低温环境下水稻秸秆与牛粪混合堆肥效果研究

张蕴琦，徐凤花*，张 晴，张书敏，吴 优

(1.东北农业大学资源与环境学院，黑龙江哈尔滨 150030；2.河南新网环境监测服务有限公司，河南郑州 450000)



低温环境下水稻秸秆与牛粪混合堆肥效果研究

张蕴琦1，徐凤花1*，张 晴2，张书敏1，吴 优1

(1.东北农业大学资源与环境学院，黑龙江哈尔滨 150030；2.河南新网环境监测服务有限公司，河南郑州 450000)

[目的]实现低温季节水稻秸秆和牛粪的资源化利用。[方法]以25%水稻秸秆+75%牛粪作为对照(CK)，设置25%水稻秸秆+75%牛粪+5‰低温发酵剂、35%水稻秸秆+65%牛粪+5‰低温发酵剂2个处理，分别进行堆肥，研究低温发酵剂及不同水稻秸秆用量对堆肥效果的影响。[结果]25%水稻秸秆+75%牛粪+5‰低温发酵剂、35%水稻秸秆+65%牛粪+5‰低温发酵剂处理的高温期持续7和8 d，高温持续时间长。CK堆温始终未进入高温期。堆肥结束时，25%水稻秸秆+75%牛粪+5‰低温发酵剂、35%水稻秸秆+65%牛粪+5‰低温发酵剂处理和CK的有机质含量分别较初始降低了31.72、30.54和14.10个百分点，粗纤维降低了32.44、33.09和15.00个百分点。经方差分析，水稻秸秆用量为25%～35%时，有机质及粗纤维降解率差异不显著，而对照与2个处理间差异达到极显著水平(P<0.01)。[结论]低温发酵剂可促使堆体升温，加快有机质及粗纤维的降解。

牛粪；水稻秸秆；低温发酵剂；堆温；有机质；粗纤维

黑龙江省是奶牛养殖的黄金地带，2013年牛粪尿量为10 946.77万t[1]，新鲜牛粪含水率高达80%以上，通透性差，难以直接堆肥发酵，尤其是低温季节，导致大量堆积，造成严重的环境污染和资源浪费。新鲜牛粪堆肥时一般采用固液分离及晾晒方式降低水分，但固液分离耗能大，成本高，产生的废液难以处理，晾晒过程会污染周围环境。

黑龙江水稻秸秆资源丰富，2013年水稻秸秆总量为2 400.00万t，占秸秆总量的39.3%[2]。水稻秸秆木质素缩聚单元比例较高，与纤维素和半纤维素结合较紧密，同时硅质化程度高[3]，降解速度缓慢。但其含水率低，碳氮比高，与牛粪混合，既可以吸附牛粪水分，又能降低水稻秸秆的碳氮比，能达到堆肥适宜的含水率和碳氮比，从而提高堆肥效果。笔者研究了低温环境下以水稻秸秆吸附牛粪水分直接堆肥，利用低温发酵剂促使堆体起温与粗纤维快速降解，旨在为低温下水稻秸秆和牛粪废弃物的处置提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料 堆肥材料：牛粪、水稻秸秆(表1)。东北农业大学资源与环境学院应用微生物研究室研制的低温发酵剂，由细菌、放线菌和真菌组成。

1.2 试验设计 将粉碎3～5 cm的水稻秸秆、新鲜牛粪与低温发酵剂按一定用量混合均匀，共设3个处理。处理①，25%水稻秸秆+75%牛粪+5‰低温发酵剂；处理②，35%水稻秸秆+65%牛粪+5‰低温发酵剂；处理③(CK)，25%水稻秸秆+75%牛粪。2个处理及CK分别在3条发酵槽(70.0 m×3.0 m×1.5 m)中堆积发酵。每处理3次重复，根据堆温用翻倒设备进行翻堆。

1.3 样品采集 用探头温度计每天8：00、12：00和17：00测定堆体上部(0.3 m)、中部(0.5 m)、下部(0.7 m)的堆温和环境温度，取堆温平均值。从不同处理的堆体上、中、下部多点取样，分别混合均匀，四分法保留500 g。

1.4 测定项目与方法 采用105 ℃恒温干燥法测定堆肥含水率；采用重铬酸钾容量法测定有机质含量[4-5]；采用重铬酸钾外加热法测定全碳含量[6]；采用H2SO4-铬粒-混合催化剂消煮法测定全氮含量[7]；采用范式洗涤纤维分析法[8]测定粗纤维含量。

表1 堆肥材料的主要理化性质

1.5 数据统计 通过SPSS数据处理软件对有机质与粗纤维降解率进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 低温发酵剂与水稻秸秆用量对堆温的影响 在环境温度10 ℃左右进行水稻秸秆与牛粪混合堆肥，堆温变化情况见图1。从图1可知，处理①、② 1 d后堆温分别为27.4和31.6 ℃，而CK为18.7 ℃，起温缓慢。辛玉华等[9]研究发现，在低温条件下低温菌的细胞膜仍具有流动性，对胞外营养物质的吸收和运输能力强，所产低温酶催化效率高，能够利用原料中的糖类、淀粉、氨基酸等有机物大量繁殖，产生生物热，因此低温发酵剂可以促使堆体起温。

当堆体起温后，中温菌开始生长繁殖，堆温继续上升，处理①、②分别在第5天和第4天进入高温期，而CK的堆温始终在40 ℃以下。这与何惠霞等[10]的稻壳粉与牛粪混合堆肥及刘阳等[11]的玉米秸秆与牛粪混合堆肥的结果一致，表明低温发酵剂可以使堆温快速升高进入高温期。同时，由于水稻秸秆物理结构蓬松，与牛粪混合时，增加了用量，这可以提高堆料的通气性，为好氧微生物提供充足的氧气，使其快速生长繁殖产生生物热。处理①、②分别在第8天和第5天温度最高，分别达到56.8和59.0 ℃，高温期分别为7和8 d。这表明水稻秸秆用量大，升温速度快，高温期持续时间长。

堆肥后期，由于营养物质的消耗，致使微生物活性降低，堆温开始持续下降。根据GB 7959—87《粪便无害化卫生标准》[12]，堆温在50 ℃以上5～7 d，就达到粪便无害化要求，因此，处理①、②均达到标准。

图1 各处理堆肥过程中温度的变化动态Fig.1 Variation trends of compost temperature

2.2 低温发酵剂与水稻秸秆用量对堆肥含水率的影响 从图2可知，处理①、②前期堆温低，水分蒸发量少，含水率下降速度缓慢。高温期水分蒸发量大，同时由于翻堆使水分随热量散失，含水率迅速降低。堆肥结束时，处理①、②的含水率分别为43.90%和42.20%，较初始含水率分别下降26.47和30.13个百分点。由于CK的堆温始终较低，水分蒸发少，含水率较初始下降16.64个百分点。这表明可以利用水稻秸秆吸附牛粪水分以满足堆肥要求，省去了固液分离和晾晒环节，既降低了成本，又减少了环境污染。

图2 各处理堆肥含水率的变化动态Fig.2 Variation trends of water contents in different treatments

2.3 低温发酵剂与水稻秸秆用量对堆肥有机质含量的影响 处理①、②前4 d处于升温期(图1)，微生物主要降解简单易分解的有机物，有机质降解率为6.30%和13.39%，说明水稻秸秆用量大，使堆料中溶解氧量增多，微生物生长繁殖旺盛，有机质降解快。高温期纤维素、木质素等难降解有机物开始降解，有机质降解率提高。从图3可知，处理①的有机质下降幅度大于处理②，高温期结束时有机质含量相差不大。后期由于高温部分微生物休眠或死亡，同时堆料中营养物质被大量消耗，使有机质降解缓慢。虽然CK与处理①的水稻秸秆用量相同，但因未加入低温发酵剂，堆肥过程堆温较低，有机物降解缓慢。结束时，处理①、②及CK的有机质含量分别为473.0 g/kg、486.0 g/kg和595.0 g/kg，分别较初始降低了31.72、30.54和14.10个百分点。LSD多重分析表明，CK与处理①、②的差异达到极显著水平(P<0.01)，说明低温发酵剂在促使堆体升温过程中加快了有机质的降解。水稻秸秆用量为25%～35%时，有机质降解率差异不显著，对于水稻秸秆用量高于35%时，其对有机质降解的影响还有待进一步研究。

图3 各处理有机质含量的变化动态Fig.3 Variation trends of organic matter content in different treatments

图4 各处理全碳含量的变化动态Fig.4 Variation trends of total C contents in different treatments

2.4 低温发酵剂与水稻秸秆用量对堆肥全碳含量的影响 从图4可知，堆肥过程中全碳含量的变化趋势与有机质基本相同。升温期，水稻秸秆用量大，提高了堆料的通气性，含碳有机物降解速度快，全碳含量降幅较大。高温期处理①下降幅度大于处理②。后期营养物质开始减少，微生物活性降低，碳素矿化作用减弱。堆肥结束时，处理①、 ②的全碳含量为274.4 g/kg和281.9 g/kg，分别较初始降低31.71和30.55个百分点，而CK较初始仅降低14.11个百分点。这表明低温发酵剂可使碳素矿化作用增强，全碳含量降低。

图5 各处理全氮含量的变化动态Fig.5 Variation trends of total N contents in different treatments

2.6 低温发酵剂与水稻秸秆用量对C/N的影响 由于升温期全碳与全氮含量减少，前者减少量大于后者，因此C/N下降幅度大(图6)。高温期全碳含量迅速降低，全氮含量升高，C/N下降较快。堆肥后期C/N逐渐稳定。C/N能够反映堆肥的腐熟度，一般认为，C/N为15～20时堆肥腐熟[14]。宋彩红等[15]建议采用T=(终点C/N)/(初始C/N)来判断腐熟度，当T小于0.6表示堆肥腐熟。堆肥结束时，处理①、②的C/N为15.6和17.1，T为0.54和0.57，均小于0.60，达到堆肥腐熟标准，CK的C/N变化小，为22.5，T为0.78，未达到腐熟标准。

图6 各处理C/N的变化动态Fig.6 Variation trends of C/ N ratio in different treatments

2.7 低温发酵剂与水稻秸秆用量对堆肥粗纤维含量的影响 从图7可以看出，水稻秸秆用量大，初始粗纤维含量略高。升温期水稻秸秆用量增加，堆料通气性增强，微生物对粗纤维的降解速度加快。高温期微生物开始利用半纤维素、纤维素和木质素等有机物，粗纤维含量迅速降低，下降速度较升温期快。CK由于未加入低温发酵剂，堆温低，纤维素降解缓慢，粗纤维含量始终较高。堆肥结束时，处理①、②和CK的粗纤维含量分别为352.0 g/kg、362.0 g/kg和442.0 g/kg，分别较初始降低了32.44、33.09和15.00个百分点。

经方差分析，CK与处理①、②存在极显著差异(P<0.01)，表明低温发酵剂能够促进粗纤维的降解。水稻秸秆用量为25%～35%时，粗纤维降解率差异不显著。而对于更大用量的水稻秸秆与牛粪混合堆肥时，堆料粗纤维含量的变化动态仍有待研究。

3 结论

(1)利用水稻秸秆与牛粪混合堆肥，使堆肥物料含水率下降到约60%，C/N调至29左右，满足堆肥适宜的条件。

(2)25%和35%的水稻秸秆与牛粪混合堆肥时，在低温发酵剂的作用下，堆体迅速起温，后者较前者提前1 d进入高温期，且高温持续时间长。未加入低温发酵剂的CK起温慢，始终未进入高温期。

(3)25%水稻秸秆+75%牛粪+5‰低温发酵剂和35%水稻秸秆+65%牛粪+5‰低温发酵剂2个处理的有机质和粗纤维降解率无显著差异。2个处理有机质的降解率分别是CK的2.25和2.17倍，粗纤维降解率分别是CK的2.16和2.21倍，处理与CK的有机质及粗纤维降解率均达到差异极显著水平(P<0.01)，表明低温发酵剂能够加快其降解。

[1] 韦春波，李洋洋，孙广涛，等.黑龙江省畜禽粪便的排放量及时空分布特征[J].黑龙江畜牧兽医，2016(12)：63-66.

[2] 孙彬，张楠，崔昌龙，等.黑龙江省作物秸秆综合利用现状、存在问题与发展建议[J].安徽农业科学，2015，43(6)：238-239.

[3] 徐杰.水稻秸秆降解放线菌的分离鉴定及其降解机理研究[D].哈尔滨工业大学：哈尔滨工业大学，2011：4-10.

[4] 施宠，张小娥，沙依甫加玛丽，等.牛粪堆肥不同处理全N、P、K及有机质含量的动态变化[J].中国牛业科学，2010，36(4)：26-29.

[5] 夏清华，黄永东，黄永川，等.土壤有机质重铬酸钾容量法最佳测定条件的探索[J].南方农业，2014，8(6)：35-37.

[6] 李小涵，王朝辉.两种测定土壤有机碳方法的比较[J].分析仪器，2009(5)：78-80.

[7] 鲍艳宇，周启星，颜丽，等.畜禽粪便堆肥过程中各种氮化合物的动态变化及腐熟度评价指标[J].应用生态学报，2008，19(2)：374-380.

[8] 胡华.高效纤维素降解菌株的筛选及其复合系菌剂在秸秆堆肥中的应用[D].雅安：四川农业大学，2008：18.

[9] 辛玉华，周宇光，东秀珠.低温细菌与古菌的生物多样性及其冷适应机制[J].生物多样性，2013，21(4)：468-480.

[10] 何惠霞，徐凤花，赵晓锋，等.低温下牛粪接种发酵剂对堆肥温度与微生物的影响[J].东北农业大学学报，2007，38(1)：54-58.

[11] 刘阳，徐凤花，王彦伟，等.低温复合发酵剂对冬季牛粪堆肥微生物多样性的影响[J].中国土壤与肥料，2012(3)：94-98.

[12] 中国预防医科院环卫所.粪便无害化卫生标准：GB 7959—1987[S].北京：中国标准出版社，2004.

[13] 刘春梅，徐凤花，曹艳花，等.除臭菌株对NH3和H2S释放及物质转化的影响[J].农业环境科学学报，2011，30(3)：585-590.

[14] 马迪，赵兰坡.禽畜粪便堆肥化过程中碳氮比的变化研究[J].中国农学通报，2010，26(14)：193-197.

[15] 宋彩红，贾璇，李鸣晓，等.沼渣与畜禽粪便混合堆肥发酵效果的综合评价[J].农业工程学报，2013(24)：227-234.

Effects of Mix Compost with Rice Straw and Cow Dung under Low Environment

ZHANG Yun-qi1, XU Feng-hua1*, ZHANG Qing2et al

(1. College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin, Heilongjiang 150030; 2. Henan New Network Environmental Monitoring Service Co., Ltd., Zhengzhou, Henan 450000)

[Objective] To realize the resource utilization rice straw and cow dung under low environment. [Method] With 25% rice straw + 75% cow dung as the control (CK), two treatments were designed, which were 25% rice straw + 75% cow dung + 5‰ low temperature complex microbial agent, and 35% rice straw + 65% cow dung + 5‰ low temperature complex microbial agent. After compost, effects of low temperature complex microbial agent and rice straw dosage on compost were researched. [Result] Two treatments (25% rice straw + 75% cow dung + 5‰ low temperature complex microbial agent, and 35% rice straw + 65% cow dung + 5‰ low temperature complex microbial agent) had high temperature for 7 and 8 d, respectively, which were relatively long. However, heap temperature of the control did not have high temperature period. At the end of compost, organic matter contents in 25% rice straw + 75% cow dung + 5‰ low temperature complex microbial agent, 35% rice straw + 65% cow dung + 5‰ low temperature complex microbial agent and the control reduced by 31.72, 30.54 and 14.10 percentage points, respectively, compared with the initial values. And crude fibers reduced by 32.44, 33.09 and 15.00 percentage points. Variance analysis showed that when the dosage of rice straw was between 25%-35%, degradation rates of organic matter and crude fiber showed no significant differences; while differences between control and treatments reached extremely significantly level. [Conclusion] Low temperature complex microbial agent promotes the temperature increase of compost, and accelerates the degradation of organic matter and crude fiber.

Cow dung; Rice straw; Low-temperature complex microbial agent; Heap temperature; Organic matter; Crude fiber

“十二五”国家科技支撑计划(2012BAD14B06)；哈尔滨市技术成果转化项目(2014DB3BN037)。

张蕴琦(1993-)，女，黑龙江五常人，硕士研究生，研究方向：农业废弃物无害化处理与肥料化利用。*通讯作者，教授，硕士生导师，从事应用微生物研究。

2016-08-11

S 141.4

A

0517-6611(2016)29-0112-03