生物炭對沼渣堆肥理化性狀及微生物種群變化的影響

2023年12月30日發(作者：武漢市社會科學院)

生物炭對沼渣堆肥理化性狀及微生物種群變化的影響

張海濱;孟海波;沈玉君;趙立欣;周海賓;丁京濤

【摘 要】[目的]近年來沼氣工程發展迅速,沼渣的合理利用成為制約沼氣工程發展的瓶頸.本文通過試驗探討了添加生物炭制備沼渣堆肥的可行性,為沼渣高效資源化利用提供一條安全可行的途徑. [方法]供試沼渣為雞糞沼氣工程(干發酵,沼渣經固液分離處理),生物炭為果木于550℃高溫熱解2h制得.以沼渣為主要堆肥原料,添加豬糞調節氮含量,以1 cm左右玉米秸稈為調理劑,控制物料C/N為25:1,含水率控制在65％～70％,在室溫25℃下堆置30d.生物炭添加量共設0、2％、5％和10％四個水平(表示為CK、F1、F2、F3).測定了沼渣堆肥過程中的理化性質及微生物含量變化.[結果]堆肥過程中,各處理最高溫度均達到55℃以上,F1、F2處理組高溫持續時間在6d左右,達到無害化要求.pH與EC具有相同變化規律,均呈先上升后下降,最后趨于平緩趨勢.四組處理的pH值在8.55～8.80之間,F2處理pH值始終大于其它三組處理,且處于較高水平(＞8.7),升溫期pH最大值達到9.03.四組處理電導率均低于1 mS/cm.與CK相比,F1、F2、F3處理組有機質含量分別降低了13.0％、9.3％、7.4％,且總有機質含量均大于45％,總養分含量分別提高了6.5％、4.3％、2.2％,種子發芽指數也均在85％以上.添加生物炭對細菌、真菌、放線菌的影響不同.隨著生物炭添加比例的提高,細菌數量減少,兩者呈負相關;放線菌數量呈上凹曲線型,F2處理對放線菌具有最大抑制作用;真菌數量隨生物炭添加量增加而增加.不同處理堆肥腐殖質含量變化總體先減少后增加,呈“V”字型,第l1d達到最低值,以F1處理組始終處于較高水平,遠高于其它三組處理,最高值達到24.08％,最低為17.92％.與CK對比,F1、F2、F3處理組產品腐殖質含量分別提高了8.12％、7.23％、7.43％.[結論]生物炭的添加能夠延長堆肥的高溫期,改變堆體理化性質,促

進堆肥腐熟,提高總養分含量,綜合分析生物炭對微生物的影響,添加2％的生物炭(干基比)對堆肥微生物的生長具有最大的促進作用,顯著促進堆肥腐熟.

【期刊名稱】《植物營養與肥料學報》

【年(卷),期】2019(025)002

【總頁數】9頁(P245-253)

【關鍵詞】生物炭;沼渣;微生物;腐殖質;發芽指數

【作 者】張海濱;孟海波;沈玉君;趙立欣;周海賓;丁京濤

【作者單位】天津科技大學生物工程學院,天津300457;農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所/農業部資源循環利用技術與模式重點實驗室,北京100125;農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所/農業部資源循環利用技術與模式重點實驗室,北京100125;農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所/農業部資源循環利用技術與模式重點實驗室,北京100125;農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所/農業部資源循環利用技術與模式重點實驗室,北京100125;農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所/農業部資源循環利用技術與模式重點實驗室,北京100125;農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所/農業部資源循環利用技術與模式重點實驗室,北京100125

【正文語種】中 文

在厭氧環境下，有機廢棄物在微生物作用下經過發酵產生沉積物，即沼渣。沼渣營養物質豐富，是優質的農田填料，但不合理的處理會造成環境污染，資源浪費。據不完全統計，2005年至2015年期間我國沼氣工程由1.2萬處猛增至11.09萬處，

沼渣數以千萬計[1]。沼渣制肥是解決沼渣資源化利用、防止二次污染的有效途徑。沼渣以難降解有機物為主，例如纖維素類物質[2]，不適合單獨好氧發酵，通過添加污泥、畜禽糞便[3-4]、微生物菌劑[5-6]等方法，可以提高沼渣堆肥腐熟效果，達到有機肥標準。

生物炭富含有機質，具有微孔結構[7-11]，是堆肥過程中理想的添加材料，有利于改變堆肥環境并提高堆肥產品的品質。有研究表明，豬糞堆肥中添加9%的竹炭可以提高約65%的總氮含量[12-13]；同時，向畜禽糞便中添加生物炭可以促進堆肥腐熟，加速有機物降解，提高腐殖酸含量[10, 13]；生物炭的添加還可以促進微生物繁殖，提高微生物數量，進而改善堆肥條件[14]。

然而，生物炭對沼渣堆肥理化特性的影響缺乏研究，生物炭如何影響微生物數量還未見報道。本研究以生物炭為添加劑，研究生物炭對沼渣堆肥過程中理化性質、微生物數量及堆肥腐熟的影響，以期為生物炭基沼渣肥的研發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 堆肥原料

沼渣取自北京大興區留民營雞糞沼氣工程 (干發酵，沼渣經固液分離處理)，豬糞取自大興青云店，玉米秸稈取自北京市大興區青云店鎮孝義村周邊農田；生物炭購于河南商丘三利公司，由果木于550℃高溫熱解2 h制得。供試材料理化性質詳見表1。

1.2 堆肥設備

堆肥設備采用農業部規劃設計研究院自主研發發酵罐，為雙層圓筒狀結構，由不銹鋼制成，頂部密封，為密閉式堆肥反應器。堆肥設備外徑45 cm，高46 cm，管壁厚5 cm，容積為60 L。試驗過程中通過鼓風機曝氣，提高氧氣濃度，曝氣風速0.1 m3/(m3·min)，每個堆肥設備布設三個專用溫度傳感器，分別連續監測上、中、下三個不同高度堆體溫度。根據經驗值設計堆肥設備自動化曝氣時長5 min、間隔

40 min，采用時間反饋控制好氧發酵 (圖1)。

表1 堆肥原料理化性質Table 1 Physical and chemical characteristics of

compost materials(%) C/N 含水率 (%)Moisture豬糞Pig manure 8.82 0.57

15.58 70.0秸稈 Straw 38.28 0.84 45.57 12.7沼渣 Biogas residue 25.39 1.55

16.38 62.4生物炭 Biological C 58.42 0.60 97.37 7.5原料 (干基)Raw material

(dry ba)C N(%)

圖1 強制通風靜態垛堆肥反應器示意圖Fig. 1 Sketch map of static pile

composting reactor with mandatory ventilation[注（Note）：1—電腦Computer; 2—溫度采集器Temperature collector; 3—溫度探頭接口Temperature probe interface; 4—尾氣探頭接口Exhaust probe interface; 5—蓋子Cover; 6—取樣口Sampling port; 7—保溫層Insulating layer; 8—排水處Drainage port; 9—尾氣處理Exhaust gas treatment; 10—滲濾液收集Leachate collecting; 11—滲濾液排出口Leachate discharge outlet; 12—篩板Sieve plate; 13—進氣口Air inlet; 14—流量計Flow meter; 15—電磁閥Electromagnetic valve; 16—氣汞Gas mercury; 17—尾氣收集Exhaust

collection; 18—物料層Material layer; 19—輪子Wheel.]

1.3 試驗設計

以沼渣為主要堆肥原料，添加豬糞調節氮含量，以1 cm左右玉米秸稈為調理劑，控制物料C/N為25∶1，含水率控制在65%～70%，在室溫25℃下堆置30 d。試驗共設4個處理，F1、F2、F3分別添加2%、5%、10%比例的生物炭，以CK為對照，生物炭添加量按物質干重比計算，具體見表2。

表2 不同原料配比 (kg)Table 2 Different raw material ratios處理Treatment總炭TOC F1 6.0 10.0 4.0 0.20 0.11 3.07 F2 6.0 10.0 4.0 0.50 0.11 3.07 F3 6.0

10.0 4.0 1.02 0.11 3.07 CK 6.0 10.0 4.0 0 0.11 3.07玉米秸稈 Maize straw(含

水率 Moisture 12.7%)沼渣 Biogas residue(含水率 Moisture 62.4%)豬糞 Pig

manure(含水率 Moisture 70.0%)生物炭Biochar總氮Total N

1.4 樣品采集

堆制過程中，利用溫度反饋自動控制系統每30 min自動記錄堆體溫度，并在堆肥不同階段分別監測堆體電導率、pH值、腐殖質的變化，堆肥結束后測定有機肥產品行業指標及種子發芽指數。堆肥過程中分別在1、2、4、8、12、16、20、30

d采集堆肥樣品300 g，每次樣品分成2份，一份保存在-80℃微生物保存冰箱中待用，一份用于檢測各理化指標。各指標做3次平行。

1.5 測定方法

1) 堆肥溫度：用溫度反饋自動控制系統實時監測并記錄。

2) pH值、電導率 (electrical conductivity，EC)：稱取過Φ1 mm篩的風干樣5.0 g于100 mL燒杯中，加50 mL水 (經煮沸驅除二氧化碳)，攪動15 min，靜置30 min，用pH計測定pH，用電導率儀測定EC。

3) 種子發芽率指數 (germination index，GI)：取堆肥浸提液20 mL，倒入墊有濾紙的培養皿中 (對照取20 mL清水)，取30粒油菜種子于 (20±1)℃恒溫恒濕培養箱中培養48 h測定發芽率[15]。

4) 腐殖質含量：重鉻酸鉀—硫酸法。

5) 微生物數量：熒光定量PCR (絕對定量)，由北京美吉桑格生物科技有限公司測定。

1.6 數據處理

采用Origin10.0軟件進行作圖分析，采用SPSS statistics19.0軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中溫度的變化

圖2顯示，四組處理溫度均經歷了“上升—下降—穩定”的變化過程。這是因為升溫期，微生物快速分解利用堆體中易降解有機物，大量繁殖并產生大量熱能，堆肥溫度迅速上升；進入高溫期溫度達到55℃以上，導致大量微生物失活，并在曝氣作用下水蒸氣帶走大量的熱能，堆肥溫度開始下降；微生物復蘇以后，堆肥開始腐熟，發酵過程結束[16]。隨著生物炭添加比例的增加，各堆肥處理最高溫度分別達到57.28℃、59.54℃、61.02℃、57.2℃；處理F1、F2不僅可達到55℃以上，而且高溫持續時間在6天左右，堆肥可達無害化標準；但處理F3、CK維持時間僅3天，達不到無害化標準 (好氧堆肥無害化工藝條件：堆層溫度55℃以上需維持3天以上[17])。

添加生物炭沼渣堆肥與普通堆肥對比，可以更快的達到高溫期，延長高溫期時間。F3處理與F1、F2、CK相比較，最高溫度可以達到61.02℃，但高溫期維持時間短，達不到無害化要求。這主要是因為生物炭的微孔結構可以增加持水性，較高的含水率有利于保溫；而過高的生物炭添加比例會增加堆體孔隙率，在高溫曝氣的情況下，會加速水分的流失，不利于保溫，從而導致溫度高而時間短[18]。

圖2 堆肥過程中溫度的變化Fig. 2 Changes in temperature during the

composting

2.2 堆肥過程中pH、EC的變化

圖3 顯示，堆肥初期各處理的pH值在8.55～8.80之間，且后期變化趨勢相同，均呈先上升，后下降，最后趨于平緩趨勢。堆肥過程中，F1處理pH值始終大于其它三組處理，處于較高水平(＞8.7)，且升溫期達到pH最大值9.03，這說明F1有機質分解較快，產生大量NH3，NH4·OH的存在導致pH值的升高；CK處理pH值始終處于低水平，堆肥后期達到最小值8.34。

圖3 堆肥過程中pH和電導率的變化Fig. 3 Variation of pH and EC during

composting

堆肥重要因素之一是可溶性鹽的濃度 (EC)，主要以離子態存在于浸提液中，且對作物具有毒害作用。研究顯示，堆肥腐熟的指標之一是不超過電導率限值4.0

mS/cm[19]。由不同處理電導率變化（圖3）可知，沼渣經過二次發酵，所有處理電導率均低于1 mS/cm (沼渣經過初次厭氧發酵，大量可溶性鹽進入沼液)，變化趨勢與pH相似，表現為升溫期上升，高溫期達到最大值，降溫期下降趨于平緩；四組處理電導率均在降溫期達到最小值，依次為F3＞CK＞F2＞F1，F1處理電導率最低，在0.6 mS/cm左右。

圖3顯示，生物炭對pH、EC具有顯著影響。CK處理pH始終處于低水平，生物炭的添加促進了微生物的繁殖，分解有機物產生大量NH3和小分子有機酸，堿化作用大于酸化作用，引起pH上升；進入高溫期以后，微生物活性降低，小分子有機酸酸化作用凸顯，pH降低；降溫期溫度下降以后，小分子有機酸被逐漸礦化降解，堆體的pH值稍有升高并趨于穩定。堆肥過程中EC變化趨勢與pH變化趨勢類似，但是EC下降速率較快，主要原因是生物炭對鹽基離子具有一定的吸附作用，減少水溶性鹽含量；同時，微生物對鹽基離子具有降解作用[4]。因此，適當地添加生物炭可以延長高溫期，降低EC值。

2.3 堆肥過程中微生物的變化

2.3.1 細菌 圖4顯示，堆肥過程中細菌總量在升溫期與降溫期分別達到最大值，產生兩次波峰，高溫期細菌總量降低，這是由于堆肥初期微生物利用易降解有機物，如可溶性單糖、粗蛋白大量繁殖；高溫期溫度達到55℃以上；高溫階段大量細菌失活，導致微生物數量急劇減少；降溫階段溫度下降，周圍環境再次適宜微生物的生長，細菌復壯；但堆肥后期有機物較難降解，無法滿足細菌的生長需要從而導致細菌總量再次減少。微生物數量表現出升溫期急劇增長，高溫期減少，后期再增長的趨勢；堆肥前期 (0～8 d) F1 ＞ CK ＞ F2 ＞ F3，堆肥后期(9～30 d) F1 ＞ F2

＞ F3 ＞ CK；其中，F1 處理細菌數量遠多于其它三組處理，CK處理在堆肥前期

(0～8 d) 細菌數量要高于F2、F3處理，但堆肥后期 (9～30 d) F2、F3處理反而超過CK處理，說明生物炭特有的微孔結構給細菌提供了有利于細菌生長的微環境[20-21]。2.3.2 放線菌 整個堆肥過程中，放線菌變化趨勢與細菌類似，呈“上升—下降—再上升”趨勢，但在數量上比細菌低兩個數量級；堆肥過程中，放線菌微生物量 F1 ＞ F3 ＞ CK ＞ F2，F1 處理放線菌數量顯著多于其它處理，F2處理始終處于低水平，F3處理處于中間水平 (圖4)。這可能是由于生物炭不但具有保護微生物、提供微環境的優勢，同時具有相對減少碳源的劣勢，影響微生物生存；當優勢大于劣勢，對微生物產生正作用，反之，產生負作用。

圖4 堆肥過程中微生物數量的變化Fig. 4 Changes of microbial quantity

during composting[注（Note）：CK、F1、F2、F3 生物炭添加量分別為添加0、2%、5%、10%Biochar addition is 0, 2%,5% and 10% in CK, F1, F2 and F3;

*—P＜0.05.]

2.3.3 真菌 由圖4可知，在數量上，真菌遠比細菌、放線菌要少，且真菌對堆肥環境的變化更加敏感，因此，堆肥過程中真菌的變化較為明顯。堆肥過程中，真菌的數量 F3 ＞ F2 ＞ F1 ＞ CK，CK 處理真菌數量最低，真菌數量與生物炭添加比例成正比，生物炭對真菌具有保護作用，提供了適宜的微環境。

2.3.4 微生物總量 四組處理變化趨勢相同，堆肥微生物中，細菌占比較大，細菌比放線菌要高2個數量級，比真菌要高6個數量級，因此微生物總量的變化趨勢與細菌類似，先上升后下降再上升；而F1處理生物量遠高于其它處理，升溫期 (1天) 達到最大值5.14×1011 cfu/g，高溫期 (8天) 達到最小值0.8×1011 cfu/g。堆肥過程中，堆肥初期主要降解一些易降解有機物，微生物增殖迅速，溫度在1天內達到50℃，pH、EC等理化指標同時呈上升趨勢；達到高溫期 (55℃以上) 以后，嚴重影響微生物生理活性，微生物數量減少，隨著降解活動的減少，pH、EC等理化指標開始下降，溫度達到頂峰以后也開始下降；隨著溫度的降低，堆肥環境

逐漸適宜微生物生長，微生物開始繁殖，堆肥達到腐熟階段，溫度、pH、EC變化趨勢趨于平緩。

微生物是堆肥過程中的主要參與者，與堆肥環境之間具有相互作用[22-25]，與有機物的降解、腐熟息息相關。堆肥溫度與微生物之間是相互影響的，微生物的生長繁殖勢必會引起堆肥溫度的變化，且適宜的堆肥溫度有利于微生物的生長，而高溫會產生抑制作用。由圖2可知，堆體在第4天達到55℃，第11天溫度下降到55℃以下；微生物總量在第4天達到谷值，第11天開始回升；微生物增長出現兩次峰值，一次出現在升溫期，一次出現在降溫期，變化趨勢與溫度相反，體現了溫度與微生物之間的相互影響作用。

細菌作為沼渣堆肥過程中的主要微生物，相比于真菌、放線菌，大的比表面積可以提高細菌對可溶性底物的利用效率，加快細菌繁殖[26]，在數量上遠高于真菌、放線菌；細菌量堆肥前期 (0～8 d) F1 ＞CK ＞ F2 ＞ F3，堆肥后期 (9～30 d) F1 ＞

F2 ＞ F3 ＞CK，說明細菌與生物炭添加量之間呈負相關，過量的生物炭并不利于細菌的生長，生物炭具有較低的生物有效性[27]，難以被細菌降解利用，同時存在于生物炭中的有毒揮發性物質對細菌具有毒害作用[28-29]，從而對細菌生長產生負作用。

放線菌具有發達的菌絲和細胞壁，很少利用纖維素，但它們可以容易地利用半纖維素，并在一定程度上分解木質素，放線菌還可以耐受高溫和堿性環境[30-31]。沼渣堆肥過程中，放線菌數量F1 ＞ F3 ＞CK ＞F2，說明生物炭對放線菌的影響呈上凹型，適量生物炭對放線菌有最高的抑制作用。這是因為生物炭除了直接提供微生物生長場所以外，還可能引起沼渣堆肥理化性質的改變、養分含量與有效性的增減等[32-33]，這些改變會導致放線菌發生不同的生長代謝反饋，改變生長分布狀況，最終導致放線菌數量不同的變化趨勢[34-35]。

真菌對于沼渣堆肥物料的腐熟和穩定具有重要意義[2]。研究表明，真菌的生長繁

殖受堆肥溫度的影響顯著，絕大部分的真菌是嗜溫性菌，其最適溫度為25～30℃。對于真菌微生物量，堆肥過程中F3 ＞F2 ＞ F1 ＞ CK，說明生物炭對真菌的影響呈正相關，添加生物炭有利于真菌生長，主要原因是生物炭的高芳香化表面、孔隙結構及對水肥吸附作用使其為真菌棲息提供良好的“微環境”[36-37]，有利于真菌生長，從而提高真菌數量。綜合試驗結果表明，F1對沼渣堆肥微生物總量具有最大正相關性，顯著促進堆肥腐熟。

2.4 堆肥過程中腐熟度的變化

圖5顯示，腐殖質含量總體表現為先減少后增加的趨勢，呈“V”字型，第11天達到最低值，F1始終處于較高水平，遠高于其它三組處理 (F1 ＞ F2 ＞CK ＞ F3)，最高值達到24.08%，最低為17.92%，F3處于最低水平；與CK對比，F1、F2、F3處理腐殖質含量分別提高了8.12%、7.23%、7.43%。

圖5 堆肥過程中腐殖質的變化Fig. 5 Changes in humus during the

composting

沼渣堆肥過程中，腐殖質同時存在分解與合成的反應，堆肥初期微生物活性高、數量多，腐殖質中的一些小分子物質 (以富里酸為主) 被微生物分解、利用，大分子的腐殖質 (以胡敏酸為主) 累積，合成與分解處于一個大的動態平衡之中。圖5表明，腐殖質的含量變化呈“V”字型，腐殖質的積累主要發生在堆肥后期，說明沼渣堆肥后期對于有機肥的腐熟、穩定是不可或缺的階段，與孫向平[38]的研究一致。

單因素方差分析結果 (表3)表明，生物炭的添加顯著影響腐殖質的形成 (P＜0.05)，與CK對比，F1、F2、F3處理腐殖質含量分別提高了8.12%、7.23%、7.43%。關于堆肥中腐殖質的形成，有研究認為存在兩種途徑：一是在微生物作用下，木質素的側鏈氧化生成木質素類衍生物，構成了腐殖質的核心和骨架，這是腐殖質形成的重要途徑之一[39]，二是由微生物代謝后的單聚體聚合而成[40]。兩種途徑均突出了微生物的作用，猜測生物炭通過影響沼渣堆肥微生物進而影響腐殖質的合成。

2.5 有機肥品質

由上可知，本試驗中四組不同處理均達到高溫期 (55℃以上)，F1、F2可滿足無害化標準 (55℃以上維持3 d以上) ；與CK相比，F1、F2、F3有機質含量分別提高了12.96%、9.26%、7.41%，總養分含量分別提高了6.5%、4.3%、2.2%，且有機質含量均大于45%；四組處理pH值始終處于8.0以上，電導率低于1 mS/cm，由圖6種子發芽指數變化可以看出，所有處理種子發芽指數均在85%以上，依次為F1 ＞ F2 ＞ F3 ＞ CK，無毒害作用；除含水率外，總養分、糞大腸菌群數、蛔蟲卵死亡率等均符合中華人民共和國農業行業標準《NY525-2012有機肥料》[41]。堆肥結束后可以適當晾曬，調節含水率，達到有機肥標準(表4)。

表3 單因素方差分析Table 3 Variance analysis of single factor項目 Item SS

df MS F P細菌 Bacteria 組間Inter-group 26.538 7 3.791 5.557 0.001組內

Intra-group 16.373 24 0.682總數 Total variation 42.910 31放線菌

Actinomycete 組間Inter-group 234.530 7 33.504 2.176 0.074組內 Intra-group 369.560 24 15.398總數 Total variation 604.090 31真菌 Fungi 組間Inter-group 97.018 7 13.860 0.828組內 Intra-group 401.676 24 16.736總數

Total variation 498.693 31腐殖質 Humus 組間 Inter-group 736.711 7

105.244 5.934 0.000組內 Intra-group 425.632 24 17.735總數 Total

variation 1162.343 31

圖6 種子發芽指數Fig. 6 Germination index

3 結論

1) 生物炭能夠延長高溫期，提高有機質和總養分含量。

2) 添加生物炭可以有效降低細菌菌群數量，促進真菌生長，進而加快沼渣肥的腐熟，且提高沼渣堆肥腐殖質含量。

3) 綜合試驗結果，添加2%生物炭 (干基) 對促進堆肥腐熟、提高養分含量效果最

顯著。添加過多生物炭將不利于堆肥的腐熟。

表4 有機肥產品相關指標測定值及有機肥行業標準值 (干基)Table 4 Values of

quality items of the produced organic fertilizers and the standards value by

the organic fertilizer industry standard (Dry ba)指標Index CK F1 F2 F3 行業標準 Industry standard有機質 Organic matter (%) 47 54 49 50 ＞45含水率

Moisture content (%) 38 37 38 39 ＜30總氮 Total N (%) 1.87 2.10 1.78 1.86總磷 Total P (%) 5.74 6.01 5.84 5.87總鉀 Total K (%) 1.61 1.76 1.59 1.74總養分 Total nutrient (%) 9.22 9.87 9.61 9.47 ＞5糞大腸菌群數 Fecal coliform

number (cfu/g) ＜3.0 ＜3.0 ＜3.0 ＜3.0 ＜100蛔蟲卵死亡率 Ascaris egg

death rate (%) 100.0 100.0 100.0 100.0 ＞95

參 考 文 獻：

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