微生物菌剂对玉米秸秆堆腐发酵过程的影响

2022-06-16朱金霞周文生乔长晟张琳郑国保孔德杰李苗

安徽农业科学 2022年11期

朱金霞周文生乔长晟张琳郑国保孔德杰李苗

摘要采用槽式堆料發酵的方式，以玉米秸秆为研究对象，牛粪为氮源，探讨接种不同微生物菌剂对玉米秸秆堆腐发酵过程的影响。结果表明，接种微生物菌剂有利于促进玉米秸秆堆体温度的迅速升高，其中T1（有机肥发酵剂）和T2（菌剂A）处理的最高温度分别可达71.1和70.1 ℃;除对照T0（未使用菌剂）处理随时间推移pH呈逐渐增大的趋势，添加微生物菌剂的处理pH均呈先增大后减小的趋势;各处理EC值均呈先增大后降低的趋势，与初始值相比，在堆腐发酵60 d时，T1处理EC值降低最多，可达40.4%;各处理堆料的E4/E6值变化趋势较为一致，均呈先增大后降低的趋势，在堆腐60 d时，接种微生物菌剂的处理显著低于对照处理;不同处理的发芽指数（GI）均呈先逐渐增大后趋于稳定的趋势，在堆腐60 d时，T1和T2处理GI均超过90%，筛选出2个适宜宁夏地区玉米秸秆腐熟发酵的菌剂。

关键词微生物菌剂;玉米秸秆;堆腐发酵

中图分类号 S141.4 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2022）11-0045-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.11.013

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of Microbial Agents on Corn Straw Composting Fermentation Process

ZHU Jin-xia1，ZHOU Wen-sheng2，QIAO Chang-sheng3，4 et al

（1.Institute of Forestry Sciences Agricultural Biotechnology Research Center，Ningxia Academy of Agricultural and Forestry Sciences，Yinchuan，Ningxia 750002;2. Ningxia Nuclear Industry Geological Prospecting Institute，Yinchuan，Ningxia 750021;3. Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457;4. Tianjin Beiyang Baichuan Biotechnology Co. Ltd.，Tianjin 300457）

Abstract Using the method of trough piling fermentation，taking corn straw as the research object and cow dung as the nitrogen source，the effect of inoculating different microbial agents on the composting and fermentation process of corn stalk was discussed.The results showed that the inoculation of microbial agents could promote the increase of temperature of corn straw，among them，the highest temperature of T1 （organic fertilizer starter） and T2 （bacterial agent A） could reach 71.1 and 70.1 ℃ respectively. Except for the control T0 （without using inoculum），the pH increased gradually over time，and the pH of the treatment with added microbial inoculum showed a trend of first increasing and then decreasing.The EC value of each treatment showed a trend of first increasing and then decreasing. Compared with the initial value，the EC value of the T1 treatment decreased the most，reaching 40.4%，when the compost fermentation was carried out for 60 days.The change trend of E4/E6 values of the piles in each treatment is relatively consistent，showing a trend of first increasing and then decreasing. At 60 days of composting，the treatment with microbial inoculum was significantly lower than that of the control treatment.The germination index （GI） of different treatments showed a trend of increasing at first and then tending to be stable. At 60 d of composting，the GI of T1 and T2 treatments were more than 90%，and two bacterial agents suitable for corn straw composting fermentation in Ningxia were screened.

Key words Microbial agents;Corn straw;Composting fermentation

农作物秸秆还田是当前世界上一项重要的农田管理措施[1]，它不仅能改善土壤结构，增加土壤有机质，还能为土壤提供丰富的N、P、K、Mg、Ca和S等营养元素。但秸秆直接还田后，存在自然腐解速度慢、土壤漏风跑墒、影响下茬作物播种、易发生病虫害、还田初期与作物争氮[2]等问题，这成为限制秸秆资源化利用的关键，而堆肥化处理是解决该问题的有效途径。但传统的堆腐发酵方法存在发酵周期长、养分易流失、质量不稳定、堆腐发酵产品无害化指标难以保证等问题。随着现代生物技术的蓬勃发展及高效化应用，添加微生物菌剂已成为堆肥发酵中的常用手段，可加快秸秆等有机物分解速度，提升堆体温度和延长高温时间[3-4]，还可促进有效态氮、磷、钾的释放[5]和腐殖质等高分子有机物的合成[6]，减少臭味物质产生[7]和提高肥效[8]等。

宁夏地区土壤瘠薄，大部分地区土壤有机质含量较低，再加上长期大水大肥及掠夺式种植方式，导致土壤有机碳极为匮乏。通过秸秆腐熟还田，可培肥地力和显著提升土壤质量。玉米为宁夏地区主栽作物之一，秸秆生物量大，收获后秸秆还田腐熟效率低下的问题尤为突出，针对此问题，近年来在玉米秸秆堆腐发酵方面开展了大量研究，主要集中于纤维素降解菌种的筛选与菌剂制备[9-11]、腐熟效果影响因子[12]、装置[13]等方面，但针对宁夏地区特殊水土条件下的玉米秸秆堆腐发酵过程的影响研究较少。该研究以宁夏地区的玉米秸秆、牛粪为试验材料，接种不同微生物菌剂进行堆腐发酵试验，明确发酵过程中各指标参数的变化规律，为我国北方地区开展工业化秸秆堆腐还田的应用提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用新鲜干玉米秸秆和牛粪为堆腐发酵材料。试验所用玉米秸秆购自银川市西夏区附近农场，使用前用碎机将玉米秸秆粉碎，并过长2 cm筛。牛粪购自银川市西夏区附近某肉牛养殖场。

玉米秸秆粉，全碳376.3 g/kg，全氮5.2 g/kg。牛粪粉末，全碳58.9 g/kg，全氮5.5 g/kg。

1.2 试验设计

堆体质量为370 kg（秸秆粉90.0 kg，牛粪280.0 kg），玉米秸秆堆料C/N比为25∶1～30∶1。该试验共设置5个处理：对照处理T0（CK），未使用菌剂;处理1（T1），有机肥发酵剂（购自洛阳欧科拜克生物技术有限公司）;处理2（T2），菌剂A（从天津科技大学乔长晟教授实验室引进）;处理3（T3），菌剂B（天津科技大学乔长晟教授实验室引进）;处理4（T4），纤维素降解专用复合菌剂（该试验自主分离）。每一处理重复3次，随机区组排列。

1.3 堆腐发酵方法

采用槽式堆料发酵的方式，发酵槽长、宽、高分别为2.1、1.5、1.2 m。试验于2021年4月12日—6月14日进行，共60 d，按照试验设计，将各处理的秸秆和牛粪混合均匀后移入发酵槽发酵。发酵槽上方搭设防雨棚，通风条件良好。T2、T3和T4为液体菌剂接种，接种量均为1.0%（ V/m ），T1为固体菌剂，接种量为推荐最佳使用量，翻堆时间为建堆后7、14、21、28 d。试验地点设置在宁夏农林科学院农业生物技术研究中心秸秆发酵试验基地。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 温度测定。

堆体的温度采用温度记录仪GSP-6（江苏省精创电器股份有限公司）进行测定和记录，试验开始时每个堆体共放置3个温度探头（埋置堆体东部、中部和西部，离堆顶50 cm处），每15 min测定1次，连续测定24 h共测定288个数据，取平均值即为1 d的堆体温度。连续监测60 d的温度，直到试验结束。大气温度测定时，3个温度探头放于2个发酵槽之间，置于空气中。

1.4.2 理化指标的测定方法。

（1）取样时间。从拌料堆肥发酵开始计时，分别在0、10、20、30、40、50、60 d采集样品1次，共采集样品7次。

（2）取样方法。从堆体东、中、西部离顶端50 cm处采集样品约500 g，将样品混合均匀后运回实验室，在4 ℃保存，待用。

（3）pH和电导率的测定方法。将堆料样品鲜样与蒸馏水按质量体积比1∶10混匀，180 r/min振荡30 min，取出后迅速用电导率仪测定电导率（EC），静置30 min后用pH计测定pH;E4/E6采用超声波法提取，利用Bio-radxMark酶标仪测定465和665 nm处吸光度，取两者之比值，每个样品重复3次。

1.4.3 种子发芽指数的测定。

测试种子为玉米种子，参照张玉凤等[14]报道的方法测定种子发芽指数（GI），计算公式为GI= Y×LT×D ×100%，式中， Y为处理的发芽率，L为处理的根长，T为对照的发芽率，D为对照的根长。共测定3个平行样本，每个样本测量3次，结果取平均值。

1.5 数据统计及处理方法采用Excel 2019进行数据统计和作图，利用SPSS 25.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同微生物菌剂对玉米秸秆堆体温度的影响

由图1可知，不同微生物菌剂对玉米秸秆堆体温度影响显著，各处理堆体温度均呈升温阶段（0～7 d）、高温阶段（8～28 d）和降温阶段（29～60 d）。在升温阶段（0～7 d），各处理堆体温度骤然上升，不同处理堆体温度差异显著，其最高温度由高到低依次为T1>T2>T3>T4>T0（CK），温度及出现高温时间分别为71.1 ℃（6 d）、70.1 ℃（6 d）、65.9 ℃（7 d）、65.1 ℃（7 d）、54.4 ℃（7 d），接种微生物菌劑的处理堆体温度显著高于未使用菌剂的T0（CK）处理，且T1和T2处理高温出现时间早于T0（CK）处理。在高温阶段（8～28 d），各处理堆体温度保持较高水平，处理间最高温度出现时间差异较大，除T0（CK）和T1处理在第13天时分别达最高温度59.6、70.5 ℃外，T2、T3和T4处理的最高温度均出现在第21天，分别为65.5、62.6和62.5 ℃。随着堆腐过程的推进，各处理堆体温度呈逐渐降低趋势，在堆腐28 d时，处理T0、T1、T2、T3、T4堆体温度分别降为52.3、55.9、46.8、48.2和41.1 ℃。在降温阶段（29～60 d），随着堆腐时间的进一步延长，各处理堆体温度均逐渐降低，在玉米秸秆堆腐60 d时，各处理堆体的温度相差不大，为34.0～35.9 ℃，略高于空气温度。在整个发酵周期内，T0、T1、T2、T3、T4堆体内部温度超过55.0 ℃的天数分别为4、13、10、9、9 d，接种微生物菌剂的处理高温维持时间显著高于对照处理。

2.2 不同微生物菌剂对玉米秸秆堆料pH的影响

由图2可知，不同微生物菌剂对玉米秸秆堆料的pH影响显著，最大值出现时间差异较大。各处理堆料的pH初始值介于8.01～8.16，在堆腐发酵初期（0～10 d）时，微生物迅速分解有机物，产生大量的铵态氮，各处理堆料的pH快速上升，呈增大趋势，但不同处理增幅有差异，与初始值相比，T1和T2处理的pH呈增大趋势，分别增大了1.04和0.63，T4和T0（CK）处理增幅较小，分别增大了0.19和0.17;在堆腐发酵时间为10～20 d时，各处理堆料的pH均呈显著增大趋势，在20 d时，T1处理的pH为9.55，与初始值相比增幅最大，增大了1.54，T2处理次之，增大了1.12，T0（CK）处理增幅最低，仅为0.41。随着堆料时间的延长，T0处理的pH呈增大趋势，在堆腐发酵60 d时达到峰值（9.31），而其他处理则呈先增大后减小的趋势，且出现峰值的时间有所差异，其中T1处理的pH在第20天时达到峰值（9.55），T2、T3和T4处理的pH则在第40天时达到峰值，分别为9.42、9.38、9.21。当玉米秸秆腐熟发酵至第60天时，T1～T4处理堆料的pH分别为8.52、8.77、9.05和8.99。

2.3 不同微生物菌剂对玉米秸秆堆料EC的影响

由图3可知，在整个堆腐发酵过程中除T0（CK）和T1处理的EC值只有一个峰值外，其他处理均呈双峰曲线。在堆腐发酵初期（0～10 d），所有处理均出现最大值，与初始值相比较，不同处理其EC值增长率不同，T1处理增长率最高，可达10.3%，T2处理次之，EC值增长率为5.4%，T0、T3和T4处理差别不大，EC值增长率为1.34%～2.24%。随着堆腐发酵时间的进一步延长，T0和T1处理的EC值逐渐降低，在堆料60 d时EC值降低至最小值，分别为1.73和1.33 mS/cm;而T2处理在堆腐发酵至30 d时出现第二个峰值，EC值可达1.83 mS/cm;T3和T4处理则在堆腐发酵至40 d时出现第二个峰值，其EC值分别为1.68和1.7 mS/cm。但所有处理的EC值均在60 d时达到了该堆腐发酵试验的最低值，与初始值相比，T1处理EC值降低最多，降低了40.4%，T3和T2处理EC值相差不大，分别降低了34.4%和35.4%，T0处理EC值降低最少，仅降低了22.4%。

2.4 不同微生物菌剂对堆料腐殖酸光学特性（E4/E6）的影响

从图4可以看出，在不同微生物菌剂处理条件下，玉米秸秆堆料的腐殖酸光学特性E4/E6值均呈先增大后逐渐减小的趋势。不同处理均在堆腐发酵第10天达到峰值，但数值差异显著，其中T0（CK）处理的E4/E6值最高，可达3.43，T1～T4处理的E4/E6值则在2.53～2.73。随着堆腐时间的进一步延长，各处理堆料的E4/E6值均呈下降趋势，在堆腐30 d时，T0处理堆料的E4/E6值与初始值相比增大了8.5%，而接种微生物菌剂的处理（T1～T4），其堆料的E4/E6值均不同程度降低，分别降低了38.2%、21.8%、22.6%和25.4%。因此，接种微生物菌剂，有助于加快玉米秸秆堆料腐殖酸光学特性E4/E6值的降低。

2.5 不同微生物菌剂对堆肥浸提液GI的影响

一般来说，如果GI>50%，则可认为堆肥基本腐熟;当GI达到80%～85%时，则可认为堆肥完全腐熟，对植物无毒害作用。从图5可以看出，在堆腐发酵10 d时，各处理的GI均缓慢增大，但增幅存在一定差异，其中T2处理的GI增长最多，GI为21.8%，T4处理GI为14.9%，增幅最小。在堆腐发酵20 d时，各处理的GI均迅速增大，但仅T3处理GI为53.3%，达到基本腐熟

的程度，而其余处理的GI则在38.4%～47.5%。在堆腐发酵30 d时，各处理的GI均进一步提高，且均大于50.0%，其中T1处理的GI最高，为85.6%，达到完全腐熟的程度，对植物无毒害作用，而其他处理均低于80.0%，GI从大到小顺序为T1>T2>T3>T4>T0。随着堆腐发酵时间的进一步延长，各处理种子的GI均缓慢增大，在堆腐發酵50 d时，除T4处理的GI为78.7%外，T1、T2、T3处理的GI均超过80.0%，对植物无毒害作用。在堆腐发酵60 d时，所有处理的GI均超过80.0%，其中T1和T2处理GI均超过90.0%，分别可达93.8%和91.9%，T4处理的GI最小，仅为81.6%，其次T0处理是85.5%。

3 讨论

温度是影响堆腐发酵速率的主要因素之一，既可反映堆

腐过程中堆体内微生物群落的结构与活性，又可决定堆腐过程能否达到无害化和稳定化的重要条件[15]。堆体温度的高低不仅与发酵物料本身的特性有关，还与微生物菌剂的种类有关。该研究发现，接种微生物菌剂的处理（T1～T4）最高温度为65.1～71.1 ℃，显著高于未接种菌剂的T0（CK）处理，其最高温度仅为59.6 ℃。并且接种微生物菌剂的处理（T1～T4）堆体温度超过55 ℃的时间分别为13、10、9、9 d，高于堆腐无害化卫生要求的55 ℃以上需持续5～7 d的条件[16]，显著高于未接种菌剂的T0处理。因此，玉米秸秆堆料发酵时接种微生物菌剂，可显著促进堆体温度提升和高温维持时间的延长，这与李雯等[3]和孙建华等[17]的研究结果相似。

堆料pH可作为评价腐熟度的一个参考指标[18]，一般认为pH在7.5～8.5时，可获得最大堆腐速率，但由于受接种菌剂特性、原料性质及堆腐条件等影响，堆料pH存在一定差异。该研究发现，在玉米秸秆堆腐发酵前期，可能由于能被利用的能量物质较多，微生物大量繁殖和迅速分解有机物，最终可产生大量的铵态氮，导致各处理堆料的pH迅速上升。随着堆料反应进程的推进和能量物质的消耗，除未接种菌剂的T0（CK）处理其pH始终呈持续升高的趋势，其他接种微生物菌剂的处理（T1～T4）均呈先增大后减小的趋势，且接种不同微生物菌剂的处理存在较大差异，这与江笑丹[19]的研究结果相似。

电导率（EC）反映了堆料浸提液中的离子浓度，一般EC值小于4 mS/cm的堆腐施入土壤就不会对植物产生毒害作用，所以常将EC作为衡量堆肥腐熟度的有效指标之一[20]。秸秆堆腐发酵前期主要进行矿质化作用，有机物质分解产生大量的小分子物质，包括小分子有机酸及无机阴阳离子，如HCO3-、HSO4-、NH3+、H+等，使EC值上升。隨着堆腐发酵过程的进行，CO2和NH3挥发，小分子有机酸和阴阳离子被微生物转化利用而合成腐殖质类物质，EC逐渐下降[21]。在堆腐发酵初期（0～10 d），加入微生物菌剂的处理（T1～T4）EC值均高于T0（CK）处理，表明加入的微生物菌剂对堆料的矿质化有促进作用，这与谷洁等[22]的研究结果相类似。

E4/E6值是堆腐发酵腐殖化作用大小的重要指标，其高低直接与腐殖酸的分子大小或者分子的缩合度大小有关，通常随着堆腐发酵固相腐殖酸相对分子质量或缩合度增大而减小[20]。该研究发现，5个处理的E4/E6值随堆腐发酵时间的延长总体均呈先增大后降低的趋势，均在10 d时达最大值。随着堆腐发酵进程的延长，一些大分子的腐殖酸逐渐形成，E4/E6值呈降低趋势，加入菌剂的T1～T4处理，E4/E6值下降显著快于T0（CK）处理，这说明加入菌剂能促进腐殖质的缩合和芳构化，这与刘雯雯[23]的研究结果相似。

种子发芽指数（GI）是通过测定植物毒性来判定堆料是否腐熟的一种方法。GI 大于80% 表示对植物生长无毒性，也是堆肥腐熟和达到无害化的基本要求之一[24]。一般条件下堆肥腐熟度越高，种子发芽指数越高，发芽抑制率反而越低。该研究发现，是否使用微生物菌剂，种子发芽指数的变化相似，均呈先升高后逐渐趋于稳定，但不同处理的种子发芽指数相差较大。在30 d时，T1处理的种子发芽指数最先达到无害化的基本要求，可达85.6%，对植物无毒害作用。在堆腐发酵60 d时，所有处理种子发芽指数均超过80%，其中T1和T2处理分别可达93.8%和91.9%。综上所述，接种不同微生物菌剂对玉米秸秆堆料的GI影响较大，其中T1处理的GI较其他处理高。

4 结论

（1）接种微生物菌剂有利于促进堆体温度的迅速升高，但不同处理对温度的影响存在差异，T1处理的温度最高，高于55 ℃的时间持续最长，T2处理次之。

（2）不同处理堆料pH存在差异，对照处理的pH呈逐渐增大的趋势，而接种微生物菌剂的处理，堆料pH呈先增大后降低的趋势。

（3）各处理EC值均在堆料10 d时达最大值，后逐渐降低。堆料60 d时，与初始值（0 d）相比，T1处理降低最多。

（4）各处理堆料E4/E6总体均呈先增大后降低的趋势，均在10 d时达最大值，之后逐渐下降，且接种微生物菌剂的处理下降较快。

（5）不同处理GI变化规律相似，均呈先升高后逐渐趋于稳定。在堆肥60 d时，各处理均可达无害化，其中T1和T2处理的GI均超过90%。

（6）筛选出T1处理所用菌剂（有机肥发酵剂）效果最好，T2处理所用菌剂（菌剂A）次之，2种菌剂均可应用于玉米秸秆的腐熟发酵。

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