陕北地区新型菌草发酵床垫料筛选研究

2020-09-28孙志宏邓新为徐雅皙郝柳柳

中国野生植物资源 2020年9期

孙志宏，罗娜，邓新为，徐雅皙，郝柳柳，姜深

(1. 陕西省区域生物资源保育与利用工程技术研究中心，陕西延安 716000；2. 延安大学生命科学学院，陕西延安 716000)

菌草(PennisetumgiganteumZ.X.Lin)原产地于北非，隶属禾本科狼尾草属，易种植且产量高，富含粗蛋白[1]。福建农林大学菌草研究所的林占熺在1983年引进中国，改良种植后获得大面积成功。平均高度约3～5 m，最高可达7.08 m。菌草具有较强的适应性和抗逆性，在我国南北方种植试验后都达到规模化生产。年产菌草量达200～400 t/hm2，若温度适宜，一般产量为300～500 t/hm2。菌草对提高土壤肥力、增加土壤微生物菌群多样性和增加昆虫多样性具有一定的价值意义[2]。菌草中的粗蛋白含量也较高，种植4周后粗蛋白含量超过10%并且还含有约16%的芳香性高聚物木质素。另外，菌草的太阳能转化率是阔叶林的4～7.46倍，被认定是最有发展前景的生物质资源之一[3]。目前，发酵床垫料大多应用在鸡、猪、牛等动物的养殖上[4-6]，传统垫料成分大多为玉米芯、麸皮、锯末以及各种粉碎的干草类，成本较高，透气性一般且循坏利用效率低。

发酵床养鸡是以生态学为原理，融合发酵技术和养殖技术的一种新型现代化养鸡模式[7]。发酵床由垫料组合而成，垫料的成分可依据当地物种资源进行挑选，玉米芯、锯末、稻壳、麦麸及粉碎的干草都可以作为垫料。通常选择两种或两种以上成分混合制作，垫料成品要求松软、多孔、透气性强。锯末是传统发酵床的主要原料，随着规模化养鸡的高速发展，粪便带来的环境污染问题日益严重。由于陕北地区锯末相对缺乏，垫料原料的来源成了发酵床养鸡的一个制约因素。2013年延安市从福建引进菌草，进行了试种、培育、示范和推广。发展菌草产业链已纳入延安市“十三五”科技发展规划发展纲要。目前，有关菌草作为发酵床垫料进行养殖试验的研究、报道等还是空白。

本研究以菌草作为发酵床垫料进行养殖试验，通过测试发酵床垫料的理化性质变化，结合经济成本，筛选出最佳的发酵床垫料组合形式，为后续菌草发酵床应用于动物养殖等相关领域提供一定的理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

锯末，购于延安燕沟锯末厂；麦麸和玉米面于市场采购；菌草，采集于延安大学翠园校区延安大学科研基地。试验菌种：EM(Effective Microorganisms)菌来源于河南农富康生物科技有限公司。试验植物：武汉小青菜(BrassicachinensisLinn.)来源于武汉宏达责任有限公司。试验动物：七彩山鸡(Phasianuscolchicus)饲养于延安大学翠园校区科研基地。

1.2 试验方法

1.2.1 EM菌液配置和使用方法

1.2.1.1 EM菌液配置

5 L菌原液配制按说明书配置而成，具体方法如下:(1)70 g糖加少量热水溶解至室温；(2)29 g菌粉少量无菌水溶解；(3)将红糖水与溶解后的菌粉混合后加入无菌水装入5 L带透气阀门发酵桶内，30±0.5℃密封遮光发酵。

1.2.1.2 EM菌液使用方法

EM原液与清水按照1∶50的比例稀释发酵液。当发酵床中发酵效果不好时需多向垫料中喷洒营养液，加快微生物的生长繁殖。

1.2.2 试验设计

本研究共设置四个处理组，分别为：对照组：80%锯末+20%玉米面麦麸混合料(玉米面∶麦麸=1∶1)；试验组1：10%菌草+90%传统垫料组；试验组2：30%菌草+70%传统垫料组；试验组3：50%菌草+50%传统垫料组；

依照各个处理组垫料总干物重量相等的原则，每组垫料总质量为182.5 kg。每组3个重复，每个重复养殖9只12周龄、体重接近的健康雄性七彩山鸡。自由进食、饮水、常规防疫和免疫。试验期共计60 d。

1.2.3 发酵床制作

四个处理组原料的用量依次称重后混匀，割取新鲜菌草后用揉丝机截断成3～5 cm晒干使用。将各组原料混匀后，向垫料喷洒经1: 50比例稀释后的EM菌液，边喷洒边深翻加速混匀，控制垫料含水率在40%～50%(手握成团，有水却不成滴，落地则散)。将混匀的垫料制成高度约为80 cm梯形状堆体，略微按压堆体使其尽量密实，用塑料薄膜折叠3层覆盖在堆体表面，随后在塑料膜上随机戳直径为5～8 cm的孔，保证发酵床透气性。垫料制作完成后经过5～7 d即可完成发酵[8]。将垫料转移至鸡舍，使垫料充分摊开、平铺于地面，垫料高度至少保证在30 cm。

1.3 样品采集

不同比例菌草发酵床养殖七彩山鸡后，于第0 d、10 d、20 d、40 d、60 d采用“S”形多点混合采样。采样从发酵床垫料的一角开始，均匀采取整个垫料中5个点的样品，每个采样点由上至下用环刀收集上层(10 cm)、中层(20 cm)、下层(30 cm)的垫料，将每个取样点的样品混匀，用四分法去除多余样料后保留300 g装入自封袋，贴上标签常规密封保存。

1.4 测定指标与测定方法

1.4.1 测定指标与方法

现场测定：在采集垫料样品现场，用温度计测定发酵床垫料深度为20 cm处的温度，并记录。

常规测定：垫料样品的含水率、全氮、有机质。

种植试验：发酵床垫料对植物毒性的测定[9]，以种子发芽指数(Germination index，GI)作为垫料有无毒性的依据。

含水率：采用GB6435-86中规定的105℃烘箱恒温干燥法测定；全氮采用NY525-2012《有机肥料》标准中H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮法测定；有机质采用NY525-2012《有机肥料》标准中重铬酸钾-硫酸氧化，沸水浴30 min进行测定。

发酵床垫料对植物毒性的测定：垫料风干后过100目筛，准确称取5 g垫料放入250 ml三角瓶，加入100 ml去离子水，混匀后放入水浴锅中，60℃浸提3 h后纱布过滤，滤液即为垫料提取液。量取10 ml垫料提取液，注入9 cm已灭菌培养皿内，每只培养皿内点播20粒小青菜种子，将培养皿放入30℃培养箱中培养60 h，观察记录种子发芽数和根长[9]。用游标卡尺测量根长，每个处理组重复测量3次。

种子发芽指数采用公式(1)计算：

(1)

1.4.2 运行成本计算

每个处理组占地6 m2，垫料厚度约为0.3 m，每立方米发酵床垫料总成本=原料成本+菌种成本+补加的菌种成本。

1.4.3 数据分析

2 结果与分析

2.1 发酵床垫料的温度变化

发酵床垫料按厚度可划分为上层(10 cm)、中层(20 cm)和下层(30 cm)，中层为温度核心层。四个处理组垫料铺设后在不同时间点(第10 d、第20 d、第40 d、第60 d)，中午12点整测定发酵床垫料温度，结果见表1。所有处理组在试验开始后(第0 d)到第20 d属于升温期，在第20 d中心层温度到达最高值，随后各组温度开始降低。其中试验组1、试验组2始终保持较高的温度，在试验开始后第10 d中心层温度突破40℃。试验组2在第10 d温度达到45℃，比对照组温度高了13.69%，达到整个试验阶段所有处理组的最高温度。试验组3温度始终较低，第60 d温度降低至18℃，其他各组降温期温度均在20℃以上。由分析得出，各组从开始到第20 d，温度逐渐升高，试验组2升温速度最快，温度上升幅度最大，与对照组出现了极显著差异。第20 d至第40 d，四个处理组温度呈下降趋势，其中试验组1和试验组2与对照组温度基本持平，未出现显著差异。第60 d，对照组于其他三处理组相比出现显著性差异，其中试验组1和试验组3是温度低于对照组出现的显著性差异，试验组2是温度高于对照组表现出显著性差异。这种显著性差异可能是一定比例的菌草替代锯末与鸡粪尿混合后有利于微生物活动持续产热，过量的菌草比例会使发酵床垫料的孔间隙增大，微生物活动产生的热量会随着空气流动和七彩山鸡的活动挥发，使发酵床保温能力降低。

2.2 发酵床垫料的含水率变化

含水量变化见表2。由于在实际操作时很难精确控制各试验组起始含水量，因此造成各试验组初始含水量各不相同。在试验期60 d中各个处理组水分含量维持在23.33%～47.53%之间，整体呈下降趋势。对照组60 d试验期中，含水率下降了32.99%；试验组1在60 d试验期中，含水率下降了32.45%；试验组2在60 d试验期中，含水率下降了34.12%；试验组3在60 d试验期中，含水率下降了50.92%。由于发酵时温度急剧升高，造成水分含量下降，随温度的降低，附着于薄膜的水分重新被垫料吸收，使得水分含量缓慢回升。由统计分析得出，开始时四个处理组的含水率均未出现显著性差异。第10 d至第60 d，试验组3与其它三个处理组相比均出现显著性差异。试验组1和试验组2与对照组的含水率相比，未出现显著性差异。第60 d，试验组1、试验组2含水率仍保持在30%以上，与对照组的含水率相近，试验组3含水率最低，试验期后已降低至23.33%。

表1 发酵床垫料深度的温度变化

表2 发酵床垫料含水率的变化

2.3 发酵床垫料的全氮变化

由表3看出四个处理组的全氮含量整体呈下降趋势。对照组、试验组1、试验组2、试验组3全氮含量分别比初始降低了48.35%、42.73%、33.61%和63.56%，说明发酵床铺设后60 d试验期内，随着鸡粪尿加入，垫料中的微生物快速分解使全氮含量不断降低。其中试验组2比对照组氮素损失减少了6.82%；试验组1、试验组3比对照组氮素损失增加了6.81%、70.45%。多重分析检验得出，试验开始时对照组与其它三个处理组均出现显著性差异，可能是由于菌草本身携带大量氮元素，使其含有丰富的营养。第0 d至第20 d，四个处理组全氮含量下降，但添加了菌草比例的处理组仍显著高于对照组。第40 d至第60 d，各个处理组全氮含量继续下降，值得注意的是试验组3与对照组相比，没有出现显著性差异。第60 d，试验组2仍保持较高的含氮量，试验组3含氮量低于对照组。

表3 发酵床垫料全氮的变化

2.4 发酵床垫料的有机质变化

从表4可得出，经过试验期60 d，四个处理组有机质含量均呈不同程度下降，对照组由99.13%降到52.57%，降低了46.56%；试验组1由98.07%降低至54.99%，降低了43.08%；试验组2由99.57%降到71.36%，降低了28.21%；试验组3由99.60%降到50.39%，降低了49.21%。试验组2有机质降幅度最低，可能是由于适量的菌草比例添加后，微生物进行呼吸作用产生的热量散失加快，使发酵床垫料能保持较高的养分。结果表明，有机质含量在整个发酵过程中呈不断降低的趋势，由于初始菌草添加比例不同，试验开始时有机质含量各不相同，其它三个处理组与对照组相比，出现显著性差异。第10 d至第40 d，随着鸡粪尿的加入和时间的加长，试验组1、试验组2、试验组3与对照组相比出现显著性差异。值得注意的是，第60 d试验组1、试验组3与对照组相比没有出现显著差异，有机质含量大致相同；试验组2与对照组相比，有机质含量仍存在显著性差异。

2.5 发酵床垫料的植物毒性

由表5可看出，所有处理组的发芽指数随着垫料发酵使用时间的加长不断上升。对照组、试验组1、试验组2、试验组3第60 d与第0 d相比，种子发芽指数分别上升了45.05%、49.80%、59.84%、46.76%。所有处理组的种子发芽指数在发酵第10 d时均有不同程度的下降，说明垫料中有机质开始降解，不完全降解产物对小油菜种子存在植物毒性。随着发酵的进行，不完全降解产物慢慢消除，对植物毒性逐渐解除，GI逐渐增大。第40 d 四个处理组的种子发芽指数皆超过50%，可能是由于发酵床垫料中 NH4+等毒性物质在微生物的同化作用和硝化作用下，含量逐渐降低，所有处理的GI均大于50%，表明垫料对植物已没有毒性，即证明垫料基本腐熟。其中试验组2第40 d种子发芽指数达到60.30%。第60 d各个处理组的GI均超过60%，试验组1的GI都达到70.40%，试验组2的GI超过80%，达到完全腐熟。结果表明，发酵初期第0 d至第10 d，试验组1、试验组2、试验组3的GI与对照组GI相比均出现显著差异，组间GI相比较均未出现显著性差异。随着垫料发酵使用时间的加长，第20 d试验组1、试验组2的GI与对照组GI出现显著性差异，试验组3的GI与对照组GI相比无显著性差异，组间GI相比较均出现显著性差异；试验期结束后，第60 d四个处理组之间GI均出现显著性差异。

表4 发酵床垫料有机质的变化

表5 发酵床垫料种子发芽指数的变化

2.6 发酵床垫料运行成本

已知1亩菌草种苗350元，种植费和管理费共650元，合计1000元整。1亩可产15吨鲜菌草，菌草价格约0.067元/kg。锯末密度约为120 kg/m3，锯末价格为120元/ m3；玉米面价格为2元/ kg；麸皮价格为1.56元/ kg。EM菌粉价格约为80元/kg，每立方米发酵床需要1 L原液，配置1 L原液需要约6 g菌粉，每2周补充菌液0.5 L/ m3，60 d共需要补充4次菌液。

表6可看出，60 d试验期里对照组的成本最高，试验组3的成本最低，试验组2的成本次低。添加菌草10%、30%和50%比例的发酵床成本与对照组的成本相比分别低了9.34%、28.03%和46.71%。

表6 不同处理组垫料成本

3 讨论

3.1 发酵床垫料温度的变化

微生物代谢的生物反应热是固态发酵热量的主要来源，生物发酵床垫料温度是反映发酵效果的最直接指标之一。垫料在使用过程中类似于高温好氧堆肥，堆体的温度直接关系到鸡粪尿分解速度的快慢，此过程是多种微生物共同作用的结果，所以受到温度的强烈影响[10-11]。李国学等[12]研究发现60℃是垫料发酵的最佳温度，为了保证发酵床垫料的安全性，垫料的温度至少要达到55℃以上，之后维持在15℃～35℃之间。汪开英等[13]研究发现，猪粪发酵时最高温度出现中心层，即除顶部20 cm和底部20 cm之间的范围内，由于猪发酵床垫料厚度远高于鸡类发酵床，因此本文试验选取除顶部10 cm和底部10 cm作为温度核心层，试验结果与汪开英等人研究结果相符。

本试验设置的四个处理组前期酵熟温度均在60℃以上，首先能够保证发酵床垫料的安全性，其次本试验选择了发酵床垫料中的不同深度进行温度测定和对比分析。各个处理组都经历了升温-降温-持温的过程，与席北斗等[14]研究结果一致。

3.2 发酵床垫料含水率的变化

适宜的含水率是微生物生命活动所需的基本条件之一，含水率的变化也是发酵床垫料发酵过程中一个重要的影响因素[15]。含水率影响发酵床垫料中微生物的代谢和溶解等一系列活动，它的高低决定了垫料中微生物活动的快慢。含水率过高可能导致厌氧发酵，而含水率太低则又可能会抑制微生物的新陈代谢。Kaufman等[16]研究表明，含水率范围为45%～60%较适合于微生物的正常代谢活动，垫料中含水率下降会改变微生物的生活条件，从而无法维持发酵床的微生态系统的稳定性。发酵床垫料中含水率过高会影响氧气的传递与运输，使垫料中好氧微生物无法正常工作，从而导致厌氧发酵；若水分过低，也不利于给垫料中微生物营造良好的生长氛围。Komariah等[17]研究发现，发酵床垫料在饲养过程中的含水率会随着使用时间的增加而不断降低，含水率下降会改变微生物的生活条件，从而不能维持发酵床的微生态系统稳定性。当发酵床垫料含水率低于30%时，严重影响微生物发酵状况，当垫料中含水率低于10% 时，细菌将会停止活动。这可能是垫料的碳化程度不断加深，系水力降低，从而导致了含水率下降。

在本研究中，试验期60 d后，四个处理组含水率均降低，但30%菌草比例发酵床垫料含水率高于其他三个处理组，可能是由于适量的菌草比例具有一定的保水性能。如做后续研究，应对其他处理各组的发酵床垫料及时补充水分。盛清凯等[18]研究发现，发酵床垫料中不同深度层含水率不同，中层含水率较高，底层最低。后续的研究内容应涉及不同深度进行探索研究。

3.3 发酵床垫料全氮的变化

本试验60 d试验期内，垫料中的全氮含量随着使用期的加长呈降低趋势，其中对照组、试验组1、试验组2和试验组3全氮含量60 d内分别降低了48.35%、42.73%、33.61%和63.56%。全氮下降的原因可能为：一方面是发酵床温度较高，氮转变成NH3进入空气中；另一方面是氮转化成菌体蛋白被发酵床垫料中的功能菌群吸收后分解，氮素的损失会降低垫料腐熟的肥效[19]。也有研究表明在好氧发酵过程中添加微生物菌剂可以有效减缓发酵过程中营养代谢速率，减少氨气损失和气味气体的排放，从而促进氮素向硝态氮转化，使发酵床垫料中更多的氮素营养被固定[20]。试验组2较其它三个处理组相比下降缓慢，反映了垫料的稳定性，而过量添加菌草比例会加速发酵床垫料的氮素损失。张蓓等[21]研究发现，添加不同菌剂对全氮损失有很大影响。不添加菌剂的处理组全氮损失率最高，达到9.17%；添加微生物发酵菌剂的处理组氮素的损失率降低至3.10%，说明微生物菌剂对垫料氮素的损失有一定抑制作用，其中不同的菌剂对氮素的抑制率不同。

3.4 发酵床垫料有机质的变化

发酵床垫料中有机质的含量随着使用时间加长呈下降趋势，其原因就是垫料内微生物在高温条件下加速了有机氮的分解，尤其是七彩山鸡粪、尿中的有机氮。在发酵前期，微生物主要分解一些简单有机物，到发酵的中、后期，垫料中存在相对稳定的有机质相继被分解，进而降低了氨气的挥发，维护鸡舍环境。马晗等[22]研究发现，通过测定垫料中纤维素、半纤维素和木质素的分解情况也可以间接反映出垫料中有机质的分解情况。

试验组2有机质含量下降最少，试验组3有机质含量下降最多，这可能是由于添加不同比例菌草所致。锯末比菌草透气性好，但不如菌草营养丰富，适量的菌草比例对垫料中的有机质含量下降有一定的抑制作用。过量和少量的菌草比例会使微生物加速繁殖，加快分解七彩山鸡粪尿和发酵床垫料中的有机物质。《中华人民共和国农业行业标准-有机肥料》(NY525-2012)中规定有机肥料中有机质的含量应高于30%，按照此标准要求，本试验所有处理组的垫料经过发酵后的产物均达标，是优质的有机肥源。

3.5 发酵床垫料对植物毒性的测定-种子发芽指数(GI)

GI是一种简单有效生物学评价方法，是检测发酵垫料能否达到无害化和稳定化的关键指标[23]。GI可直接反映垫料毒性的高低，低毒性影响根长，高毒性影响发芽，因此垫料在还田中常常使用GI作为反映腐熟度的指标之一[24]。GI在发酵过程中分为三个阶段：抑制期、直线上升期和稳定上升期。在发酵前期，发酵床垫料对植物种子萌发产生一定抑制作用，主要是有机酸的不完全降解以及较高浓度的氨环境造成的[25]。随着垫料发酵时间的延长，有机酸被彻底分解，抑制作用解除，GI呈直线上升趋势。在发酵后期，堆料中有机质基本已被完全降解，GI基本平稳，但是也略有升高。从理论上讲，GI<100%可以判断垫料具有毒性。也有另一种说法，李文玉等[26]研究发现，当GI>50%可以表明垫料对植物已没有毒性，即证明垫料基本腐熟，当GI>80%就可认为垫料完全腐熟。

本试验研究中对照组、试验组1、试验组2和试验组3在第40 d GI均超过50%，发酵床垫料达到基本腐熟；第60 d，试验组2的GI达到80.47%，发酵床垫料完全腐熟，显著高于其它3个处理组。总体来看，本试验中各个处理组的垫料在60 d试验后已对植物没有毒性，可以用于还田研究。

3.6 发酵床垫料运行成本

生产实践中常将锯末与麦麸混合作为发酵床垫料，但是由于陕北地区锯末资源匮乏，价格较贵，全部选用锯末作为垫料会增加成本投入，所以需要选择部分合适的材料进行替代来降低生产成本，提高经济收入。

宋静等[27]研究发现菌草的生态经济利用价值很可观，大型养殖厂对菌草的鲜草收购价为每吨350元，每亩的经济收入约2.84～3.84万元。本研究选用延安地区大力推广种植的功能性菌草部分代替锯末制作发酵床，从成本投入的角度出发，菌草替代比例为30%和50%都可大幅度降低成本。但实际生产养殖过程中，成本价格不能成为评价发酵床好坏的单一指标，应当力求在养殖效果最好的基础上最大化节约成本。结合垫料理化性质分析，试验组2是最优的替代比例。假设在实际生产中建造一栋饲养面积为200 m2，30 cm深的发酵床鸡舍，发酵床试用期为3年，试验组2与对照组相比，节约成本17.64万元。因此，试验组2发酵床垫料生产运作较好，成本较低，建议在陕北地区发酵床养鸡中推广使用。不仅如此，废弃的发酵床垫料仍然可以当作有机肥料还田利用，是可持续且生态的循环模式。