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低蛋白饲喂技术对猪粪好氧堆肥腐熟度的影响

徐张义 赵帅翔 马东立 张卫峰

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低蛋白饲喂技术对猪粪好氧堆肥腐熟度的影响

    作者简介: 徐张义 E-mail:1293026311@qq.com;
    通讯作者: 张卫峰, E-mail:wfzhang@126.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2016YFD0201303);作物专用肥料与精准施肥技术研究(201805510310801)。

Effect of low protein feeding technology on maturity of the pig manure composting

    Corresponding author: ZHANG Wei-feng, E-mail:wfzhang@126.com
  • 摘要:   【目的】  猪粪由于产生量大、碳氮比低和水分含量高等原因储存处理难度较大,好氧堆肥处理猪粪因原料所提供微生物活动环境较差,导致堆肥效率低下。低蛋白饲喂技术在不影响猪生长发育的同时降低了饲料中的氮投入,可以显著改变猪粪的养分组成。本研究通过多种有机肥腐熟指标判定,分析低蛋白含量日粮饲喂的猪粪通过不同堆肥方式,是否可以快速有效达到腐熟,符合安全施用标准。  【方法】  动物试验选取初始体重为50 kg的去势公猪72头,分高、低蛋白两个处理,每个处理6个重复,每个重复6头猪。试验饲料均适应喂养7天后,开始收集粪便,收粪期为60天。堆肥试验共设4个处理,分别是高蛋白饲喂静态堆肥 (MH)、低蛋白饲喂静态堆肥 (ML)、高蛋白饲喂好氧堆肥 (CH)、低蛋白饲喂好氧堆肥 (CL),堆肥周期为14天。监测了堆肥过程中堆体温度和碳、氮含量等指标,并测定堆肥产品的种子发芽指数 (GI)。  【结果】  以堆肥高温持续时间、NH4+-N含量、T值 (堆肥结束C/N与堆肥初始C/N的比值) 和GI (种子发芽指数) 四项为腐熟判断指标,在14天堆肥周期内,高蛋白饲喂产生的猪粪在静态堆肥情况下 (MH),高温持续时间为0天,NH4+-N含量为0.43 g/kg、T值为0.91、GI指数为0%,未能满足腐熟标准;在好氧堆肥条件下 (CH),高蛋白饲喂产生的猪粪堆肥高温持续时间为0 d,NH4+-N含量为0.54 g/kg、T值为0.81、GI指数为25.41%,均未能满足腐熟标准;低蛋白饲喂产生的猪粪,在静态堆肥中 (ML) 高温持续时间为5 天,NH4+-N含量为0.33 g/kg、T值为0.70、GI指数为31.21%,T值与GI值未能满足腐熟标准,而在好氧堆肥 (CL) 中,高温持续时间为7天,NH4+-N含量0.14 g/kg、T值为0.57、GI指数为95.63%,均满足腐熟标准。  【结论】  高蛋白饲养产生的猪粪在静态和好样发酵条件下堆放14天,都不能完全腐熟。低蛋白饲喂产生的猪粪在静态堆放添加下,14天也不能达到腐熟标准。而低蛋白饲养产生的猪粪在好样条件下,可以在14天达到腐熟,因为低蛋白饲喂技术提高了约15%猪粪碳氮比,延长了40%的高温发酵时长,极大促进了猪粪短时间内的腐熟程度。因此,在循环农业中,通过上游低蛋白饲喂技术可促进下游猪粪的快速处理和循环利用。
  • 图 1  饲喂-堆肥试验流程

    Figure 1.  Feeding-composting test process

    图 2  堆肥过程中温度的变化

    Figure 2.  Change of temperature during composting

    图 3  堆肥过程中pH值的变化

    Figure 3.  Change of pH value during composting

    图 4  堆肥过程中全氮含量的变化

    Figure 4.  Change of total nitrogen content during composting

    图 5  堆肥过程中铵态氮含量变化

    Figure 5.  Change of NH4+-N content during composting

    图 6  堆肥过程中硝态氮含量变化

    Figure 6.  Change of NO3-N content during composting

    图 7  堆肥过程中碳氮比的变化

    Figure 7.  Change of C/N radio during composting

    图 8  不同堆肥处理发芽指数

    Figure 8.  The GI of different compost treatments

    表 1  日粮组成 (%,饲喂基础)

    Table 1.  Dietary composition(%,as-fed basis)

    成分
    Component
    高蛋白配方
    High protein formula
    低蛋白配方
    Low protein formula
    玉米Corn68.0081.85
    豆粕Soybean meal16.803.85
    麦麸Wheat bran12.0010.00
    磷酸氢钙CaH2PO40.901.20
    石粉Stone powder0.900.80
    三氧化二铬Cr2O30.300.30
    食盐Salt0.300.30
    赖氨酸L-Lysine·HCl0.300.75
    苏氨酸Threonine0.25
    色氨酸Tryptophan0.10
    蛋氨酸Methionine0.10
    预混料Premix0.500.50
    总计Total100100
    注(Note):每千克全价饲粮含有:维生素 A 5512 IU; 维生素 D3 2200 IU; 维生素 E 30 IU; 维生素 K3 2.2 mg; 维生素 B12 27.6 μg; 维生素 B2 4.0 mg; 泛酸 14.0 mg; 烟酸 30.0 mg; 胆碱 400.0 mg; 叶酸 0.7 mg; 硫胺素 1.5 mg; 维生素 B6 3.0 mg; 生物素 44.0 μg; 锰 40.0 mg; 铁 75.0 mg; 锌 75.0 mg; 铜 100.0 mg; 碘 0.3 mg; 硒 0.3 mg。Per kg complex feed containing: Vitamin A 5512 IU; Vitamin D3, 2200 IU; Vitamin E 30 IU; Vitamin K3 2.2 mg; VB12 27.6 μg; VB2 4.0 mg; pantothenic acid 14.0 mg; Niacine 30.0 mg; Choline 400.0 mg; folvite 0.7 mg; Thiamine 1.5 mg; VB6 3.0 mg; Biotin 44.0 μg; Mn 40.0 mg; Fe 75.0 mg; Zn 75.0 mg; Cu 100.0 mg; I 0.3 mg; Se 0.3 mg.
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    表 2  堆肥原料主要理化性质

    Table 2.  Physical and chemical properties of composting raw materials

    原材料
    Raw material
    含水率 (%)
    Moisture
    pH总有机碳 (g/kg)
    TOC
    总氮(g/kg)
    Total N
    总磷(g/kg)
    Total P
    碳氮比
    C/N
    高蛋白饲喂猪粪High protein pig manure84.248.96403.5931.9817.0112.62
    低蛋白饲喂猪粪Low protein pig manure74.639.36331.0421.8816.8315.13
    木炭渣Charcoal0.127.78528.192.620.05201.60
    蛭石Vermiculite0.007.220.150.000.00
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    表 3  不同堆肥处理因素设计

    Table 3.  Experimental design for different treatments

    处理
    Treatment
    原材料 (kg)
    Raw material
    (鲜猪粪Fresh swine manure)
    添加剂占鲜猪粪质量百分比 (%)
    Percentage of additives to fresh swine manure
    翻堆频率 (d)
    Turning frequency
    初始物料碳氮比
    Initial C/N
    VT菌剂
    VT microbes
    木炭渣
    Charcoal
    蛭石
    Zeolite
    MH475000012.62
    ML475000015.13
    CH475125220.23
    CL475125223.08
    注(Note):MH—高蛋白饲喂静态堆肥 High protein feeding static compost; ML—低蛋白饲喂静态堆肥 Low protein feeding static compost; CH—高蛋白饲喂好氧堆肥 High protein feeding aerobic compost; CL—低蛋白饲喂好氧堆肥 Low protein feeding aerobic compost.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-28

低蛋白饲喂技术对猪粪好氧堆肥腐熟度的影响

    作者简介:徐张义 E-mail:1293026311@qq.com
    通讯作者: 张卫峰, wfzhang@126.com
  • 1. 中国农业大学资源与环境学院,北京 100193
  • 2. 2中国农业大学动物科技学院,北京 100193
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2016YFD0201303);作物专用肥料与精准施肥技术研究(201805510310801)。
  • 摘要:   【目的】  猪粪由于产生量大、碳氮比低和水分含量高等原因储存处理难度较大,好氧堆肥处理猪粪因原料所提供微生物活动环境较差,导致堆肥效率低下。低蛋白饲喂技术在不影响猪生长发育的同时降低了饲料中的氮投入,可以显著改变猪粪的养分组成。本研究通过多种有机肥腐熟指标判定,分析低蛋白含量日粮饲喂的猪粪通过不同堆肥方式,是否可以快速有效达到腐熟,符合安全施用标准。  【方法】  动物试验选取初始体重为50 kg的去势公猪72头,分高、低蛋白两个处理,每个处理6个重复,每个重复6头猪。试验饲料均适应喂养7天后,开始收集粪便,收粪期为60天。堆肥试验共设4个处理,分别是高蛋白饲喂静态堆肥 (MH)、低蛋白饲喂静态堆肥 (ML)、高蛋白饲喂好氧堆肥 (CH)、低蛋白饲喂好氧堆肥 (CL),堆肥周期为14天。监测了堆肥过程中堆体温度和碳、氮含量等指标,并测定堆肥产品的种子发芽指数 (GI)。  【结果】  以堆肥高温持续时间、NH4+-N含量、T值 (堆肥结束C/N与堆肥初始C/N的比值) 和GI (种子发芽指数) 四项为腐熟判断指标,在14天堆肥周期内,高蛋白饲喂产生的猪粪在静态堆肥情况下 (MH),高温持续时间为0天,NH4+-N含量为0.43 g/kg、T值为0.91、GI指数为0%,未能满足腐熟标准;在好氧堆肥条件下 (CH),高蛋白饲喂产生的猪粪堆肥高温持续时间为0 d,NH4+-N含量为0.54 g/kg、T值为0.81、GI指数为25.41%,均未能满足腐熟标准;低蛋白饲喂产生的猪粪,在静态堆肥中 (ML) 高温持续时间为5 天,NH4+-N含量为0.33 g/kg、T值为0.70、GI指数为31.21%,T值与GI值未能满足腐熟标准,而在好氧堆肥 (CL) 中,高温持续时间为7天,NH4+-N含量0.14 g/kg、T值为0.57、GI指数为95.63%,均满足腐熟标准。  【结论】  高蛋白饲养产生的猪粪在静态和好样发酵条件下堆放14天,都不能完全腐熟。低蛋白饲喂产生的猪粪在静态堆放添加下,14天也不能达到腐熟标准。而低蛋白饲养产生的猪粪在好样条件下,可以在14天达到腐熟,因为低蛋白饲喂技术提高了约15%猪粪碳氮比,延长了40%的高温发酵时长,极大促进了猪粪短时间内的腐熟程度。因此,在循环农业中,通过上游低蛋白饲喂技术可促进下游猪粪的快速处理和循环利用。

    English Abstract

    • 近年来,我国养殖产业快速发展,但粪便管理未能跟上带来严重环境问题。据报道,目前我国每年畜禽粪污产生量约38亿吨,其中40%未得到有效处理与利用[1]。大量粪污直接排放不仅污染大气、土壤和水源,还造成病菌的传播,对人畜健康造成威胁,严重制约了我国养殖产业的绿色发展[2]。尤其作为养猪大国,我国猪粪年生产量约占畜禽粪尿产生量的20.10%[3]。由于猪粪产生量大、碳氮比低和水分含量高等原因,猪粪的处理难度最大。畜禽粪尿是优良的肥料,在化肥零增长的背景下,畜禽粪尿作为有机肥还田具有重大意义。通过肥料化处理猪粪是养殖业可持续发展的重要议题,将猪粪加工为高质量的有机肥还田,也是种植业可持续发展的重大需求。

      好氧堆肥是处理养殖粪污的重要途径之一,可实现粪污的无害化、资源化和减量化,也作为高质量有机肥提高土壤质量,有利于循环农业的实现[4]。从本质上说,好氧堆肥是有氧条件下微生物 (细菌、真菌和放线菌) 降解转化有机物的生物化学过程,受温度、水分、碳氮 (C/N) 比、pH值等多种因素综合影响[5]。但通常情况下,因为没能为堆肥微生物提供良好的活动条件,常常导致堆肥效率低、氮素损失严重,影响堆肥质量与产业效益。为此,目前许多研究已集中到堆肥效率提升和氮素损失控制两方面。例如,罗一鸣等[6]在研究猪粪堆肥时发现添加0.2%的VT菌剂可有效促进堆肥前中期反应,加快有机物料分解和水分散失速率,与未添加处理相比,堆肥过程有效积温提高12%,水分散失速率提高46%。李荣华等[7-8]通过添加粉煤灰和木炭渣来调节堆体C/N,可显著提高猪粪堆肥微生物活性,促进堆肥快速腐熟。He等[9]在厨余垃圾堆肥过程中添加10%蛭石,显著改良堆体结构、吸附铵态氮、并延长堆体高温反应时间,加快有机质分解,与未添加处理相比,氮素损失减排达26.4%。虽然,关于堆肥效率提升和氮素损失控制目前已有大量报道,但绝大多数聚焦在堆肥过程的调控环节中,很少关注上游饲喂环节改良对下游粪便堆肥效率的影响。

      养殖场上游饲喂调控会影响动物粪便原料的属性,进而影响堆肥效率。前人在保证生猪正常生长的前提下进行了大量试验研究,例如,岳隆耀等[10]在降低1%日粮蛋白基础上补充合理氨基酸,降低了8.4%的猪粪氮。鲁宁[11]通过调节可消化氨基酸和粗蛋白水平,使猪粪氮排泄量减少了46%。邓冲[12]在饲喂由赖氨酸和蛋氨酸配制的低蛋白质日粮后,猪粪氮磷含量分别减少了49%与23%,N/P降低了34.6%。Kerr等[13]通过降低2.5%的日粮蛋白提升了7%猪粪C/N。这些研究虽然证实了饲喂调控会导致粪便的性质变化,但很少与下游的粪便腐熟效率相关联。

      堆肥产品腐熟程度的评价涉及多方面指标,包括温度、NH4+-N含量、NH4+-N/NO3-N、T值 (堆肥结束C/N比/堆肥初始C/N比)、GI值等。例如,《粪便无害化卫生标准》规定[14],堆肥过程必须在55℃以上持续发酵时间大于3天或在50℃以上持续发酵时间达到5~7天,才能确保杀灭粪便中的致病菌和寄生虫卵,保证堆肥的卫生指标合格和腐熟。霍培书等[15]研究指出堆肥中的NH4+-N含量要低于0.4 g/kg才可满足腐熟要求。Bernal等[16]则认为只有NH4+-N/NO3-N的比值低于0.16时,才能认为堆肥已经完全腐熟,过高会导致堆肥速效氮含量降低。张鸣等[17]研究表明T值 < 0.6时可以认为堆肥已经腐熟。李季等[18]认为经堆肥处理的小白菜种子发芽指数达到80%时,堆肥可以认为达到腐熟。

      通过上游饲喂调控提高下游粪便堆肥效率,有利于减少堆肥前期准备强度 (例如高碳物料的添加)、降低处理成本。更重要的是,可将上游动物营养管理与下游粪便管理有机联系起来,充分发挥养殖场粪便全链条管理的协同效应。因此,本研究首先开展了不同蛋白水平的生猪饲喂试验,然后再分别以不同蛋白水平饲喂下的猪粪为原料,在工厂尺度上开展了好氧堆肥试验,以期为上游动物营养管理影响下游粪便堆肥效率提供科学依据。

      • 饲喂试验所用饲料购于北京同力兴科农业科技有限公司,堆肥试验猪粪源自饲喂试验收集,木炭渣取自该试验养殖基地,用于增加堆体孔隙度与调节物料碳氮比;蛭石购于乾鑫加工厂;微生物菌剂为VT菌剂,购于北京沃土天地生物科技有限公司。原材料的基本性状见表1

        表 1  日粮组成 (%,饲喂基础)

        Table 1.  Dietary composition(%,as-fed basis)

        成分
        Component
        高蛋白配方
        High protein formula
        低蛋白配方
        Low protein formula
        玉米Corn68.0081.85
        豆粕Soybean meal16.803.85
        麦麸Wheat bran12.0010.00
        磷酸氢钙CaH2PO40.901.20
        石粉Stone powder0.900.80
        三氧化二铬Cr2O30.300.30
        食盐Salt0.300.30
        赖氨酸L-Lysine·HCl0.300.75
        苏氨酸Threonine0.25
        色氨酸Tryptophan0.10
        蛋氨酸Methionine0.10
        预混料Premix0.500.50
        总计Total100100
        注(Note):每千克全价饲粮含有:维生素 A 5512 IU; 维生素 D3 2200 IU; 维生素 E 30 IU; 维生素 K3 2.2 mg; 维生素 B12 27.6 μg; 维生素 B2 4.0 mg; 泛酸 14.0 mg; 烟酸 30.0 mg; 胆碱 400.0 mg; 叶酸 0.7 mg; 硫胺素 1.5 mg; 维生素 B6 3.0 mg; 生物素 44.0 μg; 锰 40.0 mg; 铁 75.0 mg; 锌 75.0 mg; 铜 100.0 mg; 碘 0.3 mg; 硒 0.3 mg。Per kg complex feed containing: Vitamin A 5512 IU; Vitamin D3, 2200 IU; Vitamin E 30 IU; Vitamin K3 2.2 mg; VB12 27.6 μg; VB2 4.0 mg; pantothenic acid 14.0 mg; Niacine 30.0 mg; Choline 400.0 mg; folvite 0.7 mg; Thiamine 1.5 mg; VB6 3.0 mg; Biotin 44.0 μg; Mn 40.0 mg; Fe 75.0 mg; Zn 75.0 mg; Cu 100.0 mg; I 0.3 mg; Se 0.3 mg.
      • 试验时间为2017年4月17日至5月17日,试验地点为河北省丰宁县国家饲料工程技术研究中心动物试验丰宁基地 (E116.6°、N41.2°)。选取初始体重为50 kg的去势公猪72头,单笼饲养,分别放入不锈钢代谢笼,试验采用完全随机区组设计,包含2个不同处理,1个高蛋白组和1个低蛋白组,每个处理6个重复,每个重复6头猪。试验日粮均适应7天,然后开始收集粪便,收粪期为60 天。

      • 试验时间为2017年5月17日至6月2号,共14天。试验地点为河北省丰宁县国家饲料工程技术研究中心动物试验丰宁基地 (E116.6°、N41.2°)。试验在养殖基地的堆肥场地上进行,高蛋白饲喂为养殖基地普通饲料配方,低蛋白饲喂为前人研究所得减少蛋白投入的优化配方,配方蛋白含量分别为15.66%和11.66% (表1)。高蛋白饲喂和低蛋白饲喂产生的粪便分别在静态和好氧条件下堆肥,共形成4个处理,分别简称为高蛋白饲喂静态堆肥 (MH)、低蛋白饲喂静态堆肥 (ML)、高蛋白饲喂好氧堆肥 (CH)、低蛋白饲喂好氧堆肥 (CL)。各处理初始猪粪原料湿重质量均为475 kg,每个处理重复3次。静态堆肥模式无填充料、不添加菌剂、不翻抛。好氧堆肥添加1%VT菌剂、2%木炭渣和5%蛭石 (按物料鲜重计算)。翻堆频率为每2天1次。饲喂堆肥流程见图1,堆肥处理涉及的原料理化性状见表2,具体堆肥处理设计见表3

        图  1  饲喂-堆肥试验流程

        Figure 1.  Feeding-composting test process

        表 2  堆肥原料主要理化性质

        Table 2.  Physical and chemical properties of composting raw materials

        原材料
        Raw material
        含水率 (%)
        Moisture
        pH总有机碳 (g/kg)
        TOC
        总氮(g/kg)
        Total N
        总磷(g/kg)
        Total P
        碳氮比
        C/N
        高蛋白饲喂猪粪High protein pig manure84.248.96403.5931.9817.0112.62
        低蛋白饲喂猪粪Low protein pig manure74.639.36331.0421.8816.8315.13
        木炭渣Charcoal0.127.78528.192.620.05201.60
        蛭石Vermiculite0.007.220.150.000.00

        表 3  不同堆肥处理因素设计

        Table 3.  Experimental design for different treatments

        处理
        Treatment
        原材料 (kg)
        Raw material
        (鲜猪粪Fresh swine manure)
        添加剂占鲜猪粪质量百分比 (%)
        Percentage of additives to fresh swine manure
        翻堆频率 (d)
        Turning frequency
        初始物料碳氮比
        Initial C/N
        VT菌剂
        VT microbes
        木炭渣
        Charcoal
        蛭石
        Zeolite
        MH475000012.62
        ML475000015.13
        CH475125220.23
        CL475125223.08
        注(Note):MH—高蛋白饲喂静态堆肥 High protein feeding static compost; ML—低蛋白饲喂静态堆肥 Low protein feeding static compost; CH—高蛋白饲喂好氧堆肥 High protein feeding aerobic compost; CL—低蛋白饲喂好氧堆肥 Low protein feeding aerobic compost.
      • 每天上午9:00与下午15:00左右使用水银温度计多点测量距堆体表面40 cm处的温度和外界气温,每隔1天对好氧堆肥处理进行翻堆。分别于第1、3、5、7、10、12和15天进行采样,采用多点随机法在距堆体表面20、40、60 cm处均匀采集,充分混匀后采用四分法保留500 g,分为两份,一份鲜样200 g,存放于0~5℃冰箱中,用于测定含水率、pH、发芽指数 (Seed Germination Index,GI)、NH4+-N和NO3-N;另一份样品300 g,经过室温风干研磨过0.15孔径尼龙筛后,用于测定总有机碳 (Total organic carbon,TOC) 和总氮。发芽指数 (GI) 测定采用小白菜种子萌发法:新鲜堆肥样品与去离子水按 1∶10 (W/V) 比例混合,室温下振荡2 小时,上清液经滤纸过滤后备用。在干净无菌的培养皿中放入大小合适的滤纸,将10粒饱满的小白菜种子整齐摆放在滤纸上;准确吸取5 mL滤液于培养皿中,将培养皿放入培养箱中培养48 小时,培养条件为温度 25℃、黑暗条件,同时用去离子水做空白对照;培养完成后,测定种子的发芽率和根长。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。含水率测定采用鲜样105℃烘干失重法。pH值测定采用电极法:将新鲜样品与去离子水按 1∶10 (W∶V) 的比例混合,室温下用振荡器连续振荡混合液30 min,再静置30 min,将上清液过滤后分别用pH计测定上清液的pH值。铵态氮和硝态氮测定采用流动分析仪测定法:将新鲜样品与2 mol/L的KC1溶液按1∶10 (W∶V) 比例混合,在室温下用振荡器连续振荡30 min,静置30 min后,上清液经滤纸过滤后用流动分析仪测定硝态氮和铵态氮。总有机碳测定采用重铬酸钾氧化法 (外加热法),全氮测定采用H2SO4-HClO4消化凯氏定氮法。

      • 数据整理分析采用Microsoft Excel 2003和SPSS 22.0统计分析软件完成。

      • 堆肥过程中4个处理的温度变化如图2所示。MH处理 (高蛋白饲喂传统堆肥,下同) 和ML处理 (低蛋白饲喂传统堆肥,下同) 均未有显著升温过程,保持在15℃~30℃之间,不满足无害化处理要求,且两处理间的温度变化无显著差异 (P > 0.05);CH处理 (高蛋白饲喂好氧堆肥,下同) 和CL处理 (低蛋白饲喂好氧堆肥,下同) 有明显的升温过程,分别在第7天和5天到达高温期 (50℃以上),维持时间分别为5天和7天,堆肥最高温度分别为63.7℃和62.3℃,达到无害化处理要求。在CL和CH两处理中,CL处理比CH处理温度变化更剧烈,提前2天到达高温期,且持续时间更长。

        图  2  堆肥过程中温度的变化

        Figure 2.  Change of temperature during composting

      • 图3所示,MH和ML两处理pH值变化平稳,堆肥前后差异不显著 (P > 0.05),堆体初始pH值分别为8.9和8.4,堆肥结束pH值分别为9.4和8.6。CH和CL两处理pH值变化前稳后降,堆肥前后有显著差异 (P < 0.05),堆体初始pH值分别为9.2和 9.4,堆肥结束pH值分别为8.0和7.7,但两处理间无显著 (P > 0.05) 差异。

        图  3  堆肥过程中pH值的变化

        Figure 3.  Change of pH value during composting

      • 堆肥过程中,4个处理的全氮含量变化均较平稳,堆肥结束后略有下降。同一堆肥前后全氮含量差异不显著,氮堆肥结束时,MH和CH两处理的全氮含量分别显著高于ML和CL两处理 (图4)。

        图  4  堆肥过程中全氮含量的变化

        Figure 4.  Change of total nitrogen content during composting

      • 堆肥过程中4个处理的NH4+-N含量变化如图5所示。MH和ML两处理与CH和CL两处理的NH4+-N含量变化趋势明显不同。其中,MH和ML两处理NH4+-N含量整体呈逐步降低并稳定的变化趋势。而CH和CL两处理的NH4+-N含量前期显著提升,到达高温期之后NH4+-N含量持续降低直至堆肥结束。MH、ML、CH和CL 4个处理的NH4+-N含量在堆肥过程中达到的最高值分别为2.04、1.13、3.03和2.94 g/kg。其中,CH和CL两处理NH4+-N含量显著高于MH和ML两处理 (P < 0.05)。堆肥结束后MH、ML、CH和CL四个处理的NH4+-N含量分别为0.43、0.54、0.33和0.14 g/kg。其中,只有CH和CL两处理的NH4+-N含量满足低于0.4 g/kg这一腐熟标准,而MH和ML两处理均未达标。进一步比较CH和CL两处理发现,CL处理NH4+-N含量显著 (P < 0.05) 低于CH处理。

        图  5  堆肥过程中铵态氮含量变化

        Figure 5.  Change of NH4+-N content during composting

      • 图6所示,MH和ML两处理的NO3-N含量变化整体呈缓慢上升趋势,而CH和CL两处理在反应前期NO3-N含量没有明显提升,期间甚至有轻微下降,但在10天后迅速增加。堆肥结束后,MH、ML、CH和CL 4个处理的NO3-N含量分别为0.22、0.23、0.45和0.54 g/kg。其中,CH和CL两处理的NO3-N含量显著高于MH和ML两处理 (P < 0.05),且CL处理显著 (P < 0.05) 高于CH处理。

        图  6  堆肥过程中硝态氮含量变化

        Figure 6.  Change of NO3-N content during composting

      • 图7所示,MH和ML两处理C/N变化平稳,堆肥前后差异不显著,C/N变化分别为12.6到15.1和11.5到12.3。CH和CL两处理C/N变化呈下降趋势,堆肥前后有显著差异 (P < 0.05),C/N变化分别为20.2、14.1、23.1和13.1。堆肥结束后,MH、ML、CH和CL4个处理的T值 (堆肥结束C/N与堆肥初始C/N的比值) 分别为0.91、0.81、0.70、0.57,其中只有CL处理达到了T < 0.6的腐熟要求。

        图  7  堆肥过程中碳氮比的变化

        Figure 7.  Change of C/N radio during composting

      • 堆肥结束后4个处理的GI值如图8所示。MH、ML、CH和CL4个处理的GI分别为0、0.25、0.31和0.96。其中,只有CL处理GI达到0.8的要求。

        图  8  不同堆肥处理发芽指数

        Figure 8.  The GI of different compost treatments

      • 堆体温度与微生物活动密切相关,是反映有机物料分解过程与评价堆肥无害化程度的重要指标之一。正常情况下,在堆肥过程中随着微生物对有机物料的分解与稳定,堆体温度会分别经历升温、高温和降温三个阶段[19]。本试验中静态堆肥 (MH与ML处理) 无显著升温过程,与外界温度变化保持一致,而好氧堆肥 (CH与CL处理) 升温迅速,经历了堆体温度的三个阶段变化。这表明,猪粪在传统静态堆肥情况下有机物料分解慢、堆肥效率低,前人研究表明添加2%的木炭可延长猪粪堆肥高温发酵时长促进无害化处理[7];添加5%能起到改良堆体结构减少氮损失的最佳效果[9]。经过翻抛、接种高效微生物和添加木炭与蛭石等好氧措施后,有机物的分解速率有显著提升,腐熟过程明显缩短。主要是因为猪粪碳氮比低,不利于微生物腐熟,上述好氧措施为好氧微生物创造了良好的活动条件。添加剂接入外源微生物并改良堆体结构,同时翻抛可为堆体提供充足的氧气,满足好氧微生物的繁衍需求。在好氧堆肥之间,CL处理 (低蛋白饲喂好氧堆肥) 比CH处理 (高蛋白饲喂好氧堆肥) 温度变化更剧烈,持续时间更长。主要原因是,与CH处理 (C/N=20) 相比,CL处理的C/N比 (23) 更接近微生物活动需求 (C/Nmicro=25),堆肥效率更高。这表明上游饲喂调控对下游堆肥温度变化有直接影响,通过低蛋白饲喂技术可加快堆体温度的提升。堆体pH值由堆体有机酸和无机氮含量共同决定,受矿化、氨挥发和硝化等过程综合调控[20]。本试验中静态堆肥pH值变化不大,主要原因是堆体有机物料未发生明显分解反应;而好氧堆肥pH值变化全程呈下降趋势,这与许多研究得出的pH值先升高再下降至稳定的结果不同。可能原因是工厂尺度下,堆肥氨挥发迅速、pH值上升阶段难捕捉,同时有机物分解得到有机酸含量更高、硝化反应也更剧烈,pH值下降更显著。另外,CH与CL两处理间的pH值变化一致,表明上游低蛋白饲喂技术未对堆体pH值的变化趋势产生影响。

        堆体全氮含量受矿化、氨挥发、硝化反硝化和淋洗径流等多种反应共同影响,是评价堆肥产品肥效的重要指标[21]。本试验中堆肥各处理全氮含量无明显变化。其中,静态堆肥由于堆体有机物分解反应轻微所以全氮含量未改变,而好氧堆肥则由于反应剧烈发生了浓缩效应所以全氮含量相对平稳。堆肥过程中,高蛋白饲喂处理 (MH与CH处理) 全氮含量要显著高于低蛋白饲喂处理 (ML与CL处理),这与上游饲喂环节的营养调控直接相关,也表明通过饲喂调控可对下游堆肥产品养分属性产生重要影响。

        正常情况下,在堆肥过程中,NH4+-N含量会经历先上升后下降的变化趋势[22]。本试验中静态堆肥NH4+-N含量全程呈下降趋势,没出现明显升温过程,主要是因为传统堆肥组矿化反应较弱而硝化反应的持续进行;好氧堆肥组NH4+-N含量由于矿化作用前期快速升高,中期由于氨挥发和硝化反应快速降低直至平稳。值得注意的是,在好氧堆肥间,CL处理初始NH4+-N含量低于CH处理,但是NH4+-N最高含量无显著差异,且NH4+-N含量上升下降速度更快,表明经过上游低蛋白调控的CL处理堆肥反应更彻底。

        堆体NO3-N含量是反映堆肥腐熟程度的重要指标。硝化细菌适宜温度在40℃以下,堆肥过程中NO3-N含量通常在高温期结束后才迅速上升[23]。本试验中静态堆肥组NO3-N含量全程呈缓慢上升趋势,主要是因为静态堆肥矿化作用较弱,堆体温度较低,硝化反应全程没受到限制;好氧堆肥组NO3-N含量则是由于温度限制前期硝态氮含量没有明显升高,高温期结束后快速升高。CL处理NO3-N含量上升速度和最终含量均高于CH处理,表明上游饲喂环节低蛋白调控对下游堆肥腐熟程度有促进效果。

        碳氮比 (C/N) 直接影响微生物活动,是堆肥物料掺混时的重要调控指标之一。随着堆肥反应的进行,微生物会对有机物进行分解与消耗,堆体的C/N比通常情况下会表现出逐渐降低并趋于稳定的变化[24]。本试验中低蛋白好氧堆肥 (ML和CL处理) 的初始C/N比显著高于高蛋白好氧堆肥 (MH和CH处理),这与秦莉等[25]的研究结果一致。在堆肥过程中,静态堆肥的C/N比全程变化不大,不过ML处理的T值 (0.81) 显著低于MH处理T值 (0.91);好氧堆肥的C/N有显著降低趋势,这与好氧措施的采用直接相关。此外,好氧堆肥中CL处理T值 (0.57) 显著低于CH处理 (0.70),表明上游饲喂环节低蛋白调控对下游堆肥过程有直接促进效应。

        种子发芽指数 (GI) 通过种子发芽率和根长计算而得,是评价堆肥腐熟和无害化程度的重要生物学指标。CI值越大表明堆肥产品对植物的毒性越低、腐熟程度越高[26]。本研究中,CL处理的GI值 (0.96) 要显著高于其他三个处理 (CH 0.31、MH0和ML 0.25),这说明通过上游饲喂调控加上堆肥改良措施可极大降低堆肥毒性、提高堆肥腐熟程度。虽然CH处理也采用好氧措施 (翻抛、菌剂、木炭与蛭石),但其与MH和ML两处理的GI值没有显著差异,这表明在短时间内 (15天) 要实现猪粪无害化处理,光靠下游堆肥环节调控不够,需充分结合上游营养调控。

      • 本研究分别以温度、NH4+-N含量、T值和GI值4个指标作为堆肥腐熟的判定标准,以不同处理满足腐熟指标数量的多少推断各处理腐熟程度的高低。

        从本研究结果来看,MH、ML、CH和CL四个处理高温期持续时间分别为0、0、5和7天,只有CH和CL处理满足50℃温度,维持时间大于5~7天的腐熟标准;堆肥结束时四个处理NH4+-N含量分别是0.43、0.54、0.33和0.14 g/kg,只有CH和CL处理满足小于0.4 g/kg的标准;各处理T值分别是0.91、0.81、0.70和0.57,只有CL处理满足小于0.6的标准;各处理GI值分别为0、0.25、0.31和95.63%,只有CL处理满足大于0.8的标准。

        综合来看, CL处理满足了5项腐熟指标要求,其次为CH处理满足了2项,而ML和ML处理未满足任何指标要求。

      • 传统高蛋白饲喂产生的猪粪,在静态堆肥情况下是无法达到腐熟要求的。而在好氧堆肥条件下,高蛋白饲喂产生的猪粪T值和种子发芽指数仍达不到腐熟标准。将高蛋白饲喂改为低蛋白饲喂,在静态堆肥中高温持续时间、NH4+-N含量、T值和种子发芽指数等指标也达不到腐熟标准,而在好氧堆肥中,低蛋白饲喂产生的猪粪可以完全腐熟,成为合格的有机肥。原料性质上,低蛋白饲喂提高猪粪碳氮比15%,更有利于微生物活动,有利于堆肥进程;堆肥过程中,低蛋白饲喂延长高温发酵时长40%,降低NH4+-N含量58%,降低T值19%,提高GI值206.41%,显著提升堆肥腐熟度。来猪粪通过堆肥循环利用,为安全有效的支持农业生产,必须通过上游低蛋白饲喂技术与猪粪好氧堆肥技术的双重优化。

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