畜禽粪便好氧堆肥腐熟度及其用于设施栽培基质的可行性分析

王秀红，史向远，李欣欣，王保平，周 静，杜慧平，李永平，张纪涛

（山西省农业科学院现代农业研究中心，山西太原030031）

条垛式堆肥因其对场地、机械器具要求简单、易于操作、堆料处理量不受限制，是目前最常用的大批量处理固体畜禽粪便的一种有效方式[1]。圆锥堆则是一种传统自然堆沤有机肥的方式，受生产力水平和科技知识的限制，农民就地堆制，常常为厌氧发酵，堆放比较随意，造成养分流失严重[2]，为了加速堆肥进程，农户在田间地头经常将传统堆沤与好氧堆肥技术相结合[3]。但是，圆锥堆堆体太大，影响了堆体内的气体交换，限制了有机物料的处理量。本研究采用2 种堆体进行好氧发酵处理，对发酵过程的理化性状进行分析，从而探讨2 种堆体对堆肥腐熟效果的影响。

好氧发酵的产物有多种用途，可用于有机肥、牛床垫料、设施栽培基质等[4-6]，近年来，用于设施基质的研究越来越多，路扬等[7]利用玉米秸秆高温堆肥无害化处理后作为基质栽培番茄，结果表明，玉米秸秆堆肥理化性质比土壤更适合作物生长，且养分含量也高于土壤。张舒玄等[8]将奶牛粪蚯蚓堆肥与泥炭、珍珠岩和蛭石按不同体积比复配成草莓生长基质，结果显示，以堆肥料50%替代泥炭的效果最佳，草莓可溶性糖、糖酸比及可溶性固形物、抗坏血酸、可溶性蛋白、花青素含量均不同程度高于无堆肥添加的基质。李燕等[9]进行红掌栽培研究，结果表明，以60%的园林废弃物堆肥替代泥炭效果最好，株高、冠幅和叶绿素质量分数分别提高23.74%、13.05%和10.15%。可见，堆肥产物用于设施栽培基质，不仅可以克服土壤连作障碍、提高栽培作物品质，而且可以部分替代草炭、降低设施基质栽培成本。

本研究拟对以条垛堆和圆锥堆2 种堆制方式获得的腐熟料以及基质替代后的物料进行理化性状分析，以探讨牛粪和玉米秸秆为原料的堆肥腐熟料用于设施栽培基质的可行性。

1 材料和方法

1.1 试验材料

牛粪和玉米秸秆分别购自山西省农业科学院东阳试验基地周边农户。牛粪晾干碾碎，玉米秸秆为机械收获玉米后的田间粉碎料，长度小于10 cm，作为调理剂用于牛粪堆肥。堆肥原料的理化性质列于表1。

表1 堆肥原料的理化指标

1.2 试验设计

好氧堆肥试验地点设在山西省农业科学院现代农业研究中心榆次东阳设施循环农业中试基地堆肥车间。试验设置2 个处理，分别为条垛堆和圆锥堆，条垛堆采用截面为上底宽0.9 m、下底宽1.5 m、高1.3 m 的梯形堆体，堆体长度约3.0 m；圆锥堆采用底面直径3.0 m，堆体高1.3 m，用pH 值为8.0 的石灰水预湿玉米秸秆，按堆料碳氮比30∶1 加入一定比例牛粪，并添加适量的生石膏粉和过磷酸钙，调节水分含量至65%左右，物料均匀混合。建堆后分别在第8、16、20、26、34 天进行翻堆，并在建堆及翻堆时从垂直高度1/2 处的堆体表面从外向内45、60、75 cm 处多点取样后混合均匀，其中，一部分样品冷藏，另一部分样品风干，用于生理生化指标测定。

好氧堆肥结束的物料再后熟60 d 后，分别获得条垛堆腐熟料1 和圆锥堆腐熟料2。将泥炭与腐熟料进行配比组合，与常用设施栽培基质泥炭、珍珠岩2∶1（表2）[10]对比，分析理化性状，探索腐熟料配制设施园艺作物栽培基质的可行性。

表2 不同处理基质配方（体积比）

1.3 项目测定及方法

堆肥温度、含水率、pH 值、EC 值、E4/E6、可溶性有机碳（Dissolved organic carbon，DOC）、可溶性氮（Dissolved nitrogen，DN）、有机质和种子发芽指数（Germination index，GI）均参照王秀红等[11]的方法进行。基质的理化性状分析参照周静等[12]的方法进行。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007 进行试验数据处理与作图，采用SPSS 统计软件进行试验数据的方差分析，采用Duncan 新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中的温度变化

堆体温度是评价堆肥腐熟进程的一个重要指标[13]。由图1 可知，2 种堆体均在建堆后快速升温，圆锥堆距侧面垂直向内45、60、75 cm 处分别在建堆后8、8、28 h 后达到50 ℃，条垛堆对应的3 个部位的堆温上升至50 ℃的时间分别为18、24、48 h，3 处升温分别提前10、16、20 h，说明圆锥堆升温明显快于条垛堆。从堆体50 ℃以上高温的持续时间来看，圆锥堆45 cm 处为30 d 左右，条垛堆为27 d 左右，二者在60 cm 处均为27 d 左右，条垛堆在75 cm 处高温持续时间较圆锥堆少5 d。

2.2 含水率和有机质含量的变化

由图2 可知，2 种堆体初期含水量均在70%左右，但随着堆制时间的延长，含水量均在下降，其中，条垛堆的下降比较平稳，圆锥堆则下降明显，说明圆锥堆较条垛堆更易散失水分，到第2 次翻堆时圆锥堆的含水量已经低于60%。好氧发酵结束时，条垛堆和圆锥堆的有机质含量分别从建堆初期的82.10%和91.39%下降至56.78%和63.27%，分别降低25.42%和28.12%，说明圆锥堆的有机质降解效果优于条垛堆。

2.3 pH 值和EC 值的变化

从图3 可以看出，条垛堆在前2 次翻堆时，堆体pH 值明显降低，在第3 次翻堆时则开始上升；圆锥堆在第1 次翻堆时pH 值下降明显，随后上升，在第3 次翻堆时达到较高值，后又下降；圆锥堆较条垛堆下降提前，pH 值上升快下降也快；最后一次翻堆时两堆体的pH 值均为8.0 左右，稍高于初始物料，说明不同堆体对堆料微生物分泌有机酸及氨化作用有一定的影响。条垛堆和圆锥堆在第1 次翻堆时的EC 值变化趋势不同，条垛堆下降，圆锥堆上升，整个好氧发酵期呈上下波动趋势，在整个堆肥过程中圆锥堆的EC 值较条垛式堆高；最后一次取样时条垛堆和圆锥堆的EC 值均较建堆初期升高，分别为2.76、3.31 mS/cm。

2.4 堆肥过程中E4/E6 和发芽指数（GI）的变化

腐植酸光学特性（E4/E6 值）是可以用来评价堆肥腐殖化作用大小的一个指标。从图4 可以看出，E4/E6 值均在一个较高的范围，随着发酵时间的延长，E4/E6 有波动，但好氧发酵结束时，2 种堆体的E4/E6 值均上升，说明腐植酸开始形成，圆锥堆和条垛堆分别上升1.01 和0.35；条垛堆和圆锥堆在建堆初期的发芽指数均大于100%，随着发酵时间的延长，条垛堆的发芽指数降低较快，说明条垛堆发酵产生的发芽抑制物多于圆锥堆；经34 d 好氧发酵，条垛堆的发芽指数为73.41%，明显低于圆锥堆，而圆锥堆的GI 在整个堆肥期均高于80%。

2.5 腐熟料用于固态基质的生物学性状和理化性状分析

碳氮比代表了基质的发酵程度，好氧发酵料经60 d 的后熟，2 种堆体来源的物料均达到完全腐熟，可用于设施园艺作物栽培基质的配料。由表3可知，与常见基质原料泥炭对比，2 种腐熟料其容重均极显著高于泥炭，处于0.15～0.8 g/cm3范围内，对植株生长具有较好的支撑作用；2 种物料的总孔隙度、通气孔隙度和持水孔隙度均极显著低于泥炭，总孔隙度均高于54%，通气孔隙度高于15%，持水孔隙度高于45%；2 种腐熟料的气水比均高于泥炭，泥炭和腐熟料2 的气水比达到基质理想范围（（1∶1.5）～（1∶4））[14]，2 种腐熟料的pH 均偏碱性，极显著高于泥炭；2 种腐熟料的EC 值均高于泥炭，说明腐熟料的可溶性盐分含量明显偏高，三者之间均存在极显著差异。GI 是检测基质配方是否会对植物生长产生毒害的重要指标，从表3 可以看出，腐熟料2 的GI 与泥炭无显著差异，腐熟料1 与泥炭和腐熟料2 间差异极显著，3 种物料对GI 均高于70%，腐熟料达到了无害化标准，同时满足《NY/T 3442—2019 畜禽粪便堆肥技术标准》中对GI 的要求。

表3 腐熟料用作基质的性状分析

2.6 腐熟料进行基质组合后的理化性状分析

在腐熟料完全腐熟的前提下，选取腐熟料2 进行基质组合试验，结果如表4 所示。与表3 腐熟料2 对应指标相比，通过不同基质配方组合，栽培基质的各项理化指标均发生了变化，处理T1、T2、T3的容重、总孔隙度、持水孔隙度、pH 值和EC 值均降低，通气孔隙度和气水比增加，说明腐熟料通过与其他物料组合，可以改变基质的理化性状。由表4可知，与CK 相比，处理T1、T2、T3 的容重均极显著高于CK，均大于0.1 g/cm3；总孔隙度均显著低于CK，且处理T2 与CK 间差异极显著，但3 个处理的总孔隙度均高于54%；持水孔隙度表现出处理T3高于CK、T1、T2，且极显著高于处理T2，与CK 间差异不显著，T3 和CK 均高于45%；T3 的通气孔隙度极显著低于CK，显著低于T1、T2 处理，处理T1 和T2 也显著低于CK，3 个处理均高于15%；处理T3和CK 的基质气水比处于理想范围（（1∶1.5）～（1∶4））之内；通过混配，腐熟料100%替代泥炭的处理T2 的pH 值与单一腐熟料pH 值没有明显变化，而25%替代泥炭的处理T1 和50%替代泥炭的处理T3 的pH 值均下降，呈弱酸性；3 个处理的EC值极显著高于CK，说明组合后的基质中含有的可溶性盐仍然较高。

表4 腐熟料组合基质的性状分析

3 结论与讨论

温度可以最直观地表征堆肥的腐熟程度[15]。好氧发酵适宜的发酵温度为50～60 ℃，在该温度范围内持续一段时间，可以加快发酵进程[16]，并且可以将堆肥物料中所携带的病原菌、虫卵和杂草种籽等杀死，90%以上的抗生素类有害物质也会被微生物降解掉[17-18]，从而达到无害化要求。本研究中2 种堆体在不同深度的高温维持时间均在20 d 以上，均可实现无害化。圆锥堆较条垛堆更易散失水分，与圆锥堆的侧表面积有关，利用圆锥堆堆肥，需要注意水分的调节。微生物合成自身细胞物质以及进行各种生理活动均需要有机质提供能量，本研究在堆肥过程中，2 种堆体有机质含量均下降，说明2 种堆体的微生物活跃，发酵正常进行。一般认为，pH值在7.5～8.5 时，可获得最大堆肥速率，本研究中，2 种堆体在建堆初期均添加适量的石灰，将堆料调为碱性环境，利于微生物生长繁殖。随着发酵进行，pH 值呈先下降后上升的动态变化，是由于微生物繁殖产生了有机酸导致pH 值下降，随着有机酸和堆料有机质的逐渐分解，会产生一定量的氨态氮，引起pH 值升高。随着氨态氮转化为硝态氮，pH 值又有下降[19]。发酵腐熟物料pH 值一般在8～9，呈弱碱性[20]，本研究中，2 种堆体经过好氧堆肥后均偏碱性。EC 值反映了土壤或栽培基质中含有可溶性盐分的多少。一般适宜作物生长的EC 值应介于0.6～2.0 mS/cm，若高于3.5 mS/cm，则会导致植株不能正常生长[21]。白永娟等[22]认为，发酵时用有机氮作为氮源，会引起EC 值的提高。EC 值与添加粪肥的量呈正相关，粪肥量越多，EC 值越高。本研究2 种堆体EC 值均在3.5 mS/cm 以上，含可溶性盐分偏高，可能与堆料中添加牛粪有关。

发酵不完全或C/N 比较高的有机质，在使用过程中有可能释放出有毒有害物质，影响有机基质的稳定性和使用性能。C/N 在（15～20）∶1 时可以认为堆肥腐熟，达到了稳定化的程度[23]。本研究中，2 种堆体的腐熟料均达到腐熟，且GI 试验结果表明，对植株生长无毒害作用，可以用于设施园艺作物基质的研究。郭世荣等[24-27]提出关于基质各理化指标的理想范围，容重在0.1～0.8 g/cm3，总孔隙度在54%～96%，通气孔隙度在15%～30%、持水孔隙度在45%～75%、气水比在1∶（1.5～4）为宜，EC 值在0.75～3.5 mS/cm，pH 值5.8～7.0，作物栽培效果较好。本研究中，单一腐熟料的容重、总孔隙度、持水孔隙度、通气孔隙度和气水比均在比较合适的范围内，但pH 值和EC 值均超出理想范围，pH 偏弱碱性，EC 值偏高，说明单一腐熟料满足基质的物理性状指标，但化学性状超标。不同类型基质按一定比例混合可以调整基质理化性状[28]。本研究将腐熟料与泥炭、珍珠岩组合用作基质，改变了基质的物理性状，基质的容重、总孔隙度、通气孔隙度均在理想范围内，但是持水孔隙度偏低，仅有50%泥炭替代的处理T3 的气水比超过理想范围下限（（1∶1.5）～（1∶4）），说明添加腐熟料后会影响基质的持水效果。从基质的化学性状来看，部分替代泥炭的处理T1 和T3 均为弱酸性，而全部替代泥炭的处理T2的pH 值没有得到改善。白永娟等[22]认为，若基质的EC 值高于理想范围，可通过添加无机基质进行混配，使得EC 值达到理想范围。本研究将腐熟料与泥炭和珍珠岩混配后，EC 值均降低，但与单一腐熟料的差异不明显，基质的可溶性盐分含量仍较高，但已降至3.5 mS/cm 以下。

综上所述，条垛堆和圆锥堆均能达到完全腐熟，其生物学性状和物理性状基本能满足栽培基质配料要求，通过基质混配可以改善腐熟料用于基质的理化性状。混配后持水孔隙较低，可以尝试通过对发酵原料进行揉丝处理解决。EC 值较高的问题，可通过部分替代泥炭或淋洗降低EC 值。此外，种植一些耐盐性作物，也可实现腐熟料基质化的目的。所以，牛粪秸秆腐熟料用于设施栽培基质是可行的。