竹醋添加時期對豬糞堆肥腐殖質(zhì)形成的影響

楊航波，張 韻，鄭 威， 陳玉成，3，肖廣全，3，楊志敏，3

1. 西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2. 重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147；3. 農(nóng)村清潔工程重慶市工程研究中心/重慶市生態(tài)環(huán)境農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控重點實驗室，重慶 400715

近年來，我國禽畜養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞污達38億噸，造成了嚴(yán)重的面源污染，同時也使豬糞等固廢的處理迫在眉睫．好氧堆肥化作為處理有機固體廢物的主要技術(shù)之一，可同時實現(xiàn)廢物的無害化、減量化和資源化[1]．

但傳統(tǒng)的堆肥方式存在周期長、腐殖化程度不高、氮素?fù)p失嚴(yán)重等問題，添加劑是解決此類問題的重要途徑[2]．常用的添加劑有： 木灰、石灰等調(diào)控pH值的堿性物質(zhì)[3-5]；尿酸、竹醋及木醋等調(diào)控pH值的酸性物質(zhì)[6-7]；竹炭、木炭及秸稈碳等生物炭類物質(zhì)[6，8-9]；鎂鹽、鐵鹽及磷酸鹽等化學(xué)物質(zhì)[10-12]和菌劑[13]．生物炭由于其巨大的比表面積和孔隙率使其被加入堆體后可以增加微生物活性和改善堆體的供氧環(huán)境．相比于木炭、秸稈炭等，竹炭因比表面積更高受到青睞[14]．竹醋作為竹炭生產(chǎn)的副產(chǎn)物，由于其能調(diào)控堆體的pH值，也得到廣泛關(guān)注．

氨氮在pH值較高的條件下更容易揮發(fā)，而禽畜糞便堆肥初期的堆體pH值常常為弱堿性，氮損失量大．為降低堆肥pH值，常添加竹醋和木醋等小分子有機酸[15]．但Maillard反應(yīng)及多酚聚合等腐殖質(zhì)合成理論認(rèn)為，羧酸、酚以及還原糖等小分子有機物是腐殖質(zhì)合成的前驅(qū)體[16]，因此對富含羧酸、多酚的竹醋作為堆肥添加劑的研究不應(yīng)只停留在其對保氮的作用，還應(yīng)該進一步探討其對堆肥腐殖化進程的影響．值得注意的是，堆肥時期不同，產(chǎn)生的營養(yǎng)組分差異會導(dǎo)致微生物活性及群落的變化，進而改變腐殖質(zhì)的生成和聚合程度．但是，將竹醋作為腐殖質(zhì)的前驅(qū)體，在堆肥不同階段加入后，對堆體的腐殖質(zhì)形成有何種影響鮮有報道．

為此，本研究在堆肥初期加入竹炭，在堆肥初期、高溫期和降溫期分別加入竹醋，研究其添加時期對堆肥腐熟和腐殖化進程的影響，為堆肥中腐熟指標(biāo)及有機肥的生產(chǎn)提供一些新的思考．

1 材料和方法

1.1 供試材料

新鮮豬糞取自于重慶合川區(qū)養(yǎng)豬場，楊木木屑(堆肥調(diào)理劑)購于江蘇省連云港，竹炭、竹醋購于浙江省遂昌縣神龍谷碳業(yè)有限公司．

1.2 堆肥試驗設(shè)計和取樣

堆肥裝置(圖1)有效體積90 L，并包裹橡塑海綿進行保溫，在反應(yīng)器底部鋪設(shè)曝氣管通風(fēng)，空氣從底部泵入，平均流量0.1 L/min，堆肥時長為60 d，并持續(xù)通風(fēng)，堆肥裝置如圖1所示．每個堆體總質(zhì)量為26 kg，用木屑調(diào)節(jié)水分至60%，C/N至20，竹炭于堆肥初期添加，添加量為堆體總質(zhì)量的3%，竹醋分別于堆肥初期(第0 d)和高溫期(第7 d)以及降溫期(第14 d)投加，投加量為堆體質(zhì)量的1%．

圖1 豬糞堆肥裝置

為保證堆體均勻且減少厭氧區(qū)，每周進行一次人工翻堆，堆體溫度分別于每天9： 00，15： 00和21： 00進行測量．分別在0，3，7，14，21，30，45，60 d進行采樣，將取得的樣品分為兩部分： 一部分作為鮮樣存放在4 ℃的環(huán)境中，另一部分在自然狀態(tài)下風(fēng)干并粉碎，過0.15 mm篩備用．

1.3 試驗指標(biāo)測定

(1)

反應(yīng)腐殖化程度的腐殖化系數(shù)則采用下面公式進行計算[19]：

腐殖化程度(HR)=腐殖質(zhì)/總有機碳(HSC/TOC)

(2)

腐殖化指數(shù)(HI)=胡敏酸/總有機碳(HAC/TOC)

(3)

胡敏酸百分比(PHA)=胡敏酸/腐殖質(zhì)(HAC/HSC)

(4)

腐殖質(zhì)聚合度(DP)=胡敏酸/富里酸(HAC/FAC)

(5)

2 結(jié)果與討論

2.1 竹醋對堆體基本理化的影響

堆體溫度是堆肥腐熟的基本要求，連續(xù)3 d大于55 ℃可以消滅大部分的病毒微生物和雜草種子[20]．各堆體溫度經(jīng)歷了3個典型階段(中溫、高溫和腐熟階段)，溫度2 d內(nèi)就到達最高值(CK，T1，T2，T3分別為72.4，71.0，68.6，66.4 ℃)，進入高溫期，表明堆體中微生物活性快速提高，易分解有機物大量分解．12 d后高溫期基本結(jié)束，CK，T1，T2，T3處理堆體的高溫期(50 ℃以上)分別為10，10，9，9 d，達到了5 d以上的腐熟要求[21]．從各堆體溫度情況看，竹醋的加入對堆體溫度既無抑制作用也無促進作用，這可能是在初始階段和高溫階段加入的1%竹醋的含碳量較低，而且微生物活性高導(dǎo)致分解速度較快，使溫度無明顯改變(圖2a)，CK與T3在最高溫度相差6 ℃可能是由于測量和隨機誤差所致(圖2)．

各個堆體pH值隨時間的進程呈現(xiàn)相似的變化趨勢(圖2b)．所有處理堆體的pH值在堆肥初期相近(CK，T1，T2，T3分別為7.84，7.67，7.69，7.62)，然后先急劇上升，再略微下降，再上升，進入降溫期后出現(xiàn)明顯的下降并逐漸趨于平穩(wěn)．堆肥高溫前期，pH值急劇上升的原因在于豬糞中易分解的小分子有機酸的大量消耗，而高溫期出現(xiàn)pH值波動是因為較難分解的有機物大量分解并產(chǎn)生小分子酸以及小分子有機酸的加入．進入降溫期后，pH值的下降可能是難分解的有機物進一步降解產(chǎn)生小分子酸，同時硝化作用產(chǎn)酸所致[22]．與CK相比，竹醋加入的時間點未出現(xiàn)pH值下降的原因是先取樣再加入竹醋，而堆肥結(jié)束時各堆體的pH值都低于堆肥安全利用推薦限值(pH值<8.5)[21]．

電導(dǎo)率(EC)值反映了堆體中的含鹽量，而含鹽量高的堆肥不僅會降低種子發(fā)芽率，施入土壤后還會影響作物的生長，因此堆體的EC值是一個必要檢測的指標(biāo)[23]．試驗發(fā)現(xiàn)，所有處理的EC值均呈現(xiàn)先快速下降后有所上升的變化趨勢，第14 d以后EC值雖然有一些波動，但最后逐漸趨于穩(wěn)定(圖2c)．第1周內(nèi)EC值迅速下降然后增加，這可能是氨揮發(fā)和礦物鹽沉淀[24]，隨后的升高可能與堆肥質(zhì)量的凈損失和通過有機物分解釋放可溶性鹽有關(guān)．LI等[25]的研究也有相似結(jié)論．一般來說，堆肥的EC值≤4.0 mS/cm[21]就達到可安全使用要求．本研究所有處理堆體最終EC值均在安全范圍之內(nèi)．

圖2 竹醋對堆肥理化性質(zhì)的影響

2.2 竹醋對堆肥TOC以及TKN的影響

從圖3a可見，堆體總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(TOC)隨堆肥時間的進行逐步下降，CK，T1，T2，T3堆肥初始TOC比例分別為46.76%，45.61%，45.11%和45.35%，對比堆肥降溫期及腐熟期TOC下降較為緩慢，高溫期堆體TOC由于微生物活性較大，出現(xiàn)明顯下降趨勢．堆肥降溫期堆體TOC的下降速率放緩則是后期水分較低，導(dǎo)致微生物活性不高引起[28]．對比4個堆體TOC降解率(TOC降解率=降解的TOC比例 /初始TOC比例×100%)發(fā)現(xiàn)，第0 d和第7 d加入竹醋可明顯促進TOC降解(T2-6.60%>T1-6.42%>T3-5.86%>CK-5.30%)．黃向東[15]研究發(fā)現(xiàn)，添加竹醋堆體微生物的Shannon指數(shù)均高于對照組，證明前期加入竹醋刺激了微生物活性，使降溫期加入竹醋并未出現(xiàn)TOC明顯下降．

TKN作為堆肥氮素最重要的成分，其值常用于有機肥品質(zhì)的評價中．從圖3b來看，各堆體TKN比例呈先下降后上升的變化趨勢，堆體TKN先下降的原因是氨氮的高溫?fù)]發(fā)以及有機氮向無機氮方向轉(zhuǎn)化[6]．比較第0 d和第7 d加入竹醋的TKN曲線發(fā)現(xiàn)，T1曲線和對照曲線類似，在第7 d出現(xiàn)最低點，而T2曲線最低點卻出現(xiàn)了滯后現(xiàn)象，這可能是第7 d加入竹醋為微生物提供營養(yǎng)促進了有機氮進一步礦化所導(dǎo)致的．堆肥結(jié)束后TKN增長率(與第0 d相比)按順序排列為： T3-11.66%>T1-8.17%>CK-6.07%>T2-1.82%．增長率的變化說明了竹醋在不同時期的加入對氮素轉(zhuǎn)化是有影響的，而單從增長率看，第14 d加入竹醋促進了微生物對氮素的同化．而第7 d加入竹醋可能增加了微生物活性，促進有機氮的礦化，而且處于高溫期，從而增加了NH3或NxO的揮發(fā)．

圖3 竹醋對堆肥TOC和TKN的影響

2.3 竹醋對堆肥腐熟度的影響

GI是一種綜合性的生物指標(biāo)，被認(rèn)為是評價堆肥毒性和成熟度的最敏感參數(shù)[29]．從圖4a看出，所有處理開始時的GI都小于0.4，隨著堆肥的進行，所有處理的GI值呈現(xiàn)上升的趨勢．前期由于堆體的不穩(wěn)定，具有較強的生物毒性(如高氨氮、高EC以及小分子有機酸等)，而隨著堆肥的進行，小分子有機酸分解，EC下降和腐殖化程度提高，使堆體逐步穩(wěn)定，生物毒性降低[23]；在堆肥結(jié)束時，CK，T1，T2，T3的GI值分別是1.14，1.35，1.23，1.08，最終所有處理的GI值均高于推薦值(50%)[21]，且添加竹醋T1，T2的處理GI高于對照組，表明添加竹醋使堆體更加穩(wěn)定和安全，生產(chǎn)的堆肥可作為有機肥用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(圖3a)．而T3處理在降溫期加入竹醋，由于缺少高溫條件，并不能促進有機質(zhì)的進一步降解(圖3a)，堆肥結(jié)束時(第60 d)其GI值和對照組相近．

碳氮比也是衡量堆肥品質(zhì)的重要參數(shù)，它直接說明了最終產(chǎn)物是否會抑制植物生長[30]．從圖4b看出，堆體C/N呈現(xiàn)先上升再下降的過程．前期可能是因為高溫期，易礦化有機氮大量分解轉(zhuǎn)化為無機氮，氨氮揮發(fā)，使有機氮銳減，而有機碳的下降相比TKN變化緩慢導(dǎo)致C/N上升，隨著無機氮逐步被微生物重新同化及有機碳下降明顯，使得其C/N比持續(xù)下降；在堆肥結(jié)束時，CK，T1，T2和T3的C/N分別為16.73，15.84，16.96和16.56．由此看出，經(jīng)過長期的好氧堆肥對其影響并不大．

圖4 竹醋對堆肥GI和C/N的影響

2.4 竹醋對堆肥腐殖化的影響

腐殖質(zhì)作為土壤有機質(zhì)的組成成分，因其對土壤理化性質(zhì)調(diào)控、種子發(fā)芽、植物生長以及作物產(chǎn)量具有促進作用而受到關(guān)注，且胡敏酸作為腐殖質(zhì)的組成成分，其穩(wěn)定性和高陽離子交換量對土壤的解毒和抵御外來污染物起到了很重要的作用[31]．因此將堆肥作為有機肥施入土壤時，其腐殖質(zhì)比例和變化是需要關(guān)注的．隨著堆肥的進行，堆體理化性質(zhì)發(fā)生劇烈改變，用單純的富里酸、胡敏酸以及腐殖質(zhì)比例變化具有一定的局限性．因此引入腐殖化系數(shù)(HR)、腐殖化指數(shù)(HI)、胡敏酸百分比(PHA)和腐殖質(zhì)聚合度(DP)，使腐殖質(zhì)變化與堆肥整體變化相結(jié)合，說明腐殖化進程[32]．

隨著堆肥的進行，由于微生物的不斷作用，簡單的小分子有機物向復(fù)雜的更穩(wěn)定的大分子有機物轉(zhuǎn)化[33]，雖然有機質(zhì)不斷減少，腐殖化系數(shù)(HR)卻不斷上升．相比對照組的腐殖化系數(shù)的增加量(12.77%)，竹醋的添加使其腐殖化程度更高(T1-14.90%，T2-15.98%，T3-18.34%)．值得注意的是，T3處理較T1，T2更能有效促進腐殖化系數(shù)的增加，且與胡敏酸相關(guān)的腐殖化指數(shù)(HI)也以T3處理最高(T3-38.28%，CK-34.28%)．其原因在于，堆體后期易分解物質(zhì)大量減少，微生物群落結(jié)構(gòu)變化且活性有所降低，此時加入竹醋，一方面可能再次提高微生物活性，促進難降解有機物繼續(xù)分解生成更多的腐殖質(zhì)前驅(qū)體，另外一方面小分子有機酸直接參與非生物的腐殖化進程，從而使得T3處理的腐殖化程度增加．

腐殖質(zhì)聚合度(DP)由于能較好評價堆體的腐熟程度和腐殖質(zhì)的聚合情況被廣泛使用．由于富里酸相比胡敏酸分子量小且穩(wěn)定性差，較低的腐殖質(zhì)聚合度(DP<1)常被視為堆體未腐熟[21]．從圖5來看，堆肥腐殖質(zhì)的聚合度隨著堆肥進行而不斷上升，堆體的穩(wěn)定性也在不斷增強，從堆肥前后DP的增加率看，T3增加最為明顯(T3-101.84%>T1-65.84%>CK-57.63%>T2-54.09%)．同樣T3處理的PHA的增加率也是最高，堆肥結(jié)束后其HAC/HSC上升了32.71%．綜上4個指標(biāo)可見，于堆肥第14 d加入竹醋(T3處理)，并沒有因為小分子有機酸的介入而導(dǎo)致堆肥腐熟度和腐殖化程度下降，反而增加了腐殖化系數(shù)和腐殖質(zhì)的聚合程度．

圖5 竹醋對堆肥腐殖化進程的影響

Wang等[34]通過逐步調(diào)控環(huán)境因素，證明環(huán)境變化有利于腐殖質(zhì)的生成．Zhu等[35]通過結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)分析發(fā)現(xiàn)還原糖和腐殖質(zhì)的形成相關(guān)性有統(tǒng)計學(xué)意義，并且在中溫期和腐熟期加入還原糖可以促進腐殖質(zhì)的生成，本研究也出現(xiàn)了類似的結(jié)果．從堆體腐熟程度指標(biāo)(如C/N、GI)看，降溫期加入竹醋(T3處理)與堆肥初期加入竹醋(T1處理)指標(biāo)相比要低，但是也到達了安全利用的要求，而從腐殖化進程來看，堆肥后期加入竹醋使腐殖質(zhì)和胡敏酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，同時提高了腐殖化程度，其作為有機肥長期施入土壤，會在一定程度改善土壤自身理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)．竹醋作為添加劑在不同時段的加入為堆肥添加劑一貫單一時間段的添加(堆肥初期)提供了參考．

3 結(jié) 論

堆肥初期加入竹醋可使堆肥結(jié)束后堆體C/N(15.84)最低、GI值(1.35)最高，氮素?fù)p失降低(TKN提高8.17%)，即堆肥初期加入竹醋可以提高堆肥腐熟度和堆肥品質(zhì)．

堆肥降溫期(第14 d)加入竹醋，使堆肥得到的有機肥除滿足正常的堆肥農(nóng)用要求外，其腐殖化系數(shù)(18.34%)和腐殖質(zhì)聚合度(101.84%)的增長率都高于其他處理．

竹醋的加入時間段對堆體的理化性質(zhì)、腐熟度和腐殖化進程都有明顯的影響，在降溫期加入竹醋可有效提高堆體的腐殖化程度．