張玉鳳,田慎重,邊文范,郭洪海,宮志遠(yuǎn),劉兆輝*,李瑞琴,陳劍秋,羅加法
(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物基質(zhì)化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東省植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東省環(huán)保肥料工程技術(shù)研究中心,山東 濟(jì)南 250100;2.金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司/養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 臨沭 276700;3.新西蘭皇家農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院魯亞庫(kù)拉研究中心,哈密爾頓 3240)
隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展,畜禽糞便的排放量也隨之增加。山東作為全國(guó)畜牧大省,畜牧產(chǎn)業(yè)規(guī)模多年位居全國(guó)第一,糞便產(chǎn)生量約在2億t,如2010年山東省畜禽養(yǎng)殖業(yè)共產(chǎn)生1.98億t糞便,平均耕地施用量負(fù)荷為26.38 t/hm2,畜禽糞便中的氮、磷純養(yǎng)分分別達(dá)到 131.18 和 39.70 kg/hm2[1]。部分城市已達(dá)到甚至超過(guò)環(huán)境污染限量標(biāo)準(zhǔn)(歐盟還田限量值分別為氮 170 kg/hm2、磷 35 kg/hm2[2]),畜禽養(yǎng)殖廢棄物已經(jīng)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成了污染,而且排放的臭氣嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳硇慕】?,因此迫切需要?duì)其進(jìn)行有效處理,合理利用。
農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種副產(chǎn)物,也是一種可再生資源。我國(guó)農(nóng)作物秸稈的年產(chǎn)量約7億t,利用率為78%,約2億t秸稈隨意堆放或焚燒[3],焚燒產(chǎn)生的CO2、CO、氮氧化物及多環(huán)芳烴等有害氣體,不僅危害人類健康,污染環(huán)境,而且造成大量養(yǎng)分損失,因?yàn)榻斩捴谐械?、磷、鉀和有機(jī)碳養(yǎng)分外,還可提供相當(dāng)數(shù)量的中、微量元素和氨基酸等有機(jī)營(yíng)養(yǎng)成分,是一類數(shù)量極其豐富,能直接利用的有機(jī)肥資源。因此,如何處理大量秸稈物質(zhì),已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上以及農(nóng)村生態(tài)環(huán)境治理中亟需解決的問(wèn)題。
好氧堆肥是畜禽糞便和秸稈無(wú)害化處理和資源化利用的重要方式[4-6],通過(guò)微生物好氧發(fā)酵能夠有效地將畜禽糞便與秸稈中的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化成二氧化碳、氨等小分子物質(zhì)及高分子量的腐殖質(zhì)。發(fā)酵的畜禽糞便和秸稈施入農(nóng)田中可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用,減少環(huán)境污染[7-8]。大量研究表明,接種外源微生物是加速高溫好氧堆肥進(jìn)程的有效途徑。外源微生物可加速堆肥初期基質(zhì)的分解,也能加快木質(zhì)纖維素的降解,從而促進(jìn)堆體后熟,縮短堆肥周期[9-10]。孫旭等[11]研究表明,腐熟劑能促進(jìn)玉米秸稈腐熟升溫,延長(zhǎng)高溫階段持續(xù)時(shí)間,降低揮發(fā)性固體物質(zhì)和C/N,減少腐熟物的植物毒性,縮短腐熟時(shí)間,加快腐熟進(jìn)程。雖然微生物菌劑能促進(jìn)好氧發(fā)酵進(jìn)程,但是目前我國(guó)市場(chǎng)上的微生物菌劑產(chǎn)品眾多,質(zhì)量差異較大,僅生產(chǎn)秸稈腐熟劑的企業(yè)約有130余家,登記的腐熟劑產(chǎn)品有40個(gè)左右,而作為腐熟劑的菌種則達(dá)40多種[12]。因此需要針對(duì)發(fā)酵物料的種類篩選出適宜菌種,以便保證發(fā)酵效果。針對(duì)上述問(wèn)題,本試驗(yàn)通過(guò)設(shè)計(jì)接種菌劑和不接種菌劑處理,以發(fā)酵過(guò)程溫度等及發(fā)酵產(chǎn)物的安全性為考核指標(biāo),評(píng)價(jià)3種菌劑的發(fā)酵效果,以期篩選出適合牛糞和玉米秸稈混合發(fā)酵的菌劑。
(1)牛糞:成年奶?;旌霞S便。(2)玉米秸稈:濟(jì)南附近農(nóng)村購(gòu)買。(3)微生物發(fā)酵菌劑:試驗(yàn)供試微生物發(fā)酵菌劑3種(M1、M2、M3),其中菌劑M1主要由高效降解纖維素及木質(zhì)素的曲霉菌和酵母菌組成,其摻入比例為0.05%(W/W),M2為有機(jī)物料腐熟劑(有效活菌數(shù)≥0.50億/g,用量為0.5%),M3為復(fù)合微生物(光合菌、酵母菌、乳酸菌、放線菌、芽孢桿菌等多種微生物,有效活菌數(shù)≥200億/100 mL,用量為0.3%)。
表1 堆肥材料的基本理化性質(zhì)
試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理,分別為:(1)CK:牛糞+輔料;(2)M1:牛糞+輔料+菌劑1;(3)M2:牛糞+輔料+菌劑2;(4)M3:牛糞+輔料+菌劑3。T1~T4處理的牛糞,輔料均相同,牛糞所占物料總重(以干基計(jì))的比例為53%,輔料是玉米秸稈,占47%,混合物料初期碳氮比為27.75∶1,含水量為60%,pH值7.21。
試驗(yàn)于2017年5月22日~6月23日在濟(jì)南某公司進(jìn)行。將玉米秸稈粉碎到1.5~2 cm左右,然后將牛糞與粉碎好的秸稈混合,再加入發(fā)酵菌劑、水分等其它物料,充分混合。然后將混合物料運(yùn)送至發(fā)酵槽中,堆成高約1.2 m、寬約2 m、長(zhǎng)約3 m的堆體。
于每天9∶30~10∶30和15∶30~16∶30,測(cè)定堆體中間位置的上中下部的溫度(采用SY系列堆肥專用溫度/含水率傳感器測(cè)定)、含水量(采用SY系列堆肥專用溫度/含水率傳感器測(cè)定)、氧氣含量(測(cè)定儀器采用堆肥專用氧含量分析儀)等指標(biāo)。當(dāng)含水量低于30%時(shí),開始補(bǔ)充水分至50%;氧氣含量低于5%時(shí),翻堆;溫度達(dá)到60℃以上時(shí),也開始翻堆。同時(shí)記錄周圍環(huán)境的平均溫度,以便有效控制堆肥進(jìn)程和產(chǎn)品質(zhì)量。分別于發(fā)酵第0、1、5、11、19、23、30 d采用5點(diǎn)法在堆體不同部位取樣一次,取樣量為200 g左右,樣品混合均勻,檢測(cè)樣品的pH值[13]、有機(jī)質(zhì)[14]、氮[13]、磷、鉀[13]含量等指標(biāo)。發(fā)酵時(shí)間結(jié)束后,采用發(fā)芽率試驗(yàn)檢測(cè)發(fā)酵物料腐熟度。具體測(cè)定方法為:首先進(jìn)行堆肥發(fā)酵物浸提液的提取。新鮮堆肥樣品和去離子水按固液比為1∶10(w∶v=質(zhì)量∶體積)加入一定量的去離子水,在200 r/min的速度下振蕩浸提1 h,將其離心(4 000 r/min)10 min,得到堆肥水浸提液,過(guò)濾后取上清液于塑料瓶中4℃貯存?zhèn)溆谩T? cm培養(yǎng)皿內(nèi)墊上一張濾紙,均勻放入20顆油菜種子,加入堆肥樣品浸提濾液5 mL,在25℃黑暗的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后,取出計(jì)算發(fā)芽率,10 d后,測(cè)定油菜根長(zhǎng),每個(gè)樣品做3次重復(fù),同時(shí)用蒸餾水做空白試驗(yàn)。按照以下公式計(jì)算發(fā)芽指數(shù)(GI):GI=(堆肥浸提液的種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng))×100%÷(蒸餾水的種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng))。
運(yùn)用DPS v7.00對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,應(yīng)用Duncan新復(fù)極差法對(duì)不同處理進(jìn)行多重比較,不同字母表示差異達(dá)5%的顯著水平。
從圖1看出,與CK相比,3個(gè)菌劑處理的溫度在1~28 d時(shí)顯著高于CK。CK達(dá)到50℃的時(shí)間為第5 d,3個(gè)菌劑處理均在第1 d達(dá)到55℃,比CK提前4 d;M1、M2、M3高溫期維持時(shí)間分別為24、24、26 d,而CK是14 d,比CK分別多10~12 d;M1、M2、M3的最高溫度分別達(dá)到76.7、72.7、72.3℃,而對(duì)照的最高溫度僅為55.3℃。
3個(gè)菌劑相比,總體溫度差異不顯著,1~5 d期間,M2的溫度稍高于M1和M3,6~7 d M3溫度最高,8~19 d基本是M2溫度最高,21~27 d期間M3溫度最高。M3高溫維持時(shí)間最長(zhǎng),比M1、M2多2 d。M1的高溫值最大。
圖1 不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體溫度的影響
從溫度變化曲線看出,溫度變化有3個(gè)階段:升溫階段、高溫階段(堆肥溫度高于50℃)、降溫腐熟階段。CK處理溫度高于外界溫度,并且其溫度變化與外界趨勢(shì)基本一致,說(shuō)明CK一直處于發(fā)酵狀態(tài),且其發(fā)酵溫度受外界溫度的影響較大。3個(gè)菌劑處理基本呈現(xiàn)1~4 d溫度上升,在第1 d時(shí)溫度達(dá)到50℃以上;5~22 d穩(wěn)定,第11 d時(shí)達(dá)到最高溫度70℃以上;24~26 d溫度下降,持續(xù)在58℃以上;26 d后溫度基本趨于穩(wěn)定,并且在50℃以下。
總體來(lái)看,3個(gè)菌劑處理維持50℃高溫的時(shí)間達(dá)到24 d以上,達(dá)到了糞便無(wú)害化衛(wèi)生要求[15]。
圖2結(jié)果表明,與CK相比,3個(gè)菌劑的pH值基本均低于CK。3個(gè)菌劑處理相比,第5 d時(shí)M1處理最高,其它時(shí)間均是M3處理最高,0~11 d時(shí)M1的變化幅度最大。
圖2 不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆肥浸出液pH值的影響
從pH值變化趨勢(shì)看出,整體呈現(xiàn)下降、上升、下降、穩(wěn)定的趨勢(shì)。CK處理的整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中pH值變化較小,3個(gè)菌劑處理0~11 d變化幅度較大,此后pH值變化較小。
pH值的變化主要是由氨氮產(chǎn)生、揮發(fā)和蛋白類有機(jī)物質(zhì)的降解導(dǎo)致的。本結(jié)果初步表明接種菌劑處理的蛋白質(zhì)及有機(jī)物的分解變化強(qiáng)于對(duì)照,而且變化主要發(fā)生在發(fā)酵前期即0~11 d。
圖3是利用23 d發(fā)酵產(chǎn)物浸提液處理的油菜種子的發(fā)芽指數(shù),結(jié)果表明,菌劑1、2處理發(fā)芽指數(shù)在100%以上,達(dá)到完全無(wú)毒程度[16];菌劑3處理為98.5%,大于80%,表明堆肥已完全腐熟;CK處理的發(fā)芽指數(shù)大于50%,表明堆肥毒性降低到植物可以承受的范圍[16]。接種菌劑處理均顯著高于CK處理,增幅分別為35.48%、30.30%、17.64%,說(shuō)明接種菌劑處理具有提高油菜發(fā)芽指數(shù),促進(jìn)油菜生長(zhǎng)的作用,其中菌劑1效果最好,其次為菌劑2。
從圖4看出,與CK相比,接種菌劑處理的有機(jī)質(zhì)含量均比CK低。3個(gè)菌劑處理相比,第1 d時(shí)M1處理有機(jī)質(zhì)含量最高,5~11 d時(shí)M2處理的最高,19~30 d時(shí)M3處理最高。
圖4 不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體有機(jī)質(zhì)含量的影響
從有機(jī)質(zhì)變化趨勢(shì)看,CK處理的有機(jī)質(zhì)含量變化幅度較小,1~30 d基本呈現(xiàn)下降趨勢(shì);接種菌劑處理有機(jī)質(zhì)基本呈現(xiàn)下降趨勢(shì),23 d時(shí)有機(jī)質(zhì)含量也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),變化幅度較大的是0~5 d和11~19 d。將第30 d的有機(jī)質(zhì)與第0 d相比,所有處理均下降,CK、M1、M2、M3處理分別降低了12.33%、22.74%、31.78%和19.84%。
有機(jī)質(zhì)含量反映了微生物分解有機(jī)物料中半纖維素、纖維素的能力,但它又是微生物本身所依賴的碳源與能源。所以初步說(shuō)明,本發(fā)酵條件下,接種菌劑有利于有機(jī)物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化。發(fā)酵過(guò)程中有機(jī)質(zhì)含量降低。在保存有機(jī)質(zhì)方面菌劑3效果較好。
圖5結(jié)果說(shuō)明,與CK相比,第1、5 d時(shí)接種處理的氮含量均低于CK;11 d時(shí)4個(gè)處理間無(wú)差異;19~30 d時(shí)接種菌劑處理氮含量均高于CK,增幅為2.96%~10.56%。3個(gè)菌劑處理相比,1~11 d時(shí)M1的氮含量最高,19~23 d時(shí)M3的最高,30 d時(shí)M2最高。
圖5 不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體氮含量的影響
氮含量變化趨勢(shì)表明,所有處理的氮含量基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。CK、M1處理0~11 d變化幅度較大,而M2、M3處理在0~19 d變化幅度均較大。與0 d的氮含量相比,CK、M1、M2、M3處理的第23 d氮含量均升高,增幅為18.33%~30.83%。
初步說(shuō)明,添加菌劑能促進(jìn)氮的轉(zhuǎn)化,不同菌劑對(duì)氮的消耗和固定轉(zhuǎn)化時(shí)間不一致,轉(zhuǎn)化量也不一樣,菌劑2的變化幅度大于菌劑1和菌劑3。
圖6結(jié)果表明,與CK相比,M1、M2、M3處理的C/N基本上呈下降。3個(gè)菌劑處理相比,第1~11 d時(shí)3個(gè)處理間差異較小,第19~30 d時(shí)C/N差異較大,最低的是M2處理,第19、23 d最高的處理為M3,第30 d時(shí)最高的處理是M1。
從變化趨勢(shì)看,整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中C/N逐漸下降,由最初的 27.75∶1 下降到 14.47∶1~20.55∶1。表明好氧發(fā)酵過(guò)程是C/N逐漸降低的過(guò)程,降低幅度較大的是M2處理,30 d時(shí)C/N達(dá)到14.47。
圖7結(jié)果表明,與CK相比,M1、M2、M3處理的磷含量均升高,增幅為1.61%~47.91%。3個(gè)發(fā)酵菌劑處理相比,第1、19、23、30 d時(shí)M1處理磷含量均最高,第5 d時(shí)M2處理磷含量最高。
圖7 不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體磷含量的影響
磷含量變化趨勢(shì)表明,所有處理基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。0~11 d上升幅度較大,11~30 d幅度變小。與第0 d的磷含量相比,CK、M1、M2、M3處理的第30 d磷含量均顯著升高,增幅為158.33%~195.83%。
結(jié)果初步表明,接種菌劑促進(jìn)磷的分解,有效磷含量升高,菌劑1在保存磷有效性方面效果最好。
圖8結(jié)果表明,CK處理的C/P顯著高于M1、M2、M3處理;3個(gè)菌劑處理相比,第1、5 d時(shí)M1處理最高,第11、19~30 d時(shí)M3處理最高。
圖8 不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體C/P的影響
從變化趨勢(shì)看,整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中C/P逐漸下降,由最初的 138.73∶1下降到 36.02∶1~48.88∶1。表明好氧發(fā)酵過(guò)程是C/P逐漸降低的過(guò)程。
圖9結(jié)果表明,與CK相比,M1、M2、M3處理的鉀含量基本均高于CK。3個(gè)發(fā)酵菌劑處理相比,第1、11、19、23 d時(shí)M3處理鉀含量均最高,第5 d時(shí)M1處理最高,第30 d時(shí)M2處理最高。
圖9 不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體鉀含量的影響
鉀含量變化趨勢(shì)表明,所有處理基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。與第0 d的鉀含量相比,CK、M1、M2、M3處理的第30 d鉀含量均顯著升高,增幅為10.48%~27.42%。
結(jié)果初步表明,接種菌劑促進(jìn)鉀的分解,有效鉀含量升高,菌劑3和菌劑2在保存鉀方面效果最好。
表2結(jié)果表明,與對(duì)照處理相比,3個(gè)菌劑處理發(fā)酵后大于1.0 mm粒徑的產(chǎn)物重量均低于對(duì)照,說(shuō)明接種菌劑有利于纖維素的分解。3個(gè)菌劑處理間相比,菌劑3處理的大于2.0 mm粒徑的產(chǎn)物重量稍高于菌劑1和菌劑2,說(shuō)明菌劑1和菌劑2的發(fā)酵效果優(yōu)于菌劑3。
表2 不同發(fā)酵菌劑處理不同粒徑的發(fā)酵產(chǎn)物重量(g)
溫度變化是反映好氧堆肥發(fā)酵是否正常最直接、最敏感的指標(biāo)[17]。GB/T 7959-2012糞便無(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求規(guī)定了溫度的指標(biāo),機(jī)械堆肥:堆溫≥50℃,至少持續(xù)2 d;人工堆肥:堆溫≥50℃,至少持續(xù)10 d[15]。本研究中接種菌劑處理堆溫在50℃以上的持續(xù)了24d,達(dá)到了GB/T 7959-2012標(biāo)準(zhǔn)。李國(guó)學(xué)等[18]研究表明,當(dāng)堆體的溫度高于55℃并維持在3 d以上,堆體中的病菌可被殺死。本研究中高于55℃的維持了23 d,實(shí)現(xiàn)了無(wú)害化。本研究中接種菌劑處理達(dá)到50℃時(shí)間比不接種提前4 d,高溫維持時(shí)間延長(zhǎng)10~12 d。與已有研究結(jié)果一致,接種復(fù)合菌劑加快了堆體升溫,延長(zhǎng)高溫期時(shí)間,最終加速堆體腐熟[19-20]。
好氧堆肥的關(guān)鍵是發(fā)酵條件,大量研究表明,最佳發(fā)酵條件是C/N為25∶1~30∶1,pH值在6.5~8.0,含水量推薦上限在 50%~60%[17]。本研究將發(fā)酵條件設(shè)置為C/N為27.75∶1,pH值在7.21,含水量60%。本研究發(fā)酵過(guò)程中接種處理pH值低于對(duì)照,發(fā)酵過(guò)程中pH值呈現(xiàn)下降、上升、下降、平穩(wěn)的趨勢(shì),與大量研究結(jié)果一致。李舒清等[19]研究表明,堆肥接菌處理后與對(duì)照相比pH值下降。曹云等[21]研究表明,在升溫期由于微生物分解蛋白質(zhì)類有機(jī)物產(chǎn)生氨氮,促使pH值上升較快;在堆肥后期,隨著氨的揮發(fā)及蛋白質(zhì)類有機(jī)物的降解,牛糞中pH值下降[22]。堆肥過(guò)程中各處理pH值變化基本一致,均是先升高后降低再升高最后趨于穩(wěn)定[23]。堆肥化過(guò)程是C/N逐漸下降并趨于穩(wěn)定的過(guò)程,腐熟堆肥的C/N一般為15左右[17]。接種復(fù)合菌劑顯著降低堆體的C/N,在22 d時(shí)已下降至12.8,而對(duì)照處理至32 d才下降至12.5[19];竹江良等[24]也報(bào)道在煙草添加合適豬糞比例的基礎(chǔ)上加入外源微生物菌劑有利于促進(jìn)C/N降低,加速煙草廢棄物堆肥腐熟進(jìn)程。本研究C/N逐漸下降,30 d時(shí)接種處理由最初的27.75∶1 下降到 14.47∶1~17.27∶1,而對(duì)照僅下降到20.55∶1。
好氧發(fā)酵的目的是在保證物料達(dá)到無(wú)害化的前提下,盡量降低有效養(yǎng)分流失,提高堆肥質(zhì)量。大量研究表明,有機(jī)物料堆肥過(guò)程一般伴隨著氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素以及有機(jī)質(zhì)等含量升高及形態(tài)的變化[17,21-24]。劉超等[23]研究表明,在高溫堆肥結(jié)束時(shí),堆肥全磷、全鉀含量比堆肥初始有所增加,原因是堆肥過(guò)程中磷素和鉀素不會(huì)揮發(fā)損失,而堆體的總干物質(zhì)下降所致。本研究中氮、磷含量均升高,與劉超等[23]研究一致。堆肥的用途主要是制作商品有機(jī)肥,堆肥結(jié)束時(shí),菌劑處理的有機(jī)質(zhì)含量乘以1.5后均達(dá)到45%以上,N+P2O5+K2O含量達(dá)到4.5%以上,與NY525-2012標(biāo)準(zhǔn)[12]接近。
本試驗(yàn)結(jié)果初步表明:
(1)接種3種發(fā)酵菌劑能提高牛糞和秸稈混合物料發(fā)酵速度,接種菌劑處理達(dá)到50℃的時(shí)間比不接種提前4 d,高溫維持時(shí)間延長(zhǎng)10~12 d。發(fā)酵到22 d時(shí)高溫期基本結(jié)束,發(fā)酵23 d后的物料基本腐熟。3個(gè)菌劑維持50℃高溫的時(shí)間達(dá)到24 d以上,達(dá)到了糞便無(wú)害化衛(wèi)生要求。
(2)3種菌劑發(fā)酵產(chǎn)物有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到NY525-2012標(biāo)準(zhǔn)[12],氮磷鉀養(yǎng)分總量達(dá)到4.5%,接近NY525-2012標(biāo)準(zhǔn)[12],所以發(fā)酵產(chǎn)物適合做生產(chǎn)商品有機(jī)肥的原料。
(3)綜合各項(xiàng)指標(biāo),菌劑1和菌劑2的發(fā)酵效果優(yōu)于菌劑3,菌劑1和菌劑2更適合牛糞和秸稈混合物料發(fā)酵。