2種翻拋頻率對(duì)雞糞好氧堆肥發(fā)酵的影響

宋小宇, 朱 浩, 鄒海明

(安徽科技學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 鳳陽(yáng) 233100)

雞糞是一種常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)有機(jī)肥料,有效利用雞糞肥料對(duì)于提高農(nóng)作物產(chǎn)量和改善土壤質(zhì)量具有重要意義,雞糞堆肥腐熟度決定其肥效。楊文勇[1]的研究表明雞糞的肥力需要通過(guò)堆肥腐熟后才能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。鮑艷宇等[2]表明,充分腐熟的雞糞堆肥能增加土壤的肥力,改善土地結(jié)構(gòu)。高腐熟度的堆肥養(yǎng)分更容易被植物吸收利用,對(duì)植物生長(zhǎng)有良好的促進(jìn)作用[3-5]。周桐[6]在田間試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)使用有機(jī)肥代替化肥能顯著提高小麥的生物量和產(chǎn)量。雞糞堆肥腐熟程度在植物生長(zhǎng)中起至關(guān)重要的作用。好氧堆肥是雞糞資源化利用最有效的手段之一,同時(shí)有效的好氧堆肥技術(shù)不僅能滅殺雞糞中大多數(shù)病原體,還能有效降解堆肥過(guò)程中激素、抗生素及大多數(shù)有機(jī)酸等[7]。然而由于堆體高水分、高pH的特性,使堆體產(chǎn)生好氧厭氧共存區(qū)域,導(dǎo)致堆體易產(chǎn)生大量NH3和溫室氣體,不僅易造成堆體養(yǎng)分流失嚴(yán)重,還導(dǎo)致全球變暖問(wèn)題突出[8]。而翻拋能有效減少堆體厭氧區(qū)域的產(chǎn)生,加速堆肥發(fā)酵。路一鳴等[9]發(fā)現(xiàn)翻拋能加快堆肥腐熟過(guò)程中腐殖質(zhì)電子的轉(zhuǎn)移能力。王博等[10]研究表明,采用不同翻拋頻率堆肥可以有效提高堆體通透性并使堆體更早進(jìn)入高溫發(fā)酵期。然而,翻拋頻率的不同會(huì)影響雞糞堆肥的腐熟度。研究表明,采用高翻率翻拋(HTF)的處理方式,在堆肥過(guò)程中能夠加大氧氣的供應(yīng),加快生物活性,使堆肥含水率更低,更好地保存有機(jī)質(zhì)和維生素等成分,從而提高肥料品質(zhì)和腐熟度[11]。由于對(duì)堆肥過(guò)程的干擾增加,采用HTF會(huì)導(dǎo)致其中的菌群受到較大的干擾而未能很好的繁殖[12],同時(shí)增加了空氣流通,使得水分和養(yǎng)分的流失增加[13],導(dǎo)致雞糞堆肥腐熟程度不能得到較好的保證。低頻率翻拋(LTF)堆肥需要更長(zhǎng)的時(shí)間,而且堆肥中的氧氣供應(yīng)相對(duì)減少,導(dǎo)致其腐熟度相對(duì)較低[14]。但在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行LTF,則菌群有時(shí)間鞏固建立,可更好地生長(zhǎng)繁殖,促進(jìn)腐熟,使堆肥中的有機(jī)質(zhì)分解和提供營(yíng)養(yǎng)元素的過(guò)程得以加強(qiáng)[15-16]。目前,國(guó)內(nèi)外研究多集中在雞糞堆肥的腐熟度與農(nóng)作物產(chǎn)量之間的關(guān)系上。然而,雞糞堆肥的腐熟度不同對(duì)于農(nóng)作物的影響卻存在爭(zhēng)議。王秀紅等[14]認(rèn)為腐熟度高的雞糞堆肥對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)更有利;高新昊等[17]研究認(rèn)為,半腐熟堆肥處理在提高番茄產(chǎn)量、增加葉片光合作用等方面優(yōu)于完全腐熟堆肥;周新偉等[18]研究發(fā)現(xiàn),低腐熟雞糞堆肥對(duì)播種幼苗的出苗率可產(chǎn)生一定影響,但不影響出苗后的生長(zhǎng),對(duì)移栽苗(成苗)的器官建成及苗期生長(zhǎng)也不存在安全問(wèn)題。翻拋能改變堆肥過(guò)程中堆體的理化性質(zhì),但翻堆如何影響堆肥腐熟程度目前仍不清楚。鑒于此,本研究通過(guò)改變雞糞堆肥過(guò)程中的翻拋頻率,測(cè)定處理后的雞糞堆肥的溫度、pH、有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀含量、EC及GI等參數(shù),探究2種翻拋頻率對(duì)雞糞好氧堆肥的影響,為有機(jī)肥的生產(chǎn)和畜禽糞污的資源化和無(wú)害化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣品

將堆肥原料雞糞、秸桿堆置為長(zhǎng)30.0 m、寬3.0 m、高1.0 m的三角形條垛或堆堤。雞糞、秸稈按1.2∶1比例混合成發(fā)酵原料。本試驗(yàn)堆肥的雞糞和秸稈均取自安徽省阜陽(yáng)市義豐肥業(yè)有限公司,基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 堆肥原料基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)處理。(1)高頻率翻拋(HTF):每3天翻拋1次。(2)低頻率翻拋(LTF):每6天翻拋1次。各組均設(shè)計(jì)對(duì)照組,以探究其對(duì)雞糞堆肥腐熟度的影響。

在第1、4、7、10、13、16、19、22、25天對(duì)堆肥進(jìn)行取樣,選取條垛式堆體的兩側(cè)和頂部分別混合粉碎作為樣品,采集的固體樣品分為2個(gè)部分。第一部分鮮樣用于測(cè)定樣品的含水量、有機(jī)質(zhì)含量和種子發(fā)芽指數(shù)(GI);第二部分置于-20 ℃下保存,測(cè)定氮磷鉀含量、pH和EC。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

每日分別用3個(gè)溫度計(jì)在4個(gè)堆體相同間隔位置50 cm深度處測(cè)量溫度,取平均值作為當(dāng)天堆體溫度;取鮮樣25 g加入250 mL純凈水充分?jǐn)嚢杌靹?采用pH計(jì)和電導(dǎo)儀分別測(cè)定pH和EC;采用硫酸亞鐵滴定重鉻酸鉀的方法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量;將樣品進(jìn)行消煮后,分別用凱氏定氮儀、火焰光度計(jì)和分光光度計(jì)測(cè)定樣品的氮磷鉀總量。

GI的測(cè)定:取10.00 g鮮樣置于250 mL錐形瓶中,加入90 mL純凈水,震蕩1 h后取上層清液過(guò)濾,收集過(guò)濾后的浸提液,備用,在9 cm培養(yǎng)皿中放一張定性濾紙,均勻放置10粒大小一致、飽滿的黃瓜種子,加入10 mL浸提液,純凈水代替浸提液作為空白對(duì)照,在25 ℃下恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)48 h后測(cè)發(fā)芽率和根長(zhǎng),計(jì)算公式為:

其中,A1為浸提液培養(yǎng)的種子發(fā)芽粒數(shù)占放入總粒數(shù)的百分比(%);A2為浸提液培養(yǎng)的全部種子的平均根長(zhǎng)(mm);B1為水培養(yǎng)的種子發(fā)芽粒數(shù)占放入總粒數(shù)的百分比(%);B2為水培養(yǎng)的全部種子的平均根長(zhǎng)(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel對(duì)試驗(yàn)所測(cè)定的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行整理和篩選,確定數(shù)據(jù)的有效性。并用Origin 2018對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種翻拋頻率對(duì)堆肥溫度的影響

圖1顯示2種翻拋頻率對(duì)堆肥溫度的變化。整體來(lái)看,隨著堆肥的進(jìn)行,2組堆肥溫度均呈先上升后下降的變化趨勢(shì),這與好氧堆肥的基本特點(diǎn)一致[8],前期溫度變化曲線大致相同,可能由于升溫期堆體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較豐富,翻拋對(duì)溫度的影響程度較小,因而2種翻拋溫度曲線相似,但15 d后,2種溫度曲線差異明顯,因?yàn)镠TF加快了堆體水分的蒸發(fā),溫度下降幅度更大。前10 d堆體溫度快速升高,7 d時(shí),堆體溫度均在60 ℃以上,進(jìn)入高溫期,溫度最高能到達(dá)71 ℃,高溫期持續(xù)時(shí)間超過(guò)10 d,說(shuō)明此次堆肥的物料含碳量較高,升溫明顯,HTF和LTF堆肥效果均較好。15 d后,HTF和LTF溫度均呈較大幅度快速下降,此時(shí)堆肥進(jìn)入降溫期,堆肥氮元素消耗較大,微生物的活性受到抑制,減緩堆肥進(jìn)程,這與Tuomela[19]研究成果一致。20 d時(shí),HTF溫度逐漸穩(wěn)定,堆肥進(jìn)入腐熟期,而LTF溫度仍較大幅度下降,HTF能較早進(jìn)入腐熟期,加快堆肥進(jìn)程,這可能因?yàn)镠TF水分揮發(fā)更快,能更快進(jìn)入腐熟期。堆肥結(jié)束后,各組處理堆體高溫發(fā)酵時(shí)間均能達(dá)到10 d以上,各處理均達(dá)到《糞便無(wú)害化處理要求》,平均室溫為25.00±3.25 ℃。

圖1 2種翻拋頻率下溫度的變化Fig.1 Change of temperature at two tumbling frequencies

2.2 2種翻拋頻率對(duì)堆肥腐熟度的影響

2.2.1 2種翻拋頻率對(duì)堆肥水分的影響 2種翻拋頻率對(duì)堆肥水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖2所示。堆料水分隨著堆肥的進(jìn)行逐漸降低,到堆肥結(jié)束后降低至31.4%、31.8%、30.8%、33.1%。整個(gè)堆肥過(guò)程中,水分的降低量相差較小,但2種翻拋頻率對(duì)水分的降幅不同。翻拋能加速水分揮發(fā),7 d前,HTF水分的降低幅度高于LTF;但7 d后,LTF降低幅度更大,這可能是因?yàn)槎逊蔬M(jìn)入高溫期,翻拋對(duì)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響較小,而堆體中微生物的活性更影響水分的降低速率;13 d時(shí),HTF和LTF水分的降低量接近,此時(shí)堆肥正處于高溫期,堆體平均溫度高達(dá)70 ℃,堆體高溫好氧微生物活性較高,但HTF破壞微生物的群落結(jié)構(gòu),影響微生物活性,因而HTF組的降低速率低于LTF。16 d后堆肥進(jìn)入降溫期,堆體溫度下降, 此時(shí)微生物活性較低,但HTF組質(zhì)量分?jǐn)?shù)水分僅40%左右,LTF組水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于40%以下,水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低效果明顯。分析結(jié)果表明,HTF在一定程度上能加快堆肥水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低,但堆肥進(jìn)入高溫期后,HTF易破壞堆體內(nèi)微生物的活性,此時(shí)不宜采用HTF降低水分;但堆肥處于降溫期甚至腐熟期時(shí),提高翻拋頻率能加速水分的揮發(fā)速率。

圖2 2種翻拋頻率下水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.2 Moisture changes at two tumbling frequencies

2.2.2 2種翻拋頻率對(duì)堆肥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 由圖3可見(jiàn),HTF組和LTF組的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨堆肥進(jìn)行逐漸降低,至堆肥結(jié)束時(shí)各處理分別下降至33.06%、30.64%。4 d前,LTF組有機(jī)質(zhì)降低幅度高于HTF組,可能翻拋破壞了微生物的群落,降低了微生物活性,且堆體呈現(xiàn)高水分低氧氣含量的特性,從而減少有機(jī)質(zhì)的消耗量。4～19 d HTF組和LTF組有機(jī)質(zhì)均呈大幅度降低趨勢(shì),此時(shí)堆肥進(jìn)入升溫期和高溫期,堆體溫度升高加快了微生物的活性,加劇堆肥有機(jī)質(zhì)消耗,HTF和LTF降低幅度接近,此時(shí)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低的影響因素主要為溫度,這與鄭博文等[20]的研究相一致。19 d后HTF組和LTF組有機(jī)質(zhì)含量逐漸穩(wěn)定,可能此時(shí)堆肥處于降溫期和腐熟期,堆肥腐熟程度較高,而且此時(shí)堆肥氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,微生物消耗較大,有機(jī)質(zhì)保存較好。LTF組的有機(jī)質(zhì)含量降低幅度較大,可能因?yàn)樵谳^長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行LTF,菌群有時(shí)間鞏固建立,可以更好地生長(zhǎng)繁殖,促進(jìn)腐熟,使得堆肥中的有機(jī)質(zhì)分解得以加強(qiáng);而HTF通常不能形成較厚連續(xù)層,不能為其他微生物生產(chǎn)提供條件。堆肥結(jié)束后HTF組的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,是由于HTF在堆肥過(guò)程中破壞好氧微生物種群生長(zhǎng)環(huán)境,微生物的活性低于LTF,受微生物影響,其堆肥的有機(jī)質(zhì)消耗較低,且HTF組氮元素消耗大,在堆肥進(jìn)入腐熟期時(shí),HTF組微生物活性更低,能更好地保存堆肥中有機(jī)成分[21]。

圖3 2種翻拋頻率下有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.3 Change of organic matter content at two tumbling frequencies

2.2.3 2種翻拋頻率對(duì)堆肥總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 研究表明,NH3的揮發(fā)是堆肥過(guò)程中氮元素?fù)p耗的主要途徑。2種翻拋頻率對(duì)堆肥總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響由圖4可知,呈先增大后減小的趨勢(shì)。堆肥過(guò)程中,總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7～10 d之間達(dá)到峰值,在第10天后,總氮含量均快速下降,但HTF下降幅度高于LTF組的下降幅度,且HTF氮元素的下降總量高于LTF組。7 d之前,HTF組和LTF組總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈上升趨勢(shì),這可能是因?yàn)槎逊食跗诙蚜现械牡饕杂袡C(jī)氮的形式存在,此時(shí)堆肥處于升溫期,堆肥溫度逐漸升高且水分較高,此時(shí)堆體通氣量較低,有機(jī)物降解形成氨態(tài)氮,其中少量氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為NH3揮發(fā),此時(shí)反硝化細(xì)菌活性較高。7 d后堆肥進(jìn)入高溫期,HTF和LTF堆體揮發(fā)大量的NH3分子,高濃度NH3分子抑制了硝化反應(yīng),而礦化作用明顯,產(chǎn)生更多的無(wú)機(jī)氮成分。隨著堆肥的進(jìn)行,溫度及pH升高,好氧微生物的活性提升,加速了氮的硝化反應(yīng),促進(jìn)了NH3揮發(fā),加劇了堆肥有機(jī)氮的分解[22-23],總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低較快。15 d后,堆肥溫度逐漸降低,22 d時(shí),HTF進(jìn)入腐熟期,大部分有機(jī)物已完全降解,NH3排放速率顯著下降,總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在較低水平,LTF仍處于堆肥降溫期,堆體溫度較高,但此時(shí)堆體有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堆體水分和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不足,影響微生物的活性,受堆體溫度和微生物活性的影響,HTF在10 d后總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低量高于LTF。

圖4 2種翻拋頻率下總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.4 Change of total nitrogen content at two tumbling frequencies

2.2.4 2種翻拋頻率對(duì)堆肥總磷總鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 圖5為總磷和總鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)。總磷和總鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在堆肥過(guò)程中,變化幅度較低,磷鉀元素?fù)p失較小?？赡苡捎诹自睾外浽厥嵌逊蔬^(guò)程中較為穩(wěn)定的元素,其絕對(duì)含量一般不會(huì)隨著發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行而出現(xiàn)變化。在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化上,HTF水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低速率高于LTF;有機(jī)質(zhì)的變化上,2組均呈快速下降的趨勢(shì),但堆肥結(jié)束后HTF組有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高;各組養(yǎng)分總和均達(dá)到10.0以上,符合有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn),綜合堆肥的水分、有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀總養(yǎng)分各項(xiàng)指標(biāo)的表現(xiàn),在相同處理時(shí)間下,HTF組雞糞堆肥腐熟度高于LTF組。

圖5 2種翻拋頻率下總磷總鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.5 Changes of total phosphorus and total potassium content at two tumbling frequencies

2.3 堆肥的毒性檢測(cè)

2.3.1 2種翻拋頻率對(duì)堆肥pH的影響 pH是反映堆肥進(jìn)程的主要參數(shù)之一。由圖6可知,HTF和LTF對(duì)堆肥pH的變化均呈現(xiàn)先減后增再減的趨勢(shì)。各組均在第7和第13天呈現(xiàn)低峰和高峰。堆肥中物料pH均呈弱堿性,初始pH較高是因?yàn)槎逊屎袡C(jī)物氨化形成NH3;1～7 d pH呈下降趨勢(shì),LTF組下降幅度高于HTF組,這可能因?yàn)槎逊屎枯^高,局部堆肥發(fā)酵呈厭氧發(fā)酵,堆料中的有機(jī)物被微生物降解時(shí)產(chǎn)生有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸等一系列成分,此時(shí)氮的氨化作用較低導(dǎo)致pH下降,7～13 d pH呈上升趨勢(shì),HTF和LTF堆體可能隨著有機(jī)酸的進(jìn)一步被降解及含氮物質(zhì)進(jìn)一步被降解產(chǎn)生NH3,導(dǎo)致pH快速升高,第13天后pH呈緩慢下降趨勢(shì),這可能是因?yàn)殡S著物料被進(jìn)一步翻拋,水分降低導(dǎo)致堆體中好氧厭氧共存區(qū)域,厭氧微生物分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生有機(jī)酸等物質(zhì)[12],導(dǎo)致pH逐漸降低,但厭氧菌數(shù)量較少,pH降低頻率較為平緩。HTF組整體變化幅度低于LTF組,這可能由于HTF使大量未分解的有機(jī)物分解,銨態(tài)氮濃度明顯增加,pH會(huì)相對(duì)更高。堆肥結(jié)束時(shí),各處理的pH在7.0～8.5之間,符合有機(jī)肥農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T525—2021)的要求[24]。

圖6 2種翻拋頻率下pH的變化Fig.6 Change of pH at two tumbling frequencies

圖7 2種翻拋頻率下EC的變化Fig.7 Change of EC at two tumbling frequencies

2.3.3 2種翻拋頻率對(duì)堆肥GI的影響 種子發(fā)芽指數(shù)(GI)是評(píng)價(jià)堆肥腐熟程度的重要指標(biāo)。一般認(rèn)為,發(fā)芽指數(shù)大于80%時(shí)堆肥完全腐熟[26]。2種翻拋頻率堆肥前后對(duì)堆肥GI的影響由表2可知,堆肥結(jié)束時(shí),各組的GI分別為106.32%、103.49%、82.72%、83.98%,均大于80%,為完全腐熟狀態(tài),但HTF組的GI明顯高于LTF組,腐熟度更高。通過(guò)毒性檢測(cè),各組堆肥均達(dá)到無(wú)害化水平,施用土壤后不會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用。

表2 2種翻拋頻率堆肥前后的GI

4 結(jié)論

堆肥高溫持續(xù)時(shí)間超過(guò)10 d,且最高溫度超過(guò)71 ℃,HTF組更快進(jìn)入腐熟期,加快堆肥進(jìn)程;從各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知,在相同處理時(shí)間下,HTF組雞糞堆肥腐熟度高于LTF組;通過(guò)毒性檢測(cè),各組堆肥均達(dá)到無(wú)害化水平。因此,HTF在一定程度上更能促進(jìn)雞糞好氧堆肥發(fā)酵快速進(jìn)行。