羊糞、食用菌菌渣及雞糞混合堆肥的效果研究

李 蓉,馬 進(jìn),王國貴,陳瀟飛,譚德俊,謝駿輝,朱云芬*

(1. 恩施土家族苗族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)院,湖北 恩施 445002;2. 湖北省富硒產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,湖北 恩施 445002)

2017年國務(wù)院辦公廳頒布《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》,指出將促進(jìn)畜禽廢棄物“減量化、無害化、資源化”的綜合研究利用作為重點,加速構(gòu)建種養(yǎng)結(jié)合、農(nóng)牧循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展新格局[1]。

畜禽糞便高溫好氧堆肥是養(yǎng)殖廢棄物資源化利用生產(chǎn)有機肥最為經(jīng)濟簡便且二次污染小的方法之一,畜禽糞有機肥不僅能部分代替化肥使用,改善土壤板結(jié)狀況,還能增加土壤有機質(zhì),肥效持久,促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品增收、優(yōu)質(zhì)及農(nóng)田可持續(xù)利用[2]。羊糞在堆肥腐熟過程中所產(chǎn)生的高溫能殺滅糞便中的蟲卵、有害微生物等,不僅是一種優(yōu)質(zhì)的土壤改良劑更是一種豐厚的有機肥[3]。雞因為其消化道短的特殊生理結(jié)構(gòu),雞糞中含有約40%～70%未被吸收代謝的有機質(zhì)和氮素等[4-5],也是腐熟有機肥的優(yōu)質(zhì)原料。菌渣是栽培食用菌后殘余的菌棒基料等固體廢棄物,其中含有豐富的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素[6-7],還有菌體蛋白質(zhì)、氨基酸等碳、氮營養(yǎng)元素,這些大分子養(yǎng)分經(jīng)過高溫腐熟,在微生物的作用下代謝為可被植物吸收的養(yǎng)分[8-9]。研究表明,在雞糞中添加適宜比例的羊糞混合堆肥,能顯著改善與碳氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物菌群,降低雞糞堆肥過程的碳氮損失,提高堆肥質(zhì)量[10]。

目前,大多研究以單種畜禽糞便為原料,對于多種畜禽糞便混合堆肥的效果報道尚少,且不同畜禽糞便中養(yǎng)分含量和優(yōu)勢微生物菌群不同[11]。本研究將羊糞、雞糞和菌渣按不同比例混合,添加糞便微生物發(fā)酵劑和亞硒酸鈉,經(jīng)過好氧高溫堆肥,生產(chǎn)富硒有機肥。通過對高溫堆肥腐熟進(jìn)程中感官、物理、化學(xué)指標(biāo)的監(jiān)測及堆肥成熟后有機肥養(yǎng)分濃度的差異性對比,篩選出羊糞、雞糞和菌渣高溫堆肥的最適配比,旨在為畜禽糞便和菌渣的資源化利用提供理論依據(jù)和科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年1月至2021年3月在恩施市三岔鎮(zhèn)禾陽農(nóng)牧專業(yè)合作社內(nèi)進(jìn)行,環(huán)境溫度在0～15 ℃之間。羊糞來自于恩施州禾陽農(nóng)牧專業(yè)合作社,菌渣來自恩施州硒康牧業(yè)公司,雞糞來自恩施州農(nóng)科院畜牧所養(yǎng)殖基地,糞便微生物發(fā)酵劑來自西安某草業(yè)公司,益生菌總數(shù)≥5×107個/g。

表1 堆肥原料的基本理化性狀Table 1 The basic properties of composting materials

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)GA、GB、GC和CK 4個處理,堆料組成見表2。4個試驗組均混合糞便微生物發(fā)酵菌劑和亞硒酸鈉,添加劑量分別為0.1%和0.005%。各處理組設(shè)置堆體總重600 kg,調(diào)節(jié)初始含水率為50%,混合均勻后堆置成半徑為1.5 m、高1 m的圓錐體。堆肥開始前1周每2 d翻堆1次,之后每5 d翻堆1次,整個堆肥周期為30 d。

表2 堆料的組成Table 2 Component of the compostings %

1.3 樣品采集

每日上午10時用水銀溫度計測量堆體中心部分(約高60 cm處)的最高溫度,每次測量6個位置,取其平均值記載為實際堆溫,且測定室溫。在試驗的第30天,用5點采樣法收集糞便樣品,并測定有機肥相關(guān)營養(yǎng)指標(biāo)。

1.4 測定指標(biāo)及分析方法

有機肥堆體含水量采用105 ℃烘干法測定;pH用pH酸度計直接測定;有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法;氮、磷、鉀的測定方法參照農(nóng)業(yè)部《NY 525-2012》有機肥料標(biāo)準(zhǔn)[12]進(jìn)行。重金屬元素Cd、Pb和Cr采用原子吸收光度法進(jìn)行分析,As和Hg采用原子熒光儀進(jìn)行測定。有機肥堆體中糞大腸菌群數(shù)量采用多管發(fā)酵法檢測,其方法參照《GB/T 19524.1-2004 肥料中糞大腸菌群的測定》[13];蛔蟲卵死亡率的測定方法按《GB/T 19524.2-2004 肥料中蛔蟲卵死亡率的測定》[14]規(guī)定進(jìn)行。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Microsoft Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計,采用SPSS中One-way ANOVA進(jìn)行方差分析,Duncan法對數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較,P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥顏色和氣味變化

從感官層面即物理學(xué)指標(biāo)來判斷堆肥過程中物料的變化,各試驗組羊糞、雞糞及菌渣在混合堆肥過程中色澤、味道和顆粒度均發(fā)生了明顯變化。隨著物料逐漸腐熟,含水量顯著降低、各試驗組堆料顏色逐步變深,由最初的黃茶色變?yōu)轳液稚?。且從顆粒度上來看,隨著水分的蒸發(fā)、有機質(zhì)的降解利用,最初的團塊狀、不均勻逐漸消失,變得松散、均勻、手感細(xì)膩。

在糞便發(fā)酵最初,各組堆體均散發(fā)出明顯糞臭味、氨味大,且有眾多蚊蠅環(huán)繞。隨著堆肥進(jìn)行,糞臭味減輕,且因為微生物的發(fā)酵作用,堆料中蛋白質(zhì)降解、氨基酸脫氨,會產(chǎn)生大量NH3,此時翻動堆料有刺鼻氨味。直到堆肥腐熟后期,糞臭味消失,有淡淡土腥味,且無蚊蠅。綜合觀察,各試驗組肥料呈咖啡色粒狀或粉狀,無機械雜質(zhì),均符合《NY 884-2012 生物有機肥》[15]中外觀(感官)的規(guī)定。

2.2 堆肥溫度變化

由圖1可知,各試驗組堆體內(nèi)部溫度均呈現(xiàn)先快速上升(0～6 d左右)、再保持穩(wěn)定(7～13 d)、后期(14～21 d)下降至室溫的趨勢。GC升溫最快,達(dá)到高溫期所需時間最短,在第3天就達(dá)到55 ℃,且維持高溫時間有10 d,表明該組發(fā)酵最為徹底。相比之下,CK升溫最慢,且維持高溫時間僅有5 d。

圖1 堆肥過程中溫度的變化Fig.1 Changes of temperature during composting

2.3 堆肥pH的變化

由圖2可知,各處理組的pH呈現(xiàn)先降低、后升高再下降最終趨于平穩(wěn)的走勢,且在第15天達(dá)到最大值,在堆肥結(jié)束時均≤8.5,滿足有機肥料的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 堆肥過程中pH的變化Fig.2 Changes of pH during composting of sheep manure

在第15天時,各試驗組pH達(dá)最大值,且GC的pH最高,可能是因為該組堆溫最高。

2.4 堆肥的品質(zhì)性狀

羊糞、雞糞及菌渣混合堆肥結(jié)束后,各試驗組堆料的品質(zhì)性狀結(jié)果見表2,經(jīng)對比樣品所檢驗指標(biāo)均符合《NY 525-2012 有機肥料》[12]的標(biāo)準(zhǔn),滿足有機肥的要求。由表2可知,GC的TN、TP及總養(yǎng)分含量顯著高于其他組(P<0.05),CK的OM和TK有最大值(P<0.05),各組的蛔蟲卵死亡率均為100%。

2.5 堆肥物料中重金屬和硒的含量

好氧堆肥結(jié)束后,各試驗組重金屬及硒含量檢測結(jié)果見表3。對比各項檢驗指標(biāo),均符合《NY 525-2012 有機肥料》標(biāo)準(zhǔn)[12],都在安全范圍內(nèi),滿足有機肥的指標(biāo)要求。且GC的總砷和總鉻含量顯著低于其他試驗組,Se含量顯著高于其他各組(P<0.05)。

表3 堆肥的品質(zhì)性狀Table 3 Quality characteristics of compost

表4 堆料中重金屬與硒的含量Table 4 Heavy metal and Se content of the composting mg/kg

3 討 論

好氧堆肥是指通過堆料中微生物的新陳代謝將原材料中可降解的復(fù)雜有機物轉(zhuǎn)化為簡單有機物或穩(wěn)定腐殖質(zhì)且產(chǎn)生二氧化碳、水以及能量等的過程[16],因此微生物的代謝活動在腐熟過程中發(fā)揮著重要作用。本試驗通過添加一定比例的糞便微生物發(fā)酵劑,推進(jìn)堆體升溫,加快有機物的降解及腐殖質(zhì)的形成,促進(jìn)好氧堆肥的進(jìn)行。物料的含水率是堆肥中重要的工藝控制參數(shù)。含水率高,會導(dǎo)致堆體空隙被水堵住,阻礙氧氣流通,形成厭氧環(huán)境,有機物發(fā)酵不充分,產(chǎn)生惡臭;含水率低,會降低微生物的新陳代謝活動,減緩升溫,堆體腐熟困難,當(dāng)含水率低于12%時,微生物活動幾乎全部停止[17]。眾多研究表明,堆料的含水率在45%～55%的范圍內(nèi)最適宜,因此本試驗將物料初始含水率均控制在50%,更有利于堆肥的進(jìn)行。

3.1 羊糞、食用菌菌渣及雞糞混合堆肥后溫度變化

本研究發(fā)現(xiàn)混合了雞糞和菌渣堆肥的試驗組升溫速度更快,維持高溫時間更長,最高溫度比對照組增加1～2 ℃,高溫連續(xù)時間可延長2～3 d,其中以GC組(羊糞70%)升溫最高,表明該組發(fā)酵最為徹底。研究表明,堆體內(nèi)部溫度≥50 ℃且持續(xù)5～7 d,能有效殺害堆料中的病原菌、微生物和有害蟲卵等,從而達(dá)到堆肥工藝的安全標(biāo)準(zhǔn)[18]。雞糞與菌渣的添加豐富了堆料間隙,不僅給予微生物新陳代謝足夠的自由空間,還提高了堆料的含氧量,通氣量的增加增強了好氧微生物的新陳代謝與產(chǎn)熱能力[19],使得有機質(zhì)降解更加充分,堆料升溫更快且持續(xù)時間更長。同時也改變了堆料的C/N,加快好氧堆肥腐熟進(jìn)程。C是微生物能量來源,N是微生物生長中蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸等大分子物質(zhì)的必需元素,因此堆料的C/N是權(quán)衡堆體腐熟程度的關(guān)鍵指標(biāo)[20]。

3.2 羊糞、食用菌菌渣及雞糞混合堆肥后pH值變化

pH是調(diào)節(jié)堆肥進(jìn)程的關(guān)鍵指標(biāo),適宜的pH能有效提高微生物新陳代謝,促進(jìn)堆料腐殖化進(jìn)程,減少肥分流失[21],且pH在7.5～8.5范圍內(nèi)堆肥有最大腐殖速率[22]。本試驗結(jié)果顯示,各組pH呈先降低、后升高再下降最終趨于平穩(wěn)的走勢,且在第15天達(dá)到最大值。這可能是在堆肥剛開始時,部分含碳有機物在高溫下降解為有機酸使得堆體pH迅速下降;隨著物料腐熟程度增加,微生物擴繁增殖加速,堆料中的蛋白被大量降解為NH3,因此pH升高,最終形成了微堿的環(huán)境。中性或弱堿性pH有利于微生物高效分解,促進(jìn)堆料中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化,縮短腐熟時間,有效提升腐熟效果[23]。且在第15天時,GC的pH最高,可能是因為該組堆溫最高,微生物發(fā)酵最活躍,所產(chǎn)生的NH3多,導(dǎo)致堿性最強。

3.3 羊糞、食用菌菌渣及雞糞混合堆肥后品質(zhì)性狀

隨著好氧堆肥的進(jìn)行,堆體溫度升高后再降低,堆料中可降解的有機物逐漸減少直至穩(wěn)定,進(jìn)入到了好氧堆肥最后的腐熟階段,腐殖質(zhì)逐漸生成累積,糞便中的致病性微生物和蟲卵等有害物質(zhì)被殺死[24]。在糞便發(fā)酵的最后階段,判斷堆肥是否完成和堆料是否腐熟是整個好氧堆肥過程最重要的工作。糞便堆肥腐熟進(jìn)程中的物質(zhì)變化主要可以分為2個階段,即礦質(zhì)化和腐殖化[25]。礦質(zhì)化是指微生物將原料中有機物降解為無機化合物;腐殖化是微生物重新利用無機化合物生產(chǎn)更加復(fù)雜腐殖質(zhì),這2個過程在堆肥同時進(jìn)行,互相促進(jìn)[26]。因此有機質(zhì)、氮、磷、鉀及總養(yǎng)分含量是有機肥最基礎(chǔ)的營養(yǎng)指標(biāo),也是反映堆體腐熟度的標(biāo)志[27]。有機質(zhì)是衡量土壤能夠提供作物生長所需各種養(yǎng)分的能力,與土壤的理化性質(zhì)和生物活性息息相關(guān),是反映土壤肥力狀況和供肥特征的決定性因素[28]。氮、磷、鉀元素是肥料的3大基本要素,也是影響有機肥品質(zhì)分級劃分的主要因素。本試驗好氧堆肥腐熟后,檢測了堆料總養(yǎng)分、氮、磷、鉀、有機質(zhì)、蛔蟲卵死亡率等指標(biāo),均符合《NY 525-2012 有機肥料》[12]標(biāo)準(zhǔn),且各試驗組堆料中有機質(zhì)、總養(yǎng)分以及氮磷鉀含量存在顯著差異,這除了與堆肥工藝有關(guān)外,還與堆料中羊糞、雞糞和菌渣的混合比例有密切關(guān)系,羊糞有機質(zhì)的含量比雞糞和菌渣高,因此3個試驗組的有機質(zhì)含量均低于CK。與此同時,雞屬于單胃動物,且消化道短,日糧精料中蛋白飼料比例高;而羊?qū)儆诜雌c動物,其日糧除了精料以外,主要以富含纖維的粗飼料為主,故雞糞的TN、TP和總養(yǎng)分含量要高于羊糞,因此雞糞添加量越多,所制得有機肥中TN、TP和總養(yǎng)分就越高。隨著雞糞和菌渣量的增加(由GA,GB到GC)其OM、TN、TP和總養(yǎng)分含量均呈逐漸上升趨勢,且差異顯著。陳芬等[29]、李林海等[30]研究結(jié)果表明,羊糞的有機質(zhì)和鉀含量顯著高于雞糞,因此羊糞添加越多,所制得有機肥中TK含量越高,與本研究結(jié)果一致。

3.4 羊糞、食用菌菌渣及雞糞混合堆肥后重金屬和硒的含量

好氧堆肥是畜禽糞便資源化利用的一種經(jīng)濟、傳統(tǒng)、高效、易操作的方式之一,但是伴隨而來的是重金屬殘留污染風(fēng)險[31-32]。堆肥處理不能減少糞污的重金屬含量,但通過有機物絡(luò)合、螯合、靜電吸附等形式固定重金屬,從而降低堆肥物料中重金屬的生物有效性[33-34]。本試驗將羊糞、雞糞和有機調(diào)理劑(食用菌菌渣)混合好氧堆肥,同時又添加糞便微生物發(fā)酵劑,增加堆體反應(yīng)中的碳源,使得堆肥原料空隙增大,促進(jìn)微生物的新陳代謝及有機質(zhì)的降解反應(yīng)。同時高溫堆肥所生成的腐殖質(zhì)(腐殖酸和富里酸)能與重金屬發(fā)生絡(luò)合使其鈍化[35],從而降低其毒性,減少環(huán)境污染,腐熟完成之后,4個試驗組肥料中的重金屬含量均符合《NY 525-2012 有機肥料》標(biāo)準(zhǔn)。

在畜禽糞便中添加微量元素硒進(jìn)行混合好氧堆肥可得到富硒肥。富硒肥具有改良土壤的作用,它能對植物進(jìn)行富硒強化,通過植物體的吸收代謝作用,將土壤中的無機硒轉(zhuǎn)化為易被人體利用的有機硒。這對富硒功能性農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型及農(nóng)民增收具有重要意義[33]。同時硒還對重金屬有拮抗作用,可以抑制植物對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運[36-37]。本試驗在羊糞堆肥發(fā)酵時添加0.005%的無機硒-亞硒酸鈉,以GC組硒含量最高,這可能因為外源添加的亞硒酸鈉在微生物的生化作用及腐殖作用下被轉(zhuǎn)化為活性硒[38],相較于CK,GA和GB的好氧發(fā)酵溫度更高,微生物腐殖作用更強,故其中硒含量更高一點。

4 小 結(jié)

在羊糞好氧堆肥過程中,與CK(純羊糞組)相比,混合雞糞和菌渣促進(jìn)了堆體升溫,延長了高溫時間,以GC組(羊糞50%+雞糞20%+菌渣30%)的堆體發(fā)酵升溫最快和高溫時間最長。在羊糞好氧堆肥腐熟后,與CK(純羊糞組)相比,混合雞糞和菌渣增加了堆料的總養(yǎng)分、TN和TP含量,以GC組(羊糞50%+雞糞20%+菌渣30%)的養(yǎng)分值最高。在羊糞好氧堆肥并添加亞硒酸鈉過程中,與CK(純羊糞組)相比,GC處理堆料硒含量最高。綜合以上結(jié)果,GC處理(羊糞50%+雞糞20%+菌渣30%)配合比例有最好的堆肥效果及有機肥品質(zhì),可選擇該比例來對羊糞、雞糞及食用菌菌渣進(jìn)行廢棄物資源化利用肥料化處理。