条垛堆肥－蚯蚓堆肥联合处理对堆肥产品性状的影响

2019-08-30刘忠华赵帅翔刘会芳郑成娟王敬霞付增海张卫峰

中国土壤与肥料 2019年4期

刘忠华，赵帅翔，刘会芳，郑成娟，王敬霞，李伟，付增海，张卫峰*

（1．中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2．滦南县农牧局，河北唐山 063500；3．唐山海奥有机肥有限公司，河北唐山 063500）

堆肥和蚯蚓堆肥是固体有机废物生物稳定化的两个最有效的技术。而蚯蚓堆肥技术是一项有着悠久历史而又面临商业化发展的新兴技术，这项技术将蚯蚓繁殖与农业废弃物堆肥化预处理结合起来促使有机废弃物向着减量化、无害化、资源化方向转化，既利用蚯蚓特有的生理功能对有机质进行分解转化，将有机废弃物中碳、氮、磷、钾等养分转化成速效形态，更利于植物吸收，提高堆肥产品养分有效性，也通过其与环境中微生物的协同作用，增强堆肥产品微生物多样性［1-2］。

目前国内外对堆肥-蚯蚓堆肥联合处理有很多研究。张志敏［3］先进行24 d的好氧堆肥预处理，再进行60 d的蚯蚓堆肥，发现蚯蚓处理有利于提高污泥中溶解性总离子含量，蚯蚓的投放密度2.5kg/m2最合适。郑西朋等［4］先进行为期28 d的好氧堆肥，再进行28 d的蚯蚓堆肥，结果表明加入蚯蚓后，HA/FA上升速度加快，并使堆肥产品的碱解氮、有效磷和速效钾含量显著增加。程为波等［5］将传统堆肥与蚯蚓堆肥处理相结合，发现经蚯蚓处理后，物料的有机质和C/N下降较快，氨氮浓度下降至200 mg/kg左右，总磷含量和有效磷含量显著上升。刘波［6］先对物料自然堆置15 d后再接种蚯蚓，发现各物料组合中的有机碳含量、C/N和热值含量均随着时间的增加而降低，而有效磷和速效钾含量均随着时间呈上升趋势。

Lazcano等［7］研究发现，与传统堆肥相比，联合堆肥有着较低的pH值、EC值、C/N，并促进了氮的保留和磷的释放，使其更适合用于栽培基质。Kaushik等［8］指出联合堆肥显著降低了物料的C/N，而显著增加了堆肥全氮、全磷、全钾及全钙含量。Ndegwa等［9］研究认为，与蚯蚓堆肥-堆肥过程相比，堆肥-蚯蚓堆肥处理产品更加稳定并对环境影响较小。Belda等［10］研究结果表明，堆肥产品养分含量比蚯蚓堆肥产品更高，但由于其较高的EC值（2.85 mS/cm）不适宜作为育苗基质。Garg等［11］研究认为，联合堆肥增加了氮磷钾养分含量，而降低了有机碳含量和pH值。Mupondi等［12］研究表明，预堆肥处理一周对蚯蚓消解处理牛粪和废纸混合物效果较好。

但这些研究大都在实验室蚯蚓反应器或盆栽条件下做出的研究，很少或几乎没有在商业化堆肥厂中研究条垛堆肥-蚯蚓堆肥联合处理对堆肥产品性状的影响机制，而且研究指标分散，不够系统，研究结果差异较大，尚存在不确定性，具体与条垛堆肥如何配合也不清楚。因此，本研究在商业化堆肥厂中，以蘑菇渣、牛粪为材料，选取Rw促腐剂为发酵菌剂，研究条剁堆肥-蚯蚓堆肥联合处理过程堆肥的理化性质指标的变化特征及差异，为环保、经济、高效的有机废弃物处理和处置方案的制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016年4～7月在唐山市滦南县杜平坨村唐山海奥有机肥有限公司的综合生产加工区进行，牛粪、蘑菇渣用作堆肥原材料。牛粪来源于杜平坨奶牛养殖小区，蘑菇渣来源于扒齿港镇荣各庄村蘑菇种植户；试验微生物复合菌剂为Rw促腐剂；蚯蚓品种为大平二号。堆肥原料的主要成分见表1。

表1 堆肥物料初始性质

1.2 试验设计

本试验以牛粪和蘑菇渣按体积比为2∶1进行混合作为堆肥原料，然后向堆体中添加发酵菌剂-Rw促腐剂，按照促腐剂添加量标准进行添加，另外，需要调节堆体含水量，使其为50%。在此基础上，翻堆2～3次使堆肥原料混合均匀，进行条垛式堆肥堆制。堆体温度超过60℃时翻堆，温度低于60℃时每两天翻堆一次，直至堆肥结束（条垛堆肥处理）；另外，堆肥处理25 d后，进行接种蚯蚓堆制处理，蚯蚓处理按照长3 m、宽1.2 m、高10 cm铺设蚓床，每立方米体积的发酵物料添加蚯蚓12.5kg，蚯蚓堆置处理时间为80 d，为保证蚯蚓正常生长所需环境湿度（60%～70%水分含量），对试验处理定期进行浇水（条垛堆肥-蚯蚓堆肥联合处理）。试验设置4个重复。

1.3 采样方法

分别于堆肥的第1、3、7、11、18、25、70 d，采用多点随机的方法取样，每次取样量为500 g，混合均匀后平均分成2份。其中一份进行风干，之后粉碎、过筛，以测定有机质、全氮、全磷、全钾含量，另一份放入保鲜袋中并储存在4℃冰箱中备用，以测定水分含量、pH值、EC值、铵态氮、硝态氮和种子发芽指数。

1.4 测定方法

含水量测定:采用烘干法测定。取干净且烘干的铝盒，称取10 g鲜样放入铝盒中，并置于烘箱内，于105℃下烘干24 h后取出，记录数据计算出含水量。

温度测定:于每天的9:00和15:00测定堆体温度，将测得的温度的算数平均值作为当天的堆体温度，并记录环境温度。

pH值与EC值测定:将新鲜样品与去离子水按 1∶10（W∶V）的比例混合，在室温下用振荡器振荡混合液30 min，然后静置30 min。过滤上清液，分别使用pH计和电导率仪测定上清液的 pH值和EC值。

种子发芽指数（GI）测定:将新鲜的堆肥样品与去离子水按1∶10（W/V）比例混合，并在室温下振荡2 h，上清液过滤后待用。将适当大小的滤纸放入干净无菌的培养皿中，然后将10粒饱满的小白菜种子整齐地放在滤纸上。吸取5 mL滤液，放入培养皿中，并将培养皿于培养箱中培养48 h，培养条件:温度 25℃、黑暗环境。同时用去离子水做空白对照。培养完成后，测定种子的发芽率和根长。种子发芽指数 GI（%）=（堆肥样品的种子发芽率×种子根长）/（对照处理的种子发芽率×对照种子根长）×100。

全氮、全磷、全钾测定:取烘干过筛样，采用H2SO4-H2O2消化后，全氮用凯氏定氮仪测定，全磷采用钒钼黄比色法测定，全钾采用火焰光度法测定。

有机质测定:采用重铬酸钾-外加热法测定。

铵态氮、硝态氮测定:将新鲜样品与2 mol/L的KCl溶液按1∶10（W∶V）比例混合。在室温下用振荡器振荡30 min，然后静置30 min，过滤上清液，用流动分析仪测定。

T值计算方法:T=（终点C/N）/（初始C/N）

总碳量、总氮量、总磷量和总钾量:依据堆体总质量和有机碳、全氮、全磷、全钾所占的质量百分比计算得出。

1.5 数据处理

数据处理采用Excel 2016、SPSS 22.0软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 堆体温度的变化

有机肥的发酵是有机物在微生物的作用下产生大量热量的过程，这个过程中堆体温度逐步升高。GB 7959-87指出堆肥发酵过程必须在55℃以上条件下持续3 d以上或在 50℃以上条件下持续5～7 d，这是堆肥是否达到腐熟的重要条件［13］。

图1是堆肥预处理期间温度的变化情况。处理在50℃以上的持续时间为16 d，在55℃以上的持续时间为10 d，符合粪便无害化卫生标准的高温天数要求［13］。由图1可知，处理在第25 d温度降到50℃以下，且高温阶段能将虫卵、病原菌等有害物质杀灭，有毒有害气体逸出，可以进行后期蚯蚓堆制处理。郑金伟［14］研究奶牛粪蚯蚓堆制物的特性及其对生菜生长和品质的影响时，也是先将奶牛粪预堆肥15 d后（经过升温-高温阶段），再进行后期蚯蚓堆制处理。

图1 高温发酵阶段堆体温度随时间的变化

2.2 堆体有机质含量的变化

在堆肥过程中，有机质是微生物能量获取来源的重要物质，适宜的有机质含量是堆肥过程正常进行的重要保证［15］。

图2是条垛堆肥-蚯蚓堆肥联合堆肥过程中堆体有机质含量变化情况。由图2可知，蚯蚓堆肥处理前堆肥有机质含量与初始物料相比，显著降低31.0%（P＜0.05）；蚯蚓处理后有机质被进一步分解而降低7.0%，但蚯蚓处理前后有机质含量差异不显著。最终堆肥产品与初始相比，有机质含量降低了35.9%。郑金伟［14］在接种蚯蚓堆制处理牛粪的研究中发现，经过15 d预堆制和45 d蚯蚓堆制处理，有机碳含量降低了24.7%；吕振宇［16］用经过预堆制处理的玉米稻秆和鸡粪养殖蚯蚓，发现有机质含量在物料完全转化为蚯蚓粪时降低了21.9%。本研究堆肥有机质含量大幅下降出现在条垛堆肥期间，微生物活动剧烈，因此有机质被大量分解，下降较多。

图2 堆肥过程中有机质含量的变化

图3是堆体总碳量的损失情况。蚯蚓处理之前，处理总碳量降低了54.7%，蚯蚓处理后，总碳量进一步降低21.6%。与初始相比，堆体总碳量降低64.5%。

图3 堆肥过程中总碳量的变化

2.3 堆体全氮含量的变化

堆肥过程中，全氮含量是影响微生物活动的一个重要因素。氮的形态在堆肥过程中有3种:总氮、有机氮和无机氮，氮的含量与氮素矿化、氨的挥发和反硝化密切相关。最终堆肥产品的利用价值与氮的含量及其形态的变化密切相关。

图4为条垛堆肥-蚯蚓堆肥联合堆肥过程中堆体全氮含量的变化动态。由图4可知，蚯蚓处理之前堆肥全氮含量逐渐降低，降低21.2%，蚯蚓处理之后堆肥全氮含量增加13.2%。最终堆肥产品与初始相比，全氮含量降低了10.8%。全氮含量在接种蚯蚓之前逐渐降低，可能是因为过量的氮素在堆肥初期随着温度、pH值的升高而出现了一定的损失。蚯蚓处理之后堆肥全氮含量增加，可能是由于堆体的总体质量下降，出现的浓缩效应，同时蚯蚓活动过程使有机氮转变成硝态氮保留在基质中［17］，以及蚯蚓自身分泌富氮排泄物引起氮含量的增加［18］，另外，pH值降低减缓了氮的损失，也是氮保留的重要因素［19］。

图4 堆肥过程中全氮含量的变化

图5是堆体总氮量的损失情况。蚯蚓处理之前，总氮量降低了44.1%，蚯蚓处理后，总氮量进一步降低11.7%。与初始相比，堆体总氮量降低50.6%。

图5 堆肥过程中总氮量的变化

2.4 堆体铵态氮含量和硝态氮含量的变化

堆肥过程中，氨化细菌和硝化细菌的活性、微生物的活动、pH值以及堆体的温度影响着铵态氮含量的变化［20-21］。

研究表明，堆肥腐熟时NH4+-N的含量应小于400 mg/kg［22-23］。另外，NH4+-N/ NO3--N 也是堆肥腐熟重要的评价指标，Bernai等［22］认为堆肥已经完全腐熟时，NH4+-N/ NO3--N的比值应低于0.16。

图6为条垛堆肥-蚯蚓堆肥联合堆肥过程中堆体NH4+-N、NO3--N含量及NH4+-N/ NO3--N变化动态。蚯蚓处理之前堆肥NH4+-N含量呈现先上升后下降的趋势，但其含量与初始相比没变化，蚯蚓处理之后堆肥NH4+-N含量降低2.7%，是因为蚯蚓处理期间氨挥发依然存在，但蚯蚓处理前后堆体NH4+-N含量差异不显著。最终堆肥产品与初始相比，NH4+-N含量降低2.7%。且最终处理NH4+-N含量小于400 mg/kg，符合堆肥腐熟标准。

图6 堆肥过程中NH4+－N、 NO3－－N 含量及NH4+－N/ NO3--N的变化

蚯蚓处理之前堆肥NO3--N含量显著增加（P＜0.05），增加1 116.3%，蚯蚓处理之后堆肥NO3--N含量增加14.0%，是因为蚯蚓的活动改善了牛粪堆内的氧气供应状况，牛粪中的硝化细菌大量繁殖，使NH4+与 NO3-之间的平衡向 NO3-进行，但蚯蚓处理前后堆体NO3--N含量差异不显著。最终堆肥产品与初始相比，NO3--N含量增加1 286.1%。

蚯蚓处理之前NH4+-N/ NO3--N呈现下降-上升-下降的趋势，NH4+-N/ NO3--N降低91.8%，为0.11，蚯蚓处理之后，NH4+-N/ NO3--N继续降低，降低14.2%，为0.09，最终，处理NH4+-N/ NO3--N下降93.0%，且低于0.16，符合堆肥腐熟标准。

2.5 堆体C/N的变化

C/N值是一种比较传统的指标，经常作为评价堆肥腐熟度的一个经典参数。一般的C/N从最初的25～30或更高降低到15～20，表示堆肥己腐熟，达到稳定的程度。在堆肥混合原料最初的C/N＞25的情况下，固相C/N作为腐熟度指标得到了很好的应用，但对堆肥混合原料的C/N值较低的情况，就不太适合。张鸣等［24］建议采用:T=（终点C/N）/（初始C/N）评价腐熟度。他们收集并分析了的许多数据，认为当T值小于0.6时堆肥达到腐熟。本试验初始物料C/N较低，因此需要采用T值来评价堆肥的腐熟度。

如图7所示，蚯蚓处理前堆肥T值为0.64，不符合堆肥腐熟要求，而蚯蚓处理之后T值为0.58，表明经过蚯蚓处理后，堆肥更加稳定。

图7 蚯蚓处理前后T值的变化

2.6 堆体全磷含量和全钾含量的变化

在堆肥过程中由于有机质的分解，氨气和氧化亚氮等挥发，堆料体积和重量不断减少，而磷、钾不会通过挥发等形式损失，由于养分的“浓缩效应”［25］，全磷、全钾含量随堆肥过程增加［26］。

图8为条垛堆肥-蚯蚓堆肥联合堆肥过程中堆体全磷、全钾含量的变化动态。由图8可知，蚯蚓处理之前堆肥全磷、全钾含量显著增加（P＜0.05），分别增加11.3%、18.4%，蚯蚓处理之后堆肥全磷含量继续增加，显著增加4.9%（P＜0.05），而堆肥全钾含量显著降低（P＜0.05），降低80.9%。最终堆肥产品与初始相比，全磷含量增加16.8%，全钾含量降低77.4%。堆肥全钾含量经过蚯蚓处理后降低，这与柏彦超等［27］、Orozco等［28］研究结果一致，可能是由于过量浇水而使钾元素从基质中沥出了，Benitez等［29］就曾收集过蚯蚓堆肥期间的沥出液，分析发现其中含钾量很高，而且可以用作农业生产中的优质钾肥。

图8 堆肥过程中全磷、全钾含量的变化

图9为条垛堆肥-蚯蚓堆肥联合堆肥过程中堆体总磷量、总钾量的变化动态。蚯蚓处理之前，处理总磷量、总钾量分别降低了17.4%、22.4%，这是因为:（1）翻抛过程中位于最底层的物料翻抛不到，造成损失；（2）翻抛过程中，堆体一些物料会被翻抛到堆体之外。蚯蚓处理后，总磷量、总钾量进一步降低，分别降低2.5%、83.8%，这可能是因为蚯蚓粪装袋时，与地面接触的一些蚯蚓粪损失了，以及过量浇水导致的钾素损失。与初始相比，堆体总磷量、总钾量分别降低19.5%、87.4%。

图9 堆肥过程中总磷、总钾量的变化

2.7 堆体pH值的变化

堆肥过程中pH值的变化是含碳有机物所产生有机酸和含氮有机物所产生的氨以及蛋白质共同作用的结果［30］。堆肥初始，有机物料分解产生大量的NH4+-N，这时pH值较高。堆肥后期，有机物料降解产生大量有机酸，NH4+-N逐渐被微生物利用，一部分以NH3形式挥发，导致堆体pH值下降。腐熟的堆肥一般呈弱碱性，pH值在8～9［31］。

图10为条垛堆肥-蚯蚓堆肥联合堆肥过程中堆体pH值的变化动态。蚯蚓处理之前，堆肥pH值显著下降（P＜0.05），降低2.5%，蚯蚓处理之后pH值又显著降低（P＜0.05），降低10.4%。与初始相比，堆肥pH值下降12.6%。最终堆肥pH值在8～9之间，符合堆肥腐熟度的要求。

图10 堆肥过程中pH值的变化

蚯蚓处理之后，堆体pH值进一步下降，可能是由于以下原因:（1）物料内的氨气继续向外排放；（2）物料中的N和P被高度矿化为硝酸盐、亚硝酸盐和正磷酸盐［32］；（3）物料的供氧状况由于蚯蚓的活动得到了改善，使得硝化细菌活性增强并大量繁殖，NH4+向NO3-转化；（4）蚯蚓食道的钙腺的分泌物起到中和有机酸的作用，能够改善蚯蚓体内酸碱状况，使得蚯蚓堆肥产物-蚯蚓粪的pH值趋于中性［33］；（5）蚯蚓活动产生了多种有机酸，能起到中和碱性的作用。

2.8 堆体EC值的变化

溶液导电能力的大小可以由电导率（EC）的大小来表示，而反映溶液中电解质浓度的EC值的大小，能够表示出有机物料的水溶性盐含量。EC值越高，有机物料中电解质浓度越高，农用时，其可能会抑制作物的生长。堆肥过程中EC值受盐分、水分、有机物含量和孔隙等的影响。通常认为，EC值小于9 000 μ S/cm时堆肥腐熟［34］。整个堆肥过程中各处理的电导率值介于0.5～1.7 mS/cm，均小于9.0 mS/cm，符合堆肥无害化处理的要求。

图11为条垛堆肥-蚯蚓堆肥联合堆肥过程中堆体EC值的变化动态。蚯蚓处理之前，堆肥EC值显著增加（P＜0.05），增加34.2%，蚯蚓处理之后EC值又显著降低（P＜0.05），降低67.3%。与初始相比，EC值降低56.1%。研究表明［35］，蚯蚓堆制处理有利于提高堆肥中溶解性离子含量。在该试验中，蚯蚓处理之后，各处理EC值明显降低有几个原因［36］:（1）由于过量浇水而使溶解性离子从基质中沥出；（2）可溶性离子被微生物和蚯蚓所固定；（3）盐分离子以不溶性盐的形式沉淀。整个堆肥过程中各处理的电导率值介于0.5～1.7 mS/cm，均小于9.0 mS/cm，符合堆肥无害化处理的要求。

图11 堆肥过程中EC值的变化

2.9 堆肥后种子发芽指数比较

最具说服力和现实意义的腐熟度评价方法便是植物毒性检验的方法。理论上，GI需要达到100%，但在实际应用中，GI达到80%～85%时表明堆肥达到腐熟。

如图12所示，在蚯蚓处理前种子发芽指数为82.6%，蚯蚓处理之后种子发芽指数显著增加，为90.6%，增加9.7%，表明经过蚯蚓处理之后堆肥毒性显著降低，这可能是因为蚯蚓的活动协调了NH4+-N/ NO3--N，优化了pH值，并进一步降低了EC值。

图12 蚯蚓处理前后种子发芽指数对比

3 讨论

本研究在商业化生产尺度上对条剁堆肥—蚯蚓堆肥联合处理下的有机物产品性状的影响进行了探索。研究结果表明，条剁堆肥—蚯蚓堆肥联合处理是一种有机固体废弃物有效处理方法，联合堆肥最终产品性状（pH值、EC值、种子发芽指数、NH4+-N、NH4+-N/ NO3--N、T值）符合相关有机物料腐熟要求。更为重要的是，由于堆肥过程中引入蚯蚓生物处理环节，通过蚯蚓自身生物活动协调了堆肥产品中的铵硝比（NH4+-N/ NO3--N），降低了盐分浓度（EC值），并优化了pH值，使得堆肥产品养分价值大幅增加。这与仓龙等［37］、柏彦超等［27］、郑金伟［14］的研究结果一致。

也可以看出，在蚯蚓堆肥环节，由于要维持蚯蚓正常生长所需环境湿度，向堆肥表面喷施了大量水，堆肥养分例如钾养分被大量淋洗掉，堆肥产量养分总量有一定程度减少，这也是堆肥EC值减少的原因。Fornes等［38］研究发现，单独传统堆肥处理EC值高的主要原因是其中含有大量的K+、SO42-，而单独蚯蚓堆肥处理以及联合处理能够显著降低这些离子含量，因此显著地降低了堆肥的EC值，而EC值的减少使其更适宜作为育苗基质的材料，相反由于单独传统堆肥处理EC值较高，作为育苗基质会对作物的生长和品质产生有害的影响。当然，在商业化生产过程中，为了减少成本以及便于操作，需要对蚯蚓堆肥环节所需的合理水分使用量进行估计，但多数情况下，商业操作偏向过量用水。在实际生产过程中，可以用PVC多孔管控制用水量。因此后续研究中可进一步对蚯蚓堆肥环节的科学用水量进行探究。另外，也可将过量灌水带来的浸出液进行末端处理和应用。

本试验初始物料的C/N较低，pH值较高，会对微生物的活动产生一定的限制，因此高温期持续时间较长，增加了联合堆肥的时间，后续研究中可以调整初始物料的C/N以及pH值，缩短联合堆肥处理时间，提高有机废弃物处理效率。另外，本研究没有在蚯蚓堆肥期间进行取样分析以及对蚯蚓的生长、繁殖情况进行分析，在以后的研究中，可以将这两部分添加上，依此，也可以确定蚯蚓堆肥的结束时间点，以减少浇水等所需要的成本。