低溫環(huán)境下水稻秸稈與牛糞混合堆肥效果研究

張?zhí)N琦，徐鳳花*，張 晴，張書敏，吳 優(yōu)

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030；2.河南新網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測服務(wù)有限公司，河南鄭州 450000)

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低溫環(huán)境下水稻秸稈與牛糞混合堆肥效果研究

張?zhí)N琦1，徐鳳花1*，張 晴2，張書敏1，吳 優(yōu)1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030；2.河南新網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測服務(wù)有限公司，河南鄭州 450000)

[目的]實現(xiàn)低溫季節(jié)水稻秸稈和牛糞的資源化利用。[方法]以25%水稻秸稈+75%牛糞作為對照(CK)，設(shè)置25%水稻秸稈+75%牛糞+5‰低溫發(fā)酵劑、35%水稻秸稈+65%牛糞+5‰低溫發(fā)酵劑2個處理，分別進(jìn)行堆肥，研究低溫發(fā)酵劑及不同水稻秸稈用量對堆肥效果的影響。[結(jié)果]25%水稻秸稈+75%牛糞+5‰低溫發(fā)酵劑、35%水稻秸稈+65%牛糞+5‰低溫發(fā)酵劑處理的高溫期持續(xù)7和8 d，高溫持續(xù)時間長。CK堆溫始終未進(jìn)入高溫期。堆肥結(jié)束時，25%水稻秸稈+75%牛糞+5‰低溫發(fā)酵劑、35%水稻秸稈+65%牛糞+5‰低溫發(fā)酵劑處理和CK的有機質(zhì)含量分別較初始降低了31.72、30.54和14.10個百分點，粗纖維降低了32.44、33.09和15.00個百分點。經(jīng)方差分析，水稻秸稈用量為25%～35%時，有機質(zhì)及粗纖維降解率差異不顯著，而對照與2個處理間差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。[結(jié)論]低溫發(fā)酵劑可促使堆體升溫，加快有機質(zhì)及粗纖維的降解。

牛糞；水稻秸稈；低溫發(fā)酵劑；堆溫；有機質(zhì)；粗纖維

黑龍江省是奶牛養(yǎng)殖的黃金地帶，2013年牛糞尿量為10 946.77萬t[1]，新鮮牛糞含水率高達(dá)80%以上，通透性差，難以直接堆肥發(fā)酵，尤其是低溫季節(jié)，導(dǎo)致大量堆積，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費。新鮮牛糞堆肥時一般采用固液分離及晾曬方式降低水分，但固液分離耗能大，成本高，產(chǎn)生的廢液難以處理，晾曬過程會污染周圍環(huán)境。

黑龍江水稻秸稈資源豐富，2013年水稻秸稈總量為2 400.00萬t，占秸稈總量的39.3%[2]。水稻秸稈木質(zhì)素縮聚單元比例較高，與纖維素和半纖維素結(jié)合較緊密，同時硅質(zhì)化程度高[3]，降解速度緩慢。但其含水率低，碳氮比高，與牛糞混合，既可以吸附牛糞水分，又能降低水稻秸稈的碳氮比，能達(dá)到堆肥適宜的含水率和碳氮比，從而提高堆肥效果。筆者研究了低溫環(huán)境下以水稻秸稈吸附牛糞水分直接堆肥，利用低溫發(fā)酵劑促使堆體起溫與粗纖維快速降解，旨在為低溫下水稻秸稈和牛糞廢棄物的處置提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 堆肥材料：牛糞、水稻秸稈(表1)。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院應(yīng)用微生物研究室研制的低溫發(fā)酵劑，由細(xì)菌、放線菌和真菌組成。

1.2 試驗設(shè)計 將粉碎3～5 cm的水稻秸稈、新鮮牛糞與低溫發(fā)酵劑按一定用量混合均勻，共設(shè)3個處理。處理①，25%水稻秸稈+75%牛糞+5‰低溫發(fā)酵劑；處理②，35%水稻秸稈+65%牛糞+5‰低溫發(fā)酵劑；處理③(CK)，25%水稻秸稈+75%牛糞。2個處理及CK分別在3條發(fā)酵槽(70.0 m×3.0 m×1.5 m)中堆積發(fā)酵。每處理3次重復(fù)，根據(jù)堆溫用翻倒設(shè)備進(jìn)行翻堆。

1.3 樣品采集 用探頭溫度計每天8：00、12：00和17：00測定堆體上部(0.3 m)、中部(0.5 m)、下部(0.7 m)的堆溫和環(huán)境溫度，取堆溫平均值。從不同處理的堆體上、中、下部多點取樣，分別混合均勻，四分法保留500 g。

1.4 測定項目與方法 采用105 ℃恒溫干燥法測定堆肥含水率；采用重鉻酸鉀容量法測定有機質(zhì)含量[4-5]；采用重鉻酸鉀外加熱法測定全碳含量[6]；采用H2SO4-鉻粒-混合催化劑消煮法測定全氮含量[7]；采用范式洗滌纖維分析法[8]測定粗纖維含量。

表1 堆肥材料的主要理化性質(zhì)

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計 通過SPSS數(shù)據(jù)處理軟件對有機質(zhì)與粗纖維降解率進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫發(fā)酵劑與水稻秸稈用量對堆溫的影響 在環(huán)境溫度10 ℃左右進(jìn)行水稻秸稈與牛糞混合堆肥，堆溫變化情況見圖1。從圖1可知，處理①、② 1 d后堆溫分別為27.4和31.6 ℃，而CK為18.7 ℃，起溫緩慢。辛玉華等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在低溫條件下低溫菌的細(xì)胞膜仍具有流動性，對胞外營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和運輸能力強，所產(chǎn)低溫酶催化效率高，能夠利用原料中的糖類、淀粉、氨基酸等有機物大量繁殖，產(chǎn)生生物熱，因此低溫發(fā)酵劑可以促使堆體起溫。

當(dāng)堆體起溫后，中溫菌開始生長繁殖，堆溫繼續(xù)上升，處理①、②分別在第5天和第4天進(jìn)入高溫期，而CK的堆溫始終在40 ℃以下。這與何惠霞等[10]的稻殼粉與牛糞混合堆肥及劉陽等[11]的玉米秸稈與牛糞混合堆肥的結(jié)果一致，表明低溫發(fā)酵劑可以使堆溫快速升高進(jìn)入高溫期。同時，由于水稻秸稈物理結(jié)構(gòu)蓬松，與牛糞混合時，增加了用量，這可以提高堆料的通氣性，為好氧微生物提供充足的氧氣，使其快速生長繁殖產(chǎn)生生物熱。處理①、②分別在第8天和第5天溫度最高，分別達(dá)到56.8和59.0 ℃，高溫期分別為7和8 d。這表明水稻秸稈用量大，升溫速度快，高溫期持續(xù)時間長。

堆肥后期，由于營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，致使微生物活性降低，堆溫開始持續(xù)下降。根據(jù)GB 7959—87《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[12]，堆溫在50 ℃以上5～7 d，就達(dá)到糞便無害化要求，因此，處理①、②均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 各處理堆肥過程中溫度的變化動態(tài)Fig.1 Variation trends of compost temperature

2.2 低溫發(fā)酵劑與水稻秸稈用量對堆肥含水率的影響 從圖2可知，處理①、②前期堆溫低，水分蒸發(fā)量少，含水率下降速度緩慢。高溫期水分蒸發(fā)量大，同時由于翻堆使水分隨熱量散失，含水率迅速降低。堆肥結(jié)束時，處理①、②的含水率分別為43.90%和42.20%，較初始含水率分別下降26.47和30.13個百分點。由于CK的堆溫始終較低，水分蒸發(fā)少，含水率較初始下降16.64個百分點。這表明可以利用水稻秸稈吸附牛糞水分以滿足堆肥要求，省去了固液分離和晾曬環(huán)節(jié)，既降低了成本，又減少了環(huán)境污染。

圖2 各處理堆肥含水率的變化動態(tài)Fig.2 Variation trends of water contents in different treatments

2.3 低溫發(fā)酵劑與水稻秸稈用量對堆肥有機質(zhì)含量的影響 處理①、②前4 d處于升溫期(圖1)，微生物主要降解簡單易分解的有機物，有機質(zhì)降解率為6.30%和13.39%，說明水稻秸稈用量大，使堆料中溶解氧量增多，微生物生長繁殖旺盛，有機質(zhì)降解快。高溫期纖維素、木質(zhì)素等難降解有機物開始降解，有機質(zhì)降解率提高。從圖3可知，處理①的有機質(zhì)下降幅度大于處理②，高溫期結(jié)束時有機質(zhì)含量相差不大。后期由于高溫部分微生物休眠或死亡，同時堆料中營養(yǎng)物質(zhì)被大量消耗，使有機質(zhì)降解緩慢。雖然CK與處理①的水稻秸稈用量相同，但因未加入低溫發(fā)酵劑，堆肥過程堆溫較低，有機物降解緩慢。結(jié)束時，處理①、②及CK的有機質(zhì)含量分別為473.0 g/kg、486.0 g/kg和595.0 g/kg，分別較初始降低了31.72、30.54和14.10個百分點。LSD多重分析表明，CK與處理①、②的差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，說明低溫發(fā)酵劑在促使堆體升溫過程中加快了有機質(zhì)的降解。水稻秸稈用量為25%～35%時，有機質(zhì)降解率差異不顯著，對于水稻秸稈用量高于35%時，其對有機質(zhì)降解的影響還有待進(jìn)一步研究。

圖3 各處理有機質(zhì)含量的變化動態(tài)Fig.3 Variation trends of organic matter content in different treatments

圖4 各處理全碳含量的變化動態(tài)Fig.4 Variation trends of total C contents in different treatments

2.4 低溫發(fā)酵劑與水稻秸稈用量對堆肥全碳含量的影響 從圖4可知，堆肥過程中全碳含量的變化趨勢與有機質(zhì)基本相同。升溫期，水稻秸稈用量大，提高了堆料的通氣性，含碳有機物降解速度快，全碳含量降幅較大。高溫期處理①下降幅度大于處理②。后期營養(yǎng)物質(zhì)開始減少，微生物活性降低，碳素礦化作用減弱。堆肥結(jié)束時，處理①、 ②的全碳含量為274.4 g/kg和281.9 g/kg，分別較初始降低31.71和30.55個百分點，而CK較初始僅降低14.11個百分點。這表明低溫發(fā)酵劑可使碳素礦化作用增強，全碳含量降低。

圖5 各處理全氮含量的變化動態(tài)Fig.5 Variation trends of total N contents in different treatments

2.6 低溫發(fā)酵劑與水稻秸稈用量對C/N的影響 由于升溫期全碳與全氮含量減少，前者減少量大于后者，因此C/N下降幅度大(圖6)。高溫期全碳含量迅速降低，全氮含量升高，C/N下降較快。堆肥后期C/N逐漸穩(wěn)定。C/N能夠反映堆肥的腐熟度，一般認(rèn)為，C/N為15～20時堆肥腐熟[14]。宋彩紅等[15]建議采用T=(終點C/N)/(初始C/N)來判斷腐熟度，當(dāng)T小于0.6表示堆肥腐熟。堆肥結(jié)束時，處理①、②的C/N為15.6和17.1，T為0.54和0.57，均小于0.60，達(dá)到堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)，CK的C/N變化小，為22.5，T為0.78，未達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 各處理C/N的變化動態(tài)Fig.6 Variation trends of C/ N ratio in different treatments

2.7 低溫發(fā)酵劑與水稻秸稈用量對堆肥粗纖維含量的影響 從圖7可以看出，水稻秸稈用量大，初始粗纖維含量略高。升溫期水稻秸稈用量增加，堆料通氣性增強，微生物對粗纖維的降解速度加快。高溫期微生物開始利用半纖維素、纖維素和木質(zhì)素等有機物，粗纖維含量迅速降低，下降速度較升溫期快。CK由于未加入低溫發(fā)酵劑，堆溫低，纖維素降解緩慢，粗纖維含量始終較高。堆肥結(jié)束時，處理①、②和CK的粗纖維含量分別為352.0 g/kg、362.0 g/kg和442.0 g/kg，分別較初始降低了32.44、33.09和15.00個百分點。

經(jīng)方差分析，CK與處理①、②存在極顯著差異(P<0.01)，表明低溫發(fā)酵劑能夠促進(jìn)粗纖維的降解。水稻秸稈用量為25%～35%時，粗纖維降解率差異不顯著。而對于更大用量的水稻秸稈與牛糞混合堆肥時，堆料粗纖維含量的變化動態(tài)仍有待研究。

3 結(jié)論

(1)利用水稻秸稈與牛糞混合堆肥，使堆肥物料含水率下降到約60%，C/N調(diào)至29左右，滿足堆肥適宜的條件。

(2)25%和35%的水稻秸稈與牛糞混合堆肥時，在低溫發(fā)酵劑的作用下，堆體迅速起溫，后者較前者提前1 d進(jìn)入高溫期，且高溫持續(xù)時間長。未加入低溫發(fā)酵劑的CK起溫慢，始終未進(jìn)入高溫期。

(3)25%水稻秸稈+75%牛糞+5‰低溫發(fā)酵劑和35%水稻秸稈+65%牛糞+5‰低溫發(fā)酵劑2個處理的有機質(zhì)和粗纖維降解率無顯著差異。2個處理有機質(zhì)的降解率分別是CK的2.25和2.17倍，粗纖維降解率分別是CK的2.16和2.21倍，處理與CK的有機質(zhì)及粗纖維降解率均達(dá)到差異極顯著水平(P<0.01)，表明低溫發(fā)酵劑能夠加快其降解。

[1] 韋春波，李洋洋，孫廣濤，等.黑龍江省畜禽糞便的排放量及時空分布特征[J].黑龍江畜牧獸醫(yī)，2016(12)：63-66.

[2] 孫彬，張楠，崔昌龍，等.黑龍江省作物秸稈綜合利用現(xiàn)狀、存在問題與發(fā)展建議[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43(6)：238-239.

[3] 徐杰.水稻秸稈降解放線菌的分離鑒定及其降解機理研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011：4-10.

[4] 施寵，張小娥，沙依甫加瑪麗，等.牛糞堆肥不同處理全N、P、K及有機質(zhì)含量的動態(tài)變化[J].中國牛業(yè)科學(xué)，2010，36(4)：26-29.

[5] 夏清華，黃永東，黃永川，等.土壤有機質(zhì)重鉻酸鉀容量法最佳測定條件的探索[J].南方農(nóng)業(yè)，2014，8(6)：35-37.

[6] 李小涵，王朝輝.兩種測定土壤有機碳方法的比較[J].分析儀器，2009(5)：78-80.

[7] 鮑艷宇，周啟星，顏麗，等.畜禽糞便堆肥過程中各種氮化合物的動態(tài)變化及腐熟度評價指標(biāo)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2008，19(2)：374-380.

[8] 胡華.高效纖維素降解菌株的篩選及其復(fù)合系菌劑在秸稈堆肥中的應(yīng)用[D].雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008：18.

[9] 辛玉華，周宇光，東秀珠.低溫細(xì)菌與古菌的生物多樣性及其冷適應(yīng)機制[J].生物多樣性，2013，21(4)：468-480.

[10] 何惠霞，徐鳳花，趙曉鋒，等.低溫下牛糞接種發(fā)酵劑對堆肥溫度與微生物的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，38(1)：54-58.

[11] 劉陽，徐鳳花，王彥偉，等.低溫復(fù)合發(fā)酵劑對冬季牛糞堆肥微生物多樣性的影響[J].中國土壤與肥料，2012(3)：94-98.

[12] 中國預(yù)防醫(yī)科院環(huán)衛(wèi)所.糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)：GB 7959—1987[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[13] 劉春梅，徐鳳花，曹艷花，等.除臭菌株對NH3和H2S釋放及物質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011，30(3)：585-590.

[14] 馬迪，趙蘭坡.禽畜糞便堆肥化過程中碳氮比的變化研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2010，26(14)：193-197.

[15] 宋彩紅，賈璇，李鳴曉，等.沼渣與畜禽糞便混合堆肥發(fā)酵效果的綜合評價[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013(24)：227-234.

Effects of Mix Compost with Rice Straw and Cow Dung under Low Environment

ZHANG Yun-qi1, XU Feng-hua1*, ZHANG Qing2et al

(1. College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin, Heilongjiang 150030; 2. Henan New Network Environmental Monitoring Service Co., Ltd., Zhengzhou, Henan 450000)

[Objective] To realize the resource utilization rice straw and cow dung under low environment. [Method] With 25% rice straw + 75% cow dung as the control (CK), two treatments were designed, which were 25% rice straw + 75% cow dung + 5‰ low temperature complex microbial agent, and 35% rice straw + 65% cow dung + 5‰ low temperature complex microbial agent. After compost, effects of low temperature complex microbial agent and rice straw dosage on compost were researched. [Result] Two treatments (25% rice straw + 75% cow dung + 5‰ low temperature complex microbial agent, and 35% rice straw + 65% cow dung + 5‰ low temperature complex microbial agent) had high temperature for 7 and 8 d, respectively, which were relatively long. However, heap temperature of the control did not have high temperature period. At the end of compost, organic matter contents in 25% rice straw + 75% cow dung + 5‰ low temperature complex microbial agent, 35% rice straw + 65% cow dung + 5‰ low temperature complex microbial agent and the control reduced by 31.72, 30.54 and 14.10 percentage points, respectively, compared with the initial values. And crude fibers reduced by 32.44, 33.09 and 15.00 percentage points. Variance analysis showed that when the dosage of rice straw was between 25%-35%, degradation rates of organic matter and crude fiber showed no significant differences; while differences between control and treatments reached extremely significantly level. [Conclusion] Low temperature complex microbial agent promotes the temperature increase of compost, and accelerates the degradation of organic matter and crude fiber.

Cow dung; Rice straw; Low-temperature complex microbial agent; Heap temperature; Organic matter; Crude fiber

“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAD14B06)；哈爾濱市技術(shù)成果轉(zhuǎn)化項目(2014DB3BN037)。

張?zhí)N琦(1993-)，女，黑龍江五常人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)廢棄物無害化處理與肥料化利用。*通訊作者，教授，碩士生導(dǎo)師，從事應(yīng)用微生物研究。

2016-08-11

S 141.4

A

0517-6611(2016)29-0112-03