不同碳氮比对烟梗与牛粪堆肥过程的影响

韩相龙 吴薇 赵鹏博 韦成才 袁帅 李司童 毛凯伦 牛改利 张立新

摘要：为寻求废弃烟梗资源化利用新途径，开发烟梗和牛粪混合堆肥生产有机肥技术，采用烟梗和牛粪为原材料进行好氧堆肥发酵试验，设置3个碳氮比梯度（25 ∶1、22 ∶1、19 ∶1），研究其对堆肥发酵温度、含水率、pH值、种子发芽指数（germination index，简称GI）等理化指标和堆肥产品肥效指标的影响，探索烟梗与牛粪高温堆肥最适C/N。结果表明，适宜的烟梗与牛粪混合比例堆肥有利于加快堆肥腐熟和提高产品矿质养分含量，碳氮比为22 ∶1时，堆肥产品的种子发芽指数最高达121.3%，全氮、全磷、全钾等营养元素含量较其他处理高，堆肥综合效果最好。

关键词：堆肥;牛粪;烟梗;碳氮比有机肥;发酵

中图分类号： X71;S141.4  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）16-0303-05

收稿日期：2018-04-25

基金项目：公益性行业（农业）科研专项（编号：201303104）;秦巴烟田土壤保育及化肥减施增效技术集成与示范（编号：SXYC-2016-KJ-02）;秦巴烟叶品质与香气评价及影响因素研究（编号：JS-FW-2016-001）。

作者简介：韩相龙（1995—），男，河南扶沟人，硕士研究生，主要从事农业废弃物资源化利用研究。

通信作者：张立新，博士，教授，博士生导师，主要从事植物营养和资源利用研究。

我国畜禽粪便资源丰富，而对其无害化处理和资源化利用的技术尚未普及，资源浪费和环境污染现象严重[1]。畜禽粪便相比无机化肥来说富含有机质和有益微生物，经发酵制作的生物有机肥营养丰富，能够有效改善土壤状况，提高土壤肥力，进而提高农作物品质[2-3]。我国是卷烟生产消费大国，烟梗是卷烟生产中产生的副产物，约占烟叶总质量20%～30%，每年产生的烟梗肥料高达数十万t，如果不能合理利用，不仅浪费仓储资源，而且污染环境[3-4]。前人对烟梗废弃物资源化利用进行了大量研究，付兵等利用烟梗热解气化生产生物炭[5];肖春菊等采用介质溶液，将烟梗等烟草废弃物制成烟草薄片，提高烟草废弃物的重复利用率[6]。但目前烟草废弃物转化烟草薄片技术尚处于初级水平，生产工艺水平及产品质量相对较低，废弃物利用率仅在50%左右[7]。

烟梗与牛粪均含有丰富有机质，且牛粪中含有大量有益微生物，烟梗中含有的烟碱对某些病虫害有防治作用[8]。纯烟梗堆肥存在原料孔隙度小、分解速度慢、发酵周期较长等问题，而烟梗牛粪混合堆肥可以提高堆肥物料的孔隙度和缩短堆肥周期[3]。牛粪孔隙度相对较大且富含有益微生物，烟梗与牛粪混合堆肥可有效增大堆肥物料孔隙度、增加微生物数量、加快物料的腐熟和缩短堆肥周期。

碳氮比（C/N）是最常用于评价腐熟度的参数，如何利用不同原料调配合适C/N，加快堆肥腐熟和阐明增效机制，对促进禽畜粪便和烟梗等有机废弃物资源化利用具有战略意义[9]。本研究通过分析不同碳氮比下烟梗与牛粪堆肥的腐解进程，筛选出烟梗与牛粪混合堆肥的最佳碳氮比，为实现烟梗与牛粪高效堆肥和工厂化生产提供理论依据和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2016年在陕西省杨凌示范区西北农林科技大学北校区温室中进行。牛粪由陕西省杨凌示范区良种奶牛繁育中心提供;烟梗末由陕西中烟工业有限责任公司宝鸡卷烟厂提供，粒度直径为0.2～0.5 cm，长0.2～2.0 cm;EM菌剂由河南省恒隆态生物工程股份有限公司提供，有效活菌数 0.5亿CFU/g，用量为0.5%。堆肥装置为笔者所在实验室自制，有效容积为600 L，供氧装置固定通气量为 3.5 L/min。烟梗与牛粪的基本理化性质见表1。

1.2 試验设计

试验设3个处理，分别为T25（碳氮比为25 ∶1）、T22（碳氮比为 22 ∶1）、T19（碳氮比为19 ∶1），根据原料C、N含量将烟梗和牛粪按比例混合均匀，每处理设3个重复，含水率统一调整到60%左右。物料按比例混合时，将EM菌剂均匀喷洒到原料中，然后转移至发酵装置中，采用好氧发酵方式，每天通气12 h，每5 d翻料1次，当温度稳定在室温不再变化时视为堆肥终止，最终发酵周期为45 d。试验处理详见表2。

1.3 样品采集与分析方法

于堆肥0、5、10、17、24、31、45 d采用五点法取样，混匀后分为2份，一份风干粉碎过1 mm筛，用于全碳、全氮、全磷、全钾及有机质含量的测定，另一份用于含水率、pH值、种子发芽指数的测定。

物料温度：采用水银温度计测量，每日分别测量发酵箱中物料上、中、下部的温度，取平均值，同时记录环境温度。含水率：新鲜样品称质量后，在温度为105 ℃条件下烘干至恒质量，则含水率=（鲜质量-干质量）/鲜质量×100%。pH值：采用pH测定仪（OHAUS STARTER 2100）测定[10]。有机质、全碳含量采用灰化法和重铬酸钾法测定[11]，全氮含量测定采用流动分析仪（德国SEAL公司生产，型号：AA3），全钾含量测定采用火焰原子吸收光度计（英国Sherwood公司生产，型号：M410）;全磷含量采用钼锑抗比色法测定[10]。种子发芽指数（germination index，简称GI）采用Sharpley等的方法测定[12]称取堆肥样品3 g按照1 g ∶10 mL加入蒸馏水中，离心后取5 mL上清液加入底部覆滤纸的玻璃培养皿中，取10粒青菜种子置于其中，摆放整齐，同时以清水作对照，在黑暗培养箱中培养48 h进行种子发芽率及根长测量，则GI=（试验组种子发芽率×种子根长）/（对照组种子发芽率×种子根长）×100%。

1.4 数据处理

采用Excel 2013对试验数据进行初步整理，SPSS 23.0进行单因素方差分析。

2 結果与分析

2.1 堆肥过程中物料气味、颜色变化

由表3可知，T22处理较T19、T25处理出现霉菌较早，恶臭味和氨味消失较快，颜色转为黑褐色较快，说明碳氮比为22 ∶1可以加快烟梗和牛粪混合堆肥进程，对提升烟梗和牛粪混合发酵的感官品质具有明显效果。

2.2 堆肥过程中物料温度和含水率的变化

温度能直观反映堆肥过程中微生物活性变化、有机质分解的速度和原料的腐殖化程度[13]。由图1可知，堆肥物料存在升温期、高温期、降温期、稳定期等4个阶段。由于微生物大量繁殖和分解代谢，堆体迅速升温，而随着有机质的消耗和微生物数量的减少，温度下降最终趋于环境温度[14]。T25、T22、T19处理升温时间都在堆肥3d左右，50 ℃以上高温存在时间分别为8、16、12 d，60 ℃以上分别存在0、7、5 d。从高温保持时间来看，T22、T19处理达到了无害化标准，T25处理未达到无害化标准。与T25、T19处理相比，T22处理最高温度分别高18.4%、5.6%，且高温（>50 ℃）存在时间最长，共16 d，达到了无害化标准[15]，T25处理高温存在时间最短，最高温度为58 ℃，说明22 ∶1的碳氮比可以明显提高堆肥中最高温度和增加高温时间，缩短发酵周期。

适宜的含水率是保持微生物最佳活性和物料含氧量的必要条件，对于物料的腐熟具有重要作用[16]。由图2可知，随发酵的进行，T22、T19处理含水率变化趋势表现为先升高后下降再升高，而T25处理含水率变化相对平缓，总体趋势呈先升后下降。堆肥结束时，T25处理含水率较初始值无明显变化，可能由于T25处理烟梗比例过高，导致微生物较少，对物料分解不彻底。T22、T19处理的含水率分别较初始含水率上升500%、12.07%，这与前人得出的含水率随堆肥进行逐渐下降的结论[17]不同，这可能是由于本研究采用的堆肥装置密封性较强，能有效减少水分蒸发，进而导致整体含水率小幅升高。

2.3 堆肥过程中物料pH值的变化

由图3可知，不同处理堆肥过程pH值均呈先上升后稍有下降的趋势。至堆肥结束时，T25、T22、T19处理的pH值分别为8.49、8.68、8.34，比初始pH值分别升高34.44%、3004%、19.74%，各处理pH值均符合腐熟堆肥pH值在 8.0～9.0的标准。

2.4 堆肥过程中物料全碳、全氮含量及碳氮比变化

2.4.1 全碳含量变化

碳素为微生物提供能量和碳源，全碳含量的变化能反映堆肥进程，可作为堆肥腐熟度的指标[18-19]。由图4可知，3个处理的全碳含量均呈下降趋势，其中T22处理下降速率较快，表明T22处理微生物代谢较旺盛，物料腐解较快。堆肥结束时，T25、T22、T19处理的全碳含量分别较初始值下降11.3、17.8、11.8百分点，其中T22处理下降幅度最高，腐解程度最高。

2.4.2 全氮含量变化

研究表明，随着发酵的进行，氮素会被微生物利用而减少，堆肥后期有机质大量分解转化为CO2，NH3挥发损失相对较小，因此，堆肥全氮含量呈上升趋势[17]。由图5可知，各处理全氮含量均总体呈先迅速上升后缓慢上升趋势。堆肥结束时，T25、T22、T19处理的全氮含量分别上升0.41、1.34、1.57百分点，说明T19、T22处理对堆肥固氮作用较T25好。

2.5 堆肥过程中物料碳氮比变化

碳氮比影响微生物生长代谢，从而影响堆肥进程，因此常被作为堆肥腐熟度的参数[20]。由图6可知，堆肥过程中由于微生物大量消耗碳源使全碳含量下降，3个处理的C/N均随发酵的进行而下降。在堆肥结束时，T25、T22、T19处理的碳氮比分别较初始值下降28.26%、55.83%和52.22%。

2.6 堆肥过程中物料有机质含量变化

由图7可知，T25、T22、T19处理初始有机质含量差异较大，有机质含量随时间的延长而逐渐下降。其中，T22处理有机质含量变化最大，T25、T19处理在整个堆肥阶段，有机质含量一直保持平稳下降。堆肥结束时，T25、T22、T19处理的有机质含量下降幅度分别为13、15、3百分点。

2.7 堆肥过程中物料全磷、全钾含量变化

2.7.1 全磷含量变化

由图8可知，3个处理全磷含量的总体变化趋势为先下降后上升。在整个堆肥阶段， T25处理全磷含量表现为先下降后稍有上升，整体呈下降趋势。堆肥结束时，T25、T22、T19处理全磷含量分别为0.27%、0.65%、073%，其中T25、T19处理较初始全磷含量分别下降0.07、0.21百分点，T22处理较初始全磷含量上升0.17。堆肥结束时表现为T19、T22处理全磷含量较高，T25处理含量最低。

2.7.2 全钾含量变化

由图9可知，烟梗含量较高的T25处理全钾含量较高，3个处理均总体表现出上升的趋势，其中T22处理表现为升高后下降趋势。堆肥结束时，T25、T22、T19处理全钾含量分别上升 0.57、0.26、0.23百分点。 综合比较，

T25处理上升幅度最大，T22处理次之，T19处理最小。

2.8 堆肥过程中物料种子发芽指数变化

种子发芽指数常作为堆肥产品安全性指标，未腐熟物料的浸提液中含有高浓度NH4+、有机酸以及重金属等毒性物质，会抑制种子发芽[21]。由图10可知，在整个堆肥过程中，种子发芽指数均呈上升趋势，规律表现烟梗含量较高时GI指数较低，而烟梗含量较少时GI差异不显著。T22、T19处理在堆肥24 d时GI均达到80%左右，而T25处理最高未能达到80%。至堆肥结束时，T22、T19处理种子发芽指数分别达到了121.3%、118.5%，已达到无害化标准。高温时间（>50 ℃）超过10 d的处理T22和T19腐熟度较高，堆肥基本无毒性，而T25处理未完全腐熟。

3 结论与讨论

堆肥是利用大量微生物对有机物进行快速分解的过程，碳素是微生物的基本能量来源，是构成细胞的基本材料，氮素是构成蛋白质、核酸、氨基酸、酶、辅酶的重要成分，因此微生物的生命活动与原料的碳氮比密切相关，在堆肥中对于碳氮比的调控至关重要[18，21]。调节碳氮比的主要方法有添加无机氮素、菌剂、填充料或调理剂等。郑丹等在牛粪堆肥中添加尿素等无机氮调节原料C/N，可显著提高堆肥温度，增强有机质降解，但同时使堆肥氮素损失加重[22];刘志平等在蘑菇土堆肥中添加3种不同微生物菌剂，显著影响堆肥中水溶性铵态氮、硝态氮的含量，加速微生物分解利用氮，影响硝态氮和铵态氮之间的转换，减少氮损失[23];更多的则是通过向堆肥中添加不同调理剂或填充剂来改变堆肥物料C/N，田纯焱等在猪粪中分别添加木屑、玉米秸秆和小麦秸秆进行好氧堆肥试验，结果表明，不同填充剂显著影响物料总氮含量，加快原料腐熟，其中玉米秸秆效果最好[24]。本试验研究了不同C/N下烟梗和牛粪混合堆肥，结果表明，3个处理C/N均随发酵的进行而下降，其中，以T22处理降幅最大。堆肥中由于微生物生长繁殖消耗大量碳水化合物，使总碳含量大幅下降，氮素由于物料中氨化细菌和硝化细菌的分解而转为铵态氮和硝态氮，虽然铵态氮有部分转化为氨气，硝态氮部分经反硝化细菌分解为N2或N2O挥发，但总氮含量与总碳含量相比损失相对较低，因此C/N呈下降趋势[9]。以T值[T值=（终点C/N）/（初始C/N）]为腐熟参考指标，堆肥结束时3个处理的T值分别为0.72、0.44、0.48，若以T值<0.6为腐熟标准，则碳氮比25 ∶1处理未达到腐熟标准，以T22处理腐熟度最好[25]。

从其他堆肥指标来看，3个处理堆体温度均能达到50 ℃以上，T22、T19处理较T25处理升温快、高温时间长，呈低碳氮比进入高温期快的趋势，这与Huang等的研究结果[26]相同;T22、T19处理发芽指数均达到80%的腐熟标准;从肥效指标来说，各处理全磷含量总体随发酵的进行表现为先下降后上升趋势，其中T19、T22处理明显高于T25处理。堆肥前期物料含有機酸较少，对全磷的溶解能力有限，随后有机酸含量上升，物料溶磷能力增强，堆肥后期微生物大量死亡，菌体内磷素大量释放，全磷含量增加[27];全钾含量总体随酵的进行呈上升趋势，各处理中T25全钾含量上升最多，这可能是由于烟草中含钾较多，所以含烟梗较多的处理全钾含量增幅较大。制约有机肥发展的重要因素之一含量是有机肥较无机化肥所含营养元素少，但有机肥含有的促进植物生长的腐殖酸和有益根际微生物却是无机化肥缺少的，如若能解决有机肥中氮、磷、钾等元素欠缺的问题，将会大大促进有机肥的应用和普及。

适量烟梗和牛粪混合高温好氧堆肥可以有效资源化利用烟梗废弃物和奶牛养殖粪污，减少其对环境的污染。本研究比较C/N为19 ∶1、22 ∶1、25 ∶1等3个不同处理的烟梗与牛粪高温堆肥过程中温度、含水率、pH值、全氮含量、全磷含量、全钾含量、全碳含量的变化差异以及堆肥结束时各处理种子发芽指数的差异。结果表明，烟梗和牛粪配比使C/N为 22 ∶1 时堆肥效果最佳。研究结果能够为烟梗及牛粪的资源化利用、工厂化生产有机肥料提供依据。

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