盧洋洋，楊 碩，張 玉，韋玥瑞，娜仁花

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 動物科學學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

隨著人們對畜禽產(chǎn)品需求量的日益增加，家畜飼養(yǎng)場數(shù)量、禽畜糞便產(chǎn)生量不斷增加。目前， 中國畜禽糞污年產(chǎn)生量約38×108t, 綜合利用率為64%, 近1/3未得到有效利用[1]。據(jù)調(diào)查，中國有80%以上的規(guī)?；B(yǎng)殖場缺乏必要的糞污治理措施，以至于大量畜禽糞便沒有得到有效利用[2]。如果不能及時有效地處理這些畜禽糞便，將會對環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害，制約經(jīng)濟發(fā)展，影響人們生活。高溫堆肥是一種實現(xiàn)畜禽糞便減量化、無害化和資源化的有效處理措施[3]，與傳統(tǒng)的自然堆肥相比，其發(fā)酵時間短，發(fā)酵溫度高，水分蒸發(fā)速度快，可有效地殺滅病菌、寄生蟲卵和雜草種子[4]。微生物是高溫堆肥過程的主體，對有機物質(zhì)的降解起主導作用，在堆肥過程中添加外源性微生物可以調(diào)節(jié)堆體中的菌群結(jié)構(gòu)，增加微生物活性，縮短堆肥時間，減少氮素損失[5]。據(jù)報道，中國生產(chǎn)微生物菌劑的廠家已超過2 000家[6]。通過查閱大量文獻資料篩選出3種利于好氧堆肥的微生物菌株用于本試驗：枯草芽孢桿菌是生產(chǎn)微生物菌肥的有效微生物菌種之一[7]，接種枯草芽孢桿菌可使堆料對枯萎病病原菌產(chǎn)生抑制作用，加速物料腐解進程，且對生物毒性物質(zhì)有降解作用；里氏木霉是一種可高效生產(chǎn)纖維素酶和半纖維素酶并協(xié)同降解木質(zhì)纖維素的絲狀真菌，是木質(zhì)纖維素和一些復雜聚合物重要的降解者，最適溫度范圍是45～50 ℃，當溫度達到65 ℃時基本全部消失；細黃鏈霉菌是最高等的放線菌，在堆肥高溫期對分解纖維素、木質(zhì)素、幾丁質(zhì)和蛋白質(zhì)等復合有機分子發(fā)揮重要作用，能夠利用木質(zhì)莖、樹皮和報紙等大部分細菌和真菌較難利用的物質(zhì)，其相對于細菌和真菌來說發(fā)育比較緩慢，所以在營養(yǎng)豐富時競爭力較差，但當營養(yǎng)水平下降的時候競爭力很強[8]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

牛糞取自內(nèi)蒙古現(xiàn)代牧業(yè)公司奶牛養(yǎng)殖場，玉米秸稈取自當?shù)?。把玉米秸粉碎?～2 cm。微生物菌劑：枯草芽孢桿菌(有效活菌數(shù)200×108/g)，里氏木霉(有效活菌數(shù)20×108/g)，細黃鏈霉菌(有效活菌數(shù)20×108/g)，均購于湖北某生物工程有限公司。利用牛糞為主要原料，結(jié)合玉米秸稈來調(diào)節(jié)堆肥原料的碳氮比。配制復合菌劑：復合微生物菌劑1(枯草芽孢桿菌∶細黃鏈霉菌為1∶1)，復合微生物菌劑2(里氏木霉∶細黃鏈霉菌為1∶1)、復合微生物菌劑3(枯草芽孢桿菌∶里氏木霉∶細黃鏈霉菌為1∶1∶1)。

1.2 試驗設(shè)計

堆肥試驗于2018年4月30日-2018年5月20日在內(nèi)蒙古正時生態(tài)農(nóng)業(yè)公司進行。設(shè)計4個堆肥處理，每個處理3個重復，詳見表2。調(diào)節(jié)碳氮比(C/N)至25～35，含水量至45%～60%。試驗進行條垛式堆肥，每個堆體長2 m，堆底寬1.5 m，高1 m，堆體間隔為2～3 m。每6 d人工翻堆1次。

表1 堆肥原料的主要理化性質(zhì)Table 1 Main physical and chemical properties of compost raw materials

表2 不同處理組的物料配比Table 2 Material ratio of different treatment groups

1.3 測定項目與方法

1.3.1 取樣方法 在堆肥開始的第1、5、10、15、18、21天取樣，采樣深度分別距堆體頂部0.25 m、0.50 m、0.75 m處，各層均采用五點采樣方法取樣后混合均勻。用取樣鏟在每個堆體各取2份500 g，放入自封袋中。其中一份于4 ℃冰箱中保存，用于pH、含水量和種子發(fā)芽指數(shù)(GI)的測定；另外1份風干后粉碎過40目篩，用于有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀的測定。

1.3.2 溫度測定 使用數(shù)字電子溫度計(國產(chǎn))插入距離堆體頂部0.25 m、0.50 m、0.75 m處測量溫度，上下午各測1次(上午10:00和下午4:00)，兩次測量的平均值作為當天堆體的溫度，同時記錄周圍環(huán)境的溫度(圖1)。

1.3.3 pH測定 每次取樣混勻后稱取5.00 g鮮樣放于三角瓶中，加入50 mL 蒸餾水, 150 r·min-1振蕩40 min后4 500 r·min-1離心20 min, 靜置30 min過濾后用酸度計測定pH。

1.3.4 水分測定 取5.00 g鮮樣于已知重量的鋁盒(W)中,稱其重量(W1)，放入烘箱,在105 ℃下烘24 h，取出在干燥器中冷卻0.5 h后稱重(W2),然后按下式計算其含水量[9]。

1.3.5 有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀的測定 有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀滴定法、全氮釆用半微量凱氏定氮法、全磷采用釩鉬黃比色法、全鉀采用火焰光度法 ，具體操作按《有機肥料》[10]中的方法進行。

1.3.6 種子發(fā)芽指數(shù)(GI)測定 取20 g鮮樣放于三角瓶中，加入200 mL蒸餾水，室溫下振蕩20 min，然后在30 ℃下靜置24 h，上清液用慢速濾紙過濾，濾液待用；在9 cm培養(yǎng)皿內(nèi)鋪入濾紙，均勻放進20粒顆粒飽滿、大小接近的白菜種子(新豐抗78)。用移液管吸取5.0 mL堆肥浸提液于培養(yǎng)皿，并以蒸餾水作對照，每個處理3次重復。將培養(yǎng)皿放置在(25±1)℃、80%濕度培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h；測種子的發(fā)芽率和根長，計算GI。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 2010進行統(tǒng)計分析繪圖后，利用SAS 9.2軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理，采用ANOVA 進行Duncan式多重差異分析，所有試驗數(shù)據(jù)均以“平均數(shù)±標準誤”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中溫度的變化

由圖1可知，在整個堆肥期間，環(huán)境溫度的變化范圍在16.0～32.2 ℃之間。各處理組的溫度變化趨勢基本相同，都經(jīng)過升溫、高溫和降溫3個階段。在堆肥的第2天，4個處理組都進入高溫階段(>50 ℃)，在堆肥的第7 d處理組1、處理組2、處理組3均達到最高溫度，分別為62.1 ℃、63.5 ℃、62.4 ℃，處理組4在第8天達到最高溫度61.7 ℃。4個處理組保持高溫時間分別為9、10、9、8 d，處理組2維持的高溫時間最長，處理組4最短。

2.2 堆肥過程中含水率的變化

由圖2可知，含水率在堆肥過程中，總體呈下降趨勢。各組初始含水率為51.72%，在堆肥的前10 d，各處理組水分散失的最快，堆肥結(jié)束時各處理組含水率分別下降到27.45%、27.34%、28.09%、28.61%。其中處理組1的含水率極顯著低于處理組4(P<0.01)。

2.3 堆肥過程中pH的變化

由圖3可知，4個處理組的pH均呈現(xiàn)升高、下降、再升高、最后下降的變化趨勢。各處理組初始pH為8.92；在堆肥的第10天，各處理組的pH均達到峰值，分別為9.07、9.02、8.98、9.07；堆肥結(jié)束時，各處理組的pH分別為8.42、8.49、8.56、8.52。

圖2 堆肥過程中含水率的變化Fig.2 Changes in water content during composting

圖3 堆肥過程中pH的變化Fig.3 Changes in pH during composting

2.4 堆肥過程中C/N的變化

由圖4可知，在堆肥過程中，各處理組的C/N均呈下降的趨勢，在堆肥的前10 d，各處理組的C/N下降最快；堆肥結(jié)束時，各處理組的C/N分別為19.67、18.14、19.36、21.88。其中處理組2極顯著低于處理組4(P<0.01)。

2.5 堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)(GI)的變化

從圖5可知，在堆肥過程中，4個處理組的種子發(fā)芽指數(shù)均呈上升趨勢 。堆肥開始時，各處理組的種子發(fā)芽指數(shù)為58%，堆肥結(jié)束時，各處理組的種子發(fā)芽指數(shù)分別為101%、120%、108%、95%。其中處理組2的種子發(fā)芽指數(shù)極顯著高于處理組4(P<0.01)。

2.6 堆肥過程中養(yǎng)分的變化

由表2可知，堆肥開始時，各處理組的有機質(zhì)含量為54.8%，在堆肥結(jié)束時，4個處理組的有機質(zhì)分別為32.20%、32.11%、32.26%、32.42%，其中處理組1、處理組2中的有機質(zhì)降解率極顯著高于處理組4(P<0.01)。各處理組的全氮、全磷、全鉀、總養(yǎng)分含量均有所增加，均表現(xiàn)為處理組2的含量極顯著高于處理組4(P<0.01)。

圖4 堆肥過程中C/N的變化Fig.4 Changes in C/N during composting

圖5 堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化Fig.5 Changes in seed germination index during composting

表3 堆肥過程中有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、總養(yǎng)分(全氮+全磷+全鉀)的變化Table 3 Changes in organic matter, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, total nutrients(total nitrogen + total phosphorus + total potassium) during composting

3 討 論

3.1 不同復合微生物菌劑對溫度的影響

堆體溫度是衡量與評價堆體腐熟質(zhì)量和腐熟程度的重要指標之一，能影響微生物活動能力，也能反映出有機物料轉(zhuǎn)化進程[11]。溫度過低或高溫持續(xù)時間太短，不能有效地殺死堆體中的病蟲卵和雜草種子，但溫度過高則會導致一些主要分解纖維素、木質(zhì)素的中溫微生物死亡，影響堆肥進程的速度[12]。黃國強等[13]研究結(jié)果表明，添加復合腐解菌劑可以加速堆體升溫，并可以維持較長的高溫期。文斌等[14]在兔糞菌渣高溫堆肥中添加微生物發(fā)酵劑研究顯示，添加菌劑夠延長高溫期持續(xù)時間，但不能縮短整體堆肥時間。

本研究表明，整個堆肥發(fā)酵過程各處理組的溫度都經(jīng)歷了升溫、高溫和降溫3個階段，在堆肥的第2天，4個處理組都進入高溫期(>50 ℃)，這可能是由于堆肥所用的牛糞是經(jīng)在牛場固液分離后的牛糞，相對鮮牛糞水分含量低，試驗于4月末開始，外界環(huán)境溫度較高，部分物料在堆體內(nèi)部空隙處被氧化分解并產(chǎn)熱，因此堆體溫度升高較快，升溫期較短。本試驗結(jié)果與楊雨浛等[15]研究一致。但總體看來，所配制的復合微生物發(fā)酵劑對溫度的提高作用不明顯，與張雪辰等[16]所研究的結(jié)果一致。整個堆肥過程中，4個處理組保持高溫時間均達到堆肥衛(wèi)生標準[17]。其中處理組2的溫度略高于其他處理組，并且高溫期持續(xù)時間最長，說明處理組2所添加的復合微生物菌劑能夠更好的促進有機物料的分解。

3.2 不同復合微生物菌劑對含水量的影響

水分是影響堆肥腐熟速度的重要參數(shù), 合適的水分是保持微生物最佳活性的必要條件[18]。高的水分含量減少了堆體內(nèi)的孔隙和增大了氣體的傳質(zhì)阻力, 容易造成堆體局部厭氧[19], 但低的水分含量也會因營養(yǎng)物質(zhì)的傳質(zhì)阻力增大而抑制微生物的活性[20]。相關(guān)研究表明，初始堆肥物料的最合適含水量在45%～60%之間[21]。本試驗研究結(jié)果表明，在堆肥結(jié)束時，處理2堆體水分下降最多，可能因為處理2所添復合微生物菌劑作用于物料時其微生物活動比其他處理劇烈，產(chǎn)生大量熱，蒸發(fā)作用增強，使堆體水分減少。堆肥結(jié)束時，各堆體的含水量均小于30%，符合《有機肥料》[10]技術(shù)指標的要求。

3.3 不同復合微生物菌劑對pH的影響

pH的變化是反映堆肥過程中微生物活性的一個重要指標，并可以看出堆體發(fā)酵速度的快慢[22]。本試驗研究表明，pH值整體為升高、下降、再升高、再下降的趨勢。在堆肥前10 d，由于微生物大量繁殖，分解蛋白質(zhì)等有機物產(chǎn)生氨氣促使pH上升。在10～15 d時隨著堆肥的進行，堆體中可利用的有機物逐漸被微生物代謝利用，其活動產(chǎn)生的有機酸使堆肥的pH下降，在15～18 d時含氮有機物被分解又會使堆肥的pH上升，在18～21 d時由于微生物活動減弱，導致pH下降。其變化規(guī)律與荊紅俊等[23]研究一致。在堆肥結(jié)束時4個處理組的pH均符合堆體腐熟在8.0～9.0之間的標準[21]。在整個發(fā)酵期間，4組之間的pH變化范圍并不是很明顯，說明添加復合微生物菌劑對pH的變化沒有明顯的影響。

3.4 不同復合微生物菌劑對C/N的影響

碳和氮的變化是堆肥的基本特征之一，因此C/N是最常用于評價腐熟度的重要參數(shù)[24]。Morel等[25]建議采用T=(終點C/N)/(初始C/N)來評價堆肥的腐熟度。當T值小于0.6時，堆肥達到腐熟。辛樹權(quán)等[26]研究顯示，在牛糞堆肥中添加EM菌處理的C/N比對照組下降快，添加一定量的微生物菌劑加快了C/N降低的進程, 有效地促進了牛糞的腐熟過程。本研究顯示，在堆肥初期，各處理組的C/N下降較快。到高溫期后，堆肥的全碳含量下降趨于平緩，全氮含量稍有回升，因此碳氮比下降緩慢。堆肥結(jié)束時，各處理組的T值分別小于0.6。因此，4個處理組均達到腐熟標準，其中處理組2所添加的復合微生物菌劑的腐熟效果最好。

3.5 不同復合微生物菌劑對種子發(fā)芽指數(shù)的影響

種子發(fā)芽指數(shù)(GI)是檢驗堆肥浸提液對植物毒性大小的重要指標，也是判定堆肥腐熟程度的重要指標。GI越高，腐熟效果越好[27]。Wong等[28]認為，當 GI>50%時，堆肥對植物已基本沒有毒性，達到基本腐熟；而當 GI>80%時，可認為堆肥達到完全腐熟。李敬波等[29]研究顯示，接種微生物復合菌劑后的處理組，GI上升速度加快，而且在堆肥結(jié)束時，添加復合微生物菌劑的處理組GI明顯高于對照組。本試驗結(jié)果顯示，各處理組的GI都達到80%，已達到腐熟狀態(tài)，說明添加復合微生物菌劑對于堆肥物料種子發(fā)芽指數(shù)的提高作用顯著，其中處理組2所添加的復合微生物菌劑對堆料中有毒物質(zhì)的分解效果最好。

3.6 不同復合微生物菌劑對堆體養(yǎng)分的影響

有機質(zhì)是發(fā)酵過程中微生物的能量和營養(yǎng)來源[30]。在堆肥原料中存在大量不穩(wěn)定的大分子有機物質(zhì)，隨著堆肥發(fā)酵的進行，有機質(zhì)在微生物作用下一部分轉(zhuǎn)化為CO2和水，揮發(fā)到空氣中；另一部分轉(zhuǎn)化為礦物質(zhì)和腐殖質(zhì)，穩(wěn)定存在于物料中。因此，在整個堆肥過程中，有機質(zhì)不斷下降，最終趨于穩(wěn)定[31]。本試驗研究表明，在整個發(fā)酵過程中，前3個處理組下降幅度大于處理組4，其中2組所添加的復合微生物菌劑對有機質(zhì)的降解作用最大。

氮素是微生物生長代謝的重要營養(yǎng)物質(zhì)，因而氮素變化對堆肥腐熟有著重要影響[12]。本試驗研究表明，堆肥結(jié)束時，所有處理組在堆肥結(jié)束時全氮含量都有所增加。與劉微等[32]研究結(jié)果一致，因此可以看出復合發(fā)酵劑對堆體的含氮量有明顯的提升作用。其中處理組2所添加的復合微生物菌劑保氮效果最好。

在整個堆肥過程中，有機物在微生物的影響下不斷分解，并以CO2、H2O和NH3的形式蒸發(fā)，造成干物質(zhì)總量的逐漸減少，揮發(fā)不會損失磷和鉀，因此全磷和全鉀的含量不會有太大變化[33]。本試驗結(jié)果與該結(jié)果一致，說明接種外源微生物促進了有機物的降解，使全磷、全鉀相對含量增加。其中處理組2所添加的復合微生物菌劑對全磷、全鉀含量的提升效果最好。

總養(yǎng)分含量是檢測堆肥質(zhì)量的一項重要指標[34]，在堆肥的過程中, 氮或以氨氣的形式揮發(fā), 或變?yōu)橄跛猁}和亞硝酸鹽, 或是由生物體同化吸收，總氮在堆肥過程中的變化總體呈現(xiàn)出上升的趨勢， 隨著溫度的下降，NH3的揮發(fā)損失減少，而微生物的分解使有機碳的含量減少產(chǎn)生濃縮效應，從而使總養(yǎng)分的含量有所提高[35]。劉微等[32]研究顯示，用微生物菌劑對番茄秸稈堆肥的過程中，總養(yǎng)分含量較堆肥初相比增加效果顯著。本試驗研究結(jié)果表明，前3個處理組的總養(yǎng)分含量高于處理組4，說明添加復合微生物菌劑能夠有效地提高堆肥中總養(yǎng)分含量，其中處理組2養(yǎng)分含量最高，肥效最好。

4 結(jié) 論

在堆肥過程中，添加復合微生物菌劑能夠增加高溫期持續(xù)的時間；加快堆體水分的蒸發(fā)；對pH的變化沒有明顯的影響；有效地促進了有機物的降解；顯著提高堆肥物料種子發(fā)芽指數(shù)；對堆體的全氮、全磷、全鉀、總養(yǎng)分含量有明顯的提升作用。通過分析堆肥中各指標變化得出，本研究中加入復合微生物菌劑2(里氏木霉+細黃鏈霉菌)的堆肥效果最好，并且此菌種組合性價比高，適合推廣應用。