棉秆腐熟过程中相关指标及可培养微生物数量的变化

代金平，王志方，王小武，冯 蕾，陈 竞，谢玉清，张慧涛，古丽·艾合买提，杨新平

(新疆农业科学院微生物应用研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】农作物秸秆是指在农业生产过程中收获了稻谷、小麦、棉花等农作物以后，残留不能使用的茎、秆、叶、壳、芯、藤蔓等副产品。农作物秸秆营养丰富，其中碳、氧、氢3种元素化学成分总和占95%以上，其余为钾、氮、磷、硅、钙、镁、硫等矿物质元素，有机成分以纤维素、半纤维素为主，其次为木质素、蛋白质、脂肪、灰分等[1]。堆肥是指在通风条件下经过微生物发酵，使有机物在人工控制下，将农作物秸秆转变成腐熟肥料的过程。在分解过程中，可产生有效态氮、磷、钾。【前人研究进展】堆肥的腐熟度评价是关系到堆肥安全利用的重要环节[2]。堆肥是指在通风条件下经过微生物发酵，使有机物在人工的控制下，将农作物秸秆转变成腐熟肥料的过程。在分解过程中，可产生有效态氮、磷、钾。通常堆肥可分为好氧堆肥、厌氧堆肥和厌氧-好氧堆肥3种方法，好氧堆肥又称为高温堆肥，特点是异味少、耗时短、有机分解充分，成为处理农作物秸秆首选方法[3]。【本研究切入点】在已有的研究中，针对棉秆腐熟度的研究相对较少[4]，目前较为认同的堆肥腐熟度的评价方法是采用多种分析方法测定多个指标，根据这些指标综合反映堆肥的腐熟状况[5]。研究不同处理堆肥发酵过程中相关指标及可培养微生物的变化规律。【拟解决的关键问题】以棉秸秆为原料，设置3种不同的添加物配方，在不同堆肥发酵阶段对测定温度、pH、电导率、速效氮、磷、钾含量及可培养微生物(细菌、真菌、放线菌和特殊类群微生物-纤维素降解菌、木质素降解菌)。为棉秸秆的利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

棉花秸秆取自于新疆库尔勒地区。

1.2 方 法

1.2.1 样品处理

试验以棉秸秆为原料，测得棉秸秆C/N比约50左右，粗纤维含量>50%，电导率为3 ms/cm，持水率>60%，N含量1%、P含量0.25%，K含量1%。取粉碎的棉秸秆样品各10 kg(长度为2 cm)自然晾干，处理1(基础配方)；处理2(基础配方+磷酸二氢钾0.8%)；处理3(基础配方+磷酸二氢钾2%)，进行不同处理后，对水7 kg，搅拌均匀，进行堆肥腐熟发酵28 d，在堆肥发酵第0、7、14、21和28 d时取样。

表1 棉秆腐熟试验设计

1.2.2 筛选培养基制备

细菌筛选培养基为营养琼脂培养基；真菌筛选培养基为马铃薯葡萄糖琼脂；放线菌筛选培养基为高氏一号合成培养基；纤维素降解菌筛选培养基为纤维素刚果红培养基(配方为磷酸氢二钾0.5 g，硫酸镁0.25 g，羧甲基纤维素钠0.25 g，刚果红0.2 g，琼脂14 g，明胶2 g，纯净水1 L，pH 7.0)；木质素降解菌筛选培养基为PDA-RB亮蓝固体培养基(配方为马铃薯淀粉6.0 g，葡萄糖20.0 g，琼脂20.0 g，纯净水1 L，亮蓝0.01%，pH 5.6)。

1.2.3 堆肥腐熟不同阶段温度测定

从堆肥腐熟发酵开始时，将电子温度计分别放入各处理中，每2 h记录1次，直至腐熟第28 d取出。

1.2.4 堆肥腐熟不同阶段pH及电导率(EC)测定

取堆肥发酵不同阶段样品10 g分别与去离子水1∶5混合，120 r/min室温振荡30 min，取浸出液待用。使用酸碱pH计和DDS-307电导率仪分别进行pH和EC值测定。

1.2.5 堆肥腐熟不同阶段速效氮、磷、钾测定

使用TFC智能普及速测仪测定棉秆发酵不同阶段速效氮、磷、钾的变化趋势。

1.2.6 堆肥腐熟可培养微生物菌种的筛选

取堆肥发酵不同阶段的样品30 g，利用活菌计数方法进行梯度稀释(10-1～10-9)，取各梯度液体100 μL涂布在相应培养基表面，28℃恒温培养箱培养4 d。

2 结果与分析

2.1 堆肥腐熟不同处理不同阶段温度变化

在腐熟过程中经历了升温期、高温期、降温期和平稳期4个时期。CK组、处理2组在第3 d温度升至最高，分别为52.98、49.07℃。处理1、处理3在第4 d温度最高，为50.35、45.91℃。温度下降至第7 d后，变化趋势开始趋于平缓。在第7～14 d中，4组的温度均在18.46 ～25.29℃的范围内波动，出现小幅度的温度回升。从第15～第21 d，温度不再发生较大变化，且期间温度整体低于第7～14 d的温度。第27 d，CK组、处理1、2、3组的平均温度分别为12.79、12.59、12.23和12.17℃，之后温度略呈下降趋势。图1

图1 不同处理发酵过程中温度的变化

2.2 堆肥腐熟不同处理不同阶段pH及电导率(EC)测定

研究表明，在棉秸秆发酵过程中，pH值随发酵时间的变化而变化。4种处理的pH值先降低后升高，趋势均相同。处理3的pH在第14 d降至最低，其余3组均在第21 d时降至最低，此后逐渐升高，在第28 d时pH升至最高。而处理1和处理2比CK组pH高，处理3的pH最低，范围为8.59～8.89。图2

图2 不同处理发酵过程中pH的变化

研究表明，在发酵腐熟过程中，处理1、2、3所测得的EC值均高于CK组。各组的EC值均先降低后升高再降低，均在堆肥第14 d呈最低值，各处理组EC值分别为CK 2.79 ms/cm、处理1为3.42 ms/cm、处理2为2.96 ms/cm、处理3为3.7 ms/cm。在腐熟中后期逐渐升高，在腐熟末期再次降低。处理1和处理2的EC值变化趋势相较平缓，至28 d，EC值均<4 ms/cm；处理3的EC值较其他处理组较高。图3

图3 不同处理发酵过程中电导率变化

2.3 堆肥腐熟不同处理不同阶段速效氮、磷、钾变化

研究表明，堆肥腐熟不同处理不同阶段速效氮变化趋势均为降低-增加-降低。在第14 d，速效氮浓度降至最低，CK、处理1、处理2、处理3分别为9.663、8.087、8.087和8.983 mg/kg。第21 d，浓度最高：21.000、16.833、17.033和49.867 mg/kg。第28 d，最终的浓度为10.673、11.467、13.133和13.483 mg/kg。图4

图4 不同处理发酵过程中速效氮浓度变化

不同处理的速效磷变化趋势均相同为升高-降低-平稳。CK组和处理2在发酵腐熟期间速效磷的变化不大，第14 d略有升高。而处理1、处理3速效磷浓度升高的较为明显，且处理3的浓度最高。第14 d，4组的浓度分别为153.633、934.700、153.867和3 321.900 mg/kg。第28 d浓度：61.167、136.133、88.100和147.000 mg/kg。图5

图5 不同处理发酵过程中速效磷浓度变化

不同处理速效钾变化趋势相同，先平稳后逐渐升高。第7～14 d，处理1速效钾浓度升高，CK组、处理2、3降低，但变化较小。第21～28 d升高趋势较第14～21 d的平缓。至第28 d，各处理组速效钾浓度分别为1 107.333、1 186.333、1 120.333和1 168.667 mg/kg。图6

图6 不同处理发酵过程中速效钾浓度变化

2.4 堆肥腐熟不同处理不同阶段可培养微生物数量变化

2.4.1 堆肥腐熟不同处理不同阶段细菌数量变化

研究表明，堆肥腐熟不同处理不同阶段过程中，CK组细菌数量在堆肥7和14 d时，基本相同2.4×1010和2.847×1010cfu/g，在堆肥21 d时，细菌数量最低0.28×109cfu/g；处理1组在堆肥的过程中，在第21 d时细菌数最高，为8.02×1010cfu/g；处理2和处理3随着堆肥时间细菌数量不断减少。图7

图7 不同处理发酵过程中细菌数量变化

2.4.2 木质素降解菌数量变化

研究表明，在不同处理堆肥过程中，在堆肥7 d时，各处理木质素降解菌的数量均达到最高值，分别为CK 1.72×107cfu/g，处理1组2×107cfu/g，处理2组0.58×107cfu/g，处理3组4.17×107cfu/g；在堆肥14 d时，木质素降解菌数量处理1>处理2>处理3>CK；在堆肥21 d时，木质素降解菌数量CK>处理3>处理1>处理2；在堆肥28 d时，木质素降解菌数量处理3>CK>处理1>处理2，木质素降解菌数量分别为0.47×107、0.4×107、0.33×107和0.18×107cfu/g。图8

图8 不同处理发酵过程中木质素降解菌数量变化

2.4.3 纤维素降解菌数量变化

研究表明，不同处理堆肥过程中，CK随着堆肥处理的时间纤维素降解菌数量呈现先减少，后增加的趋势；处理1和处理2随着堆肥处理的时间纤维素降解菌数量逐渐减少；处理3随着堆肥处理的时间呈现先减少，但在堆肥21 d时纤维素降解菌数量达到最大值19.23×108cfu/g，然后又逐渐降低。图9

图9 不同处理发酵过程中纤维素降解菌数量变化

2.4.4 真菌数量变化

研究表明，CK和处理1在堆肥0和7 d真菌数量基本变化不大，但到堆肥14 d时，真菌数量均达到最大值为2.17×107和4×106cfu/g，然后又随着堆肥时间不断减少；处理2和处理3随着堆肥时间呈现先增加后减少的趋势，到堆肥21 d时，达到最大值，分别为5.75×106和5.83×106cfu/g。在堆肥28 d时，CK、处理1、处理2和处理3真菌数量分别为0.63×106、1.12×106、0.58×106和3.33×106cfu/g。图10

图10 不同处理发酵过程中真菌数量变化

2.4.5 放线菌数量变化

研究表明，CK和处理3随着堆肥时间放线菌数量逐渐增加，在堆肥28 d时，分别达到最大值，CK为6.32×109cfu/g，处理2为3.42×109cfu/g；处理1随着堆肥时间放线菌数量先减少后增加，在堆肥28 d时又减少，但在堆肥21 d时，放线菌数量达到最大值为4.78×109cfu/g。图11

图11 不同处理发酵过程中放线菌数量变化

3 讨 论

堆肥的温度是反映腐熟进程的一个直观参数，温度影响微生物的活动情况，并进一步影响有机物的分解速率[7]。温度对微生物的生长起到很重要的作用。试验中温度从第2 d开始，有机质分解，产生CO2、H2O和热量，使堆肥的温度迅速升高[8]，进入发酵阶段。从第21～28 d，温度先平缓后下降，接近环境温度，初步表明堆肥中有机物被分解。试验中在堆肥第7、14、21和27 d，温度都出现下降，可能是翻堆取样时造成了部分热量损失。

pH值是影响微生物生长的重要因素之一。一般来说，pH值在3～12较适合进行堆肥发酵[9]，pH值在7.5～8.5时，获得的堆肥效益最大。试验中处理3的pH更接近理想值，因此，更适合微生物的生长和底物降解。董晓宇等[11]用玉米秸秆粉为发酵原料进行堆肥，发酵结束后pH值均呈现减小的趋势。EC值是堆肥腐熟的必要条件。检测发酵材料中的EC值，可以反映农作物废弃物堆肥发酵后浸提液中可溶性盐的含量。可溶性盐含量过高，会直接对植物造成毒害，使植物根部失水。

堆肥前期，温度和氨的浓度较高，随着二者的逐渐降低，氨态氮含量减少，速效氮含量小幅下降。随着腐熟的进行，温度下降，硝化菌开始代谢旺盛，硝态氮含量增加，速效氮总含量增加。堆肥后期，氮逐渐被微生物消耗降解，另一方面氨态氮以氨气的形式挥发，速效氮总含量下降[8]。处理3在腐熟第21 d时，速效氮含量明显高于其他组，表明对硝化菌的硝化作用有一定影响。速效磷在堆肥中不存在分解挥发，前期由于有机质被微生物分解成CO2、NH3等气体溢出，令堆肥的速效磷相对含量增加，随着发酵中微生物的固定同化作用，速效磷的含量下降。速效钾变化比较稳定，呈现增加趋势，主要是由于堆肥质量和水分的减少而产生的“浓缩作用”[14]。王雪萍等[15]的研究表明：速效氮含量呈现减少-增加-减少的变化趋势；速效磷的含量随着腐熟的进行先增加后减少，速效钾稳定变化，逐渐增加，其结论与试验的结果一致。

微生物活性决定腐熟进程及效果。影响微生物生长的因素较多，有温度、养分、酸碱度、水分等。从总体数量来讲，细菌总数：处理1 >CK>处理2>处理3；木质素降解菌总数量：处理3>处理1>CK组>处理2；纤维素降解菌：CK>处理3>处理2>处理1；真菌：CK >处理3>处理1>处理2；放线菌：处理1>CK >处理3>处理2。刘玉珠等[13]认为随着腐熟的进度，细菌逐渐减少，放线菌逐渐增多，与试验基本相同。

4 结 论

4.1 基础配方+磷酸二氢钾2%相较其他处理效果最优，pH值在8.59～8.89，更适宜堆肥发酵；EC值较其他处理组在堆肥各阶段均较高，一直保持在4 ms/cm左右；基础配方+磷酸二氢钾2%速效氮、磷、钾的含量较其他处理组相比也均较高，速效氮在堆肥第28 d时，浓度为13.483 mg/kg，速效磷在堆肥第28 d时，浓度为147.000 mg/kg，速效钾在堆肥第28 d时，浓度为1 168.667 mg/kg；在微生物数量培养过程中，随着腐熟进度，基础配方+磷酸二氢钾2%细菌数量逐渐减少，从堆肥初期29.4×1010cfu/g减少至9.58×1010cfu/g，放线菌数量也逐渐增加，从堆肥初期1.1×109cfu/g增加至3.42×109cfu/g。

4.2 筛选出优势处理组基础配方+磷酸二氢钾2%对新疆棉秸秆对堆肥过程中的各项指标均较高。