牛糞有機肥快速制備及其肥效比較

劉開琳，劉淑娟，劉虎俊，劉光武，萬 翔，李菁菁

（1.甘肅省治沙研究所，甘肅蘭州730070；2.甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室/ 省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅 蘭州730070）

大量使用化肥帶來的問題突顯，我國政府通過政策和獎勵促進有機肥的應(yīng)用，希望在保持作物產(chǎn)量的同時，保護土地和環(huán)境。牛糞是有機肥的重要來源，年產(chǎn)量約14 億t[1]，為我國有機肥生產(chǎn)提供了原料。此外，我國小麥年種植面積是全國耕地總面積的22%～30%，產(chǎn)生了大量小麥秸稈，秸稈可以為養(yǎng)殖業(yè)提供飼料，也可以為有機肥生產(chǎn)提供豐富原料。但如果這些材料處理不當，不僅浪費資源，而且會嚴重污染環(huán)境[2]。牛糞有機肥發(fā)酵是簡單有效的有機肥制備方法，在牛糞資源利用中發(fā)揮著重要作用[3]。目前，我國66%的肉牛養(yǎng)殖場排泄物采用發(fā)酵成有機肥的傳統(tǒng)處理方式[4]。傳統(tǒng)有機肥自然發(fā)酵的溫度不高，生產(chǎn)有機肥的周期較長，發(fā)酵時間在40 d 以上，且難以殺滅牛糞中所含的雜草種子和蟲卵病菌[5]。不少研究者采用添加菌劑的方法來促進牛糞發(fā)酵[6]，比較不同微生物菌劑對牛糞發(fā)酵過程溫度的影響[7]，確認促進牛糞發(fā)酵的菌種及其配比[8]。此外，也可通過增加秸稈調(diào)整碳氮比，以加快牛糞發(fā)酵腐熟的速度[6]。目前，牛糞制備有機肥的方法較多，發(fā)酵菌劑適宜條件各異。本試驗參考前人研究成果，綜合應(yīng)用添加微生物菌劑、適當加入麥秸和堆放模式，形成適宜荒漠區(qū)的牛糞發(fā)酵快速制備有機肥方法，并比較牛糞有機肥效果，以提供牛糞有機肥生產(chǎn)參考方法。

1 材料與方法

1.1 選擇發(fā)酵菌劑

選擇益加益和珺興有機肥發(fā)酵菌劑為牛糞發(fā)酵劑，2 種發(fā)酵劑均為粉劑。其中益加益有機肥發(fā)酵菌劑所含菌種有乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌、光合菌、絲狀真菌和放線菌，活菌總數(shù)為200 億/g。珺興有機肥發(fā)酵菌劑所含菌種有枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、沼澤紅假單胞菌和巨大芽孢桿菌，活菌總數(shù)為100 億/g。

1.2 牛糞及輔料處理

發(fā)酵用的牛糞來自甘肅省民勤縣薛百肉牛養(yǎng)殖場，其含水量為80%，pH 值為7.94，電導率1.17 ms/cm，全氮15.7 g/kg。牛糞預處理：直接晾曬新鮮牛糞至含水量約65%。發(fā)酵輔料為麥秸或麥麩，麥秸粉碎至1～2 cm 制成添加料，或用麥麩制成添加料。

1.3 牛糞發(fā)酵處理

發(fā)酵地點為甘肅省民勤治沙綜合試驗站養(yǎng)殖場，發(fā)酵池為1 m3土坑，池深70 cm，內(nèi)鋪完整的棚膜，既可以保水，又可以隔絕其他污染。根據(jù)發(fā)酵菌劑說明書將粉劑拌水成溶液，再將發(fā)酵劑溶液均勻拌入15 kg 的麥秸或麥麩，最后摻入牛糞中混勻，將牛糞+麥秸+發(fā)酵菌劑的物料倒入發(fā)酵池，蓋上棚膜發(fā)酵。發(fā)酵試驗時間為2018 年6 月18 日至7 月3 日，歷時15 d。加入益加益和珺興有機肥發(fā)酵菌劑的試驗分別編號為F1 和F2，以不加發(fā)酵菌劑為對照（CK）。

1.4 牛糞有機肥肥效比較

牛糞有機肥肥效試驗以其對飼用型甜高粱品種大力士的高生長量為指標，肥料對比則是本試驗所制備的牛糞有機肥和以牛糞為主要發(fā)酵原料的沼液。牛糞有機肥的腐殖酸、富里酸和全氮量分別是沼液的48.5 倍、87.1 倍和26.3 倍，而沼液的速效鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分別是有機肥的18.6 倍、11.6 倍和976.92 倍，2 種肥料成分及酸堿性存在差異（見表1）。采用大區(qū)對比試驗比較牛糞有機肥和沼液作基肥對甜高粱生長率的影響，每種肥料處理的面積為800 m2，不設(shè)重復。播種時間為2019 年5 月20 日，采用平地覆膜種植，點播株距20 cm，行距40 cm。牛糞有機肥和沼液作基肥在播種前施入1 次，牛糞有機肥作基肥施用量約為0.75 kg/m2，沼液作基肥施用量約為13.0 kg/m2，灌水過程給沼液基肥地隨水澆入沼液6.5 kg/m2，以達到所施氮量相近。

1.5 測定指標及方法

從牛糞發(fā)酵試驗的第2 天開始，每天早上7:30、下午15:00、傍晚19:30 各測定溫度1 次，測定深度為插入發(fā)酵物中30 cm，pH 值測定只在早晨8:00，取樣深度為30 cm。pH 用電導儀（SX823 便攜式pH/電導率儀）測定。當發(fā)酵物顏色變成黑褐色，有大量白色菌絲出現(xiàn)，氣味轉(zhuǎn)變，溫度下降至不再上升時取樣測定發(fā)酵物的化學成分，包括總有機碳、腐殖酸、全氮、速效鉀、速效磷、pH。含量測定的指標[9]和方法為普通化學測試方法和有機肥料標準NY525-2012規(guī)定的方法。在甜高粱生長62 d 后，測定牛糞有機肥和沼液處理的甜高粱高生長量。氣溫和地溫數(shù)據(jù)來自甘肅省民勤治沙綜合試驗站氣象站。所有觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel 數(shù)據(jù)處理軟件進行整理分析以及圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 牛糞制備有機肥監(jiān)測因子比較

2.1.1 牛糞發(fā)酵溫度 新鮮牛糞發(fā)酵過程溫度變化可分為4 個階段，與當?shù)貧鉁刈兓嘁恢拢ㄒ妶D1）。牛糞發(fā)酵第2 天（圖1 的第1 天）的溫度就上升到50℃以上，第3—6 天的發(fā)酵溫度有所下降，到了第7—8 天發(fā)酵溫度再次上升，保持高溫直到發(fā)酵的第12 天溫度再次下降到45～47℃。其中F1 只有1 d的溫度小于45℃，F(xiàn)2 有2 d 的溫度低于45℃。發(fā)酵處理的第13 天，F(xiàn)2 的溫度仍保持在45℃以上。而沒有接種菌劑CK 的發(fā)酵溫度則始終保持在44～45℃，發(fā)酵溫度相對較低。發(fā)酵過程的溫度變化幅度F1 大于F2。在牛糞發(fā)酵過程中，發(fā)酵溫度隨氣溫變化，最高發(fā)酵溫度約為氣溫和地溫的2 倍。但在試驗期，30 cm 深度的地溫約呈上升趨勢，有66%的時間地溫是大于氣溫的，選擇半地下發(fā)酵池發(fā)酵牛糞可保持周圍環(huán)境溫度穩(wěn)定，有利于發(fā)酵。

表1 2 種牛糞發(fā)酵肥料的主要指標

圖1 牛糞發(fā)酵過程的溫度（℃）變化

2.1.2 牛糞發(fā)酵過程的pH 值 在牛糞發(fā)酵過程中，無論是添加發(fā)酵菌劑還是不添加發(fā)酵菌劑（CK），pH 值都呈先下降再上升的趨勢（見圖2）。添加發(fā)酵菌劑處理的發(fā)酵過程pH 平均值都小于9.0，而CK 發(fā)酵有7 d 大于9.0。在牛糞加發(fā)酵菌劑處理中，各發(fā)酵物料的pH 值為8.3～9.4，但發(fā)酵的第15天pH 值降到了8.19～8.27，符合有機肥料標準NY525-2012 的規(guī)定（pH 值5.5～8.5）。

圖2 牛糞發(fā)酵過程的pH 值變化

2.1.3 牛糞有機肥成分 比較發(fā)酵前和牛糞發(fā)酵、牛糞+麥秸發(fā)酵、牛糞+麥秸+菌劑發(fā)酵處理的牛糞有機肥有效成分。發(fā)酵牛糞的總有機碳都減少，牛糞+麥秸+菌劑發(fā)酵處理的牛糞有機肥腐殖酸、全氮、速效鉀、速效磷、pH 都增加。其中速效鉀和速效磷增加量最多，而腐殖酸的絕對增加量最大（見表2）。牛糞+麥秸+菌劑所發(fā)酵有機肥的腐殖酸是對照的1.63 倍，全氮增加量是對照的1.17 倍，速效鉀增加量是對照的1.64 倍，速效磷增加量是對照的2.19 倍。與發(fā)酵前比較，牛糞發(fā)酵腐熟物料的pH 增加。

2.2 牛糞有機肥對甜高粱生長速率的影響

在生長的100 d 內(nèi)，施用牛糞有機肥和沼液的甜高粱株高的平均生長速率差異顯著（P＜0.05，見圖3），分別約是不施肥處理株高生長速率的1.12 倍、1.02倍。施牛糞有機肥的甜高粱平均株高生長率是沼液的1.09 倍。甜高粱植株的高生長分別有2 個高峰期：種植的第70 天左右和第100 天左右，第一個株高生長高峰期是施入沼液追肥之后。在這2 個高生長較大時期，施用牛糞有機肥甜高粱平均株高生長速率小于施用沼液的。第一個和第二個生長高峰期，施用沼液的甜高粱平均株高生長速率都約是施用牛糞有機肥的1.13 倍。但在觀測期內(nèi)，施用牛糞有機肥的甜高粱平均株高生長率有50 d 大于施用沼液的。株高增長率的偏差值是施用牛糞有機肥的小于施用沼液的和對照的。因此，施用牛糞有機肥的甜高粱株高生長速率相對施用沼液的穩(wěn)定。施用牛糞有機肥的甜高粱平均總高度（131.00 cm）大于施用沼液的株高（116.27 cm）。因此，本試驗制備的牛糞有機肥肥效相對較好。

圖3 施用2 種牛糞有機肥的甜高粱株高生長速率

表2 牛糞發(fā)酵制備有機肥的主要有效成分

3 結(jié)論與討論

新鮮牛糞加入麥秸以及益加益和珺興有機肥發(fā)酵菌劑發(fā)酵處理，快速提高了牛糞發(fā)酵溫度。微生物菌劑的加入可以提高畜禽糞便的發(fā)酵溫度[2]，加快牛糞腐熟。加入2 種發(fā)酵菌劑，發(fā)酵物料的溫度第2 天都遠大于氣溫和地溫，也大于對照，微生物活動強烈，有利于牛糞發(fā)酵腐熟。畜禽糞便中加入發(fā)酵菌劑能夠改變原有微生物組成，增加纖維素酶和多酚氧化酶活性等[10]，加快牛糞腐熟速度，促進腐熟程度，但牛糞發(fā)酵過程的溫度和有效成分的變化不同。這與菌劑所含的菌種有關(guān)，不同菌種的配伍加快牛糞腐熟的速度不同[7]。本試驗的發(fā)酵物溫度第2 天就達到或超過了50℃，且15 d 內(nèi)大多保持在45～50℃。研究認為有機肥發(fā)酵的適宜溫度應(yīng)保持在50～60℃左右[3]。本試驗溫度約低于這個溫度，可能與當?shù)貧鉁睾桶l(fā)酵物的碳氮比等有關(guān)，還需要進一步研究。在發(fā)酵期內(nèi)物料的溫度變化受氣溫影響，而地下溫度變化較小，30 cm 深地溫呈上升趨勢，在發(fā)酵過程挖30 cm 左右地下發(fā)酵池是一種可以應(yīng)用的發(fā)酵模式。

在牛糞發(fā)酵過程中，由于碳氮循環(huán)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化，碳、氮、鉀和磷發(fā)生變化，碳元素減少，有些試驗氮減少[11]，但多數(shù)試驗的氮增加，鉀增加[4]，磷變化不大。

應(yīng)用本試驗的牛糞發(fā)酵制備有機肥成分大于對照，且總營養(yǎng)成分符合中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準[12]。發(fā)酵處理牛糞的總有機碳減少，腐殖酸、全氮、速效鉀、速效磷、pH 都增加。全氮增加量較大的是益加益有機肥發(fā)酵菌劑處理大于珺興有機肥發(fā)酵菌劑處理。速效鉀和速效磷增加量是珺興有機肥發(fā)酵菌劑處理大于益加益有機肥發(fā)酵菌劑處理。本試驗的腐殖酸、全氮、速效鉀增加，這和多數(shù)研究結(jié)果相似[3]，速效磷的變化與其他試驗結(jié)果有差異。

施牛糞有機肥的甜高粱平均株高生長率是沼液的1.09 倍，這與牛糞有機肥的腐殖酸和全氮量大于沼液的相一致。腐植酸能夠調(diào)控土壤氮素去向、減少氮素損失，對提高氮肥利用率具有重要意義[13]。雖然牛糞有機肥的速效鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量相對較低，但其腐殖酸、富里酸和全氮量較大，提高了氮肥的利用效率，促進了甜高粱的生長率。