起爆剂促进猪粪堆肥腐熟研究①

王若斐，薛 超，刘 超，乔策策，徐 谞，顾文文，蔡志刚，李 荣*，沈其荣

(1 南京农业大学资源与环境科学学院/江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心/国家有机肥类肥料工程技术研究中心/

江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室，南京 210095；2江苏峻德生态农业科技有限公司，江苏淮安 223300)

改革开放30多年来，我国的畜牧业已经进入规模化养殖阶段，万头、甚至几十万头的猪场，或几百万羽的禽场到处可见，确保了我国人民对肉类产品的需求，这些畜牧场废弃物的肥料化，确保了养殖业的健康发展，有机肥料趋于产业化、商品化，出现了工厂化生产的精制有机肥、有机无机复合肥[1]。利用有机肥料培肥土壤是我国农业的特色之一[2]，但传统农业的堆肥方式和技术由于存在发酵时间长、费时费工、卫生条件差、无害化程度和肥力低等诸多弊端，己经不适合现代化农业的发展要求，特别是随着近代集约化、规模化养殖场的兴起，迫切需要改进这种弊端[3-4]。

为加快有机物料的降解速度，提高堆肥的腐殖化程度，近年来国内外学者对堆肥过程中的微生物过程进行了一系列理论和实践研究[5-6]。由于堆肥是一系列由微生物活动主导的，兼具物理、化学、生物各种变化的复杂过程，而微生物的活动则会影响堆肥的时间和堆肥产品质量[7-8]，因此在堆肥过程中加入微生物菌剂来增加微生物数量、调节菌群结构，是一种促进堆肥快速腐熟的有效方法。有机肥起爆剂是由两种或多种微生物按合适比例共同培养，充分发挥群体的联合作用优势，取得较佳应用效果的一种微生物制剂[9]。理论上而言，在堆肥过程中人为接种外源微生物从而加速腐熟是可行的[10]。因此，随着有机肥工厂化生产的市场需求不断增大，将高效的堆肥起爆剂运用到我国商品有机肥生产中变得相当重要。

本研究以猪粪和稻壳为原料，添加有机肥起爆剂同时设置不接菌对照，在工厂进行原位高温好氧堆肥研究，通过检测堆肥过程中相关指标的动态变化，并依据理化参数和堆肥有机物质动态变化特征进行腐熟化程度评价，探究微生物菌剂的添加对堆肥腐熟效率的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

苏淮猪粪取自淮安快鹿牛奶有限公司养殖场，稻壳、蘑菇渣由江苏峻德生态农业科技有限公司提供，其基本理化性质见表1。堆肥起爆剂由本实验室自行研制，由酵母菌、枯草芽孢杆菌和曲霉按照 1∶1∶2(v/v/v)混合后(液体发酵的真菌孢子和芽孢杆菌芽孢数量均大于 109cfu/ml)，利用吸附剂按照 3∶7(v/v)吸附而成(吸附剂：米糠与玉米芯比值为7∶3)。

将猪粪、稻壳和蘑菇渣按照堆体 C/N值 25∶1配比混合后，接种5% 堆肥起爆剂(w/w，DW)为处理Z2；同时设不接种对照处理Z1。堆体采用条垛式堆制，长8 m，宽2.8 m，高1 m，初始含水率调节至65% 左右。堆肥开始前2周每3天翻一次堆，之后每5天翻一次堆。堆肥过程中保持水分自然。

表1 堆肥原料基本理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of main composting materials

1.2 测定项目与方法

1.2.1 样品采集与保存 在整个堆肥过程中，于第0、1、3、5、9、13、17、21、28 天进行样品的采集。采取剖面多高度等量取样法，即将堆体分成多段，在每段多个高度(上层：5～10 cm；中层：50～60 cm；下层100～120 cm)采集等量样品，混合后，采用四分法多次分取样品，每时间段共获得样品重复4个，以保证取样的代表性[11-12]。样品分成3份，其中2份分别保存于 4 ℃ 和 -80 ℃ 冰箱，另一份自然风干、粉碎后待用。

1.2.2 堆体温度测定 每天上午9:00和下午15:00使用水银温度计对堆体中部同一高度(50 cm)随机测量5个点，取平均温度作为堆体的实际温度。

1.2.3 全碳、全氮含量和 C/N的测定 经风干、粉碎、细化、均一化的样品过100目筛后用锡箔纸包被，使用元素分析仪(Vario EL, Germany)，通过干烧法进行全碳和全氮含量的测定，C/N = 总碳含量/总氮含量。每个样品设置3次重复。

1.2.4 pH和电导率(EC)的测定 新鲜样品和去离子水以1∶10(w/v)混合，置于水平摇床振荡2 h，静置30 min后用pH计和电导仪测定[12]，每个样品进行3次重复。

1.2.5 NH4+-N和NO-3-N含量的测定 新鲜样品和去离子水以 1∶10(w/v)混合，置于水平摇床振荡 24 h后，在4 ℃ 下12 000 r/min离心10 min；使用定量滤纸过滤上清液后，再用0.45 µm水系微孔滤膜过滤[11]。使用连续流动分析仪(Auto Analyzer 3,Germany)测定NH4+-N和NO-3-N含量。每个样品设3次重复。

1.2.6 发芽指数的测定 新鲜样品与去离子水以1∶10混合(w/v)，置于水平摇床振荡2 h后过滤。取5 ml滤液加入铺有滤纸的培养皿内，每个培养皿内放置20颗独行菜种子，空白对照为去离子水。

培养皿放置于25 ℃ 恒温培养箱中暗培养3 d后，测定发芽种子数以及根长。每个样品设置3次重复。

发芽指数 = 样品发芽率(%)×样品根长×100%/对照发芽率(%)×对照根长

1.2.7 三维荧光光谱测定 新鲜样品与去离子水以1∶10(w/v)混合，置于水平摇床振荡24 h后调节pH至7.0，样品在4 ℃下12 000 r/min离心10 min，取上清液后经0.45 µm水系微孔滤膜过滤并稀释样品，使有机碳浓度小于 10 mg/L。使用荧光分光光度计(Varian Eclipse)进行测定，参数设置为：发射波长始于250 nm，结束于600 nm，每次增加2 nm；同时，激发波长始于200 nm，结束于500 nm，每次增加10 nm；发射波长和激发波长的狭缝宽度为5 nm；扫描速率设定为1 200 nm/min[13]。

硫酸奎宁单位(QSU)被用于荧光强度的校准：1 QSU被定义为1 mol/L H2SO4中，0.01 mg/L浓度的奎宁在激发波长350 nm、发射波长450 nm下的荧光强度。

1.2.8 数据分析 采用 MATLABR 2016a、Sigmaplot 12.5、Microsoft Excel 2016软件进行数据统计分析。使用最小显著差异法 (least significant difference, LSD) 检验进行多重比较(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度的变化

从图1可以看出，添加起爆剂的Z2处理起堆后第1 天开始升温，第2 天即进入高温阶段，升温速度高于Z1处理，其高温阶段的温度维持在72 ℃ 左右；而Z1对照在同一时间段的温度维持在65 ℃ 左右。Z2处理第15天开始进入降温阶段，Z1对照高温阶段持续到第18天后，开始进入降温阶段。相对Z2处理，Z1处理的高温阶段延长了3～5 天。至起堆第28 天，Z2处理的温度已稳定在30 ℃ 左右。

图1 堆肥过程中的温度变化Fig. 1 Changes of temperatures during composting

2.2 堆肥过程中pH和EC的变化

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

由图2可知，堆体Z1和Z2的pH变化一致，在堆肥初期均大幅升高，随后出现小幅下降，后期趋于稳定。堆肥后期，随着氨的挥发、蛋白质等有机物的彻底降解以及硝化作用的进行，pH 逐渐降低。在整个堆肥过程中，堆体Z1的pH始终高出Z2堆体0.075～ 0.29，至堆肥结束，堆体Z1稳定在7.45左右，Z2稳定在7.25左右。图3中EC值随堆肥的进行有较大波动，在堆肥前期，EC值略有升高；进入高温期后，EC值呈下降趋势。在堆肥后期，堆体 Z1与 Z2的EC值均在升高后下降至1.6 mS/cm。在整个堆肥期间，添加起爆剂Z2处理的电导率始终低于Z1。

2.3 堆肥过程中全碳、全氮含量及C/N的变化

由图4、图5可知，堆肥过程中堆体Z1、Z2的全碳含量呈下降趋势，而全氮含量相对呈上升趋势。至堆肥结束，Z1、Z2的有机质含量分别达到566.92、482.53 mg/kg；其全碳含量分别下降了 43.18%、47.34%；全氮含量则分别上升了5.94%、9.28%。图6可知，Z1和Z2在堆肥过程中C/N均呈降低趋势，堆体Z1呈平稳的下降趋势至第28天C/N为15左右，Z2堆体的C/N则在第3～7 天时保持平稳，之后则较快速地下降至13左右。至堆肥结束，堆体Z1、Z2的C/N分别下降了46.39%、51.33%。

2.4 堆肥过程中NH4+-N和NO-3-N的变化

图7可知，堆体Z1、Z2的NH4+-N含量变化总体呈先上升后下降趋势，不同的是Z1处理的NH4+-N含量直到第14天才达到峰值1.63 g/kg，相比添加了起爆剂的处理 Z2推迟了一周左右的时间。在整个堆肥过程中堆体Z1的NH4+-N含量几乎始终高于堆体Z2。

图3 堆肥过程中EC的变化 Fig. 3 Changes of EC values during composting

图4 堆肥过程中全碳含量的变化Fig. 4 Changes of total carbon contents during composting

图5 堆肥过程中全氮含量的变化Fig. 5 Changes of total nitrogen contents during composting

图6 堆肥过程中C/N的变化Fig. 6 Changes of C/N ratios during composting

NO-3-N含量变化如图 8所示，在堆制过程中，各处理的NO-3-N含量总体上均呈上升趋势。Z1处理在堆肥初期，其NO-3-N含量略有波动，至第11 天左右才开始平稳增高；而Z2的NO-3-N含量则从到14天开始呈现出上升状态。至堆肥结束，堆体Z1、Z2的NO-3-N分别增加了0.24 g/kg和0.17 g/kg。

图7 堆肥过程中NH4+-N的变化Fig. 7 Changes of NH4+-N contents during composting

图8 堆肥过程中NO-3-N的变化Fig. 8 Changes of NO- -N contents during composting3

2.5 堆肥过程中的发芽指数变化

堆肥过程中发芽指数的变化如图 9，堆体 Z1、Z2的发芽指数随堆肥进行均呈明显上升趋势，在堆肥前期二者的发芽指数均维持在70%，从第7天起至堆肥结束Z2的发芽指数始终高于Z1。在第28天，Z2的发芽指数已达100%，说明肥料已完全腐熟，而Z1的发芽指数仅为85%。

图9 堆肥过程中发芽指数的变化Fig. 9 Changes of germination indexes during composting

2.6 堆肥过程中的三维荧光图谱变化

三维荧光光谱是λEx和λEm同时改变光谱图，它不仅可获得λEx和λEm同时变化时的荧光强度信息，并且可对多组分复杂体系中重叠的对象进行光谱识别，能将 DOM 中的各类物质一一表征出来。两个处理的三维荧光图谱都可以观察到4个峰，峰A表示含芳香基团蛋白质(发射波长Em＜380 nm，激发波长Ex＜250 nm)；峰B表示富里酸类物质(Em＞380 nm，Ex＜250 nm)；峰 C表示水溶性微生物代谢产物(Em＜380 nm，Ex＞250 nm)；峰D表示胡敏酸类物质(Em＞380 nm，Ex＞250 nm)。

图10为堆体Z1、Z2在3个不同阶段的三维荧光光谱图，由A1、B1可观察到：在堆肥初始，两个堆体都呈现几乎相同的原始物料状态；至堆肥中期(第14天)，Z2的PeakB与Peak D(QSU：Peak B =31.63、Peak D = 39.87)均强于 Z1(QSU：Peak B =21.53、Peak D = 27.69)，B2 的 Peak A 与 Peak C(QSU：Peak A = 63.77、Peak C = 38.35)也略强于A2(QSU：Peak A = 53.62、Peak C = 33.87)；至第28天堆肥结束时，Z1、Z2处理的Peak B与Peak D均有所增强，而Peak A与Peak C则减弱，Z2的Peak B与Peak D(QSU：Peak B = 36.34、Peak D = 45.13)均略强于Z1(QSU：Peak B = 35.68、Peak D = 42.91)。

2.7 堆肥过程中养分的变化

由图11可知，堆肥结束时两个堆体的养分有差异，Z2的全氮含量低于Z1，全钾含量则明显高于Z1，全磷含量略高于Z1。Z1的总养分含量(N、P2O5、K2O)达51.63 g/kg，Z2为52.67 g/kg，均符合国家标准。

图10 堆肥初始和结束时三维荧光光谱Fig.10 Three-dimensional fluorescence spectra of different treatments at beginning and end of composting

3 讨论

本研究中，两堆体温度在55 ℃ 以上均维持了超过18 d，当堆体的温度高于55 ℃ 并维持在一段时间以上，堆体中的病原菌即可被杀死，可以保证堆肥的无害化卫生质量[14]，表明，无论是否添加起爆剂，堆肥都能够有效完成，但接菌缩短了堆体进入高温期的时间，Z2处理第 2 天即进入了高温阶段，且促进堆体提前进入了降温期。这与李天枢[15]的研究结果一致，堆肥腐熟剂的添加，加快了堆体的升温速率，促进堆体提前进入高温阶段，提高了最高堆温和堆体的腐熟效率。

图11 堆体养分含量Fig. 11 Nutrient contents of different treatments at beginning and end of composting

酸碱度是影响微生物代谢活动重要的环境条件之一，也是反映堆肥腐熟化过程及判断堆肥是否腐熟的最基本指标。由图2可以看出，堆体Z1和Z2的pH都在堆肥初期大幅升高，随后开始出现小幅下降，至后期趋于稳定。这是由于随着堆肥进行，蛋白质水解氨化，挥发的部分氨造成碱性环境[16]。堆肥后期，随着氨的挥发、蛋白质有机物的彻底降解以及硝化作用的进行，pH 逐渐降低，这一结论与姜继韶和黄懿梅[16]对有机肥的堆肥研究结论一致。在整个堆肥过程中，堆体Z1的pH始终高出Z2堆体0.075～0.29，至堆肥结束，堆体Z1稳定在7.45左右，Z2稳定在7.25左右。这可能是由于Z2堆体添加了有机肥起爆剂致使其起始pH相对较低。有研究表明，最合适的堆肥pH在5.5～8.0之间[17]，本研究两个堆体的pH变化范围均在最适pH范围之内。

EC反映了溶液中可溶性电解质的总量，有研究认为堆料电导率的增加与堆肥微生物活动有关，在高温期大量营养盐被微生物利用，因此水溶性盐含量较低，对于堆肥产品，其 EC不宜过大，否则会影响植物的正常生长[18]。从图3中可看出，EC 随堆肥的进行有较大波动，这可能是翻堆的缘故。在堆肥前期，EC略有升高，可能是由于有机质的矿化作用及有机酸的溶解作用，可溶性盐大量产生，而且不会因挥发或下渗而损失，故而使其增高。在堆肥后期，堆体Z1与Z2的EC均在略微升高后保持在1.6 mS/cm。在整个堆肥期间，添加有机肥起爆剂的Z2处理的电导率始终低于Z1，这有可能是Z2堆体中的微生物在整个堆肥过程中的活动强度持续强于Z1处理，堆肥微生物在高温期大量利用营养盐，因此使得Z2处理水溶性盐含量较低，这与Cáceres等人[19]的研究结论一致。

在堆肥过程中，微生物代谢活跃，有机质被微生物利用消耗使得其全碳含量不断下降,总氮含量相对增加，堆体 C/N逐渐变小，与赵建荣等[20]的研究结果一致。为保证堆体中微生物最佳的代谢效率，适宜的C/N是不可缺少的重要营养条件[21]。C/N是评价堆肥腐熟度比较直观的化学指标，堆肥过程中C/N 不断下降，一般认为，当堆肥产品的 C/N接近20时堆肥可以被认为达到基本腐熟[21]。而当堆体充分腐熟化，完成堆肥过程之后的C/N理论上是 15 左右[22]。图6中可以看出，Z1和Z2在堆肥过程中C/N均呈降低趋势，至堆肥结束，堆体 Z1、Z2的 C/N分别下降了46.39%、51.33%。研究表明，微生物的活动与C/N之间有着很大的相互作用，微生物活动越强烈，有机物质被大量利用，C/N则相应降低程度越大[23]。而对比两个处理可知，有机肥起爆剂的添加(Z2)使得肥堆中微生物的活动相应加强，促进了C/N趋向腐熟标准。

Z1、Z2的NH4+-N变化总体上都呈现出先上升后下降的趋势。这是由于堆肥初期随着堆体温度的升高，含氮有机物降解，NH4+-N大量产生；进入稳定期后，可降解的氮素减少，再加上一部分NH4+-N转化为有机氮或NH4+-N以气态形式挥发掉导致NH4+-N含量减少。两处理虽变化趋势一致，但不同的是 Z1处理的NH4+-N直到第14天才达到峰值1.63 g/kg，相比添加了有机肥起爆剂的处理 Z2(峰值为 1.01 g/kg)推迟了一周左右的时间。在整个堆肥过程中 Z1的NH4+-N的含量几乎始终高于 Z2，这可能是由于 Z2处理中与硝化细菌活动较强烈，且肥堆温度相对更高使得NH4+-N以气态形式挥发更强烈的缘故[24-25]。在堆制过程中，各处理的NO-3-N含量总体上均呈增加趋势。堆肥初期，由于堆体温度较高，硝化细菌的活性受到抑制而使NO-3-N含量变化不大；堆肥后期，堆体温度下降，硝化细菌的活性增强，NH4+-N等氮素成分通过硝化作用而转化为 NO-3-N，使得堆肥体系中的NO-3-N含量增加[26-27]。另外，NH4+-N的减少及NO-3-N的增加，也是堆肥腐熟度评价的常用指标[20]。

Z2发芽指数的升高效率显著高于Z1，至堆肥结束其已完全腐熟，而Z1的发芽指数只达到85%。发芽指数是用来评价有机肥的毒性和腐熟度的重要指标。Zucconi等[13]指出许多植物种子在堆肥原料和未腐熟堆肥萃取液中生长受到抑制，而在腐熟的堆肥中生长得到促进，一般发芽指数大于50% 即可认为，有机肥腐熟。因此，本研究中，无论是否接种起爆剂，堆体都能腐熟，但接种起爆剂的效果更优。随着堆肥进程的进行，Z1和Z2堆体的Peak A(芳香基团蛋白质)与 Peak C(水溶性微生物代谢产物)强度均逐渐下降，但Peak B(富里酸类物质)与Peak D(胡敏酸类物质)强度均逐渐上升，表明类蛋白物质逐步在向类腐殖酸物质转变。对比图10中各峰的强度可以发现Z2堆体中的物质转变更强更快，这表明Z2处理中的微生物活动能加强类蛋白大分子物质的分解，从而加快了堆体的腐熟效率，这与杨巍等[28]的结果类似。

至堆肥结束两个堆体的总养分具有微弱差异，总氮含量Z2处理略低于Z1处理，这可能是由于添加了起爆剂后，相关微生物的剧烈活动使得堆体Z2相对Z1发酵更强烈，其物质消耗更多，从而使得氮的损耗有所增加，其全磷、全钾含量也高于Z1堆体，故 Z2处理的总养分含量高于 Z1，这与匡石滋等[29]的研究结果相似。

4 结论

1)以猪粪、稻壳为原料并接种有机肥起爆剂进行工厂化高温好氧堆肥，堆体Z1、Z2均在高于55 ℃的温度持续了 18 d以上，这是保证堆肥卫生指标合格和堆肥腐熟的重要条件，由其C/N、NH4+-N和NO-3-N、发芽指数及三维荧光图谱等指标也表明至堆肥结束时两个堆体均已腐熟，所含养分也符合国家有机肥标准。

2)添加有机肥起爆剂的堆体Z2的升温速度和温度最高值均高于Z1处理，其高温期高出Z1处理3 ℃左右；同时堆体Z2相比对照堆体Z1更快地进入后熟阶段，加快了有机质降解速度，控制了堆体氮的损失，表明有机肥起爆剂能促进有机肥的腐熟。

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