不同有機(jī)物料配比對(duì)玉米秸稈高溫堆肥的影響

沈大春，敖俊華，周文靈，陳迪文，黃 瑩，黃振瑞，李奇?zhèn)ィ?永

（廣東省生物工程研究所（廣州甘蔗糖業(yè)研究所）/廣東省甘蔗改良與生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510316）

當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的快速發(fā)展使得農(nóng)業(yè)固體廢棄物資源的數(shù)量大幅增加，如果不加以合理處理和利用，將會(huì)造成資源大量浪費(fèi)和環(huán)境污染［1-3］。實(shí)踐證明，堆肥是處理固體有機(jī)廢棄物的有效途徑，是畜禽糞便和秸稈資源利用的主要措施之一，特別有利于堆肥原料達(dá)到無(wú)害化并生產(chǎn)商品有機(jī)肥，從而實(shí)現(xiàn)糞便和秸稈的資源化利用［4-6］。傳統(tǒng)的堆肥主要以畜禽糞便為原料，秸稈一般作為輔料用以調(diào)節(jié)堆肥的水分和碳氮比，但此方法處理秸稈資源的效率不高［7-8］。目前，以秸稈作為主要原料進(jìn)行堆肥化處理，其規(guī)模大、成本低，而且能夠在很大程度上保護(hù)環(huán)境，特別是避免焚燒秸稈帶來(lái)的問(wèn)題。然而，由于秸稈碳氮比較高，木質(zhì)纖維素組分含量高而且難降解，導(dǎo)致秸稈堆肥效率不高［9-11］，因此需要添加輔料補(bǔ)充秸稈中的可利用養(yǎng)分和彌補(bǔ)含氮的不足，以促進(jìn)高溫堆肥過(guò)程中微生物對(duì)秸稈的腐解效率。本試驗(yàn)以玉米秸稈為主要材料，添加中藥渣和固體氨基酸為輔料，同時(shí)以長(zhǎng)期秸稈堆肥浸出液調(diào)節(jié)水分，采用高溫好氧堆肥技術(shù)，研究了有機(jī)物料配比對(duì)玉米秸稈高溫堆肥的影響，以期為農(nóng)業(yè)廢棄物特別是秸稈資源的高效合理利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

堆肥原料包括玉米秸稈、固體氨基酸和中藥渣，來(lái)源于南京明珠肥料有限公司，皆為該公司有機(jī)肥生產(chǎn)用原料。玉米秸稈用大型裝載機(jī)充分碾破裂，形成條形碎料，以增大降解比表面積，促進(jìn)腐解。開(kāi)始堆肥時(shí)，用秸稈堆肥發(fā)酵廢水調(diào)節(jié)初始含水率在80%左右，堆肥原料的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

發(fā)芽試驗(yàn)用種子為中熟半緊湊型普通玉米蘇玉41，由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。

表1 堆肥原料的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在南京明珠肥料有限責(zé)任公司一塊水泥面廠房?jī)?nèi)進(jìn)行，堆體按長(zhǎng)5 m×寬2 m×高1.5 m自然堆置。設(shè)4個(gè)處理，分別為：T1，玉米秸稈1 000 kg（CK）；T2，玉米秸稈1 000 kg+中藥渣200 kg +固體氨基酸20 kg；T3，玉米秸稈1 000 kg +中藥渣150 kg +固體氨基酸15 kg；T4，玉米秸稈1 000 kg +中藥渣100 kg +固體氨基酸10 kg。

種子發(fā)芽試驗(yàn)：將圓形濾紙放置于9 cm玻璃平板內(nèi)，選取20粒玉米種子均勻鋪在濾紙上，每個(gè)處理加入堆肥發(fā)酵液5 mL，對(duì)照加純水5 mL，3次重復(fù)。然后置于30℃培養(yǎng)箱內(nèi)，培養(yǎng)72 h后記錄每個(gè)處理種子發(fā)芽數(shù)量和根長(zhǎng)。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

1.3.1 樣品采集 每隔5～7 d采集樣品1次，共采樣8次。采樣時(shí)每個(gè)處理從堆體上部、中部、下部各取50 g，3次重復(fù)，混勻。另外，分別在第9、22、36 d人工翻堆1次。

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定 溫度測(cè)定：每天上午10：00和下午14：00測(cè)定堆肥溫度，以堆體各范圍溫度平均值作為堆體的發(fā)酵溫度。測(cè)量時(shí)溫度計(jì)插入堆體表面50 cm以下，同時(shí)記錄環(huán)境溫度。

pH值和電導(dǎo)率（EC）的測(cè)定參照鮑士旦［12］的方法，碳氮比（C/N）采用德國(guó)PerkinElmer II型CHNS/O元素分析儀測(cè)定。

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）的測(cè)定方法［13］：測(cè)定種子的發(fā)芽率及發(fā)芽后3 d根長(zhǎng)，計(jì)算種子發(fā)芽指數(shù)：

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和Minitab軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機(jī)物料配比對(duì)玉米秸稈高溫堆肥過(guò)程中理化指標(biāo)的影響

由表2可知，不同比例有機(jī)物料T1～T4處理中，玉米秸稈堆肥各理化指標(biāo)都發(fā)生了明顯變化，其中堆體溫度經(jīng)升溫、高溫和降溫腐熟3個(gè)階段，各處理最高溫度均可達(dá)到70℃，T3處理后5 d升至最高溫度75℃，T4處理后11 d升至75℃，T2處理后5 d升至70℃，T1處理后11 d也可達(dá)到70℃；T1～T4處理EC值整體呈增加趨勢(shì)，但變化均在0～3 ms/cm范圍內(nèi)；與EC值變化類似，T1～T4處理pH值整體呈增加趨勢(shì)，變化都在7.0～8.5范圍內(nèi)；T1～T4處理C/N整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，T1處理C/N降幅相對(duì)較小，T2、T3處理C/N降幅均比T1處理大，以T3處理下降幅度最大，其最后C/N值為16.1。

表2 不同有機(jī)物料配比玉米秸稈堆肥過(guò)程中理化指標(biāo)變化

2.2 不同有機(jī)物料配比對(duì)玉米秸稈高溫堆肥過(guò)程發(fā)芽指數(shù)GI的影響

由表3可知，各處理種子發(fā)芽指數(shù)GI隨著堆肥的進(jìn)行總體均呈上升趨勢(shì)，至堆肥結(jié)束時(shí)，T1～T4處理的GI均達(dá)到50%以上，其中T3、T4處理的GI均達(dá)到60%以上，而GI值達(dá)到80%以上的僅有T3處理，T1處理的GI最低為53%。

2.3 不同有機(jī)物料配比對(duì)玉米秸稈高溫堆肥過(guò)程的主成分分析

以pH值、EC值、GI、C/N作為堆肥腐熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用主成分分析法對(duì)4個(gè)處理的堆肥腐熟度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果（圖1）顯示，同一處理不同取樣時(shí)間，堆肥腐熟指標(biāo)相對(duì)分散，說(shuō)明堆肥過(guò)程的不同階段，各腐熟指標(biāo)發(fā)生了變化，從理論上可認(rèn)為堆肥過(guò)程分別經(jīng)歷了初始階段（S0）、升溫和高溫階段（S1、S2）、高溫和降溫階段（S3、S4、S5）、降溫和腐熟階段（S6、S7）。由于高溫階段時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因此從圖1可以看出，S1～S5階段的區(qū)域指標(biāo)分布比較密集，在綜合分析堆肥的不同階段，第1主成分對(duì)于總方差的貢獻(xiàn)率是7.82%，第2主成分對(duì)于總方差的貢獻(xiàn)率是1.44%，二者之和為9.26%，即前2個(gè)主成分只能把堆肥全部指標(biāo)提供信息的9.26%反映出來(lái)。同樣，從圖1還可以看出，T2、T3、T4處理雖然在溫度、發(fā)芽指數(shù)等腐熟指標(biāo)值上有差異，但總體表現(xiàn)相對(duì)一致，一方面說(shuō)明添加有機(jī)物料對(duì)于秸稈堆肥腐熟過(guò)程有一定影響，但另一方面，在一定范圍內(nèi)添加不同比例的有機(jī)物料從整體上并無(wú)顯著差異，這也說(shuō)明單一指標(biāo)并不能夠作為評(píng)價(jià)堆肥腐熟度的指標(biāo)。綜合考慮到堆肥原料成本和實(shí)際堆肥環(huán)境，本試驗(yàn)選擇T3處理為最佳配方。

表3 不同有機(jī)物料配比玉米秸稈堆肥不同時(shí)間對(duì)發(fā)芽指數(shù)的影響

圖1 不同有機(jī)物料配比對(duì)玉米秸稈堆肥腐熟指標(biāo)主成分分析

3 結(jié)論與討論

溫度、電導(dǎo)率、pH值和碳氮比的變化情況是堆肥體系的重要理化指標(biāo)。其中，溫度是影響堆肥過(guò)程中微生物活動(dòng)和堆肥工藝過(guò)程的重要因素［3］，本研究中4個(gè)處理的最高溫度均在70℃及以上，而其他相關(guān)研究中秸稈和牛糞或豬糞等混合堆肥最高溫度均僅在50℃以上［14-16］，說(shuō)明利用添加中藥渣和固體氨基酸的方式可使玉米秸稈堆肥達(dá)到較好的高溫堆肥效果。電導(dǎo)率（EC）是衡量堆肥腐熟度的重要指標(biāo)，本研究堆肥結(jié)束時(shí)各處理的EC值介于2～3 ms/cm之間，符合堆肥腐熟度的要求［17］；Chon也提出EC值＜3.5 ms/cm時(shí)，不會(huì)影響植株生長(zhǎng)［18］。pH值是反映堆肥過(guò)程的重要參數(shù)，適宜的pH值對(duì)堆肥微生物的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)有重要促進(jìn)作用，一般微生物最適宜的pH值為中性或弱堿性，pH值過(guò)低或過(guò)高都會(huì)使堆肥過(guò)程紊亂致使堆肥無(wú)法有效完成［19］，本研究中各處理pH值最后都在7.0～8.5之間，符合堆肥腐熟指標(biāo)的一般標(biāo)準(zhǔn)［20］。碳氮比（C/N）是影響堆肥過(guò)程微生物活動(dòng)的重要因素，微生物生長(zhǎng)代謝較合適的碳氮比為25～30∶1［21］。堆肥產(chǎn)品C/N過(guò)高，施入土壤中微生物將奪取土壤中的氮素，造成植物的“氮饑餓”；C/N過(guò)低，則施入土壤后過(guò)量氮素會(huì)造成植物燒苗現(xiàn)象［22］，因此合適的C/N是堆肥是否達(dá)到腐熟的一個(gè)重要指標(biāo)。Garcia等認(rèn)為最終堆肥產(chǎn)品C/N值在理論上應(yīng)趨于微生物菌體的C/N值，提出當(dāng)C/N 值由30∶1降為15～20∶1時(shí)，可認(rèn)為堆肥腐熟［23］，本研究中T2、T3處理堆肥的C/N均＜20，符合此堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是判斷堆肥的植物毒性和腐熟度的重要參數(shù)之一［24］。未腐熟的堆肥含有毒性物質(zhì)，對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多認(rèn)為植物GI的變化體現(xiàn)了堆肥毒性的發(fā)展趨勢(shì)。堆肥過(guò)程中GI的升高說(shuō)明堆肥過(guò)程有利于堆肥有害物質(zhì)的減少，相關(guān)研究表明，當(dāng)GI值＞50%時(shí)可認(rèn)為堆肥達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)［25］；但也有研究認(rèn)為，GI值只有達(dá)到80%以上才可認(rèn)為堆肥達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)［26］。本研究中，如果以GI值＞50%為標(biāo)準(zhǔn)，則4個(gè)處理均達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，而按照GI值＞80%標(biāo)準(zhǔn)，則只有T3處理達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

本研究利用主成分分析法對(duì)評(píng)價(jià)堆肥腐熟的指標(biāo)進(jìn)行分類，對(duì)評(píng)價(jià)不同處理的指標(biāo)和堆肥腐熟度有重要的實(shí)踐意義［27-28］。通過(guò)主成分分析可以更科學(xué)、更全面地反映堆肥的腐熟水平，本研究中，各指標(biāo)均與一個(gè)成熟的堆肥產(chǎn)品有重要聯(lián)系，但通過(guò)與主成分分析評(píng)價(jià)堆肥腐熟度結(jié)果相比較，說(shuō)明單一或某幾個(gè)指標(biāo)并不能夠完全反映出堆肥的腐熟程度，因此本研究從某種意義上說(shuō)明對(duì)堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)應(yīng)采取綜合全面的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

本研究結(jié)果表明，通過(guò)添加中藥渣和固體氨基酸可以促進(jìn)玉米秸稈高溫堆肥，其中堆肥相關(guān)腐熟指標(biāo)如溫度、pH、EC以及C/N在堆肥初始和最后都發(fā)生了明顯變化；通過(guò)對(duì)堆肥指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，說(shuō)明堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)需要更加綜合的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也表明單獨(dú)的堆肥腐熟指標(biāo)并不能夠評(píng)價(jià)堆肥是否腐熟；考慮到實(shí)際堆肥添加的有機(jī)物料成本和最終堆肥腐熟效果，本試驗(yàn)推薦使用玉米秸稈1 000 kg +中藥渣150 kg+固體氨基酸15 kg配方。

［1］馬常寶，史夢(mèng)雅. 我國(guó)主要畜禽糞便資源利用現(xiàn)狀與分析研究［J］. 中國(guó)農(nóng)技推廣，2016，32（11）：7-11.

［2］陳超玲，楊陽(yáng)，謝光輝. 我國(guó)秸稈資源管理政策發(fā)展研究［J］. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（8）：1-11.

［3］彭春艷，羅懷良，孔靜. 中國(guó)作物秸稈資源量估算與利用狀況研究進(jìn)展［J］. 中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2014，35（3）：14-20.

［4］李吉進(jìn)，郝晉珉，鄒國(guó)元，等. 高溫堆肥碳氮循環(huán)及腐殖質(zhì)變化特征研究［J］. 生態(tài)環(huán)境，2004，13（3）：332-334.

［5］樸哲，李玉敏. 堆肥制作中微生物侵染秸稈的環(huán)境掃描電鏡（ESEM）觀察［J］. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，27（5）：98-100.

［6］Wang P，Watson M E，Chen Y. Maturity indices for composted dairy and pig manures［J］. Soil Biology and Biochemistry，2004，36（5）：767-776.

［7］桂陽(yáng)，韋小慶，朱國(guó)勝. 玉米秸稈與豬糞袋裝堆肥技術(shù)研究［J］. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，40（12）：67-71.

［8］韋小慶，桂陽(yáng)，朱國(guó)勝，等. 玉米秸稈與牛糞袋裝堆肥的發(fā)酵技術(shù)研究［J］. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（4）：130-134.

［9］張永鋒，滕星，李忠和. 玉米秸稈堆肥及其影響因素研究進(jìn)展［J］. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（5）：613-618.

［10］陳玨，劉沖，許梅玲. 玉米秸稈堆肥處理效果研究及在生菜上的應(yīng)用［J］. 上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，29（6）：107-110.

［11］吳坤，張世敏，朱顯峰. 木質(zhì)素生物降解研究進(jìn)展［J］. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34（4）：349-354.

［12］鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析［M］. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000.

［13］Tiquia S M，Tam N F Y. Elimination of phytotoxicity during co-composting of spent pig manure sawdust litter and pig sludge［J］. Bioresource Technology，1998，65：43-49.

［14］朱金蘭，王華為，吉莉. 秸稈和畜禽糞便聯(lián)合堆肥試驗(yàn)研究［J］. 中國(guó)農(nóng)業(yè)信息，2015（24）：27-30.

［15］盧秉林，王文麗，李娟，等. 添加小麥秸稈對(duì)豬糞高溫堆肥腐熟進(jìn)程的影響［J］. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010，4（4）：926-930.

［16］趙秀玲，朱新萍，羅艷麗. 添加不同秸稈對(duì)牛糞好氧堆肥的影響［J］. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2014，16（3）：119-125.

［17］Garc í a-Gómez A，Bernal M P，Cegarra J，et al. Plant response to the latent phytotoxicity in agroindustrial wastes in different stages of the composting process//In Proceedings of the International Conference ORBIT 2001 on Biological Processing of Waste：A Productoriented Perspective［C］. Sevilla，Spain，2001：321-325.

［18］Chon C. Experience with the utilization of wastes in nurserypotting mixes and as field soil amendments［J］. Canadian J Plant Sci，1999，79：139-148.

［19］孫先鋒，鄒奎，鐘海風(fēng)，等. 堆肥工藝和填充料對(duì)豬糞堆肥的影響研究［J］. 土壤肥料，2004（4）：28-30.

［20］李洋，席北斗，趙越，等. 不同物料堆肥腐熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化特性［J］. 環(huán)境科學(xué)研究，2014，27（6）：623-627.

［21］陸景陵. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料（上冊(cè)）［M］. 第2版.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［22］張福鎖，龔元石，李曉林. 土壤與植物營(yíng)養(yǎng)研究動(dòng)態(tài)（第3卷）［M］. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1995：319-349.

［23］Garcia C，Hernandez T，Costa F，et al. Evaluation of the maturity of municipal waste compost using simple chemical parameters［J］. Communications in Soil Science & Plant Analysis，2008，23（13/14）：1501-1512.

［24］Tiquia S M，Tam N F Y. Composting of spent pig litter in turned and forced-aerated piles［J］.Environmental Pollution，1998：329-337.

［25］Priac A，Badot P，Crini G，et al. Treated wastewater phytotoxicity assessment usingLactuca sativa：Focus on germination and root elongation test parameters［J］. Comptes Rendus Biologies，2017，340（3）：188-194.

［26］李艷霞，王敏健，王菊思. 有機(jī)固體廢棄物堆肥的腐熟度參數(shù)及指標(biāo)［J］. 環(huán)境科學(xué)，1999，20（2）：99-103.

［27］陳吉，趙炳梓，張佳寶，等. 主成分分析方法在長(zhǎng)期施肥土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］. 土壤，2010，42（3）：415-420.

［28］張水清，黃紹敏，郭斗斗. 主成分分析在潮土土壤肥力評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，40（4）：82-86.