牛粪中添加玉米秸秆对堆肥发酵的影响

2021-07-30薛艳蓉淡江华

现代畜牧兽医 2021年7期

靳光，薛艳蓉，淡江华，曹晶

（山西农业大学动物科学学院，山西太原030032）

随着肉牛养殖集约化、规模化发展，肉牛粪便产量迅速增长，不仅给养殖场带来巨大压力，同时对环境的污染越来越严重[1]。因此，粪便的科学处理利用是保证肉牛规模化养殖的前提。好氧发酵堆肥是利用好氧微生物分解畜禽粪便中的有机物，在分解过程中释放大量的热量，使整个堆肥过程温度达60℃以上，从而有效灭杀堆肥物料中的有害菌、病虫卵，达到无害化的目的，是处理固体有机废弃物的有效途径[2]。堆肥化过程是1个复杂的过程，影响好氧发酵堆肥的因素较多，如堆体初始含水率、碳氮比（C/N）、温度、pH值等因素均会影响微生物活动，进而影响堆肥质量[3-4]。牛粪中含有的粗蛋白、粗脂肪、无氮浸出物、粗脂肪等是很好的有机肥原料[5]。但因其含水量较高，通气性较差，有机质部分较难分解，影响牛粪的利用效率。于海霞等[6]在牛粪堆肥时加入玉米芯作为调理剂；张云峰等[7]在牛粪中添加稻壳；魏彦红等[8]在牛粪中添加玉米秸秆；赵秀玲等[9]以新鲜牛粪和苜蓿秸秆混合物为堆料。以上研究表明，适当添加合适比例的秸秆和微生物可以提高堆肥的C/N，有利于通风供氧，加强微生物活动代谢，有利于加快牛粪堆肥的腐熟。目前，对牛粪堆肥方面的研究比较多，但大部分均处于实验室研究，对于实际生产中到底如何应用报道较少。本研究以牛粪为原料，在实际生产中通过添加不同比例的玉米秸秆，研究牛粪与玉米秸秆不同配比下对堆肥发酵的影响，以期获得最佳混合比例，为肉牛养殖场牛粪处理实际操作提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

牛粪采自山西省朔州市肉牛场；玉米秸秆切成1～3 cm，晒干后使用。堆肥材料的理化性状见表1。

1.2 试验设计

堆肥试验在肉牛场粪污处理区进行，防雨，通风良好。调整含水量约为65%。处理T1为牛粪∶玉米秸秆=1∶1；处理T2为牛粪∶玉米秸秆=2∶3；处理T3为牛粪∶玉米秸秆=1∶3；处理T4为对照组，仅牛粪发酵。每组将其堆成长3 m、宽1 m、高1 m的条垛式发酵堆，采用翻堆方式通风供氧，每10 d堆翻1次，发酵周期为45 d。

表1 堆肥材料的理化性状Tab.1 Physical and chemical propertiesof composting materials

1.3 测定指标及方法

从堆体的不同位置，分上、中、下3层各取样品约300 g，混匀，共9次。

温度：每天8：30和17：00时记录温度。测量时温度计插入堆体表面30 cm以下，每天测量堆体8个方位温度的平均值作为堆体的发酵温度，记录周围环境温度。

pH值：将样品使用蒸馏水按粪水比1∶10进行稀释，振荡30 min后静止10 min，用pH计测定悬浮液的pH值。

全碳、全氮：取新鲜样风干后，粉碎、细化、均一化，参照中华人民共和国农业行业标准NY 525—2012[10]中的试验方法进行试剂制备及测定。

种子发芽指数（GI）：取样品10 g与蒸馏水按1∶10比例混合摇匀，摇床振荡1 h，提取液离心20 min，再用滤纸过滤上清液备用。在9 cm培养皿中放置2张滤纸，在滤纸上面均匀摆放20粒生菜种子，吸取5 mL备用上清液加入培养皿中，将培养皿在黑暗条件下，25℃培养48 h后，计算种子的发芽率，并用游标卡尺量取种子的根长。对照组以蒸馏水作为培养液。

种子发芽指数=（堆肥处理的种子发芽率×种子根长）/（对照的种子发芽率×对照种子根长）×100%[11]（1）

2 结果与分析

2.1 不同玉米秸秆配比对堆体温度的影响（见图1）

在发酵过程中微生物分解有机物质会释放大量热量，使堆体温度升高。因此，堆肥过程中堆体温度越高表明微生物活性越好，但过高的温度会过度消耗有机质，降低堆肥产品质量，阻碍微生物的活动[12]。

由图1可知，堆肥开始后，各处理温度迅速升高，T1、T2、T3组在第3 d均已达到50℃，进入高温期；T1和T3组在第7 d达到最高温度，为65.4、65.6℃，T2组在第5 d达到最高温，为68.7℃；各处理组高温期持续时间分别为22、23、27 d；T1组在第30 d降温至40℃，T2组在第37 d降温至40℃，T3则在第41 d降温至40℃。对照组在第5 d进入高温期，第9 d达到最高温，为58.9℃，高温持续20 d，第33 d降温至40℃。

图1 不同玉米秸秆配比对堆体温度的影响Fig.1 Effect of different ratiosof corn stalkson piletemperature

2.2 不同玉米秸秆配比对堆体pH值的影响（见图2）

由图2可知，各处理组的pH值变化基本一致，均是先增大后缓慢减小，并逐渐趋于稳定。T1、T2、T3组pH值迅速升高，在第15 d达到最高值，分别为9.12、9.17、和9.13。T4组在第20 d达到最高值，为9.08，达到最高值后各组pH值缓慢下降，到第40 d后基本稳定。

图2 不同玉米秸秆配比对堆体p H值的影响Fig.2 Effect of different ratios of corn stalkson thepH of thepile

2.3 不同玉米秸秆配比对堆体C/N的影响（见图3）

由图3可知，各个组的C/N比总体呈减小趋势，T1、T2和T3组的C/N下降趋势基本一致。堆肥开始，T1、T2和T3组的C/N下降较快，因为有机碳被微生物大量分解，碳快速消耗，但氮变化不明显；后期下降平稳。至堆肥结束，4个组的最终C/N分别为13.52、13.07、15.61、15.13。

图3 不同玉米秸秆配比对堆体C/N的影响Fig.3 Effect of different ratios of corn stalks on the C/N of thepile

2.4 不同玉米秸秆配比对种子发芽指数的影响（见图4）

由图4可知，随着堆肥的进行，T1、T2、T3、T4组的GI值随之升高，基本在15 d之前GI值稳定增长，15～20 d时增长最快，添加玉米秸秆处理要比纯牛粪发酵增长速度快。直至堆肥结束，GI值快速增长，最终达到88.21%、93.46%、97.35%、68.55%，可见GI值随之添加玉米秸秆比例增加而提高。

图4 不同玉米秸秆配比对种子发芽指数的影响Fig.4 Effect of different ratiosof corn stalkson the Seed germination index of thepile

3 讨论

好氧发酵堆肥是一个复杂的生化过程，其中起主导作用的是微生物，堆肥中的有机质被微生物分解利用，在此过程中产生大量热量促使物料温度上升[13]。堆体温度可以最直接、最敏感的反映好氧堆肥发酵进程[14]。

本试验中，4个处理组高温天数在20 d及以上，满足采用条垛式堆肥，发酵温度45℃以上的时间不少于14 d，实现无害化处理要求[15]。添加玉米秸秆的处理比纯牛粪发酵，升温快，在第3 d均达到50℃以上，而对照组在第5 d才进入高温期；最高温度、发酵温度均在65℃以上，纯牛粪发酵只有58.9℃；高温时间持续22 d以上，纯牛粪发酵只有20 d。由此可见，添加玉米秸秆可以加快牛粪发酵时间，提高发酵温度。

一般认为，pH值在8.0左右能缩短堆肥达到高温所需的时间。至堆肥结束时，所有处理组的pH值为8.21、8.26、8.25、8.24，符合腐熟堆肥pH值在8.0～9.0的标准[16]。

单德臣等[17]认为，堆肥产品的C/N比值小于20时堆肥腐熟。本次堆肥结束后，各个处理组C/N为13.52、13.07、15.61、15.13。因此，推断本次试验堆肥完成腐熟。堆体的C/N是影响堆体发酵腐熟过程的主要因素之一[18]。T3组虽然发酵时间最长，达27 d，但发酵温度却不是最高，可能因为T3组初始C/N过高反而不利于堆体微生物的生长繁殖。田智辉等[19]、张鹤等[20]对牛粪和秸秆好氧发酵堆肥的初始条件进行研究，结果表明，C/N为30∶1左右时堆肥效果最佳，过高或过低都不利于微生物生长。本研究中，T2组的C/N比为30，结果发酵温度最高，发酵时间较长，优于其他处理。

Zucconi等[21]提出，如果GI值＞50%，则堆肥基本腐熟；当GI值＞80%时，堆肥已经完全腐熟，对植物无毒性。本研究结果中，堆肥结束后，各处理种子发芽指数为83.21%、88.46%、81.35%、68.55%。T1、T2、T3处理的最终GI值均高于80%。可见，添加玉米秸秆后，堆肥发酵达到完全腐熟，堆肥产品对植物无毒害作用。综合分析，当牛粪与玉米秸秆比例为2∶3时，堆肥发酵效果最好，与李红玉等[22]、刘凯等[23]的研究结果相似。