小麦秸秆添加量对羊粪条垛式堆肥进程的影响

赵 旭,车宗贤,李 娟,薛林贵

(1. 兰州交通大学 化学化工学院,兰州 730070;2. 甘肃省农业科学院 土壤肥料与节水农业研究所,兰州 730070)

近几年羊养殖业发展迅猛,同时大量羊粪污的排放也产生了严重的环境污染问题。科学的无害化和资源化利用畜禽粪便关系到人类健康和生态平衡[1]。畜禽粪污是农作物生长所需有机肥料的优质原料,好氧堆肥是资源化利用畜禽粪污的主要技术[2]。畜禽养殖的品种、饲料类型、生长周期和环境差异,造成畜禽粪便的理化性质有很大的差别。羊粪呈颗粒状,且具有良好的表面致密形态和较大的孔隙率,通常含水率为60%、C/N比为20左右,是生产有机肥料的优质原料[3]。羊粪好氧堆肥过程中,添加一定量的辅料可促进有机质的降解和提升堆肥产品的质量[4]。

在堆肥过程中添加比表面积较大且碳元素含量高的农作物秸秆、菌糠等物料,不仅可以提高堆肥物料的C/N,而且可以改善通气条件,加快腐熟进程[5]。顾艾节等[6]以羊粪、梨树粉碎枝条为主料,尿素为辅料堆肥,研究发现梨树废弃枝条与羊粪混合堆肥的总积温最高,且达到50 ℃以上的时间最长,腐熟程度好。王海候等[7]以2种不同热解温度制备的稻壳生物质炭为堆肥添加剂,与羊粪、食用菌渣混合进行堆肥试验,发现生物质炭可以减少堆肥过程中的氮素损失,提高堆肥质量。

秸秆作为辅料对畜禽粪污堆肥影响作用显著,研究其对堆肥中物质转化、产品质量的影响具有重要意义。由于肉羊养殖场粪污含水率高,腐熟速度慢,因此添加秸秆调节含水率,提高通气性是加快羊粪腐熟速度的有效方法,但针对肉羊粪污堆肥腐熟最佳小麦秸秆添加量的研究报道较少。本研究以肉羊养殖场的鲜羊粪为堆肥的主要原料,结合当地的小麦秸秆来调节物料C/N,研究堆肥温度、pH值、有机碳、全氮、发芽指数、C/N等指标的变化趋势,以期获得适合鲜羊粪快速堆肥的小麦秸秆添加量,加快羊粪堆肥腐熟效率,提高堆肥产品质量,为羊粪和秸秆资源的肥料化利用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥材料为取自武威市凉州区永丰镇某羊场的新鲜羊粪和小麦秸秆。堆肥前将小麦秸秆粉碎至2 cm,并与羊粪混合均匀。堆肥时间为2021-05-15-2021-07-05,共50天,堆肥地点在武威市凉州区某有机肥厂。

1.2 试验设计及建堆

试验设4个处理,分别为:处理1(CK):羊粪;处理2:羊粪+1.5%秸秆;处理3:羊粪+3%秸秆;处理4:羊粪+4.5%秸秆;每个处理设置3次重复。

将小麦秸秆按不同处理添加量加入到羊粪中,混料3次使羊粪与秸秆充分混合均匀,采用条垛式堆肥方式,堆体长10 m,宽2.5 m,高1.4 m。

1.3 采样、翻堆及检测方法

1.3.1 采样及翻堆

在堆肥第0、10、20、30、40、50天取样,取堆体3、6、9 m处3个横截剖面上的样品,样品混合均匀后利用四分法分为2份。一份检测含水率、pH值、种子发芽指数,一份风干后检测全氮和有机质含量。

采用条垛式翻堆机进行翻堆,翻堆间隔为5～7天。

图1 堆肥试验照片

1.3.2 温度测定

在堆体的2、4、6、8 m处不同的位置用水银温度计测定表层下25 cm的温度,计算平均值;每天早9:00和晚18:00记录堆体温度。

1.3.3 含水率测定

称取10.00 g的堆肥样品,利用鼓风干燥箱在105 ℃下烘干至恒重,冷却后称重并计算含水率。

1.3.4 pH值的测定

称取10.00 g堆肥样品放于250 mL的三角瓶中,加入50 mL蒸馏水,在恒温摇床上振荡30 min,然后静止10 min并利用滤纸过滤,用pHS-25型酸度计测定滤液的pH值。

1.3.5 种子发芽指数的测定

称取堆肥样品10.00 g放于250 mL的三角瓶中,加入100 mL去蒸馏水,在恒温摇床上150 r/min振荡30 min,取出静置30 min后,吸取上清液10 mL,加入到放有2张滤纸和20粒萝卜种子的9 cm培养皿中,然后放入25 ℃的培养箱,48 h后测定种子发芽率和根长。对照组用去蒸馏水,每个处理3个平行。种子发芽指数计算公式如下:

GI=(处理的发芽率×处理的根长)/(空白的发芽率×空白的根长)×100%[8]。

1.3.6 堆料有机碳、全氮测定

样品风干后,去除杂质并粉碎过1 mm筛,有机碳含量采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法测定[9];全氮含量采用H2SO4-H2O2消煮凯氏定氮法测定[10]。

1.4 数据统计分析

用Microsoft Excel 2010软件进行数据统计分析及作图。

2 结果与分析

2.1 堆体温度的动态变化

温度变化是堆肥过程中微生物新陈代谢能力变化的重要表现,同时也是评价粪污堆肥无害化和稳定化的重要指标[11]如图2所示。由图2和表2可知,不同秸秆添加量的堆体温度变化趋势不同。堆肥第2天后,添加小麦秸秆的处理,堆体温度显著高于未加秸秆处理,并且秸秆添加量越大,升温速度越快,温度越高。添加秸秆的处理分别在第3、4天进入高温期(>50 ℃),未加秸秆的处理1在堆肥第11天进入高温期。处理3的高温期持续时间最长,达到28天;其次是处理4和处理2,分别达到27天和26天,CK处理的持续时间最短,为19天,各处理均达到了高温堆肥的卫生标准[12]。最高温随堆料秸秆添加量的增加而升高,添加量为4.5%的处理4,最高温为63 ℃,而处理1最高温只有59 ℃。同样升温速率也随秸秆添加量的增加而升高,处理4的升温速率最高,为3.71 ℃/d,而CK处理的升温速率最低,为2.45 ℃/d,由此可知,添加秸秆可加快羊粪堆肥升温速度,增加高温保持时间。

图2 堆体温度动态变化

表2 温度动态变化特征

2.2 堆料含水率的动态变化

随着堆肥的进行,各处理堆料的含水率呈下降的趋势(见图3)。添加秸秆处理的堆体温度快速升高,水分蒸发量增加,含水率下降速度加快。各处理的含水率曲线在堆肥20～30 d时斜率较大,即含水率减少量较大,这是由于堆体内气体流动性好,堆体温度高,水分蒸发快。堆肥结束时,各处理堆料的含水率随秸秆添加量的升高而降低。秸秆添加量为4.5%的处理4含水率最低,为29.12%,处理1含水率最高,为42.24%。与CK处理比较,添加秸秆可降低堆料含水率的8.08%～31.06%,羊粪堆肥时添加适量的秸秆,可有效降低堆肥产品的含水率。

图3 不同处理的堆料含水率动态变化

2.3 堆料pH的变化

堆肥过程中pH值的变化如图4所示,各处理的pH值变化呈先上升后下降的趋势。堆肥初期,处理1～4的pH值分别为8.95、8.86、8.74、8.69,pH值随着秸秆添加量的增加而降低。各处理的pH值在堆肥第30 d达到最大值,分别为9.16、9.14、9.11、9.02。堆肥结束时,各处理的pH值分别为9.12、9.10、8.95、8.88,pH值随着秸秆添加量的增加而降低。秸秆添加量为3%和4.5%的处理3、处理4 pH值下降到9以下,达到腐熟堆肥pH值标准(pH在8.0～9.0之间)[13];处理1(CK),pH值下降为9.12,未达到腐熟堆肥pH值标准。

图4 不同处理的堆料pH值动态变化

2.4 堆料种子发芽指数的变化

不同处理的种子发芽指数(GI值)变化趋势基本相同,呈现先下降后快速升高的变化趋势(见图5),但添加秸秆处理的种子发芽指数显著高于未加秸秆的处理。堆肥0～10 d,各处理GI值呈下降趋势,10 d后,GI值迅速升高。GI值的升高速度随秸秆添加量的增加而升高。堆肥10～20 d,GI值升高速度最快;堆肥结束时,各处理的GI值随秸秆加入量的增加而升高,处理1(CK)GI值最低,为56.3%;处理4的GI值最高,为75.4%;由此可见,添加秸秆,可有效提高堆料的种子发芽指数。

图5 不同处理堆料种子发芽指数动态变化

2.5 堆料碳氮比的变化

堆肥物料的C/N可反应物料腐熟过程中有机质的降解速度,是堆肥物料腐熟的重要指标[14]。由于有机碳在堆肥过程中的降解速率高于有机氮,碳素损失率高于氮素损失率,因此各处理的C/N在堆肥腐熟过程中均呈下降趋势[15](见图6)。由图6可知,堆肥过程中,各处理的C/N变化趋势基本相同,均呈先缓慢上升后下降的变化趋势,但添加秸秆处理2、3、4的C/N显著高处理1(CK)。堆肥结束时,处理1～4的C/N分别为17.6、19.2、20.8、22.5。由此可知,添加秸秆可提高堆肥物料的C/N,秸秆添加量越大,C/N越高。

图6 不同处理堆料碳氮比(C/N)动态变化

2.6 堆料有机碳的变化

堆肥过程中,各处理的有机碳变化趋势基本相同,均呈缓慢下降的变化趋势(见图7),但添加秸秆处理2、3、4的C/N显著高处理1(CK)。堆肥结束时,处理1～4的有机碳分别为33.86%、35.78%、37.25%、38.91%。由此可知,添加秸秆可提高堆肥物料的有机碳,秸秆添加量越大,有机碳越高。

图7 不同处理堆料有机碳动态变化

2.7 堆料铵态氮、硝态氮的变化

图8 不同处理铵态氮含量动态变化

图9 不同处理堆料硝态氮含量动态变化

3 讨论

影响堆肥进程的因素有温度、初始C/N、通气情况、含水率及pH等[16]。堆体温度的上升是堆料中微生物代谢所产生能量积累的结果,堆体温度的高低,代表了微生物代谢的强弱以及堆肥物质转化速度的快慢[17]。堆料初始含水率是影响堆肥腐熟时间及有机物降解速率的关键因素,它与堆体的通气量、温度及孔隙率密切相关,进而影响堆肥微生物的新陈代谢速率[18]。物料的配比决定了堆肥初期堆体内部的氧气供应状况、C/N和其他养分含量,对提高堆肥腐熟效率和降低养分损失有重要作用[19]。研究发现秸秆作为填充剂可以调节堆肥物料含水率、孔隙度,改善堆肥过程的通风、升温效果,平衡堆肥物料的营养物质,进而加快堆肥腐熟速度,提高堆肥产物质量[20]。在麦秸堆腐时添加鸡粪不仅能改善麦秸堆肥的结构、吸收水分,而且可作为微生物的氮源,既解决了麦秸单独堆肥时本身所存在的弊端,还可以将废弃的鸡粪充分资源化利用[21]。

4 结论

鲜羊粪堆肥时添加1.5%～4.5%的小麦秸秆,可增加高温保持时间7～9天,达到26～28天,最高温度提高4 ℃,达到63 ℃;可加快堆料水分的蒸发速度,降低堆料含水率8.08%～31.06%;堆肥产品的pH值从9.12下降到8.88;可提高种子发芽指数21.85%～33.93%;提高堆肥产品的C/N 10%～30%。由此可知,添加1.5%～4.5%的小麦秸秆,可加快羊粪的腐熟速度,但当秸秆添加量大于1.5%时,堆肥产品的C/N大于20,不利用微生物的分解利用,因此,在羊粪堆肥时,小麦秸秆的最佳添加量为1.5%。