不同微生物菌剂对棉秆高温好氧堆肥的影响

2019-03-22王瑞东颉建明冯致郁继华吕剑赵帆

甘肃农业大学学报 2019年1期

王瑞东，颉建明，冯致，郁继华，吕剑，赵帆

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃兰州 730070)

中国是全世界最大的棉花生产国[1]，据不完全统计，我国每年棉花种植面积为467～487万hm2之间，所以棉杆的产量巨大.高温堆肥化处理是一种使农业固体废物无害化和促进资源更好利用的途径，可以消除废物中不利于植物生长的物质，从而解决秸秆燃烧产生的环境污染问题，并且对保持和提高土壤肥力、促进有机肥利用和农业可持续发展具有重要意义[2].竹江良等利用两种微生物菌剂对烟草废弃物高温堆肥进行了研究，发现NNY微生物菌剂对烟草废弃物高温腐熟效果较优[3].于光辉等利用两种微生物菌剂对园林废弃物高温堆肥进行了研究，添加大华酵素菌的处理，腐熟后粒径较小，改善了堆肥产品的品质[4].然而有关棉秆发酵作为栽培基质的研究尚鲜见报道.本试验以棉杆作为原料，增加3种不同生物微生物菌剂，采用堆体高温好氧堆肥发酵技术，通过棉杆的基质化处理，以期筛选出适合棉杆堆肥发酵的最佳菌剂，为棉杆的综合利用提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验材料

棉杆从玉门市购买，3种微生物菌剂分别购于山东山东省农业科学院、南京农业大学资源与环境学院和甘肃省农业科学院生物研究所并分别标记为菌剂Ⅰ、菌剂Ⅱ、菌剂Ⅲ.菌剂Ⅰ由枯草芽孢秆菌、唐德链霉菌、白浅灰链霉菌、黑曲霉、里氏木霉几种菌剂的复合菌系组成；菌剂Ⅱ由纤维素分解细菌(中温型+高温型)+纤维素分解真菌(中温型)+纤维素分解放线菌(中温型，产生纤维素水解酶)+降解淀粉芽孢秆菌(产生淀粉水解酶)复配研制而成；菌剂Ⅲ由数十种微生物和生物酶组合而成的复合菌系，对牛粪中的纤维素、木质素和胶质等有机成分有很强的分解能力.

1.2 试验方法

试验于2017年6～9月在甘肃省酒泉市总寨镇沙河村非耕地示范园区进行.本试验设4个处理，3次重复，以不添加菌剂为对照(CK).建堆前，增加不同微生物菌剂，菌剂添加量均按照说明书规定添加，用尿素调节物料 C/N为25:1，绝对含水量在 65%，混合均匀后建堆；制成底宽2.5 m，顶宽1.7 m，高1 m，底长3.0 m，顶长2.2 m条垛形堆体，并覆盖棚膜保温保湿.每7 d翻堆1次，采用五点法取样，自然风干后带回实验室备用.

1.3 测定指标及方法

温度测定：每天早上7∶30～8∶20用30 cm金属杆温度计测定堆体中间30 cm深度的温度，此温度作为衡量棉杆发酵温度，同时记录环境温度.

pH、EC值测定：取混合均匀风干样品10 g，加蒸馏水50 mL，在摇床180 r/min下振荡30 min，过滤提取滤液，分别采用PHSJ-3F型数显pH计和DDS-11A进行测定[5-6].

全氮测定：取风干样品0.200 0 g消煮后，采用凯氏定氮分析仪进行全氮的测定[7].

体积测定：用皮尺测量条剁堆体上底长(a1)宽(b1)、下底长(a)宽(b)，堆体高(H)，用四棱台体积公式V=H/6×[a×b+(a+a1)×(b+b1)+a1×b1]计算堆体体积.

含水率测定：采用恒温烘箱干燥法，此方法是取一定质量的鲜样放入铝盒中，在放鲜样之前称重铝盒并作标记G1，铝盒与鲜样总重为G2，烘箱温度调为75 ℃进行烘样至恒重，取出铝盒称重为G3.根据以上数据计算出出鲜样的含水率D，D=(G3-G1)/(G2-G1)[8-9].

2 结果与分析

2.1 不同微生物菌剂对棉秆堆肥温度的影响

温度不仅影响好氧微生物的生物活性，而且也是好衡量高温好氧堆肥的重要指标之一[10].温度的高低能反应出堆肥的快慢，其表现为影响好氧微生物的生理生长[11].从图1能够看出，在整个棉杆高温好氧发酵过程中，各处理温度的变化呈先上升后下降的趋势，表现为升温期、保温期和降温期的阶段性趋势.在堆体发酵前，各处理温度基本一致，均在34～36 ℃之间；覆膜后随着高温好氧堆肥的进行，由于微生物菌剂的作用，致使热量迅速增多，发酵堆体进入了高温期，发酵第2天，加了微生物菌剂的各处理与CK相比，温度高15～17 ℃.在高温期，各处理的温度均维持在50～64 ℃之间，各处理在高温期(>50 ℃)持续较长时间，其中以增加菌剂Ⅱ处理最为显著，最高温度达到64 ℃.处理1、处理2、处理3和CK分别经过14，7，23，27 d升至60 ℃.可见处理1和处理2升温较快，CK最慢.30 d后翻堆较30 d前翻堆温度升温较慢，且温度变化范围较大，发酵早期翻堆堆体温度回升幅度较大，降温期翻堆堆体温度回升幅度较小[12].

图1 不同微生物菌剂处理下棉秆在发酵过程中的温度变化Figure 1 The temperature variation of cotton stalk during fermentation process with different microbial agents

2.2 不同微生物菌剂对棉秆堆肥pH的影响

如图2所示，不同处理的棉秆，在发酵过程中pH值变化呈先上升后下降的趋势.发酵到第15 天时，加了微生物菌剂的各处理，均达到了最大值，且加了菌剂Ⅱ处理的变化范围最大(增大0.8)，随着发酵时间进行，慢慢降低至趋于稳定；没有加任何微生物菌剂的CK在发酵到30 d时达到最大值，之后慢慢降低到和其他处理接近.堆体发酵结束时，各处理的pH值维持在6.72～6.86之间，均符合堆体腐熟的pH值的标准[13]，以加入菌剂Ⅱ处理的变化幅度最大.

图2 不同微生物菌剂处理下棉秆在发酵过程中pH值变化Figure 2 The pH value variation of cotton stalk during fermentation process withdifferent microbial agents

2.3 不同微生物菌剂对棉秆堆肥EC的影响

EC值是检测堆体高温好氧发酵完成时所需指标之一，它反映了堆体带有的可溶盐分的多少[14].如图3所示，各处理EC值总体表现为先升高后下降的总趋势.本试验中，在发酵前15 d，可能由于堆体内有机物充裕，阳离子含量较多，微生物活性吸附的负离子就越多，导致堆体EC值上升，在15 d时，堆体EC值达到发酵期的最大值，其中处理2的EC值最大，值为7.42 ms/cm.随着发酵的进行，有机物分解，阳离子减少，堆体EC值逐渐下降趋于稳定.

图3 不同微生物菌剂处理下棉秆在发酵过程中EC值变化Figure 3 The electrical conductivity (EC) variation of cotton stalk during fermentation process withdifferent microbial agents

发酵结束后各处理EC值均低于发酵值.一般认为对植物生长的理想电导率(EC)<2.50 ms/cm[15]，也有人认为EC值在0.5～3 ms/cm之间均适合植物的生理生长[16].本试验中，堆体结束时，棉杆EC值在6.20～6.58 ms/cm之间，均比理想状态最大值3 ms/cm大.

2.4 不同微生物菌剂下棉秆堆肥含水率的变化

堆体含水量在发酵过程中对温度能够产生影响，间接地对堆体中微生物活性产生影响[21].在棉秆堆体高温好氧发酵过程中，由于堆体内部温度快速升高，蒸发量增加，导致各处理水分迅速下降.如图4所示，堆体发酵前期，各处理含水率在64.1%～66.4%之间；在堆体发酵0～15 d之间，各处理含水量因堆体温度升高较快，水分大量蒸发而快速下降，其具体表现为：处理2>处理1>处理3>CK；堆体发酵后期，各处理含水量下降速率相差较小；堆体发酵结束时，以处理2堆体水分最低，为20.48%.

图4 不同微生物菌剂处理下棉秆在堆肥发酵中含水率变化Figure 4 The rate of water content variation of cotton stalk during fermentation process with different microbial agents

2.5 不同微生物菌剂下棉秆堆肥全氮的变化

堆体高温好氧发酵过程中，堆体温度、pH、EC、微生物数量的变化均伴随着NH3的挥发[17].随着堆体发酵的进行，微生物对棉杆中大分子有机物不断分解，堆体体积缩小，在发酵过程中由于浓缩效应，表现为全氮含量上升[18].从图5可知，发酵前期，由于堆体中含氮有机物被分解为NH3挥发，全氮含量较低[19-20].发酵结束时，各处理全氮含量均有所增加.增加量以此为0.45、0.88、0.13、0.15 g/kg，且处理2在堆肥结束时，全氮含量幅度增加最大，与其他处理相比，差异显著.

图5 不同微生物菌剂处理下棉秆在堆肥发酵中全氮变化Figure 5 The total nitrogen variation of cotton stalk during fermentation process with different microbial agents

2.6 不同微生物菌剂下棉秆堆肥体积的变化

如图6所示，棉杆高温好氧发酵开始与结束相比，堆体体积折损率较大.在相同条件下，增加微生物菌剂Ⅱ处理与其他各处理有较大差异.棉杆堆体发酵结束时，各处理剩余体积百分比为(从左至右)47.64%、61.55%、47.68%、49.75%.由上述数据此可知，添加菌剂Ⅱ处理的棉秆体积折损量最低，而添加菌剂Ⅰ、菌剂Ⅲ的处理与不添加任何菌剂的处理之间体积的剩余百分比差异不显著.

图6 不同微生物菌剂处理下棉秆在堆肥发酵中体积变化Figure 6 The volume variation of cotton stalk during fermentation process with different microbial agents

3 讨论

堆体高温好氧发酵是一个微生物参与和作用的过程，加入适宜的外源微生物是加快堆肥物料腐熟的重要手段，而温度是堆肥过程重要影响因素之一[22]，同时也是堆肥腐熟度的一个重要指标[23].堆体温度在55 ℃条件下保持3 d以上(或50 ℃以上保持5～7 d)，是杀灭堆肥所含致病微生物和害虫卵，保证堆肥的卫生指标合格和堆肥腐熟的重要条件[24].本试验研究表明：增加微生物菌剂有利于棉杆堆体高温好氧堆肥.处理1和处理2达到60℃所需时间均比处理3和CK短，其中处理2最短，与CK相比提前了20 d.这说明菌剂Ⅱ更适宜于本试验研究的夏季特殊气候区.

研究发现，pH值的大小对微生物的生长有重要作用，pH过高或过低都会影响到微生物的生长，适宜的pH可使微生物有效的发挥作用，可显著提高初期的反应速度，缩短堆肥达到高温所需求的时间[25-26]，亦可避免由堆肥反应延缓所造成的臭味问题.本试验中pH变化的规律，这可能由于在堆体发酵初期阶段，由于堆体中的有机物质较多，微生物的活性较强，会有大量的铵态氮产生，导致pH增加较快.殷培杰等[27]在微生物菌剂在鸡粪有机肥料堆制发酵中研究表明，增加微生物菌剂能产生酸性物质，降低堆体的pH值，减少堆体中氨的挥发，还能提高堆体的肥效.添加不同微生物菌剂的处理，pH值变化趋势相同，但是范围有所不同.菌剂Ⅱ与其它两种微生物菌剂相比较，pH值的变化幅度最大.

研究发现，EC值的大小对微生物的生长与活性有着重要的作用与意义，EC值过高或过低都会影响到微生物的生长，适宜的EC值可使微生物正常生长[15-16].试验表明，棉秆的EC值在在整个发酵过程中升高与降低趋势平缓、规律性强的都是处理2，说明菌剂Ⅱ对棉花秆高温好氧发酵的EC值有着重要的影响.

堆体高温好氧发酵过程中，堆体中氮元素会被大量的消耗，而且几乎所有氮元素的消耗，是由于有机氮化合物分解成氨所致[17].微生物分解含氮的有机物质，使其转化为简单的化合物，作为新细胞物质所需要的氮元素，并将其中部分氮元素转化为氨.如果氮元素可得到量比其使用量要快，氨就会积累，造成氨的释放，即造成堆体中养分的降低，还会造成大气污染[2].试验中，堆肥结束时，堆体全氮含量与发酵初期相比，各处理均有不同程度的增加，其中以处理2增加幅度最大.所以，增加菌剂Ⅱ更适应棉杆高温好氧堆肥.

体积是影响堆肥效果的重要参数之一，剩余体积的大小是能够表现出基质发酵后折损率，有利于在生产实践中对经济成本的控制，符合基质发酵的基本原则.本试验中棉秆的体积折损率最小的是处理2，所以添加菌剂Ⅱ对纤维素高温好氧发酵有较好的效果.

水分是影响堆体高温好氧发酵的重要指标之一，适宜的水分含量能维持微生物最佳活性[21]，也是堆体高温好氧发酵的必要条件.堆体含水量过高，将会影响堆体的孔隙度，进而影响氧气的出入，导致堆体中氧气含量的降低，容易造成堆体的厌氧发酵，致使微生物活性的下降，延长堆体发酵时间；堆体含水量过低亦会对营养物质的输送造成影响.本试验中，在棉秆发酵前期，含水率在64.1%～66.4%之间，随着堆体高温好氧发酵的进行，堆体的含水率也随之降低，以处理2下降最快，说明菌剂Ⅱ可以在当地环境下促进棉杆高温好氧发酵.