秸稈不同還田方式的堆肥效果

劉紹鵬 李清秀 賀峰

摘要：將秸稈、秸稈制沼氣后沼渣和秸稈飼喂羊后糞便與污水處理廠污泥混合進(jìn)行堆肥試驗(yàn)。對此3種原料堆肥溫度、pH值、C/N、有機(jī)質(zhì)含量、種子發(fā)芽指數(shù)、氣味變化進(jìn)行堆肥評價(jià)，結(jié)果這3種原料均達(dá)到腐熟要求。綜合經(jīng)濟(jì)效益和投入成本認(rèn)為，秸稈先飼喂牲畜再進(jìn)行沼氣生產(chǎn)、最后進(jìn)行堆肥的還田方式最佳。

關(guān)鍵詞：秸稈還田；優(yōu)化模式；堆肥；堆肥溫度；pH值；有機(jī)質(zhì)含量；氣味變化；腐熟度；種子發(fā)芽指數(shù)

中圖分類號： S141.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0483-03

我國是農(nóng)業(yè)大國，糧食產(chǎn)量世界第一，與此同時(shí)秸稈年產(chǎn)量為9億t。對秸稈的利用目前有秸稈制備沼氣、秸稈制備飼料和直接還田以及制備建材、編制手工品等[1]。其中，秸稈制備沼氣或飼喂牲畜后留下沼渣或牲畜糞便，其最佳利用方式是制備肥料還田。然而，沼渣或牲畜糞便不經(jīng)堆肥處理直接施放農(nóng)田，會對農(nóng)作物生長和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成負(fù)面影響[2-4]。秸稈直接還田可減少中間處理環(huán)節(jié)，且一次性處理量大，成本低廉。但是，由于秸稈中含氮量少，且直接還田時(shí)在微生物的作用下耗氧量上升，產(chǎn)生大量有害氣體，導(dǎo)致作物根部受害，生長抑制，營養(yǎng)不良，免疫力差，倒伏減產(chǎn)[5]。因此，不論是直接還田或者是秸稈利用后間接還田都需要經(jīng)過堆肥處理，才能夠保障肥料營養(yǎng)安全。

堆肥處理可以保障秸稈、糞便或沼渣在微生物作用下通過高溫發(fā)酵殺死病原菌、腐殖有機(jī)物、穩(wěn)定質(zhì)量，最終使其達(dá)到腐熟，成為寶貴的復(fù)混肥料[6]。而評價(jià)肥料是否腐熟，一般從種子發(fā)芽指數(shù)（GI）、有機(jī)質(zhì)含量、氨氮含量、堆腐過程中溫度變化等指標(biāo)來評價(jià)。

本研究對秸稈、秸稈產(chǎn)沼氣后沼渣和以秸稈為主食的牲畜糞便進(jìn)行堆肥處理，以期找到秸稈還田的最佳方式。

1材料與方法

1.1材料來源

秸稈取自江蘇省徐州市豐縣宋樓鎮(zhèn)農(nóng)戶，生污泥取自蘇北某污水處理廠污泥脫水車間，沼渣取自徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院校內(nèi)沼氣池，牲畜糞便為以秸稈為主飼養(yǎng)的羊糞。

1.2試驗(yàn)裝置

以自制立方體堆肥箱堆肥，容積為20 L，堆肥體積約為15 L。堆肥箱上方設(shè)有通風(fēng)出氣口和溫度計(jì)插口，底部連接通風(fēng)管和垃圾滲濾液出口塑料管。箱底接近底部處設(shè)有一面承托堆肥物的篩板，篩板與底部約為3 L氣體容積。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1堆肥試驗(yàn)設(shè)計(jì)及堆制[7]以污泥為接種物，將污泥與堆肥對象按1 ∶[KG-3]2的比例混合，調(diào)節(jié)含水率至（65±5）%，密封上部，底部用曝氣泵通風(fēng)，環(huán)境溫度為（20±1） ℃，堆制 15 d。其中，1號堆肥箱為秸稈，2號為沼渣，3號為羊糞便。

1.3.2分析方法

1.3.2.1溫度分析每天09：00測定堆肥溫度并記錄，測試深度為堆層表面下30cm處。

1.3.2.2含水率分析稱取10.0 g樣品，烘箱內(nèi)烘12 h，稱質(zhì)量。

1.3.2.3pH值測定取1.0 g樣品，加去離子水10 mL，混勻，以pH計(jì)測定。

1.3.2.4有機(jī)質(zhì)含量分析取1.0 g烘干后樣品，于馬弗爐中550 ℃下灼燒4 h，稱質(zhì)量。

1.3.2.5碳、氮含量分析其中，全氮分析以硫酸-過氧化氫聯(lián)合消煮后通過凱氏定氮法測定；以重鉻酸鉀容量法-沸水浴稀釋熱法分析碳含量。

1.3.2.6GI測定[8]稱取待測堆肥樣品5.0 g，與蒸餾水按體積比1 ∶[KG-3]10混合，振蕩后過濾，吸取10 mL濾液，加到鋪有2張濾紙的培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿均勻擺放20粒水芹種子，在溫度為（30±1） ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后，測定發(fā)芽率和根長，同時(shí)以蒸餾水為對照，每個(gè)處理3次重復(fù)。

[JZ]GI=GI1/GI2×100%。

式中：GI1為浸提液種子發(fā)芽率×根長，GI2為對照種子發(fā)芽率×根長。

1.3.2.7氣味分析將待測樣品置于三角燒瓶中，離鼻孔30 cm，輕輕扇動瓶口上方判斷氣味。以新鮮沼渣氣味5級，以稻田土壤氣味為0級，判斷待測樣品腐熟情況。

2結(jié)果與分析

2.1堆肥過程中溫度的變化

由圖1可知，環(huán)境溫度基本維持在20 ℃左右。堆肥時(shí)，堆肥箱內(nèi)溫度的變化可分為升溫期、高溫期、降溫期和穩(wěn)定期[8]。其中，在升溫期時(shí)有機(jī)物開始分解，微生物生長。此時(shí)，主要利用的原料為單糖、蛋白質(zhì)和脂肪等易降解原料。高溫期溫度基本達(dá)到48 ℃以上。在高溫期，微生物生長迅猛，原料中纖維素和半纖維素出現(xiàn)降解，原料開始往腐殖化過渡。當(dāng)溫度維持在48～60 ℃/d時(shí)，原料中有害菌或寄生蟲可被殺死。在降溫期，當(dāng)溫度降低到50 ℃以下，高溫菌活動衰弱，但中溫性微生物活動依然存在，原料進(jìn)一步腐熟。在穩(wěn)定期，堆肥溫度稍高于室溫，原料中微生物活動處于衰退勢，原料基本被腐熟。由圖1可知，秸稈和羊糞便在堆肥過程中進(jìn)入高溫期迅速，維持時(shí)間也長，均為6 d，只是羊糞便進(jìn)入高溫期比秸稈快1 d且總體維持高溫水平均高于其他2組。這可能是因?yàn)檠蚣S便中氮源較其他2組充分，更適合微生物的生長。而沼渣高溫期維持時(shí)間僅為3 d，且進(jìn)入高溫期時(shí)間遲緩，約到9 d左右時(shí)才緩慢達(dá)到高溫。這可能是因?yàn)檎釉锌杀焕玫挠袡C(jī)物在之前的沼氣發(fā)酵中消耗較大，從而導(dǎo)致整體堆肥溫度水平不高。另一方面，沼渣蓬松度比秸稈和羊糞便差，與污泥混合后通氣性較差，影響好養(yǎng)微生物呼吸，這有可能是導(dǎo)致沼渣不能迅速進(jìn)入高溫期的另一原因。

2.3堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量的變化

由表2可知，秸稈的初始有機(jī)質(zhì)含量高，堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量下降也最多，沼渣有機(jī)質(zhì)含量下降幅度最小，但最終有機(jī)質(zhì)含量與秸稈相當(dāng)。這是因?yàn)榻斩捊?jīng)沼氣發(fā)酵時(shí)消耗的一部分有機(jī)質(zhì)加上好氧堆肥時(shí)剩下被降解的有機(jī)質(zhì)相當(dāng)于秸稈可被微生物降解的部分。而秸稈直接堆肥，由于蓬松度比沼渣好，所以降解率會稍高一些。羊糞便的有機(jī)質(zhì)降解幅度比秸稈低，初始有機(jī)質(zhì)含量也低于秸稈，與沼渣相當(dāng)。但以秸稈為主的飼料中添加了豆粕、玉米淀粉等材料，因此該數(shù)據(jù)不能直接反映秸稈在牲畜體內(nèi)降解程度。通過最終有機(jī)質(zhì)含量的確定，可以確定這3種原料最終剩余的有機(jī)質(zhì)為51%左右，無明顯差別。

2.5堆肥過程中pH值的變化

由表4可知，在堆肥開始前，3種原料pH值均為弱堿性；而隨著堆肥過程的延續(xù)，3種原料pH值均呈下降趨勢，這是由微生物活動時(shí)會產(chǎn)生大量有機(jī)酸所致；而在堆肥7 d時(shí)，沼渣和羊糞便pH值較秸稈的稍高，這是由于沼渣中微生物尚未達(dá)到最佳生長狀態(tài)；羊糞便中氮元素含量較高，因此在分解過程中產(chǎn)生氨氮從而回補(bǔ)了有機(jī)酸生成所造成的pH值下降。大量有機(jī)酸的積累會抑制微生物生長，說明如果秸稈直接用于堆肥，應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)充氮素，如添加糞肥、尿素等，以保持微生物的生長活性。

3結(jié)論

通過堆肥處理，秸稈、沼渣和羊糞便均可達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。未經(jīng)堆肥處理的秸稈、沼渣和羊糞便C/N過高，沼渣和羊糞便氣味很重，均不適合直接施放農(nóng)田。秸稈不可不加任何處理直接還田，因?yàn)殡S著土壤微生物的分解作用，秸稈會產(chǎn)生有毒物質(zhì)，一定程度上抑制植物生長。堆肥過程會消耗秸稈有機(jī)質(zhì)，但同時(shí)也會消除秸稈的植物毒性。通過15 d的堆肥，沼渣、秸稈和羊糞便的GI均超過80%，可認(rèn)為植物毒性已被消除。

從投入成本和效益來看，秸稈直接還田所投入成本最低，但依然需要進(jìn)行堆肥處理才能做到還田。而秸稈制備沼氣后，雖然在堆肥過程中效果較差，其制肥結(jié)果和秸稈直接堆肥差別不大。在制備沼氣過程中，雖要投入一定的人力物力來滿足沼氣生產(chǎn)和沼渣出料，但經(jīng)濟(jì)收益遠(yuǎn)大于直接還田。秸稈制成飼料后以糞便還田的形式稱為“過腹還田”。從堆肥效果來看，羊糞便的堆肥腐熟度最佳，且經(jīng)濟(jì)收益比沼氣還田還高。然而，由于養(yǎng)分和口感的原因，目前以秸稈為主要飼料飼喂牲口的利用方式極其有限，所能利用的秸稈多為玉米秸稈，這也意味著“過腹還田”目前推廣的局限性。

中國為農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源豐富。秸稈最佳的還田方式為先飼養(yǎng)牲畜，再取其糞便制備沼氣，最后進(jìn)行還田的間接還田方式。而在這過程中，制備牲畜飼料是核心技術(shù)問題。如能制備口感良好、營養(yǎng)豐富的動物飼料，則可進(jìn)一步解決秸稈消費(fèi)的問題，進(jìn)而為畜糞制氣和沼渣制肥環(huán)節(jié)帶來充足原料。

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