不同有机物料配比对玉米秸秆高温堆肥的影响

沈大春，敖俊华，周文灵，陈迪文，黄 莹，黄振瑞，李奇伟，江 永

（广东省生物工程研究所（广州甘蔗糖业研究所）/广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广东 广州 510316）

当前我国农业和畜牧业的快速发展使得农业固体废弃物资源的数量大幅增加，如果不加以合理处理和利用，将会造成资源大量浪费和环境污染［1-3］。实践证明，堆肥是处理固体有机废弃物的有效途径，是畜禽粪便和秸秆资源利用的主要措施之一，特别有利于堆肥原料达到无害化并生产商品有机肥，从而实现粪便和秸秆的资源化利用［4-6］。传统的堆肥主要以畜禽粪便为原料，秸秆一般作为辅料用以调节堆肥的水分和碳氮比，但此方法处理秸秆资源的效率不高［7-8］。目前，以秸秆作为主要原料进行堆肥化处理，其规模大、成本低，而且能够在很大程度上保护环境，特别是避免焚烧秸秆带来的问题。然而，由于秸秆碳氮比较高，木质纤维素组分含量高而且难降解，导致秸秆堆肥效率不高［9-11］，因此需要添加辅料补充秸秆中的可利用养分和弥补含氮的不足，以促进高温堆肥过程中微生物对秸秆的腐解效率。本试验以玉米秸秆为主要材料，添加中药渣和固体氨基酸为辅料，同时以长期秸秆堆肥浸出液调节水分，采用高温好氧堆肥技术，研究了有机物料配比对玉米秸秆高温堆肥的影响，以期为农业废弃物特别是秸秆资源的高效合理利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥原料包括玉米秸秆、固体氨基酸和中药渣，来源于南京明珠肥料有限公司，皆为该公司有机肥生产用原料。玉米秸秆用大型装载机充分碾破裂，形成条形碎料，以增大降解比表面积，促进腐解。开始堆肥时，用秸秆堆肥发酵废水调节初始含水率在80%左右，堆肥原料的基本理化性质见表1。

发芽试验用种子为中熟半紧凑型普通玉米苏玉41，由江苏省农业科学院提供。

表1 堆肥原料的基本理化性质

1.2 试验方法

试验在南京明珠肥料有限责任公司一块水泥面厂房内进行，堆体按长5 m×宽2 m×高1.5 m自然堆置。设4个处理，分别为：T1，玉米秸秆1 000 kg（CK）；T2，玉米秸秆1 000 kg+中药渣200 kg +固体氨基酸20 kg；T3，玉米秸秆1 000 kg +中药渣150 kg +固体氨基酸15 kg；T4，玉米秸秆1 000 kg +中药渣100 kg +固体氨基酸10 kg。

种子发芽试验：将圆形滤纸放置于9 cm玻璃平板内，选取20粒玉米种子均匀铺在滤纸上，每个处理加入堆肥发酵液5 mL，对照加纯水5 mL，3次重复。然后置于30℃培养箱内，培养72 h后记录每个处理种子发芽数量和根长。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 样品采集 每隔5～7 d采集样品1次，共采样8次。采样时每个处理从堆体上部、中部、下部各取50 g，3次重复，混匀。另外，分别在第9、22、36 d人工翻堆1次。

1.3.2 指标测定 温度测定：每天上午10：00和下午14：00测定堆肥温度，以堆体各范围温度平均值作为堆体的发酵温度。测量时温度计插入堆体表面50 cm以下，同时记录环境温度。

pH值和电导率（EC）的测定参照鲍士旦［12］的方法，碳氮比（C/N）采用德国PerkinElmer II型CHNS/O元素分析仪测定。

种子发芽指数（GI）的测定方法［13］：测定种子的发芽率及发芽后3 d根长，计算种子发芽指数：

试验数据采用Excel和Minitab软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同有机物料配比对玉米秸秆高温堆肥过程中理化指标的影响

由表2可知，不同比例有机物料T1～T4处理中，玉米秸秆堆肥各理化指标都发生了明显变化，其中堆体温度经升温、高温和降温腐熟3个阶段，各处理最高温度均可达到70℃，T3处理后5 d升至最高温度75℃，T4处理后11 d升至75℃，T2处理后5 d升至70℃，T1处理后11 d也可达到70℃；T1～T4处理EC值整体呈增加趋势，但变化均在0～3 ms/cm范围内；与EC值变化类似，T1～T4处理pH值整体呈增加趋势，变化都在7.0～8.5范围内；T1～T4处理C/N整体呈现下降趋势，T1处理C/N降幅相对较小，T2、T3处理C/N降幅均比T1处理大，以T3处理下降幅度最大，其最后C/N值为16.1。

表2 不同有机物料配比玉米秸秆堆肥过程中理化指标变化

2.2 不同有机物料配比对玉米秸秆高温堆肥过程发芽指数GI的影响

由表3可知，各处理种子发芽指数GI随着堆肥的进行总体均呈上升趋势，至堆肥结束时，T1～T4处理的GI均达到50%以上，其中T3、T4处理的GI均达到60%以上，而GI值达到80%以上的仅有T3处理，T1处理的GI最低为53%。

2.3 不同有机物料配比对玉米秸秆高温堆肥过程的主成分分析

以pH值、EC值、GI、C/N作为堆肥腐熟度评价指标，应用主成分分析法对4个处理的堆肥腐熟度进行综合评价。结果（图1）显示，同一处理不同取样时间，堆肥腐熟指标相对分散，说明堆肥过程的不同阶段，各腐熟指标发生了变化，从理论上可认为堆肥过程分别经历了初始阶段（S0）、升温和高温阶段（S1、S2）、高温和降温阶段（S3、S4、S5）、降温和腐熟阶段（S6、S7）。由于高温阶段时间相对较长，因此从图1可以看出，S1～S5阶段的区域指标分布比较密集，在综合分析堆肥的不同阶段，第1主成分对于总方差的贡献率是7.82%，第2主成分对于总方差的贡献率是1.44%，二者之和为9.26%，即前2个主成分只能把堆肥全部指标提供信息的9.26%反映出来。同样，从图1还可以看出，T2、T3、T4处理虽然在温度、发芽指数等腐熟指标值上有差异，但总体表现相对一致，一方面说明添加有机物料对于秸秆堆肥腐熟过程有一定影响，但另一方面，在一定范围内添加不同比例的有机物料从整体上并无显著差异，这也说明单一指标并不能够作为评价堆肥腐熟度的指标。综合考虑到堆肥原料成本和实际堆肥环境，本试验选择T3处理为最佳配方。

表3 不同有机物料配比玉米秸秆堆肥不同时间对发芽指数的影响

图1 不同有机物料配比对玉米秸秆堆肥腐熟指标主成分分析

3 结论与讨论

温度、电导率、pH值和碳氮比的变化情况是堆肥体系的重要理化指标。其中，温度是影响堆肥过程中微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素［3］，本研究中4个处理的最高温度均在70℃及以上，而其他相关研究中秸秆和牛粪或猪粪等混合堆肥最高温度均仅在50℃以上［14-16］，说明利用添加中药渣和固体氨基酸的方式可使玉米秸秆堆肥达到较好的高温堆肥效果。电导率（EC）是衡量堆肥腐熟度的重要指标，本研究堆肥结束时各处理的EC值介于2～3 ms/cm之间，符合堆肥腐熟度的要求［17］；Chon也提出EC值＜3.5 ms/cm时，不会影响植株生长［18］。pH值是反映堆肥过程的重要参数，适宜的pH值对堆肥微生物的生长代谢活动有重要促进作用，一般微生物最适宜的pH值为中性或弱碱性，pH值过低或过高都会使堆肥过程紊乱致使堆肥无法有效完成［19］，本研究中各处理pH值最后都在7.0～8.5之间，符合堆肥腐熟指标的一般标准［20］。碳氮比（C/N）是影响堆肥过程微生物活动的重要因素，微生物生长代谢较合适的碳氮比为25～30∶1［21］。堆肥产品C/N过高，施入土壤中微生物将夺取土壤中的氮素，造成植物的“氮饥饿”；C/N过低，则施入土壤后过量氮素会造成植物烧苗现象［22］，因此合适的C/N是堆肥是否达到腐熟的一个重要指标。Garcia等认为最终堆肥产品C/N值在理论上应趋于微生物菌体的C/N值，提出当C/N 值由30∶1降为15～20∶1时，可认为堆肥腐熟［23］，本研究中T2、T3处理堆肥的C/N均＜20，符合此堆肥腐熟标准。

种子发芽指数（GI）是判断堆肥的植物毒性和腐熟度的重要参数之一［24］。未腐熟的堆肥含有毒性物质，对植物生长产生抑制作用，因此，国内外学者大多认为植物GI的变化体现了堆肥毒性的发展趋势。堆肥过程中GI的升高说明堆肥过程有利于堆肥有害物质的减少，相关研究表明，当GI值＞50%时可认为堆肥达到腐熟标准［25］；但也有研究认为，GI值只有达到80%以上才可认为堆肥达到腐熟标准［26］。本研究中，如果以GI值＞50%为标准，则4个处理均达到腐熟标准，而按照GI值＞80%标准，则只有T3处理达到腐熟标准。

本研究利用主成分分析法对评价堆肥腐熟的指标进行分类，对评价不同处理的指标和堆肥腐熟度有重要的实践意义［27-28］。通过主成分分析可以更科学、更全面地反映堆肥的腐熟水平，本研究中，各指标均与一个成熟的堆肥产品有重要联系，但通过与主成分分析评价堆肥腐熟度结果相比较，说明单一或某几个指标并不能够完全反映出堆肥的腐熟程度，因此本研究从某种意义上说明对堆肥腐熟度的评价应采取综合全面的评价标准。

本研究结果表明，通过添加中药渣和固体氨基酸可以促进玉米秸秆高温堆肥，其中堆肥相关腐熟指标如温度、pH、EC以及C/N在堆肥初始和最后都发生了明显变化；通过对堆肥指标进行主成分分析，说明堆肥腐熟度的评价需要更加综合的评价标准，同时也表明单独的堆肥腐熟指标并不能够评价堆肥是否腐熟；考虑到实际堆肥添加的有机物料成本和最终堆肥腐熟效果，本试验推荐使用玉米秸秆1 000 kg +中药渣150 kg+固体氨基酸15 kg配方。

［1］马常宝，史梦雅. 我国主要畜禽粪便资源利用现状与分析研究［J］. 中国农技推广，2016，32（11）：7-11.

［2］陈超玲，杨阳，谢光辉. 我国秸秆资源管理政策发展研究［J］. 中国农业大学学报，2016（8）：1-11.

［3］彭春艳，罗怀良，孔静. 中国作物秸秆资源量估算与利用状况研究进展［J］. 中国农业资源与区划，2014，35（3）：14-20.

［4］李吉进，郝晋珉，邹国元，等. 高温堆肥碳氮循环及腐殖质变化特征研究［J］. 生态环境，2004，13（3）：332-334.

［5］朴哲，李玉敏. 堆肥制作中微生物侵染秸秆的环境扫描电镜（ESEM）观察［J］. 生态与农村环境学报，2011，27（5）：98-100.

［6］Wang P，Watson M E，Chen Y. Maturity indices for composted dairy and pig manures［J］. Soil Biology and Biochemistry，2004，36（5）：767-776.

［7］桂阳，韦小庆，朱国胜. 玉米秸秆与猪粪袋装堆肥技术研究［J］. 广东农业科学，2013，40（12）：67-71.

［8］韦小庆，桂阳，朱国胜，等. 玉米秸秆与牛粪袋装堆肥的发酵技术研究［J］. 贵州农业科学，2012，40（4）：130-134.

［9］张永锋，滕星，李忠和. 玉米秸秆堆肥及其影响因素研究进展［J］. 吉林农业大学学报，2016，38（5）：613-618.

［10］陈珏，刘冲，许梅玲. 玉米秸秆堆肥处理效果研究及在生菜上的应用［J］. 上海农业学报，2013，29（6）：107-110.

［11］吴坤，张世敏，朱显峰. 木质素生物降解研究进展［J］. 河南农业大学学报，2000，34（4）：349-354.

［12］鲍士旦. 土壤农化分析［M］. 北京：中国农业出版社，2000.

［13］Tiquia S M，Tam N F Y. Elimination of phytotoxicity during co-composting of spent pig manure sawdust litter and pig sludge［J］. Bioresource Technology，1998，65：43-49.

［14］朱金兰，王华为，吉莉. 秸秆和畜禽粪便联合堆肥试验研究［J］. 中国农业信息，2015（24）：27-30.

［15］卢秉林，王文丽，李娟，等. 添加小麦秸秆对猪粪高温堆肥腐熟进程的影响［J］. 环境工程学报，2010，4（4）：926-930.

［16］赵秀玲，朱新萍，罗艳丽. 添加不同秸秆对牛粪好氧堆肥的影响［J］. 中国农业科技导报，2014，16（3）：119-125.

［17］Garc í a-Gómez A，Bernal M P，Cegarra J，et al. Plant response to the latent phytotoxicity in agroindustrial wastes in different stages of the composting process//In Proceedings of the International Conference ORBIT 2001 on Biological Processing of Waste：A Productoriented Perspective［C］. Sevilla，Spain，2001：321-325.

［18］Chon C. Experience with the utilization of wastes in nurserypotting mixes and as field soil amendments［J］. Canadian J Plant Sci，1999，79：139-148.

［19］孙先锋，邹奎，钟海风，等. 堆肥工艺和填充料对猪粪堆肥的影响研究［J］. 土壤肥料，2004（4）：28-30.

［20］李洋，席北斗，赵越，等. 不同物料堆肥腐熟度评价指标的变化特性［J］. 环境科学研究，2014，27（6）：623-627.

［21］陆景陵. 植物营养与肥料（上册）［M］. 第2版.北京：中国农业大学出版社，2003.

［22］张福锁，龚元石，李晓林. 土壤与植物营养研究动态（第3卷）［M］. 北京：中国农业出版社，1995：319-349.

［23］Garcia C，Hernandez T，Costa F，et al. Evaluation of the maturity of municipal waste compost using simple chemical parameters［J］. Communications in Soil Science & Plant Analysis，2008，23（13/14）：1501-1512.

［24］Tiquia S M，Tam N F Y. Composting of spent pig litter in turned and forced-aerated piles［J］.Environmental Pollution，1998：329-337.

［25］Priac A，Badot P，Crini G，et al. Treated wastewater phytotoxicity assessment usingLactuca sativa：Focus on germination and root elongation test parameters［J］. Comptes Rendus Biologies，2017，340（3）：188-194.

［26］李艳霞，王敏健，王菊思. 有机固体废弃物堆肥的腐熟度参数及指标［J］. 环境科学，1999，20（2）：99-103.

［27］陈吉，赵炳梓，张佳宝，等. 主成分分析方法在长期施肥土壤质量评价中的应用［J］. 土壤，2010，42（3）：415-420.

［28］张水清，黄绍敏，郭斗斗. 主成分分析在潮土土壤肥力评价中的应用［J］. 河南农业科学，2011，40（4）：82-86.