添加玉米芯對馬糞堆肥的影響

洪文娟，馬 健，張文杰，胡馬爾，馬超鑫，竇晶晶

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052）

作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，我國是世界上農(nóng)業(yè)廢棄物最多的國家。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年我國農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量在6～7億t，主要以玉米、小麥和水稻秸稈為主，位列世界第一位［1］。同時(shí)，隨著社會的發(fā)展，國人對于肉、蛋和奶等畜產(chǎn)品的需求，推動(dòng)了我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，豬肉和禽肉的產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)幾年占據(jù)世界第一位［2］。但是隨著規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖場的快速發(fā)展，畜禽糞便的產(chǎn)量也在迅速增多，帶來了嚴(yán)重的污染問題。據(jù)農(nóng)業(yè)部數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前我國每年畜禽糞污產(chǎn)生量約38×108t，預(yù)計(jì)到2020 年全國畜禽糞便產(chǎn)量將達(dá)到 42.44×108t［3］。

如何利用農(nóng)作物廢棄物對畜禽糞便進(jìn)行無害化處理已成為一種有效的方法。Liu等［4］以牛糞為試驗(yàn)對象，在堆肥過程中加入農(nóng)作物，發(fā)現(xiàn)其堆肥效果優(yōu)于自然堆肥，并且堆肥效率提高。桂陽等［5］研究了玉米芯與畜禽糞便堆肥發(fā)酵的最佳技術(shù)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)玉米芯與不同動(dòng)物糞便堆肥發(fā)酵時(shí)，其最適添加量不同。當(dāng)前對畜禽糞便堆肥的研究，主要集中在牛、羊、豬、雞等動(dòng)物上，而對馬屬動(dòng)物研究較少。因此，本試驗(yàn)以馬糞為試驗(yàn)原料，通過添加不同含量的玉米芯，研究對馬糞堆肥過程中溫度、有機(jī)質(zhì)和全氮等指標(biāo)的影響，為馬糞和玉米芯的高效利用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

馬糞：取自烏魯木齊野馬國際的新疆野馬集團(tuán)汗血馬基地汗血寶馬品種的新鮮馬糞，共采集50 kg。玉米芯：取自烏魯木齊市米東區(qū)羊毛工鎮(zhèn)，總共帶回10 kg。小白菜種子：新疆青縣興運(yùn)蔬菜良種繁育中心生產(chǎn)的華煜牌，數(shù)量1包。馬糞、玉米芯的主要理化指標(biāo)見表1。在發(fā)酵前對試驗(yàn)原料進(jìn)行處理：將馬糞混勻，然后進(jìn)行晾曬，晾曬期間定期翻曬，直至含水量降至65%左右；玉米芯切碎至長為2～3 cm的圓柱體。

表1 馬糞和玉米芯的理化指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年3—5月在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)發(fā)酵過程在60 cm×30 cm×25 cm的塑料箱中進(jìn)行，每個(gè)塑料箱加6 kg馬糞。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理組：其中對照組（CK組）馬糞中不添加玉米芯；試驗(yàn)A組馬糞中添加1.0 kg玉米芯；試驗(yàn)B組馬糞中添加1.5 kg玉米芯；試驗(yàn)C組馬糞中添加2.0 kg玉米芯。所有玉米芯與馬糞均勻混合，堆肥發(fā)酵期為 30 d，分別在發(fā)酵第 1、6、12、18、24 和 30 天進(jìn)行人工翻堆。

1.3 樣品采集

在人工翻堆的同時(shí)進(jìn)行采樣，翻堆時(shí)打開塑料箱的蓋子，按照“土壤農(nóng)化分析”［6］中的采樣方法進(jìn)行多點(diǎn)取樣，在上中下3層共計(jì)12個(gè)點(diǎn)采樣，采集600 g的樣品，用四分法分為2份，每份300 g。一份用來檢測pH值、種子發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)；另一份樣品在65℃烘干48 h，回潮后稱重，記錄初水分含量，然后進(jìn)行粉碎，過1 mm分析篩，保存?zhèn)錅y。

1.4 檢測指標(biāo)與方法

1.4.1 檢測指標(biāo) 對采集樣品的含水率、pH值、種子發(fā)芽指數(shù)和全氮等指標(biāo)進(jìn)行測定。并在每天17：00左右在翻堆前測定溫度。

1.4.2 檢測方法 溫度：將溫度計(jì)垂直插入發(fā)酵的糞便中18 cm處，在東南西北中5個(gè)方向均測量一次溫度，取平均值，同時(shí)記錄室內(nèi)溫度。

含水率：稱取5 g左右的樣品放入已知重量且恒重的鋁盒中，將鋁盒放入烘箱中在105℃烘4 h，取出干燥至恒重，稱重記算含水量。

pH值：將新鮮的樣品與蒸餾水按1∶10在燒杯中混合，室溫下攪拌均勻，然后靜置30 min，取上清液進(jìn)行過濾，用便攜式pH計(jì)測定pH值。

種子發(fā)芽指數(shù)：將新鮮的樣品與蒸餾水按1∶10在燒杯中混合，室溫下攪拌均勻，將上清液過濾備用，在干凈無菌的培養(yǎng)皿中放一張大小合適的濾紙，取30粒小白菜種子均勻地鋪在濾紙上，用吸管吸5 mL濾液滴在培養(yǎng)皿中，在恒溫培養(yǎng)箱（25℃）中培養(yǎng)48 h，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，用蒸餾水做對照。培養(yǎng)完成后，用游標(biāo)卡尺測量種子的根長，然后根據(jù)下面的公式［7］計(jì)算種子發(fā)芽指數(shù)：種子發(fā)芽指數(shù)（%）=（處理的種子發(fā)芽率×處理的種子根長）/（對照的種子發(fā)芽率×對照的種子根長）×100%。

全氮：參照國家的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) NY525—2012［8］，用雙氧水消煮，利用凱氏定氮法進(jìn)行測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)運(yùn)用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及圖表制作，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，并用Duncan氏法進(jìn)行多重比較，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（Mean±SD）表示，以P＜0.05作為差異顯著性的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米芯對堆肥溫度的影響

由表2可以看出，在發(fā)酵前24 d，各處理組均呈現(xiàn)升溫至高溫，再逐漸降溫的變化趨勢。在發(fā)酵第1天，各處理組溫度間差異均不顯著（P＞0.05），均在28℃左右；在第12天，除試驗(yàn)C組外，其他各處理組溫度均達(dá)到最高，試驗(yàn)B組的溫度最高，達(dá)到58.51℃，顯著高于其他3組（P＜0.05）；試驗(yàn)B組在發(fā)酵第6天開始維持較高的溫度，在發(fā)酵第24天后有一個(gè)緩慢的溫度上升期。

表2 不同處理堆肥過程中溫度的變化℃

2.2 玉米芯對堆肥含水率的影響

從表3看出，除試驗(yàn)B組外，其他各組的含水率均呈現(xiàn)隨發(fā)酵時(shí)間延長而逐漸降低的趨勢。在發(fā)酵第1天，各組含水率均在65%左右；在第6天，含水率均下降10個(gè)百分點(diǎn)以上，試驗(yàn)B組的含水率下降幅度最大，達(dá)12.89個(gè)百分點(diǎn)；試驗(yàn)B組在發(fā)酵第12天以后含水率緩慢升高，之后降低，下降幅度較??；在發(fā)酵第30天，試驗(yàn)B組的含水率最低，顯著低于試驗(yàn)A組（P＜0.05）。

表3 不同處理堆肥過程中含水率的變化%

2.3 玉米芯對堆肥pH值的影響

由表4可以看出，各處理組pH值呈現(xiàn)的變化趨勢基本一致，但幅度不同。在發(fā)酵第1天，各處理組pH值間差異均不顯著（P＞0.05），均在7.7左右，呈中性，能滿足微生物生長的需求；在第12天，試驗(yàn)B組的pH值顯著高于其他各組（P＜0.05）；各處理組在發(fā)酵第18天后pH值緩慢降低，之后緩慢升高，呈弱堿性，但不同組上升幅度不同。

表4 不同處理堆肥過程中pH值的變化

2.4 玉米芯對堆肥種子發(fā)芽指數(shù)的影響

從表5看出，各組的種子發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢。在發(fā)酵第1天，各組種子發(fā)芽指數(shù)間差異均不顯著（P＞0.05），均在44%左右；在第12天，各試驗(yàn)組種子發(fā)芽指數(shù)均較第1天升高10個(gè)百分點(diǎn)以上，試驗(yàn)B組的種子發(fā)芽指數(shù)升高幅度最大，達(dá)16個(gè)百分點(diǎn)，且顯著高于其他3組（P＜0.05）；在發(fā)酵第24天以后，各組的種子發(fā)芽指數(shù)升高幅度減緩，但有繼續(xù)升高的趨勢。

2.5 玉米芯對堆肥全氮的影響

從表6可知，發(fā)酵第1天各組全氮含量間差異均不顯著（P＞0.05）；發(fā)酵第12天，B組的全氮含量顯著高于另外3組（P＜0.05）；發(fā)酵末期，全氮含量最高的是對照組，但與其他各組間差異均不顯著（P＞0.05）。

表5 不同處理堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化%

表6 不同處理堆肥過程中全氮的變化%

3 討論

3.1 不同添加量的玉米芯對堆肥溫度的影響

堆肥是一個(gè)溫度不斷變化的過程，先逐漸升溫至一個(gè)最高溫度，再逐漸下降，溫度的變化能顯著影響微生物的群落結(jié)構(gòu)、數(shù)量以及相關(guān)酶的活力。徐盛洪［9］研究表明，處理過程中溫度過低會抑制微生物活動(dòng)，增加堆肥腐熟的時(shí)間，不能有效殺死糞便中的病原菌、寄生蟲卵和雜草種子，而溫度過高會殺死一些能分解纖維素的嗜熱性微生物，降低肥化效率。Bach等［10］研究指出，當(dāng)糞便堆體的溫度高于50℃，并且持續(xù)5～7 d時(shí)，能有效殺死糞便中的致病微生物。在本試驗(yàn)中，各組的最高溫度均超過了50℃，其中試驗(yàn)B組的溫度最高，達(dá)到了58.51℃，并且高于55℃的天數(shù)超過了6 d，在發(fā)酵第12天的溫度顯著高于其他各組（P＜0.05），因此，從高溫期來看，試驗(yàn)B組的發(fā)酵效果優(yōu)于其他各組。李國學(xué)等［11］研究指出，堆肥最適合的溫度在50～60℃之間。Cár等［12］的試驗(yàn)也表明，在一定范圍內(nèi)，堆肥的溫度每升高10℃，其生化效率升高1倍。可以看出，本試驗(yàn)中的最高溫度均在合適的范圍內(nèi)。各組糞便堆體的發(fā)酵溫度在24 d后有所回升，這可能是因?yàn)闅鉁厣叨鴮?dǎo)致微生物活動(dòng)劇烈所致，這需要進(jìn)一步研究來說明。

3.2 不同添加量的玉米芯對堆肥含水率的影響

糞便發(fā)酵過程中微生物活動(dòng)需要一定的水分，水分可為微生物提供新陳代謝的場所，同時(shí)還可以調(diào)節(jié)糞便的溫度，因此，糞便含水量直接影響堆肥的物理化學(xué)變化，糞便適宜的含水量在55%～65%之間［13］。本試驗(yàn)中，各處理組的含水率在整個(gè)發(fā)酵期均在40%～65%之間，能夠較好地滿足微生物的需要。含水量過低，微生物的代謝停止；含水量過高，堆肥過程中溫度下降快，微生物活性低。有研究指出，堆肥期間，大量水分會蒸發(fā)，因此，為了使水分處于微生物活動(dòng)所需要的最佳含量，需要添加適當(dāng)?shù)乃郑?4］。

3.3 不同添加量的玉米芯對堆肥pH值的影響

pH值是影響堆肥過程微生物活性的一個(gè)重要指標(biāo)。Bertoldi等［15］認(rèn)為，堆肥過程中的最適pH值是5.5～8.0；而黃國鋒等［16］研究進(jìn)一步指出，堆肥高溫階段，pH值在7.5～8.5范圍時(shí)，微生物的分解能力最大。本試驗(yàn)中，各處理組的pH值在7.68～8.63之間，適合微生物進(jìn)行發(fā)酵。通常認(rèn)為，pH值范圍在6.7～9.0之間時(shí)，糞便中的微生物都可以較好地生長。過高的pH值會產(chǎn)生惡臭性氣體，使 N 元素以 NH3的形式揮發(fā)［17］。任靜等［18］指出，pH值可以作為糞便堆肥腐熟的重要指標(biāo)之一，當(dāng)糞便腐熟后，pH值一般為弱堿性，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。試驗(yàn)中各組的pH值基本先呈現(xiàn)上升的變化趨勢，造成pH值上升的原因可能是糞便中的微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生了NH4+。

3.4 不同添加量的玉米芯對堆肥種子發(fā)芽指數(shù)的影響

種子發(fā)芽指數(shù)是判斷糞便堆肥腐熟度的一個(gè)直接而有效的生物學(xué)指標(biāo)。當(dāng)種子發(fā)芽指數(shù)大于50%時(shí)，可認(rèn)為糞便堆肥基本沒有毒性，肥料已經(jīng)基本腐熟，當(dāng)種子發(fā)芽指數(shù)大于80%時(shí)，可判定糞便對植物沒有毒性，已經(jīng)腐熟［19］。本試驗(yàn)中，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，各組的種子發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢，在第30天時(shí)，各組的種子發(fā)芽指數(shù)均超過了70%，說明糞便堆肥腐熟較好。其中試驗(yàn)B組在發(fā)酵第12天種子發(fā)芽指數(shù)就達(dá)到了61.54%，顯著高于另外3組（P＜0.05），說明試驗(yàn)B組添加的玉米芯量有利于發(fā)酵。

3.5 不同添加量的玉米芯對堆肥全氮的影響

糞便中氮的變化在發(fā)酵中主要是通過微生物的代謝和揮發(fā)消耗而引起的：在堆肥初期，隨著溫度的升高，堆料中氮素的損失主要是因?yàn)镹H3的揮發(fā)；高溫期時(shí)，微生物代謝活動(dòng)旺盛，有機(jī)氮被分解，氮素主要以氨態(tài)氮形式存在；在堆肥后期溫度降低，硝化細(xì)菌活動(dòng)旺盛，氨態(tài)氮含量上升［20］。本試驗(yàn)中，各組全氮含量均呈現(xiàn)不斷下降的趨勢。鮑艷宇等［21］以不同畜禽糞便為試驗(yàn)原料，發(fā)現(xiàn)除牛糞外，其他畜禽糞便的全氮含量均呈現(xiàn)下降趨勢，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。黃向東等［22］指出，在糞便發(fā)酵初期，由于溫度升高，糞便中氮素的損失主要是由于NH3的揮發(fā)而造成的。本試驗(yàn)在發(fā)酵第30天結(jié)束時(shí)，各處理組的全氮降幅的差異不大。

4 結(jié)論

（1）各處理組中，試驗(yàn)B組的高溫持續(xù)時(shí)間最長，比其他3組提前進(jìn)入50℃高溫期，最高溫度顯著高于另外 3組（P＜0.05）。

（2）各處理組的種子發(fā)芽指數(shù)均隨著發(fā)酵時(shí)間的延長而逐漸增大，其中試驗(yàn)B組在相同的發(fā)酵時(shí)間中，種子發(fā)芽指數(shù)最大，顯著高于對照組（P＜0.05），在30 d時(shí)，種子發(fā)芽指數(shù)比對照組高7.73個(gè)百分點(diǎn)。

綜上所述，在馬糞堆肥發(fā)酵時(shí)，加入玉米芯能提高馬糞的堆肥效率，馬糞與玉米芯的比例以4∶1較為合適。