养猪发酵床熟化垫料组分及重金属含量评估

2019-07-22张霞刘蓓一李健

江苏农业科学 2019年11期

张霞刘蓓一李健

摘要：为评价猪发酵床废弃垫料的资源化利用价值及潜力，测定4种使用了3～4年的猪发酵床废弃垫料的基本理化性质、盐分及重金属含量等指标。结果表明，垫料富含有机质及氮磷钾营养物质，有机质含量在37.11%～50.73% 之间，全氮含量为13.62～18.99 mg/g，全磷（P2O5）含量为23.04～55.32 mg/g，全钾（K2O）含量为40.37～51.74 mg/g，且部分垫料之间差异显著。总腐殖酸含量较高，在35.36～43.60 g/kg之间。废弃垫料pH值在6.72～7.58 之间，电导率为1.06～2.60 mS/cm，可溶性总盐含量为1.28%～3.77%，电导率、可溶性总盐含量及Na+、NO3+-N含量不同垫料间差异显著，电导率与无机氮含量、可溶性总盐含量呈极显著正相关，pH值与NO3+-N含量、可溶性总盐含量呈极显著负相关。垫料Cr、Cd、Pb含量均低于有机肥料农业行业标准（NY 884—2012《生物有机肥》）的要求;菌糠垫料As元素含量高于有机肥农业行业标准（As含量≤15 mg/kg）。Cu、Zn含量超过了《农用污泥中污染物控制标准》（GB 4284—1984）控制范围。总之，使用了 3～4年的废弃垫料有机质、氮、磷、钾、腐殖酸含量丰富，盐含量相对较高，超标的重金属以Cu、Zn、As为主。

关键词：养猪发酵床;垫料;资源化利用;养分;重金属

中图分类号： X713 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）11-0302-04

发酵床养猪技术是基于控制畜禽粪便排放与污染的一种养殖模式，主要是将锯末、稻壳等材料接种生物菌种堆积发酵后用作垫料，在厚的垫料上养猪，使粪污分解产生的臭味物质转化为菌体固定下来，达到降低养殖舍内有害气体浓度、减少养殖污染排放的目的[1-3]。发酵床养殖技术减少了现代养殖方式中水冲圈产生的大量污水对环境的污染，改善了饲养环境，在农业生态循环技术中起着重要的作用[4]。

近年来生物发酵床养殖技术逐渐发展起来，并在全国大力推广。但是垫料在使用一定年限后便因为各种原因（如垫料理化性质、微生物发酵菌群以及病原微生物等）导致处理粪便的能力及饲养效果下降，须要进行更新。作为有机肥还田是废弃垫料资源化利用的主要途径，而废弃垫料作有机肥利用的可行性研究相对较少，且主要集中在以稻壳与木屑为原料的垫料[5-10]。

笔者所在研究团队自2010年开始进行猪发酵床生态养殖研究，2010—2011年使用的垫料经过3～4年的连续养殖后，已不再适合继续进行养殖。本研究对这些已连续使用 3～4年的由不同原料构成的废弃垫料进行研究，探讨废弃垫料基本理化特性、重金属元素含量等指标的变化，从而对废弃垫料作有机肥的适宜性及安全性进行评价，以期为合理的资源化利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

样品采集自江苏省农业科学院六合动物科学基地猪发酵床养殖场。本试验采用使用3～4年的废弃垫料（60%稻壳+40%木屑垫料，简称稻壳垫料;60%酒糟+40%木屑垫料，简称酒糟垫料;60%菌糠+40%木屑垫料，简称菌糠垫料;60%棉花秸秆+20%稻殼+20%木屑垫料，简称棉花秸秆垫料），共4栏。取样时每一栏发酵床内取5点，垫料约50 cm厚，分上下2层，每层5点的样品混合后作为该样的混合样品装于自封袋内。取回的垫料样品，放于60 ℃烘箱烘至恒质量，用小型高速粉碎机粉碎后贮存备用。

1.2 测定方法

1.2.1 基本理化性质的测定（1）有机质含量采用重铬酸钾法测定。（2）垫料腐殖酸含量采用焦磷酸钠-氢氧化钠溶液提取法和重铬酸钾法测定。（3）pH值及电导率：用水浸提鲜样，固液比为1 g ∶ 10 mL，用Mettler Toledo FiveEasy Plus型pH计测定pH值，用EC215 Conductivity Meter电导率仪测定电导率。（4）全氮（TN）含量采用凯氏定氮法测定。（5）全磷（TP）含量采用钼黄比色法测定。（6）铵态氮、亚硝态氮和硝态氮含量：用2 mol/L的KCl溶液浸提，固液比为 1 g ∶ 10 mL，用流动分析仪测定。（7）可溶性总盐含量：用重量法测定水溶性盐分总量。

1.2.2 重金属的测定重金属元素Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb以及K元素采用硝酸 ∶ 高氯酸=4 ∶ 1在130～200 ℃条件下消煮，采用ICP-MS电感耦合等离子体质谱仪感应耦合等离子体质谱仪测定。

1.3 数据分析

数据采用Excel软件整理，方差分析采用SAS 8.1软件进行分析，多重比较采用LSD法，采用Excel软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同废弃垫料有机质含量、腐殖酸含量及氮、磷、钾含量

由表1可知，在4种垫料中，稻壳垫料灰分含量最低，对应的有机质含量最高，菌糠垫料灰分含量最高，有机质含量最低。上层垫料灰分均低于下层垫料，有机质高于下层。总腐殖酸含量在34.10～43.60 g/kg之间，酒糟垫料总腐殖酸含量显著低于稻壳垫料、菌糠垫料，稻壳垫料含量最高，酒糟垫料最低;酒糟、菌糠与棉花秸秆上层垫料的总腐殖酸含量均高于下层垫料。全氮含量为13.62～18.99 mg/g，稻壳垫料显著高于其他3种垫料，菌糠垫料显著低于其他3种垫料，而酒糟垫料与棉花秸秆垫料二者含量差异不显著。P2O5含量为 23.04～55.32 mg/g，上层垫料高于下层，稻壳与酒糟垫料含量显著高于菌糠与棉花秸秆垫料，棉花秸秆磷含量显著低于其他3种垫料。K2O含量为40.37～51.74 mg/g，酒糟垫料钾含量最高且上下层垫料钾含量差异不大，其他3种垫料均为下层垫料钾含量较高。

2.2 不同废弃垫料无机氮含量、pH值、电导率及含盐量

由表2可知，4种垫料pH值均为中性偏碱，稻壳垫料下层pH值最低。电导率为1.06～2.60 mS/cm，稻壳垫料最高且显著高于其他3种垫料，棉花秸秆垫料最低，上层垫料电导率高于下层;可溶性总盐含量在1.28%～3.77%之间，稻壳垫料含量显著高于菌糠与棉花秸秆垫料。Na+离子含量在 1.05～2.90 mg/g之间，棉花秸秆垫料含量显著低于稻壳与酒糟垫料。硝态氮含量平均值在0.13～2.70 mg/g之间，稻壳垫料最高且下层略高于上层，棉花秸秆垫料最低，酒糟、菌糠与棉花秸秆垫料上层均略高于下层;铵态氮含量平均值在0.13～0.30 mg/g 之间，不同垫料之间差异不显著，稻壳垫料最高，酒糟垫料最低。相关分析（分析结果未列成表格）表明，垫料电导率与NO3+-N含量（r2=0.89，df=23）、NH4+-N含量（r2=0.91，df=23）可溶性总盐（r2=0.96，df=23）呈极显著正相关，pH值与NO3+-N含量（r2=-0.69，df=23）、可溶性总盐（r2=-0.62，df=23）呈极显著负相关。

2.3 不同废弃垫料重金属元素含量

由表3可知，不同垫料金属元素Cr、Cd、Pb含量均远低于有机肥料农业行业标准的要求。菌糠垫料As含量略高于有机肥农业行业标准的要求。有机肥行业标准对Cu、Zn含量没有要求，但它们的含量超过了《农用污泥中污染物控制标准》（GB 4284—1984）的要求。同一元素，部分垫料之间含量差异显著，稻壳垫料金属元素含量最低，且Cr、Cu、Zn含量显著低于其他3种垫料。上层垫料的As、Cd、Pb元素含量均低于下层垫料;上层垫料Zn元素含量均高于下层垫料，Cu元素在上下层垫料间在差异较小且规律不一致。

3 讨论

3.1 废弃垫料有机质及氮、磷、钾等主要营养成分

有机质及氮、磷、钾等是有机肥的主要营养成分，有机肥农业标准NY 848—2012《生物有机肥》规定：有机肥有机质含量≥40%，氮磷钾总含量≥5%。本研究表明，废弃垫料有机质含量在 37.11%～50.73%之间，全氮含量为13.62～18.99 mg/g，全磷（P2O5）含量为23.04～55.32 mg/g，全钾（K2O）含量为 40.37～51.74 mg/g，且部分垫料之间差异显著。菌糠垫料有机质含量略低于40%，其他3种垫料有机质含量均符合有机肥农业标准（NY 848—2012《生物有机肥》）的要求。整体上，氮磷钾总量均大于5%，符合农业有机肥标准（NY 525—2012《有机肥料》）的要求，此结果与国内对废弃垫料营养成分的研究结果[5，10-12]相符。垫料使用年限为3～4年，垫料全氮含量并不高（13～18 mg/g），这可能是由于在发酵床养殖期间垫料氮素损失引起的。

3.2 废弃垫料无机氮含量、pH值、电导率及盐分含量

土壤次生盐渍化成为影响农业可持续发展的重要障碍因子之一[13-14]。尽管施用有机肥在一定程度上可以减轻土壤次生盐渍化，但现在畜禽有机肥也含有较高的盐分，施用畜禽粪肥对露天种植的土壤次生盐渍化没有显著影响，而对温室土壤影响较大[13-16]。饲料中大量使用的添加剂应是畜禽粪便中盐分的重要来源之一，食盐、磷酸盐、膨润土、稀土沸石等矿物质饲料、非蛋白质氮（如尿素）等添加剂最终均有可能通过动物的消化排泄系统进入畜禽粪便[17-18]。粪尿中的无机盐在垫料中累积，长期使用垫料存在盐渍化的风险[4]。本研究结果表明，垫料pH值多为中性偏碱（6.72～7.58）标准要求，与国内对废弃垫料pH值检测结果[5，12，19-21]相符。电导率为1.06～2.60 mS/cm，与胡海燕等的研究结果（8.14～16.06 mS/cm）[5]相比较低。可溶性总盐含量在1.28%～3.77% 之间，此研究结果与朱洪等的研究中使用2～4年的垫料可溶性盐含量（1.5%～3.5%和 2.22%～4.57%）[4-5]均相一致。从pH值、电导率以及可溶液性盐含量可知，经过长期使用的垫料盐渍化较高，作有机肥使用时应考虑其盐分，防止长期大量使用引起土壤次生盐渍化。

3.3 废弃垫料重金属元素含量

大量促进动物生长发育的饲料添加剂、预混剂的广泛使用，使畜禽粪便的盐分含量较高，另外由于畜禽对微量重金属元素吸收利用率较低，重金属元素大部分通过粪便排到体外。而垫料中重金属含量将直接影响到垫料作为有机肥使用时对环境的污染以及能否资源化利用。研究表明，使用3～4年的不同废弃垫料Cr、Cd、Pb含量均低于有机肥料农业行业标准（NY 884—2012）的要求;菌糠垫料As元素含量高于有机肥农业行业标准（As含量≤15 mg/kg），稻壳、酒糟及棉花秸秆垫料As含量均低于有机肥农业行业标准规定。这些结果与笔者所在研究团队以前的研究结果[8，22]一致。有机肥行业标准对Cu、Zn含量没有硬性要求，但超过了农用污泥中污染物的控制标准（GB 4284—1984，酸性土壤Cu含量≤250 mg/kg、Zn含量≤500 mg/kg，碱性土壤Cu含量 ≤500 mg/kg、Zn含量≤1 000 mg/kg），这一结果高于笔者所在研究团队前期的研究结果[8]。本试验所用垫料均有3年或4年使用时间，相对来说垫料使用时间较长，另一方面由于猪饲养期间饲料内Cu、Zn添加量较高，从而引起垫料内Cu、Zn含量超标[23]。郭彤等研究认为，只要饲料中重金属含量控制在国家规定的范围内，且发酵床管理好，定期深翻垫料或更换新的垫料和发酵菌种（尤其是粪尿区），重金属就不会超标，不會污染环境[22]。

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