玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥技術(shù)研究

摘要：為探明玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥發(fā)酵的最佳技術(shù)參數(shù)，選用玉米秸稈與雞糞為材料，以C/N、發(fā)酵菌劑和含水量3因素進(jìn)行正交試驗(yàn)。結(jié)果表明，最優(yōu)組合是C/N為（25～35）∶1，添加VT-1000發(fā)酵菌劑，含水量為40%～55%；在該組合下，玉米秸稈與雞糞袋裝進(jìn)行堆肥發(fā)酵的效果最佳。雖然堆肥發(fā)酵結(jié)束后的有機(jī)質(zhì)含量略有下降，但全磷和全鉀含量均有所增加，堆肥毒性降低，且達(dá)到了堆肥腐熟度的要求。采用袋裝堆肥技術(shù)能有效地對玉米秸稈與雞糞等廢棄物進(jìn)行無害化處理，可實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈；雞糞；發(fā)酵菌劑；袋裝堆肥

中圖分類號(hào)：S141.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）13-3041-05

我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，也是世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國家。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界每年可產(chǎn)近20億t的農(nóng)作物秸稈，我國約產(chǎn)6億～7億t，列世界之首，并以玉米、小麥和稻谷秸稈為主，約占總秸稈產(chǎn)量的80%[1]。隨著畜牧養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；图s化發(fā)展，雞糞等畜禽糞便產(chǎn)量已近30億t[2]。堆肥發(fā)酵是資源化和無害化利用農(nóng)業(yè)廢棄物的有效途徑之一。黃國峰等[3]、陳志宇等[4]研究認(rèn)為，堆肥發(fā)酵主要受堆料方式、溫度、物料pH、含水量及C/N等因素的影響，而堆肥成功的關(guān)鍵在于使微生物正常繁衍。要保證微生物旺盛生長和優(yōu)勢菌種的合理更替，則必須對環(huán)境因子進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以提高堆肥發(fā)酵效率。目前堆肥發(fā)酵方式主要有直接條垛發(fā)酵、袋裝發(fā)酵、桶裝發(fā)酵等方法，條垛式發(fā)酵方式的研究已較多，近年袋式發(fā)酵越來越受到人們的關(guān)注。文國來等[5]、潘飛等[6]和黃燕翔等[7]分別以10 d高溫發(fā)酵堆肥后轉(zhuǎn)入袋裝繼續(xù)發(fā)酵和直接袋裝發(fā)酵兩種方式對堆肥發(fā)酵效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明兩種方式發(fā)酵的堆肥均能達(dá)到無害化要求，都是廢棄物處理的有效方法，但這些研究都未對袋裝堆肥的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行篩選，也沒有對農(nóng)業(yè)廢棄物玉米秸稈和雞糞進(jìn)行混合袋裝堆肥研究。為此，筆者以玉米秸稈和雞糞為材料，采用袋裝堆肥發(fā)酵方法，選取C/N、發(fā)酵菌劑和含水量3因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，以期篩選適宜袋裝堆肥發(fā)酵的技術(shù)參數(shù)，建立玉米秸稈與雞糞混合袋裝堆肥發(fā)酵方法，滿足千家萬戶小規(guī)模堆肥需要。

1 材料與方法

1.1 材料

供試玉米秸稈、雞糞及尿素均購自貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院周邊地區(qū)，VT-1000菌劑購于北京沃土天地生物科技有限公司，Bio高溫快速發(fā)酵腐熟菌種購于江蘇新天地生物肥料工程中心有限公司。玉米秸稈預(yù)先曬干、粉碎，雞糞預(yù)先曬干備用。各堆制材料的基本性狀見表1。

1.2 方法

1.2.1 發(fā)酵料的配制及堆制方法 為了解不同環(huán)境因子對玉米秸稈和雞糞袋裝堆肥發(fā)酵過程的影響，以C/N（A）、發(fā)酵菌劑（B）和含水量（D）3因素進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)（表2），共9個(gè)處理，3次重復(fù)。試驗(yàn)過程中的C/N用尿素進(jìn)行調(diào)節(jié)，發(fā)酵菌劑添加量為0.3%，C為空白列。待堆肥物料混合均勻后，將其裝入塑料編織袋壓實(shí)封口，每處理的3個(gè)重復(fù)疊放一起，發(fā)酵50 d。試驗(yàn)于2011年3～5月在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)進(jìn)行。

1.2.2 溫度測定及樣品采集 每天上午9∶00用數(shù)顯溫度計(jì)按5點(diǎn)法測定每個(gè)發(fā)酵袋溫度，取其平均值為每處理當(dāng)日的溫度。堆制開始時(shí)和結(jié)束后，每處理按5點(diǎn)法等量取堆料200 g左右，3重復(fù)共取樣約600 g。將各樣品平分為3份，第1份帶回實(shí)驗(yàn)室立即進(jìn)行水分和毒性測定，第2份放于40 ℃恒溫烘箱中烘干后粉碎過篩分析有效成分含量，第3份保存于4 ℃冰箱中備用。

1.2.3 堆肥成分測定 總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化法，全氮采用凱氏定氮法，全鉀采用火焰光度計(jì)法，全磷采用鉬銻抗比色法，有機(jī)質(zhì)含量用含碳量進(jìn)行換算[8]。

1.2.4 堆肥毒性檢測 將樣品與蒸餾水按1∶10的比例制備水浸提液，選用大白菜種子作為毒性檢驗(yàn)材料。在直徑為90 mm的培養(yǎng)皿內(nèi)放一張濾紙，加入5 mL堆肥浸提液，然后放入20粒種子（擺放均勻，便于觀察），同時(shí)以清水作對照，每處理3次重復(fù)，置于21 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h，觀察記錄各培養(yǎng)皿中發(fā)芽的種子數(shù)，并計(jì)算種子發(fā)芽勢。

種子發(fā)芽勢=規(guī)定天數(shù)發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 采用Excel進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，正交設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行極差分析，并利用多目標(biāo)綜合平衡法[9]進(jìn)行綜合分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥發(fā)酵過程中的溫度變化特點(diǎn)

試驗(yàn)于2011年3月20日混料裝袋，3月23日開始測溫，5月13日堆肥完成。堆肥過程中，溫度隨時(shí)間的變化趨勢見圖1。玉米秸稈與雞糞混合堆肥過程中，料堆溫度均高于環(huán)境溫度，所有處理都未達(dá)到好氧發(fā)酵所需高溫（50 ℃以上）及持續(xù)時(shí)間，料堆溫度上升速度均偏慢，處理YJJ 6和YJJ 7均于堆肥第11天達(dá)到40 ℃，但YJJ7持續(xù)時(shí)間較短，而YJJ6維持了20 d左右。因此，在堆肥發(fā)酵溫度上，以處理6，即A2B3D2為堆肥發(fā)酵的最優(yōu)組合。

2.2 堆肥配方的篩選

2.2.1 堆肥的感官指標(biāo)評價(jià) 從表3可知，玉米秸稈與雞糞經(jīng)過50 d堆肥處理后，顏色、氣味因試驗(yàn)處理不同而存在差異。堆肥顏色大部分轉(zhuǎn)變?yōu)楹诤稚?，部分為棕色；氨味和糞臭均有所減弱，有的已完全消失。其中YJJ2（A1B2D2）為顏色和氣味達(dá)到堆肥相關(guān)要求的最佳配方；處理YJJ6在感官質(zhì)量方面相對較差，氨味和糞臭味還較重（圖2）。

2.2.2 C/N變化 在整個(gè)堆肥過程中，全碳含量下降幅度較大，全氮含量有所增加，最終使得C/N下降。Golueke[10]指出腐熟的堆肥C/N值小于20，但由于不同物料的初始和終點(diǎn)C/N值的差異很大，而且許多堆肥原料的C/N值較低，從而影響了這一參數(shù)的廣泛應(yīng)用。Morel等[11]認(rèn)為C/N小于20只是堆肥腐熟的必要條件，建議采用T=（終點(diǎn)C/N）/（初始C/N）來評價(jià)腐熟度，并提出當(dāng)C/N小于0.6時(shí)堆肥達(dá)到腐熟。也有人認(rèn)為腐熟的堆肥C/N應(yīng)在0.53～0.72或0.49～0.59[12，13]。從表3中可以看出，當(dāng)玉米秸稈與雞糞完成50 d袋裝堆肥過程后，除YJJ 6 C/N高于0.72外，其余試驗(yàn)處理的C/N均在0.72以下，達(dá)到堆肥腐熟要求。本研究C/N以0.49～0.59作為檢驗(yàn)堆肥達(dá)到腐熟度的標(biāo)準(zhǔn)，可知處理3、7和9的腐熟度最好，即最佳配方為A1B3D3、A3B1D2或A3B3D1。

2.2.3 有機(jī)質(zhì)變化 在玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥過程中，微生物的活動(dòng)會(huì)大量消耗有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)元素，有機(jī)質(zhì)以CO2的形式揮發(fā)，有機(jī)質(zhì)含量呈下降趨勢。對試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表4。

由表4進(jìn)行直觀分析，玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥有機(jī)質(zhì)下降率極差的大小順序?yàn)椋篟A>RB>RD，得出影響其有機(jī)質(zhì)下降率的因素主次順序?yàn)镃/N、發(fā)酵菌劑、含水量，各因素最優(yōu)水平為A2，B2，D3，即C/N（25～35）∶1，添加VT-1000菌劑，含水量為55%～65%。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析（表5）可知，玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥時(shí)，C/N對有機(jī)質(zhì)下降率的影響最大，C/N、發(fā)酵菌劑和含水量均達(dá)到了極顯著水平，各因素影響顯著性依次為C/N，含水量，發(fā)酵菌劑。方差分析與直觀分析的結(jié)果一致。

結(jié)合表4和表5，玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥時(shí)，有機(jī)質(zhì)下降率最低的環(huán)境因子為A2B2D3，即最優(yōu)組合為：C/N（25～35）∶1，VT-1000菌劑，含水量55%～65%。由于試驗(yàn)組中無此組合，故以此配方進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果與方差分析結(jié)果一致。

2.2.4 全磷和全鉀變化 由表3可以看出，玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥后，全磷和全鉀的含量都呈上升趨勢。試驗(yàn)中玉米秸稈與雞糞堆肥時(shí)，其全鉀最大增長率為186.0%；全磷最大增長率為535.0%。極差分析結(jié)果（表4）可知玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥全磷增長率極差的大小順序?yàn)椋篟A>RB>RD，得出影響其全磷增長率的因素主次順序?yàn)镃/N、發(fā)酵菌劑、含水量，各因素最優(yōu)水平為A1，B1，D1，即C/N為（20～25）∶1，不加發(fā)酵菌劑，含水量為30%～40%；全鉀增長率極差的大小順序?yàn)椋篟A>RD>RB，得出影響其全鉀增長率的因素主次順序?yàn)镃/N、含水量、發(fā)酵菌劑，各因素最優(yōu)水平為A1，B1，D2，即C/N （20～25）∶1，不加發(fā)酵菌劑，含水量為40%～55%。

方差分析（表5）可知，玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥時(shí)，C/N對全磷增長率的影響最大，C/N和發(fā)酵菌劑均達(dá)到了極顯著水平，含水量作用不顯著，各因素影響顯著性依次為C/N、發(fā)酵菌劑、含水量；C/N對全鉀增長率的影響最大，C/N、發(fā)酵菌劑、含水量均達(dá)到了極顯著水平，各因素影響顯著性依次為C/N、含水量、菌劑。綜合極差與方差分析，玉米秸稈與畜禽糞便袋裝堆肥過程中，各因素對全磷、全鉀含量變化的影響顯著性均依次為C/N、發(fā)酵菌劑、含水量。

2.2.5 堆肥產(chǎn)物毒性 有研究表明，植物種子發(fā)芽指數(shù)（GI）的變化體現(xiàn)了堆肥毒性的發(fā)展趨勢[14]。Zucconi等[15]認(rèn)為，當(dāng)GI>50%時(shí)，堆肥對植物已基本沒有毒性，堆肥已基本成熟；而當(dāng)GI>80%時(shí)，可認(rèn)為堆肥已經(jīng)腐熟了。從表3中可以看出，玉米秸稈與雞糞堆肥結(jié)束后，對各試驗(yàn)處理的浸提液進(jìn)行大白菜種子發(fā)芽試驗(yàn)，其種子發(fā)芽勢均高于或等于90%，達(dá)到了腐熟要求。

極差分析結(jié)果（表4）可知玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥種子發(fā)芽勢極差的大小順序?yàn)椋篟A=RB=RD，即3個(gè)因素對種子發(fā)芽勢影響力相當(dāng)，各因素最優(yōu)水平為A2，B2，D1，即C/N（25～35）∶1，添加VT-1000菌劑，含水量為30%～40%。方差分析（表5）可知，玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥時(shí)，C/N、發(fā)酵菌劑和含水量對種子發(fā)芽勢的影響均等。方差分析與直觀分析的結(jié)果一致。綜合極差與方差分析玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥時(shí)，經(jīng)歷相同時(shí)間（50 d）的堆料發(fā)酵，其堆肥毒性均達(dá)到了堆肥腐熟度的要求，組合A2B2D1為最優(yōu)，即試驗(yàn)處理YJJ 5為最佳處理（圖3）。

2.2.6 綜合平衡法確定最優(yōu)發(fā)酵配方 從因素影響趨勢及因素主次關(guān)系（表6）可知，玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥發(fā)酵時(shí)，因素A對有機(jī)質(zhì)下降率、全磷增長率、全鉀增長率及種子發(fā)芽勢的影響均最大，應(yīng)首先進(jìn)行分析；因素B對有機(jī)質(zhì)下降率和種子發(fā)芽勢的影響次于A，綜合分析各因素對發(fā)酵效果的影響順序?yàn)锳、B、D。按照綜合平衡法分析的原則得出，最優(yōu)水平組合為A2B2D2，即C/N為（25～35）∶1，添加VT-1000發(fā)酵菌劑，含水量為40%～55%。

由上可知，微生物發(fā)酵菌劑有加速玉米秸稈與雞糞袋裝堆料發(fā)酵的作用，且添加菌劑的堆肥品質(zhì)明顯優(yōu)于不添加菌劑發(fā)酵的堆肥。其中VT-1000菌劑對玉米秸稈與雞糞袋裝堆料發(fā)酵的效果較優(yōu)。

3 小結(jié)與討論

3.1 討論

本研究整個(gè)堆肥過程中的堆體溫度均高于環(huán)境溫度，但可能受外界低溫的影響，堆溫未達(dá)到高溫好氧發(fā)酵所要求的溫度，僅隨環(huán)境溫度的變化而波動(dòng)。玉米秸稈粉碎后呈長絲狀或粉末，與雞糞混勻后粘附性強(qiáng)，透氣性弱，不易交換空氣中的氧氣；同時(shí)袋裝發(fā)酵時(shí)，在堆肥過程中未進(jìn)行翻堆處理，導(dǎo)致透氣性不佳，這些因素可能引起部分厭氧發(fā)酵，從而影響溫度的上升。同時(shí)袋裝堆肥使用的原料少，易導(dǎo)致微生物活動(dòng)產(chǎn)生的熱量少，不同點(diǎn)的溫度差異大，四周溫度明顯低于中心點(diǎn)溫度。其具體溫度變化過程及機(jī)理有待深入研究。

玉米秸稈與雞糞經(jīng)過50 d袋裝堆肥處理后，堆肥顏色大部分轉(zhuǎn)變?yōu)楹诤稚?，部分為棕色；氨味和糞臭味均有所減弱，有的已完全消失。部分處理在感官質(zhì)量方面相對較差，氨味和糞臭味還較重，這可能是因?yàn)槎逊蔬^程中存在部分厭氧發(fā)酵而產(chǎn)生惡臭物質(zhì)，由于未進(jìn)行翻堆，臭氣不易排出而導(dǎo)致氨味和糞臭味的積累和沉淀。部分試驗(yàn)處理的C/N未達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，可能是由于堆肥過程中氮素?fù)p失較多而引起C/N偏高，影響堆肥效果。

本試驗(yàn)采用直接袋裝堆肥，簡單經(jīng)濟(jì)、占地面積少，并且堆肥產(chǎn)物能達(dá)到堆肥腐熟度的要求。與傳統(tǒng)堆肥相比，本研究實(shí)現(xiàn)了堆肥化處理的小規(guī)模應(yīng)用，適合處理少量廢棄物發(fā)酵，為農(nóng)戶處理自家的玉米秸稈和雞糞提供了一定的理論依據(jù)。

3.2 小結(jié)

玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥時(shí)，經(jīng)歷相同時(shí)間（50 d）的堆料發(fā)酵，其堆肥毒性均達(dá)到了堆肥腐熟度的要求。玉米秸稈與雞糞堆肥時(shí)，初始C/N對堆肥過程的順利進(jìn)行影響最大；其次為微生物發(fā)酵菌劑，堆肥物料中添加微生物發(fā)酵菌劑對堆肥過程有良好的促進(jìn)作用。C/N為（25～35）∶1，VT-1000為發(fā)酵菌劑和含水量40%～55%為玉米秸稈與雞糞袋裝堆肥的優(yōu)勢組合。

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