不同碳氮比猪粪沼渣堆肥及其产品对水稻种子萌发的影响

2022-10-03雷仁清秦文婧陈静蕊徐昌旭万里平龚贵金陈晓芬

中国土壤与肥料 2022年8期

雷仁清，秦文婧，刘佳，陈静蕊，徐昌旭，万里平，龚贵金，陈晓芬*

（1．江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，江西南昌 330200；2．福建农林大学国际镁营养研究所，福建福州 350002；3．赣州锐源生物科技有限公司，江西赣州 341900）

我国规模化畜禽养殖业发展迅速，据统计，近年我国每年生产畜禽粪便约3×109t，若经厌氧发酵处理后可产生约1.8×108m3的沼气［1］。然而，厌氧发酵生产沼气的同时也产生大量沼渣和沼液，这些副产品的处置制约着沼气工程的发展［2］。对于沼渣，一方面其含有大量有机质、氮、磷、钾以及微量元素，是优质的有机肥源；另一方面，沼气发酵工程中原料无法完全分解，沼渣中可能含病原体、有毒化合物和植物毒素等，直接利用会有二次污染的风险［3-4］。尽管有研究认为有机废弃物厌氧发酵残余的沼渣生物稳定性较高，可直接用作有机肥［5］，但沼气工程为保证甲烷产量最大化，厌氧消化时间通常较短，沼渣的生物稳定性不强［6］。堆肥是在有氧条件下通过各种微生物活动将有机物转化为稳定腐殖质的动态过程，是处理沼渣等农业废弃物的有效措施［7］。畜禽粪便厌氧发酵后的沼渣须进行好氧堆肥处理，以稳定其中的有机物并抑制和灭杀可能存在的病原体，从而生产出优质安全的有机肥［8］。

用畜禽粪便厌氧发酵后的沼渣进行好氧堆肥生产商品有机肥，目前在生产中仍存在原料配比缺乏理论指导、堆体腐熟效率低下甚至产品不达标等现实问题［9］，如何提高堆肥效率及产品效果，已成为实现沼渣资源循环利用、降低环境危害必须要面对和解决的问题。适宜的碳氮比（C/N）是高效堆肥的关键因素，堆肥原料组成比例变化引起的初始C/N不同直接影响着堆肥的效率和有机肥的品质［10］。堆体C/N过高，细菌等微生物的生长受到限制，有机物分解速度慢，使得发酵时间延长；堆体C/N过低，氮素将变成氨态氮挥发掉，最终导致大量氮素损失而降低肥效［11-12］。沼渣通常含水量高，C/N较低，且其中难降解的纤维素类物质含量较高，不适合单独进行好氧发酵［13］。在实际生产中应调节沼渣和辅料配比以优化堆肥初始C/N，从而实现快速、高效堆肥。

一般而言，评价堆肥腐熟程度的指标包括温度、pH和C/N等［11］。这些理化指标虽能从不同方面反映堆肥腐熟度，但由于堆肥用料复杂，这些指标有时不能直观评价堆肥的综合腐熟程度，在实际应用中也存在一定偏差。腐熟完全的堆肥产品除了能提供充足的肥力，还必须保证对作物无毒。植物种子萌发和幼苗生长发育阶段对毒害较为敏感，种子发芽及幼苗生长状况是衡量堆肥植物毒性和腐熟度的直接反映［14］。因此，在评价堆肥产品的腐熟程度时，开展种子发芽试验，可以充分反映堆肥的腐熟度及产品效果。本文以沼气工程产量最大的猪粪沼渣为原料，以含水量低、C/N高的木屑为辅料进行好氧堆肥，研究不同初始C/N对沼渣堆肥过程和产品品质的影响，并选择主要粮食作物水稻开展堆肥产品的种子萌发试验，考察水稻种子发芽和幼苗生长的特性，为提高堆肥产品肥效及促进沼渣废弃物资源化利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥试验在江西省新余市江西正合生态农业有限公司的有机肥生产车间进行，猪粪沼渣来自该公司运营的南英沼气发电站（江西省新余市），木屑购自当地市场。沼渣和木屑的基本性质见表1。

表1 堆肥原料的基本性质

1.2 堆肥试验设计

堆肥时间为2019年6月16日至8月5日，共持续51 d。以沼渣为堆肥原料，木屑为辅料，设置初始C/N为13、17、21和25共4个处理，分别为B1、B2、B3和B4。混合物的初始含水量均在65%左右，将混匀物料转运至有机肥生产车间发酵区，用翻抛机翻堆后建成常规条垛式堆体，每个堆体质量约为6 t。堆肥第3 d用翻抛机进行第1次翻抛，之后每4 d翻抛1次。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品采集与保存

分别于建堆后的第1、5、9、15、21、29、39和51 d采集堆体的混合样。按长度将堆体平均分为3段，在每段中分别选择1个剖面，于每个剖面的上层（5～10 cm）、中层（50～60 cm）和下层（100～120 cm）采集等量的堆肥样品。将3个剖面的样品集中混匀后，采用四分法多次分取样品，每个取样时间获得重复样品3个。堆肥样品分成3份，2份分别保存于4和-20℃冰箱，1份自然风干后待用。

1.3.2 堆体温度和水分的测定

堆肥过程中，每天10：00使用工业电子温度计分别测定堆体上层、中层和下层的最高温度，每个堆体层测定3个点，取平均温度。将采集的部分新鲜堆肥于105℃烘箱中烘干至恒重，计算样品含水量。

1.3.3 有机碳、全氮、全磷和全钾含量的测定

参照国家有机肥料农业行业标准［15］，堆肥样品的有机碳含量用重铬酸钾氧化-容量法测定。堆肥样品用硫酸和过氧化氢进行消煮、定容、静置澄清和过滤后，用凯式定氮法测定全氮含量，钒钼酸铵比色法测定全磷含量，火焰光度法测定全钾含量。

1.3.4 pH值、电导率和铵态氮的测定

将新鲜样品与去离子水按1∶10（W/V）混合，水平摇床上振荡2 h后静置30 min，用pH计和电导率仪测定pH值和电导率。新鲜样品与去离子水同样按上述比例混合并振荡24 h，12000 r·min-1离心10 min后取上清液过0.45 μm滤膜，用连续流动分析仪测定铵态氮含量。

1.4 水稻种子萌发试验

取堆肥结束的新鲜样品与去离子水以1∶10（W/V）混合，振荡提取2 h后过滤。取10 mL滤液加入铺有2层滤纸的培养皿中，每个培养皿内放置30粒消毒好的水稻种子，设置去离子水为空白对照，每个处理3次重复。培养皿放置于25℃光照培养箱（光照12 h，黑暗12 h）中培养7 d，每天定时记录水稻种子萌发数（幼芽达到种子长度1/2即为萌发）。培养结束时，每个培养皿随机选取10株具有代表性的幼苗，测量其胚根和胚芽的长度、鲜重及干重。水稻种子发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数按如下公式计算［16-17］：

活力指数=GI×S，S为胚芽长度。

1.5 数据统计分析

试验数据经Excel 2016整理后，用SPSS 24.0进行方差分析，Duncan法检验0.05水平上的差异显著性。采用Origin 9.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度、水分和碳、氮的变化

由图1a可知，4个堆体均在起堆后快速升温，B1在第6 d进入高温期（＞55℃），而B2、B3和B4在第2 d便进入高温期。各堆体的高温期分别持续了24、36、27和24 d，之后温度逐步下降，其中B4堆体最早出现降温趋势，B1和B2堆体降温较晚。在堆肥过程中，4个堆体高温阶段的平均温度分别为58.0、58.5、58.4和58.6℃，堆肥结束时的温度分别为42.2、44.1、37.0和38.1℃，接近于环境温度（40.5℃）。

随着堆肥过程的进行，4个堆体的水分含量均呈逐渐下降的趋势，水分的损失主要发生在升温期、高温期以及降温前期，而堆肥后期水分损失较少（图1b）。堆肥结束时，堆体的含水量维持在40.4%～42.0%之间。在堆肥前39 d，B1堆体的水分含量最高，其次是B2堆体。整个堆肥过程中，4个堆体的水分散失率分别为39.3%、34.0%、34.9%和34.6%。

图1 堆肥过程中的温度和水分变化

在堆肥过程中，各处理的有机碳含量总体呈下降趋势，除B1外，其余3个处理的有机碳含量在堆肥39 d后略有回升（图2a）。与第1 d相比，堆肥结束时4个处理有机碳含量分别降低22.9%、6.0%、6.8%和6.5%。各处理的全氮含量在堆肥前期总体上升而在堆肥中后期有一定程度地下降（图2b）。堆肥结束时，B3的全氮含量（19.74 g·kg-1）与第1 d（19.84 g·kg-1）相当，而B1、B2和B4的全氮含量较第1 d分别提高39.6%、2.6%和19.9%。所有处理的C/N均随堆肥时间的延长逐渐下降且在堆肥后期趋于平稳，堆肥结束时各处理C/N分别为8.5、13.5、17.1和18.1，比第1 d低36.4%、23.3%、20.5%和28.5%（图2c）。总体上，堆肥过程中各处理间有机碳含量和C/N均表现为B4＞B3＞B2＞B1，而全氮含量的变化则相反。

图2 堆肥过程中有机碳、全氮及碳氮比的变化

2.2 堆肥产品的性质

由表2可知，随着C/N的增大，堆肥产品的有机质含量、电导率和铵态氮含量呈增加的趋势，而氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）的含量及pH值则随C/N的增大而降低。参照国家有机肥料农业行业标准［15］，除B1外，其余处理产品有机质含量均高于标准规定的45%。4个处理堆肥产品的养分总含量（N+P2O5+K2O）分别为90.69、75.84、66.69和57.55 g·kg-1，均符合国家标准（≥5.0%）。此外，各处理堆肥产品的pH值为7.05～7.53，在规定的5.5～8.5范围之内。尽管堆肥产品的含水量高于30%，但可以通过晾晒使其水分达标。

表2 堆肥产品的性质

2.3 堆肥产品对水稻种子发芽指标的影响

堆肥产品处理的水稻种子发芽势、发芽率和发芽指数与去离子水对照相比差异不显著，B3处理的水稻种子发芽势和发芽指数略高于其余处理（表3）。堆肥产品和对照处理的种子发芽率均在94%以上，其中B4处理的种子发芽率稍低。不同C/N沼渣堆肥产品的水稻种子活力指数以B3处理最高，各处理分别比对照高40.4%、63.0%、77.3%和52.9%，且差异均显著。

表3 堆肥产品对水稻种子发芽指标的影响

2.4 堆肥产品对水稻幼苗生长的影响

堆肥产品处理的水稻幼苗芽长均显著高于对照，其中B3处理的水稻幼苗芽长最大，比对照高70.7%（表4）。堆肥产品处理的水稻幼苗根长以B3处理为最高，但所有堆肥产品处理的幼苗根长比对照显著降低30.6%～42.0%。堆肥产品处理的幼苗芽鲜重和总鲜重比对照分别高63.5%～125.1%和22.2%～44.9%，芽干重和总干重较对照分别高47.1%～115.3%和2.1%～15.3%，这其中又以B3处理的芽重（鲜重和干重）和总重（鲜重和干重）为最高。而对于根鲜重和干重，堆肥产品处理与对照差异不显著。

表4 堆肥产品对水稻幼苗生长指标的影响

3 讨论

3.1 不同C/N对猪粪沼渣堆肥及其产品质量的影响

堆体温度的变化与堆肥过程中的微生物代谢活性密切相关。堆肥起始阶段4个堆体温度上升较快，说明堆肥初期堆肥原料中容易被微生物利用的物质（如蛋白质和脂肪等）较多［8］，微生物在分解这些物质时新陈代谢旺盛，产生大量的热。B1处理较其他处理晚进入高温期，可能是由于其水分稍高易形成厌氧环境，加上碳源相对不足，使得堆肥初期微生物的生长繁殖受到一定限制。B4处理最先出现降温趋势，可能是因为其C/N最高，氮素率先消耗殆尽。尽管B1和B4处理高温期持续时间最短，但各处理高温期均超过20 d，足以灭杀堆体中的病原体和寄生虫卵，满足堆肥产品的无害化标准［18］。堆肥过程中，升温期、高温期及降温前期堆体温度较高，也使得该期间堆体含水率急剧下降。B1和B2堆体含水量整体较高，这与2个处理木屑添加量少、堆体较致密，导致水分不易散失有一定关系。

堆肥前期，有机物料中的易降解有机物被微生物分解，造成有机碳损失；堆肥后期，微生物代谢活动较弱，且以合成作用为主，小分子物质逐渐向大分子腐殖酸类物质转化，有机碳含量有小幅回升［19］。对于氮含量，尽管堆肥前期部分氮以NH3形式挥发造成一定损失，但是损失量小于总干物质的损失量，最终使得干物质中全氮相对含量增加［11］；堆肥中后期可能由于水分散失减缓，氮素损失量高于总干物质的损失量，全氮相对含量降低。堆肥过程中有机碳含量总体下降，而全氮含量总体上升，使得堆体C/N逐渐降低，这与前人开展的室内沼渣堆肥研究结果一致［20］。堆肥结束时C/N与堆肥开始C/N的比值即T值，是评价堆肥腐熟度的指标。张相锋等［21］认为堆肥过程中T值为0.53～0.72时，堆肥达到腐熟。本研究在堆肥进行29 d时，4个堆体基本已进入降温期，除B1处理（T值为0.73）外，其余处理（T值分别为0.67、0.67和0.65）均达到腐熟要求。

本研究以木屑作辅料进行猪粪沼渣好氧堆肥，堆体初始C/N越大，木屑添加比例越大。木屑有机碳含量虽高但其养分含量通常很低，因此堆肥产品的有机质含量随C/N的增大而增加，而氮、磷、钾养分含量的变化趋势则相反。初始C/N越小，堆肥产品pH越高，这是由于低C/N处理氮含量较高，有机氮分解产生的NH4OH较多，导致pH升高［22］，这与王若斐等［12］开展的猪粪工厂化堆肥试验结果一致。EC值反映了堆肥中可溶性盐的浓度，一般认为堆肥产品EC值低于4.0 mS·cm-1的可安全施用［23］，本研究堆肥产品符合标准。堆肥产品EC值随C/N的增大而增加，这可能是由于沼渣堆肥在较高的C/N下微生物活动更为强烈，有机态物质容易被降解产生盐类物质如铵盐等，这与C/N越大堆肥产品铵态氮含量也越高的现象一致。参照有机肥料的技术指标（有机质、总养分和酸碱度）要求［15］，除初始C/N为13（B1处理）时的堆肥产品有机质含量不达标外，其余处理堆肥产品均符合行业标准，表明以猪粪沼渣和木屑进行好氧堆肥，通过调节C/N可以生产出合格的有机肥料。但考虑到养分含量随C/N的增大而降低，为了生产出高质量有机肥，沼渣堆肥初始C/N不宜过高。

3.2 不同C/N猪粪沼渣堆肥产品对水稻种子发芽和幼苗生长的影响

发芽势、发芽率和发芽指数是衡量农作物种子发芽能力的重要指标；活力指数是种子发芽速率与生长量的综合反映［24］。本研究中，所有处理的水稻种子最终均接近完全萌发，与去离子水对照相比，沼渣堆肥产品对水稻种子发芽能力无显著影响，说明所有处理在堆肥结束时都已达腐熟状态。C/N为21时水稻种子发芽势和发芽指数稍高，C/N为25时种子发芽率稍低，这说明适宜C/N下的沼渣堆肥产品仍有利于促进水稻种子萌发。基于水稻种子发芽指数和幼苗芽长的种子活力指数表现为堆肥产品处理显著高于对照，且以C/N为21的处理最高，这与不同处理间幼苗芽长的变化规律一致。

与水稻幼苗芽长不同，堆肥产品处理的幼苗根长显著低于对照，这可能是由于堆肥产品铵态氮含量较高，对根生长有一定的抑制作用［25］。堆肥产品处理的幼苗芽鲜重、芽干重、总鲜重及总干重均高于对照，且以C/N为21的处理为最高，而根鲜重和根干重与对照均无显著差异，这说明不同处理幼苗生物量（包括鲜重和干重）的差异主要是由芽重决定的。Jennifer等［26］的研究显示葡萄果渣、牛粪和稻草混合堆肥产品的提取物对小麦幼苗芽和根的生物量有明显的提升作用，而宋成军等［27］在以沼渣作基质的研究中发现，基质会对高羊茅草皮地上和地下生物量的分配格局产生影响，有降低地下部分和增加地上部分的趋势，这与本研究结果类似。堆肥产品中含有丰富的氮、磷、钾营养物质，有利于水稻幼苗碳水化合物的合成，促使光合产物积累增加，地上部营养成分积累加快，进而使幼苗生物量显著增加［28］。从生物量来看，C/N为21时堆肥产品处理幼苗鲜重和干重均高于其他处理，最利于水稻幼苗生长。