添加硫酸對(duì)牛糞堆肥過程及其養(yǎng)分變化的影響

胡雨彤， 時(shí)連輝, 3*， 劉登民， 仝少偉， 魏美艷， 孫 杰

(1 土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018; 2 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018; 3 山東省農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018)

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

于2012年5月9日至6月21日，牛糞堆肥試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)堆肥基地進(jìn)行，在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院進(jìn)行堆肥理化性質(zhì)分析。以鮮牛糞和鋸末為原料進(jìn)行條垛式翻堆堆肥。牛糞取于山東省泰安市岱宗北集坡趙莊，鋸末購自泰安市木材市場，為松樹板材加工下腳料，發(fā)酵菌劑由山東省泰安亞細(xì)亞食品有限公司有機(jī)肥料廠提供。堆肥原料的理化性質(zhì)見表1。

表1 堆肥原料的理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)進(jìn)行初期，將鮮牛糞樣品采集至室內(nèi)，在1 L牛糞中添加不同量不同濃度的硫酸，發(fā)現(xiàn)用50 mL 0.02 mol/L的硫酸可以將牛糞中pH值調(diào)節(jié)至7.5左右， 用50 mL 0.1 mol/L的硫酸可以將牛糞中pH調(diào)節(jié)至6.3左右。針對(duì)堆肥過程中堆肥初期pH值在中至微堿性之間微生物活躍，酸性環(huán)境下抑制微生物活動(dòng)，堆體溫度上升較慢，易產(chǎn)生臭味等， 綜合考慮各個(gè)因素，同時(shí)達(dá)到降低牛糞中pH值的作用，本試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理： 1)不加硫酸僅原料堆肥+蒸餾水10 L/m3(CK); 2)原料+0.1 mol/L硫酸10 L/m3(H1); 3)原料+0.2 mol/L硫酸10 L/m3(H2); 4)原料+0.3 mol/L硫酸10 L/m3(H3)。將蒸餾水和硫酸溶液在堆料堆制過程中均勻地噴灑到原料中。在堆肥堆制第0、 3、 6、 13、 20、 27、 43 d進(jìn)行采樣，共計(jì)7次。采樣方式為5點(diǎn)采樣法，即中心和四角部位采集樣品共約1 kg。采樣點(diǎn)為距堆體表面30 cm處，然后進(jìn)行混合均勻。將采集的新鮮樣品用于測(cè)定含水量、 有機(jī)碳、 發(fā)芽指數(shù); 部分放于室內(nèi)風(fēng)干，取部分測(cè)pH值、 EC值，其余粉碎，過1 mm篩貯存，用于全氮、 全磷、 全鉀、 有效磷、 速效鉀的測(cè)定。剩余樣品于4℃冰箱保存。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

溫度： 于每天早上10： 00用溫度計(jì)插入堆體表層下30 cm處，采用多點(diǎn)測(cè)量取平均值的方法，同時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度的變化。

含水率： 用80℃恒溫箱烘24 h后測(cè)定，含水率=(濕重-干重)×100%/濕重。

pH、 EC： 采用1 ∶5(v/v)蒸餾水提取液測(cè)定基質(zhì)pH和EC值。取自然狀態(tài)下風(fēng)干基質(zhì)10 mL裝入震蕩瓶中，加蒸餾水50 mL，震蕩30 min，過濾，用PC700測(cè)定儀測(cè)定。

堆肥中全氮、 全磷、 全鉀指標(biāo)按照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY525-2011測(cè)定; 有效磷按照NY/T300-1995測(cè)定; 速效鉀按照NH4OAC浸提—火焰光度法測(cè)定; 有機(jī)碳按照灰化法測(cè)定，隨后求出C/N。

種子發(fā)芽指數(shù)： 取5 g鮮樣加入50 mL蒸餾水，振蕩1 h，吸取5 mL濾液，加到鋪有2張濾紙的9 cm培養(yǎng)皿中，每培養(yǎng)皿中均勻放入10粒新白菜籽(品種為北京3號(hào))，以蒸餾水作對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)3次，在25℃黑暗條件下培養(yǎng)24 h，測(cè)定種子發(fā)芽率和根長，然后按以下公式計(jì)算種子的發(fā)芽指數(shù)GI值。

GI=(堆肥處理的種子發(fā)芽率×種子根長)×100%/(對(duì)照的種子發(fā)芽率×種子根長)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2003和SPSS 15.0進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體物理性狀的變化

在堆肥第1 d，4個(gè)處理物料均呈現(xiàn)黃褐色，黏結(jié)成球塊狀，同時(shí)牛糞的氣味基本未變。從第2 d測(cè)量溫度發(fā)現(xiàn)，4個(gè)處理堆肥發(fā)酵速度較快，特別是添加硫酸處理。表層下30 cm左右已經(jīng)開始冒熱氣及散發(fā)出刺激性氣味。到堆肥第3 d采樣發(fā)現(xiàn)有大量白色菌絲和強(qiáng)烈氨味。隨著堆肥化進(jìn)程的發(fā)展，堆肥物料顏色逐漸變深至黑褐色，開始腐爛。在堆肥第20天，測(cè)量發(fā)現(xiàn)各堆體高度與開始相比下降約25%左右。

2.2 堆體溫度的變化

圖1 不同添加量的硫酸對(duì)堆體溫度的影響Fig.1 Temperature changes in the composting with different amounts of sulfuric acid

圖2 不同添加量的硫酸對(duì)堆體含水量的變化Fig.2 Changes of moisture content in the composting with different amounts of sulfuric acid

2.3 堆肥過程中含水量的變化

2.4 堆肥過程中pH和EC值的變化

圖3 不同添加量的硫酸對(duì)堆體pH和EC的影響Fig.3 pH and EC changes in the composting with different amounts of sulfuric acid

從圖3中還可以看出，各處理的EC值在堆肥初期變化基本一致，呈現(xiàn)出升—降—升—降的趨勢(shì)。整個(gè)堆肥過程中CK處理的EC值最低，其余3個(gè)處理由于硫酸的添加，增加了堆肥中可溶性鹽的含量，同時(shí)由于發(fā)酵過程中產(chǎn)生大量小分子物質(zhì)，促使EC值上升。研究認(rèn)為，當(dāng)堆肥EC值小于9.0 mS/cm時(shí)，對(duì)種子發(fā)芽沒有抑制作用[11]。試驗(yàn)各處理EC值最高為3.02 mS/cm，并且到堆肥結(jié)束各個(gè)處理的EC值分別為1.65、 1.91、 2.16、 2.53 mS/cm，因此從EC值上看添加硫酸處理對(duì)堆肥質(zhì)量影響不大。

2.5 堆肥過程中碳、 氮的變化

在堆肥過程中，微生物參與各種生化反應(yīng)，而有機(jī)碳為微生物活動(dòng)提供能量和碳源，所以有機(jī)碳的變化能在一定程度上反映堆肥的進(jìn)程，很多學(xué)者通過研究有機(jī)碳的降解率來判斷堆肥的腐熟度[13-15]。圖4顯示，整個(gè)堆肥周期內(nèi)有機(jī)碳呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且添加硫酸處理中有機(jī)碳下降趨勢(shì)明顯大于對(duì)照CK，堆肥結(jié)束時(shí)，H1、 H2、 H3中有機(jī)碳含量分別比對(duì)照CK降低了6.81%、 18.85%、 11.54%，說明添加硫酸對(duì)有機(jī)碳礦化有促進(jìn)作用，特別是H2處理。

圖4 不同添加量的硫酸對(duì)堆體全氮和有機(jī)碳含量的影響Fig.4 Total N and organic carbon in the composting with different amounts of sulfuric acid

2.5.2 堆體中C/N的變化 C/N比是堆肥過程中決定有機(jī)物質(zhì)分解的重要因素可被作為評(píng)價(jià)堆肥腐熟的參數(shù)，反映堆肥的穩(wěn)定程度以及堆肥中是否存在對(duì)植物有毒害作用的物質(zhì)[16]。

圖5 不同添加量的硫酸對(duì)堆肥過程中C/N的影響Fig.5 C/N in the composting with different amounts of sulfuric acid

2.6 堆體中鉀的變化

圖6表明，全鉀含量在堆肥13天時(shí)略有下降趨勢(shì)，隨后開始上升，全鉀含量上升可能由于鉀在堆肥過程中不易揮發(fā)，隨著堆肥過程的進(jìn)行，堆體總質(zhì)量下降，全鉀含量發(fā)生濃縮所致。添加硫酸處理的堆肥中全鉀含量顯著高于對(duì)照CK，在堆肥結(jié)束時(shí)，CK、 H1、 H2、 H3中全鉀含量分別達(dá)到12.40、 13.43、 14.08、 13.91 g/kg。在堆肥過程中，有機(jī)物料中固有的養(yǎng)分得到了充分的活化，速效鉀含量隨著堆肥的進(jìn)行呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，堆肥43 d與第1 d相比，CK、 H1、 H2、 H3中速效鉀增幅達(dá)到64.91%、 76.00%、 96.00%、 84.02%，說明添加硫酸可以較好將鉀素轉(zhuǎn)化成可溶性鉀以及交換性鉀，利于堆肥產(chǎn)品中鉀素被植物吸收利用，特別是H2處理。圖6中速效鉀在全鉀中的百分比在堆肥過程中出現(xiàn)波動(dòng)，但總體趨勢(shì)是增加的，其百分比出現(xiàn)降低的時(shí)候，可能是當(dāng)時(shí)速效鉀的增加量小于全鉀的增加量的緣故。堆肥結(jié)束時(shí)，不同處理中速效鉀占全鉀的百分比基本達(dá)到75%左右。

2.7 堆體中磷的變化

圖6 不同添加量的硫酸對(duì)堆肥過程中鉀的影響Fig.6 Potassium in the composting with different amounts of sulfuric acid

圖7 不同添加量的硫酸對(duì)堆肥過程中磷的影響Fig.7 Phosphorus in the composting with different amounts of sulfuric acid

2.8 種子發(fā)芽指數(shù)的變化

發(fā)芽指數(shù)是用來評(píng)價(jià)培養(yǎng)介質(zhì)對(duì)植物毒性的參數(shù)，是檢驗(yàn)堆肥腐熟度最精確最有效的方法，一般認(rèn)為當(dāng)GI大于50%時(shí)，堆肥基本腐熟且沒有毒性，當(dāng)GI大于80%時(shí)堆肥已完全腐熟，對(duì)植物的毒性完全消失[18]。

圖8 不同添加量的硫酸對(duì)堆肥過程中發(fā)芽指數(shù)的影響Fig. 8 Changes of seed germination index in the composting with different amounts of sulfuric acid

圖8顯示，堆肥3天采集樣品時(shí)，添加硫酸處理的發(fā)芽指數(shù)略有下降，可能由于此時(shí)添加硫酸處理堆體內(nèi)微生物活動(dòng)劇烈，產(chǎn)生大量有機(jī)酸所致; 隨后發(fā)芽指數(shù)開始上升，在堆肥20 d以后，試驗(yàn)中4個(gè)處理發(fā)芽指數(shù)均大于50%，說明此時(shí)堆體已基本腐熟; 堆肥結(jié)束時(shí)CK、 T1、 T2、 T3處理中發(fā)芽指數(shù)分別達(dá)到81.54%、 84.01%、 93.46%、 90.28%，均大于80%，說明添加硫酸不會(huì)對(duì)堆肥產(chǎn)品產(chǎn)生植物毒害作用。

3 討論

硫酸是農(nóng)業(yè)上制造農(nóng)藥和化肥的常用原料，常用來改良高pH值的石灰質(zhì)土壤，在調(diào)節(jié)堆肥pH值的應(yīng)用中直接應(yīng)用硫酸的較少。本試驗(yàn)處理中，在添加不同濃度硫酸之后，各處理均可進(jìn)行高溫堆肥。在添加不同濃度硫酸之后，堆肥中氮的固定效果增強(qiáng)，有機(jī)碳得到充分降解(圖4)，這與顧文杰等[7]、 黃懿梅等[19]、 林小風(fēng)等[20]的研究結(jié)果相似。李曉娜等[21]研究表明，在堿性土壤中添加改良劑在降低土壤pH值的同時(shí)，可以活化土壤磷的有效性，徐鵬翔[22]研究表明，在豬糞中添加腐植酸可以使有效鉀得到顯著增加，有效磷得到活化，但轉(zhuǎn)化效果不明顯。該試驗(yàn)中添加硫酸處理，堆體中有效養(yǎng)分得到活化，添加0.2 mol/L硫酸處理下有效養(yǎng)分含量最高(圖6、 圖7)。堆體結(jié)束時(shí)發(fā)芽指數(shù)均大于80%，EC值最大為3.02 mS/cm，說明添加硫酸雖然活化了鹽分離子的活性，但是對(duì)作物生長不會(huì)產(chǎn)生抑制作用。

本試驗(yàn)從保氮以及養(yǎng)分元素有效性來看，使用0.2 mol/L硫酸效果最好，pH值降低幅度最大的是0.3 mol/L硫酸，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要謹(jǐn)慎選擇硫酸濃度，同時(shí)如果需要更大幅度降低牛糞pH值，在增大硫酸濃度的同時(shí)，應(yīng)注意使堆肥達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

1)本試驗(yàn)進(jìn)展中，CK、 H1、 H2、 H3 4個(gè)處理中堆肥高溫期(≥50℃)均大于10 d，達(dá)到畜禽糞便無害化的要求，堆肥結(jié)束時(shí)EC值在3 mS/cm以下，不會(huì)對(duì)作物生長產(chǎn)生毒害作用。

3)加入適當(dāng)?shù)牧蛩崮芴岣叨逊十a(chǎn)品中全量養(yǎng)分及速效養(yǎng)分的含量，尤其是使用0.2 mol/L的硫酸時(shí)，在堆肥結(jié)束的時(shí)候，養(yǎng)分含量最高，從養(yǎng)分元素的有效性上來說使用0.2 mol/L的硫酸處理堆肥腐熟效果最好。

4)各處理的發(fā)芽指數(shù)表明，堆肥20 d之后，堆體已達(dá)到基本腐熟，堆肥結(jié)束時(shí)，已達(dá)到完全腐熟，對(duì)植物無毒害作用，其中添加0.2 mol/L硫酸堆體發(fā)芽指數(shù)最高。

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