魏曉強 鐘啟文 張廣楠

摘要：菊芋是青海高原近年來迅速發(fā)展的特色經濟作物，其地上部秸稈生物量大，為解決其綜合利用問題，針對5種微生物菌劑進行了菊芋秸稈靜態(tài)好氧發(fā)酵添加比較研究。結果表明，菊芋秸稈在好氧發(fā)酵過程中，添加微生物菌劑能明顯促進其發(fā)酵進程，有效提高了堆體溫度并延長高溫持續(xù)時間，加快其物質降解與合成，有助于在短時間內使堆料達到理化性質的穩(wěn)定并消除其植物毒性;添加微生物菌劑還可以提高腐熟堆料的營養(yǎng)水平，減少氮素損耗，保證腐熟秸稈的肥力。5種菌劑促進發(fā)酵的效果存在差異，秸稈降解劑008-J表現最優(yōu)。本研究明確了微生物菌劑對菊芋秸稈發(fā)酵的促進作用，為發(fā)酵菌劑的篩選和菊芋秸稈基質化利用提供了參考。

關鍵詞：菊芋秸稈;好氧發(fā)酵;微生物菌劑;理化性質

中圖分類號： S141.4;S182;S188+.4? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）06-0246-05

青海省地處青藏高原，高原型大田作物種植種類繁多，每年產生的作物秸稈數量非?？捎^。隨著省內設施無土栽培面積的逐年增加，草炭、蛭石、珍珠巖等成為主要栽培基質，但是這些單一基質是不可再生資源，大量開采會破壞生態(tài)環(huán)境，因此尋找廉價、清潔、可再生的栽培基質成為無土栽培發(fā)展的重點[1]。如果能利用農業(yè)廢棄物代替草炭等不可再生基質將會帶來巨大的經濟、生態(tài)效益。

菊芋（Helianthus tuberosus L.）是菊科向日葵屬多年生草本植物，能適應多種惡劣環(huán)境，并且對土壤環(huán)境要求不高，因此在青海省高原地區(qū)廣泛種植。但是，近年來對菊芋的研究主要集中在對地下塊莖的研究，而對其地上部研究[2-6]甚少。菊芋地上部莖葉中營養(yǎng)成分較高，并且生物量占全株的50%左右[7]。因此，能有效、環(huán)保地處理菊芋秸稈成為一個難題。從農業(yè)資源再利用的角度上考慮，解決該問題的最好方法就是對菊芋秸稈進行好氧發(fā)酵用作蔬菜栽培基質。劉明池等對菊芋秸稈發(fā)酵后的基質化做了研究[8]，季延海等在其基礎上研究了菊芋秸稈栽培番茄的不同配比[9]。但是對菊芋秸稈發(fā)酵的微生物菌劑篩選卻沒有提到。

本試驗利用不同的微生物菌劑來發(fā)酵菊芋秸稈，通過對發(fā)酵期間的溫度、各時期的理化性質、氮磷鉀含量與種子發(fā)芽指數等進行測定分析，以期篩選出最適合菊芋秸稈發(fā)酵的微生物菌劑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

菊芋秸稈采自青海大學農林科學院園藝試驗基地，將菊芋秸稈粉碎成1 cm左右的小段。5種菌劑分別為鄭州益富源生物科技有限公司生產的秸稈發(fā)酵菌種008-FZ（T1）、秸稈降解劑008-G（T2）和秸稈降解劑008-J（T3），楊凌萬潤農業(yè)科技有限公司生產的農業(yè)用EM菌源（T4）和有機肥專用菌（T5）。菌劑使用前進行擴繁，物料配比見表1，室溫下擴繁5～7 d，每天進行攪拌。試驗于2017年12月20日至2018年1月19日期間進行，將體積為1 m3的菊芋秸稈堆放在塑料大棚內，分別用微生物菌劑進行發(fā)酵，以不加菌劑為對照，擴繁好的菌劑按4 kg/m3的比例加入堆料中進行發(fā)酵，每種菌劑設置3次重復。發(fā)酵采用室內靜態(tài)高溫好氧的方式，每5 d翻堆灑水1次，保持水分含量在60%左右。室內平均溫度為6.3 ℃。

1.2 測試指標與方法

1.2.1 堆體溫度 每天13：00對堆體的溫度進行測定，測定時確定堆體的3個不同位置，在3個不同位置的40 cm深處進行溫度測定并記錄，取平均溫度作為當天的堆體溫度。

1.2.2 理化性質 參照李謙盛的方法測定腐熟秸稈的理化性質[10]。取已知體積（V=650 mL）的燒杯，稱質量（m1）;將烘干后的秸稈加入燒杯中，稱質量（m2）;將裝有秸稈的燒杯用2層濕紗布封口，完全浸泡在水中過夜（即水要沒過容器的頂部），取出稱質量（m3），并將濕紗布稱質量（m4）。再次用濕紗布將燒杯封口后倒置，讓杯內的水自由瀝干直至無水流出，稱質量（m5）。按以下公式計算各項指標：

1.2.3 酸堿度（pH值）和電導率（EC） 將堆料烘干后粉碎，將堆料和蒸餾水以1 g ∶ 10 mL的比例混合，置于振蕩器中于200 r/min振蕩30 min，振蕩后離心取上清液待用。用ORION STAR A211 pH儀測定pH值，用FiveEasy電導儀進行EC的測定。

1.2.4 全氮（N）、全磷（P）和全鉀（K） 全N、全P、全K含量的測定由青海省農林科學院分析測試中心根據國家標準（GB/T 6435—2014《飼料中水分的測定》、GB/T 18633—2018《飼料中鉀的測定 火焰光度法》、GB/T T 6437—2018《飼料中鈣的測定》）進行測定。用來反映堆體發(fā)酵中全N、全P、全K含量的變化趨勢。

1.2.5 種子發(fā)芽指數（GI） 取堆料鮮樣和蒸餾水用1 g ∶ 10 mL的比例混合，置于振蕩器中于 200 r/min 振蕩30 min，振蕩后浸提、過濾取上清液待用。發(fā)芽試驗材料選用生菜種子，采用培養(yǎng)皿內紙上發(fā)芽的方式，每皿內均勻點播30粒種子，加 5 mL 浸提液置于25 ℃人工氣候箱內進行發(fā)芽試驗，每個處理3次重復，以蒸餾水為對照。取樣后將生菜種子置于浸提液中72 h，之后測定種子發(fā)芽率及發(fā)芽種子根長，計算種子發(fā)芽指數[11]。

GI=處理的種子發(fā)芽率×種子根長對照的種子發(fā)芽率×種子根長×100%。

1.3 數據分析

使用Excel 2007、Origin8和SPSS 16.0等數據分析軟件對數據進行分析和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 堆體溫度

從圖1可以看出，添加了發(fā)酵菌劑的T1、T2、T3、T4、T5處理與不添加任何發(fā)酵菌劑的對照處理（T6）之間溫度變化趨勢基本相同但也有差別（以下簡稱T1、T2、T3、T4、T5、T6）。添加T3菌劑的處理溫度增長最快，發(fā)酵后3 d上升到50.70 ℃，發(fā)酵后6 d就達到最高溫度（64.37 ℃），在50 ℃以上的高溫維持了5 d。說明添加了T3菌劑的處理溫度上升最快，最高溫度也最高，高溫期維持的時間也較長。

2.2 pH值和EC

如表2所示，6種處理條件下的堆體在整個過程中 pH 值呈穩(wěn)步升高的趨勢。其中， 添加了微生物菌劑處理的pH值在發(fā)酵6 d后均有提高。不加菌劑的處理，堆體pH值在發(fā)酵后6 d雖然有所上升，但是較添加菌劑的處理上升不明顯。所有處理從發(fā)酵后12 d開始pH值上升變緩。發(fā)酵后30 d，6個處理的pH值在7.76～8.62之間，T3處理的pH值最小且呈中性。大多數處理發(fā)酵結束時的pH值較起始pH值升高3左右。

從各處理EC的變化趨勢可以看出，發(fā)酵前后菊芋秸稈EC均有所升高但各處理之間變化幅度不同，在堆料發(fā)酵的中前期EC呈上升趨勢且變化幅度較大，發(fā)酵后期T1、T2及T6處理的EC呈緩慢上升的趨勢，其余處理堆料的EC逐漸下降。發(fā)酵后30 d 6個處理的EC在9.33～11.16 mS/cm之間，T1、T2、T5和T6處理的堆料EC顯著高于其他處理。

2.3 理化性質

堆料內大分子有機物的降解造成了堆料容重的變化。如圖2所示，6種處理下，T4處理的容重呈先下降后上升又下降的趨勢，其余各處理都呈先上升后下降的趨勢。而容重的變化與通氣孔隙、持水孔隙、氣水比的變化息息相關。通氣孔隙呈下降趨勢而持水孔隙在上升，又因為氣水比為通氣孔隙與持水孔隙的比值，所以氣水比呈下降的趨勢。

2.4 全N、全P和全K

N素以NH3的形式揮發(fā)是造成堆料內全氮含量變化的主要原因。由圖3可知，在好氧發(fā)酵的升溫及高溫期是N素損失的主要時期。高溫期后N素通過硝化菌的硝化作用被固定，所以N素的損失逐漸變小，再加上堆體體積和質量的減小，所以堆體的全N含量在后期出現上升的趨勢。發(fā)酵后 30 d，6個處理的全N含量在11.47～13.68 g/kg之間。6個處理的全氮含量較初始含量均有不同程度的降低，其中T3處理的損失量最小，為0.06 g/kg，這是因為T3處理在升溫期迅速升溫，減少了升溫過程中N的損失。

從堆料的全磷、鉀含量的變化趨勢可以看出，兩者的含量在發(fā)酵后均升高，但是添加不同菌劑的處理之間存在差異。各處理在發(fā)酵后堆料的全磷含量（以P2O5計）以T3、T4處理的提升輻度較大，分別為0.24、0.26 g/kg。而發(fā)酵后全K含量的提升量比全P含量的提升量大，其中以T2、T3處理的提升量較大，分別為4.33、3.57 g/kg，T1、T4處理的提升量次之，T5和T6處理的提高程度差異不大。

2.5 種子發(fā)芽指數

如表3所示，發(fā)酵至發(fā)酵后6 d時，各處理GI均有所下降，說明堆料的毒性增加。但是隨著發(fā)酵過程中一些小分子物質的降解合成及代謝，堆料中的毒性逐漸消失。發(fā)酵后12 d時，T1、T3處理的GI已經大于50%;發(fā)酵后18 d時，其余處理的GI均達到50%以上，T3處理的GI接近80%，顯著高于同時期其他5個處理。發(fā)酵后24 d時，除T5和T6處理外，其余處理的GI均超過80%。發(fā)酵后30 d時，T1、T3、T4處理的GI均超過95%，其余處理的GI均超過90%。T5、T6處理的GI在發(fā)酵過程中上升的速度較慢，GI在發(fā)酵后24 d時才達到70%以上，低于其余處理。發(fā)酵30 d后，各處理內種子發(fā)芽指數較發(fā)酵起始時均顯著提高，其中T1、T2、T3、T4處理間無顯著差異，均顯著高于T5和T6處理。

3 討論

有研究表明，在堆料進行好氧發(fā)酵時添加微生物菌劑能有效增加堆料的微生物數量并縮短發(fā)酵過程[12-13]。本研究對堆體發(fā)酵過程中的溫度變化進行分析發(fā)現，添加菌劑能有效縮短堆肥升溫的時間且高溫期時的平均溫度高于不加菌處理，最大高出6.4 ℃，高溫持續(xù)時間也較對照多1～4 d，最高溫則高出0.85～12.32 ℃。這種現象是因為添加了菌劑后，堆體內的初始微生物數量增加，有機物質的分解得到加強，微生物代謝后產生的大量能量使堆體溫度迅速升高，縮短了堆體達到穩(wěn)定期的時間，進而促進了腐熟過程[14]。

栽培基質需要有適宜的理化性質。一般來說，基質容重在0.1～0.8 g/cm3之間，而總孔隙度（通氣孔隙與持水孔隙之和）為54%～96%，pH值稍偏酸性為宜[15]。有研究表明，秸稈發(fā)酵時不添加碳源會影響基質的穩(wěn)定性[16]。本研究發(fā)現，菊芋秸稈發(fā)酵完成時總孔隙度偏大，容重與持水孔隙偏低，堆體pH值在7.76～8.62之間，這可能是因為堆體內沒有添加碳源導致的。因此，菊芋秸稈發(fā)酵后用作栽培基質時應添加腐熟的羊糞、雞糞等做為碳源來調節(jié)基質的理化性質。

在堆體發(fā)酵時，堆料中的含氮物通過微生物的降解形成氨態(tài)氮，在高溫下以NH3的形式散失，這就造成了堆體總N含量的下降，降低了堆體的肥效[17-19]。在本研究中，添加菌劑的處理較不添加菌劑的處理氮的損失量大大降低，這與前人的試驗結果[20]相似，說明在發(fā)酵時加入微生物菌劑的確能使全氮的損失減少。

有研究表明，全磷、全鉀的含量在發(fā)酵前后基本不發(fā)生變化[16]，但也有人認為磷鉀在發(fā)酵過程中隨著堆體體積的變小其相對含量增加[21]。在本研究中，全磷、全鉀的含量都呈上升趨勢，發(fā)酵后含量明顯增加，這可能就是因為其堆體的體積變小導致其相對含量增加，這也能從側面反映堆料中有機質降解的程度和容重變化情況。

有研究認為，當堆料基本上沒有毒性時，GI需要達到50%以上;堆料沒有毒性且達到腐熟時，GI需要達到80%以上[22]。而本研究利用生菜種子的發(fā)芽試驗檢驗堆料的植物毒性時也得到了相似的結果。在發(fā)酵后24 d時，添加了微生物菌劑處理的GI基本達到80%的水平，高于不加菌的處理，且添加不同菌劑的處理之間GI的變化也不相同，T3處理的GI在發(fā)酵后12 d就明顯高于其他處理。T5處理的GI上升速度總體上低于其余處理，說明T5處理堆料內的微生物代謝不及其他處理。

4 結論

菊芋秸稈在進行好氧發(fā)酵時添加微生物菌劑能有效提高堆體的溫度，增強菊芋秸稈堆體內物質的合成與降解，縮短植物毒性的解除時間。這說明添加微生物菌劑能有效縮短發(fā)酵時間，增加堆體內的微生物數量，促進發(fā)酵進程。同時，添加菌劑能減少堆體內全氮的損耗，提高腐熟堆料內的營養(yǎng)水平，保持秸稈的肥力。但不同菌劑之間這種促進效果不一樣。本試驗結果表明，當添加腐熟菌劑T3時，腐熟效果要優(yōu)于不加菌和添加T1、T2、T4、T5菌劑的處理。

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