不同复合菌剂对羊粪堆肥发酵处理影响比较研究

岳林芳，李蕴华，成立新，凤 英，乔健敏，刘佳森，王志铭，宝 华，于朝晖，薛占岭

（1.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；2.通辽市动物卫生监督所，内蒙古 通辽 028000）

内蒙古自治区是我国畜牧业大省，2019 年羊存栏量5 975.9 万只［1］。 规模化羊养殖产业的扩大，带来了畜禽粪污处理问题。大量畜禽粪污随意堆放和低效处理， 集中产生的恶臭气体引起家畜生产性能下降，造成空气、土壤和水体污染，使环境恶化，影响人们的健康，浪费了大量宝贵的养分资源［2-3］。 羊属于草食动物，粪便中含有较多有机质， 经堆肥处理转化成具有改善土壤质量功效的绝佳肥料［4］。 但羊粪中含有较多不易被降解的纤维素类物质［5］。 纤维素和半纤维素等物质在堆肥过程中降解缓慢，需要的腐熟时间较长，因此，这类物质的有效降解成为制约堆肥处理的瓶颈［6］。在传统自然堆肥处理中， 存在于原料中的初始微生物数量和种类较少， 纤维素类物质降解速率较慢，堆肥发酵温度不高，难以完全杀灭粪污中的大量虫卵、病原菌和杂草种子，导致所需的堆肥腐熟时间变长；堆制过程中散发臭味，产生蚊蝇，污染空气， 氨气大量散发， 使堆肥的氮素养分流失严重，导致物料肥效下降［7-8］。

在堆肥发酵过程中， 微生物菌群结构变化迅速，而且多种微生物存在协同作用，实现了堆肥的动态过程［9-10］。将纤维素降解菌、EM 等微生物制剂添加到堆肥处理中， 其生命活动促使堆体升温加快， 持续一段时间的高温能彻底杀灭物料中的杂草种子、虫卵和致病菌，使堆肥腐熟进程提前，肥效提高。 堆肥处理减轻了畜禽粪污带来的污染，同时得到的有机肥料能够代替一部分化肥， 实现了畜禽粪便的资源化利用，因此，对农业废弃物进行无害化处理和资源化利用的首选方式是堆肥化处理［11-12］。

该研究利用内蒙古自治区农牧业科学院畜牧研究所畜禽养殖资源化利用创新团队（以下简称项目组） 筛选、 优化选育后的粪污复合微生物菌剂，添加在羊粪堆肥处理过程中，测定发酵过程中的堆肥温度、含水率、pH 值、E4/E6值、种子发芽指数及堆肥感官变化， 对比研究自主研制的粪污发酵剂与市售发酵剂对堆肥腐熟进程的影响。 该研究拟为今后实现大规模堆肥处理奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥试验在锡林郭勒盟内蒙古德美纯种肉羊种羊场进行。 堆肥试验中添加的复合微生物菌剂包括项目组前期自主研制的粪污腐熟剂1、 优化后的粪污腐熟剂2 和市售某品牌粪污腐熟剂。 试验设计及分组见表1，粪污腐熟剂1、粪污腐熟剂2 详细成分见表2。

表1 试验设计及分组

表2 粪污腐熟剂1、粪污腐熟剂2 详细成分单位：108 CFU/g

1.2 堆肥试验设计

1.2.1 堆体的建立堆肥原料为羊板粪、鲜羊粪、稻草，三者的鲜重比为3∶2∶1，稻草粉碎至长度≤5 cm，发酵剂与堆肥原料比例为0.4%（质量比）；发酵剂接种前，菌剂先与麸皮以1∶10（质量比）混合，并搅拌均匀，撒入堆肥原料；调节物料含水率至（55±5）%，控制标准为“用手紧握一团物料，无液体流出，且松手后物料不散为宜”；堆体呈圆锥形，堆高1.2～1.4 m，直径2～3 m。 试验设4 个组，空白组为未接种任何发酵剂的堆肥， 试验组1 为接种粪污腐熟剂1 的堆肥， 试验组2 为接种粪污腐熟剂2的堆肥， 试验组3 为接种市售某品牌粪污腐熟剂的堆肥。 堆肥周期为35 d（2020 年5 月16 日—6月20 日），堆肥翻抛采用机械翻堆，自然通风。 图1 为堆肥示意图。

图1 堆肥示意图

1.2.2 堆肥管理堆肥发酵过程中， 堆温达到50 ℃时，翻堆1 次；堆体温度继续升高，达到60 ℃左右时，翻堆1 次；堆肥继续发酵，高温（50～65 ℃）维持15 d 左右，在高温发酵过程中，堆体温度不宜高于70 ℃，每当堆体温度达65 ℃左右时，则需进行翻堆降温通氧；进入后腐熟期，间隔4～5 d 翻堆1 次，堆体温度逐渐下降，直至接近环境温度。

1.2.3 堆肥样品采集堆制过程中， 使用温度计观测并记录每天的环境温度和堆体中心温度，在堆肥第0 天、第7 天、第14 天、第21 天、第28天、第35 天分别进行样品采集， 用于检测堆肥样品pH值、含水率和种子发芽指数等指标，并记录堆肥颜色、气味和状态等表观特征，用来判断粪肥腐熟进程。

1.3 分析测试方法

将堆肥物料充分翻堆混匀后，采集样品，每份样品质量约1 200 g， 用于测定堆肥pH 值、 含水率、E4/E6值和种子发芽指数。

1.3.1 堆肥温度使用温度计， 从堆体顶部分别垂直插入堆体20～30 cm、50～60 cm 和80～90 cm深度， 在每天9：00、13：00 和17：00 测量并记录堆体温度和当天的环境温度， 每天堆体温度值为3个时间点的平均值。

1.3.2 堆肥含水率先将试验用铝盒烘干至恒重，质量为m0；称取堆肥样品约20.0 g，质量为m1；105 ℃烘干4～6 h，冷却至恒重，质量为m2，含水率计算公式：含水率=（m0+m1-m2）/m1×100%。

1.3.3 堆肥pH值取堆肥样品10.0 g，与蒸馏水按1∶10（质量比）混匀，于室温下160 r/min 振摇30～40 min，过滤后，浸提液用于pH 值测定。

1.3.4 堆肥E4/E6值利用分光光度计测定“1.3.3”项下所得水浸提液在465 nm 和665 nm 的吸光度值， 将465 nm 处吸光度值除以665 nm 处吸光度值，得出E4/E6值。

1.3.5 种子发芽指数选用小白菜种子20 粒，试验组用“1.3.3”项下所得水浸提液5 mL 于铺有滤纸的培养皿中，空白组取蒸馏水5 mL 于铺有滤纸的培养皿中，于25 ℃培养箱，黑暗条件培养48 h，测定种子发芽率和根长， 计算种子发芽指数（germination index，GI）：种子发芽指数（GI）%=（试验组发芽率×试验组根长）/（空白组发芽率×空白组根长）×100%［13］。

1.3.6 气味与色度采用人工判别方法 （4 人以上）分别定性判别发酵堆体的感官性状。堆体颜色分为黄棕色、暗褐色和深褐色；气味分为臭味、微氨、微臭和微土腥味；颗粒度分为团块状、块状和无块状（松散）［14］。

2 结果与分析

2.1 堆肥温度

堆体温度可以作为较为直观的堆肥腐熟指标，随着堆肥的进行，堆体内物质的转化会导致温度的变化［15］。 堆肥过程是一个堆体温度变化的过程，堆温直接反映堆肥腐熟程度。 由图2 可知，根据堆体温度变化，堆肥过程可分为3 个阶段：升温阶段（0～5 d）、高温阶段（6～28 d）和降温腐熟阶段（29～35 d）。 堆肥发酵期间，环境温度15～30 ℃。

该结果显示，1 d 后4 组堆肥温度均开始上升，3 d 时空白组为45.6 ℃，3 个试验组均达50 ℃左右，均高于空白组；之后堆体温度继续升高，试验组陆续达到60 ℃以上，高于空白组；21 d时3 个试验组均达到最大值， 分别为63.5、67.0、64.1 ℃，高于空白组的最高堆肥温度58.3 ℃；之后4 组均逐渐下降，35 d 时接近环境温度。 此外，由图2 可知，试验组2 的升温速率快于试验组1、试验组3 和空白组。从图2 和表3 可知，堆肥过程中接种腐熟剂可以加快堆体升温， 试验组2 和试验组3 维持高温发酵时间最长， 保持一定时间的较高温度可以有效杀死堆体中的虫卵、 病原菌和杂草种子等。温度是堆肥微生物活动的标志，也是堆肥腐熟与否的关键指标之一［14］。

表3 堆肥温度变化

图2 堆肥温度变化

2.2 堆肥含水率

堆体含水率是影响堆肥效果的重要参数，堆肥中微生物生长繁殖和进行分解活动的必要条件之一是水分［16］。 好氧堆肥的速率和堆肥产品的质量受到含水量的直接影响［17］。当含水率过低，低于30%时，将影响微生物的新陈代谢活动和正常生长繁殖，不利于微生物分解有机物，不能顺利开始堆肥发酵［18］；而含水率过高，超过70%，堆体出现供氧不足，呈现厌氧状态，产生大量臭气，不利于好氧微生物代谢，堆肥发酵速率降低［19］。 因此， 在堆肥开始前要调节好堆肥物料的含水率，使物料保持良好的气体流通状态，满足微生物活动需要［6］。

堆肥水分含量测定结果见图3。 结果显示，4组堆肥初始时水分含量均在60%以上， 试验组1为65.13%、 试验组2 为66.35%、 试验组3 为65.05%、空白组为63.53%，相差不大。 之后4 组堆肥含水量均开始下降，相比空白组，3 个试验组水分含量降低较快，且试验组2 降低最快。 第35 天时试验组1、试验组2、试验组3、空白组堆肥的水分 含 量 分 别 降 至27.15% 、25.97% 、28.03% 、42.30%，试验组2 的含水率最低。 总体而言，堆肥结束时3 个试验组的含水率均符合农业行业标准《有机肥料》（NY 525—2012）的要求（<30%）［20］。结果表明， 添加粪污腐熟剂提高了堆肥水分散失率。

图3 堆肥含水率变化示意图

2.3 堆肥pH 值

堆肥pH 值测定值见图4。 结果显示随着堆肥发酵时间的延长，pH 值出现波动，但均介于7.98～8.85。 在堆肥过程中，微生物适宜的pH 值环境通常是中性和弱碱性（7.5～8.5），微生物分解有机物效率最高，而pH 值过低或过高均会影响堆肥发酵的正常进行［21］。

图4 堆肥pH 值变化示意图

3 个试验组的堆肥pH 值均呈现出先上升后下降的趋势，在堆肥过程中，由于堆制初期微生物生长繁殖活动旺盛， 蛋白质和有机酸等物质不断被分解，产生氨化作用，促使堆体pH 值先上升；但发酵一段时间后，尤其在堆肥后腐熟过程中，微生物活动逐渐变弱， 致使堆肥pH 值又逐渐下降［22］。发酵第35 天时试验组1、试验组2、试验组3 堆肥的pH 值分别为8.03、7.98、8.09，均呈现出偏碱性，且均符合农业行业标准 《有机肥料》（NY 525—2012） 的要求 （5.5～8.5）［20］， 而空白组pH 值为8.58，稍高于农业行业标准。 由分析可知，添加粪污腐熟剂加快了堆肥有机质降解速率， 试验组堆肥发酵速率优于空白组。

2.4 堆肥E4/E6 值

E4/E6值指堆肥过程中产生的腐殖酸类物质在465 nm 和665 nm 处特异吸收峰值的比值。 E4/E6值可以有效应用于堆肥腐熟度的评价，E4/E6值越小表明堆肥腐熟度越高［6］。

如图5 所示， 堆肥初期，4 组的E4/E6初始值在5.00 以上。 随着堆肥时间的增加，堆体的E4/E6值逐渐降低。 在堆肥结束时（第35 天），试验组1、试验组2、 试验组3 的E4/E6值均较空白组低，表明添加粪污腐熟剂提高了堆体的腐熟度。 试验组2 的E4/E6值最低，说明堆肥腐熟程度最高。

图5 堆肥E4/E6 值变化示意图

2.5 堆肥种子发芽指数

种子发芽指数（GI）是检测堆肥腐熟程度的最佳指标，能够可靠、灵敏地反映堆肥对植物的毒性作用［7］。 GI 值是目前应用较为广泛的堆肥无害化处理评价指标， 未腐熟的堆肥产品含有植物毒性物质。 一般认为当堆肥产品的发芽指数≥90%时，可认为堆肥完全腐熟［23］。

堆肥种子发芽指数的检测结果见图6。结果显示，4 组种子发芽指数均随着堆肥发酵时间的延长而升高。 堆制初期，试验组1、试验组2、试验组3、 空白组的种子发芽指数分别为18.6%、19.9%、20.7%、21.9%， 试验组1 和试验组2 在第14 天的种子发芽指数均达到50%以上，分别为50.3%、52.8%；第28 天试验组1、试验组2、试验组3 的堆肥种子发芽指数分别为80.5%、86.4%、81.3%，空白组为69.3%；第35 天试验组1、 试验组2、 试验组3 的种子发芽指数分别达94.5%、108.5%、101.3%， 均彻底完成无害化处理（堆肥完全腐熟），空白组为75.3%，未完全腐熟。 结果表明，接种粪污腐熟剂可促使粪肥腐熟进程加快，提前完成堆肥无害化处理，添加市售腐熟剂和项目组研发的腐熟剂的粪肥无害化处理进程类似，试验组2 的种子发芽指数最高，腐熟度最高。

图6 堆肥种子发芽指数变化

2.6 堆肥感官变化

在堆肥发酵过程中，对堆肥颜色、气味、形态等表观特征进行了记录， 结果见表4。 堆制开始时，4 组堆肥均呈现黄棕色， 有明显的羊粪味；随着堆肥发酵时间逐渐增加，堆体颜色变深，臭味渐渐加重又慢慢淡去。 发酵终点，堆肥35 d 时，3 个试验组的堆体均呈深褐色， 无臭味且有轻微土腥味，较松散，有白色菌丝，不吸引蚊蝇，无虫卵，说明堆肥已经完全腐熟。空白组的堆体呈暗褐色，微臭味，局部有团块，吸引蚊蝇，深层孳生少量的虫卵，未完全腐熟。

表4 发酵堆肥表观特征记录 单位：d

3 讨论

该研究以不同发酵时间段的堆肥为采样对象，测定各组堆肥的温度、pH 值、含水率、E4/E6值和种子发芽指数指标，并记录堆肥颜色、气味和状态等表观特征。 堆肥过程中试验组2 升温速率快于试验组1 和试验组3，空白组升温速率最慢；发酵终点（第35 天），试验组1、试验组2、试验组3、空白组堆肥的水分含量分别降至27.15%、25.97%、28.03%、42.30%；3 个试验组堆肥的pH 值分别为8.03、7.98、8.09，空白组pH 值为8.58；3 个试验组的E4/E6值分别为2.35、1.80、2.53， 试验组均较空白组（3.00）低；试验组的种子发芽指数分别达94.5%、108.5%、101.3%， 均彻底完成无害化处理（堆肥完全腐熟），空白组为75.3%（未完全腐熟），试验组2 种子发芽指数最高，腐熟度最高。

发酵终点，3 个试验组的堆体均呈深褐色，无臭味且有轻微土腥味，较松散，有白色菌丝，不吸引蚊蝇，无虫卵，说明堆肥已经完全腐熟。 空白组的堆体呈暗褐色，微臭味，手感粗糙，局部有团块，吸引蚊蝇，深层孳生少量的虫卵，未完全腐熟。 试验结果表明将粪污腐熟剂接种在堆肥物料中，可以促使堆体升温，加快堆肥水分散失，提高有机质降解速率和堆肥腐熟程度， 加快粪肥无害化处理进程，缩短堆肥周期，因此，项目组研发优化后的腐熟剂2 加快堆肥腐熟进程效果更显著。