棉秆木醋液对牛粪堆制过程理化特性动态变化的探究

石长青，李治宇（.塔里木大学动物科学学院，新疆阿拉尔843300；2.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300；3.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔843300）

棉秆木醋液对牛粪堆制过程理化特性动态变化的探究

石长青1，李治宇2，3
（1.塔里木大学动物科学学院，新疆阿拉尔843300；2.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300；3.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔843300）

研究物化特性能为有效堆肥高纤维类废弃物的处理与资源化利用提供一定的前期理论基础，实现畜禽粪便无害化和资源化。试验以牛粪和锯末为原料，用添加不同浓度（0.20%、0.35%、0.50%、0.65%和0.80%）的木醋液和对照组对35 d牛粪好氧堆肥过程的影响。结果表明：处理组的堆体温度均高于对照组，有助于堆肥升温、高温保持；在整个堆肥过程中，所有堆体的含水率均在40%～70%，处理组含水率下降值要比对照组大，0.65%木醋液组的堆体含水率减少量最大为24.14%；各处理堆体pH值最终稳定在8.30左右，呈弱碱性；添加木醋液能促使堆肥物料的降解，在35 d的堆肥过程中，各处理的有机质分别降低了12.43%、13.93%、16.62%、17.88%、15.29%和10.43%；同时添加木醋液还能提高NH+4-N的含量，促使堆肥后期NO-3-N的转化。堆肥结束时，添加木醋液可使NO-3-N的含量提高87.37%～92.31%。研究表明，添加木醋液能促进堆肥物料的降解，加快堆肥腐熟，提高产品质量。木醋液作为一种潜在的牛粪堆肥添加剂，在促进畜禽粪便污染治理及资源化利用方面具有重要的借鉴意义。

牛粪；木醋液；堆肥；理化特性

近年来随着畜禽养殖业的迅速发展，畜禽粪便污染问题日益突出，由于畜禽粪便未能得到有效的处理和综合利用，大量畜禽粪便污染物被排放到环境中使其成为土壤、水体和空气的主要污染源，给我国生态环境带来了巨大的压力，同时还直接影响畜禽生长，还可以通过食物链富集危害人体健康。目前用生物质木醋液［1］作为添加剂来处理畜禽粪便的比较少，木醋液也用于堆肥，具有杀菌［2，3］、防虫、脱臭效果和促进堆肥腐熟的作用［4］，用于牛粪堆肥中处理的还未见报道。加之我国有丰富的农业生物质资源［5］，据统计，2010年仅新疆且末县定植红枣就有6 666.67 hm2，棉秆年产量依然达到750万t左右。这些剩余物为木醋液制取提供了充足的原料。为农林剩余物资源化及畜禽粪便无害化、资源化处理提供技术支持。同时可解决畜禽粪便污染问题，对生态畜牧业可持续发展具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料试验中的棉秆木醋液由生物质热裂解实验装置热解得到，该装置功率为12 kW，一次最大可放4 kg物料，最高温度可加热到600℃。棉秆是由阿拉尔市团场棉花种植户提供。棉秆木醋液的制取是将风干棉秆直接放入热解装置内，每次进料1 kg，起始温度20℃，终止温度500℃，热解2 h，气体经泠凝装置冷凝为液体，在出口收集到的木醋液为粗木醋液，经静置沉淀后，取上清液体，即为试验所用木醋液（见表1）。供试的堆肥原料来源于塔里木大学动物科学学院的养牛场，所采用的为预堆制过的牛粪。锯末来自校外的木材加工厂。堆制原材料的基本理化性状，见表2。

1.2 堆制方案试验于塔里木大学动物科学学院养殖基地进行。堆肥试验共设6个处理。即牛粪中分别添加0、0.2%、0.35%、0.5%、0.65%和0.8%的木醋液（w/w，全文堆制过程所涉的木醋液添加量均为木醋液与牛粪鲜重的比值），分别命名为CK、CL1、CL2、CL3、CL4和CL5。试验组木醋液加1 500 mL的蒸馏水稀释，同时CK也加1 500 mL的蒸馏水。

表1 木醋液理化性质

表2 堆肥原料初始理化性质

1.3 堆制工艺堆制过程按牛粪堆料的C/N比在25～50范围内，将牛粪和锯末按10∶1的比例均匀混合。分别装入有效直径1.1 m，高0.37 m的塑料桶内，在距离桶底1 cm出开一个孔，孔的直径是2 cm，将直径2 cm的PVC管插入里面，同时在桶里面放一个2 cm高的支撑架，上面放上一个篦子，同时铺一层透气性很好的塑料编制膜，然后将PVC管接上鼓风机，对其通风供氧。试验采用静态强制通风的方式对牛粪进行堆肥处理，堆肥第3天、第7天对其进行通风，以后每周通风一次，堆肥后期停止通风，每天11：00通风，每次通风时间为30 min。堆肥时长共计35 d。图1为小型强制通风好氧堆肥装置。

图1 小型强制通风好氧堆肥装置

1.4 采样方法分别于堆制开始后第0、7、14、21、28、35天采样1次，在堆体的中部取样，取样时间为11：00，按照内、中、外3圈各随机取点采集3个次级样品，然后将其混合成一个待测样品，其中每次取样量为10 g。

温度：每天分别于11：00、16：00测定堆肥，每次测定堆体的上、中、下3个位置的温度然后求其平均值。

1.5 主要仪器pHS-3C型pH计；温度传感器（JCJ100TW）；箱式电阻炉（SX-2.5-10）；多功能酸度仪（pH-2603）；分析电子天平（FA1004）；电热鼓风干燥箱（GZX-9140MBE）；生物质热裂解实验装置（BRES06-1）。

1.6 测定方法pH：pH计法［6］；含水率：真空烘箱法［7］；有机质：灼烧法［8］；铵态氮：靛酚蓝比色法［9］；硝态氮：酚二磺酸比色法［9］；木醋液成分测定：GC/MS测试［1］；密度瓶法；EC：电导法［10］。

1.7 统计分析数据处理与统计分析采用SPSS13.0统计软件，本试验采用单因素随机变量方差分析，在α=0.05水平下进行组间显著性检验，绘图采用MATLAB软件。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程的温度变化由图2可知，在整个堆肥过程中，各处理的堆体温度变化趋势基本一致，整体上呈现先上升后下降的趋势，表现为升温期、高温期和降温期的阶段变化规律。至堆肥结束时，各处理温度均趋于环境温度。堆温在第1周以后会出现一个下降的拐点，主要是由于通风带走了部分温度，同时随着氧气的进入，微生物的活动又开始活跃导致温度又开始上升，堆肥中后期由于微生物的减少温度也不断降低，同时伴随有机酸的产生会进一步被微生物分解促使温度再次的升高，随着堆肥的进行，堆体中易降解有机质含量的减少，其产热量亦随之减少，最后趋近于环境温度。图2表明，CL4、CL3和CL5的温度均连续3 d以上超过55℃以上，达到美国环境保护局（USEPA）的堆肥无害化要求［11］。不同处理间的检验结果为处理间方差为19.417 8，F值为4.700，P值小于0.01，说明不同木醋液添加比例对牛粪堆肥过程温度的影响差异极显著。

图2 堆肥过程的温度变化

2.2 堆肥过程的含水率变化堆肥过程中的含水率均是在添加木醋液后进行测定，如图2所示。CK的含水率出现先增加后减少的趋势；与对照组相比，CL1和CL2的含水率在堆肥初期有一微小的上升的阶段，然后再下降；而CL4、CL5和CL3的含水率在整个堆肥过程中都呈下降趋势。添加较低木醋液和对照组出现了一个小的上升趋势，可能是由于有机物的大量降解产生CO2和H2O，与温度导致的水分挥发；木醋液添加超过0.50%以后温度引起的水分蒸发大于它所分解产生的水分。至堆肥结束时，CK、CL1、CL2、CL3、CL4和CL5的含水率分别为61.46%、62.55%、64.94%、64.48%、64.15%、65.76%，分别比初始含水率降低9.46%、12.93%、15.99%、22.59%、24.14%和19.34%。不同处理间的检验结果为处理间方差为6.569 6，F值为0.847，P值大于0.05，说明不同木醋液添加比例对牛粪堆肥过程含水率的影响差异不显著。

图3 堆肥过程的含水率变化

2.3 堆肥过程的pH变化如图4所示，本试验中堆肥初始pH在6.5左右，堆肥3 d后，整个堆肥过程中堆体pH值一直保持在8.02～8.96，这对于微生物的生存是非常有利的。但是随着堆肥的进行pH呈现一个先上升后下降再上升最后趋于稳定。堆肥结束后，CL1、CL2、CL3、CL4、CL5和CK的pH值分别为8.36、8.34、8.39、8.29、8.42和8.19，均比初始值高，且均比对照组高，并稳定在8.30左右。不同处理间的检验结果为处理间方差为0.3674，F值为0.230，P值大于0.05，说明不同木醋液添加比例对牛粪堆肥过程pH的影响差异不显著。

图4 堆肥过程的pH变化

2.4 堆肥过程的有机质变化由图5可以看出，经过高温好氧堆肥处理后有机质的含量均表现出下降趋势。CL1、CL2、CL3、CL4、CL5和CK分别从堆肥初始的68.69%、63.60%、67.94%、68.15%、68.29%和66.34%下降到堆肥结束时的56.26%、49.67%、51.32%、50.27%、53.00%和55.91%。分别下降了12.43%、13.93%、16.62%、17.88%、15.29%和10.43%，从以上数据可以看出，处理组均比对照组的降解率大，其中CL4的有机质分解率达到最大。不同处理间的检验结果为处理间方差为5.8115，F值为1.129，P值大于0.05，说明不同木醋液添加比例对牛粪堆肥过程有机质的影响差异不显著。

图5 堆肥过程的有机质变化

2.5 堆肥过程的NH+4-N（铵态氮）变化由图6可知，各处理的NH+4-N含量在0～14 d内快速增加并达到最大值，而后迅速下降。本研究中，在堆肥升温期及高温期，堆肥过程处理组的NH+4-N的含量均比对照组的含量高，CL1、CL2、CL3、CL4、CL5和CK在14 d时的NH+4-N的含量均达到最大，分别为394.96、420.41、615.42、710.65、560.71、335.83 mg/kg，CL4的含量最高。在堆肥后期，各处理NH+4-N的含量均迅速降低到较低水平。不同处理间的检验结果为处理间方差为131.201 6，F值为0.840，P值大于0.05，说明不同木醋液添加比例对牛粪堆肥过程NH+4-N的影响差异不显著。

图6 堆肥过程的铵态氮变化

2.6 堆肥过程的NO-3-N（硝态氮）变化由图7可知，在堆肥的整个过程中，NO-3-N的含量总体呈先增加后降低再增加的趋势。本试验中，在堆肥初期及高温期较低，堆肥降温期NO-3-N的含量迅速增加，但不同堆肥期的NO-3-N含量变化较大。不同处理间的检验结果为处理间方差为13.314 9，F值为0.428，P值大于0.05，说明不同木醋液添加比例对牛粪堆肥过程NO-3-N的影响差异不显著。

3 讨论

3.1 木醋液对温度的影响温度与堆肥中微生物活性密切相关，温度的变化反映了堆体内微生物活性的变化，能很好地反映堆肥过程所达到的状态［12］。从而实现堆肥的无害化和腐熟过程，因此温度是堆肥进程的直观体现。处理组均比对照组的堆体温度高，说明木醋液的添加是有助于堆肥升温、高温保持，可能是由于木醋液这种天然的植物液里面含有的各种芳香类、醇类和酚类物质提高了微生物活性。高温有助于杀灭虫卵、病原菌等，有利于堆肥的无害化。

图7 堆肥过程的硝态氮变化

3.2 木醋液对含水率的影响含水率是影响堆肥效果的重要参数［12］。含水率过高过低均不利于好氧生物处理。当含水率低于40%时，满足不了微生物生长的需要，有机物难于分解，牛粪好氧生物处理温度上升将受到抑制；当含水率超过70%时，则使氧气含量减少，微生物的活性降低，堆温下降，分解速度下降，导致厌氧发酵，同时形成发臭的中间产物［13］。堆料的适宜水分含量应在40%～75%。总体来看，随着有机物的不断降解，堆体的含水率逐渐下降并趋于稳定；处理组含水率下降值要比CK大，说明木醋液的加入促进了微生物的新陈代谢，加速水分蒸发，在一定程度上说明了堆肥效果较好。

3.3 木醋液对pH的影响pH是堆肥过程中的重要环境参数之一，同样也是影响微生物生长的重要因素之一，一般堆肥中微生物的生存环境以中性或弱碱性为宜，pH过高或过低都会使堆肥处理遇到困难［14］。徐灵等研究认为pH在7～9不会对微生物生长活动产生危害，利于堆肥顺利进行。因而一般不需调整堆肥物料pH值，微生物通常会自动调节以适应堆肥过程中pH的动态变化。堆肥初期主要是由于木醋液显酸性，添加后会对堆体的pH进行一定程度的中和，同时微生物分解有机物产生大量的NH3会引起pH迅速上升，此后随着堆肥硝化细菌活动的逐渐加强产生大量的H+、有机物分解产生的小分子有机酸等，会导致pH值下降；随着堆肥时间的进一步延长，小分子有机酸被逐渐矿化降解，堆体的pH值稍有升高，随着堆肥进入腐熟期有机物质进一步分解产生了有机酸，pH值逐渐下降。堆肥结束后，处理组均比对照组高，并稳定在8.30左右，均成弱碱性，符合堆肥腐熟的要求［14］。

3.4 木醋液对有机质的影响有机质是堆肥中微生物赖以生存和繁殖的基本条件，因此有机质的降解变化能在一定程度上反映堆肥的进程，可以通过研究堆肥过程中有机质的变化判断堆肥的腐熟度。处理组的有机质降解率均高于对照组，这可能是由于木醋液作为添加剂处理牛粪，激活了微生物活性，助长了微生物的繁殖，增加了堆肥过程中有机质的降解［15］。

3.5 木醋液对NH+4-N的影响在堆肥的升温期及高温期，含氮有机物在微生物的氨化作用下转化为NH3，以NH+4-N形式在堆体内积累，导致NH+4-N增加［16］。堆肥14 d后，各处理NH+4-N均呈下降趋势，这可能是由于NH3的挥发转化为NO-3-N或被微生物的固定为有机氮所致。木醋液处理组的NH+4-N均高于对照组，表明木醋液有利于NH+4-N的生成，有助于堆肥过程的进行。有研究认为堆肥物料NH+4-N含量低于400 mg/kg时可视为堆肥已经腐熟。至堆肥结束时，各处理NH+4-N含量均在104～214 mg/kg，堆肥达到腐熟要求。

3.6 木醋液对NO3-N的影响在堆肥初期（前14 d），无机氮转化为NH3以NH+4-N形态存在，高温高pH值环境也抑制了硝化细菌的活性，阻止了硝化作用的进行，使NO-3-N的含量难以增加；此后随着堆体温度下降，硝化微生物活性增加，消化作用增强，堆体的NO-3-N含量又逐渐升高。各处理的NO-3-N的含量均比对照组的含量高，木醋液的添加促进了微生物活动，或有利于NH+4-N向NO-3-N的生物转化。

4 结论

本研究结果表明，添加木醋液对牛粪堆肥的堆体温度影响显著，且处理组的堆体温度均高于对照组，有利于堆肥的无害化。在整个堆肥过程中，处理组含水率下降值要比对照组大，且0.65%木醋液组的含水率减少量最大为24.14%；处理组的pH值均高于对照组，且堆肥结束时pH稳定在8.30左右符合堆肥腐熟要求；处理组的有机质降解率均高于对照组，说明木醋液能促进有机质的降解程度。在整个堆肥过程中处理组NH+4-N和NO-3-N的含量均高于对照组，说明木醋液有助于堆肥前期氮素损失和堆肥后期NO-3-N的转化，从而促进了堆肥物料的腐熟。

［1］周岭，万传星，蒋恩臣.棉秆与杂木木醋液成分比较分析［J］.华南农业大学学报，2009，30（2）：22-25.

［2］Saberi M，Askary H，Sarpeleh A，et al.Wood vinegar as a biological product for managing Fusarium oxysporum f.sp.radiciscucumerinum［J］.Canadian J Plant Protection，2013，1（4）：129-133.

［3］Wititsiri S.Production of wood vinegars from coconut shells and additional materials for control of termite workers，Odontotermes sp.and striped mealy bugs，Ferrisia virgata［J］.Songklanakarin J Sci Technol，2011，33（3）：349-354.

［4］王海英，杨国亭，周丹.木醋液研究现状及其综合利用［J］.东北林业大学学报，2004，32（5）：55-57.

［5］胡俊梅.农作物秸秆资源化利用分析［J］.广东农业科学，2010，（4）：207-210.

［6］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.NY 525-2002有机肥料［S］.北京：中国标准出版社，2002.

［7］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 8576-2010复混肥料中游离水含量的测定真空烘箱法［S］.北京：中国标准出版社，2010.

［8］中华人民共和国建设部.CJ/T 96-1999城市生活垃圾有机质的测定灼烧法［S］.北京：中国标准出版社，1999.

［9］鲍士旦.土壤农化分析［M］.第三版.北京：中国农业出版社，2000.

［10］中华人民共和国国家林业局.LY/T 1251-1999森林土壤水溶性盐分分析［S］.北京：中国标准出版社，1999.

［11］USEPA.Composting：yard trimmings and municipal so lid waste［Z］.SEPA，530-R-94-003，1993.

［12］张蔓，魏明宝，马闯，等.不同调理剂对污泥好氧堆肥的影响［J］.河南农业科学，2014，43（1）：48-53.

［13］单德臣，单德鑫，许景钢，等.牛粪好氧生物处理条件分析［J］.东北农业大学学报，2007，38（4）：554-558.

［14］赵秀玲，朱新萍，罗艳丽，等.添加不同秸秆对牛粪好氧堆肥的影响［J］.中国农业科技导报，2014，16（3）：119-125.

［15］郭丽青，夏磊，顾林英，等.肉鸡饲用洛克沙砷的排泄、残留及其在鸡粪好氧堆肥中降解规律研究［J］.中国畜牧杂志，2013，49（21）：28-32.

［16］Wong J W C，Fung S O，Selvam A.Coal fly ash and lime addition enhances the rate and efficiency of decomposition of food waste during composting［J］.Bioresource Technol，2009，100（13）：3324-3331.

S823.9+9

：A

：0258-7033（2015）19-0080-05

2015-01-03；

2015-04-13

国家自然基金（51266014）；兵团博士资金（2011BB012）

石长青（1971-），男，四川人，硕士，副教授，硕士研究生导师，主要从事动物医学及畜禽粪便去污处理，E-mail：zhoul-007@163.com