不同复合微生物菌剂对牛粪堆肥效果的影响

卢洋洋，杨 硕，张 玉，韦玥瑞，娜仁花

(内蒙古农业大学 动物科学学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

随着人们对畜禽产品需求量的日益增加，家畜饲养场数量、禽畜粪便产生量不断增加。目前， 中国畜禽粪污年产生量约38×108t, 综合利用率为64%, 近1/3未得到有效利用[1]。据调查，中国有80%以上的规模化养殖场缺乏必要的粪污治理措施，以至于大量畜禽粪便没有得到有效利用[2]。如果不能及时有效地处理这些畜禽粪便，将会对环境生态系统产生危害，制约经济发展，影响人们生活。高温堆肥是一种实现畜禽粪便减量化、无害化和资源化的有效处理措施[3]，与传统的自然堆肥相比，其发酵时间短，发酵温度高，水分蒸发速度快，可有效地杀灭病菌、寄生虫卵和杂草种子[4]。微生物是高温堆肥过程的主体，对有机物质的降解起主导作用，在堆肥过程中添加外源性微生物可以调节堆体中的菌群结构，增加微生物活性，缩短堆肥时间，减少氮素损失[5]。据报道，中国生产微生物菌剂的厂家已超过2 000家[6]。通过查阅大量文献资料筛选出3种利于好氧堆肥的微生物菌株用于本试验：枯草芽孢杆菌是生产微生物菌肥的有效微生物菌种之一[7]，接种枯草芽孢杆菌可使堆料对枯萎病病原菌产生抑制作用，加速物料腐解进程，且对生物毒性物质有降解作用；里氏木霉是一种可高效生产纤维素酶和半纤维素酶并协同降解木质纤维素的丝状真菌，是木质纤维素和一些复杂聚合物重要的降解者，最适温度范围是45～50 ℃，当温度达到65 ℃时基本全部消失；细黄链霉菌是最高等的放线菌，在堆肥高温期对分解纤维素、木质素、几丁质和蛋白质等复合有机分子发挥重要作用，能够利用木质茎、树皮和报纸等大部分细菌和真菌较难利用的物质，其相对于细菌和真菌来说发育比较缓慢，所以在营养丰富时竞争力较差，但当营养水平下降的时候竞争力很强[8]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

牛粪取自内蒙古现代牧业公司奶牛养殖场，玉米秸秆取自当地。把玉米秸粉碎成1～2 cm。微生物菌剂：枯草芽孢杆菌(有效活菌数200×108/g)，里氏木霉(有效活菌数20×108/g)，细黄链霉菌(有效活菌数20×108/g)，均购于湖北某生物工程有限公司。利用牛粪为主要原料，结合玉米秸秆来调节堆肥原料的碳氮比。配制复合菌剂：复合微生物菌剂1(枯草芽孢杆菌∶细黄链霉菌为1∶1)，复合微生物菌剂2(里氏木霉∶细黄链霉菌为1∶1)、复合微生物菌剂3(枯草芽孢杆菌∶里氏木霉∶细黄链霉菌为1∶1∶1)。

1.2 试验设计

堆肥试验于2018年4月30日-2018年5月20日在内蒙古正时生态农业公司进行。设计4个堆肥处理，每个处理3个重复，详见表2。调节碳氮比(C/N)至25～35，含水量至45%～60%。试验进行条垛式堆肥，每个堆体长2 m，堆底宽1.5 m，高1 m，堆体间隔为2～3 m。每6 d人工翻堆1次。

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

表2 不同处理组的物料配比Table 2 Material ratio of different treatment groups

1.3 测定项目与方法

1.3.1 取样方法 在堆肥开始的第1、5、10、15、18、21天取样，采样深度分别距堆体顶部0.25 m、0.50 m、0.75 m处，各层均采用五点采样方法取样后混合均匀。用取样铲在每个堆体各取2份500 g，放入自封袋中。其中一份于4 ℃冰箱中保存，用于pH、含水量和种子发芽指数(GI)的测定；另外1份风干后粉碎过40目筛，用于有机质、全氮、全磷、全钾的测定。

1.3.2 温度测定 使用数字电子温度计(国产)插入距离堆体顶部0.25 m、0.50 m、0.75 m处测量温度，上下午各测1次(上午10:00和下午4:00)，两次测量的平均值作为当天堆体的温度，同时记录周围环境的温度(图1)。

1.3.3 pH测定 每次取样混匀后称取5.00 g鲜样放于三角瓶中，加入50 mL 蒸馏水, 150 r·min-1振荡40 min后4 500 r·min-1离心20 min, 静置30 min过滤后用酸度计测定pH。

1.3.4 水分测定 取5.00 g鲜样于已知重量的铝盒(W)中,称其重量(W1)，放入烘箱,在105 ℃下烘24 h，取出在干燥器中冷却0.5 h后称重(W2),然后按下式计算其含水量[9]。

1.3.5 有机质、全氮、全磷、全钾的测定 有机质测定采用重铬酸钾滴定法、全氮釆用半微量凯氏定氮法、全磷采用钒钼黄比色法、全钾采用火焰光度法 ，具体操作按《有机肥料》[10]中的方法进行。

1.3.6 种子发芽指数(GI)测定 取20 g鲜样放于三角瓶中，加入200 mL蒸馏水，室温下振荡20 min，然后在30 ℃下静置24 h，上清液用慢速滤纸过滤，滤液待用；在9 cm培养皿内铺入滤纸，均匀放进20粒颗粒饱满、大小接近的白菜种子(新丰抗78)。用移液管吸取5.0 mL堆肥浸提液于培养皿，并以蒸馏水作对照，每个处理3次重复。将培养皿放置在(25±1)℃、80%湿度培养箱中培养24 h；测种子的发芽率和根长，计算GI。

1.4 数据处理

试验数据经Microsoft Excel 2010进行统计分析绘图后，利用SAS 9.2软件进行数据统计处理，采用ANOVA 进行Duncan式多重差异分析，所有试验数据均以“平均数±标准误”表示。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度的变化

由图1可知，在整个堆肥期间，环境温度的变化范围在16.0～32.2 ℃之间。各处理组的温度变化趋势基本相同，都经过升温、高温和降温3个阶段。在堆肥的第2天，4个处理组都进入高温阶段(>50 ℃)，在堆肥的第7 d处理组1、处理组2、处理组3均达到最高温度，分别为62.1 ℃、63.5 ℃、62.4 ℃，处理组4在第8天达到最高温度61.7 ℃。4个处理组保持高温时间分别为9、10、9、8 d，处理组2维持的高温时间最长，处理组4最短。

2.2 堆肥过程中含水率的变化

由图2可知，含水率在堆肥过程中，总体呈下降趋势。各组初始含水率为51.72%，在堆肥的前10 d，各处理组水分散失的最快，堆肥结束时各处理组含水率分别下降到27.45%、27.34%、28.09%、28.61%。其中处理组1的含水率极显著低于处理组4(P<0.01)。

2.3 堆肥过程中pH的变化

由图3可知，4个处理组的pH均呈现升高、下降、再升高、最后下降的变化趋势。各处理组初始pH为8.92；在堆肥的第10天，各处理组的pH均达到峰值，分别为9.07、9.02、8.98、9.07；堆肥结束时，各处理组的pH分别为8.42、8.49、8.56、8.52。

图2 堆肥过程中含水率的变化Fig.2 Changes in water content during composting

图3 堆肥过程中pH的变化Fig.3 Changes in pH during composting

2.4 堆肥过程中C/N的变化

由图4可知，在堆肥过程中，各处理组的C/N均呈下降的趋势，在堆肥的前10 d，各处理组的C/N下降最快；堆肥结束时，各处理组的C/N分别为19.67、18.14、19.36、21.88。其中处理组2极显著低于处理组4(P<0.01)。

2.5 堆肥过程中种子发芽指数(GI)的变化

从图5可知，在堆肥过程中，4个处理组的种子发芽指数均呈上升趋势 。堆肥开始时，各处理组的种子发芽指数为58%，堆肥结束时，各处理组的种子发芽指数分别为101%、120%、108%、95%。其中处理组2的种子发芽指数极显著高于处理组4(P<0.01)。

2.6 堆肥过程中养分的变化

由表2可知，堆肥开始时，各处理组的有机质含量为54.8%，在堆肥结束时，4个处理组的有机质分别为32.20%、32.11%、32.26%、32.42%，其中处理组1、处理组2中的有机质降解率极显著高于处理组4(P<0.01)。各处理组的全氮、全磷、全钾、总养分含量均有所增加，均表现为处理组2的含量极显著高于处理组4(P<0.01)。

图4 堆肥过程中C/N的变化Fig.4 Changes in C/N during composting

图5 堆肥过程中种子发芽指数的变化Fig.5 Changes in seed germination index during composting

表3 堆肥过程中有机质、全氮、全磷、全钾、总养分(全氮+全磷+全钾)的变化Table 3 Changes in organic matter, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, total nutrients(total nitrogen + total phosphorus + total potassium) during composting

3 讨 论

3.1 不同复合微生物菌剂对温度的影响

堆体温度是衡量与评价堆体腐熟质量和腐熟程度的重要指标之一，能影响微生物活动能力，也能反映出有机物料转化进程[11]。温度过低或高温持续时间太短，不能有效地杀死堆体中的病虫卵和杂草种子，但温度过高则会导致一些主要分解纤维素、木质素的中温微生物死亡，影响堆肥进程的速度[12]。黄国强等[13]研究结果表明，添加复合腐解菌剂可以加速堆体升温，并可以维持较长的高温期。文斌等[14]在兔粪菌渣高温堆肥中添加微生物发酵剂研究显示，添加菌剂够延长高温期持续时间，但不能缩短整体堆肥时间。

本研究表明，整个堆肥发酵过程各处理组的温度都经历了升温、高温和降温3个阶段，在堆肥的第2天，4个处理组都进入高温期(>50 ℃)，这可能是由于堆肥所用的牛粪是经在牛场固液分离后的牛粪，相对鲜牛粪水分含量低，试验于4月末开始，外界环境温度较高，部分物料在堆体内部空隙处被氧化分解并产热，因此堆体温度升高较快，升温期较短。本试验结果与杨雨浛等[15]研究一致。但总体看来，所配制的复合微生物发酵剂对温度的提高作用不明显，与张雪辰等[16]所研究的结果一致。整个堆肥过程中，4个处理组保持高温时间均达到堆肥卫生标准[17]。其中处理组2的温度略高于其他处理组，并且高温期持续时间最长，说明处理组2所添加的复合微生物菌剂能够更好的促进有机物料的分解。

3.2 不同复合微生物菌剂对含水量的影响

水分是影响堆肥腐熟速度的重要参数, 合适的水分是保持微生物最佳活性的必要条件[18]。高的水分含量减少了堆体内的孔隙和增大了气体的传质阻力, 容易造成堆体局部厌氧[19], 但低的水分含量也会因营养物质的传质阻力增大而抑制微生物的活性[20]。相关研究表明，初始堆肥物料的最合适含水量在45%～60%之间[21]。本试验研究结果表明，在堆肥结束时，处理2堆体水分下降最多，可能因为处理2所添复合微生物菌剂作用于物料时其微生物活动比其他处理剧烈，产生大量热，蒸发作用增强，使堆体水分减少。堆肥结束时，各堆体的含水量均小于30%，符合《有机肥料》[10]技术指标的要求。

3.3 不同复合微生物菌剂对pH的影响

pH的变化是反映堆肥过程中微生物活性的一个重要指标，并可以看出堆体发酵速度的快慢[22]。本试验研究表明，pH值整体为升高、下降、再升高、再下降的趋势。在堆肥前10 d，由于微生物大量繁殖，分解蛋白质等有机物产生氨气促使pH上升。在10～15 d时随着堆肥的进行，堆体中可利用的有机物逐渐被微生物代谢利用，其活动产生的有机酸使堆肥的pH下降，在15～18 d时含氮有机物被分解又会使堆肥的pH上升，在18～21 d时由于微生物活动减弱，导致pH下降。其变化规律与荆红俊等[23]研究一致。在堆肥结束时4个处理组的pH均符合堆体腐熟在8.0～9.0之间的标准[21]。在整个发酵期间，4组之间的pH变化范围并不是很明显，说明添加复合微生物菌剂对pH的变化没有明显的影响。

3.4 不同复合微生物菌剂对C/N的影响

碳和氮的变化是堆肥的基本特征之一，因此C/N是最常用于评价腐熟度的重要参数[24]。Morel等[25]建议采用T=(终点C/N)/(初始C/N)来评价堆肥的腐熟度。当T值小于0.6时，堆肥达到腐熟。辛树权等[26]研究显示，在牛粪堆肥中添加EM菌处理的C/N比对照组下降快，添加一定量的微生物菌剂加快了C/N降低的进程, 有效地促进了牛粪的腐熟过程。本研究显示，在堆肥初期，各处理组的C/N下降较快。到高温期后，堆肥的全碳含量下降趋于平缓，全氮含量稍有回升，因此碳氮比下降缓慢。堆肥结束时，各处理组的T值分别小于0.6。因此，4个处理组均达到腐熟标准，其中处理组2所添加的复合微生物菌剂的腐熟效果最好。

3.5 不同复合微生物菌剂对种子发芽指数的影响

种子发芽指数(GI)是检验堆肥浸提液对植物毒性大小的重要指标，也是判定堆肥腐熟程度的重要指标。GI越高，腐熟效果越好[27]。Wong等[28]认为，当 GI>50%时，堆肥对植物已基本没有毒性，达到基本腐熟；而当 GI>80%时，可认为堆肥达到完全腐熟。李敬波等[29]研究显示，接种微生物复合菌剂后的处理组，GI上升速度加快，而且在堆肥结束时，添加复合微生物菌剂的处理组GI明显高于对照组。本试验结果显示，各处理组的GI都达到80%，已达到腐熟状态，说明添加复合微生物菌剂对于堆肥物料种子发芽指数的提高作用显著，其中处理组2所添加的复合微生物菌剂对堆料中有毒物质的分解效果最好。

3.6 不同复合微生物菌剂对堆体养分的影响

有机质是发酵过程中微生物的能量和营养来源[30]。在堆肥原料中存在大量不稳定的大分子有机物质，随着堆肥发酵的进行，有机质在微生物作用下一部分转化为CO2和水，挥发到空气中；另一部分转化为矿物质和腐殖质，稳定存在于物料中。因此，在整个堆肥过程中，有机质不断下降，最终趋于稳定[31]。本试验研究表明，在整个发酵过程中，前3个处理组下降幅度大于处理组4，其中2组所添加的复合微生物菌剂对有机质的降解作用最大。

氮素是微生物生长代谢的重要营养物质，因而氮素变化对堆肥腐熟有着重要影响[12]。本试验研究表明，堆肥结束时，所有处理组在堆肥结束时全氮含量都有所增加。与刘微等[32]研究结果一致，因此可以看出复合发酵剂对堆体的含氮量有明显的提升作用。其中处理组2所添加的复合微生物菌剂保氮效果最好。

在整个堆肥过程中，有机物在微生物的影响下不断分解，并以CO2、H2O和NH3的形式蒸发，造成干物质总量的逐渐减少，挥发不会损失磷和钾，因此全磷和全钾的含量不会有太大变化[33]。本试验结果与该结果一致，说明接种外源微生物促进了有机物的降解，使全磷、全钾相对含量增加。其中处理组2所添加的复合微生物菌剂对全磷、全钾含量的提升效果最好。

总养分含量是检测堆肥质量的一项重要指标[34]，在堆肥的过程中, 氮或以氨气的形式挥发, 或变为硝酸盐和亚硝酸盐, 或是由生物体同化吸收，总氮在堆肥过程中的变化总体呈现出上升的趋势， 随着温度的下降，NH3的挥发损失减少，而微生物的分解使有机碳的含量减少产生浓缩效应，从而使总养分的含量有所提高[35]。刘微等[32]研究显示，用微生物菌剂对番茄秸秆堆肥的过程中，总养分含量较堆肥初相比增加效果显著。本试验研究结果表明，前3个处理组的总养分含量高于处理组4，说明添加复合微生物菌剂能够有效地提高堆肥中总养分含量，其中处理组2养分含量最高，肥效最好。

4 结 论

在堆肥过程中，添加复合微生物菌剂能够增加高温期持续的时间；加快堆体水分的蒸发；对pH的变化没有明显的影响；有效地促进了有机物的降解；显著提高堆肥物料种子发芽指数；对堆体的全氮、全磷、全钾、总养分含量有明显的提升作用。通过分析堆肥中各指标变化得出，本研究中加入复合微生物菌剂2(里氏木霉+细黄链霉菌)的堆肥效果最好，并且此菌种组合性价比高，适合推广应用。