试验用鲜猪粪来自浙江天逢畜业有限公司生态养殖场, 菌渣由江山市食用菌根根公司提供, 米糠粉从浦城县稻谷加工厂采购, 磷矿粉采购于邻近的肥料销售门市部(江西省玉山磷肥厂生产)。供试材料的基本性状见表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 供试材料的基本性质 Table 1 The basic characteristics of compost materials 原料Material M/% OM/% TN/(g· kg-1) TP/(g· kg-1) TK/(g· kg-1) C/N pH 猪粪Pig manure 75.36 62.62 31.3 32.8 12.66 11.6 7.64 菌渣Fungus residue 44.76 84.14 18.9 9.8 9.3 25.8 7.00 糠粉Bran powder 4.15 86.73 3.8 1.4 4.8 132.4 7.31 磷矿粉Phosphate rock 0.55 — — 0.75 — — 8.11 M, moisture content; OM, organic matter; TN, total nitrogen; TP, total phosphorus; TK, total potassium. The same as Table 3. M, 含水量; OM, 有机质; TN, 全氮; TP, 全磷; TK, 全钾。表3同。

表1 供试材料的基本性质 Table 1 The basic characteristics of compost materials

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 堆肥初期和结束时堆体主要理化性状 Table 3 Characteristics of initial and final compost materials 处理Treatments M/% pH TN/(g· kg-1) N H4+-N/(g· kg-1) TP/(g· kg-1) TK/(g· kg-1) OM/% C/N A0 开始 Initial 57.17 6.68 17.1 2.41 15.6 9.7 64.20 21.8 结束Final 29.05 8.59 16.5 2.51 19.9 12.1 59.35 20.9 A1 开始 Initial 56.74 6.72 17.3 1.98 16.5 10.5 65.14 21.8 结束Final 29.59 8.68 16.8 2.21 20.2 13.1 59.72 20.6 A2 开始 Initial 54.41 6.83 16.4 2.05 16.5 9.8 67.47 23.9 结束Final 25.75 8.61 16.1 2.16 20.5 12.5 60.93 22.0 A3 开始 Initial 56.56 7.13 16.3 1.67 16.0 10.7 68.77 24.5 结束Final 27.56 8.69 15.5 2.06 21.4 13.6 57.55 21.5 A4 开始 Initial 53.46 6.73 16.5 1.89 18.1 10.8 63.71 22.4 结束Final 27.99 8.54 16.1 2.25 21.5 12.1 60.93 22.0 A5 开始 Initial 58.78 6.42 16.6 3.11 21.3 10.6 58.88 20.6 结束Final 32.58 7.95 16.0 3.32 22.8 12.2 55.75 20.2 A6 开始 Initial 53.20 5.83 16.8 3.19 24.9 10.1 61.21 21.1 结束Final 34.44 7.69 16.7 5.54 26.3 11.5 58.98 20.5 A7 开始 Initial 51.57 5.55 17.3 4.34 28.8 10.8 57.30 19.2 结束Final 37.88 7.41 17.1 6.50 29.2 11.6 57.18 19.4

表3 堆肥初期和结束时堆体主要理化性状 Table 3 Characteristics of initial and final compost materials

试验材料每个处理总计1 550 kg, 其中, 鲜猪粪1 000 kg, 菌渣250 kg, 糠粉200 kg, 磷矿粉100 kg, 有机物料均为鲜质量。共设8个处理, 其中, A1、A2、A3分别添加5、10、20 kg的石灰, 约占堆料鲜质量的0.3%、0.6%、1.3%; A4、A5、A6、A7分别添加过磷酸钙40、80、160、240 kg, 约占堆料鲜质量的2.5%、5.2%、10.3%和15.5%; A0不加添加剂。通过调节后, A0~A7各处理堆料的初始pH值分别为6.68、6.72、6.83、7.13、6.73、6.42、5.83和5.55。各处理原料用搅拌机充分拌匀后堆放于发酵槽中进行发酵(发酵槽长× 宽× 高=100 m× 2 m× 1 m), 每个处理间隔为4 m, 发酵槽上方有玻璃钢瓦盖顶, 避免雨水淋到堆肥。堆肥时间从2014年8月31日开始, 10月20日结束, 共52 d, 8月31日— 9月30日每隔1 d翻堆1次, 10月1日— 10月20日每隔4 d翻堆1次。

8月31日— 9月30日每隔1 d在翻料均匀后取样, 在10月5日、10日再取2个样, 每个处理整个堆肥过程共取18个样品。每次取2个重复样(平行样), 每个样品分为2份, 1份鲜样直接用于测定水分和pH值, 另1份鲜样风干磨样后送浙江天蓬畜业有限公司化验室或江山市农产品质量检测中心分析, 本研究中所有养分含量均为干基含量。

8月31日— 9月30日每天和10月1日— 10月20日每2天上午8点至9点(遇堆肥时在翻堆前)测堆肥温度。温度计插入堆肥深度约40 cm, 等数字稳定后直接读取堆体温度(T), 每个处理测定5个点, 取平均值, 同时测定环境温度。用蒸馏水浸提鲜样, 固液质量体积比为1:10, 采用PHS-3CT型pH计测定pH值, 干样中有机质(OM)用重铬酸钾氧化法测定, 堆肥中累积铵态氮(N H4+-N)采用纳氏试剂法测定, 总氮(TN)用凯氏定氮法、总磷(TP)用钒钼酸铵比色法、总钾(TK)用火焰光度计法测定。以上测定方法均参照文献[10]进行。

试验数据用Excel 2010进行统计分析, 用Origin Pro 8.6软件制图。

2.1.1 pH值

Nakasaki等^[1]认为, 畜禽粪便发酵过程的适宜pH值为6.5~7.5, 因为这是微生物(特别是细菌和放射菌)生长最合适的酸碱度。本试验各处理堆体初期pH值在5.55~7.13之间, 除A5~A7处理初始pH值偏低外, 其余处理的初始pH值均有利于堆肥进行。堆肥开始后, 由于猪粪中蛋白质、尿素、尿酸等高氮有机物快速降解, 产生的铵态氮在堆体中积累, 导致pH值快速升高(图1)。第13— 21天, 除A7处理外, 各堆体最大pH值均达7.80~8.92。之后, 因在高温高pH条件下NH₃挥发, 堆体pH值有所下降并逐渐趋向平稳。这一结果和Rashad等^[11]研究结论一致。A7处理由于堆体pH值在全过程中基本处于7.0以下, 堆肥中N H4+-N积累量越来越多, pH值呈现持续缓慢升高之势。堆肥结束后, 各处理最终pH值在7.41~8.69之间, 且与堆肥初期pH值呈正相关, 表明堆肥初期的酸碱度直接影响到最终堆肥产品的质量属性。

图1

Fig.1

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	图1 不同处理pH值的变化Fig.1 Changes of pH value in different treatments

2.1.2 温度

高温是好氧堆肥的必要条件。堆料在微生物的强烈活动下释放出大量热量, 促进堆体温度上升并持续保持高温状态(> 55 ℃), 这有利于杀死畜禽粪便中的各种病原体和杂草种子^{[11, 12]}, 促进堆肥有机物快速分解^[13], 确保农业废弃物成为稳定无害的有机肥料。在本试验条件下, 8个处理在微生物的强烈活动下, 堆体温度均缓慢上升(图2), A0~A6处理的堆体温度在9~13 d达到55 ℃以上, 并可维持22~27 d; A7处理的堆体温度则在第24天才达55 ℃以上, 且仅保持了13 d。这表明堆肥升温效率与初始pH值密切相关, 升温速率随着pH值的提高而加快(表2)。堆体最高温度除处理A7低于60 ℃外, 其他处理达62.6~65.4 ℃, 且基本上亦随初始pH值的上升而提高。A0~A4处理的堆体温度于43~51 d下降至40 ℃以下, 表明大部分有机物已被降解, 微生物活性减弱, 逐渐进入低温腐熟阶段。此时, A5~A7处理的堆体温度仍在50 ℃左右, 微生物活动还相当活跃, 仍处于高温降解阶段。总体来看, 8个处理的初始pH值均适宜高温堆肥, 并可有效消除堆肥中的有害病菌, 达到无害化标准要求, 但初期pH值过低(< 6.5)会引起堆体升温慢、温度偏低、有机物降解缓慢等问题, 延长堆肥成熟时间, 降低堆肥效率。这与Augenstein等^[14]研究认为堆肥初期堆体pH值过低会严重抑制堆肥反应进行的结论相符。

图2

Fig.2

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	图2 不同处理堆肥温度的变化Fig.2 Changes of temperature in different treatments

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 各处理堆肥温度变化情况 Table 2 Changes of temperature during composting 处理 Treatment T1/d T2/d HR /(℃· d-1) MT /℃ T3/d A0 11 26 1.71 62.9 47 A1 10 27 2.09 65.4 47 A2 10 27 1.75 64.7 45 A3 9 22 1.81 64.6 43 A4 10 27 1.90 65.4 51 A5 13 27 1.56 62.7 — A6 13 24 1.41 62.6 — A7 24 13 0.83 58.9 — T1, time needed to reach 55 ℃; T2, time to keep 55 ℃; HR, heating rate to reach 55 ℃; MT, the highest temperature; T3, time needed to cool down below 40 ℃. T1, 升温至55 ℃以上所需时间; T2, 保持55 ℃以上的时间; HR, 升温至55 ℃的升温速率; MT, 最高温度; T3, 堆体温度降至40 ℃以下所需时间。

表2 各处理堆肥温度变化情况 Table 2 Changes of temperature during composting

2.1.3 含水率

水分是微生物繁殖不可缺少的因素, 堆肥的含水率一般以50%~60%为宜^[15]。过高的水分会减少堆体透气性, 造成堆体内部氧气不足而发生厌氧降解, 进而产生具有恶臭的各种有机酸。水分过低同样妨碍微生物的新陈代谢, 延缓堆肥的反应速度。本试验堆肥初期含水率在51.57%~57.17%之间, 随着堆肥的进行, 高温蒸发和气体流动带走了堆体的部分水分^[16], 因而堆肥中含水率总体上均呈下降趋势(图3), 但不同处理间水分损失速率有较大差异, 总体上呈初始pH越高堆肥含水率下降越快的趋势, 表明水分下降率和堆肥初期pH值呈正相关。

图3

Fig.3

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	图3 不同处理堆肥含水率的变化Fig.3 Changes of moisture content in different treatments

2.2.1 铵态氮

畜禽粪便堆肥过程中, 大量易被微生物生长繁殖利用的蛋白质、尿素或尿酸等有机氮, 在堆肥升温及高温阶段快速降解成简单的无机铵态氮, 这是造成堆体pH值快速上升的主要原因。如果pH值上升至7.0以上, 则铵态氮向氨气转化并挥发^[17], 特别是当pH值> 8时, 氨气挥发增幅迅速上升, 造成氮素大量损失^[5], 导致堆肥中累积的铵态氮量下降。从表3可以看出, 堆肥初期各处理间N H4+-N量在1.67~4.34 g· kg^-1之间, 堆肥开始后各处理铵态氮变化趋势并不相同(图4), A4~A7处理基本上保持持续上升之势, 至堆肥结束, N H4+-N量分别提高了19.0%、6.8%、73.7%和49.8%; 与A0处理相比, A5、A6、A7处理堆肥结束时的N H4+-N量分别高出32.2%、120.7%和159.0%。A0~A3处理在堆肥过程中, N H4+-N出现2个小高峰:1~5 d, 受温度上升及有机物分解产生大量NH₃的影响, 堆体N H4+-N量迅速上升, 达到第1个小高峰, pH值同时也提高到7.0以上(图1), 随后在高温及高pH值条件下, N H4+-N向NH₃-N转化并挥发, 挥发量大于有机物降解过程中新产生的NH₃-N量, 造成堆肥中N H4+-N缓慢下降, 这与Pagans等^[18]认为NH₃排放主要集中在堆肥高温前期的论点相符; 至21~23 d降至最低点后又缓慢上升, 经过10 d上升期达第2个小高峰, 最后温度逐渐下降, 残留有机物越来越难降解, 堆体产生NH₃越来越少, 累积于堆肥中的部分NH₃-N经硝化作用转为硝态氮^[19], N H4+-N积累量开始下降直到结束。堆肥结束后, A0~A3处理的N H4+-N分别较开始时提高了4.1%、11.6%、5.4%和23.4%。上述变化表明, 降低堆肥初期pH值, 可有效减少NH₃-N的挥发, 提高堆肥N H4+-N累积量进而增加氮养分含量。分析堆肥初始pH值和堆肥结束时N H4+-N含量关系, 它们呈显著的负相关关系。诸多学者在之前的研究中也认为, 通过添加硫酸、磷酸及过磷酸钙等酸性物质来降低堆肥初期pH值, 有促进氨向铵转化而减少挥发之效果^{[2, 4, 20, 21]}, 本试验结果与他们的结论相符。

图4

Fig.4

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	图4 不同处理堆肥养分的变化Fig.4 Changes of nutrients in different treatments

2.2.2 总氮

堆肥中总氮主要包括有机氮、铵态氮和硝态氮等, 在不同的堆肥条件及堆肥进程中可以相互转化。一般来说, 氮素会因含水溶性氮的渗滤液淋溶、氨态氮及硝态氮的挥发而损失^[9], 但当微生物降解有机物造成碳损失量大于氮损失量时, 总氮的相对含量会因堆体“ 浓缩效应” 而上升。如图4所示, 各处理总氮含量在升温期和高温前期由于氨态氮挥发量大而快速下降, 各处理于17~21 d降到最低点。总体来看, 处理pH值越高、在这一时期的氮素损失越大。进入高温后期至结束, 有机物降解产生大量CO₂挥发和H₂O蒸发, 而氨挥发已逐渐减少, 氮素在浓缩的堆体中以生物氮形式固定下来, 促进总氮含量上升并趋向稳定^[22]。堆肥结束后, 各处理总氮含量与初期相比小幅下降(表3)。

2.2.3 总磷、总钾

堆肥中磷、钾不会产生挥发损失, 主要以渗滤液淋失为主^{[23, 24]}, 故而相对量一般会随着堆体质量和体积减小而上升。如图4所示, A0~A3处理的总磷含量和A0~A7处理的总钾含量随着堆肥的进程而缓慢增加, 至结束分别增22.4%~33.8%和7.4%~27.6%(表3)。A4~A7处理的总磷含量则呈先下降再上升之势, 这可能与添加过磷酸钙后堆肥中水溶性磷含量大幅上升有关, 高含量磷素的渗滤液下沥到底层径流出堆体而造成磷的大量损失, 同时低pH值情况下有机物降解又十分缓慢, 在磷损失量大于堆肥有机物因降解所减少的干物质量时, 总磷含量出现下降, 之后由于堆体含水率减少, 渗滤液淋失现象基本停止, 总磷含量开始缓慢上升, 最终增1.4%~18.8%。

有机质是堆肥微生物能量和热量的来源, 堆肥有机物在微生物强烈活动下降解成NH₃、CO₂、H₂O等气态物而散发, 同时释放出大量热量, 随着堆肥进行, 有机质总量呈持续下降状态。如图5所示, 除A3处理有机质一直呈下降趋势外, 其他处理有机质均呈现先上升后下降的过程, 上升持续时间随着堆肥初期pH值的降低而延长, 增幅以A5处理最高, 至第17天, 比初期提高了13.7%。这一结果与诸多研究中有机质均是缓慢下降的过程不符, 这可能和猪粪堆肥中含大量高氮有机物(如蛋白质、氨基酸、尿素、尿酸等)有关。氮量丰富而碳源不足使堆肥C/N偏低(表3), 微生物在生长繁殖过程中会再次利用有机物降解所产生的CO₂, 以满足细胞合成原生质的需要, 而降解残留的富余NH₃-N和H₂O则挥发出堆体, 导致堆体总质量下降、碳素被浓缩, 而使有机质相对含量上升。秦莉等^[25]研究也证实了低C/N堆肥中氮损失量大而碳排放量低的情况。之后, 随着堆体温度持续升高, 微生物剧烈活动导致碳素排放量迅速上升, 有机质含量开始慢慢下降。至堆肥结束, 各处理有机质含量和堆肥初期相比均有所下降, 降幅在0.21%~16.32%之间, 且降幅随堆肥初始pH值的下降而下降。本试验中有机质降解率总体上处于较低水平, 这可能有两方面的原因:一方面因试验取样在第41天结束, 各处理堆肥温度还处在较高状态, 有机质降解尚未完全停止; 另一方面可能和堆肥低pH值对微生物的抑制作用有关。

图5

Fig.5

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	图5 不同处理堆肥有机质和C/N的变化Fig.5 Changes of organic matter and C/N in different treatments

C/N和堆肥腐熟程度密切相关, 虽然不能作为绝对的腐熟指标, 但C/N< 17时可以认为符合堆肥产品要求^[26]。如图5所示, 各处理堆肥的C/N均呈先上升后下降的趋势, 表明堆肥前期氮素损失大于碳损失, C/N逐渐上升, 之后, 随着微生物活动加剧, 排放大量CO₂至环境中, 碳损失超过氮损失, 此时C/N开始下降。堆肥结束与初期相比, 除处理A7的C/N略有增加外, 其他处理均下降, 且呈初始pH值越高, 降幅越大之势。41 d后, 各处理的C/N在19.4~22.0之间, 按Kim等^[26]观点, 堆肥产品还未达腐熟要求, 需要延长时间进一步腐化。