有机物料配比对堆肥腐殖质及养分含量变化的影响

王广耀，李 雪

(吉林农业科技学院 农学院，吉林 吉林 132101)

近年来，随着我国粮食产量的提高，农牧养殖业快速发展，产生的环境污染问题日益严重。我国每年农业废弃物高达40亿t，其中，作物秸秆占比17.5%，畜禽粪便占比65.3%[1-2]。牛粪中含有大量的微生物菌剂，以牛粪作为能量调节剂，可以加速玉米秸秆的腐解，形成高质量的腐解产物，提高资源利用率[3-4]。秸秆与牛粪的合理化配比，可使资源得以有效利用，减少农业污染，提高农民经济收入[5]。堆肥是资源化处理农业废弃物的有效途径之一。堆肥条件的不同也会导致堆肥性质上的差异，进一步影响植物的生长安全[6]。堆肥物料初始碳氮比(C/N)会影响堆肥过程碳素的损失[7]。相关研究结果表明，秸秆与有机物料腐熟剂的配施可以增加秸秆中有机物质的转化，加速腐殖质组分的形成，加快秸秆的腐殖化进程[8]。腐殖质形成过程受到堆肥物料组成的影响。另外，堆肥物料的养分含量受到各种物理化学参数的显著影响，例如腐殖质的溶解性、组分的有机碳含量和腐殖化系数等。据报道，这些物理化学参数可以调节群落组成，以提高堆肥质量，进一步促进腐殖质的形成[3]。

近年来，国内外学者做了一系列针对堆肥腐殖质及养分含量的研究，牛粪堆肥可以使腐殖质含量提高近2倍，玉米秸秆的添加可以增加堆肥的腐殖化程度[2]。李恕艳等[8]研究表明，与空白对照处理相比，菌剂与鸡粪的混合配比可以明显增加堆肥的有机碳含量，同时水溶态物质的含量也相应提高。因此，可利用多个指标包括养分特性、腐殖质组成对堆肥腐熟度进行快速合理的评价[9]。鉴于此，利用吉林市常见农业废弃物玉米秸秆和牛粪，研究不同配比对堆肥腐殖质养分含量及组成的影响，旨在选出一种符合当地实际、相对效果佳的有机物料配比措施，为设置合理的堆肥物料配比提供参考，为揭示土壤有机培肥机制、科学培肥土壤提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

玉米秸秆取自吉林农业科技学院北大地玉米试验田，牛粪由吉林省丰禾育苗营养土有限公司提供，玉米秸秆、牛粪材料的具体理化性质见表1。微生物腐熟剂购于金禾佳农(北京)生物技术有限公司，有效活菌数≥5.0亿cfu/g。称取30 g腐熟剂于1 000 mL锥形瓶中，加入300 mL蒸馏水，在28 ℃气浴振荡器中摇瓶培养24 h，4 000 r/min离心后收集上清液，即为液体接种菌剂。

1.2 试验设计

采用室内培养法，将玉米秸秆和牛粪分别晾晒风干、粉碎，过0.10 mm筛，以牛粪为能量调理剂，将上述物料按照如下配比混合，物料总质量50 g，控制含水量60%。共设置7个处理：(Ⅰ)仅玉米秸秆粉末；(Ⅱ)玉米秸秆粉末∶牛粪=9∶1；(Ⅲ)玉米秸秆粉末∶牛粪=7∶3；(Ⅳ)玉米秸秆粉末∶牛粪=5∶5；(Ⅴ)玉米秸秆粉末∶牛粪=3∶7；(Ⅵ)玉米秸秆粉末∶牛粪=1∶9；(Ⅶ)仅牛粪。均匀接种20 mL液体接种菌剂，在28 ℃恒温恒湿条件下启动好氧堆肥。堆肥时间设为90 d，期间在0、15、30、60、90 d动态取样。每个处理、每个堆肥时间下均设置3次重复，达规定时间取样后立即装入鼓风干燥箱，在45 ℃条件下风干至恒质量，终止微生物反应，粉碎堆肥样品过0.10 mm筛备用。

1.3 测试方法

采用腐殖质组成修改法[10]测定堆肥试样水溶性物质(WSS)含量、可提取腐殖酸(HE)含量、胡敏酸(HA)含量和富里酸(FA)含量；采用重铬酸钾氧化法对HA和FA组分碳含量(CFA和CHA)进行测定，进而求出腐殖化系数(CHA/CFA)。采用凯氏定氮法和重铬酸钾氧化法对堆肥试样进行全氮(TN)含量及总有机碳(TOC)含量的测定，两者质量比即为堆肥C/N。采用H2SO4-H2O2消煮、钒钼黄比色法及火焰光度法对堆肥试样进行全磷(TP)、全钾(TK)含量的测定，将TN、TP、TK含量加和，计算出堆肥的总养分含量。

1.4 数据处理

采用Excel 2003和SPSS 18.0软件对数据进行整理并进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理堆肥TOC含量及pH值的变化

在堆肥过程中，TOC含量的变化如图1所示，处理Ⅰ和处理Ⅶ过程中TOC含量均呈不断下降趋势，但是处理Ⅶ前、中期TOC含量的下降幅度与处理Ⅰ相比较大，堆肥后期2个处理TOC含量下降较慢，最终趋于稳定，堆肥结束时，处理Ⅰ和处理Ⅶ的TOC含量分别是堆肥初期(0 d)的57.5%和62.8%。处理Ⅳ、Ⅴ的TOC含量在堆肥0～15 d内迅速下降，分别下降了19.7%、20.5%，但是在堆肥结束时的TOC含量大于堆肥初期，分别为114.6、125.1 g/kg。由此可见，玉米秸秆粉末与牛粪比例为5∶5或玉米秸秆粉末与牛粪比例为3∶7，堆肥反应结束时，TOC含量明显大于堆肥初期。

图1 不同处理对堆肥总有机碳含量的影响

由图2可知，玉米秸秆与牛粪混合腐解配比为5∶5和3∶7时，pH值在7.00～7.65，为微生物生长繁殖提供最适宜的环境，pH值过低或者过高，都会使微生物生长受阻甚至引起死亡。

图2 不同处理对堆肥pH值的影响

2.2 不同处理堆肥养分含量的变化

由表2可知，在玉米秸秆和牛粪混合腐解条件下，随着堆肥反应的进行，堆肥的TP含量呈增加趋势，处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的TN含量明显增加，处理Ⅵ、Ⅶ有所下降。TK含量明显降低。处理Ⅵ在堆肥结束时的TP含量最高，是堆肥初期的4.24倍，处理Ⅱ的TP含量最低，仅为3.49 g/kg。TK含量在处理Ⅲ下降最多。

表2 不同处理堆肥初期和堆肥结束时速效养分含量的变化

2.3 不同处理堆肥腐殖质的变化

2.3.1 不同处理堆肥WSS含量的变化 不同处理WSS含量的变化如图3所示，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 4个处理的WSS含量呈先下降后上升趋势，在堆肥前60 d，4个处理WSS含量分别下降了70%、58%、59%、51%。在堆肥0、15、30、60、90 d时，处理Ⅶ的WSS含量分别是处理Ⅰ的2.6、3.1、1.2、1.3、2.9倍。

图3 不同处理对堆肥WSS含量的影响

2.3.2 不同处理堆肥CHA/CFA值的变化 CHA/CFA值反映堆肥的熟化程度以及HA与FA之间的相互消长与转化。由图4可知，随着堆肥的进行，不同处理的CHA/CFA值均呈上升趋势。堆肥结束后处理Ⅰ的CHA/CFA值仅为1.13，比堆肥初期增加了61%。处理Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ在堆肥30 d时，已经分别达到2.28，2.16、2.35，这3个处理在堆肥结束时的CHA/CFA值分别是初始水平的4.49、4.50、6.90倍，且高于堆肥完全腐熟水平(CHA/CFA=1.712)。相同堆肥时期内，随着牛粪配比的增加，堆料CHA/CFA值略有增加。但是处理Ⅶ的CHA/CFA值在堆肥30 d时仅为1.85。

图4 不同处理对堆肥CHA/CFA值的影响

2.4 不同处理堆肥养分含量与CHA/CFA值的相关关系

对不同处理不同培养时期堆肥养分含量平均值与CHA/CFA平均值的Pearson相关性进行分析，结果见表3。由表3可知，CHA/CFA值与养分含量间均呈显著或极显著正相关，说明堆肥的养分循环与CHA/CFA值具有相互促进作用，它们之间息息相关。添加牛粪可促进堆肥腐熟，促进玉米秸秆的分解，加快堆肥中的物质转化和循环过程。

表3 不同处理堆肥养分含量与CHA/CFA值的Pearson相关系数

3 结论与讨论

本研究中，堆肥处理前期TOC含量下降快，主要是由于微生物会优先利用有机物中的活性物质，例如以可溶性糖、有机酸等作为能量来源，进行生命活动，因此TOC分解速度较快[11]。而在堆肥反应的后期，微生物在消耗掉堆肥物料中的易分解物质后，只能利用纤维素、木质素等难以分解的物质，使堆肥的TOC最终趋于稳定[12]。在牛粪作为能量调节剂与玉米秸秆混合配比以后，畜禽粪便中含有大量的微生物，且有机物质丰富，加快了堆肥物料中微生物对易分解物质的矿化速率[13]。由此可见，在牛粪作为能量调节剂以后，可以加快堆肥有机质的降解，同时又能够起到良好的固碳效果[14-15]。处理Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ的pH值持续下降原因可能是牛粪配比增加，有机物被微生物大量分解产生了较多的有机酸，并且随着反应的进行，氨释放量减少，被分解产生的有机酸中和[16-18]。因此,导致了牛粪配比量高的处理pH值降低。牛粪的增加促进玉米秸秆的分解，释放大量的氨，进一步提高了微生物的固氮能力，最终实现对堆肥养分含量的有效提升[19]。pH值是影响微生物生长的重要条件之一。有机物料堆积过程中，堆肥内酸碱度是变化的，微生物的降解活动需要一个微酸性或中性的环境条件，pH值过高或过低都不利于微生物的生长和有机物的降解。处理Ⅰ由于pH值未在微生物适宜活动的最佳范围，导致堆肥通气结构不佳，微生物呼吸作用减弱，处理Ⅰ的WSS含量与CHA/CFA值明显低于其他处理。与之相比，处理Ⅶ的pH值虽然一直呈下降趋势，但pH值范围一直处于符合堆肥腐熟标准内，能够为微生物活动提供相对稳定的环境，因此处理Ⅶ的WSS含量与CHA/CFA值大体上明显高于处理Ⅰ[20]。

本研究以玉米秸秆为基础原料，以牛粪作为能量添加剂，共设置了7个不同配比条件的堆肥试验。主要监测堆肥90 d的过程中腐殖质组成以及养分特性的变化，以评价出有利于堆肥腐熟的最佳堆肥条件。研究结果表明，在整个堆肥过程中腐殖质组成表现出动态变化。在堆肥结束时，处理Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的TOC含量明显高于其他处理。所有处理的CHA/CFA值都随着堆肥反应的进行而增加，最终趋于稳定和腐熟状态。在堆制有机肥料时，选择不同材料的最佳配比，以促进堆肥中腐殖质的形成。本研究发现，玉米秸秆与牛粪比例为5∶5和3∶7的处理下，可以获得最佳效果。