粪便高温堆肥及其施用效果研究综述

1、粪便高温堆肥及其施用效果研究综述本文综述了国内外高温堆肥系统的堆肥条件、调控方法、堆肥腐熟度指标以及农田施用 效果的研究进展。 尽管畜禽粪便是有机肥料的主要来源， 但是其携带的大量病原菌、 寄生虫 卵和有毒物质是影响畜禽粪便农田利用的主要原因。 好氧堆肥的主要目的是杀灭粪便中携带 的有害病菌和寄生虫卵， 将原料中的高分子经过微生物分解为稳定的物质。 如何选择堆肥腐 熟度指标和利用这些指标是判定堆肥稳定与否的重要条件。 最终达到合理施用有机肥、 提高 作物品质、改善土壤环境质量条件的目的。关键词：堆肥；粪便；腐熟；施用效果1 前言 随着禽畜饲养量增加和生产集约化程度提高， 禽畜粪便的产生量与日俱

2、增。 由于畜禽粪便携 带大量病原菌， 易腐烂和恶臭， 引发了一系列的环境问题， 已经严重阻碍了我国养殖业的发 展1 。自古以来，畜禽粪尿就是我国农村的主要有机肥源。19世纪 70年代以来，随着堆肥技术深入研究和应用， 已经成为有机固体废物资源化、 减量化和无害化处理中最为有效方法 之一。 经过堆肥处理后的有机固体废弃物， 尤其是畜禽粪便， 不仅能有效地杀灭其携带的病 原菌和寄生虫卵， 而且还能提高有机废弃物中的养分有效性、 增加作物产量、 改善农产品品 质和土壤理化性质，是一种优良的土壤改良剂2 。2 堆肥系统 堆肥技术的主要区别在于维持堆体物料均匀及通气条件所使用的技术手段。 根据技术的复杂

3、 程度，一般分为三类：条垛式、静态垛式和发酵仓式系统1 。2.1 条垛式堆肥系统 条垛式是一种传统式的堆肥方法， 它将堆肥物料以条垛式条堆状堆置， 在好氧条件下进行发 酵。垛的断面可以是梯形、 不规则四边形或三角形。 条垛式堆肥的特点是通过定期翻堆的方 法通风。堆体最佳尺寸根据气候条件、翻堆使用的设备、堆肥原料的性质而定。2.2 通气静态垛堆肥系统Epstein 等3 在条垛式系统加上通风系统，成为应用强制通风静态垛系统的开端，其能更有 效确保高温和病原菌的灭活。 它不同于条垛式系统之处在于堆肥过程中不是通过物料的翻堆 而是通过鼓风机强制通风向堆体供氧，故其关键技术是通气系统。2.3 发酵仓系

4、统 发酵仓系统是将物料置于部分或者全部封闭的容器内， 控制通气和水分条件， 使之进行生物 降解和转化的体系。 发酵仓系统具有高度机械化和自动化的优点， 并可收集堆肥过程产生的 废气 4 ，减轻对环境的二次污染。作为动态发酵工艺，堆肥设备必须具有改善并促进微生 物新陈代谢的功能。例如翻堆、曝气、搅拌和混合，通风系统控制水分和温度，同时在发酵 的过程中自动解决物料移动及出料的问题， 最终达到缩短发酵周期、 提高发酵速率、 提高生 产效率及实现机械化大生产的目的。3 影响堆肥的条件及其控制方法堆肥是一个生物化学过程， 成败关键在于微生物是否可以正常繁衍。 影响堆肥过程的主要因 子有水分、 通气、温度

5、及堆肥原料特性。 在实际堆肥生产过程中主要是对其物理、 生物化学 性质和微生物活动三者相互作用的控制 5 。3.1 水分含量堆肥原料水分多少及堆肥过程中水分调控， 直接影响了堆料性质和堆肥过程中物理及生物学 特性 5 ，进而决定了好氧堆肥反应速度快慢、堆肥腐熟程度和堆肥产品质量，甚至关系到 好氧堆肥工艺过程的成败，被认为是堆肥中最重要的控制条件 6 。一般认为堆肥初始含水 量在 40%70%就能保证堆肥的顺利进行 6，7，最适宜含水量为 50%60%6， 8。故处 理含水量较大的鸡粪、 猪粪和牛粪等， 往往需要加入吸湿性强的调节料以降低混合堆料的水 分含量。3.2 通风供氧 通风是好氧堆肥的关

6、键性因素之一，其主要作用是提供好氧微生物生长繁殖所必需的氧气 8，9；通过供气量的控制，可以去除堆料中多余的水分9 ；调节堆体温度，减少恶臭的产生10 。畜禽粪便堆肥通风方式主要有翻堆、被动通风和强制通风。堆体内氧含量保持在5% 15%比较适宜，氧含量低于 5% 会导致厌氧发酵 11；但也有研究发现，在堆体氧浓度 小于 1.5%的微好氧条件下，与传统好氧堆肥过程相比，堆肥材料中的木质纤维类物质的分 解量和分解速度明显高于好氧处理， 腐熟时间提前， 可以免去典型的二次发酵， 实现堆肥化 过程的一段发酵 12 。3.3 碳氮比 (C/N) 堆肥是多种微生物共同参与的过程， 在这个过程中微生物需要一

7、定的碳、 氮等养分， 一般认 为初始 C/N 在 2530 或 3035 较为适宜堆肥中微生物生长繁殖 14，15 。黄国锋等在研究 猪粪与木屑混合堆肥时得出 C/N 为 29时比 C/N 为 16时的堆肥早 14d腐熟13 。李玉红等 17 利用牛粪与玉米秸秆配比堆肥，结果 C/N 比为 44.8 时，堆肥效果最好。因此对于畜禽粪便 这类 C/N 较低的物料可添加一定量的米糠、木屑、秸秆等进行调节，使其 C/N 利于微生物 的正常活动，为堆肥的顺利进行提供有利条件。3.4 温度温度是堆肥能否顺利完成的重要因素， 它制约着微生物的活性及有机质的分解速度， 直接影 响了堆肥的腐殖化程度。堆体温度

8、保持在55条件下保持 3天，或 50以上保持 57 天，是杀灭堆肥中所含致病菌，保证堆肥的卫生指标合格和堆肥腐熟的重要条件 19 。堆肥过程 中，温度过高或过低都将对堆肥产生不良影响。 过低的温度将大大延长堆肥达到腐熟的时间， 而过高的堆温 (70 )将杀死部分有益微生物而延缓堆肥的进行20。Bach21 认为 60是有机固体废弃物的最佳堆肥温度。3.5 外源菌剂 适当的加入外源菌剂可以对堆肥进程起推动作用。赵京音等 22 发现用 EM 菌剂处理鸡粪能显著加快堆肥的腐熟，并可减少堆肥臭气的排放，改善堆肥环境。刘克锋等23 在研究不同微生物处理对猪粪堆肥质量的影响时发现接入菌剂能加快堆肥的升温速

9、度，提高最高温度， 加速堆肥中的碳氮比下降， 促使堆肥中生物毒性物质的分解。 外源菌剂的添加， 可加快牛粪 堆肥腐熟，并于一周内杀灭牛粪中的杂草种籽和虫卵病菌，达到堆肥无害化标准16 ，17 ，还可增加奶牛粪堆肥中低分子量有机物质含量18 。4 评价堆肥腐熟度的指标4.1 物理学指标 物理学指标通常指的是通过堆肥的表观特征及一些物理学方法来确定堆肥的腐熟度。其主要特征为主要有堆体温度变化主要经历升温期、持续高温期、降温期和稳定期四个阶段2 ；腐熟堆肥颜色呈黑褐色，并不再散发令人不快的气味 24 。物理指标只能初步断定堆肥的腐 熟度，并不能进行定量的分析，因此只能作为堆肥腐熟度的一项辅助指标。4

10、.2 化学指标4.2.1 碳氮比 一般认为，稳定或已经腐熟的堆肥碳氮比应该在小于 20 左右 25 。但由于不同物料的初始 和终点碳氮比值的差异很大， 而且许多堆肥原料的碳氮比值较低， 从而影响了这一参数的广 泛应用。使用堆肥的终点碳氮比与起始碳氮比的比值T 来评价堆肥腐熟度， 当 T 值小于 0.60时堆肥达到腐熟 13 。4.2.2 水溶性氮堆肥过程不仅是有机物的生化降解过程，同时也伴随着明显的硝化反应过程 31 。其氨态氮 的减少及硝态氮的增加， 也是堆肥腐熟度评价的常用指标。 但不同物料的总氮及氨态氮的含 量存在一定的差异，很难用其绝对数值来描述堆肥的腐熟程度。因此，Bernal 等2

11、6 提出以氨态氮与硝态氮的比值作为堆肥腐熟度的评价指标，对污泥、 猪粪以及城市垃圾等多种物料进行研究后认为，当其比值小于 0.16 时可认为堆肥已达腐熟。4.2.3 阳离子代换量 （CEC）Bernal26 堆肥试验后发现 CEC 在堆肥过程中呈上升趋势， 从初始的 53.5cmol/kg 上升到 105 天的 124.4cmol/kg ； Jimenez27 等研究指出， CEC 随堆肥进程而增加，并提出当固相 C/N12.0 ，液相 C/N67cmol/kgdm（ 以灰分计算 ）时，可认为堆肥达到腐熟。4.3 生物学指标 从堆肥腐熟的实用意义， 植物生长实验应是评价堆肥腐熟度最终和最具有说

12、服力的方法。 测 量植物毒性最简便的方法就是测量种子的发芽力。Zuc2coni 等28 提出许多植物种子在堆肥原料和未腐熟堆肥的萃取液中生长受到抑制， 而在腐熟堆肥的萃取液中生长得到促进， 并以 种子发芽指数 GI（Germination Index）=（ 浸提液种子发芽率 发芽长度 ）/（ 空白液种子发芽率 发 芽长度 ）来评价堆肥腐熟度，认为当 GI 大于 50%时堆肥己达腐熟。4.4 模糊综合评价系统 综合考察反映判别堆肥熟化度的主要因素：表观指标、碳氮比值降解率、平均耗氧速率、氨 氮变化率、 高温嗜粪菌记数和霉菌记数， 并建立起模糊综合评价系统， 把腐熟度分为 4 个等 级：腐熟、较好

13、腐熟、基本腐熟和未腐熟 29 。5 有机肥施用对作物与土壤的影响5.1 有机肥施用对蔬菜硝酸盐含量的影响 有机肥单独施用或与无机肥适量配合施用可以明显降低蔬菜硝酸盐含量30 。李仁发等 31研究报道， 空心菜的基、 追肥采用化肥与有机肥配合施用的处理， 与单施等量化肥的处理相 比，硝酸盐和亚硝酸盐分别降低 12.4%和 16.7% ；基、追肥均施用有机肥的处理，硝酸盐和 亚硝酸盐的降幅更为显著，分别为22.2% 和 28.3%。盛下放试验表明，增施人工腐熟有机肥50 天后，包菜和甜椒的硝酸盐含量分别比对照降低45.3% 和 35.8%32 。可见，施用有机肥是降低蔬菜硝酸盐累积的有效措施。5.

14、2 有机肥施用对作物其它品质指标的影响有机肥施入土壤后， 生物降解有机质是个渐进的过程， 养分释放缓慢， 比较适合作物对养分 的充分吸收。包菜和甜椒增施人工腐熟有机肥 50 天后，维生素 C 含量分别比对照增加 25% 和 37.3%32 。羊粪和麦秸混合腐熟物与沙化土以合适比例作为基质，日光温室种植甜瓜，可改善其品质， 提高还原糖、 总糖和维生素 C 含量 33 ，而有机肥含有的各种氨基酸也可以调节植物生长和 发育。5.3 对土壤结构与肥力的影响土壤增施有机物料， 除其自身的持水容量较土壤矿质部分高， 有利改善土壤持水特性外， 另 一方面它还能增加土壤总孔隙度，改变孔隙的分布状况。古伯贤34

15、 研究发现，在设施栽培中施入不同有机物料的各处理大于 0.25mm 的团聚体较不施肥区增加 33.46% 56.09%。在 温室中施用有机肥后土壤中的氮在当季的利用率为20% 30%，微量元素的含量也很可观50 。党廷辉等 35在蔬菜基地中试验结果表明，连续施用有机肥 9 年以后，土壤的养分含 量与供给能力明显提高。 单施有机肥比对照土壤有机质、 全氮、 全磷分别增加 56.5%，39.2% 和 27.6%；土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量分别增加55.7%，230.0% 和 20.1%。在长期定位施肥 15 年的菜田土壤施用腐熟马粪的研究表明，长期施用有机肥，提高了土壤有机质含 量，而土壤有机

16、质可以螯合锌，增强锌的有效性 36 。施用有机肥，提高土壤有机质含量对 培肥土壤，提高地力防止土壤退化有重要的意义。5.4对土壤 pH值和 EC的影响土壤 EC 值的大小反映土壤水溶性盐量高低。 有研究发现，土壤 EC 值高，水溶性盐分多 37。 张春兰 38研究结果表明施用稻草及鸡粪在 42d 以后与单施化学肥料相比土壤中的电导率分 别下降了 24.8% 和 30.3% 。施用有机肥后设施栽培土壤最初的pH 值比用化肥低，但是经过一段时间后 pH 值会升高并且它的水平会超过用化肥的土壤 39 。蔬菜地施用畜禽粪便与秸秆为原料生产的有机肥，有利于提高土壤有机质含量，降低土壤 pH，防止土壤盐分

17、积累。5.5 对土壤微生物和酶活性的影响 施用化肥后土壤中氮的总量和土壤中微生物的量成反比， 然而施用有机肥后设施栽培土壤中 氮的总量与土壤中微生物的量呈正比 40 。另外一些研究结果也表明施有机肥的各类土壤中 微生物数量均远远超过单施化肥的土壤41，42 。施入有机肥后会降低使植物致病的微生物数量，例如减少土壤中腐霉菌和致病菌的数量，增加土壤中有益的微生物种类39 ，43，从而减轻作物的病害。土壤酶活可作为土壤肥力水平高低的指标44 46。温室黄瓜栽培试验表明，烘干鸡粪、腐熟牛粪的施用可提高土壤酶活性47 。和文祥 48 等在蔬菜基地中经过22 年连续耕种的结果表明，单施化肥土壤脲酶的增幅不足7.74%，厩肥处理的土壤中脲酶约增加了 74.35%，而且脲酸酶也有显著的增加。5.6 对土壤重金属含量的影响在畜牧业生产中，由于一些微量元素如Cu、Zn 、Fe、As 等能防治畜禽疾病如防止腹泻、促进生长和提高禽蛋产量，所以被广泛应用于饲料添加剂中4951 。一些饲料厂和养殖场普遍采用高铜、高铁、高锌等微最元素添加剂。研究表明，随着饲料中铜和锌添加量的增加， 这些重金属的排泄量几乎呈直线上升，铜和锌在粪中排泄量占95%以上，只有少