不同碳氮比下猪粪高温堆肥腐熟进程研究

朱 磊，关文义，程谦勋，朱 佳，李孝良，乔策策，刘健健，赵建荣，武 艳*

(1.安徽国祯环卫科技有限公司，安徽合肥 230000；2.安徽科技学院，安徽凤阳 233100)

目前，畜禽养殖业的发展给环境造成不同程度的危害[1]。高温好氧堆肥由于发酵温度高和最终成品腐熟充分等优点[2]，是目前处理畜禽粪污使其转变为有机肥的常用方法。堆肥过程极其复杂，C/N、含氧量和堆体大小等均影响堆肥进程[3-5]。C/N为堆肥影响因素之一，C/N过低，有机物分解快易流失氮素；而C/N太高，则会限制微生物分解有机物料，导致发酵周期延长[6-7]。因此，调节C/N成为控制堆肥进程的重要方法，通常情况下，需要在堆肥原料中添加C/N较高的物料以调节C/N，如秸秆和木屑渣等。

肥料的腐熟度在一定程度上影响植物的生长潜力[8]，未腐熟的有机物料带有一定的有害物质[9]。因此，肥料安全性基本要求要保证腐熟度。但是由于不同堆肥物料理化性质差异巨大，且不同堆肥条件也会影响堆肥过程中物质的转化[10]。因此，如何加快堆肥腐熟成为研究的热点。

猪粪富含作物所需的各种营养元素及有机物质，可以作为一种重要的有机肥资源[11-13]。该研究基于不同的木屑添加比例与猪粪配制成不同碳氮比的原料，采用条垛式好氧堆肥，用具有代表性的理化指标监测堆肥进程，探究堆肥进程中关键理化性质和养分的变化，以研发猪粪和木屑为原料的高温高效堆肥工艺，以期为有机肥料行业的发展提供有力的理论基础和依据。

1 材料与方法

1.1 供试原料以新鲜猪粪为主料、蘑菇渣和木屑为辅料进行高温好氧堆肥。原料均由安徽鑫圣环保有限公司提供，堆肥过程在该公司工厂内(33°36′N，115°01′E)进行。堆肥原料的基本理化性质见表1。

表1 堆肥原料的理化性质

1.2 试验方法

1.2.1试验设计。试验按照猪粪、蘑菇渣和木屑质量比(DW)设置3个处理：堆体1，C/N=15.0，1∶1∶0；堆体2，C/N=25.5，1∶1∶1；堆体3，C/N=34.9，1∶1∶2。将新鲜的猪粪、蘑菇渣和木屑称重、混匀。3个处理分别建立长5.5 m、宽2.6 m、高1.4 m的条垛式堆体。初始含水量统一调整到60.0%左右。

1.2.2样品的采集与保存。在堆肥过程中，样品的采集分别于第0、1、5、16、25和39天进行。取完后一份保存于4 ℃以测定含水量、pH、电导率(EC)和发芽指数，另一部分进行自然风干、粉碎、过筛用于测定总碳、总氮、总磷、总钾。

1.2.3理化性质的测定。每天14：00使用水银温度计测定堆体温度，同时测定环境温度；含水量、pH、电导率(EC)、发芽指数和总碳、总氮、总磷、总钾含量测定参考刘超等[5]的方法。

1.3 数据分析使用Microsoft Excel对数据进行统计，用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析(ANOVA)分析样本之间的差异，用Duncan检验来比较处理间的差异(P< 0.05)。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度的变化从图1可以看出，堆体1的温度在14 d内升至50 ℃以上，而堆体2和堆体3的温度在5 d内迅速升至50 ℃以上，且其高温期持续时间更长。3个处理在50 ℃以上的高温期分别维持11、29和29 d后，温度开始下降。结果表明，C/N为25.5和34.9的堆体温度上升更快且持续时间长、腐熟效果更好。

图1 堆肥进程中温度的动态变化

2.2 堆肥过程中含水量的变化根据温度变化分别取升温期(第0天、第1天)、高温期(第5天、第16天)和降温期(第25天、第39天)共6 d的样品。从图2可以看出，堆肥过程中各处理含水量均逐渐下降，水分的损失主要是发生在高温期和降温期(第5～39天)，而升温期的损失较少。3个堆体的初始含水量分别为60.4%、56.1%和58.4%，至堆肥结束，3个堆体的含水量分别减少了35.1%、49.1%和50.0%，即堆体2和堆体3的水分蒸发量最大。

图2 堆肥进程中含水量的动态变化

2.3 堆肥过程中pH和EC的变化从图3A可以看出，堆肥进程中，3个堆体的pH均呈先上升后下降的趋势，其中堆体1从初始的7.54在第1天迅速上升至7.81，至堆肥结束时，下降至7.16；而堆体2和堆体3的pH先缓慢上升后下降，堆肥结束时分别达到7.26和7.03。

由图3B可知，堆肥进程中，各个处理的EC在堆肥升温期和高温期逐渐上升，随后趋于稳定。EC逐渐升高可能是微生物分解有机物产生磷酸盐、铵盐等和堆体中含水量逐渐减少的结果。在堆肥后期，翻堆过程和含水量减少会造成氨的大量挥发，最终导致堆体的EC保持稳定。

图3 堆肥过程中pH(A)和电导率(B)的动态变化

2.4 堆肥过程中总碳含量、总氮含量和碳氮比的变化从图4可以看出，堆肥起始阶段3个堆体总碳含量分别为27.7%、33.8%和36.5%，随后逐渐下降，至堆肥结束时，总碳含量分别减少至18.3%、24.9%和27.3%。3个堆体的总氮含量在堆肥升温期都呈下降趋势；各处理中，堆体1的下降幅度比堆体2和堆体3大；其中堆体1从堆肥初始的1.73%下降至第25天的1.35%，随后继续下降至1.32%；而堆体2和堆体3的总氮含量分别下降至第16天的1.33%和1.19%，之后保持稳定。在堆肥后期，随着堆体中有机物的消耗和水分的散失，总干物质重量的下降幅度与总氮含量下降幅度保持平衡，从而出现总氮含量相对平衡的现象。

图4 堆肥进程中总碳和总氮的动态变化

从图5可以看出，3个堆体的C/N呈逐渐减小的趋势，其中在堆肥16 d前下降较多，而后逐渐保持稳定。由于在堆肥初始2个堆体添加了不同量的木屑，堆体2和堆体3的初始C/N分别为25.5和34.9。堆肥结束时3个堆体的C/N分别降至14.3、18.4和21.3，且堆体3的下降幅度明显高于堆体1和堆体2。

图5 堆肥过程中碳氮比的动态变化

2.5 堆肥过程中总磷和总钾含量的变化从图6可以看出，3个堆体中总磷含量在堆肥进程中均呈上升趋势，堆体2和堆体3的总磷含量分别由1.28%、1.21%升高至1.55%、1.46%；堆体1中总磷的初始含量为1.43%，随后出现波动，堆肥结束时总磷含量升至1.77%。总钾含量在堆肥过程中呈上升趋势；堆肥结束时，3个堆体的总钾含量相对初始含量分别增加了11.41%、15.53%和25.02%。由于堆肥效率不同，堆体2和堆体3总钾上升含量明显高于堆体1。

图6 堆肥过程中的总磷和总钾的动态变化

2.6 堆肥过程中发芽指数的变化从图7可以看出，在堆肥初期发芽指数没有明显差异。堆肥进程中，各个处理的发芽指数呈上升的趋势，其中在堆肥初期上升缓慢，而进入高温期后则迅速升高。堆体2和堆体3在第25天后的发芽指数均为80%以上，表明达到腐熟标准；而堆体1至堆肥结束时才达到腐熟标准。3个堆体中，堆体2和堆体3比堆体1先达到腐熟，且发芽指数高于堆体1，表明其具有更高的腐熟度。

图7 堆肥进程中发芽指数的动态变化

3 讨论与结论

在畜禽粪便无害化处理中，高温是优质堆肥的一个必要条件。该试验中各处理温度均能达到50 ℃以上并维持超过10 d，这说明3个堆体均达到腐熟和无害化处理的要求[14]。堆肥升温期，微生物首先利用堆体中的糖、蛋白质等易降解利用的物质产生热量使堆体升温[15]，堆体2和堆体3的升温速度快于堆体1，该试验的研究结果与何惠霞等[16]的研究结果类似。由此可见，高温好氧堆肥中，C/N为25.5和34.9的堆体温度上升更高且持续时间长、腐熟效果更好。

水分的散失与温度和微生物代谢活动存在一定的正相关，说明堆体2和堆体3能让微生物更好地进行生理代谢活动[17]。堆肥结束时各处理的pH均在7.04～7.24，黄炎[18]研究表明pH为6.9～9.1时堆肥微生物活性较高。因此，各个处理均满足高温好氧堆肥对pH的要求[19]。堆肥过程中的电导率变化表明微生物在堆肥过程中同化利用了堆体中的离子，且堆体2的微生物活动更活跃。

该研究中，堆肥起始阶段3个堆体总碳含量逐渐下降至堆肥结束。这是因为堆肥是微生物利用碳源而使原料逐渐腐熟的过程，微生物能够利用堆体中蛋白质和糖等物质，产生CO2、H2O以及热量[20]。堆肥过程中，部分氮以NH3的形式挥发的速率高于总干物质损失的速率，从而使堆体总氮含量不断减少[21]。该试验中各处理的 C/N 均逐渐下降，这与赵建荣等[22]的研究结果一致，这是由于堆肥微生物代谢活动消耗大量碳水化合物所致。普遍认为堆肥腐熟标准要求堆肥产品 C/N 降为20以下。因此，3个堆体均达到腐熟条件。堆肥结束时，3个处理堆肥总磷和总钾含量比堆肥初始均有所增加，这是由于堆肥的总干物质量下降所致。按照农业部行业标准 NY 525—2021《有机肥料》，堆体1和堆体2处理符合养分标准。

有机肥料发芽指数大于70%是堆肥腐熟比较客观的标准[23]。该研究中3个堆体在堆肥结束时发芽指数均大于85%，说明3个堆体均已是腐熟状态，而相对于堆体1，堆体2的腐熟效果较好。综上所述，合适的碳氮比(25～35)可以提高堆肥效率。