碳、氮有固定作用，减少温室气体的排放[5-6]。

水葫芦（Eichhornia crassipes）别称凤眼莲，系雨久花科凤眼莲属，为多年生漂浮性草本植物，多生于河流、湖泊、池塘、水库甚至稻田中，在沼泽地及其他低湿的地方，水葫芦也可以生长繁殖。水葫芦因其繁殖快而成为世界上危害最严重的多年生水生杂草，蔓延危害的原因不仅在水葫芦本身，最主要的还是随着经济飞速发展，工业、农业和生活污染物增多，大量的氮、磷污染物排入江河湖泊，致使水体富营养化，造成水葫芦泛滥[7]。水葫芦大约于20世纪初传入我国，曾于20世纪50—60年代作为猪饲料推广种植，后因饲料工业的迅猛发展，逐渐失去利用价值而被人们放弃而逸为野生，这是造成水葫芦泛滥的原因之一[8]。解决好水葫芦资源化利用问题，使水葫芦能够被人们大量利用，水葫芦泛滥问题必将解决使之变废为宝。水葫芦生物量大、富集养分含量高，被广泛应用控制水体富营养化。江苏省农业科学院通过在太湖、滇池流域水体对大型漂浮植物水葫芦进行高效控制性种植，利用吸收湖水中的氮磷物质，通过机械化大规模采收水葫芦，将收获的水葫芦制成有机肥，不仅改善了水体水质，还实现了水葫芦的资源化利用。但是，目前对水葫芦制成有机肥的发酵条件研究相对较少，本试验通过研究不同条件下水葫芦与猪粪混合发酵过程中物理化学变化，寻求水葫芦与猪粪混合发酵堆肥的最适方式，以期为水葫芦资源化利用提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验设计

试验在江苏省农业科学院六合基地有机肥厂进行，水葫芦来源于江苏省农业科学院武进竺山湖水污染治理科研基地，水葫芦在武进基地进行挤压脱水后运至六合基地进行发酵试验。试验设置5个处理，分别为处理1：堆肥高度 0.64 m，堆置形状为长方形平铺，翻抛时间间隔为2 d ；处理2：堆肥高度0.96 m，堆置形状为锥形，翻抛时间间隔为2 d ；处理3：堆肥高度1.16 m，堆置形状为锥形，翻抛时间间隔为2 d ；处理4：堆肥高度1.36 m，堆置形状为锥形，翻抛时间间隔为2 d ；处理5：堆肥高度0.96 m，堆置形状为锥形，翻抛时间间隔为3 d 。试验周期为60 d，时间从2013年1月23日至2013年3月23日。每个处理堆置9 t（鲜重），其中含水葫芦渣6 t（鲜重，含水量为85.22%），猪粪3 t（鲜重，含水量为66.34%），采用翻抛机进行翻抛。

1.2样品采集与测定

温度测定，每天14：00测定堆温，测量时温度计插入堆体表面30～40 cm处，同时记录周围环境温度。

样品采集，每间隔10 d采集堆肥样品，采集时用取土钻插入堆体30～40 cm处取出样品，测定含水量、有机质、总氮（TN）、总磷（TP），并测定最后1次样品的种子发芽指数和重金属铅、汞、砷、镉、铬的含量。采用烘干称重法测定含水量；重铬酸钾容量法-外加热法测定有机质；凯氏定氮法测定总氮；酸溶-钼锑抗比色法测定总磷[9]；重金属采样用原子吸收光谱仪测定。

种子发芽指数测定，将待测新鲜堆肥样品与去离子水按照1 g ∶10 mL 混合，振荡1 h，用移液管取10 mL提取液到先放有滤纸的培养皿中，将20粒小白菜种子均匀地放入其中，在30 ℃下培养48 h后测定发芽率和根长，每处理重复3次，以去离子水为对照。计算种子发芽指数[10]：发芽指数=（处理发芽率×处理根长）/（空白发芽率×空白根长）×100%

1.3数据分析与统计

试验数据处理使用Excel 2003 程序和SPSS统计分析软件进行单因素方差分析，比较各组数据之间差异显著性。

2结果与分析

2.1不同堆置方式对温度的影响

温度是堆肥腐熟效果分析的主要指标之一。经过连续60 d的监测，不同处理温度变化见图1，各个处理的温度随着时间的推移逐渐升高，在堆肥后8 d左右升至最高温度，然后逐渐降低，至30 d左右温度趋向平稳，至40 d左右出现了2次升温现象。结果表明，有机物以锥形方式发酵比长方形平铺方式更容易提高堆体温度，堆置的高度越高温度提升得越高；每隔2 d翻抛1次温度变化频率比每隔3 d翻抛1次的高，温度变化幅度是2 d翻抛比3 d翻抛的低。

2.2不同堆置方式对水分的影响

各个处理含水量在升温阶段降低比较慢，在降温阶段含水量的降低幅度最大，当温度趋于稳定时含水量缓慢降低，处理5水分降低最小（图2）。表明锥形方式发酵比平铺方式容易造成水分的蒸发，翻抛频率快对堆肥水分流失有影响。

2.3不同堆置方式对养分含量的影响

堆肥中的有机质主要为微生物提供碳源和能源，堆肥便是利用微生物将有机物料中的可降解有机质分析和转化为二氧化碳、水和热能等。堆肥过程中各个处理有机质含量的变化见图3。有机质含量随着堆肥时间延长呈下降趋势，从开始堆肥的68.15%不同处理分别下降至60.44%、58.42%、57.15%、56.14%和59.33%，分别降解了11.31%、14.28%、16.14%、17.62%和12.94%，处理4降解得最多。

堆肥中总氮和总磷含量的变化与微生物活动密切相关。从图4、图5可知，所有处理中堆肥总氮和总磷含量基本呈先降低后增加的趋势，堆肥过程中的氨氮损失和微生物的同化作用同时存在，共同影响堆肥中总氮含量的变化；磷的矿化作用和微生物的降解会降低堆肥中总磷含量；有机质降解干物质减少以及水分蒸发会使总氮和总磷含量增加[11]。

2.4不同堆置方式对种子发芽率的影响

种子发芽指数是衡量堆肥产品质量和腐熟度的重要指标，间接表征堆肥的植物毒性。一般情况下，当种子发芽指

数>50%时，堆肥产品的植物毒性处于较低水平；当种子发芽指数>80%时，堆肥处于完全腐熟状态[12]。经过60 d发酵，各处理种子发芽指数均大于50%，处于较低毒性水平，基本腐熟，处理4种子发芽指数达到了73.71%，高于其他处理（图6）。

2.5堆肥中重金属含量

堆肥重金属含量是考核有机肥安全性的重要指标之一，我国农业部有机肥料行业标准（NY 525—2012）对有机肥中铅、汞、砷、镉、铬明确给出了最高限度值，本试验各处理堆置的有机肥中这5种重金属含量均低于行业标准

3讨论

水葫芦生物量大、富集养分含量高，被广泛应用于控制水体富营养化。但是，水葫芦资源化利用方面还存在某些问题，造成再利用成本过高。水葫芦含水量高达95%，经过挤压脱水后含水量仍然超过80%，因此，含水量太高是造成水葫芦资源化利用的一个瓶颈。含水量是堆肥成功关键要素之一，堆肥启动时物料含水量必须在50%以上比较合适[13]，当含水量太高时造成微生物活性降低，堆肥升温启动速度慢。本试验堆肥启动较慢，9 d左右温度才升至最高温度，比其他相关研究慢50%时间[14-16]。

温度是衡量堆肥质量和腐熟度的重要指标，其变化与微生物的降解活动密切相关。高温阶段是堆肥的重要过程，堆肥温度持续3 d超过55 ℃将杀死堆体中的大部分病原菌[12]。我国GB 59—1987《粪便无害化卫生标准》要求，堆肥过程中最高堆肥温度应达到50～55 ℃以上，并持续5～7 d，或者在55 ℃以上维持3 d。本试验处理1在堆置过程中温度未能超过50 ℃以上，不符合国家标准，其他处理均符合国家标准。处理1温度过低的原因有2点，一是平铺方式造成的表面积大，空气进入堆体造成厌氧微生物难以生存，导致温度升不上去；二是本试验在2—3月进行的，当地气温较低，降低了微生物的活性，也影响了堆体的温度升高。

水葫芦对重金属具有很好的富集能力，能够吸收除了Co、Al 、Fe 外的所有元素[17-19]，因此，水葫芦资源化利用受到很多学者关注和担忧，担心水葫芦有机肥施用会对土壤和农作物造成重金属污染。程志斌等对云南滇池中水葫芦压榨渣测定重金属砷为0.70 mg/kg、镉为28.86 μg/kg、铅为 2.12 mg/kg、铬为4.66 mg/kg、汞为0.58 mg/kg[20]，重金属含量并未超过有机肥料（NY 525—2012）标准。本试验制成的有机肥，经测定有害重金属砷、镉、铅、铬、汞含量均未超过我国农业部有机肥料行业标准的最高限度值（NY 525—2012）。连续多季施用水葫芦有机肥，会否造成土壤中重金属的累积效应，种植多长时间会造成土壤重金属超标，相关问题需要进一步进行研究阐明。

温度和含水量是堆肥堆置的关键因素，控制好堆肥的温度和含水量才能制造出优质的有机肥。本研究为了降低水葫芦含水量将水葫芦与猪粪混合发酵，以期获得高品质有机肥。经过60 d的腐熟发酵，获得水葫芦与猪粪混合发酵适宜条件，即采用锥形发酵，高度1 m左右，2 d翻抛1次，可获得高品质有机肥。

参考文献：

[1]杨兴明，徐阳春，黄启为，等. 有机（类）肥料与农业可持续发展和生态环境保护[J]. 土壤学报，2008，45（5）：925-932.

[2]吴晓晨，李忠佩，张桃林. 长期不同施肥措施下红壤稻田的养分循环与平衡[J]. 土壤，2009，41（3）：377-383.

[3]Liu B，Gumpertz M L，Hu S J，et al. Long-term effects of organic and synthetic soil fertility amendments on soil microbial communities and the development of southern blight[J]. Soil Biology and Biochemistry，2007，39（9）：2302-2316.

[4]Hargreaves J C，Adl M S，Warman P R. A review of the use of composted municipal solid waste in agriculture[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2008，123（1/2/3）：1-14.

[5]Bailey K L，Lazarovits G. Suppressing soil-borne diseases with residue management and organic amendments[J]. Soil and Tillage Research，2003，72（2）：169-180.

[6]Venterea R T，Burger M，Spokas K A. Nitrogen oxide and methane emissions under varying tillage and fertilizer management[J]. Journal of Environmental Quality，2005，34（5）：1467-1477.

[7]Sinkala T，Mwala M. Control of aquatic weeds through pollutant reduction and weed utilization：a weed management approach in thelower Kafue River of Zambia[J]. Physics and Chemistry of the Earth，2002，27：983-991.

[8]丁建清，王韧，范中南，等. 恶性水生杂草——水葫芦在我国的发生危害及其防治[J]. 杂草学报，1995，9（2）：49-51.

[9]鲁如坤，朱海舟，何平安，等. 土壤农业化学分析[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2000.

[10]张鸣，高天鹏，刘玲玲，等. 麦秆和羊粪混合高温堆肥腐熟进程研究[J]. 中国生态农业学报，2010，18（3）：566-569.

[11]黄川，李家祥，王里奥，等. 碳与氮质量比对鸡粪与玉米秸秆混合堆肥的影响[J]. 中南大学学报：自然科学版，2012，43（12）：4956-4961.

[12]Zhang Y，He Y. Co-composting solid swine manure with pine sawdust as organic substrate[J]. Bioresource Technology，2006，97（16）：2024-2031.

[13]罗维，陈同斌.湿度对堆肥理化性质的影响[J]. 生态学报，2004，24（11）：2656-2663.

[14]吕育财，王俊刚，李宁，等. 间歇式曝气与人工翻堆对堆肥化进程的影响[J]. 中国农业大学学报，2013，18（1）：69-75.

[15]胡春晓，陈耀宁，张嘉超，等. 农业废物好氧堆肥中环境因子对nirK、nirS和nosZ数量的影响[J]. 环境科学，2013，34（3）：1196-1203.

[16]方华舟，安冬梅，王培清，等. 牛粪自然好氧发酵微生物变化规律[J]. 环境工程学报，2013，7（1）：333-339.

[17]Mishra K K，Rai U N，Prakash O. Bioconcentration and phytotoxicity of Cd in Eichhornia crassipes[J]. Environmental Monitoring and Assessment，2007，130（1/2/3）：237-243.

[18]Tiwari S，Dixit S，Verma N. An effective means of biofiltration of heavy metal contaminated water bodies using aquatic weed Eichhornia crassipes[J]. Environmental Monitoring and Assessment，2007，129（1/3）：253-256.

[19]Dixit S，Dhote S. Evaluation of uptake rate of heavy metals by Eichhornia crassipes and Hydrilla verticillata[J]. Environmental Monitoring and Assessment，2010，169（1/2/3/4）：367-374.