初始pH值對畜禽糞便和菌渣混合高溫堆肥的影響

姜新有，王曉東，周江明?，鄭建斌

（江山市農業(yè)技術推廣中心，浙江江山324100）

初始pH值對畜禽糞便和菌渣混合高溫堆肥的影響

姜新有，王曉東，周江明?，鄭建斌

（江山市農業(yè)技術推廣中心，浙江江山324100）

以豬糞和菌渣為主要原料，過磷酸鈣和石灰作為pH調節(jié)劑，設計8個不同pH值的堆肥處理，研究堆肥初始pH值與堆肥腐熟進程及理化性狀的關系。結果表明，在本試驗條件下，隨著堆肥初始pH值的提高，堆肥升溫速率、最高溫度和有機物降解率均上升。然而，pH值的提高導致堆肥中NH+4-N的積累量下降，堆肥產品中氮素損失上升。綜合考慮堆肥效率和產品質量等因素，建議畜禽糞便堆肥中添加石灰量不要超過堆料鮮質量的0.6%或添加過磷酸鈣量不要超過堆料鮮質量的5.2%。堆肥初始pH值在6.42～6.83之間有利于減少氮素損失和提高堆肥效率。

pH值；農業(yè)廢棄物；堆肥；銨氮累積

堆肥是一個利用微生物降解轉化有機物的生化過程，微生物活性強度直接影響堆肥進程及堆肥質量，因此，堆肥中微生物的活動環(huán)境是堆肥能否順利進行的重要因素。其中，pH值是一個對微生物環(huán)境有較大影響的參數，控制pH值在合理的范圍內能極大地加快堆肥腐熟速率［1］，而過高或過低則均會降低甚至抑制微生物的活性，引發(fā)堆肥降解變慢、產生臭氣及氮素損失等問題［2-5］。據報道，當堆肥的pH值＜6.0時，生活垃圾高溫堆肥中主要微生物（如Bacillales、Actinobacteria）的活性受到嚴重抑制，有機物降解出現(xiàn)停滯狀態(tài)，直到pH值上升到6.5以上，其活性才開始增強，同時，堆體中的耐酸菌（如Lactobacteria、Clostridia）卻非?；钴S，它們新陳代謝所產生的各類有機酸發(fā)出惡臭氣味，污染周邊大氣環(huán)境［6-7］。當堆肥的pH值＞8.0時，堆肥中有機物降解產生的氨氣揮發(fā)量迅速上升，造成氮素大量損失［5］，特別是含氮量較高的畜禽糞便類廢棄物堆肥時，氮素損失更為嚴重，平均損失約占堆肥總氮量的40.0%［8］，主要以NH3、N2、NOx等形式散發(fā)到大氣中，其中，以氣態(tài)NH3形式損失的氮量最多，占氮總損失的44% ～99%［9］，大量氨氮的揮發(fā)同樣給周邊環(huán)境帶來臭味且導致堆肥品質下降。因此，研究畜禽糞便堆肥過程中各理化性狀與pH值的關系，探明堆肥適宜的pH值，可以為微生物繁殖創(chuàng)造有利的環(huán)境條件，提高堆肥效率，這對于利用畜禽糞便規(guī)?；a有機肥具有重大的現(xiàn)實意義。為此，本研究以豬糞與菌渣2種農業(yè)廢棄物為主要原料，用石灰和過磷酸鈣作為添加劑調節(jié)堆肥初期pH值，探索不同pH值對堆肥養(yǎng)分控制及堆肥進程的影響。

1 材料與方法

1.1 堆肥原料

試驗用鮮豬糞來自浙江天逢畜業(yè)有限公司生態(tài)養(yǎng)殖場，菌渣由江山市食用菌根根公司提供，米糠粉從浦城縣稻谷加工廠采購，磷礦粉采購于鄰近的肥料銷售門市部（江西省玉山磷肥廠生產）。供試材料的基本性狀見表1。

1.2 堆肥設計

試驗材料每個處理總計1 550 kg，其中，鮮豬糞1 000 kg，菌渣250 kg，糠粉200 kg，磷礦粉100 kg，有機物料均為鮮質量。共設8個處理，其中，A1、A2、A3分別添加5、10、20 kg的石灰，約占堆料鮮質量的0.3%、0.6%、1.3%；A4、A5、A6、A7分別添加過磷酸鈣40、80、160、240 kg，約占堆料鮮質量的2.5%、5.2%、10.3%和15.5%；A0不加添加劑。通過調節(jié)后，A0～A7各處理堆料的初始pH值分別為6.68、6.72、6.83、7.13、6.73、6.42、5.83和5.55。各處理原料用攪拌機充分拌勻后堆放于發(fā)酵槽中進行發(fā)酵（發(fā)酵槽長×寬×高=100 m×2m×1 m），每個處理間隔為4m，發(fā)酵槽上方有玻璃鋼瓦蓋頂，避免雨水淋到堆肥。堆肥時間從2014年8月31日開始，10月20日結束，共52 d，8月31日—9月30日每隔1 d翻堆1次，10月1日—10月20日每隔4 d翻堆1次。

1.3 樣品采集

8月31日—9月30日每隔1 d在翻料均勻后取樣，在10月5日、10日再取2個樣，每個處理整個堆肥過程共取18個樣品。每次取2個重復樣（平行樣），每個樣品分為2份，1份鮮樣直接用于測定水分和pH值，另1份鮮樣風干磨樣后送浙江天蓬畜業(yè)有限公司化驗室或江山市農產品質量檢測中心分析，本研究中所有養(yǎng)分含量均為干基含量。

1.4 測定項目與方法

8月31日—9月30日每天和10月1日—10月20日每2天上午8點至9點（遇堆肥時在翻堆前）測堆肥溫度。溫度計插入堆肥深度約40 cm，等數字穩(wěn)定后直接讀取堆體溫度（T），每個處理測定5個點，取平均值，同時測定環(huán)境溫度。用蒸餾水浸提鮮樣，固液質量體積比為1∶10，采用PHS-3CT型 pH計測定 pH值，干樣中有機質（OM）用重鉻酸鉀氧化法測定，堆肥中累積銨態(tài)氮（NH+4-N）采用納氏試劑法測定，總氮（TN）用凱氏定氮法、總磷（TP）用釩鉬酸銨比色法、總鉀（TK）用火焰光度計法測定。以上測定方法均參照文獻［10］進行。

表1 供試材料的基本性質Table 1 The basic characteristics of compost materials

1.5 數據處理

試驗數據用Excel 2010進行統(tǒng)計分析，用Origin Pro 8.6軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中pH值、溫度和含水率的變化

2.1.1 pH值

Nakasaki等［1］認為，畜禽糞便發(fā)酵過程的適宜pH值為6.5～7.5，因為這是微生物（特別是細菌和放射菌）生長最合適的酸堿度。本試驗各處理堆體初期pH值在5.55～7.13之間，除A5～A7處理初始pH值偏低外，其余處理的初始pH值均有利于堆肥進行。堆肥開始后，由于豬糞中蛋白質、尿素、尿酸等高氮有機物快速降解，產生的銨態(tài)氮在堆體中積累，導致pH值快速升高（圖1）。第13—21天，除A7處理外，各堆體最大pH值均達7.80～8.92。之后，因在高溫高pH條件下NH3揮發(fā)，堆體pH值有所下降并逐漸趨向平穩(wěn)。這一結果和Rashad等［11］研究結論一致。A7處理由于堆體pH值在全過程中基本處于7.0以下，堆肥中NH+4-N積累量越來越多，pH值呈現(xiàn)持續(xù)緩慢升高之勢。堆肥結束后，各處理最終pH值在7.41～8.69之間，且與堆肥初期pH值呈正相關，表明堆肥初期的酸堿度直接影響到最終堆肥產品的質量屬性。

圖1 不同處理pH值的變化Fig.1 Changes of pH value in different treatments

2.1.2 溫度

高溫是好氧堆肥的必要條件。堆料在微生物的強烈活動下釋放出大量熱量，促進堆體溫度上升并持續(xù)保持高溫狀態(tài)（＞55℃），這有利于殺死畜禽糞便中的各種病原體和雜草種子［11-12］，促進堆肥有機物快速分解［13］，確保農業(yè)廢棄物成為穩(wěn)定無害的有機肥料。在本試驗條件下，8個處理在微生物的強烈活動下，堆體溫度均緩慢上升（圖2），A0～A6處理的堆體溫度在9～13 d達到55℃以上，并可維持22～27 d；A7處理的堆體溫度則在第24天才達55℃以上，且僅保持了13 d。這表明堆肥升溫效率與初始pH值密切相關，升溫速率隨著pH值的提高而加快（表2）。堆體最高溫度除處理A7低于60℃外，其他處理達62.6～65.4℃，且基本上亦隨初始pH值的上升而提高。A0～A4處理的堆體溫度于43～51 d下降至40℃以下，表明大部分有機物已被降解，微生物活性減弱，逐漸進入低溫腐熟階段。此時，A5～A7處理的堆體溫度仍在50℃左右，微生物活動還相當活躍，仍處于高溫降解階段?？傮w來看，8個處理的初始pH值均適宜高溫堆肥，并可有效消除堆肥中的有害病菌，達到無害化標準要求，但初期pH值過低（＜6.5）會引起堆體升溫慢、溫度偏低、有機物降解緩慢等問題，延長堆肥成熟時間，降低堆肥效率。這與Augenstein等［14］研究認為堆肥初期堆體pH值過低會嚴重抑制堆肥反應進行的結論相符。

圖2 不同處理堆肥溫度的變化Fig.2 Changes of temperature in different treatments

表2 各處理堆肥溫度變化情況Table 2 Changes of temperature during composting

2.1.3 含水率

水分是微生物繁殖不可缺少的因素，堆肥的含水率一般以50% ～60%為宜［15］。過高的水分會減少堆體透氣性，造成堆體內部氧氣不足而發(fā)生厭氧降解，進而產生具有惡臭的各種有機酸。水分過低同樣妨礙微生物的新陳代謝，延緩堆肥的反應速度。本試驗堆肥初期含水率在51.57%～57.17%之間，隨著堆肥的進行，高溫蒸發(fā)和氣體流動帶走了堆體的部分水分［16］，因而堆肥中含水率總體上均呈下降趨勢（圖3），但不同處理間水分損失速率有較大差異，總體上呈初始pH越高堆肥含水率下降越快的趨勢，表明水分下降率和堆肥初期pH值呈正相關。

圖3 不同處理堆肥含水率的變化Fig.3 Changes of moisture content in different treatments

2.2 堆肥過程養(yǎng)分的變化

2.2.1 銨態(tài)氮

畜禽糞便堆肥過程中，大量易被微生物生長繁殖利用的蛋白質、尿素或尿酸等有機氮，在堆肥升溫及高溫階段快速降解成簡單的無機銨態(tài)氮，這是造成堆體pH值快速上升的主要原因。如果pH值上升至7.0以上，則銨態(tài)氮向氨氣轉化并揮發(fā)［17］，特別是當pH值＞8時，氨氣揮發(fā)增幅迅速上升，造成氮素大量損失［5］，導致堆肥中累積的銨態(tài)氮量下降。從表3可以看出，堆肥初期各處理間NHN量在1.67～4.34 g·kg-1之間，堆肥開始后各處理銨態(tài)氮變化趨勢并不相同（圖4），A4～A7處理基本上保持持續(xù)上升之勢，至堆肥結束，NH-N量分別提高了 19.0%、6.8%、73.7%和49.8%；與 A0處理相比，A5、A6、A7處理堆肥結束時的 NH-N量分別高出32.2%、120.7%和159.0%。A0～A3處理在堆肥過程中，NH-N出現(xiàn)2個小高峰：1～5 d，受溫度上升及有機物分解產生大量NH3的影響，堆體NH-N量迅速上升，達到第1個小高峰，pH值同時也提高到7.0以上（圖1），隨后在高溫及高pH值條件下，NH-N向NH3-N轉化并揮發(fā)，揮發(fā)量大于有機物降解過程中新產生的NH3-N量，造成堆肥中NH-N緩慢下降，這與Pagans等［18］認為NH3排放主要集中在堆肥高溫前期的論點相符；至21～23 d降至最低點后又緩慢上升，經過10 d上升期達第2個小高峰，最后溫度逐漸下降，殘留有機物越來越難降解，堆體產生NH3越來越少，累積于堆肥中的部分NH3-N經硝化作用轉為硝態(tài)氮［19］，NH-N積累量開始下降直到結束。堆肥結束后，A0～A3處理的NH-N分別較開始時提高了4.1%、11.6%、5.4%和23.4%。上述變化表明，降低堆肥初期 pH值，可有效減少NH3-N的揮發(fā)，提高堆肥NH-N累積量進而增加氮養(yǎng)分含量。分析堆肥初始pH值和堆肥結束時NH-N含量關系，它們呈顯著的負相關關系。諸多學者在之前的研究中也認為，通過添加硫酸、磷酸及過磷酸鈣等酸性物質來降低堆肥初期pH值，有促進氨向銨轉化而減少揮發(fā)之效果［2，4，20-21］，本試驗結果與他們的結論相符。

2.2.2 總氮

堆肥中總氮主要包括有機氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮等，在不同的堆肥條件及堆肥進程中可以相互轉化。一般來說，氮素會因含水溶性氮的滲濾液淋溶、氨態(tài)氮及硝態(tài)氮的揮發(fā)而損失［9］，但當微生物降解有機物造成碳損失量大于氮損失量時，總氮的相對含量會因堆體“濃縮效應”而上升。如圖4所示，各處理總氮含量在升溫期和高溫前期由于氨態(tài)氮揮發(fā)量大而快速下降，各處理于17～21 d降到最低點?？傮w來看，處理pH值越高、在這一時期的氮素損失越大。進入高溫后期至結束，有機物降解產生大量CO2揮發(fā)和H2O蒸發(fā)，而氨揮發(fā)已逐漸減少，氮素在濃縮的堆體中以生物氮形式固定下來，促進總氮含量上升并趨向穩(wěn)定［22］。堆肥結束后，各處理總氮含量與初期相比小幅下降（表3）。

圖4 不同處理堆肥養(yǎng)分的變化Fig.4 Changes of nutrients in different treatments

表3 堆肥初期和結束時堆體主要理化性狀Table 3 Characteristics of initial and final compost materials

2.2.3 總磷、總鉀

堆肥中磷、鉀不會產生揮發(fā)損失，主要以滲濾液淋失為主［23-24］，故而相對量一般會隨著堆體質量和體積減小而上升。如圖4所示，A0～A3處理的總磷含量和A0～A7處理的總鉀含量隨著堆肥的進程而緩慢增加，至結束分別增22.4%～33.8%和7.4% ～27.6%（表3）。A4～A7處理的總磷含量則呈先下降再上升之勢，這可能與添加過磷酸鈣后堆肥中水溶性磷含量大幅上升有關，高含量磷素的滲濾液下瀝到底層徑流出堆體而造成磷的大量損失，同時低pH值情況下有機物降解又十分緩慢，在磷損失量大于堆肥有機物因降解所減少的干物質量時，總磷含量出現(xiàn)下降，之后由于堆體含水率減少，滲濾液淋失現(xiàn)象基本停止，總磷含量開始緩慢上升，最終增1.4%～18.8%。

2.3 堆肥過程有機質和C/N的變化

有機質是堆肥微生物能量和熱量的來源，堆肥有機物在微生物強烈活動下降解成NH3、CO2、H2O等氣態(tài)物而散發(fā)，同時釋放出大量熱量，隨著堆肥進行，有機質總量呈持續(xù)下降狀態(tài)。如圖5所示，除A3處理有機質一直呈下降趨勢外，其他處理有機質均呈現(xiàn)先上升后下降的過程，上升持續(xù)時間隨著堆肥初期pH值的降低而延長，增幅以A5處理最高，至第17天，比初期提高了13.7%。這一結果與諸多研究中有機質均是緩慢下降的過程不符，這可能和豬糞堆肥中含大量高氮有機物（如蛋白質、氨基酸、尿素、尿酸等）有關。氮量豐富而碳源不足使堆肥C/N偏低（表3），微生物在生長繁殖過程中會再次利用有機物降解所產生的CO2，以滿足細胞合成原生質的需要，而降解殘留的富余NH3-N和H2O則揮發(fā)出堆體，導致堆體總質量下降、碳素被濃縮，而使有機質相對含量上升。秦莉等［25］研究也證實了低C/N堆肥中氮損失量大而碳排放量低的情況。之后，隨著堆體溫度持續(xù)升高，微生物劇烈活動導致碳素排放量迅速上升，有機質含量開始慢慢下降。至堆肥結束，各處理有機質含量和堆肥初期相比均有所下降，降幅在0.21%～16.32%之間，且降幅隨堆肥初始pH值的下降而下降。本試驗中有機質降解率總體上處于較低水平，這可能有兩方面的原因：一方面因試驗取樣在第41天結束，各處理堆肥溫度還處在較高狀態(tài)，有機質降解尚未完全停止；另一方面可能和堆肥低pH值對微生物的抑制作用有關。

C/N和堆肥腐熟程度密切相關，雖然不能作為絕對的腐熟指標，但C/N＜17時可以認為符合堆肥產品要求［26］。如圖5所示，各處理堆肥的C/N均呈先上升后下降的趨勢，表明堆肥前期氮素損失大于碳損失，C/N逐漸上升，之后，隨著微生物活動加劇，排放大量CO2至環(huán)境中，碳損失超過氮損失，此時C/N開始下降。堆肥結束與初期相比，除處理A7的C/N略有增加外，其他處理均下降，且呈初始pH值越高，降幅越大之勢。41 d后，各處理的C/N在19.4～22.0之間，按Kim等［26］觀點，堆肥產品還未達腐熟要求，需要延長時間進一步腐化。

圖5 不同處理堆肥有機質和C/N的變化Fig.5 Changes of organic matter and C/N in different treatments

3 結論

本研究利用豬糞和菌渣堆肥，探索堆肥初期pH值與堆肥產品理化性狀的關系。結果表明，在堆肥混合物中添加石灰提高pH值，能促進堆肥快速升溫并提高堆肥有機物的降解速率，但pH值上升加大了氨態(tài)氮的揮發(fā)損失，堆肥產品中銨態(tài)氮含量和總氮含量隨著初始pH值的提高而下降。然而，在堆肥混合物中添加過磷酸鈣來降低堆肥初始pH值，可提高堆肥中銨態(tài)氮含量，減少堆肥最終產品總氮損失，有效防止氨氣釋放所造成的氮素損失及環(huán)境污染，提高產品質量。綜合考慮生產效率、產品質量、環(huán)境保護等因素，建議豬糞與菌渣堆肥中石灰或過磷酸鈣的添加量不要超過堆料鮮質量的0.6%或5.2%，使堆肥初期pH值控制在6.42～6.83之間，確保氮素損失在較低水平的同時，最大限度地提高堆肥效率。

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（責任編輯 高 峻）

Effects of initial pH values on maturity and nitrogen loss during co-com posting of pigmanure and edible fungus residue

JIANG Xin-you，WANG Xiao-dong，ZHOU Jiang-ming?，ZHENG Jian-bin
（Agricultural Technique Popularization Centre of Jiangshan City，Jiangshan 324100，China）

In order to evaluate the effect of initial pH on maturity and nitrogen loss during co-composting with pig manure and edible fungus residue，8 co-composting treatments of varied initial pH values were designed，with lime and calcium super phosphate as acid-base additives.It was shown that the heating rate and decomposition rate of organic matter increased with the elevated initial pH.However，the elevated initial pH decreased NH+4-N accumulation，and induced higher N loss during composting.In conclusion，itwas suggested that any attempt to shorten the composting period and simultaneously improve the quality of compost，the initial pH should be controlled within 6.42-6.83 for co-composting of pig manure and edible fungus residue.The quantity of amended lime or calcium superphosphate for pH adjusting should be no more than 0.6%or 5.2%，respectively，of the fresh weight of composting mixture.

pH；agricultural wastes；composting；ammonium accumulation

S2

A

1004-1524（2016）09-1595-08

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.09.20

2016-03-22

江山市科技項目（2014C16）；浙江省科技項目（2015C32123）

姜新有（1961—），男，浙江江山人，農藝師，主要從事土壤肥力和肥料技術等研究和應用工作。E-mail：48683369@qq.com

?通信作者，周江明，E-mail：man_0034@163.com

浙江農業(yè)學報Acta Agriculturae Zhejiangensis，2016，28（9）：1595-1602 http://www.zjnyxb.cn姜新有，王曉東，周江明，等.初始pH值對畜禽糞便和菌渣混合高溫堆肥的影響［J］.浙江農業(yè)學報，2016，28（9）：1595 -1602.