玉米秸秆酵素堆肥腐熟度指标变化研究

2021-03-12闫佳明刘国雨李雪梅薛瑞星李家葆

辽宁科技学院学报 2021年1期

闫佳明，刘国雨，李雪梅，薛瑞星，李家葆，马洁

(辽宁科技学院生物医药与化学工程学院，辽宁本溪 117004)

堆肥技术是农业固体废弃物无害化、资源化利用的重要措施，是中华民族传承四千年循环农业培肥土壤的可持续发展方式，尤其在当前化肥农药超量使用、土地严重退化的现实情况下，需要在农村大力推广。农民自行堆制会引起发酵效率低、腐熟不完全、农田施用后产生病虫草等问题，在堆肥中添加农用植物酵素，是解决这些问题的有效措施〔1〕。

农用植物酵素(又称环保酵素)在工信部QB/5323-2018《植物酵素》和QB/T5324-2018《酵素产品分类导则》被定义为以植物为主要原料，添加或不添加辅料，经微生物发酵制得的、含有特定生物活性成分的、用于种植业、养殖业、土壤改良的酵素产品〔2-3〕。不仅能够提供大量的有益微生物，其发酵液中含有机酸、微量元素及N、P、K等营养物，还可成为环境微生物营养元，对启动堆肥和提高堆肥发酵效率以及保存氮素营养有极大的促进作用〔4〕。

农用植物酵素堆肥(简称酵素堆肥)是通过果蔬废弃物为发酵底物制得液态的农用植物酵素，进一步培养本地土著微生物，对农业废弃物进行高温好氧发酵制成的固体有机肥，近年被农民广泛应用于土壤改良。目前对环保酵素、土壤改良、农作物病虫害防治等方面研究较多，对农耕酵素堆肥的研究诸如堆肥营养成分与腐熟度指标变化等鲜见报道。

腐熟度是指堆肥中的有机质经过矿化、腐殖化后达到稳定的程度。基本含义： (1)通过微生物的降解作用，要达到稳定化、无害化，亦即对环境不产生有害的影响。(2)堆肥产品的使用，不给作物的生长和土壤微生物活动带来不利影响，改善土壤理化性质，维持地力〔5〕。堆肥腐熟程度直接影响堆肥产品的农田使用效果，检测并保证堆肥的腐熟度是堆肥产品质量及其安全农用的保障。作为一种刚刚兴起、传播却极为广泛的技术，农民对酵素堆肥进程中腐熟度的理解存在诸多误区，农户普遍误认为物料长满菌丝即为腐熟，施入农田却造成氮饥饿烧苗现象和蛴螬等植食性虫害的普遍发生。本研究通过对酵素堆肥和农家堆肥发酵过程中腐熟度指标动态变化的研究，探讨堆肥腐熟度进程特点，为农户正确堆制、使用酵素堆肥提供可靠依据。

1 材料与方法

1.1 堆肥场地设计与材料预处理

堆肥试验于2019.6.19—2019.9.26在辽宁科技学院博思楼后院堆肥场进行(位于辽宁省本溪市石桥子高新技术开发区，东经121°15′，北纬37°33′)。本实验共设2组处理，不添加外来菌剂的空白组(CK)和添加土著酵素腐熟菌剂(接种量为3%)的处理组(JS)。

主料为玉米秸秆，来自辽科院后山农场，粉碎至3 cm～10 cm的干物料，堆制前一天进行润水处理。辅料为猪粪(湿猪粪、锯末垫料)，来自于高新区上石村养猪场。主辅料用量分别为90%、10%，堆制时用搅拌机混匀，含水量55%-60%，C/N为25-30。

土著酵素腐熟菌剂使用高新区上石村老虎洞森林土扩培获得。

1.2 方法与管理

1.2.1 堆肥与管理

建堆：CK与JS建堆堆体均为2 m*2 m*1.2 m。JS建堆时添加3%土著酵素腐熟菌剂，使用农用植物酵素∶糖蜜∶清水=1∶1∶50的混合液调整含水量。CK未添加外源腐熟菌剂，使用清水调整含水量。

翻堆：当温度达到最高温后再下降5℃-10℃时翻堆，每次翻堆进行补水，保证含水量55%-60%〔6〕。堆体温度低于45 ℃进入后熟阶段，不再翻堆补水。先后在第14天、21天、29天及56天时进行四次翻堆。

分别在第2、10、21、31、49、76天取样，每次在堆体的上、中、下部多点取样，充分混匀，四分法取样500 g，自然风干过60目土壤筛，干燥保存备用,所有分析测定工作均在采样后完成。

1.2.2 测定方法

堆体温度：使用1 m探针式温度计测量。样液制备：将样水比按1∶10混合，震荡30分钟后过滤，使用PHS-2F数字pH计和DOSJ-308A电导率仪测定pH和EC值，采用TU-1901双光束紫外可见光光度计测定E 4/E 6〔5〕。5 g土样与50 ml蒸馏水，充分震荡，30 ℃条件下浸提l昼夜，过滤。吸取5 ml滤液加到铺有2张滤纸的9 cm培养皿内，每个培养皿点播40粒饱满的四季青油菜种子，28 ℃下培养，24小时发芽率试验测定种子发芽率(SG)〔7〕。

2 结果与讨论

2.1 物理感官变化

CK、JS两组发酵全过程比较一致，前期物料富含菌丝，粗糙扎手，颜色为棕黄色，有微微的臭味；中期物料颗粒变的较小，且臭味变淡，大量菌丝饼；后期温度下降，物料颗粒变小，质地疏松且不扎手，无特殊气味，颜色为深褐色，符合李季〔8〕腐熟堆肥的外观标准。

由(表1)第29天可见物料白色菌丝丰富，说明此期即主发酵期间以糖分解、纤维素分解为主，且JS菌丝比CK更发达，嗜高温的丝状菌体活动以物料矿化为主。由第56天-79天温度回落后演替的微生物种群以木质素的分解腐殖化为主，物料菌丝渐渐消失，手感疏松柔软，具有泥土芳香，JS比CK完熟程度更好。

表1 堆肥的物理感官变化

2.2 温度的变化与卫生安全指标评价

温度是衡量堆肥有机物降解与腐熟化、无害化的重要指标，堆体温度的高低和持续时间不仅决定堆肥的品质，而且对杀灭致病菌、寄生虫和杂草种子至关重要。根据我国粪便无害化卫生标准 GB7959-87的规定，要求堆肥温度在 50 ℃-55 ℃ 以上维持5～7天作为灭菌的标准〔8〕。CK、JS>50℃高温发酵分别保持29天、18天，到达堆肥无害化标准(见表2)。

表2 堆肥温度变化的比较

堆肥发酵分为主发酵和后发酵。主发酵包括中温、高温直至温度开始下降的整个阶段，以物料的分解矿化为主。如图1所示，JS第5天攀升至62 ℃，>50 ℃天数保持29天，积温1 588 ℃。CK第5天升至71 ℃，>50 ℃天数保持18天，积温1 208 ℃。JS积温比CK积温增加31.5%，高温天数多11天。JS在3次翻堆后均可以迅速升至50 ℃以上，并保持至少5天；CK在第2次翻堆后仅保持3天高温，再也没有升至高温区。

后发酵包括由50 ℃持续下降至40 ℃左右为腐熟阶段，以分解木质素、合成腐殖质为主。JS在第36天进入后发酵，持续25天，积温1 176℃；CK在第24天后发酵，持续21天，积温947 ℃。前者积温比后者增加24.2%，持续天数多4天(见表2)。

综上，加入土著酵素菌剂的JS能够保持较长时间的高温，且翻堆后迅速升温，使温度多次升降，利于低、中、高温微生物菌群的交替式演替，增加堆肥微生物种群多样性，促进物料的分解矿化与发酵腐熟。

堆制天数

2.3 pH的变化

pH是影响微生物及酶活性的重要因素。堆肥原料或发酵初期pH为弱酸性至中性，通常为6.5-7.5，腐熟堆肥呈弱碱性，pH值在8-9之间〔5〕。Zuccoin等〔9〕在研究固体废料堆肥腐熟度特征中指出高温阶段堆肥如果pH<6.5或>9.6均未达到美国环保署规定的堆肥最高温度必须在55 ℃保持5天以上的要求。如图2所示，堆肥初期第(0-10天)pH值很快上升，持续高温的主发酵阶段变化不大，后发酵阶段(20-76天)慢慢攀升至8.3-8.5，pH值为6.5-9.6且55 ℃保持15天以上，达到美国环保署规定的要求。CK、JS的变化趋势相同，这一结果与李吉进等〔7〕在对高温堆肥生物化学变化特征的研究中实验结果一致。

堆制天数

2.4 电导率EC值变化

电导率(EC)可以反映堆肥过程中产生的可溶性盐离子含量，EC值高容易造成土壤盐化、损害作物根部功能。鲁如坤〔10〕认为,当堆肥EC值小于电导率<9.0 mS/cm时对种子发芽没有抑制作用，李吉进〔7〕在对高温堆肥填充料的研究中提到根据土壤浸出液电导率与盐分和作物生长的关系，抑制作物的限定电导率值为4.0 mS/cm。如图3所示，CK、JS的EC值堆制过程出现持续升高的趋势，发酵初期JS稍低于CK，后面则高于CK。两者均满足<9.0 mS/cm的指标，JS的电导率4.2 mS/cm与李吉进〔7〕玉米秸秆堆肥一致，稍高于抑制作物的限定值，但与土壤混合后EC值即可下降，两组堆肥均可排除盐害的影响。

堆制天数

2.5 E4/E6值的变化

E4/E6值是堆肥物料在465 nm处和665 nm处的吸光度值之比，通常是胡敏酸品质或缩合度、芳构化程度的重要指标，随着腐殖酸分子缩合度增大而减小，是衡量堆肥腐熟度的评判标准之一。E4/E6比值愈低，表明腐殖质的缩合度和芳构化程度愈高，分子量愈大，平均存留时间愈长。张亚宁等〔5〕在堆肥腐熟度快速测定指标研究中指出当E4/E6值为1.5-1.9时显示堆肥成熟。如图4所示，除CK的E4/E6值初期下降外，两者均呈现上升趋势，最后比值为2.7，高于腐熟度指标。但李吉进〔7〕在玉米秸秆堆肥研究中发现，E4/E6比值也呈增加趋势，达到3.1，认为以玉米秸秆为原料堆肥的腐殖质芳构化程度较低，堆肥腐熟需要的时间较长，研究结果与本实验结论一致。

堆制天数

2.6 种子发芽率(SG)变化

堆肥过程中有机物经降解产生很多中间产物，未腐熟堆肥的植物毒性来自低分子量的有机酸、多酚等植物生长抑制物质，而这些物质随着堆肥的进程逐渐被转化或消失。腐熟的堆肥则减少或消失，并出现促进种子萌发和植物生长的物质〔11〕。

种子发芽率是最有效、最能反映堆肥产品对植物毒性大小的安全性指标，能够快速地测定出植物抑制物质的降解情况。当种子的发芽率SG≥50%时，堆肥对植物基本没有毒性；当SG≥80%时，堆肥对植物完全没有毒性〔8〕。如图5所示，两组发芽率呈现相同上升趋势，第49天时JS和CK发芽率分别为75%和65%，均未到达完全无毒性；第76天，两组发芽率分别为90.5%和84%，完全无毒性。加入土著微生物菌剂的堆肥先于清水堆肥达到无毒害标准。