牛粪有机肥快速制备及其肥效比较

刘开琳，刘淑娟，刘虎俊，刘光武，万 翔，李菁菁

（1.甘肃省治沙研究所，甘肃兰州730070；2.甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室/ 省部共建国家重点实验室培育基地，甘肃 兰州730070）

大量使用化肥带来的问题突显，我国政府通过政策和奖励促进有机肥的应用，希望在保持作物产量的同时，保护土地和环境。牛粪是有机肥的重要来源，年产量约14 亿t[1]，为我国有机肥生产提供了原料。此外，我国小麦年种植面积是全国耕地总面积的22%～30%，产生了大量小麦秸秆，秸秆可以为养殖业提供饲料，也可以为有机肥生产提供丰富原料。但如果这些材料处理不当，不仅浪费资源，而且会严重污染环境[2]。牛粪有机肥发酵是简单有效的有机肥制备方法，在牛粪资源利用中发挥着重要作用[3]。目前，我国66%的肉牛养殖场排泄物采用发酵成有机肥的传统处理方式[4]。传统有机肥自然发酵的温度不高，生产有机肥的周期较长，发酵时间在40 d 以上，且难以杀灭牛粪中所含的杂草种子和虫卵病菌[5]。不少研究者采用添加菌剂的方法来促进牛粪发酵[6]，比较不同微生物菌剂对牛粪发酵过程温度的影响[7]，确认促进牛粪发酵的菌种及其配比[8]。此外，也可通过增加秸秆调整碳氮比，以加快牛粪发酵腐熟的速度[6]。目前，牛粪制备有机肥的方法较多，发酵菌剂适宜条件各异。本试验参考前人研究成果，综合应用添加微生物菌剂、适当加入麦秸和堆放模式，形成适宜荒漠区的牛粪发酵快速制备有机肥方法，并比较牛粪有机肥效果，以提供牛粪有机肥生产参考方法。

1 材料与方法

1.1 选择发酵菌剂

选择益加益和珺兴有机肥发酵菌剂为牛粪发酵剂，2 种发酵剂均为粉剂。其中益加益有机肥发酵菌剂所含菌种有乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌、光合菌、丝状真菌和放线菌，活菌总数为200 亿/g。珺兴有机肥发酵菌剂所含菌种有枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、沼泽红假单胞菌和巨大芽孢杆菌，活菌总数为100 亿/g。

1.2 牛粪及辅料处理

发酵用的牛粪来自甘肃省民勤县薛百肉牛养殖场，其含水量为80%，pH 值为7.94，电导率1.17 ms/cm，全氮15.7 g/kg。牛粪预处理：直接晾晒新鲜牛粪至含水量约65%。发酵辅料为麦秸或麦麸，麦秸粉碎至1～2 cm 制成添加料，或用麦麸制成添加料。

1.3 牛粪发酵处理

发酵地点为甘肃省民勤治沙综合试验站养殖场，发酵池为1 m3土坑，池深70 cm，内铺完整的棚膜，既可以保水，又可以隔绝其他污染。根据发酵菌剂说明书将粉剂拌水成溶液，再将发酵剂溶液均匀拌入15 kg 的麦秸或麦麸，最后掺入牛粪中混匀，将牛粪+麦秸+发酵菌剂的物料倒入发酵池，盖上棚膜发酵。发酵试验时间为2018 年6 月18 日至7 月3 日，历时15 d。加入益加益和珺兴有机肥发酵菌剂的试验分别编号为F1 和F2，以不加发酵菌剂为对照（CK）。

1.4 牛粪有机肥肥效比较

牛粪有机肥肥效试验以其对饲用型甜高粱品种大力士的高生长量为指标，肥料对比则是本试验所制备的牛粪有机肥和以牛粪为主要发酵原料的沼液。牛粪有机肥的腐殖酸、富里酸和全氮量分别是沼液的48.5 倍、87.1 倍和26.3 倍，而沼液的速效钾、硝态氮和铵态氮分别是有机肥的18.6 倍、11.6 倍和976.92 倍，2 种肥料成分及酸碱性存在差异（见表1）。采用大区对比试验比较牛粪有机肥和沼液作基肥对甜高粱生长率的影响，每种肥料处理的面积为800 m2，不设重复。播种时间为2019 年5 月20 日，采用平地覆膜种植，点播株距20 cm，行距40 cm。牛粪有机肥和沼液作基肥在播种前施入1 次，牛粪有机肥作基肥施用量约为0.75 kg/m2，沼液作基肥施用量约为13.0 kg/m2，灌水过程给沼液基肥地随水浇入沼液6.5 kg/m2，以达到所施氮量相近。

1.5 测定指标及方法

从牛粪发酵试验的第2 天开始，每天早上7:30、下午15:00、傍晚19:30 各测定温度1 次，测定深度为插入发酵物中30 cm，pH 值测定只在早晨8:00，取样深度为30 cm。pH 用电导仪（SX823 便携式pH/电导率仪）测定。当发酵物颜色变成黑褐色，有大量白色菌丝出现，气味转变，温度下降至不再上升时取样测定发酵物的化学成分，包括总有机碳、腐殖酸、全氮、速效钾、速效磷、pH。含量测定的指标[9]和方法为普通化学测试方法和有机肥料标准NY525-2012规定的方法。在甜高粱生长62 d 后，测定牛粪有机肥和沼液处理的甜高粱高生长量。气温和地温数据来自甘肃省民勤治沙综合试验站气象站。所有观测数据应用Excel 数据处理软件进行整理分析以及图表制作。

2 结果与分析

2.1 牛粪制备有机肥监测因子比较

2.1.1 牛粪发酵温度 新鲜牛粪发酵过程温度变化可分为4 个阶段，与当地气温变化相一致（见图1）。牛粪发酵第2 天（图1 的第1 天）的温度就上升到50℃以上，第3—6 天的发酵温度有所下降，到了第7—8 天发酵温度再次上升，保持高温直到发酵的第12 天温度再次下降到45～47℃。其中F1 只有1 d的温度小于45℃，F2 有2 d 的温度低于45℃。发酵处理的第13 天，F2 的温度仍保持在45℃以上。而没有接种菌剂CK 的发酵温度则始终保持在44～45℃，发酵温度相对较低。发酵过程的温度变化幅度F1 大于F2。在牛粪发酵过程中，发酵温度随气温变化，最高发酵温度约为气温和地温的2 倍。但在试验期，30 cm 深度的地温约呈上升趋势，有66%的时间地温是大于气温的，选择半地下发酵池发酵牛粪可保持周围环境温度稳定，有利于发酵。

表1 2 种牛粪发酵肥料的主要指标

图1 牛粪发酵过程的温度（℃）变化

2.1.2 牛粪发酵过程的pH 值 在牛粪发酵过程中，无论是添加发酵菌剂还是不添加发酵菌剂（CK），pH 值都呈先下降再上升的趋势（见图2）。添加发酵菌剂处理的发酵过程pH 平均值都小于9.0，而CK 发酵有7 d 大于9.0。在牛粪加发酵菌剂处理中，各发酵物料的pH 值为8.3～9.4，但发酵的第15天pH 值降到了8.19～8.27，符合有机肥料标准NY525-2012 的规定（pH 值5.5～8.5）。

图2 牛粪发酵过程的pH 值变化

2.1.3 牛粪有机肥成分 比较发酵前和牛粪发酵、牛粪+麦秸发酵、牛粪+麦秸+菌剂发酵处理的牛粪有机肥有效成分。发酵牛粪的总有机碳都减少，牛粪+麦秸+菌剂发酵处理的牛粪有机肥腐殖酸、全氮、速效钾、速效磷、pH 都增加。其中速效钾和速效磷增加量最多，而腐殖酸的绝对增加量最大（见表2）。牛粪+麦秸+菌剂所发酵有机肥的腐殖酸是对照的1.63 倍，全氮增加量是对照的1.17 倍，速效钾增加量是对照的1.64 倍，速效磷增加量是对照的2.19 倍。与发酵前比较，牛粪发酵腐熟物料的pH 增加。

2.2 牛粪有机肥对甜高粱生长速率的影响

在生长的100 d 内，施用牛粪有机肥和沼液的甜高粱株高的平均生长速率差异显著（P＜0.05，见图3），分别约是不施肥处理株高生长速率的1.12 倍、1.02倍。施牛粪有机肥的甜高粱平均株高生长率是沼液的1.09 倍。甜高粱植株的高生长分别有2 个高峰期：种植的第70 天左右和第100 天左右，第一个株高生长高峰期是施入沼液追肥之后。在这2 个高生长较大时期，施用牛粪有机肥甜高粱平均株高生长速率小于施用沼液的。第一个和第二个生长高峰期，施用沼液的甜高粱平均株高生长速率都约是施用牛粪有机肥的1.13 倍。但在观测期内，施用牛粪有机肥的甜高粱平均株高生长率有50 d 大于施用沼液的。株高增长率的偏差值是施用牛粪有机肥的小于施用沼液的和对照的。因此，施用牛粪有机肥的甜高粱株高生长速率相对施用沼液的稳定。施用牛粪有机肥的甜高粱平均总高度（131.00 cm）大于施用沼液的株高（116.27 cm）。因此，本试验制备的牛粪有机肥肥效相对较好。

图3 施用2 种牛粪有机肥的甜高粱株高生长速率

表2 牛粪发酵制备有机肥的主要有效成分

3 结论与讨论

新鲜牛粪加入麦秸以及益加益和珺兴有机肥发酵菌剂发酵处理，快速提高了牛粪发酵温度。微生物菌剂的加入可以提高畜禽粪便的发酵温度[2]，加快牛粪腐熟。加入2 种发酵菌剂，发酵物料的温度第2 天都远大于气温和地温，也大于对照，微生物活动强烈，有利于牛粪发酵腐熟。畜禽粪便中加入发酵菌剂能够改变原有微生物组成，增加纤维素酶和多酚氧化酶活性等[10]，加快牛粪腐熟速度，促进腐熟程度，但牛粪发酵过程的温度和有效成分的变化不同。这与菌剂所含的菌种有关，不同菌种的配伍加快牛粪腐熟的速度不同[7]。本试验的发酵物温度第2 天就达到或超过了50℃，且15 d 内大多保持在45～50℃。研究认为有机肥发酵的适宜温度应保持在50～60℃左右[3]。本试验温度约低于这个温度，可能与当地气温和发酵物的碳氮比等有关，还需要进一步研究。在发酵期内物料的温度变化受气温影响，而地下温度变化较小，30 cm 深地温呈上升趋势，在发酵过程挖30 cm 左右地下发酵池是一种可以应用的发酵模式。

在牛粪发酵过程中，由于碳氮循环和物质转化，碳、氮、钾和磷发生变化，碳元素减少，有些试验氮减少[11]，但多数试验的氮增加，钾增加[4]，磷变化不大。

应用本试验的牛粪发酵制备有机肥成分大于对照，且总营养成分符合中华人民共和国农业行业标准[12]。发酵处理牛粪的总有机碳减少，腐殖酸、全氮、速效钾、速效磷、pH 都增加。全氮增加量较大的是益加益有机肥发酵菌剂处理大于珺兴有机肥发酵菌剂处理。速效钾和速效磷增加量是珺兴有机肥发酵菌剂处理大于益加益有机肥发酵菌剂处理。本试验的腐殖酸、全氮、速效钾增加，这和多数研究结果相似[3]，速效磷的变化与其他试验结果有差异。

施牛粪有机肥的甜高粱平均株高生长率是沼液的1.09 倍，这与牛粪有机肥的腐殖酸和全氮量大于沼液的相一致。腐植酸能够调控土壤氮素去向、减少氮素损失，对提高氮肥利用率具有重要意义[13]。虽然牛粪有机肥的速效钾、硝态氮和铵态氮含量相对较低，但其腐殖酸、富里酸和全氮量较大，提高了氮肥的利用效率，促进了甜高粱的生长率。