禽畜糞便與板栗廢棄物不同配比混合堆肥的理化特征研究

周愛松 王鳳春 劉向東 馮芳俠 付慶偉

摘要 [目的]研究禽畜糞便與板栗廢棄物不同配比混合堆肥的理化指標差異。[方法]以雞糞、牛糞、豬糞和板栗廢棄物為原料，通過不同比例混合堆肥，研究4種配比的混合配方在堆肥過程中，堆體溫度、全碳含量、全氮含量、碳氮比（C/N）及種子發(fā)芽指數(shù)（GI）等理化指標的差異。[結果]4 種比例的混合堆體，經過45 d的堆肥發(fā)酵，總碳含量和總氮含量均呈下降趨勢，C/N 呈緩慢下降趨勢，GI達80%以上；板栗廢棄物∶雞糞∶牛糞∶豬糞為3∶2∶3∶2（即C處理，C/N=32∶1）時，能在35 d完成堆肥，堆肥成品C/N達16.81∶1，且GI高達92%，處理效果最好。[結論] 該研究為制備板栗廢棄物有機肥提供理論依據(jù)，同時為實現(xiàn)板栗產業(yè)鏈的環(huán)境友好型轉變提供技術參考。

關鍵詞 禽畜糞便；板栗廢棄物；堆肥

中圖分類號 S141.4文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）15-0117-04

Abstract [Objective]To study physical and chemical character of different proportions of livestock manure and Castanea mollissima waste composting.[Method]With chicken，cattle and pig manure and chestnut wastes as raw materials for compost with different mixing ratio，the difference of pile temperature，carbon content，total nitrogen content，carbon nitrogen ratio （C/N） and the seed germination index （GI） and other physical and chemical indicators among 4 different ratios of the formula in the process of composting were studied.[Result]The mixing ratio of 4 kinds of pile body，after 45 days of composting，total carbon content and total nitrogen content were decreased，C/N appeared a slow downward trend，GI reached more than 80%；Chestnut waste：chicken manure：cow dung：pig manure of 3∶2∶3∶2 （treatment of C，C/N=32∶1） could be completed compost in 35 days，C/N composting products reached 16.81∶1，and GI was as high as 92%，and had the best treatment effect.[Conclusion]The study provides a theoretical basis for preparing the organic fertilizer of chestnut waste，and provides technical reference for the transformation of environmental friendly type of chestnut industrial chain.

Key words Livestock manure；Castanea mollissima waste；Composting

板栗是山區(qū)主要的經濟作物，僅唐山市遷西板栗栽培總面積超過5萬hm2、4 300多萬株，平均年產量達5.5萬t，每年產生的板栗葉、花、蓬及修剪的廢舊枝條超過15萬t，是當?shù)剞r村環(huán)境污染的主要來源，也是冬季山火的主要隱患。劉更另[1]1991年在河北省燕山科學試驗站進行“燕山片麻巖山區(qū)農業(yè)綜合開發(fā)”研究時確定，不同生長時期板栗葉元素的含量與需求，落葉期1 kg板栗葉中含有機質、氮、磷、鉀、鎂、銅、鋅、鐵、錳、硼分別為603 g、13.6 g、1.6 g、4.1 g、5.1 g、6.1 mg、27.6 mg、289 mg、541 mg、23.2 mg；同時，確定秋天板栗葉中各種元素的含量最高，是“還田”板栗樹的最好物質，為廢棄物開發(fā)有機肥提供理論支持。

雞糞、牛糞、豬糞等禽畜糞便是有機肥常用的堆肥材料，傳統(tǒng)的堆肥法存在原料配比不協(xié)調，處理工藝相對落后，因缺乏外源性微生物菌劑造成發(fā)酵時間長、產生臭味且肥效低等問題[2]。以板栗廢棄物（板栗葉約為85%，板栗枝條約為10%，板栗蓬約為5%）為堆肥主要原料，混合適當?shù)碾u糞、牛糞、玉米秸稈等進行合理搭配，調節(jié)碳氮比（C/N），添加微生物發(fā)酵菌劑，進行高溫好氧堆肥生產有機肥，以實現(xiàn)農業(yè)固體廢棄物與糞便無害化與資源化處理的目的[3]。

筆者通過雞糞、牛糞、豬糞與板栗廢棄物進行配比組合，添加自制的腐熟菌劑（FBA微生物菌劑和篩選的3種木腐菌）進行高溫堆肥發(fā)酵，研究堆肥溫度、全碳、全氮、C/N和種子發(fā)芽指數(shù)（GI）等堆肥的指標參數(shù)，以期為制備板栗廢棄物有機肥提供理論依據(jù)，同時為實現(xiàn)板栗產業(yè)鏈的環(huán)境友好型轉變提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

板栗廢棄物：板栗枝條、落葉，枝條進行簡單粉碎，產自遷西縣漢兒莊鄉(xiāng)楊家峪；雞糞、豬糞、牛糞：產自遷西縣東荒峪躍華養(yǎng)殖場（表1）。

1.2 試驗設計 于2017年6—12月在河北省唐山市遷西縣立千生物肥業(yè)有限公司工廠進行堆肥。以板栗廢棄物和雞糞、牛糞、豬糞為主要原料進行混合配比，使用遷西縣立千生物肥業(yè)有限公司自制的腐熟菌劑（FBA微生物菌劑和3種自篩木腐菌，活菌含量：大于1010 CFU/mL）。

以不同禽畜糞便和板栗廢棄物為主要原料的各處理1 000 kg，各處理設計見表2，試驗設4個處理，尿素微調4組的C/N為25∶1、28∶1、32∶1和35∶1；發(fā)酵腐熟菌劑添加量為1/1000。進行條垛型有機肥混合堆肥發(fā)酵，堆垛下底寬2 m，上底寬1 m，堆高1 m，長度不限；堆垛底部設置通風槽（30 cm寬，20 cm深），板栗廢棄物與牛糞按比例混勻后撒上腐熟菌劑（1 g/kg）促進發(fā)酵。先將1 kg腐熟菌劑放入水桶，邊加水邊攪拌均勻，然后用瓢將水劑均勻加入到有機物料，水分控制在65%左右。堆肥初期每4 d翻拋機（LYFP280）翻刨，當堆體溫度升高到50 ℃以上時，每6 d翻刨1次；翻刨時間為當日17：00—20：00。

1.3 檢測項目與方法

試驗堆肥周期共計45 d，測定不同堆肥處理不同時期的溫度、全碳、全氮含量，計算C/N和種子發(fā)芽指數(shù)（GI）等指標。

溫度：分別于第1、3、5、7、9、12、15、20、25、30、35、40、45天09：00和15：00，在堆體3個不同部位用60 cm長的溫度計插入堆體30 cm處待溫度計讀數(shù)穩(wěn)定后計數(shù)，取同期3點不同部位溫度的平均值為該時間點的堆體溫度，取平均溫度為該處理當天的堆體溫度。同時測定室內溫度，并取平均值為當天的室內溫度。

分別于第5、10、15、20、25、30、35、40、45天采樣，每份取樣5 kg，所取樣品干燥處理后過60目篩，備用。測定全碳、全氮含量。

稱取各處理不同時期的風干樣品25 g，置于三角瓶中，加入250 mL去離子水，150 r/min振蕩30 min后過濾；吸取濾液20 mL，加入直徑9 cm的帶濾紙培養(yǎng)皿中，取20粒顆粒飽滿的蘿卜種子均勻放置其中，在25 ℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)48 h后，測定種子發(fā)芽率和根長；對照組用去離子水處理；每個處理重復3次。

發(fā)芽指數(shù)計算方法：

GI=GT×LTGCK×LCK×100

式中，GI、GT、LT、GCK和LCK分別代表種子發(fā)芽指數(shù)（%）、處理發(fā)芽率（%）、處理根長（cm）、對照發(fā)芽率（%）和對照根長（cm）[4]。

1.4 數(shù)據(jù)分析 試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003和IBM SPSS Statistics 21.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 堆體溫度變化

堆肥發(fā)酵屬于好氧發(fā)酵，過程大致分為3各階段，即升溫階段、高溫階段和降溫階段。升溫階段反映發(fā)酵菌劑對物料的適應度，升溫階段的時間決定堆肥熟化的效率；高溫階段的溫度（60 ℃左右）和時間決定發(fā)酵效果，是影響堆肥效果的重要指標之一。同時，為提高好氧發(fā)酵速度與均勻程度，堆肥過程進行翻刨處理，伴隨翻刨操作堆體溫度表現(xiàn)出周期性變化，為有效監(jiān)測堆體溫度變化，避免翻刨后造成的階段性溫度變化，翻刨操作設置在溫度測量后完成。

由圖1可知，4個比例堆肥處理的溫度變化較明顯。處理B和C通過9 d的升溫階段均達56.8 ℃，進入高溫階段，同時在第15天分別達到最高溫度62.4和63.1 ℃，持續(xù)12～15 d后堆體溫度低于50.0 ℃，堆肥進行至第30天時，處理B和C溫度降至38.0 ℃左右，完成降溫階段后堆體溫度穩(wěn)定在37.5 ℃左右，高溫發(fā)酵階段（50.0 ℃以上）持續(xù)21 d左右；相比而言，處理A和D升溫階段較緩慢，通過12 d的升溫堆體溫度達55.0 ℃后，第15天分別進入最高發(fā)酵溫度56.2和59.6 ℃，隨后處理A在第20天堆體溫度降至53.2 ℃后迅速下降，并完成高溫發(fā)酵過程，在第25天時處理A堆體溫度降至41.7 ℃后，第30～45天穩(wěn)定在36.0～37.0 ℃，而處理D的高溫發(fā)酵過程相對其他3個處理，從第12～26天堆體溫度均高于55.0 ℃（共15 d），隨后迅速降溫，堆肥進行至第30天，堆體溫度為41.3 ℃，第35天后達到37.4 ℃進入穩(wěn)定階段。

4個比例的處理均能達到55.0 ℃以上進行高溫發(fā)酵，同時不超過65.0 ℃；在35 d內溫度降至37.0 ℃左右，說明4個比例的禽畜糞便和板栗廢棄物混合能夠達到堆肥要求。

2.2 全碳含量變化

高溫堆肥發(fā)酵的本質是好氧微生物的代謝過程，通過微生物生長將有機質進行分解，分解為CO2、H2O和容易被作物吸收的小分子、離子等物質。因此，任何比例的禽畜糞便或有機物質堆肥都會導致有機碳含量的降低。由圖2可知，4個處理堆肥的全碳含量變化與此理論完全相符。

4個比例堆肥處理的全碳含量均不斷降低，且存在差異但差異不顯著。第5天時，A、B、C、D 4個比例的全碳含量分別為472.69、540.17、637.76、726.07 g/kg，堆肥開始后全碳含量迅速下降，第30天有機質下降速度放緩并趨于平穩(wěn)。這是因為開始堆肥時，各處理均迅速進入高溫發(fā)酵階段，微生物大量繁殖，并快速分解有機質，經過一段時間的高溫發(fā)酵，多數(shù)有機質被轉化為腐殖質，堆肥基本達到腐熟進入穩(wěn)定階段。第45天時，全碳含量分別為222.60、239.41、262.41、277.93 g/kg。

2.3 全氮含量變化

禽畜糞便堆肥發(fā)酵時，氮素轉化包括氮素的固定與釋放，變化過程包括氨化、反硝化、硝化、生物固氮和揮發(fā)等。不同堆肥原料，其氮素變化規(guī)律略有差異，但通常情況下，堆肥結束時氮素有部分損失，主要原因是有機氮持續(xù)的氨揮發(fā)以及硝態(tài)氮的反硝化作用；同時，堆肥初期溫度升高，銨態(tài)氮相對穩(wěn)定、揮發(fā)損失較小，具有固氮作用的微生物活躍并固定空氣中的氮，碳水化合物及物料干重隨著微生物的消耗而下降，總氮含量小幅升高。因此，研究全氮含量的變化對堆肥過程有重要意義。

由圖3可知，4個禽畜糞便和板栗廢棄物混合發(fā)酵處理的初期，全氮含量均升高，處理D最高達20.68 g/kg；然后迅速降低，再緩慢下降，最后又有小幅緩慢上升，第45天時，4個處理全氮含量分別為14.86、15.21、15.61、16.01 g/kg。

2.4 C/N 變化

目前，對于堆肥最佳的C/N不同學者研究結果不同。研究表明，堆肥起始的C/N在20∶1～35∶1為堆肥的最佳條件[5]。就堆肥成品而言，C/N過高會奪取土壤中的氮素，導致植物“氮饑餓”；若氮素過多，碳氮比過低，則會導致植物“燒苗”。因此，合適的C/N是堆肥評價的一個重要指標，研究物料間成分構成的差異，確定混合堆肥中適宜的C/N是重要的研究步驟[6]。

4個比例的堆肥處理C/N變化見圖4。由圖4可知，各處理的C/N 變化較顯著。整個堆肥發(fā)酵過程中，C/N 隨全氮含量小幅增加而降低后，均表現(xiàn)為逐漸降低趨勢，第45天時C/N分別為14.98、15.74、16.81和17.36，符合全碳和全氮的變化趨勢，最終的C/N均為14～18，達到相關的要求。

2.5 發(fā)芽指數(shù)變化

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是檢驗堆肥腐熟度的重要指標，堆肥的腐熟程度決定植物毒性物質含量，直接反映堆肥后成品對植物生長產生抑制作用程度，因此可用種子發(fā)芽指數(shù)來評價堆肥腐熟度[7]。當GI>50%時，表明堆肥基本腐熟，對植物基本無毒性；當GI>80%時，表明堆肥完全腐熟，對植物完全無毒性，GI相對越高，堆肥成品品質越高，但其與堆肥原料種類、配比、發(fā)酵菌劑等因素密切相關[8]。4個堆肥處理的GI變化見圖5。由圖5可知，隨發(fā)酵的進行GI逐漸升高，第45天時均能達80%以上，C處理達92%?？梢?，發(fā)酵初期GI快速升高，發(fā)酵進入高溫期（第20天）后GI升高變緩，隨著堆體溫度進入平穩(wěn)期（第35天）GI小幅迅速提高。處理B和C種子GI最終達91%和92%，D處理為88%，A處理最差，僅為81%。

3 結論與討論

（1）4個比例的堆肥處理在整個堆肥發(fā)酵過程中，其總碳含量和總氮含量均呈下降趨勢。各處理均能較快進入高溫期，說明微生物活動代謝旺盛，大量有機質被微生物分解，轉化為CO2 和H2O，也反映了此腐熟菌劑對板栗廢棄物和禽畜糞便混合發(fā)酵較為適宜；同時，升溫期縮短，能減少前期的氨氣等惡臭氣體外逸，降低對周邊空氣的污染和堆體的氮素減少，避免了肥料養(yǎng)分被過量消耗。

（2）4個比例的堆肥處理完成堆肥發(fā)酵過程后，最終C/N 分別達14.98、15.74、16.81和17.36，滿足腐熟堆肥所要求的C/N 范圍，說明該試驗設置的C/N 25∶1、28∶1、32∶1和35∶1的4個處理均能完成禽畜糞便與板栗廢棄物混合堆肥發(fā)酵。

（3）4個比例的堆肥處理，均能在40 d完成堆肥發(fā)酵，且養(yǎng)分和C/N等各項指標均符合國家關于農業(yè)有機肥料的規(guī)定，可達到腐熟階段。同時也說明此發(fā)酵菌劑適合用于禽畜糞便與板栗廢棄物混合堆肥，板栗廢棄物用于堆肥具有可行性。

（4）板栗廢棄物與雞糞、牛糞、豬糞的配比混合發(fā)酵中，D處理的C/N=35∶1，升溫階段短，高溫發(fā)酵階段時間過長，導致“氮”損失嚴重，堆肥成品C/N可達17.36∶1，GI為88%，雖然能在35 d完成堆肥，但綜合生態(tài)與營養(yǎng)角度不是最佳方案；B處理C/N=28∶1的效果較好，堆肥成品C/N和GI分別為15.74∶1和91%；A處理的C/N=25∶1最差，雖然各項指標能達到國家相關要求，但升溫階段時間長，高溫階段溫度相對較低，降溫相對較慢，堆肥成品C/N、GI分別為14.98∶1和81%。C處理的C/N=32∶1（板栗廢棄物∶雞糞∶牛糞∶豬糞=3∶2∶3∶2），升溫階段短，高溫發(fā)酵階段持續(xù)適中，能在35 d完成堆肥，堆肥成品C/N達16.81∶1，且GI高達92%，具有氮素損失率小、堆肥腐熟快、堆肥效率高等優(yōu)點，更適合在有機肥堆肥生產過程中進行推廣和應用[9]。

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