养猪发酵床秸秆垫料的腐解特征

郭德杰 徐丽萍 陈伟 马艳 张志勇 严少华 罗佳

摘要：以秸秆作为养猪发酵床主要垫料，长期监测养猪过程中发酵床秸秆垫料腐解规律，以期为发酵床养殖科学管理和后期垫料肥料化利用提供理论依据。研究结果表明，随着时间推移，发酵床秸秆垫料pH值和电导率总体呈现上升趋势，垫料中铵态氮浓度随着时间上下波动较大，硝态氮逐渐增加并在240 d后趋于稳定;垫料中的总有机碳变化幅度不大，但是胡敏酸（HA）逐渐增加而富里酸（FA）逐渐降低，并导致胡富比（HA/FA）逐渐增加;秸秆垫料的种子发芽指数逐渐增加，经过1年后发芽指数达到55.82%，然而还未达完全腐熟阶段。可见，发酵床秸秆垫料虽然在养猪过程中经过一定腐熟，也能产生有利于植物生长的腐殖酸，但并未完全腐熟，必须经过无害化处理才能作为肥料用于农田。

关键词：秸秆腐解;发酵床;养猪

中图分类号：X713   文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）15-0228-03

收稿日期：2020-11-10

基金项目：国家自然科学基金（编号：31701993）;江苏省自然科学基金（编号：BK20170613）。

作者简介：郭德杰（1978—），女，山东曲阜人，硕士，助理研究员，主要从事农业废弃物资源化利用。E-mail：guodejie99@163.com。

通信作者：罗 佳，博士，副研究员，主要从事农业废弃物肥料化和基质化利用技术研究。E-mail：luojia428@163.com。

我国是农业大国，秸秆资源丰富，每年有6～8亿t[1-2]，且仍逐年增加;但秸秆资源被再利用量很少，每年有大量秸秆被抛弃或焚烧[3]。目前，秸秆利用的主要方式中，秸秆还田具有改善土壤质量、增加有机碳固定等优点，并受到许多研究者关注，但大量秸秆直接还田会带来阻碍作物发芽及生长、降低产量和增加病虫害等一系列负面影响[4-5];而秸秆气化等能源利用方式虽前景可观，但目前尚处于试验阶段，且需大量资金和技术投入，在实际应用中面临诸多困难，这些因素均制约着秸秆的综合利用。我国秸秆处理作为农村可再生资源利用的重要战略之一，秸秆合理利用对农业可持续发展及城镇空气污染控制均将产生深远意义。我国秸秆量十分巨大，单一的秸秆处理方式无法消纳全部的秸秆，因此，探索行之有效的多种秸秆合理利用方式已成为该领域亟待解决的问题。

将秸秆作为发酵床养猪的垫料，猪排泄物一经产生便被秸秆等垫料吸收并发酵降解，不仅改善了畜禽生长状况、控制环境污染，同时为秸秆等农业废弃物提供新的去处，同时秸秆等垫料发酵完成后可作为有机肥，成为有价值的可利用资源，因此该模式具有广阔的发展前景。在发酵床养猪过程中，利用秸秆等农业废弃物作为发酵床垫料已在积极发展中。但目前发酵床养猪研究主要集中于如何养好猪，对于垫料腐解过程和肥料化利用研究较少。本研究以秸秆作为养猪发酵床主要垫料，通过长期监测养猪过程中发酵床秸秆垫料腐解过程中理化性状变化情况，以期为发酵床养殖的科学管理和后期垫料肥料化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验于扬州市伊绿鲜生态农业科技有限公司进行，时间为2018年6月至2019年5月，用于试验采样的猪舍发酵床面积约为500 m2，发酵床垫料厚度为80 cm，分别为上面20 cm菌糠，下面60 cm水稻秸秆。发酵床日常维护主要为每周将表层垫料翻耙2～3 次，每3个月采用新的菌糠覆盖并翻耙均匀使垫料恢复80 cm厚度。猪饲养密度为 0.75头/m2，试验进行180 d后出栏第一批猪后紧接着补充第二栏猪，按常规方法进行管理。

1.2 样品采集与测定

样品采集，每间隔2～3个月采集发酵床垫料样品，采集时挖开表层发酵床垫料，采集20～40 cm处的发酵床垫料，测定pH值、电导率、硝态氮、铵态氮、总有机碳、胡敏酸、富里酸和种子发芽指数。pH值、電导率、硝态氮、铵态氮测定方法参照文献[6]，总有机碳测定采用重铬酸钾容量法[7]，胡敏酸和富里酸含量的测定采用焦磷酸钠-氢氧化钠提取重铬酸钾氧化容量法[8]，种子发芽指数测定参照文献[9]。

1.3 数据分析和统计

采用Excel 2003和SPSS 18.0软件进行数据统计与分析，使用最小显著差异法（least significant difference，LSD）检验进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 发酵床垫料pH值和EC变化

pH值是衡量发酵床垫料中微生物生长状况的重要指标，其对NH3排放具有重要影响。由图1可知，在发酵床垫料中pH值呈现先上升后下降趋势，后逐渐趋于稳定。发酵床垫料随着垫料腐熟，垫料pH值逐渐升高，约180 d达到最高值后，持续下降，并在约300 d趋于稳定。电导率（EC）与发酵床垫料中可溶性盐含量成正比，在一定程度上提示发酵床垫料中盐分。由图1可知，前面120 d发酵床垫料电导率趋于稳定，然后上升至180 d达到峰值后经过短暂下降后又持续上升，1年后发酵床垫料电导率达4.61 mS/cm。

2.2 发酵床垫料氮组分变化

铵态氮的含量与发酵床垫料中氨气释放是密切相关的，是氮损失的主要来源。由图2可知，发酵床垫料在初始60 d内铵态氮含量为0.47 mg/g，60 d 后开始增加，至180 d达到2.49 mg/g，比60 d时的铵态氮增加了5倍。180 d后发酵床垫料中的铵态氮逐渐下降，至300 d已降至1.16 mg/g，300 d后又开始增加，360 d后发酵床垫料中铵态氮含量与180 d时持平。发酵床垫料中硝态氮的含量变化趋势与铵态氮不同，发酵床垫料中硝态氮总体呈持续增加趋势，在240 d时垫料中硝态氮含量为 1.58 mg/g，此后硝态氮含量未见明显增加。

2.3 发酵床垫料碳组分变化

由表1可知，发酵床垫料中总有机碳含量变化不明显，基本持平，但是C/N比呈现波动趋势，可能与氮组分变化有关。胡敏酸（HA）和富里酸（FA）是腐殖酸的主要成分，随着时间推移，胡敏酸含量逐渐增加，其含量在60 d时由17.27 g/kg增加至38.73 g/kg，增加了1.24倍;而富里酸含量持续下降，其含量在60 d时为37.53 g/kg，而360 d时为22.32 g/kg，下降了约70%。胡富比（HA/FA）随着时间的推移逐渐增加，在300 d时达峰值1.77，之后趋于稳定。

2.4 发酵床垫料腐熟度变化

种子发芽指数是衡量有机物料腐熟度的重要指标，当种子发芽指数>80%时，可认为有机物料处于完全腐熟状态[10]。随着时间的推移，种子发芽指数逐渐升高，经过360 d发酵床垫料种子发芽指数升至55.82%（图3），表明发酵床垫料正在逐渐腐熟，但即使经过1年依然腐熟不完全。

3 讨论

发酵床养猪技术因猪发病率低、猪肉品质高、温室气体排放低[11-13]，逐渐被越来越多养猪户所接受。秸秆作为养猪发酵床垫料，不仅可解决秸秆资源化利用问题，同时也为推广生态养殖方式提供新的垫料来源，并且发酵床垫料经过处理后还可作为肥料用于农田，是一举多得的生态循环农业发展模式。本研究以秸秆作为养猪发酵床主要垫料，通过长期监测养猪过程中发酵床秸秆垫料腐解过程中理化性状变化情况，发现垫料腐解过程与堆肥发酵表现特征一致，均是pH值上升伴随着NH3的释放，此后NH3挥发和硝化菌硝化作用产生的H+又引起pH值降低，后随着时间推移又有逐渐回升的趋势[14]。因此，可以把发酵床养猪看做一个肥料的生产过程，可通过发酵床管理提高肥料的质量和品质。

有机物料腐解过程是一个矿化和腐殖化作用交替进行的过程，垫料中的腐殖酸由物料中新生成及原有腐殖酸转化而来，有机物料成分、环境条件等均会影响垫料中腐殖酸的含量[15-16]。胡敏酸和富里酸是腐殖酸中的重要组分，HA/FA是评价堆肥腐殖化水平的一个重要指标，能较好地反映堆肥腐殖质组分性质的变化[17-18]。本研究中HA/FA随着时间的推移逐渐增加，其结果可能与有机物料腐殖化过程中部分富里酸可能向胡敏酸转变有关[19]。曹云等研究发现，猪粪秸秆混合超高温堆肥过程中HA/FA比值逐步上升，有机物料腐殖化程度显著提高[20]，本研究结果与之一致。

种子发芽指数也是衡量有机物料腐熟度的重要指标，同有机物料腐解过程中产生的腐殖酸不同，种子发芽指数主要从安全角度来衡量有机物料对植物是否具有毒性。一般情况下，当种子发芽指数>50%时，认为堆肥产品的植物毒性处于较低水平;当种子发芽指数>80%时，可认为堆肥处于完全腐熟状态[10]。本研究中所用发酵床秸秆垫料虽然经过1年养猪过程的腐解，但种子发芽指数仅有55.82%，仍具有少量的植物毒性，并未完成腐熟，因此在后续肥料化利用过程中还需要进行无害化处理。

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