玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥技术研究
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摘要：为探明玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥发酵的最佳技术参数，选用玉米秸秆与鸡粪为材料，以C/N、发酵菌剂和含水量3因素进行正交试验。结果表明，最优组合是C/N为（25～35）∶1，添加VT-1000发酵菌剂，含水量为40%～55%；在该组合下，玉米秸秆与鸡粪袋装进行堆肥发酵的效果最佳。虽然堆肥发酵结束后的有机质含量略有下降，但全磷和全钾含量均有所增加，堆肥毒性降低，且达到了堆肥腐熟度的要求。采用袋装堆肥技术能有效地对玉米秸秆与鸡粪等废弃物进行无害化处理，可实现废弃物的资源化利用。
关键词：玉米秸秆；鸡粪；发酵菌剂；袋装堆肥
中图分类号：S141.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）13-3041-05
我国是传统的农业大国，也是世界上农业废弃物产出量最大的国家。据不完全统计，全世界每年可产近20亿t的农作物秸秆，我国约产6亿～7亿t，列世界之首，并以玉米、小麦和稻谷秸秆为主，约占总秸秆产量的80%[1]。随着畜牧养殖业的规模化和集约化发展，鸡粪等畜禽粪便产量已近30亿t[2]。堆肥发酵是资源化和无害化利用农业废弃物的有效途径之一。黄国峰等[3]、陈志宇等[4]研究认为，堆肥发酵主要受堆料方式、温度、物料pH、含水量及C/N等因素的影响，而堆肥成功的关键在于使微生物正常繁衍。要保证微生物旺盛生长和优势菌种的合理更替，则必须对环境因子进行适当调整以提高堆肥发酵效率。目前堆肥发酵方式主要有直接条垛发酵、袋装发酵、桶装发酵等方法，条垛式发酵方式的研究已较多，近年袋式发酵越来越受到人们的关注。文国来等[5]、潘飞等[6]和黄燕翔等[7]分别以10 d高温发酵堆肥后转入袋装继续发酵和直接袋装发酵两种方式对堆肥发酵效果进行研究，结果表明两种方式发酵的堆肥均能达到无害化要求，都是废弃物处理的有效方法，但这些研究都未对袋装堆肥的相关技术参数进行筛选，也没有对农业废弃物玉米秸秆和鸡粪进行混合袋装堆肥研究。为此，笔者以玉米秸秆和鸡粪为材料，采用袋装堆肥发酵方法，选取C/N、发酵菌剂和含水量3因素进行正交试验，以期筛选适宜袋装堆肥发酵的技术参数，建立玉米秸秆与鸡粪混合袋装堆肥发酵方法，满足千家万户小规模堆肥需要。
1 材料与方法
1.1 材料
供试玉米秸秆、鸡粪及尿素均购自贵州省农业科学院周边地区，VT-1000菌剂购于北京沃土天地生物科技有限公司，Bio高温快速发酵腐熟菌种购于江苏新天地生物肥料工程中心有限公司。玉米秸秆预先晒干、粉碎，鸡粪预先晒干备用。各堆制材料的基本性状见表1。
1.2 方法
1.2.1 发酵料的配制及堆制方法 为了解不同环境因子对玉米秸秆和鸡粪袋装堆肥发酵过程的影响，以C/N（A）、发酵菌剂（B）和含水量（D）3因素进行L9（34）正交试验（表2），共9个处理，3次重复。试验过程中的C/N用尿素进行调节，发酵菌剂添加量为0.3%，C为空白列。待堆肥物料混合均匀后，将其装入塑料编织袋压实封口，每处理的3个重复叠放一起，发酵50 d。试验于2011年3～5月在贵州省农业科学院内进行。
1.2.2 温度测定及样品采集 每天上午9∶00用数显温度计按5点法测定每个发酵袋温度，取其平均值为每处理当日的温度。堆制开始时和结束后，每处理按5点法等量取堆料200 g左右，3重复共取样约600 g。将各样品平分为3份，第1份带回实验室立即进行水分和毒性测定，第2份放于40 ℃恒温烘箱中烘干后粉碎过筛分析有效成分含量，第3份保存于4 ℃冰箱中备用。
1.2.3 堆肥成分测定 总有机碳采用重铬酸钾氧化法，全氮采用凯氏定氮法，全钾采用火焰光度计法，全磷采用钼锑抗比色法，有机质含量用含碳量进行换算[8]。
1.2.4 堆肥毒性检测 将样品与蒸馏水按1∶10的比例制备水浸提液，选用大白菜种子作为毒性检验材料。在直径为90 mm的培养皿内放一张滤纸，加入5 mL堆肥浸提液，然后放入20粒种子（摆放均匀，便于观察），同时以清水作对照，每处理3次重复，置于21 ℃恒温培养箱中培养72 h，观察记录各培养皿中发芽的种子数，并计算种子发芽势。
种子发芽势=规定天数发芽的种子数/供试种子数×100%。
1.2.5 数据统计与分析 采用Excel进行试验数据统计，正交设计软件进行极差分析，并利用多目标综合平衡法[9]进行综合分析。
2 结果与分析
2.1 堆肥发酵过程中的温度变化特点
试验于2011年3月20日混料装袋，3月23日开始测温，5月13日堆肥完成。堆肥过程中，温度随时间的变化趋势见图1。玉米秸秆与鸡粪混合堆肥过程中，料堆温度均高于环境温度，所有处理都未达到好氧发酵所需高温（50 ℃以上）及持续时间，料堆温度上升速度均偏慢，处理YJJ 6和YJJ 7均于堆肥第11天达到40 ℃，但YJJ7持续时间较短，而YJJ6维持了20 d左右。因此，在堆肥发酵温度上，以处理6，即A2B3D2为堆肥发酵的最优组合。
2.2 堆肥配方的筛选
2.2.1 堆肥的感官指标评价 从表3可知，玉米秸秆与鸡粪经过50 d堆肥处理后，颜色、气味因试验处理不同而存在差异。堆肥颜色大部分转变为黑褐色，部分为棕色；氨味和粪臭均有所减弱，有的已完全消失。其中YJJ2（A1B2D2）为颜色和气味达到堆肥相关要求的最佳配方；处理YJJ6在感官质量方面相对较差，氨味和粪臭味还较重（图2）。
2.2.2 C/N变化 在整个堆肥过程中，全碳含量下降幅度较大，全氮含量有所增加，最终使得C/N下降。Golueke[10]指出腐熟的堆肥C/N值小于20，但由于不同物料的初始和终点C/N值的差异很大，而且许多堆肥原料的C/N值较低，从而影响了这一参数的广泛应用。Morel等[11]认为C/N小于20只是堆肥腐熟的必要条件，建议采用T=（终点C/N）/（初始C/N）来评价腐熟度，并提出当C/N小于0.6时堆肥达到腐熟。也有人认为腐熟的堆肥C/N应在0.53～0.72或0.49～0.59[12，13]。从表3中可以看出，当玉米秸秆与鸡粪完成50 d袋装堆肥过程后，除YJJ 6 C/N高于0.72外，其余试验处理的C/N均在0.72以下，达到堆肥腐熟要求。本研究C/N以0.49～0.59作为检验堆肥达到腐熟度的标准，可知处理3、7和9的腐熟度最好，即最佳配方为A1B3D3、A3B1D2或A3B3D1。
2.2.3 有机质变化 在玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥过程中，微生物的活动会大量消耗有机质等营养元素，有机质以CO2的形式挥发，有机质含量呈下降趋势。对试验结果分别进行极差分析，结果见表4。
由表4进行直观分析，玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥有机质下降率极差的大小顺序为：RA>RB>RD，得出影响其有机质下降率的因素主次顺序为C/N、发酵菌剂、含水量，各因素最优水平为A2，B2，D3，即C/N（25～35）∶1，添加VT-1000菌剂，含水量为55%～65%。对试验结果进行方差分析（表5）可知，玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥时，C/N对有机质下降率的影响最大，C/N、发酵菌剂和含水量均达到了极显著水平，各因素影响显著性依次为C/N，含水量，发酵菌剂。方差分析与直观分析的结果一致。
结合表4和表5，玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥时，有机质下降率最低的环境因子为A2B2D3，即最优组合为：C/N（25～35）∶1，VT-1000菌剂，含水量55%～65%。由于试验组中无此组合，故以此配方进行了验证试验，结果与方差分析结果一致。
2.2.4 全磷和全钾变化 由表3可以看出，玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥后，全磷和全钾的含量都呈上升趋势。试验中玉米秸秆与鸡粪堆肥时，其全钾最大增长率为186.0%；全磷最大增长率为535.0%。极差分析结果（表4）可知玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥全磷增长率极差的大小顺序为：RA>RB>RD，得出影响其全磷增长率的因素主次顺序为C/N、发酵菌剂、含水量，各因素最优水平为A1，B1，D1，即C/N为（20～25）∶1，不加发酵菌剂，含水量为30%～40%；全钾增长率极差的大小顺序为：RA>RD>RB，得出影响其全钾增长率的因素主次顺序为C/N、含水量、发酵菌剂，各因素最优水平为A1，B1，D2，即C/N （20～25）∶1，不加发酵菌剂，含水量为40%～55%。
方差分析（表5）可知，玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥时，C/N对全磷增长率的影响最大，C/N和发酵菌剂均达到了极显著水平，含水量作用不显著，各因素影响显著性依次为C/N、发酵菌剂、含水量；C/N对全钾增长率的影响最大，C/N、发酵菌剂、含水量均达到了极显著水平，各因素影响显著性依次为C/N、含水量、菌剂。综合极差与方差分析，玉米秸秆与畜禽粪便袋装堆肥过程中，各因素对全磷、全钾含量变化的影响显著性均依次为C/N、发酵菌剂、含水量。
2.2.5 堆肥产物毒性 有研究表明，植物种子发芽指数（GI）的变化体现了堆肥毒性的发展趋势[14]。Zucconi等[15]认为，当GI>50%时，堆肥对植物已基本没有毒性，堆肥已基本成熟；而当GI>80%时，可认为堆肥已经腐熟了。从表3中可以看出，玉米秸秆与鸡粪堆肥结束后，对各试验处理的浸提液进行大白菜种子发芽试验，其种子发芽势均高于或等于90%，达到了腐熟要求。
极差分析结果（表4）可知玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥种子发芽势极差的大小顺序为：RA=RB=RD，即3个因素对种子发芽势影响力相当，各因素最优水平为A2，B2，D1，即C/N（25～35）∶1，添加VT-1000菌剂，含水量为30%～40%。方差分析（表5）可知，玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥时，C/N、发酵菌剂和含水量对种子发芽势的影响均等。方差分析与直观分析的结果一致。综合极差与方差分析玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥时，经历相同时间（50 d）的堆料发酵，其堆肥毒性均达到了堆肥腐熟度的要求，组合A2B2D1为最优，即试验处理YJJ 5为最佳处理（图3）。
2.2.6 综合平衡法确定最优发酵配方 从因素影响趋势及因素主次关系（表6）可知，玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥发酵时，因素A对有机质下降率、全磷增长率、全钾增长率及种子发芽势的影响均最大，应首先进行分析；因素B对有机质下降率和种子发芽势的影响次于A，综合分析各因素对发酵效果的影响顺序为A、B、D。按照综合平衡法分析的原则得出，最优水平组合为A2B2D2，即C/N为（25～35）∶1，添加VT-1000发酵菌剂，含水量为40%～55%。
由上可知，微生物发酵菌剂有加速玉米秸秆与鸡粪袋装堆料发酵的作用，且添加菌剂的堆肥品质明显优于不添加菌剂发酵的堆肥。其中VT-1000菌剂对玉米秸秆与鸡粪袋装堆料发酵的效果较优。
3 小结与讨论
3.1 讨论
本研究整个堆肥过程中的堆体温度均高于环境温度，但可能受外界低温的影响，堆温未达到高温好氧发酵所要求的温度，仅随环境温度的变化而波动。玉米秸秆粉碎后呈长丝状或粉末，与鸡粪混匀后粘附性强，透气性弱，不易交换空气中的氧气；同时袋装发酵时，在堆肥过程中未进行翻堆处理，导致透气性不佳，这些因素可能引起部分厌氧发酵，从而影响温度的上升。同时袋装堆肥使用的原料少，易导致微生物活动产生的热量少，不同点的温度差异大，四周温度明显低于中心点温度。其具体温度变化过程及机理有待深入研究。
玉米秸秆与鸡粪经过50 d袋装堆肥处理后，堆肥颜色大部分转变为黑褐色，部分为棕色；氨味和粪臭味均有所减弱，有的已完全消失。部分处理在感官质量方面相对较差，氨味和粪臭味还较重，这可能是因为堆肥过程中存在部分厌氧发酵而产生恶臭物质，由于未进行翻堆，臭气不易排出而导致氨味和粪臭味的积累和沉淀。部分试验处理的C/N未达到腐熟标准，可能是由于堆肥过程中氮素损失较多而引起C/N偏高，影响堆肥效果。
本试验采用直接袋装堆肥，简单经济、占地面积少，并且堆肥产物能达到堆肥腐熟度的要求。与传统堆肥相比，本研究实现了堆肥化处理的小规模应用，适合处理少量废弃物发酵，为农户处理自家的玉米秸秆和鸡粪提供了一定的理论依据。
3.2 小结
玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥时，经历相同时间（50 d）的堆料发酵，其堆肥毒性均达到了堆肥腐熟度的要求。玉米秸秆与鸡粪堆肥时，初始C/N对堆肥过程的顺利进行影响最大；其次为微生物发酵菌剂，堆肥物料中添加微生物发酵菌剂对堆肥过程有良好的促进作用。C/N为（25～35）∶1，VT-1000为发酵菌剂和含水量40%～55%为玉米秸秆与鸡粪袋装堆肥的优势组合。
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