有机物料腐熟剂对猪粪堆肥效果的影响

首雅潇，郑美漩，郑业鲁，郑 炜

（1.广东广垦畜牧工程研究院有限公司，广州 510000；2.茂名市名富生物科技有限公司，广东 化州 525100；3.北京丰合宇泰生物科技有限公司，北京 100000）

1 试验背景

随着全国畜禽养殖业的快速发展，畜禽养殖业所产生的粪便污染问题日益加重，已经成为主要的农业面源污染源之一[1]。据农业农村部数据，全国每年产生的畜禽粪污为38 亿吨，综合利用率不到60%[2]。

高温好氧堆肥技术是循环农业中固体废弃物处理及资源化利用最常用的有效手段之一，具有成本低廉、环境污染小、易大规模操作等特点。经过一定时间堆肥腐熟制成的有机肥可作为土壤改良剂，改良土壤理化性质，提升土壤肥力，具有显著的环境效益和社会效益[2]。然而，堆肥过程中会有40%～80%的氮素在堆肥的高温期以氨气和氧化亚氮的形式排放损失掉。含氮气体的大量逸出不仅导致堆肥中的氮养分损失，降低了堆肥肥效，还对大气环境造成了二次污染，加剧了全球的温室效应，阻碍了堆肥技术的大规模发展[3～4]。

氮素的迁移和排放主要受堆体原料构成、通风情况、温度、含水率、C/N、pH、添加剂等因素影响[5]。目前，控制堆肥中氨气排放以减少氮素损失的方法大致可分为物理法、化学法和生物法。沸石、活性炭、泥炭、黏土、玄武石等吸附性能好的添加剂能减少堆肥过程中氨气和其他含氮气体的排放，从而降低氮素损失[6]。魏晶晶[7]研究发现，堆肥过程中添加生物炭后，全氮含量相对于对照组增加了14%，N2O 减排率为17%～87%，NH3减排率为18%～26%；徐鹏翔等[8]研究发现，原料含水率为63%时总氮养分含量最高（14.20 g/kg），原料含水率为60%时有效氮养分含量最高（9.53g/kg）；莫云等[9]发现，不添加功能菌能显著降低堆体的铵态氮和氨气，堆肥结束时总氮相对于对照组提高了11.7%；薛文涛等[10]发现，添加了5%的柠檬酸和草酸，分别降低了堆肥中氨气累计排放量的44.15%和69.57%，氮素损失量分别降低25.16%和48.54%。其中，微生物功能菌剂不仅引入了效果较好的菌种，还可以调节原体系的碳代谢和氮代谢，加快堆肥进程，提高堆肥的腐熟度。在堆体中加入微生物菌剂，还能起到固氮作用，将氨氮转化为有机氮。

本试验以新鲜猪粪为研究对象，木屑为辅料，对比了外源微生物菌剂对畜禽粪便堆肥发酵腐熟度及固氮效果的影响，探讨了可能的保氮机制，以期获得一种简单快速减少氮素损失的技术。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

本堆肥试验在名富有机肥场露天地面硬化场地进行，堆肥2020 年12 月7 日开始，2021 年3 月3 日结束，为期90 天。

堆肥原料为新鲜猪粪；木屑购于当地一家家具厂，以木屑为辅料，用于调节C/N 和含水率到合适水平。菌剂由北京丰合宇泰生物科技有限公司提供，菌剂含菌数为9.94×107CFU/g。

2.2 试验方法

试验开始前，将10 kg 菌剂与200 L 木屑充分混合，再将混有菌剂的200 L 木屑均匀混入剩余木屑中，制成5 吨堆肥辅料。然后将固液分离后的猪粪渣10 吨混入辅料中，制成堆肥，原料的基本性质详见表1。堆肥开始后的第1、2、3、4 天翻堆，此后从第8 天开始每5 天翻1 次堆。整个试验期间，堆体如有渗沥液，可用木屑吸收，并记录渗沥液出现的时间和数量。

表1 堆肥原料的基本性质

2.3 试验测定

1.3.1 取样。分别在堆肥初始阶段、升温阶段、最高温度、堆肥结束时各取样1 次，在堆体的上中下3 点随机取样，并用四分法混合均匀后分取200 g 左右鲜样。取出小部分用于当天测定含水率、pH 值；其余部分风干后粉碎过40 目筛，用于全氮、有机质、全磷、全钾测定。

1.3.2 测定指标及方法

温度测定。将工业温度计插入距离顶部50 cm 的堆体中心测量，堆肥开始前5 天每天上午7：00 测量1 次堆体中心温度，此后每天上午7：00 和下午4：00 测量2 次堆体中心温度，2 次测量的平均值作为堆体温度。

pH 值测定。鲜样和去离子水按照1：10（g/mL）在摇床振荡浸提1 h 后，在4000 r/min 下离心10 min，取得的堆肥浸提液用pH 计测定并记录结果。

总氮测定采用凯氏定氮法。

有机质测定采用重铬酸钾水浴加热法。

全磷测定采用钒钼酸铵比色法。

堆肥结束后进行种子发芽指数测定。种子发芽指数的测定参考中华人民共和国国家标准（GB/T 23486-2009），四季奶油小白菜种子25℃下避光培养48 h，测定种子的发芽率和根长。试验取2 个平行样品进行，以去离子水作为空白对照，3 次重复。

种子发芽率指数GI 公式如下：

GI=（浸提液种子发芽率×根长）/（对照种子发芽率×根长）×100%

2 试验结果与分析

2.1 堆肥过程中的温度变化

堆肥时间持续90 天，整个堆肥过程主要由3 个阶段组成，即升温期、高温期和降温期。由图1 可知，该堆肥的温度总体呈先升高后降低，最终趋于平稳的变化趋势。堆肥在第26 天达到50.08℃，并在第39 天达到最高温度59.42℃。整个过程中，堆肥温度超过50℃持续时间超过7 天，符合GB/T 36195-2018《畜禽粪便无害化处理技术规范》标准，同时也是杀灭粪便中致病菌和寄生虫的重要条件，该堆肥达到无害化腐熟标准。

图1 堆肥中的温度变化

2.2 堆肥过程中的含水率和有机质变化

水是堆肥中微生物生长繁殖必不可少的条件之一，含水率60%～70%是微生物生长最适宜的条件。堆肥过程中，一方面因为有机物氧化分解产生水分而增加；另一方面由于通风和堆体温度使水分以水蒸气形式挥发而降低，堆肥含水率的变化主要是这两者综合作用的结果[11]。

堆肥过程中含水率和有机质的变化如图2 所示，在整个堆肥过程中，堆肥的含水率总体呈逐渐下降趋势。堆肥起始时，猪粪含水率为75.7%；到第36 天时，降至59.9%；第91 天结束时，含水率为45.5%，相比第1 天下降了40%。程绍明等[12]研究发现，木屑作为调理剂有助于堆体水分的散失，并且在堆肥结束时各处理的含水率均在50%左右，与本试验的结果基本一致。

堆肥过程是微生物参与的各种代谢过程，有机质能为微生物提供碳源，有机质的变化在一定程度上反映了堆肥的腐熟度。由图2 可知，整个堆肥周期内有机质含量均呈现逐渐下降趋势，堆肥初期有机质含量为100.2%，结束时为91.3%。整个堆肥过程中有机质含量变化不大的原因可能是因为木屑的添加比例过大，并且木屑中的有机质含量过高，导致猪粪有机质所占比例较小。而木屑的主要成分是难降解的木质素，猪粪中有机质的降解不足以引起堆肥有机质明显变化[13]。

C/N 是堆肥过程中决定有机物质分解的重要因素，可作为评价堆肥腐熟的重要参数之一，也可反映堆肥的稳定程度以及判断堆肥中是否存在对植物有毒害作用的物质[14]。由图2 可知，堆肥过程中C/N 呈先下降后趋于稳定的变化。堆肥初期C/N 下降速度较快，可能是由于堆肥初期微生物较活跃，消耗了大量的碳源，并以CH4、CO2、N2O 等形式散发出去，而且碳损失速度大于氮损失速率。堆肥后期，碳源损耗较快，C/N 呈现出较低水平，并趋于稳定。堆肥起始时，堆肥C/N 为35.9，堆肥结束时为28.3。

图2 堆肥过程中含水率、有机质和C/N 的变化

2.3 堆肥过程中总养分和氮磷钾含量变化

从图3 可以看出，堆肥的全氮含量随着堆肥进程呈逐渐降低趋势。堆肥初期的猪粪全氮含量为1.62%，在第36 天时堆肥的全氮含量为3.35%，到堆肥结束时降低至1.87%。从堆肥第36天到第41 天，全氮含量下降41.8%，主要原因是该阶段处于堆肥高温期，堆体含氮有机物分解产生的NH3大量逸散，导致全氮含量降低。从堆肥第41 天至堆肥结束，堆肥处于降温期，整个堆肥处于相对稳定状态，好氧微生物活动相对减弱，同时含水率也在逐渐降低，导致全氮相对含量基本不变。张建华等[15]的研究结果表明，使用药渣作为调理剂能起到较好的固氮效果，而木屑作为调理剂堆肥结束时的全氮含量为3.0%左右。

如图3 所示，堆肥开始时全磷含量为1.6%，在整个堆肥过程中，全磷含量呈上升趋势，结束时含量为2.4%。整体来说，全磷的绝对含量虽有所增加，但是增幅较小。高云航等[16]试验中，堆肥开始至结束全磷含量也在1.08%～2.35%之间，与本试验结果基本一致。

图3 堆肥过程中的总养分和氮磷钾含量变化

堆肥过程中全钾整体呈先上升后下降趋势。堆肥初始时全钾含量为0.27%，第36 天时上升至最大值0.55%，结束时下降至0.52%。全钾含量的上升可能是由于钾在堆肥中不易挥发，随着堆肥进行，总质量下降，全钾含量发生浓缩所致。

2.4 堆肥过程中的pH 值变化

适宜的pH 值是微生物发挥应有作用的前提，pH 值会随着时间和温度变化而变化。由图4 所示，堆肥起始时pH 值为8.1，第36 天达到最小值7.34，第41 天达到最大值8.36。堆肥结束时，堆体的pH 值为7.62，符合一般堆肥腐熟后呈弱碱性的特点。罗一鸣等[17]试验发现，经过90 天的堆肥pH 值均保持在7.0～8.0，符合有机肥料标准。

图4 堆肥过程中的pH 值变化

2.5 堆肥过程中的种子发芽指数变化

堆肥腐熟最具有实际意义的指标为种子发芽指数（GI），种子的生长试验是评价堆肥腐熟度最具有代表性的方法[18]。发芽指数大于50%时，可认为堆肥对植物基本无毒性；大于80%时，认为对植物完全无毒性[19]。本次试验堆肥结束时发芽指数2个平行样品3 次重复取平均值，详见表2，可知结束时GI 平均为91.78%，远高于80%。由此可知，该堆肥已达到腐熟，并且对植物生长无影响。侯月卿等[20]研究结果也表明，各处理种子发芽指数达到95%以上，均达到堆肥腐熟标准，与本试验结果基本一致。有机肥料的行业标准（NYT 525-2021）关于种子发芽指数的技术指标要求是≥70%，本试验的堆肥满足该技术指标要求。

表2 堆肥结束时种子发芽指数（GI）

3 结论

经过90 天堆肥发酵，本试验堆肥高温期（≥50 ℃）大于7天，达到畜禽粪便无害化的要求。堆肥结束时GI 在80%以上，不会对作物而生长产生毒害作用。

添加外源菌剂对堆肥起到一定固氮作用，同时有利于堆肥组分中有机物的分解。堆肥结束时C/N 仍高于20，说明堆肥时木屑添加比例过高，初始C/N 较大，木屑中难分解的木质素较多，影响堆肥有机物分解。

经过90 天的堆肥发酵，堆肥结束时含水率仍在40%以上，说明物料紧实度过高，影响堆肥的通气性，可增加翻堆频率加速水分散失。

堆肥结束时pH 值在7.0～8.0 之间，符合有机肥标准。堆肥的全磷和全钾变化不大，主要是因为其在堆肥中含量较低，并且不易逸散。