稻秸与猪粪静态好氧共堆肥的最佳配比

范嘉妍，王 帅，姜 岩，董振宇，严 婷，王 楠

（吉林农业科技学院农学院，吉林 吉林 132101）

近年来，随着种植业与养殖业的迅速发展，产量过剩的畜禽粪便与秸秆已成为农牧业良性发展的环境问题。两类农业废弃物处置不当既造成了严重的资源浪费，又加速了温室气体的产生和病原体的扩散［1］。堆肥能够使畜禽粪便、秸秆等农业废弃物无害化、减量化和资源化，消除多种微生物病菌及其他有害物质对土壤环境的污染，是当前资源化利用农业废弃物的最佳途径之一。

畜禽粪便有着氮素含量高、C/N低、有机质丰富且易被微生物分解的特点，是秸秆堆肥的优质能量调理剂［2］。作物秸秆在畜禽粪便堆肥中既可作为高碳源物质来均衡堆肥的C/N，又具有调节堆肥孔隙度和含水率的作用［3］，基于二者性状互补的特点，对于两类废弃物共堆肥的研究较多。王亚飞等［4］以畜禽粪便为主料、玉米秸秆为辅料进行堆肥研究，结果表明畜禽粪便在共堆肥中具有提升微生物数量，提高微生物代谢强度及堆肥物质转化效率的作用。于子旋等［5］研究指出，牛粪和猪粪在堆肥过程中脂肪族、多糖类物质减少，相应芳香碳结构增强，腐殖化程度有所增加。黄红丽等［6］以猪粪和秸秆为堆肥原料，指出伴随堆肥的进行，腐殖化程度会相应提高。王玉军等［7］以鸡粪和玉米秸秆为堆腐原料，研究了堆肥过程中腐殖物质的变化规律，指出堆肥过程有机碳、水溶性物质会渐趋下降，腐殖化程度会有所增加。Qian等［8］分别以猪粪-稻草与牛粪-稻草为原料进行堆腐试验，结果表明猪粪-稻草共堆腐的腐熟指标要优于牛粪-稻草，更易促进堆肥腐熟。Wang等［9］以猪粪和锯末为基料，研究了添加生物炭对堆肥品质的影响，指出添加生物炭可促进腐植酸的合成，同时有利于腐殖化进程。综上所述，多数报道集中于堆肥腐殖化程度及分子结构特征的评价，缺乏腐殖质各组分及特点的研究。本研究拟采用室内培养法，以稻草、猪粪为基础物料，设置不同质量比，以腐殖质组成为评价依据，为两者共堆肥配方的研制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

稻秸取自吉林农业科技学院北大地水稻试验田，猪粪由某公司提供，稻秸、猪粪中有机碳、N、P2O5、K2O含量、pH值分别为50.5%、0.14%、3.54%、1.72%、6.77和43.4%、3.0%、4.8%、2.1%、6.11。 微生物腐熟剂购于公司，粉剂，有效活菌数≥5.0亿/g，称取30 g微生物腐熟剂于1 000 mL锥形瓶中，加入300 mL无菌水，在28℃气浴振荡器中摇瓶培养24 h，4 000 r/min离心10 min，收集上清液，得到接种所需的菌悬液。

1.2 试验设计

采取室内培养法，将稻秸与猪粪分别晾晒风干、粉碎过0.10 mm筛，按照表1所列配比均匀混合。物料总质量为50 g，装入100 mL三角瓶，用（NH4）2SO4溶液调节物料适宜的含水量（60%）和C/N（25∶1），随后均匀接种20 mL菌悬液，启动好氧堆肥。每个处理、每个时间点下均设置3次重复，期间按照0、15、30、60和90 d动态取样，在鼓风干燥箱中45℃风干至恒质量，备用。

表1 稻秸与猪粪共堆肥的质量比及对应的处理

1.3 测试项目与方法

采用腐殖质组成修改法［10］进行分析，步骤如下：称取过0.10 mm筛的腐解物料1.00 g于50 mL聚乙烯离心管中，加入30 mL蒸馏水搅拌均匀，在70℃恒温水浴振荡器上提取1 h，4 000 r/min离心10 min，将上清液过滤于50 mL容量瓶中，在带有残渣的离心管中继续加水20 mL搅拌均匀，离心并将此次上清液与前次合并、用蒸馏水定容，此溶液即为水溶性物质（WSS）。按照上述方法，将蒸馏水改为0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L Na2P2O7的混合液对残渣进行二次提取，此次收集的溶液即为可提取腐植酸（HE）。离心管中残渣用蒸馏水多次洗涤，直至洗液近中性，将其转入55℃鼓风干燥箱烘干至恒重，该沉淀物质即为胡敏素（Hu）。

吸取HE溶液30 mL，用0.5 mol/L H2SO4将其pH值调至1.0～1.5，置于70℃水浴锅中保温1.5 h、静置过夜，次日将溶液过滤于50 mL容量瓶、定容，此溶液即为富里酸（FA）。滤纸上残渣先用稀酸洗涤、再用温热的0.05 mol/L NaOH将其溶解于50 mL容量瓶中，用蒸馏水定容，即为胡敏酸（HA）。WSS、HE、HA和Hu组分的有机碳含量（CWSS、CHE、CHA和CHu）均采用外加热-重铬酸钾氧化法测定，富里酸（FA）碳含量CFA采用差减法计算，即CFA=CHE-CHA。采用北京普析通用有限公司生产的TU-1810型紫外可见分光光度计对HA碱溶液的吸光值（OD465和OD665）进行测定，并由公式E4/E6=OD465/OD665计算出 E4/E6。

1.4 数据处理方法

采用Excel 2003和SPSS 18.0软件对试验数据进行统计分析，采用LSD法测验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 稻秸与猪粪共堆肥对水溶性物质碳含量的影响

图1 稻秸与猪粪共堆肥对CWSS的影响

CWSS是堆肥有机质中最活跃的部分，是微生物最易利用的营养源［1］。由图1可知，与稻秸相比，猪粪有更高含量的CWSS，在0 d，堆肥中猪粪比例的提高有助于CWSS含量的增加。随堆肥进行，不同处理CWSS含量的变化规律有所不同，与0 d相比，90 d堆肥结束时，各处理CWSS含量均有不同程度降低，由Rs至Pm处理，CWSS含量分别降低22.5%、95.8%、60.4%、64.6%、93.8%、31.4%和95.4%。可见，Rp1处理CWSS的消耗程度最大，而Rs处理CWSS的消耗程度最小。

2.2 稻秸与猪粪共堆肥对可提取腐植酸碳含量的影响

CHE是有机物料在微生物、酶的作用下形成的一类特殊的高分子化合物，它是由一系列分子构成的聚类物质［7］，是堆肥发挥肥力效应的关键物质。如图2所示，在0 d，堆肥中稻秸与猪粪等比例混合CHE含量可显著高于其他处理。各处理CHE随堆肥进行所表现的规律不同。与0 d相比，90 d堆肥结束时，除Rp1处理使CHE增加13.1%外，其余处理均使得CHE有着不同幅度的降低，大小顺序如下：Rp4（56.7%）＞Rp3（42.7%）＞Rp2（37.4%）＞Rs（21.8%）＞Rp5（18.4%）＞Pm（5.0%）， 可 见，仅有Rp1处理能促进CHE的积累，其余处理CHE均表现为消耗。

图2 稻秸与猪粪共堆肥对CHE的影响

2.3 稻秸与猪粪共堆肥对胡敏酸碳含量、胡敏酸碱溶液E4/E6及腐殖化指数的影响

CHA是分子量大小不等的一系列高分子缩聚物［7］，含有羧基、酚羟基等多种活性官能团，是CHE的核心组分。由图3可知，在0 d时，堆肥中猪粪比例占半数以上的处理，其CHA显著高于其他处理。随堆肥进行，各处理CHA均表现为先减后增的规律，与0 d相比，堆肥结束时，除Rp1处理能使CHA提高22.0%外，其余6个处理CHA均表现为消 耗，Rs、Rp2、Rp3、Rp4、Rp5和Pm处 理CHA的降低幅度分别为9.0%、4.2%、28.2%、43.9%、61.6%和51.9%，可见，在稻秸与猪粪质量比为7∶3的基础上，继续增加猪粪的比例更有助于CHA的消耗，稻秸与猪粪质量比1∶9时CHA的损失最大，其次是仅有猪粪的堆肥处理。

图3 稻秸与猪粪共堆肥对CHA的影响

HA碱溶液E4/E6与其分子的缩合度呈反比，该值越小表明HA分子的结构越复杂［11］。如图4所示，伴随堆肥的进行，除Rp4处理HA碱溶液E4/E6呈渐趋增加外，其余处理均表现为先增后减的规律。堆肥结束时，与0 d相比，Rs、Rp1、Rp2、Rp3、Rp4和Pm 6个处理下HA碱溶液E4/E6分别增加了39.5%、12.3%、75.2%、5.5%、126.8%和27.0%，而Rp5处理的E4/E6降低了6.3%。由此可见，Rp5处理在堆肥结束时HA分子的缩合度和芳构化程度有所增强，而其他处理HA的脂族化程度加强，结构更加简单。

图4 稻秸与猪粪共堆肥对HA碱溶液E4/E6的影响

根据CHA/CFA的变化可大致判断堆肥的腐熟程度，该比值越高表明腐殖质的品质越高［6，8］。由图5可知，随堆肥进行，各处理CHA/CFA均表现为先降低后升高的规律。与0 d相比，堆肥结束时，Rs、Rp1、Rp2、Rp3和Rp4处理CHA/CFA均有所增加，增幅分别为41.2%、20.3%、149.4%、46.8%和91.3%，而Rp5和Pm处理CHA/CFA分别降低了79.8%和75.4%。可见，各处理堆肥HA均表现为先降解向FA转化，再由FA缩合形成HA的规律，当猪粪在共堆肥中质量比例≥90%，最终形成的CFA高于CHA，腐殖质品质有所降低，而在稻秸质量比例≥30%，则最终有利于腐殖质品质的提升。

图5 稻秸与猪粪共堆肥对CHA/CFA的影响

2.4 稻秸与猪粪共堆肥对胡敏素碳含量的影响

CHu是与矿物质紧密结合的腐殖物质，被认为是堆肥中的惰性物质［7］。由图6可知，在0 d，猪粪在物料中比例的提升与其CHu含量的变化呈反比。随堆肥进行，各处理CHu的变化规律不同。与0 d相比，在堆肥结束时，各处理CHu均有所降低，由Rs至Pm处理，CHu的降低幅度分别为65.2%、57.4%、25.7%、68.9%、46.4%、65.7%和32.0%，其中，Rp3处理对CHu的分解作用最强。

图6 稻秸与猪粪共堆肥对CHu的影响

3 结论与讨论

与稻秸相比，猪粪中有更高含量的CWSS和CHA，而CHu含量较低，这是因为猪粪是经“过腹消化”的产物，其在猪肠胃中经过乳酸菌等多种细菌复杂酶系的降解，已初步发酵，经计算，其C/N为14.5，而稻秸C/N为360.7，可见猪粪的腐熟程度明显高于未经腐熟的稻秸。

CWSS是微生物能迅速利用的底物，在腐殖质形成过程中起主要作用［7］。不同处理所表现的规律不一，与0 d相比，90 d堆肥结束时，各处理CWSS含量均有不同程度降低，其中，稻秸与猪粪质量比为9∶1时对CWSS的消耗程度最大。在堆肥过程中，微生物利用CWSS并以此为能量物质，被合成的物质一部分进入腐殖质，还有一小部分能够以芳香环的形式存在［7］。

CHE在堆肥过程中的变化可以有效评价堆肥的腐熟程度［12］。在供试处理中，仅有稻秸与猪粪质量比为9∶1时在堆肥结束后能使CHE增加13.1%，其余处理CHE均表现为消耗；李恕艳等［13］研究表明，堆肥形成的腐植酸不稳定，较易被分解，部分分解产物在微生物作用下能够缩合、形成结构与性质更为稳定的腐殖物质。可见，在本试验条件下，稻秸与猪粪质量比为9∶1堆肥时更有利于腐熟进程、促进腐殖物质的形成，而其余处理CHE降低的原因也许与CWSS的损失有关，通常，CWSS可视为合成腐殖质的“源头物质”［14］，因“源头物质”被微生物消耗而减少了CHE的合成。

HA是腐殖质中的活跃物质［15］，其分子结构变化可用于评价堆肥的腐熟特征。吴萍萍等［16］提出，秸秆对加强HA分子芳香化的贡献较大，而猪粪则更有利于HA的脂族化。HA碱溶液E4/E6能反映HA分子结构的芳构化程度，比值越小，说明分子的缩合度和芳构化程度越高、分子量越大［17］。在本试验条件下，稻秸与猪粪共堆肥质量比为9∶1时，在堆肥结束后能够促进HA分子的缩合，然而，其他处理HA分子的芳构化程度均有所下降。随堆肥进行，各处理HA均表现为先降解、再缩合的规律，这与于建等［18］研究结果相同。可见，除稻秸与猪粪共堆肥质量比为9∶1外，其他处理下新形成的HA，其分子的芳构化程度尚未缩合到其原有HA的复杂程度［19］。腐殖化指数（CHA/CFA）是评价腐殖质品质优劣的重要指标，该比值越大说明CHA含量越高，品质越好［20］。随堆肥进行，各处理CHA/CFA均表现为先降低后升高的总体规律，这与Zhang等［10］的研究结果一致。当稻秸占堆肥总质量≥30%时，经堆肥后有利于腐殖质品质的提升，而猪粪占堆肥总质量≥90%，则堆肥后腐殖质品质会有所下降。

Hu作为腐殖质的惰性组分，分子量大且性质稳定，在自然状态下多与黏土矿物结合而以复合体的形式存在［21］。与0 d相比，堆肥结束时，各处理CHu含量均有所消耗，其中，稻秸与猪粪等比例处理对CHu的分解作用最强，使其向活性腐殖质组分转化［22］。