不同碳氮比對煙梗與牛糞堆肥過程的影響

韓相龍 吳薇 趙鵬博 韋成才 袁帥 李司童 毛凱倫 牛改利 張立新

摘要：為尋求廢棄煙梗資源化利用新途徑，開發(fā)煙梗和牛糞混合堆肥生產(chǎn)有機肥技術(shù)，采用煙梗和牛糞為原材料進(jìn)行好氧堆肥發(fā)酵試驗，設(shè)置3個碳氮比梯度（25 ∶1、22 ∶1、19 ∶1），研究其對堆肥發(fā)酵溫度、含水率、pH值、種子發(fā)芽指數(shù)（germination index，簡稱GI）等理化指標(biāo)和堆肥產(chǎn)品肥效指標(biāo)的影響，探索煙梗與牛糞高溫堆肥最適C/N。結(jié)果表明，適宜的煙梗與牛糞混合比例堆肥有利于加快堆肥腐熟和提高產(chǎn)品礦質(zhì)養(yǎng)分含量，碳氮比為22 ∶1時，堆肥產(chǎn)品的種子發(fā)芽指數(shù)最高達(dá)121.3%，全氮、全磷、全鉀等營養(yǎng)元素含量較其他處理高，堆肥綜合效果最好。

關(guān)鍵詞：堆肥;牛糞;煙梗;碳氮比有機肥;發(fā)酵

中圖分類號： X71;S141.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）16-0303-05

收稿日期：2018-04-25

基金項目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（編號：201303104）;秦巴煙田土壤保育及化肥減施增效技術(shù)集成與示范（編號：SXYC-2016-KJ-02）;秦巴煙葉品質(zhì)與香氣評價及影響因素研究（編號：JS-FW-2016-001）。

作者簡介：韓相龍（1995—），男，河南扶溝人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用研究。

通信作者：張立新，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事植物營養(yǎng)和資源利用研究。

我國畜禽糞便資源豐富，而對其無害化處理和資源化利用的技術(shù)尚未普及，資源浪費和環(huán)境污染現(xiàn)象嚴(yán)重[1]。畜禽糞便相比無機化肥來說富含有機質(zhì)和有益微生物，經(jīng)發(fā)酵制作的生物有機肥營養(yǎng)豐富，能夠有效改善土壤狀況，提高土壤肥力，進(jìn)而提高農(nóng)作物品質(zhì)[2-3]。我國是卷煙生產(chǎn)消費大國，煙梗是卷煙生產(chǎn)中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，約占煙葉總質(zhì)量20%～30%，每年產(chǎn)生的煙梗肥料高達(dá)數(shù)十萬t，如果不能合理利用，不僅浪費倉儲資源，而且污染環(huán)境[3-4]。前人對煙梗廢棄物資源化利用進(jìn)行了大量研究，付兵等利用煙梗熱解氣化生產(chǎn)生物炭[5];肖春菊等采用介質(zhì)溶液，將煙梗等煙草廢棄物制成煙草薄片，提高煙草廢棄物的重復(fù)利用率[6]。但目前煙草廢棄物轉(zhuǎn)化煙草薄片技術(shù)尚處于初級水平，生產(chǎn)工藝水平及產(chǎn)品質(zhì)量相對較低，廢棄物利用率僅在50%左右[7]。

煙梗與牛糞均含有豐富有機質(zhì)，且牛糞中含有大量有益微生物，煙梗中含有的煙堿對某些病蟲害有防治作用[8]。純煙梗堆肥存在原料孔隙度小、分解速度慢、發(fā)酵周期較長等問題，而煙梗牛糞混合堆肥可以提高堆肥物料的孔隙度和縮短堆肥周期[3]。牛糞孔隙度相對較大且富含有益微生物，煙梗與牛糞混合堆肥可有效增大堆肥物料孔隙度、增加微生物數(shù)量、加快物料的腐熟和縮短堆肥周期。

碳氮比（C/N）是最常用于評價腐熟度的參數(shù)，如何利用不同原料調(diào)配合適C/N，加快堆肥腐熟和闡明增效機制，對促進(jìn)禽畜糞便和煙梗等有機廢棄物資源化利用具有戰(zhàn)略意義[9]。本研究通過分析不同碳氮比下煙梗與牛糞堆肥的腐解進(jìn)程，篩選出煙梗與牛糞混合堆肥的最佳碳氮比，為實現(xiàn)煙梗與牛糞高效堆肥和工廠化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年在陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)溫室中進(jìn)行。牛糞由陜西省楊凌示范區(qū)良種奶牛繁育中心提供;煙梗末由陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司寶雞卷煙廠提供，粒度直徑為0.2～0.5 cm，長0.2～2.0 cm;EM菌劑由河南省恒隆態(tài)生物工程股份有限公司提供，有效活菌數(shù) 0.5億CFU/g，用量為0.5%。堆肥裝置為筆者所在實驗室自制，有效容積為600 L，供氧裝置固定通氣量為 3.5 L/min。煙梗與牛糞的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)3個處理，分別為T25（碳氮比為25 ∶1）、T22（碳氮比為 22 ∶1）、T19（碳氮比為19 ∶1），根據(jù)原料C、N含量將煙梗和牛糞按比例混合均勻，每處理設(shè)3個重復(fù)，含水率統(tǒng)一調(diào)整到60%左右。物料按比例混合時，將EM菌劑均勻噴灑到原料中，然后轉(zhuǎn)移至發(fā)酵裝置中，采用好氧發(fā)酵方式，每天通氣12 h，每5 d翻料1次，當(dāng)溫度穩(wěn)定在室溫不再變化時視為堆肥終止，最終發(fā)酵周期為45 d。試驗處理詳見表2。

1.3 樣品采集與分析方法

于堆肥0、5、10、17、24、31、45 d采用五點法取樣，混勻后分為2份，一份風(fēng)干粉碎過1 mm篩，用于全碳、全氮、全磷、全鉀及有機質(zhì)含量的測定，另一份用于含水率、pH值、種子發(fā)芽指數(shù)的測定。

物料溫度：采用水銀溫度計測量，每日分別測量發(fā)酵箱中物料上、中、下部的溫度，取平均值，同時記錄環(huán)境溫度。含水率：新鮮樣品稱質(zhì)量后，在溫度為105 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，則含水率=（鮮質(zhì)量-干質(zhì)量）/鮮質(zhì)量×100%。pH值：采用pH測定儀（OHAUS STARTER 2100）測定[10]。有機質(zhì)、全碳含量采用灰化法和重鉻酸鉀法測定[11]，全氮含量測定采用流動分析儀（德國SEAL公司生產(chǎn)，型號：AA3），全鉀含量測定采用火焰原子吸收光度計（英國Sherwood公司生產(chǎn)，型號：M410）;全磷含量采用鉬銻抗比色法測定[10]。種子發(fā)芽指數(shù)（germination index，簡稱GI）采用Sharpley等的方法測定[12]稱取堆肥樣品3 g按照1 g ∶10 mL加入蒸餾水中，離心后取5 mL上清液加入底部覆濾紙的玻璃培養(yǎng)皿中，取10粒青菜種子置于其中，擺放整齊，同時以清水作對照，在黑暗培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h進(jìn)行種子發(fā)芽率及根長測量，則GI=（試驗組種子發(fā)芽率×種子根長）/（對照組種子發(fā)芽率×種子根長）×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，SPSS 23.0進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中物料氣味、顏色變化

由表3可知，T22處理較T19、T25處理出現(xiàn)霉菌較早，惡臭味和氨味消失較快，顏色轉(zhuǎn)為黑褐色較快，說明碳氮比為22 ∶1可以加快煙梗和牛糞混合堆肥進(jìn)程，對提升煙梗和牛糞混合發(fā)酵的感官品質(zhì)具有明顯效果。

2.2 堆肥過程中物料溫度和含水率的變化

溫度能直觀反映堆肥過程中微生物活性變化、有機質(zhì)分解的速度和原料的腐殖化程度[13]。由圖1可知，堆肥物料存在升溫期、高溫期、降溫期、穩(wěn)定期等4個階段。由于微生物大量繁殖和分解代謝，堆體迅速升溫，而隨著有機質(zhì)的消耗和微生物數(shù)量的減少，溫度下降最終趨于環(huán)境溫度[14]。T25、T22、T19處理升溫時間都在堆肥3d左右，50 ℃以上高溫存在時間分別為8、16、12 d，60 ℃以上分別存在0、7、5 d。從高溫保持時間來看，T22、T19處理達(dá)到了無害化標(biāo)準(zhǔn)，T25處理未達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)。與T25、T19處理相比，T22處理最高溫度分別高18.4%、5.6%，且高溫（>50 ℃）存在時間最長，共16 d，達(dá)到了無害化標(biāo)準(zhǔn)[15]，T25處理高溫存在時間最短，最高溫度為58 ℃，說明22 ∶1的碳氮比可以明顯提高堆肥中最高溫度和增加高溫時間，縮短發(fā)酵周期。

適宜的含水率是保持微生物最佳活性和物料含氧量的必要條件，對于物料的腐熟具有重要作用[16]。由圖2可知，隨發(fā)酵的進(jìn)行，T22、T19處理含水率變化趨勢表現(xiàn)為先升高后下降再升高，而T25處理含水率變化相對平緩，總體趨勢呈先升后下降。堆肥結(jié)束時，T25處理含水率較初始值無明顯變化，可能由于T25處理煙梗比例過高，導(dǎo)致微生物較少，對物料分解不徹底。T22、T19處理的含水率分別較初始含水率上升500%、12.07%，這與前人得出的含水率隨堆肥進(jìn)行逐漸下降的結(jié)論[17]不同，這可能是由于本研究采用的堆肥裝置密封性較強，能有效減少水分蒸發(fā)，進(jìn)而導(dǎo)致整體含水率小幅升高。

2.3 堆肥過程中物料pH值的變化

由圖3可知，不同處理堆肥過程pH值均呈先上升后稍有下降的趨勢。至堆肥結(jié)束時，T25、T22、T19處理的pH值分別為8.49、8.68、8.34，比初始pH值分別升高34.44%、3004%、19.74%，各處理pH值均符合腐熟堆肥pH值在 8.0～9.0的標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 堆肥過程中物料全碳、全氮含量及碳氮比變化

2.4.1 全碳含量變化

碳素為微生物提供能量和碳源，全碳含量的變化能反映堆肥進(jìn)程，可作為堆肥腐熟度的指標(biāo)[18-19]。由圖4可知，3個處理的全碳含量均呈下降趨勢，其中T22處理下降速率較快，表明T22處理微生物代謝較旺盛，物料腐解較快。堆肥結(jié)束時，T25、T22、T19處理的全碳含量分別較初始值下降11.3、17.8、11.8百分點，其中T22處理下降幅度最高，腐解程度最高。

2.4.2 全氮含量變化

研究表明，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，氮素會被微生物利用而減少，堆肥后期有機質(zhì)大量分解轉(zhuǎn)化為CO2，NH3揮發(fā)損失相對較小，因此，堆肥全氮含量呈上升趨勢[17]。由圖5可知，各處理全氮含量均總體呈先迅速上升后緩慢上升趨勢。堆肥結(jié)束時，T25、T22、T19處理的全氮含量分別上升0.41、1.34、1.57百分點，說明T19、T22處理對堆肥固氮作用較T25好。

2.5 堆肥過程中物料碳氮比變化

碳氮比影響微生物生長代謝，從而影響堆肥進(jìn)程，因此常被作為堆肥腐熟度的參數(shù)[20]。由圖6可知，堆肥過程中由于微生物大量消耗碳源使全碳含量下降，3個處理的C/N均隨發(fā)酵的進(jìn)行而下降。在堆肥結(jié)束時，T25、T22、T19處理的碳氮比分別較初始值下降28.26%、55.83%和52.22%。

2.6 堆肥過程中物料有機質(zhì)含量變化

由圖7可知，T25、T22、T19處理初始有機質(zhì)含量差異較大，有機質(zhì)含量隨時間的延長而逐漸下降。其中，T22處理有機質(zhì)含量變化最大，T25、T19處理在整個堆肥階段，有機質(zhì)含量一直保持平穩(wěn)下降。堆肥結(jié)束時，T25、T22、T19處理的有機質(zhì)含量下降幅度分別為13、15、3百分點。

2.7 堆肥過程中物料全磷、全鉀含量變化

2.7.1 全磷含量變化

由圖8可知，3個處理全磷含量的總體變化趨勢為先下降后上升。在整個堆肥階段， T25處理全磷含量表現(xiàn)為先下降后稍有上升，整體呈下降趨勢。堆肥結(jié)束時，T25、T22、T19處理全磷含量分別為0.27%、0.65%、073%，其中T25、T19處理較初始全磷含量分別下降0.07、0.21百分點，T22處理較初始全磷含量上升0.17。堆肥結(jié)束時表現(xiàn)為T19、T22處理全磷含量較高，T25處理含量最低。

2.7.2 全鉀含量變化

由圖9可知，煙梗含量較高的T25處理全鉀含量較高，3個處理均總體表現(xiàn)出上升的趨勢，其中T22處理表現(xiàn)為升高后下降趨勢。堆肥結(jié)束時，T25、T22、T19處理全鉀含量分別上升 0.57、0.26、0.23百分點。 綜合比較，

T25處理上升幅度最大，T22處理次之，T19處理最小。

2.8 堆肥過程中物料種子發(fā)芽指數(shù)變化

種子發(fā)芽指數(shù)常作為堆肥產(chǎn)品安全性指標(biāo)，未腐熟物料的浸提液中含有高濃度NH4+、有機酸以及重金屬等毒性物質(zhì)，會抑制種子發(fā)芽[21]。由圖10可知，在整個堆肥過程中，種子發(fā)芽指數(shù)均呈上升趨勢，規(guī)律表現(xiàn)煙梗含量較高時GI指數(shù)較低，而煙梗含量較少時GI差異不顯著。T22、T19處理在堆肥24 d時GI均達(dá)到80%左右，而T25處理最高未能達(dá)到80%。至堆肥結(jié)束時，T22、T19處理種子發(fā)芽指數(shù)分別達(dá)到了121.3%、118.5%，已達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)。高溫時間（>50 ℃）超過10 d的處理T22和T19腐熟度較高，堆肥基本無毒性，而T25處理未完全腐熟。

3 結(jié)論與討論

堆肥是利用大量微生物對有機物進(jìn)行快速分解的過程，碳素是微生物的基本能量來源，是構(gòu)成細(xì)胞的基本材料，氮素是構(gòu)成蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸、酶、輔酶的重要成分，因此微生物的生命活動與原料的碳氮比密切相關(guān)，在堆肥中對于碳氮比的調(diào)控至關(guān)重要[18，21]。調(diào)節(jié)碳氮比的主要方法有添加無機氮素、菌劑、填充料或調(diào)理劑等。鄭丹等在牛糞堆肥中添加尿素等無機氮調(diào)節(jié)原料C/N，可顯著提高堆肥溫度，增強有機質(zhì)降解，但同時使堆肥氮素?fù)p失加重[22];劉志平等在蘑菇土堆肥中添加3種不同微生物菌劑，顯著影響堆肥中水溶性銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的含量，加速微生物分解利用氮，影響硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之間的轉(zhuǎn)換，減少氮損失[23];更多的則是通過向堆肥中添加不同調(diào)理劑或填充劑來改變堆肥物料C/N，田純焱等在豬糞中分別添加木屑、玉米秸稈和小麥秸稈進(jìn)行好氧堆肥試驗，結(jié)果表明，不同填充劑顯著影響物料總氮含量，加快原料腐熟，其中玉米秸稈效果最好[24]。本試驗研究了不同C/N下煙梗和牛糞混合堆肥，結(jié)果表明，3個處理C/N均隨發(fā)酵的進(jìn)行而下降，其中，以T22處理降幅最大。堆肥中由于微生物生長繁殖消耗大量碳水化合物，使總碳含量大幅下降，氮素由于物料中氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的分解而轉(zhuǎn)為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，雖然銨態(tài)氮有部分轉(zhuǎn)化為氨氣，硝態(tài)氮部分經(jīng)反硝化細(xì)菌分解為N2或N2O揮發(fā)，但總氮含量與總碳含量相比損失相對較低，因此C/N呈下降趨勢[9]。以T值[T值=（終點C/N）/（初始C/N）]為腐熟參考指標(biāo)，堆肥結(jié)束時3個處理的T值分別為0.72、0.44、0.48，若以T值<0.6為腐熟標(biāo)準(zhǔn)，則碳氮比25 ∶1處理未達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，以T22處理腐熟度最好[25]。

從其他堆肥指標(biāo)來看，3個處理堆體溫度均能達(dá)到50 ℃以上，T22、T19處理較T25處理升溫快、高溫時間長，呈低碳氮比進(jìn)入高溫期快的趨勢，這與Huang等的研究結(jié)果[26]相同;T22、T19處理發(fā)芽指數(shù)均達(dá)到80%的腐熟標(biāo)準(zhǔn);從肥效指標(biāo)來說，各處理全磷含量總體隨發(fā)酵的進(jìn)行表現(xiàn)為先下降后上升趨勢，其中T19、T22處理明顯高于T25處理。堆肥前期物料含有機酸較少，對全磷的溶解能力有限，隨后有機酸含量上升，物料溶磷能力增強，堆肥后期微生物大量死亡，菌體內(nèi)磷素大量釋放，全磷含量增加[27];全鉀含量總體隨酵的進(jìn)行呈上升趨勢，各處理中T25全鉀含量上升最多，這可能是由于煙草中含鉀較多，所以含煙梗較多的處理全鉀含量增幅較大。制約有機肥發(fā)展的重要因素之一含量是有機肥較無機化肥所含營養(yǎng)元素少，但有機肥含有的促進(jìn)植物生長的腐殖酸和有益根際微生物卻是無機化肥缺少的，如若能解決有機肥中氮、磷、鉀等元素欠缺的問題，將會大大促進(jìn)有機肥的應(yīng)用和普及。

適量煙梗和牛糞混合高溫好氧堆肥可以有效資源化利用煙梗廢棄物和奶牛養(yǎng)殖糞污，減少其對環(huán)境的污染。本研究比較C/N為19 ∶1、22 ∶1、25 ∶1等3個不同處理的煙梗與牛糞高溫堆肥過程中溫度、含水率、pH值、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、全碳含量的變化差異以及堆肥結(jié)束時各處理種子發(fā)芽指數(shù)的差異。結(jié)果表明，煙梗和牛糞配比使C/N為 22 ∶1 時堆肥效果最佳。研究結(jié)果能夠為煙梗及牛糞的資源化利用、工廠化生產(chǎn)有機肥料提供依據(jù)。

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