辣椒秸秆快速高温好氧堆肥工艺研究

霍凯丽常瑞雪李彦明*孙 霞贾军涛

（1农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室，中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830052）

随着农业产业结构调整，新疆地区辣椒种植面积不断扩大，据统计，2015年新疆地区辣椒种植面积达65 170 hm2，总产量为26.4万t（新疆维吾尔自治区统计局，2016）。辣椒生产导致大量辣椒秸秆的产生，因缺少适用的循环利用技术使其成为当地生态环境污染源之一。高温好氧堆肥技术是我国现阶段处理蔬菜废弃物的有效方法，可以在灭活潜在病原菌的基础上实现废弃物的减量化和资源化，所得堆肥产品可以作为育苗基质等使用（杜鹏翔 等，2014；龚建英 等，2014；常瑞雪，2017），对建立资源环境友好型农业意义重大。

目前我国对叶菜类蔬菜废弃物的高温堆肥技术研究较多，对木质素含量较高的秸秆类原料研究相对较少，这是因为秸秆类蔬菜废弃物中含有大量纤维素、木质素，尤其以难被微生物降解利用的木质素含量高，在辣椒秸秆中木质素所占比例高达20%以上（陆相龙 等，2012），是堆肥化处理中的主要限速因素（Maniadakis et al.，2004）。已有研究人员筛选出了有效的木质素降解菌，但应用范围不够广泛，也鲜见对应用效果的相关报道。要想通过高温好氧堆肥技术实现辣椒秸秆的资源转化，添加适当的辅料必不可少，而木质化程度低、易降解、有机质含量高的小麦秸秆（张福锁 等，2009）和鸡粪等均可作为堆肥调理剂来加速堆肥进行，且使用鸡粪会提高微生物种群多样性和降解活性（徐金涛 等，2013），促进物料中有机组分的降解。新疆是我国重要的粮棉生产基地，但由于秸秆资源化利用水平落后，24%的小麦秸秆被直接还田，17.5%的作物秸秆以生活燃料和露天焚烧的形式损失，造成了严重的资源浪费和环境污染（边艳霞，2017）。新疆作为我国畜牧大省，2015年禽养殖数量达到了76.7亿羽，粪便产生量约为1.762×107万t，主要以肉鸡、蛋鸡为主（李项项，2017）。然而由于资源化利用水平低，资源不能完全转化为经济效益，还带来了环境污染。如果通过辣椒秸秆和小麦秸秆、鸡粪等的联合堆肥可以实现废弃物的资源转化，将提高新疆秸秆资源的利用效率，促进新疆农业绿色发展。

基于此，本试验以辣椒秸秆作为堆肥主物料，探索使用小麦秸秆和鸡粪作为调理剂进行堆肥化处理的效果，同时对比分析微生物菌剂和鸡粪在辣椒秸秆和小麦秸秆联合堆肥中的应用效果，为更好地利用辣椒秸秆，实现废弃物的资源转化奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2017年5～10月在北京沃土天地生物科技股份有限公司堆肥实验室进行。所用原料为拉秧后堆积在棚外的辣椒秸秆和小麦秸秆，均取自北京市顺义区大孙各庄村。将辣椒秸秆风干后，切割至3～5 cm备用；小麦秸秆直接粉碎至1 cm备用。鸡粪取自中国农业大学试验鸡场。VT菌剂由北京沃土天地生物科技股份有限公司提供，该菌剂由放线菌、乳酸菌、酵母菌、醋酸杆菌等菌株构成（李季和彭生平，2005），适用于有机废弃物堆肥处理。供试物料的理化性状如表1所示。

1.2 试验设计

以粉碎好的辣椒秸秆为堆肥处理对象，分别用小麦秸秆和鸡粪作为碳氮源调理剂，接种微生物菌剂进行好氧堆肥，设置了A1（辣椒秸秆∶小麦秸秆为4∶1，干质量比，下同）、A2（辣椒秸秆∶小麦秸秆为2∶1）、A3（辣椒秸秆∶小麦秸秆为4∶1，加入30%鸡粪）、A4（辣椒秸秆∶小麦秸秆为2∶1，加入30%鸡粪）、 A5 （辣椒秸秆∶小麦秸秆为4∶1，加入5% VT菌剂）、A6（辣椒秸秆∶小麦秸秆为2∶1，加入5% VT菌剂）6个处理。堆肥中VT菌剂接种方法为先将堆肥物料干质量0.1%的红糖溶于水，加入设定比例VT菌剂，再加入少量麦麸作为菌剂的吸附材料，后将麦麸与堆肥原料混匀，进行堆肥（李季和彭生平，2005）；整个堆肥周期设置为15 d。

表1 供试物料的理化性质

1.3 堆肥操作与指标测定方法

将堆肥物料按照试验处理计算用量，称重混匀，投入到100 L密闭式堆肥反应器（图1）中，反应器顶部和底部均设气口，底部进气口前串接碱性气体和酸性气体吸收液来排除空气中酸性和碱性气体的干扰；在整个堆肥发酵期间，出气管路后连接滴加甲基红溴甲酚绿的2%硼酸溶液和滴加酚酞的1 mol·L-1氢氧化钠溶液吸收瓶，当硼酸变蓝、氢氧化钠溶液变红时更换吸收液，以测定堆肥过程产生的NH3和CO2。根据堆肥发酵进程，分别在0、3、7、15 d进行翻堆，同时采用多点取样法取样，将所取得混合样品分成2份，其中一份样品风干后粉碎过筛备用，用于测定堆肥样品中物料损失率等指标；另一份样品置于-20 ℃的条件下冷冻保存备用，用于测定含水率等指标。同时适当补充水分，调节混合物料的含水率在60%左右。

图1 堆肥反应装置示意图

堆肥温度由Pt100温度传感器（精度为0.01℃）测定，接入自动温度记录仪进行数据采集，采集频次为每10 min记录1次；物料损失率参照常瑞雪（2017）的方法进行计算。

1.4 数据处理

采用美国微软公司的Office Excel软件进行数据整理和分析。

2 结果与分析

2.1 小麦秸秆添加比例对辣椒秸秆堆肥温度变化的影响

从图2可以看出，A1和A2处理在堆肥15 d的时间内温度基本维持在略高于室温的水平，在堆肥4 d后升至最高温度，分别为39 ℃和43 ℃，随后下降至接近环境温度。在堆肥前5 d，A2处理温度相对较高，之后两个处理之间无明显差别。表明仅用辣椒秸秆和小麦秸秆作为堆肥原料，堆体升温慢、温度低，但辣椒秸秆与小麦秸秆比例为2∶1的处理效果较优。

图2 不同小麦秸秆用量堆肥温度的变化曲线

2.2 鸡粪或微生物菌剂对辣椒秸秆-小麦秸秆联合堆肥过程中温度变化的影响

如图3所示，A3处理的温度整体偏低，基本维持在35 ℃左右，最高温度仅为41 ℃； A5处理堆肥后1 d的温度则迅速上升至50 ℃； A4处理在堆肥后1 d温度即升至最高温度51 ℃，随后缓慢下降，基本维持在40 ℃以上；A6处理在堆肥后1 d温度迅速上升至50 ℃，但从第4天开始，A4处理堆肥温度大多高于A6处理。说明辣椒秸秆与小麦秸秆为4∶1时，加入5% VT菌剂（A5处理）更有利于堆肥升温；辣椒秸秆与小麦秸秆为2∶1时，加入30%鸡粪（A4处理）更有利于堆肥快速升温并维持在较高的温度。

图3 添加鸡粪或微生物菌剂后堆肥温度的变化曲线

2.3 鸡粪或微生物菌剂对辣椒秸秆-小麦秸秆联合堆肥过程中物料损失率的影响

堆肥过程中物料损失情况如图4所示，各处理物料损失率表现为A3＞A1＞A2＞A5＞A4＞A6，辣椒秸秆与小麦秸秆为2∶1时的物料损失率相对较低。A4处理的物料损失率比A3处理降低了7.74个百分点，A5处理的物料损失率也比A6处理降低了7.74个百分点。说明在辣椒秸秆与小麦秸秆为2∶1时，添加鸡粪和微生物菌剂可有效降低物料损失率。

图4 添加鸡粪或微生物菌剂后堆肥的物料损失变化

2.4 鸡粪或微生物菌剂对辣椒秸秆-小麦秸秆联合堆肥过程中含水率的影响

水是堆肥中的一个重要物理因素，不仅参与微生物活动，还可通过蒸发调节堆体温度，研究表明，最适宜的堆肥初始含水量为55%～65%（李季和彭生平，2011）。如图5所示，各处理起始含水率在40%～60%，A2处理最低。随着堆肥的进行，各处理含水率总体呈降低趋势，A1、A2处理含水率在堆肥后15 d下降至35%左右，说明辣椒秸秆-小麦秸秆联合堆肥在不添加任何物质的情况下，应及时对堆体补充水分。添加微生物菌剂的A5、A6处理堆体含水率始终保持在50%左右，无明显变化。添加鸡粪的A3、A4处理间差异较大，A4处理的含水率优于其他处理，而堆肥后15 d，A3处理的含水率降低至28.29%，较A4处理低21个百分点。研究表明，堆体含水量低于30%时微生物将停止降解（李季和彭生平，2011），为确保微生物活性，使堆肥顺利进行，应及时调整物料含水量。

图5 添加鸡粪或微生物菌剂后堆肥的含水率变化

3 讨论

一个好的堆肥系统首先关注起始物料的配比，以保证有合适的孔隙、水分、C/N及热值（李季和彭生平，2011），不同堆肥原料初始物料的配比也不同。辣椒秸秆木质化程度高，堆肥初期可利用碳源少，因此，在利用辣椒秸秆进行堆肥时，添加碳源辅料必不可少。吕潇等（2015）在以辣椒秸秆和树叶进行堆肥时，添加木本泥炭、活性炭作为炭基，发现添加碳源材料可改善堆肥产品的理化性质，加速堆肥物料的分解，有效地缩短堆肥周期和提高堆肥产品的腐熟度。堆肥的最适C/N在25左右（牛俊玲 等，2009），添加物料调节C/N可促进升温（马闯 等，2015），冯红梅等（2015）在利用园林废弃物和鸡粪进行堆肥的研究中发现，相较于添加菌剂，合适的C/N更利于堆肥腐熟。本试验中将小麦秸秆和鸡粪作为调理剂，当辣椒秸秆与小麦秸秆比例为2∶1时C/N约为27，加入30%鸡粪，可明显提高堆体温度。因此，在使用辣椒秸秆进行堆肥时，应添加适当的秸秆或动物粪便来调节初始C/N。

为使堆肥易于升温加快腐熟，研究者通常会在堆体中添加动物粪便或微生物菌剂。龚建英等（2012）研究了微生物菌剂及鸡粪对蔬菜废弃物堆肥化处理的影响，表明添加微生物菌剂和鸡粪均可提高堆体温度，增加水分散失，加快原料的发酵进程。在没有微生物菌剂的情况下，仅添加鸡粪也可达到相同效果。马开星等（2011）在鸡粪堆肥腐熟的研究中表明，添加鸡粪不仅利于调节堆体C/N，还可促进硝化细菌生长。本试验中，鸡粪对蔬菜废物堆肥有明显的增温作用，辣椒秸秆与小麦秸秆2∶1比例基础上加入鸡粪，堆肥后1 d即达到最高温51 ℃，说明鸡粪可促进堆体快速升温，加速堆体到达高温期，升温效果优于微生物菌剂。

4 结论

以辣椒秸秆作为主物料进行堆肥，仅添加碳源调理剂，堆肥升温慢，最高温度偏低。加入鸡粪和微生物菌剂作为接种剂，能够促进堆体升温，加快堆体腐熟，明显提高堆体温度及高温保持时间。在辣椒秸秆与小麦秸秆干质量比为2∶1的基础上添加鸡粪，可使堆体迅速升温且有较好的高温保持时间，降低了物料损失率，含水率也保持在相对理想水平。因此，综合以上因素及环境经济效益，辣椒秸秆-小麦秸秆联合堆肥的理想辅料以鸡粪较好。