碳氮比对猪粪-玉米秸秆混合堆肥的影响

刘成琛，袁蓉芳，周北海

（北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083）

近年来，随着我国养殖业的快速发展，畜禽粪便的排放量急剧增加，而畜禽粪便资源化利用率尚不足20%，随意排放或粗放处理，不仅极大地浪费了养分资源，也对环境造成了严重污染，给人类的健康带来巨大威胁[1-2]。此外，我国的粮食产量稳步增长，农作物秸秆产量也不断增加，但目前我国秸秆的综合利用率大约只有50%，大量的秸秆被抛弃甚至直接焚烧，不仅浪费资源，也污染环境。研究表明，堆肥化处理尤其是好氧堆肥是农业废弃物变废为宝的有效方法，畜禽粪便等经过好氧发酵后制成有机肥，能减少化肥施用量、改良土壤理化性质，对保护生态环境和推动养殖业可持续发展具有十分重要的意义。

C/N值是高效堆肥的关键因素，其对微生物的正常活动和有机肥的品质有重要影响。C/N值过低，导致氮素损失而降低肥效，C/N值太高，则限制微生物分解有机物料，导致发酵周期延长。因为猪粪C/N值低，含水量高，直接堆肥容易发生堆体局部厌氧，导致堆肥效果差；而玉米秸秆C/N值高，含水量低，能够有效解决纯猪粪堆肥时所存在的不足，所以将猪粪和玉米秸秆相结合进行堆肥处理是资源化利用的有效途径。因此，研究确定猪粪和玉米秸秆好氧堆肥适宜的C/N值，对堆肥的效率和堆肥产品的肥效具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试猪粪取自天津市某农家猪场，玉米秸秆从农田运回后采用粉碎机粉碎。试验地点选择在课题组试验基地。堆肥原料的理化性质如表1所示。

表1 堆肥原料的理化性质

1.2 试验设计

以猪粪和玉米秸秆为原料，根据C/N值为10、15和20设置3个处理，分别为A1、A2和A3，含水率均调节至60%～65%。堆体直径为1.5 m、高1 m左右，每个处理重复3次，堆期为2018年3月1日至31日。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品采集与保存

堆肥开始后，分别于第1、8、15、22、29天的上午9:00点进行翻堆，翻堆后按照五点采样法采样，保证样品代表性。鲜样储存于4℃冰箱，用于测定pH值，部分鲜样经风干，粉碎，过孔径0.1 mm筛，统一测定有机碳、全氮、全磷、全钾、种子发芽指数（GI），以及堆肥开始和结束时的重金属。

1.3.2 测定项目与方法

对于温度，每天9:00、15:00分别从堆体中心和4个边角测定温度1次，计算每个堆体的平均温度。同时测定环境温度。

对于pH值，取新鲜堆肥样品10 g（以干质量计）放入200 mL广口瓶中，按1:10（W/V）加入去离子水，25℃振荡30 min，静置1 h后，用pH计测定其pH值。

总有机碳含量采用重铬酸钾容量法测定；全氮、全磷和全钾的含量分别用凯氏定氮法、钒钼黄比色法和火焰光度法测定；有害重金属（As、Hg、Pb、Cd和Cr）测定方法及限量要求均参考《有机肥料》（NY525-2012）。

种子发芽指数（GI）按照常规方法测定，种子发芽指数（GI）=（堆肥浸提液处理的平均根长×发芽率）/（空白的平均根长×发芽率）×100%。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度和pH值的变化

在堆肥过程中，温度受C/N值影响显著。由图1可知，A3处理堆体温度升高最快，2 d达到50℃，高温维持时间为9 d，最高温度为62℃。其次为A1和A2处理，到达高温时间分别为4 d和5 d，高温维持时间均为5 d，最高温度各为54℃和56℃。有研究表明，堆体温度在55℃条件下保持3 d以上（或50℃以上保持5～7 d），是杀灭堆肥所含致病微生物和害虫卵，保证堆肥卫生指标合格和堆肥腐熟的重要条件。因此，三个处理均可达到堆肥无害化卫生标准。pH的变化是反映堆肥过程的重要参数。如图2所示，在A1处理中，堆体的pH呈先下降后升高再降低的趋势，这是由于纯猪粪结构紧实，通气性差，堆体局部微生物无氧呼吸，积累了较多有机酸，而随着堆肥的进行，有机酸逐渐分解，产生NH3，pH值开始升高，最后随着NH3的挥发，pH趋于稳定。其他处理堆体pH始终呈上升趋势，这是因为堆体在反应中快速达到高温期，此时含氮有机物被大量分解产生氨，堆体pH值逐渐上升，随着发酵的进行，有机酸不断积累，产生的氨部分被有机酸固定，部分以气体形式散发，导致pH值的回落。A3处理升温最快，高温期最长，与其pH的变化趋势是一致的。

2.2 堆肥过程种子发芽指数（GI）的变化

种子发芽指数（GI）是一种通过测试堆肥浸出液的生物毒性来评价堆肥产品无害化的有效指标。由图3可知，3个处理的种子发芽指数变化趋势基本相同，均先缓慢下降又逐渐增加，至堆肥结束后，种子发芽指数达到最大值，且A3＞A2＞A1。堆肥初期，种子发芽指数逐渐降低，这可能是由于细菌和真菌把有机物转化为小分子的有机酸或NH3，抑制了萝卜种子的发芽。高温期过后，堆肥进入腐熟期，氨类物质被固定或者挥发，有机酸被慢慢分解，而且对植物有害的病原菌也被高温杀死，因此种子发芽指数开始上升。一般认为，当种子发芽指数达到80%时，堆肥已没有植物毒性或者说堆肥已经完全腐熟，试验结果表明，A2和A3处理的堆肥经过29 d达到腐熟，而A1处理的堆肥尚未完全腐熟。

图1 C/N值对堆体温度的影响

图2 C/N值对堆体pH值的影响

图3 C/N值对堆体GI的影响

2.3 有机碳、全氮含量和碳氮比的变化

随着堆肥的进行，各处理的有机碳含量呈下降趋势，从最初的39.73%、44.48%和48.28%分别下降到31.17%、33.65%和27.72%，降幅分别为21.55%、24.35%和42.58%，A3处理的下降速率远大于A1和A2（见图4）。这是由于随着堆肥的进行，微生物大量分解有机物质，并以CO2的形式挥发损失。而在初始C/N值较低的情况下，微生物活动会因为受碳源的限制而导致分解有机物速度减缓，导致有机碳含量下降率较低。由图5可知，全氮含量则先下降后缓慢上升，由堆肥初期的3.69%、2.93%和2.31%分别降至3.41%、2.64%和1.62%，后又缓慢升至3.96%、3.46%和2.61%。这是因为在堆肥前期，温度和pH持续上升，导致氮素损失严重，但随着堆体体积和重量的减少，后期全氮相对含量上升。一般认为，当堆肥产品的C/N值接近15时，可以认为堆肥达到基本腐熟。Morel等人建议采用T=（终点C/N值）/（初始C/N值）来评价腐熟度，认为当T值小于0.6时堆肥达到腐熟[3]。由表2可知，至堆肥结束时，A1、A2处理尚未完全腐熟，A3则已完全腐熟。结合3个处理的种子发芽指数（A3＞A2＞A1），进一步证实A3处理的腐熟效果最好。

图4 C/N值对堆体有机碳的影响

图5 C/N值对堆体全氮含量的影响

表2 不同处理C/N值值的变化

2.4 堆肥过程全磷和全钾的变化

全磷含量呈上升趋势，A1、A2和A3的全磷含量分别由3.72%、2.73%、1.91%升高至4.98%、3.92%、3.25%，且含量分别提高了33.87%、43.59%和69.15%，A3处理全磷含量的增长速率远大于其他两个处理。全钾与全磷含量的变化趋势一致，A1、A2和A3的全磷含量分别由堆肥初期的2.27%、2.31%和2.29%升高至3.21%、3.31%、和3.74%，分别提高了41.42%、42.29%和63.32%。其中，A3的全磷含量最高，其次为A2，但A1和A2处理的全磷含量差异不大，因为堆体中的磷和钾绝对含量是不变的，二者也不易通过挥发等形式损失。随着堆体体积和重量的不断减少，养分“浓缩效应”发生，从而使各处理中全磷、全钾含量不断增加[4-5]。但由于堆肥效率的不同，其上升幅度是不一致的。

2.5 堆肥过程中重金属的变化

由表3可知，与初始混合物料相比，堆肥结束后各处理重金属含量均显著增加。Pb、Cr、Cd含量增长率大小顺序均为A3＞A2＞A1；Hg含量的变化顺序是A1＞A2=A3；As含量的增长情况为A3＞A1＞A2。其中，A3处理中的Pb、Cr、Cd和As含量增长均为最大，这与三个处理的堆体发酵效率基本一致。重金属含量增加的主要原因是堆体中水分、CO2挥发损失后，总重量和体积减小浓缩。发酵后的产品符合机肥料标准要求，可以进行农田施用，但仍需严格监控，避免导致严重的土壤富集污染[6-7]。

表3 堆肥始末重金属含量及限量

3 结论

试验结果表明，添加玉米秸秆更有利于猪粪堆肥的快速腐熟。A3处理的T值（（终点C/N值）/（初始C/N值））、种子发芽指数等指标均显示已完全腐熟，而A1和A2处理，尤其A1处理由于C/N值低，其碳源不足，氮源过剩，导致堆体升温慢，高温期短，微生物活性下降，堆体有机态氮难以被转化为无机态等问题，从而使堆体腐熟不完全。由于堆肥原料的元素特性，如果C/N值超过20，猪粪资源化量就太少，同时堆体氮源不足、碳源过剩会导致堆体中的秸秆难以被微生物分解，从而使堆体不能完全腐熟。总体来看，3种不同C/N值处理中，以A3处理的堆肥腐熟效果最好，因此笔者认为，C/N值为20是猪粪-玉米秸秆混合堆肥适宜的C/N值初始设定值。