不同配比的牛粪与玉米秸秆对高温堆肥的影响

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不同配比的牛粪与玉米秸秆对高温堆肥的影响

刘凯 郁继华 颉建明 冯致 张国斌 李琨 刘佳 （甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州，730070）

1

摘 要：实验研究了牛粪与玉米秸秆不同配比(体积比)条件下对高温堆肥的影响。结果表明：牛粪与玉米秸秆以3:7配比效果最佳，堆肥升温快，2d达到55℃，高温维持时间为16d，达到快速、腐熟的目的；至堆肥结束时，堆体无恶臭，呈现黑褐色，体积减少量为56%，pH值为8.4，TDS值为1275ppm，换算EC值为2.55ms·cm，全碳含量下降9.23%，全氮含量上升1.01 ，种子发芽指数达到88.95 ，均达到堆肥质量标准。因此，在实际应用中，牛粪在堆制原料中所占体积以30%为宜。

关键词：牛粪 玉米秸秆 配比 高温堆肥

-1

Effect of Different Ratios of Dairy Manure and Corn Stalk

for High Temperature Composting Process

Liu Kai Yu Jihua Xie Jianming Feng Zhi Zhang Guobin Li Kun Liu Jia

(College of agronomy, Gansu agricultural university, Gansu Lanzhou, 730030)

Abstract: The composting trial was to evaluate the effect of dairy manures and corn stalks in a different ratio(V/V)on composting process. The results indicated that 3:7 of dairy manures and corn stalks was best ratio. Its temperature rose rapidly to 55℃on the second day, and high temperature maintained for 16 days. It meets the purpose of sterilization and thorough decomposition. And at the end of the compost, no odor, showing dark brown, the volume reduction is 56%, The pH value is 8.4,

-1

TDS value is 1275ppm, EC conversion value is 2.55ms cm, the total carbon content declines 9.23%, the total nitrogen content increases 1.01 ,the seed germination index(GI) is 88.95 , which all meet the compost quality standards. Thus, in practice, dairy manure in the composting of raw materials accounts for 30% in volume is suitable.

Key words: Dairy manure; Corn stalk; Ratio; High-temperature composting

由于产业结构调整，我国现代化农业和畜牧业的快速发展使得农业固体有机废弃物数量大幅增加。如果不加以处理和利用，不仅将会严重污染环境，而且还会阻碍现代化农业和畜牧养殖业的可持续发展。实践证明，堆肥化是处理固体有机废弃物的一个有效途径，是粪便和秸秆管理与利用的重要手段之一，有利于粪便达到无害化，并生产商品有机肥实现粪便和秸秆的资源化利用[1]。

堆肥化过程是一个复杂的过程，要达到良好的堆制效果，必须控制一些因素，包括水分、温度、pH值和碳氮比等。这些因素决定微生物活动的强度，从而影响堆肥的速度与质量。由于堆制方法的不同，对各种指标的要求不尽相同，很多研究者对其各种影响因素的参数指标进行了大量研究。李艳霞等研究认为，当堆体温度低于40℃后，主要发酵过程已经完成，保证了堆肥的卫生学指标和堆肥腐熟的条件[2]。孙先锋等研究认为最适宜微生物生长的pH值呈中性或弱碱性，pH过低或过高都会影响堆肥的顺利进行[3]。鲍士旦等根据土壤浸出液的电导率与盐分含量和作物生长的关系得出抑制作物生长的限定电导率值为4.0ms cm-1[4]。本试验以牛粪和玉米秸秆为试验原料，采用高温好氧堆肥技术，主要研究了牛粪与玉米秸秆不同配比对高温堆肥的影响，以期为农业废弃物资源的高效合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

收稿日期： 俢回日期：

基金项目：国家科技支撑计划项目(2007BAD89B17) 作者简介：刘 凯（1983—），男，硕士研究生，主要从事设施蔬菜栽培生理与生长调控的研究。

E-mail：liukai_7@

＊通讯作者：郁继华（1961—），男，教授，博士生导师，主要从事设施园艺栽培生理方面的教学和研究。

E-mail：yujihua@

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1.1 试验材料

牛粪：试验所用牛粪来源于临泽县平川镇芦湾村奶牛场。

玉米秸秆：使用前利用切碎机将玉米秸切成长3 5cm的碎料，经晒干后使用。

纤维素降解菌剂：使用之前先进行菌剂扩繁，原料与纤维素降解菌剂的用量比例（质量比）为100:1。 起始堆肥时，控制初始含水量在65％左右。堆肥原料的基本理化性状见表1。

表1 堆肥材料的主要理化性状

Table 1 Physical and chemical characteristics of the composted materials used

原料

有机碳 (%)

牛粪 玉米秸秆

36.2 44.15

TN (%) 1.51 0.65

23.97 67.92 C/N

水分 (%) 74.26 10.83

容重 (kg·m-3) 346.61 62.4

1.2 试验方法

堆肥试验在临泽县平川镇三二村荒漠试验区进行，处理设置为： 处理1：100%玉米秸秆

处理2：100%牛粪

处理3：100%玉米秸秆（1.5kg纤维素降解菌剂） 处理4：牛粪:玉米秸秆=7:3 处理5：牛粪:玉米秸秆=5:5 处理6：牛粪:玉米秸秆=3:7

对照(池外玉米秸秆)：100%玉米秸秆

试验在8个长2m、宽1.6m、高0.6m的砖砌发酵池内进行，每个池子容积为1.92m。池外对照堆体按长×宽×高(1.8m×1.5m×1.0m)自然堆置。 1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 采样时间、方法

样品采集每周进行1次，每次从堆体的不同位置（东南西北中五个方向）分层各取样品约300g，混匀，共8次。采集后在24h内测定pH值和电导率(EC)。发酵堆体每10天进行1次翻堆，共翻堆4次。 1.3.2 指标测定

在试验过程中观察并记录堆体温度、堆料颜色、气味和体积的变化情况。 温度测定：每天下午16时测定所有堆肥的温度，每隔一天测量一次堆体温度，以堆体东、南、西、北和中心五点温度的平均值作为堆体的发酵温度。测量时温度计插入堆体表面25cm以下，同时记录周围环境温度。

pH值测定：取混合后的样品，用去离子水按粪水比1:10(W:V)浸提1h，用pH计测定悬浮液的pH值。 TDS值测定：新鲜样品与去离子水按1:10(W:V)比例混合，在室温下用振荡器连续振荡30min，静置30min后，上清液经滤纸过滤后用TDS笔测定TDS值。

全碳的测定：称取0.2000g试样放入已恒重的坩埚中；在茂福炉内用600℃温度燃烧15min；移坩埚到干燥器中冷却并称重；两次称重的重量差即为挥发性固体(VS)的重量。

全碳(M)的估算公式为:M(g/g)=0.47VS，VS(g/g)=(a一b)/(a一e)

a为试样加上坩埚的重量;b为燃烧后的试样与柑锅重；c为坩埚重

全氮的测定：称取0.2000g样品经消煮后，用凯氏定氮分析仪(FOSS-2300型Kjieltec analyzer unit)测定样品中的含氮量。

种子发芽指数(GI)的测定：新鲜样品与蒸馏水按1:10(W:V)比例混合并在摇床上摇2个小时，提取液在5000r/min下离心分离20分钟，上清液经滤纸过滤后待用。把一张大小合适的滤纸放入干净无菌的9cm的培养皿中，滤纸上整齐摆放10粒青菜种子，准确吸入3ml滤液于培养皿中，在25℃、黑暗条件下的培养箱中培养48小时后，计算种子的发芽率，并用游标卡尺量取种子的根长。同时用蒸馏水作为对照。根

3

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据下列公式计算出种子的发芽指数。

种子发芽指数GI(%)=(堆肥处理的种子发芽率 种子根长) (对照的种子发芽率 对照种子根长)

100%

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中堆料物理性状的变化

2.1.1 气味变化

一般情况下，堆肥开始时，具有令人不愉快的气味，在良好的堆肥过程中，这种气味逐渐减弱并在堆肥结束后消失。研究指出，低分子量挥发性脂肪酸是引起不快气味的主要成分之一。堆肥结束后，堆体内无恶臭，堆肥产品具有潮湿泥土的气息。本次试验开始时，混有牛粪处理的堆料具有很浓的臭味，招引了大量的蚊蝇。随着堆肥的进行，各处理组的臭味逐渐减少，不再吸引蚊蝇，箱体底部有少量渗滤液流出。堆制结束时，各处理组均有潮湿泥土的气味，符合堆肥的腐熟程度要求。 2.1.2 颜色变化

[7]

腐熟的堆肥颜色应呈褐色或黑褐色。堆肥开始时，玉米秸秆呈淡黄色，牛粪呈黄褐色，其混合堆体颜色在淡黄色和黄褐色之间。随着堆肥的进行，各处理堆体的颜色均是由浅到深、从表层开始逐渐发黑，并会有白色或灰色的菌斑或菌丝。至堆肥结束时，玉米秸秆呈褐色，牛粪呈黑褐色，混合堆体颜色在其两者之间。

2.1.3 体积变化

随着堆肥的进行，各处理的堆体体积都有所减少。从图1可以看出，处理3和处理6体积减少的最多，至堆肥结束时，均下降了56%，与起始相比，下降量过半；对照下降了47%，而处理1下降了51%，处理5下降了49%，下降量分别比对照多出4%和2%；处理2体积下降量最少，至堆肥结束时，仅下降了31%；其次是处理4，下降量为38%，下降量分别比对照少出16%和9%

[5][6]

a b

图1(a) 不同配比的牛粪与玉米秸秆对堆体体积变化的影响

Fig.1(a) Effect of different ratios of dairy manure and corn stalk for composting volume reduction

图2(b) 不同配比的牛粪与玉米秸秆对堆体温度变化的影响 Fig.2(b) Effect of different ratios of dairy manure and corn stalk for composting temperature

2.2 不同配比的牛粪与玉米秸秆对堆体温度变化的影响

温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素[8]。从图2可以看出，处理6升温最快，2d达到55℃，且达到50℃以上的天数共有24d，高温维持最长时间为16d，最高温度达63.2℃，第30d降温至40℃以下；其次为处理1、处理3和处理4，到达55℃的时间均为3d，且达到50℃以上的总天数分别为16d、14d和28d，高温维持最长时间分别为8d、8d和18d，最高温度分别为62.4℃、63.8℃和59.8℃，处理1和处理3降温至40℃以下的时间均在第30d，而处理4则在第44d；而处理2和处理5升温较为缓慢，4d后才达到50℃，达到50℃以上的总天数分别为30d和26d，高温维持最长时间均为18d，最高温度分别为60.6℃和

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58.2℃，降温至40℃以下的时间分别在第44d和第40d。对照处理达到50℃以上的天数有10d，高温维持最长时间仅为6d，最高温度达56.4℃，第24d降温至40℃以下，这可能与堆置环境有关。所有处理每10d会出现降温现象，是由于翻堆所致。

2.3 不同配比的牛粪与玉米秸秆对堆体pH值的影响

pH值的变化是反映堆肥过程的重要参数，适宜的pH值可使微生物有效发挥作用。一般微生物最适宜的pH值是中性或弱碱性，pH过低或过高都会使堆肥遇到困难[3]。

从图3可以看出，各处理的pH值在堆肥发酵过程中总体表现为升高－平稳－略有下降的趋势，所有处理的pH值在前21d呈现上升的趋势，这是由于随着有机物厌氧发酵产生的有机酸的分解，产生的部分氨氮充满在堆体中造成偏碱性环境，使堆体的pH值开始上升；堆制后期，由于氨氮的挥发，堆体的pH值又逐渐回落。处理2和处理4的pH值在堆制初期有所下降，与堆体含水量偏高、有机物厌氧发酵产生的有机酸的积累有关。至堆肥结束时，所有处理的pH值均在8.1到8.6之间，符合腐熟堆肥pH值在8.0 9.0

[2]

的标准。

a b

图3(a) 不同配比的牛粪与玉米秸秆对堆体pH值的影响

Fig.3(a) Effect of different ratios of dairy manure and corn stalk for composting pH

图4(b) 不同配比的牛粪与玉米秸秆对堆体TDS值的影响

Fig.4(b) Effect of different ratios of dairy manure and corn stalk for composting TDS

2.4 不同配比的牛粪与玉米秸秆对堆体TDS值的影响

TDS值既总固体溶解量，其单位是ppm(mg/L)和ppt(g/L)。电导率和TDS值的关系近似表示为：1.4 s cm-1=1ppm或2 s cm-1=1ppm。TDS值与电导率之间不存在线性关系，实际测量统计表明，他们之间数值上约为倍数。通过测定TDS值可间接反映出电导率的变化趋势。

从图4可以看出，各处理组的TDS值总趋势在上升。处理1、处理3和CK的TDS值变化幅度平稳且数值也较低，处理2的TDS值变化幅度大且数值也较大，处理4、处理5和处理6在前28d变化幅度较小且数值较低，在28d后其变化幅度增大且数值升高。堆肥结束时，处理1、处理3和CK的TDS值相对低得多，分别为507 ppm、614 ppm和449 ppm；处理2的TDS值最高，为3703 ppm，是对照的8.25倍，远大于对照；其次为处理4和处理5，分别为2617ppm和2253ppm，分别是对照的5.83倍和5.02倍；处理6的TDS值为1275ppm，是对照的2.84倍。

2.5 不同配比的牛粪与玉米秸秆对堆体全碳含量的影响

碳是提供能源和组成微生物细胞的主要物质。图5是堆肥过程中各处理组的全碳含量的变化情况。由图可以看出，随着堆肥的进行，所有处理的全碳含量均不断下降。各处理中，下降幅度最大的是处理6，下降幅度最小的是处理2，与堆肥初始全碳含量相比，分别下降了9.23%和6.59%；其余处理的下降幅度均在6.59%~9.23%之间。

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a b

图5(a) 不同配比的牛粪与玉米秸秆对堆体全碳含量的影响

Fig.5(a) Effect of different ratios of dairy manure and corn stalk for composting total carbon

图6(b) 不同配比的牛粪与玉米秸秆对堆体全氮含量的影响

Fig.6(b) Effect of different ratios of dairy manure and corn stalk for composting total nitrogen

2.6 不同配比的牛粪与玉米秸秆对堆体全氮含量的影响

氮是构成蛋白质、核酸、氨基酸、酶等细胞生长必需物质的重要元素。图6是堆肥过程中各处理组的全氮含量的变化情况。由图可知，所有处理的全氮含量总体上都呈现逐渐上升的趋势。各处理中，上升幅度最大的是处理2，其次是处理6，上升幅度最小的是处理1，与堆肥初始全氮含量相比，分别上升了1.07 、1.01 和0.67 ；其余处理的上升幅度均在0.67 1.01 之间。而有些处理在堆肥初期时有下降现象，可能是因为随着有机质不断降解，一部分有机氮分解形成铵态氮或硝态氮等无机氮形式，其中的铵态氮进一步分解，释放出具有挥发性的氨气，流失至空气中造成堆肥氮素的损失。

2.7 不同配比的牛粪与玉米秸秆对堆体种子发芽指数(GI)的影响

种子发芽指数(GI)是判断堆肥的植物毒性和腐熟度的重要参数之一[9]。未腐熟的堆肥含有毒性物质，对植物的生长产生抑制作用，因此，国内外学者多认为植物种子发芽指数的变化体现了堆肥毒性的发展趋势。

由图7可以看出，随着堆肥的进行，各处理组的GI值总体呈现上升趋势。至堆肥结束时，各处理GI值均达到50 以上，而GI值达到80 是处理2、处理4、处理5和处理6。其中以处理6的GI值最高，为88.95 ，较对照高出23.33 ；处理5次之，为85.64 ，较对照高出20.02 ；而对照的GI值最低，仅为65.62 ；处理2和处理4分别为80.32 和83.57 ，分别比对照高出14.7 和17.95 。

9085807570656055504540

7

14

21时间(d)time

28

35

42

49

处理4

处理5

处理6

CK

发芽指数（%）germination index

图7 不同配比的牛粪与玉米秸秆对堆体发芽指数的影响

Fig.7 Effect of different ratios of dairy manure and corn stalk for germination index

3 讨论

近年来，由于农业与畜牧业的大力发展产生大量的农业废弃物，如秸秆和粪便却因焚烧和任意堆放而污染环境，而通过堆肥实现有机废物的还田无疑是解决这一问题的最好途径。

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通过对堆体体积变化的测定，表明：在堆肥过程中，纤维素降解菌剂起了加速降解的作用，与未添加纤维素降解菌剂的处理相比，其降解量始终大于未添加菌剂的处理；而牛粪与玉米秸秆以3:7比例混合的处理降解量最大，纯牛粪降解量最小。

温度是堆肥能否顺利进行的重要因素。根据堆肥的过程，堆肥可分为三个时期:升温期、高温期和降温期。其中，高温期是堆肥过程中最重要的环节。在此阶段有机质迅速分解并开始转化为腐殖质，随后进入降温期并逐渐趋于稳定，堆肥开始腐熟。堆体温度在55℃条件下保持3d以上（或50℃以上保持5 7d），是杀灭堆料中所含的致病微生物和虫卵、保证堆肥的卫生指标合格和堆肥腐熟的重要条件[10]。一般好气微生物发酵最适宜的温度是40 50℃，可以认为温度低于40℃后，主要发酵过程已经完成，保证了堆肥的卫生学指标和堆肥腐熟的条件[2]。本试验研究表明，牛粪与玉米秸秆以3:7配比的处理为宜，2d达到55℃，高温维持时间为16d，第30d降温至40℃以下，升温快，高温期长，腐熟时间缩短，可满足快速堆肥化的要求。纯牛粪虽高温期长，但其升温慢，降温至40℃以下所需时间长；纯玉米秸秆虽升温快，降温至40℃以下所需时间短，但其高温期短，两者均难以达到快速腐熟的目的。

pH值的大小对微生物的生长有重要影响，pH值过高或过低都影响微生物的活性，适宜的pH值不但可使微生物有效地发挥作用，还可显著提高堆肥初期的反应速度。一般认为，pH值在8左右堆肥可获得最大效率，此范围内可显著提高初期的反应速度，缩短堆肥达到高温所需求的时间，亦可避免由堆肥反应延缓所造成的臭味问题[11]。李艳霞提出pH值可以作为评价堆肥腐熟度的一个指标，并认为腐熟堆肥

[2]

一般呈弱碱性，pH值在8.0 9.0之间。本试验中，所有处理终点pH值均在8.1到8.6之间，符合腐熟标准。

堆肥中的可溶性盐是对作物产生毒害作用的重要因素之一，主要是由有机酸盐类和无机盐等组成，而电导率(EC)反映了堆肥浸提液的离子总浓度，即可溶性盐的含量。Chong等指出，适合作物健康生长的基质EC值为0.6 2.0ms cm，当EC值大于3.5ms cm时对作物生长将产生阻碍

-1

-1

[12]

。本试验通过测定TDS

-1

值反映出EC值大小，至堆肥结束时，纯牛粪的TDS值为3703 ppm，换算EC值为7.4ms·cm，EC值偏高；

-1

纯玉米秸秆的TDS值在449 614 ppm之间，换算EC值为0.9 1.2 ms·cm之间，牛粪与玉米秸秆以3:7配比的处理，其TDS值为1275ppm，换算EC值为2.55ms·cm-1，符合前人研究结果。 在堆肥过程中，堆肥微生物不断以碳源物质为能源，利用堆料中的各种养分合成自身所需物质，将有机物分解并以CO2的形式损失，因此全碳含量不断下降；而氮或以氨气的形式散失，或变为硝酸盐和亚硝酸盐，或是由生物体同化吸收，总氮在堆肥过程中的变化总体呈现为上升的趋势，随着温度的下降，NH3的挥发损失减少，而微生物的分解使有机碳的数量减少引起的浓缩效应增加，从而使总氮的含量增加[13、14]。本实验中，所有处理的全碳含量均不断下降，下降幅度均在6.59%~9.23%之间；而全氮含量总体上都呈现逐渐上升的趋势，上升幅度均在0.67 1.01 之间。

种子发芽指数(GI)是检验堆肥腐熟度的一种非常直接和有效的方法[15]。Zucconi[16]等提出用水堇种子发芽指数生物学试验来评价堆肥毒性作用，如果GI值>50 ，则可认为堆肥基本腐熟，当GI值达到80 ～85 时，堆肥就可以认为已经完全腐熟，对植物没有毒性。本试验中，处理2、处理4、处理5和处理6的GI值均达到80 以上，说明堆体已腐熟，对植物不产生毒害作用；而处理1、处理3和对照的GI值未达到80 ，会对植物有一定毒害作用；处理1、处理2和处理3在堆肥第7天GI值都略有降低，这可能是因为在升温期，细菌和真菌消化有机物而产生小分子的有机酸或NH4十的产生，抑制了种子发芽，随着堆肥的进行，由于有机酸的分解或NH3的挥发，种子发芽指数又逐渐升高。由此可以看出，纯玉米秸秆堆体GI值难以达到腐熟标准。

单一的秸秆和粪便堆肥时间长、效果差，难以满足卫生要求。其主要原因是秸秆的碳氮比偏高，而粪便的碳氮比又偏低。当碳氮比过高，则在堆肥施入土壤后，将会发生夺取土壤中氮素的现象，产生“氮饥饿”状态，导致对作物生长产生不良影响

[17]

。若碳氮比过低，微生物的繁殖会因能量不足而受到抑

制，导致分解缓慢且不彻底。Pioncelot提出堆肥的初始碳氮比定为30:l是比较理想的，而黄国锋提出堆肥起始的碳氮比在25~30为堆肥的最佳条件[18]。因此，通过牛粪和玉米秸秆混合堆肥不仅可以满足微生物对碳氮比的要求，也能够解决畜牧业固体废弃物环境污染问题。

本试验研究结果表明：纯牛粪与纯玉米秸秆均难以达到腐熟标准，综合来看，两者混合处理的效果

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明显优于单一处理，而不同配比中，以牛粪与玉米秸秆3:7配比最佳，与李玉红研究得出4:6的结果近似[19]

。因此，建议以后在生产实践中使用此配方。

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