李哲，張宿義，楊紅軍，秦輝，袁玲*，楊平，敖宗華，宋攀

1(西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，重慶，400716)2(瀘州老窖股份有限公司，四川 瀘州，646000)

我國(guó)是白酒生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，年產(chǎn)白酒1 300萬t[1]，其中濃香白酒占白酒總產(chǎn)量的75%[2]。每產(chǎn)1 t白酒產(chǎn)生3 t左右的酒糟，6～7 t廢水[3]。酒糟含水量約80%，稻殼含量超過60%(干基計(jì))，pH 4.0～4.5，主要成分為纖維素、二氧化硅和少量蛋白質(zhì)，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值低，適口性差，不宜做飼料[4]。處理釀酒廢水產(chǎn)生污泥，其主要成分為死亡的微生物殘?bào)w、變性淀粉和植素磷酸鹽等[5-6]，P2O5含量高達(dá)10%。目前，焚燒是無害化處理酒糟和污泥的主要方式，能耗大，成本高，資源化利用率低。但值得注意的是，酒糟和污泥富含有機(jī)質(zhì)和植物營(yíng)養(yǎng)元素，是潛在的有機(jī)肥源[2]。以酒糟和污泥為原料生產(chǎn)有機(jī)肥，可充分利用有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分資源，將無害化處理與資源化利用充分結(jié)合。

在微生物高溫發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥過程中，堆肥物料的碳氮比、pH值、通氣、溫度和水分等至關(guān)重要，顯著影響微生物活動(dòng)和堆肥質(zhì)量[8-12]。根據(jù)酒糟疏松透氣、養(yǎng)分含量低、酸度大(pH 4.0～4.5)，污泥富含氮磷(合計(jì)>14%)、質(zhì)地細(xì)膩等性質(zhì)，將二者適量混合后進(jìn)行高溫堆肥可優(yōu)劣互補(bǔ)，相得益彰。為此，本文以酒糟和污泥為原料，添加腐熟菌劑，研究了無能耗高溫發(fā)酵自然腐熟脫水生產(chǎn)有機(jī)肥的工藝技術(shù)，通過測(cè)定有關(guān)指標(biāo)判斷堆肥質(zhì)量，田間試驗(yàn)驗(yàn)證酒糟-污泥有機(jī)肥(有機(jī)肥，下同)對(duì)高粱的肥效，實(shí)現(xiàn)釀酒廢棄物無害化處理和資源化循環(huán)利用，有益于保持白酒生產(chǎn)的健康可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 供試材料

污泥和酒糟，瀘州老窖股份有限公司。污泥pH 7.31，水分、有機(jī)質(zhì)，N、P2O5和K2O含量分別為81.63%、70.09%、4.70%、9.44%和0.37%(以干重計(jì)，全文同)；酒糟pH 4.1，含水量、有機(jī)質(zhì)，N、P2O5和K2O含量依次為48.19%，90.30%、2.12%、0.60%和0.43%。

腐熟劑：內(nèi)含高溫纖維芽孢桿菌，最高生長(zhǎng)溫度約72 ℃，最適生長(zhǎng)和產(chǎn)酶溫度 52～55 ℃，由西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室分離獲得。腐熟劑含有效活菌數(shù)為2.1×1010cfu/g。

高粱品種：“青殼洋”高粱，由四川省瀘州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。

化肥：尿素(N 46%)、過磷酸鈣 (P2O512%)、K2SO4(K2O 50%)，農(nóng)資市場(chǎng)購(gòu)置。

1.2 試驗(yàn)處理

有機(jī)肥生產(chǎn)：污泥質(zhì)地細(xì)膩，微堿性，富含氮磷(合計(jì)>14%)，碳氮(磷)比低，堆肥過程中通氣困難，產(chǎn)生惡臭；酒糟疏松透氣，強(qiáng)酸性，氮磷含量低(合計(jì)2.72%)，碳氮(磷)比較高，養(yǎng)分含量不足。預(yù)備試驗(yàn)表明，二者不宜單獨(dú)堆肥，但適量混合可促進(jìn)腐熟。因此，試驗(yàn)設(shè)置m(污泥)∶m(酒糟)=2∶1(T1)；m(污泥)∶m(酒糟)=1∶1 (T2)；m(污泥)∶m(酒糟)=1∶2(T3)。每堆原料為5 000 kg，加入腐熟菌劑5 kg，混合均勻，堆成長(zhǎng)、寬、高約為6 m×2 m×1 m長(zhǎng)條形狀，重復(fù)3次。在堆制期間，若溫度超過60 ℃，翻堆1次，促進(jìn)水分散失，直至堆肥物料變?yōu)楹诤稚?，水分含?30%。

肥效試驗(yàn)：于2019年高粱種植季節(jié)在四川省瀘州市黃艤鎮(zhèn)進(jìn)行(28.91°N，105.58°E)。供試土壤為當(dāng)?shù)氐湫?、代表性的微酸性紫色土，pH 6.53，有機(jī)質(zhì)，全氮、磷、鉀，堿解氮、有效磷和交換鉀含量依次為36.06、0.84、0.89、18.15 g/kg和89.83、18.61、133.5 mg/kg。試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照(CK，不施肥)；單施化肥(CF)；50%化肥+50%有機(jī)肥(OF50CF50)；30%化肥+70%有機(jī)肥(OF70CF30)。除對(duì)照外，施肥處理的用氮量均為14 kg N/667m2，m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=2∶1∶1，分別由有機(jī)肥、尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀提供。其中，全部有機(jī)肥、磷肥、鉀肥和60%化學(xué)氮肥做基肥，40%化學(xué)氮肥在高粱拔節(jié)期施用。小區(qū)面積30 m2，行株距0.75 m×0.3 m，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，田間管理同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

堆肥試驗(yàn)：每天8點(diǎn)和20點(diǎn)測(cè)定環(huán)境和堆肥中心溫度。間隔5 d取樣，按NY/525—2012方法[13]測(cè)定堆肥水分、pH、有機(jī)質(zhì)、N、P2O5、K2O、鉛、鉻、鎘、汞、砷含量；用GB/T 11 957—2001方法[14]測(cè)定腐殖酸含量(以干重計(jì)，下同)。

肥效試驗(yàn)：于高粱成熟期，每個(gè)小區(qū)單收稱重，并在各小區(qū)采集具有代表性的10株高粱及根際土壤(抖根法)制成混合樣品，測(cè)定株高和鮮重后，植株樣品105 ℃殺青，65 ℃烘干，粉碎過1 mm篩。土壤樣品過2 mm篩，部分保存于-18 ℃冰箱，測(cè)定土壤脫氫酶(氯化三苯四氮唑比色法)、脲酶(苯酚鈉—次氯酸鈉比色法)和磷酸酶活性(磷酸苯二鈉比色法)[16]。將另一部分土樣風(fēng)干，磨細(xì)過1 mm篩，常規(guī)分析堿解氮、有效磷和速效鉀，以及植株氮、磷、鉀[15]。用酸水解-伯川-碘量法測(cè)定高粱籽粒淀粉含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算和作圖，SPSS 21.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，處理間的多重比較為Duncan法，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中有機(jī)物料的理化性質(zhì)變化

2.1.1 溫度

由圖1可知，3種處理的堆肥均有明顯的升溫期、高溫期和降溫期。T3、T2和T1分別在在5、8、7 d達(dá)到最高溫度，依次為76、70.5、65 ℃，即T3升溫速率最快，最高溫度T3>T2>T1。高溫期(50～80 ℃)的持續(xù)時(shí)間T3(14 d)> T2(11 d)> T1(9 d)。堆肥過程中，溫度超過60 ℃翻堆， 故T1 在堆肥后第6天，T2在第4、6天，T3在第2、4、6天分別翻堆，此后翻堆時(shí)間相同，均在第8、10、12、14、16、18、22天進(jìn)行。隨時(shí)間延長(zhǎng)，堆肥溫度逐漸降低，堆肥至26 d，T2降溫幅度最大，其次為T1和T3；堆肥至34 d后，各處理的溫度逐漸接近于室溫。

2.1.2 水分

T1、T2、T3的初始含水量依次為69.14%、72.85%、64.87%(圖1-b)。堆肥過程中，物料的水分呈持續(xù)降低趨勢(shì)。堆肥至41 d， T1、T2、T3的含水量依次為43.80%、40.50%、21.19%，比初始含水量依次降低36.65%、44.41%、67.33%，即水分散失速率T3>T2>T1，T3處理的含水量降速最快。

2.1.3 pH值

酒糟pH值約4.0，污泥pH值為7.0～8.0。3種處理原料混均后pH值在6.51～6.81變化。在堆制過程中，T1的pH值在6.38～6.65變化，T2和T3的pH值先降后升，T2變幅為6.52～7.01，T3的pH值變化幅度較大，在6.45～7.66，3種處理的pH值均適合微生物繁殖生長(zhǎng)(圖1-c)。

2.1.4 養(yǎng)分

在堆肥過程中，3種處理的物料磷鉀含量整體呈增加趨勢(shì)，氮含量先降后增(圖2)。其中，含磷量最高，氮次之，鉀最低。堆肥至第6天，T3的氮和鉀含量最高，由于污泥含磷量高于酒糟，T3添加的污泥低于T1高于T2，導(dǎo)致堆肥含磷量T1>T3>T2。堆肥至第41天，T3的總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高(7.05%)，T1次之(6.19%)，T2最低(5.38%)，均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(≥5%)。

2.1.5 外觀氣味和腐殖酸的變化

在堆肥過程中，T3無臭味，T1和T2產(chǎn)生惡臭；3種處理的堆肥物料體積逐漸縮小。隨堆肥時(shí)間延長(zhǎng)，T1和T3的堆肥物料均由褐色變?yōu)楹诤稚?，再變?yōu)楹谏琓2由黃褐色變?yōu)楹稚?。堆肥至?1天，T3堆肥呈黑色，質(zhì)地均勻松散，完全腐熟；T1和T2內(nèi)部潮濕，呈塊狀，尚未完全腐熟。由圖2-d可知，隨堆肥時(shí)間延長(zhǎng)，物料腐殖酸含量逐漸增加。堆肥至第6天，T1、T2、T3的腐殖酸含量依次為38.01、34.43、54.08 g/kg，比初始含量增加25.60%、14.56%、67.17%；堆肥至第41天，3種處理的腐殖酸含量均增加，在65.74～81.06 g/kg變化，T3最高。

a-溫度變化；b-水分變化；c-pH變化

a-總氮變化;b-總磷變化;c-總鉀變化;d-腐殖酸變化

2.2 堆肥成品質(zhì)量評(píng)價(jià)

綜上所述，T3處理的堆肥成品水分、pH值、氮、磷、鉀及腐殖酸含量最優(yōu)。因此，選擇T3的樣品進(jìn)行堆肥質(zhì)量評(píng)價(jià)。T3堆肥的水分、pH值、有機(jī)質(zhì)和總養(yǎng)分依次為21.19%、7.66、82.74%、7.05%；鉛、鎘、鉻、汞、砷的含量和糞大腸菌群分別是11.61、0.41、20.38、0.06、1.11 mg/kg和 43個(gè)/g，未檢測(cè)到活蛔蟲卵，各項(xiàng)指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 堆肥原料和成品的pH、水分、養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)及重金屬含量(干重計(jì))

2.3 有機(jī)肥對(duì)高粱的肥效

2.3.1 株高、生物量、產(chǎn)量及品質(zhì)

在50%有機(jī)肥+50%化肥(OF50CF50)的處理中，株高、生物量及產(chǎn)量比不施肥對(duì)照(CK)分別增加33.68%、55.94%、74.12%，比單施化肥(CF)分別增加15.98%、21.92%、12.55%；單施化肥(CF)與70%有機(jī)肥+30%化肥(OF70CF30)處理間上述指標(biāo)無顯著差異，但顯著高于CK處理(表2)。

表2 有機(jī)肥對(duì)高粱生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

OF50CF50處理的高粱籽粒氮、單寧和可溶性蛋白含量分別比CK增加25.21%、5.56%、15.56%。在各處理之間，籽粒中的磷、鉀、直(支)鏈淀粉無顯著差異；在CF、OF50CF50和OF70CF30之間，籽粒可溶性蛋白無顯著差異；在CF和OF50CF50之間，籽粒單寧含量也無顯著差異(表3)。

表3 有機(jī)肥對(duì)高粱籽粒的養(yǎng)分及品質(zhì)的影響

2.3.2 植株養(yǎng)分吸收

由表4可知， 植株含氮量施用有機(jī)肥的最低，含磷量施用有機(jī)肥和化肥相似，含鉀量OF50CF50顯著高于CF，OF70CF30與CF無顯著差異。在施用有機(jī)肥的處理中，植株氮吸收量與CF無顯著差異，磷鉀吸收量分別比CF增加約22%和17%以上。

2.3.3 土壤有效養(yǎng)分與酶活

盡管OF50CF50和OF70CF30的堿解氮無顯著差異，但顯著高于CK和CF；CF的有效磷鉀顯著高于OF50CF50和OF70CF30(有效磷除外，CF與OF50CF50無顯著差異)。在OF50CF50和OF70CF30的有效磷超過20 mg/kg, 有效鉀>135 mg/kg。與CF相比，OF50CF50和OF70CF30顯著提高土壤酸性磷酸酶、脲酶和脫氫酶活性，其增幅依次為31.22%～44.68%、11.94～25.40%和37.94%～52.07%(表5)。

表4 有機(jī)肥對(duì)高粱植株養(yǎng)分含量和吸收量的影響

表5 有機(jī)肥對(duì)高粱根際土壤有效養(yǎng)分和酶活性的影響

3 結(jié)論

堆肥是微生物主導(dǎo)的生物化學(xué)過程，有機(jī)物料在堆制過程中發(fā)生礦質(zhì)化和腐殖化[17]。溫度、水分、pH和碳氮比等是影響堆肥效率和質(zhì)量的主要因素[18]。堆肥溫度提高是有機(jī)質(zhì)礦化釋放熱量并逐漸積累的結(jié)果，是微生物活躍的重要表現(xiàn)，也是堆肥成功與否的重要標(biāo)志之一[19]。本試驗(yàn)表明，在接種高溫發(fā)酵菌劑之后，溫度迅速上升，3～5 d上升至最高(65～76 ℃)后進(jìn)入降溫期，≥50 ℃的高溫期約維持在14 d。在高溫期，有機(jī)質(zhì)發(fā)生礦化并迅速脫水，而且有效地殺害病原微生物，成品堆肥未檢測(cè)出活蛔蟲卵，糞大腸菌群數(shù)僅43 個(gè)/g。T3的高溫期溫度顯著高于T1和T2。在預(yù)備試驗(yàn)中，未添加菌劑的處理升溫緩慢，最高溫度不超過55 ℃，且產(chǎn)生惡臭，說明在污泥和酒糟堆肥過程中，接種高溫發(fā)酵微生物能加速升溫，有效分解礦化堆肥原料中的有機(jī)質(zhì)，縮短堆肥周期，類似先元華[21]、張隴利等[22]、黨秋玲等[23]的研究結(jié)果。堆肥降溫期主要進(jìn)行腐殖化作用，形成腐殖質(zhì)，2個(gè)時(shí)期均是無害化處理有機(jī)廢棄物生產(chǎn)有機(jī)肥的關(guān)鍵時(shí)期[20]。

堆肥原料水分含量直接影響微生物的生長(zhǎng)[24]，關(guān)系到通氣好壞和好氧堆肥速度[25]，從而影響堆肥效果。一般認(rèn)為，堆肥物料含水量在60%～65%時(shí)適宜發(fā)酵，含水量<40%或>65%時(shí)，微生物活性受到抑制[26]，這與本研究的結(jié)果一致。T3處理的初始水分在65%以內(nèi)，物料顆粒大小兼顧，疏松透氣，微生物活動(dòng)旺盛，堆肥溫度高，促進(jìn)水分揮發(fā)。而T1的m(污泥)∶m(酒糟)=2∶1，水分含量過高，質(zhì)地細(xì)膩的物料偏多，透氣性差，易發(fā)生厭氧發(fā)酵產(chǎn)生臭味。

堆肥物料的pH值變化是反映堆肥過程中微生物活性的另一個(gè)重要指標(biāo)[27]。本堆肥發(fā)酵過程中，pH值先降后升，在6.38～7.66波動(dòng)，與多數(shù)研究的適宜pH 6～8[28]范圍一致，pH變化可能與物料中微生物的優(yōu)勢(shì)種群變化和代謝產(chǎn)物變化有關(guān)。在添加高溫發(fā)酵微生物菌劑后，隨著堆體溫度的升高，高溫微生物逐漸替代原微生物，成為優(yōu)勢(shì)菌群，而不同微生物菌群產(chǎn)生的主要代謝產(chǎn)物酸堿性有所不同，從而導(dǎo)致pH值波動(dòng)[29]。微生物分泌的漆酶、過氧化物酶、多酚氧化酶是木質(zhì)素降解為醌類物質(zhì)合成腐殖質(zhì)的主要酶系，接種微生物尤其是高溫菌是促進(jìn)有機(jī)質(zhì)礦化和腐殖化的有效手段[30]。在堆制污泥-酒糟過程中，腐殖質(zhì)的含量逐漸增加，低分子腐殖質(zhì)—腐殖酸是植物生長(zhǎng)活性物[31]。在T3處理中，污泥與酒糟按質(zhì)量比1∶2混合，添加腐熟菌劑和輔助劑所生產(chǎn)的有機(jī)肥，其水分、pH、有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分、重金屬等均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)NY 525—2012[13]。

OF50CF50促進(jìn)高粱生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量和籽粒含氮量。OF50CF50和CF處理的養(yǎng)分施用量相等，意味著OF50CF50提高了肥料經(jīng)濟(jì)效益(施用單位肥料獲得的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量)。籽粒含氮量一般與蛋白質(zhì)含量呈正相關(guān)，釀酒原料中的蛋白質(zhì)含量影響微生物的生長(zhǎng)和酶的合成，對(duì)于釀酒發(fā)酵和生產(chǎn)高品質(zhì)白酒至關(guān)重要[32]，OF50CF50使籽粒含氮量增加，意味著蛋白質(zhì)含量提高，有益于生產(chǎn)高品質(zhì)白酒。值得注意的是，在OF50CF50和OF70CF30處理中，植株吸氮量與CF相似，磷鉀吸收量顯著高于CF，說明施用有機(jī)肥還可提高氮的農(nóng)學(xué)效應(yīng)(每吸收單位數(shù)量的氮所獲得的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量)，改善植株磷鉀營(yíng)養(yǎng)。此外，OF50CF50和OF70CF30提高土壤有效氮含量，有效磷超過20 mg/kg, 有效鉀大于135 mg/kg，故施用有機(jī)肥能較好地滿足植株氮、磷、鉀。此外，施用有機(jī)肥之后，土壤脫氫酶、脲酶和磷酸酶活性增強(qiáng)。其中，脫氫酶反應(yīng)土壤氧化還原過程，是土壤微生物活性和有機(jī)質(zhì)循環(huán)更新的重要標(biāo)志[33]，脲酶與土壤氮轉(zhuǎn)化與供應(yīng)密切相關(guān)[34]，推測(cè)施用有機(jī)肥提高土壤有效氮的原因可能是增強(qiáng)了脫氫酶和脲酶活性。

綜上，將污泥和酒糟按質(zhì)量比1∶2混合，添加高溫發(fā)酵菌劑，經(jīng)40 d左右的堆肥發(fā)酵可生產(chǎn)出質(zhì)量合格的商品有機(jī)肥。在高粱種植中, 50%化肥和50%有機(jī)肥配施可增加高粱產(chǎn)量，改善植物營(yíng)養(yǎng)和土壤酶活性質(zhì)。