工业规模水热处理牛粪快速堆肥生产：堆肥质量与马铃薯产量

《Waste Management Bulletin》：Industrial-scale hydrothermal treatment of cattle manure for rapid compost production: compost quality and potato yield

　　

水热处理(HT)堆肥是一种快速处理牛粪的先进方法。研究人员建立了工业规模设施，以评估HT堆肥质量，并与农家肥(FYM)堆肥、牛粪堆肥(作为对照)以及五个独立批次进行重复比较。所有堆肥的制备均使用牛粪和牛舍残留物(秸秆和饲料)。牛粪在220?°C和150?psi下水热处理15?min，并且在HT堆肥过程中第二天开始出现超嗜热阶段。HT堆肥在21天内达到成熟，如发芽指数(GI)≥110所示，并在60天成熟期内稳定，无植物毒性效应。最终成熟时，HT堆肥含有0.86?±?0.12%总氮(TN)、0.45?±?0.02%磷(P)、pH 7.16?±?0.15、碳氮比(C:N)15.11?±?0.82。铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)和镍(Ni)水平在过程中变化，但均在农业使用安全范围内。为了比较HT堆肥(1.0?t?ha^?1)?+?化肥与FYM(15?t?ha^?1)?+?化肥的性能，研究人员开展了马铃薯种植田间试验。施用HT堆肥的市场产量为13.83?±?0.20?t?ha^?1，FYM为11.15?±?0.10?t?ha^?1。这些发现表明，HT堆肥提供了缩短的堆肥时间和可扩展的牛粪管理解决方案，为养牛户提供了可持续效益，特别是在孟加拉国等国家。

**论文解读：工业规模水热处理牛粪快速堆肥——堆肥质量与马铃薯产量影响**

**研究背景与问题**
孟加拉国约有2500万头牛，年产生牛粪约1.56亿吨。由于国土面积小，56.2%的奶牛和牛粪以固体形式储存，农户缺乏足够的农田来合理处置粪便，导致可耕地压力增大。传统堆肥方法（如长期堆放）不仅造成养分损失，还可能含有有害病原体和重金属，对人和动物健康构成风险。未经处理的牛粪直接施用会通过挥发或淋溶导致氮素损失，硝酸盐淋溶量高于堆肥施用。此外，传统废弃物处理方式因二次污染和严格的环境法规而受到限制。因此，亟需一种高效、可扩展的牛粪管理解决方案。水热处理(HT)作为一种先进技术，能破坏纤维细胞壁，释放养分并溶解有机组分，促进有机物降解，并通过真菌接种进一步提高堆肥质量。此前研究已表明HT可增加可溶性磷、铜和锌，并将重金属转化为低生物可利用形态，降低环境风险。本研究旨在评估大规模快速水热堆肥作为集约化养牛场粪便管理方案的可行性，并检验HT堆肥能否有效替代农户常规做法（农家肥[FYM]?+?化肥）以改善马铃薯产量和块茎大小。论文发表在《Waste Management Bulletin》。

**研究人员开展的研究与结论**
研究人员在孟加拉国农业大学动物科学系建立了工业规模水热堆肥设施，处理来自商业奶牛场（60头牛）的牛粪，处理能力约为30吨/月（鲜重）。通过比较HT堆肥、牛粪堆肥（对照）和农家肥(FYM)堆肥，评估了堆肥质量、成熟度、养分含量、重金属浓度及马铃薯产量。结论表明：HT堆肥可在21天内达到成熟（GI≥110），60天稳定化，显著缩短了堆肥时间；HT堆肥的养分含量（TN 0.86%、P 0.45%、C:N 15.11）处于成熟堆肥标准范围，重金属含量低于国际农业应用阈值；田间试验显示，HT堆肥（1.0?t?ha^?1+化肥）处理下马铃薯市场产量（13.83?t?ha^?1）和块茎大小（7.90?cm）显著高于FYM（15?t?ha^?1+化肥）处理（11.15?t?ha^?1和5.56?cm）。这项研究的重要意义在于证明了水热处理是一种可行且有效的工业级快速堆肥方法，为集约化养殖系统的粪便管理提供了可持续解决方案，尤其在人口密集地区如孟加拉国。

**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键方法（样本队列来源：孟加拉国迈门辛市Trishal的Kanhor村奶牛场，以及孟加拉国农业大学动物科学系农场）：（1）水热处理(HT)：在220?°C和150?psi条件下处理牛粪15?min，破坏纤维结构；（2）土著微生物(IMO)制备与接种：通过多级发酵制备IMO-2稀释液，在堆肥冷却至中温阶段后以16?L/吨均匀喷洒，促进有机物分解和成熟；（3）堆肥成熟度测定：采用萝卜种子发芽指数(GI)试验，评估堆肥提取物对种子萌发和根长的影响；（4）田间试验设计：采用随机完全区组设计(RCBD)，设置HT堆肥+化肥（1.0?t?ha^?1）与FYM+化肥（15?t?ha^?1）两个处理，基于等成本原则（各约15,000孟加拉塔卡），在孟加拉国朗布尔省北部进行马铃薯种植试验，收获后记录市场产量、总产量和平均块茎大小。

**研究结果**

**温度曲线**
通过铂温度探头监测，HT堆肥在第二天达到97?°C的超嗜热阶段，而牛粪堆肥和FYM堆肥温度缓慢上升并保持在50?°C以上至第21天。HT堆肥的高温阶段持续约7天，随后快速冷却，第21天接近环境温度，表明进入成熟阶段。这种高温对于快速杀灭有害微生物至关重要，但未完全消除所有病原体。IMO-2仅在堆肥温度降至中温范围后施用，避免极端高温对微生物的不利影响。

**理化性质**
HT堆肥在90天时的水分含量最低（25.00%），较FYM堆肥（33.66%）和牛粪堆肥（40.00%）分别降低37.5%和25.7%。最终碳氮比(C:N)为15.11:1，处于成熟堆肥范围（10:1–15:1），显著低于对照（31.19）和FYM（40.45），表明HT堆肥中有机质分解更充分、稳定化更好。pH为7.16，在适宜范围（6.05–7.50）内，而FYM堆肥pH 7.76呈微碱性。有机碳(OC)和有机质(OM)含量最低（12.97%和39.51%），灰分含量最高（60.49%），进一步证实了水热处理促进有机物分解。

**成熟度测试**
使用萝卜种子发芽指数(GI)评估堆肥成熟度。HT堆肥的GI在第21天达到110以上（成熟阈值），第60天升至122，第90天保持不变，表明在21天成熟、60天稳定。对照牛粪堆肥和FYM堆肥最终GI分别仅为86和83，且成熟速度更慢。这表明水热处理显著加速了堆肥成熟和植物毒性物质的降解。

**养分组成**
HT堆肥的总氮(TN)含量（0.86%）低于牛粪堆肥但高于FYM堆肥，由于高温导致部分氮挥发，但通过微生物固定和再循环得到部分保留。磷(P)含量（0.45%）比原料牛粪高2.7倍，钾(K)含量（0.43%）因微生物酸化而下降。硫(S)含量为0.90%。HT堆肥的养分组成表明其作为有机改良剂的潜力，尤其磷浓度较高。

**重金属含量**
HT堆肥中铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)和镍(Ni)的总浓度分别为4.20、0.48、7.59和23.38?mg?kg^?1，均低于FYM和牛粪堆肥，且低于国际农业应用阈值（European Commission, 2001）。但研究人员指出，浓度变化主要源于初始原料组成差异、稀释效应、水分损失和有机质分解，而非金属去除；水热处理可能通过增强吸附、络合和与稳定有机-矿物组分的结合来改变金属分布。所有堆肥产品重金属含量均处于安全范围，但仍需持续监测以防土壤-植物系统累积。

**马铃薯产量**
田间试验表明，HT堆肥+化肥处理的总产量（14.94?t?ha^?1）和市场产量（13.83?t?ha^?1）均显著高于FYM+化肥处理（12.90?t?ha^?1和11.15?t?ha^?1）（p??1）显著低于FYM处理（1.75?t?ha^?1）。HT堆肥处理的块茎大小（7.90?cm）显著大于FYM处理（5.56?cm），且大块茎比例（37.9%）显著更高。中、小块茎大小无显著差异。这一结果与先前研究一致，表明HT堆肥能促进大块茎形成，提高商品产量。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出，HT堆肥的高温阶段（97?°C）和快速冷却模式符合传热原理，有利于微生物灭活和后续IMO接种。C:N比、pH、水分和有机质变化均表明HT堆肥的加速分解和稳定化。GI结果证实了快速成熟和低植物毒性。养分分析显示磷浓度显著提高，可能源于HT过程对纤维组分的分解和磷的释放。重金属浓度虽低于标准，但需注意其变化源于质量损失而非去除。田间试验在等成本基础上比较了HT堆肥和FYM，证明HT堆肥在较低施用量（1?t?ha^?1 vs 15?t?ha^?1）下实现了更高的马铃薯产量和块茎大小，表明其作为有机肥料的经济可行性和可持续性。

**研究结论翻译**
结论指出：水热处理畜禽粪便是集约化商业养殖系统中大规模快速堆肥生产的可行且有效方法。与常规方法相比，HT堆肥显著缩短了处理时间，使其成为有机废物稳定化的有前景工业解决方案，尤其在孟加拉国等人口密集地区。此外，HT堆肥在养分浓度上表现出显著变化，测得磷浓度更高。施用HT堆肥增加了马铃薯产量和块茎大小，为传统使用农家肥混合化肥的方法提供了可行替代方案。