复合菌剂对兔粪堆肥碳氮转化与损失的影响

2022-11-07张国言董元杰孙桂阳

中国农业大学学报 2022年11期

张国言董元杰孙桂阳于滨徐珂

(山东农业大学资源与环境学院/土肥高效利用国家工程研究中心，山东泰安 271018)

自1978年改革开放以来，我国畜禽养殖业快速发展，产生巨大经济效益的同时，也带来了严重的环境污染问题。我国每年产生38亿t的畜禽粪污，综合利用率仅为60%～80%，既是一种肥料资源的浪费，也不利于我国畜禽养殖业的绿色发展。

高温好氧堆肥是目前处理农业有机废弃物的有效手段。传统的自然堆肥方法存在微生物数量级低，环境适应性差等问题。人工添加外源微生物，可调节堆体菌群结构、提高微生物活性，缩短腐熟周期，提升堆肥质量，是好氧堆肥的常用措施。然而，好氧堆肥过程中会产生大量气体逸出，造成碳氮元素的损失。已有研究表明仅氨挥发和二氧化碳释放总量就占到整个畜禽粪便堆肥过程总损失量的50%～70%。畜禽粪便堆肥过程中加入外源微生物可以减少氮素损失，促进有机质的分解转化，提高堆体腐熟效率。在堆肥发酵的不同时期，堆体内微生物的优势种群及丰度都存在很大的差异，各菌群通过协同互作共同推进堆体的氮素转化及腐熟进程。目前多数市售菌剂微生物组成大同小异，不能满足不同原料堆肥生产优质有机肥的需求。此外，有关外源微生物对有机肥发酵过程中碳氮转化、腐熟进程及影响机理的研究也鲜见报道，从而制约了高效复合菌剂的研发。

兔粪是家兔养殖业的主要副产物之一，具有养分丰富、重金属含量低和酸碱度适宜等优点。我国兔粪年产量可达1.4亿t，但缺乏有效的利用方式，这既是一种资源的浪费也会对环境造成污染；香油渣是利用芝麻进行香油生产后的废弃残渣，据统计，我国2020年香油渣产量已达50万t以上。香油渣含有大量的粗蛋白、氨基酸等营养物质，是一种丰富的蛋白质资源，但其目前主要利用途径为畜禽饲料，在有机肥生产方面的应用研究鲜有报道。前期研究发现，兔粪和香油渣混合发酵制备有机肥，发酵效率高、产品品质好。这可能与其含有高效的土著降解菌种有关。

因此，本研究拟将前期试验筛选到的高效纤维素降解菌进行优化组合，得到自制纤维素降解复合菌剂，以兔粪和香油渣为发酵材料，与商品菌剂和自然发酵处理堆肥进行对比，研究自制纤维素降解复合菌剂与功能菌不同配比的复合菌剂对堆肥氮素积累和堆体腐解进程的影响，探讨不同配比的复合菌剂对堆体不同发酵阶段碳氮动态变化的影响及微生物作用机制，以期为兔粪堆肥高效促腐和养分减损发酵菌剂的研发提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥原料兔粪取自山东省泰安市附近养殖场，香油渣取于泰安市某小磨香油厂，木屑购自于建材市场，粉碎后备用，基本理化性质见表1。

自制纤维素降解复合菌剂菌种来自兔粪与香油渣自然发酵不同时期堆体中筛选得到的优势高纤维素酶活菌种，本实验室前期研究中，将纤维素作为唯一碳源将可利用纤维素完成代谢活动的菌株进行富集、分离与纯化，利用刚果红染色与滤纸崩解试验进行产纤维素酶菌株的初筛，而后通过测定各菌株羧甲基纤维素酶(CMCase)、滤纸酶(FPA)和β-葡萄糖苷酶(β-Gase)进行酶活复筛，筛选共得到7株高酶活纤维素降解菌株，各菌株相似性比对结果如表2所示。利用拮抗试验确定各菌株之间无拮抗作用,将菌株随机组合构建复合菌系(表3)并测定酶活。酶活测定结果如表4所示，表中各组合均为试验测定得到相同菌株数量下的酶活最高组合。当复合菌系中CMCase酶活为(141.89±1.41) U/mL，FPA酶活为(104.56±1.74) U/mL，β-Gase酶活为(131.18±1.26) U/mL，7株菌共同使用酶活最高。因此，本复合菌剂组成菌株确定为：里氏木霉、蕈状芽胞杆菌、费格森埃希菌、灰绿曲霉、普通变形杆菌、粘质沙雷氏菌和谷氨酸棒杆菌，试验菌种均为本实验室保存并传代稳定的菌株。功能菌种为常见的酵母菌、固氮菌和乳酸菌，购自南昌科畅生物科技有限公司。市售菌剂选用常见EM微生物菌剂，购自普天试剂有限公司。

表1 堆肥材料理化性质
Table 1 Physical and chemical characters of initial composting material

原料Materialw(有机碳)/%Organic carbonw(全氮)/%Total nitrogenC/Nw(含水率)/%Water contentpH兔粪Rabbit manure36.312.1616.8168.826.95香油渣Sesame oil cake62.076.928.9711.62—木屑Wood chip60.710.43141.1912.74—

表2 菌株相似性比对结果
Table 2 Comparison results of strain similarity

菌株Strain相似菌株Closest relative相似度/%SimilarityA-2Trichoderma reesei strain SP02PU (MG018728.1)99.83B-3Escherichia marmotae strain HT073016 (NR_136472.1)99.02C-2Proteus alimentorum strain 08MAS0041 (NR_163665.1)99.64C-4Aspergillus glaucus strain CBS 529.65 (MH870342.1)99.12D-1Bacillus paramycoldes strain MCCC 1A04098 (NR_157734.1)98.69D-3Corynebacterium glutamicum strain ATCC 13032 (NR_074663.1)98.46Z-1Serratia marcescens subsp. Marcescens ATCC 13880 (NR_113236.1)98.33

表3 不同组合菌株组成
Table 3 Composition of strains in different combinations

编号No.菌株组合Strains association种子液体积比Seed liquid volume ratioⅠA-2、D-11∶1ⅡA-2、B-3、D-31∶1∶1ⅢA-2、D-1、D-3、Z-11∶1∶1∶1ⅣA-2、C-2、C-4、D-1、D-31∶1∶1∶1∶1ⅤA-2、B-3、C-4、D-1、D-3、Z-11∶1∶1∶1∶1∶1ⅥA-2、B-3、C-2、C-4、D-1、D-3、Z-11∶1∶1∶1∶1∶1∶1

注：各组合均为相同菌株数量下酶活最高组合。

Note: Each combination in the figure is the highest enzyme activity combination under the same number of strains.

表4 不同菌株组合的复合菌系酶活性
Table 4 Enzyme activities of the consortia with different combinations of the strains U/mL

编号No.CMCaseFPAβ-GaseⅠ28.35±0.7923.09±2.3622.16±1.25Ⅱ47.74±0.9449.41±0.7951.49±1.12Ⅲ68.78±1.4769.82±0.6572.01±1.47Ⅳ89.48±1.3074.50±1.1082.61±1.88Ⅴ127.13±1.7281.47±0.83107.89±1.10Ⅵ141.89±1.41104.56±1.74131.18±1.26

1.2 试验设计

试验于2021-05-17 —2021-06-12在山东农业大学资源与环境学院实验站进行，发酵周期为26 d。将

(兔粪)∶

(香油渣)按1∶1(干基)混匀，每桶发酵底料加入0.834 kg木屑(干基)为辅料调节碳氮比至25∶1，并加水调节堆体含水率60%左右，pH 7.0～7.5。同时按0.5%接种量(鲜重)均匀喷洒液体菌剂(稀释于500 mL蒸馏水中)。试验共设6个处理，分别为不添加菌剂处理(CK)、EM菌剂处理(EM)、(纤维素降解)自制复合菌剂处理(CR)、

(功能菌剂)∶

(自制复合菌剂)=1∶1配比处理(CAR1)、

(功能菌剂)∶

(自制复合菌剂)=1∶2配比处理(CAR2)、

(功能菌剂)∶

(自制复合菌剂)=1∶3配比处理(CAR3)，每个处理设3次重复。自制复合菌剂由7株优势纤维素降解菌株等体积比配制而成，各菌株体积分数均为14.3%，有效活菌数≥2×10cfu/mL。功能菌剂为3种常见功能菌种(酵母菌、固氮菌和乳酸菌)等体积组合所得，各菌种活菌数≥10cfu/mL。各堆体物料与添加菌剂(控制有效活菌数均保持在2.0～2.11 10cfu/mL)混合均匀后(CK处理添加等体积的液体培养基)装入容积100 L的密闭聚氯乙烯发酵桶内，进行强制通风静态发酵，采用连续硼酸-氢氧化钠吸收法测定堆体NH和CO的挥发速率及累积量，具体装置如图1，发酵桶顶端及底部开有直径2 cm的通气孔并连接软管，进气孔与空气压缩机(ACO-318型)相连，使用流量计控制进气量保持为120 mL/min，连续通风以保证堆体好氧发酵顺利，进气口前放置带胶塞的广口瓶，分别装入硫酸溶液和NaOH溶液以去除空气中的水分和氨气等气体影响，出气口放置装有1升2%硼酸溶液和1 mol/L的NaOH溶液的广口瓶，以用于测定堆肥过程中产生的NH及CO排放量。

图1 堆肥发酵装置示意图Fig.1 Schematic diagram of composting equipment

1.3 样品采集及试验方法

分别于堆肥第0、2、6、12、20、26天取样后翻堆，每个处理沿对角线取5个点采取等量的样品，混匀后采用四分法取样，每次采集3个重复样品，以保证取样的代表性。将样品分为两份，一份进行风干、研磨，另一份保存于-80 ℃冰箱待测。测定指标及方法如下：

每天14点采用便携式温度传感器检测堆体温度，随机挑取5个点进行测定，取平均值作为实际温度。含水率通过新鲜样品105 ℃烘干至恒重进行测定，将新鲜样品与去离子水以1 g∶10 mL(

∶

)混合后，水平摇床振荡1 h，静置30 min后使用pH计(PHS-3C型)和电导率仪(DDS-11A型)进行测定。全氮采用硫酸-过氧化氢消煮，凯氏全自动定氮仪测定，碱解氮测定参照土壤碱解扩散法。硝铵态氮采用1 mol/L的KCl浸提，全自动连续流动分析仪(AA3,德国)测定。氨气和二氧化碳采用硼酸和氢氧化钠吸收，吸收液由标准浓度稀硫酸滴定进行测定。有机质采用重铬酸钾容量法测定，参照文献测定样品总腐殖酸含量。取新鲜堆肥样品5 g与蒸馏水按固液比1∶10充分混匀，摇床振荡2 h，过滤后取10 mL滤液3 000 r/min离心10 min，吸取5 mL上清液于平铺滤纸的培养皿(直径为90 mm)中，并放置30粒小白菜种子，同时设置蒸馏水处理为对照组，25 ℃条件下培养箱培养48 h后测定发芽率及根长，每个处理3次重复，计算公式如下：

GI=(浸提液种子发芽率×种子根长)/

(蒸馏水种子发芽率×种子根长) ×100%

1.4 数据分析

试验数据采用SPSS 21软件进行统计分析，采用Excel 2019和Origin 2021进行处理与绘图，采用邓肯(Duncan)法进行差异显著性检验(

<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同复合菌剂对堆肥过程中温度、pH、含水率和电导率的影响

不同复合菌剂堆肥过程中主要发酵参数变化见图2。可见：从堆肥第1天到第26天，各处理温度均呈现先急剧上升后下降的趋势。CR和CAR3升温最快，在第3天均高于50 ℃，除CK外，各菌剂处理均在第6天到达最高温，CR温度最高，CAR3次之；各处理中自制复合菌剂比例越高，高温持续期越长，说明添加自制复合菌剂可加速堆体升温，延长高温时间。由图2(b)可见：除CK的pH在初期略微下降外，各菌剂处理pH值均迅速上升，并在第6～7天达到最大值，随后在一定范围内上下波动，并缓慢下降直到堆肥结束。CAR3的pH峰值最大，较初始提高了19.86%，说明其有机酸分解较快。由图2(c)可见：各处理含水率均呈下降趋势，前9天下降速率较为迅速，随后逐渐变缓。在堆肥结束时，各菌剂处理含水率均低于30%，CR含水率最低，较初始下降了59.19%，下降速率较CK提高了13.68%，与其微生物代谢最旺盛有关。由图2(d)可见：各堆体的EC值均呈先上升后下降的趋势，添加自制复合菌剂的堆体EC值上升更为迅速，其中CR的EC值最先到达峰值。以上结果表明自制复合菌剂添加量越高，堆体发酵速度越快。

CK，不添加菌剂；EM，EM商品菌剂；CR，(纤维素降解)自制复合菌剂；CAR1，V(功能菌剂)∶V(自制复合菌剂)=1∶1；CAR2，V(功能菌剂)∶V(自制复合菌剂)=1∶2；CAR3，V(功能菌剂)∶V(自制复合菌剂)=1∶3。下同。 CK, no bacterial agent; EM, EM commercial microbial agent; CR, (cellulose degradation) self-made composite bacterial agent; CAR1, V (functional bacterial agent)∶V (self-made composite bacterial agent)=1∶1; CAR2, V (functional bacterial agent)∶V (self-made composite bacterial agent)=1∶2; CAR3, V (functional bacterial agent)∶V (self-made composite bacterial agent)=1∶3. The same below.图2 不同复合菌剂堆肥过程中堆体理化性质的变化Fig.2 Changes of physicochemical properties of compost with different compound bacterial agents

2.2 不同复合菌剂对堆肥过程中碳素转化的影响

有机质和总腐殖酸的变化堆肥过程中有机质和总腐殖酸含量变化见表5。可知：各处理堆体有机质含量均呈下降趋势，至堆肥结束时，各堆体有机质降解率大小顺序为CR(36.10%)>CAR3(34.17%)>CAR2(32.63%)>CAR1(26.54%)>EM(23.34%)>CK(18.73%)。CR有机质含量较CK显著降低了24.49%(

<0.05)且降解率最高，说明全自制复合菌处理降解高纤维材料迅速，有利于有机质的快速矿化。CAR3有机质降解率略低于CR，但总腐殖酸含量最高，与CR相比显著增加了11.92%(

<0.05)，说明添加适宜比例的功能菌剂更有利于腐殖酸的形成。因此，CAR3不仅促进有机质的较快降解，而且更利于总腐殖酸的合成，腐殖化效果最优。

表5 堆肥过程中有机质和腐殖酸含量的变化
Table 5 Changes of organic matter and humic acid content during composting %

处理Treatment有机质Organic matter总腐殖酸Total humic acid 0 d26 d26 dCK89.70±3.12 a72.90±1.59 a9.56±0.29 eEM87.33±0.54 a66.95±1.22 ab12.31±0.76 dCR86.14±0.36 a55.05±0.33 c13.86±0.76 bcCAR188.23±4.79 a64.81±4.66 b13.21±0.39 cdCAR285.41±3.47 a57.54±4.17 c14.75±0.24 abCAR384.57±6.46 a55.68±6.61 c15.52±0.45 a

注：同列数据不同字母表示差异显著(<0.05)，相同字母表示差异不显著(>0.05)。下表同。

Note: Within the same column, different letters represent significant differences (<0.05), while the same letters represent no significant differences (>0.05). The same below.

二氧化碳排放

堆肥过程中二氧化碳排放情况见图3。可见：堆肥初期，各堆体温度迅速升高，有机质大量降解，CO日排放量迅速上升至最大值。除CK和EM外，CR、CAR1～3均在第4天达到峰值，CR最高，较其他处理提高3.69%～29.80%。说明自制复合菌剂含量最高的CR好氧发酵剧烈，产生大量CO，CAR3次之。发酵10 d后，各处理CO排放速率迅速下降至稳定。由图3(b)可见：各处理CO累积量呈先指数性增长后缓慢增加的趋势。堆肥结束时，各堆体累积量高低顺序为CR>CAR2>CAR3>CAR1>EM>CK。CR、CAR2和CAR3较CK分别提高33.75%、22.03%和15.78%，说明添加自制复合菌剂可促进有机质降解和CO排放。

图3 堆肥过程中二氧化碳排放速率(a)和累积排放量(b)Fig.3 Emission rate (a) and cumulative emission (b) of CO2 during composting

2.3 不同复合菌剂对堆肥过程中氮素转化的影响

全氮、有机氮及碱解氮的变化堆肥过程中全氮、有机氮及碱解氮含量变化见表6。可知：各处理全氮含量呈先降低后升高的变化趋势。在堆肥第6天，堆体升温迅速，大量有机氮被分解，堆体全氮含量迅速下降。堆肥结束时，各堆体全氮含量较初始有所提高，这是堆肥过程中有机质降解引发的“浓缩效应”导致的。CAR3含量最高，除CAR2外，CAR3全氮含量相比其他处理均达到显著性差异(

<0.05)，增加了7.94%～19.81%。随着堆肥进程的结束，各处理有机氮含量均有所增加，增幅顺序为CAR3>CAR2>CR>CAR1>EM>CK，CAR3比初始增加了30.97%，且与其他处理之间差异显著(

<0.05)，表明该处理对于减少氮素损失，促进氮素向有机态氮转化效果最好。发酵结束时，CAR3碱解氮含量较CK显著增加了26.55%(

<0.05)，而仅含有自制复合菌剂的CR只增加了17.09%，说明功能菌剂与自制复合菌剂协同使用更有利于堆肥氮素向无机氮和小分子有机氮转化，可提高堆肥产品的速效养分含量。

铵态氮和硝态氮的变化

堆肥过程中硝铵态氮含量变化见图4。如图4(a)可见：各堆体铵态氮含量呈急剧上升后快速下降的趋势，堆肥第6天左右达到峰值，各菌剂处理铵态氮峰值较CK提高13.55%～24.60%，CAR3最高，说明CAR3高温期氨化作用最为强烈。至堆肥结束时，CK铵态氮含量最高，较其他处理增加24.50%～64.70%。由图4(b)可见：各处理硝态氮含量呈先缓慢后迅速升高的趋势。发酵初期，堆体温度高且pH急剧上升，抑制了硝化细菌的生长，各处理硝态氮含量几乎保持不变。随着高温期的结束，具备硝化作用的微生物逐渐成为优势菌群，各处理硝态氮含量迅速升高。堆肥结束时，各菌剂处理硝态氮含量较CK增加62.85%～101.45%，CAR1最高，表明功能菌剂与自制复合菌剂1∶1配比时，最利于硝化作用的进行。

氨气挥发速率和积累量

堆肥过程中氨气挥发情况见图5。如图5(a)所示：各处理氨气挥发速率呈发酵初期急速上升，中期波动下降，后期快速降低直至稳定的趋势。各堆体氨挥发速率均在第6～8天达到最大值，CAR1峰值最高，CR最低，两者相差5.05%，说明各处理氨挥发峰值差异不明显。堆肥结束时，各处理氨挥发速率均下降至稳定范围内。由图5(b)可见：各处理氨挥发累积量在堆肥初期迅速升高，4～10 d内呈线性增加，而后逐渐平稳。堆肥结束时，CAR3累积量最小，比CK减少了10.28%，说明功能菌剂与自制复合菌剂1∶3配比协同处理不仅能降低高温期氨挥发峰值，还有效减少了其他时期氨气挥发量，最利于氮素的积累。

2.4 不同复合菌剂对堆肥产品腐熟度的影响

堆肥结束时各堆体发酵产品腐熟情况见表7。可知：CK的小白菜种子发芽率明显低于其他堆体，而各菌剂处理之间无显著性差异，说明添加微生物菌剂可以促进种子萌发，但效果差异不大。各堆体根长表现为CAR3效果最好，比CK和蒸馏水处理显著增加了56.70%和40.74%(

<0.05)，说明功能菌剂与自制复合菌剂1∶3配比最有利于种子生根，可能与其腐熟程度高，微生物区系较丰富有关。各处理GI值表现为CAR3>CAR2>CR>CAR1>EM>CK。添加自制复合菌剂的处理GI值比CK显著提高了39.32%～75.77%(

<0.05)，促生效果明显，说明自制复合菌剂可以有效提高堆肥产品腐熟程度。发酵结束时，各处理碳氮比大小为CK>EM>CAR1>CAR2>CR>CAR3，CAR3最低，较CK显著降低了36.33%(

<0.05)，说明该处理发酵过程中有机碳转化量最大，全氮含量提升最多，最利于堆体发酵腐熟。

图4 堆肥过程中铵态氮和硝态氮含量的变化Fig.4 Changes of ammonium and nitrate nitrogen content during composting

图5 堆肥过程中氨气排放速率和累积排放量Fig.5 Emission rate and cumulative emission of NH3 during composting

表7 堆肥结束时各处理种子发芽势和碳氮比
Table 7 Germination index and / of each treatment at the end of composting

处理Treatment发芽率/%Germination percentage根长/cmRoot lengthGI/%Germination indexC/N空白91.11±0.05 ab2.16±0.36 cdCK82.22±0.05 b1.94±0.13 d81.05±0.05 d10.94±0.45 aEM86.67±0.07 ab2.40±0.66 bcd105.69±0.08 c9.43±0.54 bCR87.78±0.02 ab2.84±0.26 ab126.67±0.03 b7.43±0.11 cCAR188.89±0.07 ab2.50±0.34 bc112.92±0.09 c8.90±0.65 bCAR293.33±0.03 a2.88±0.33 ab136.59±0.05 ab7.46±0.53 cCAR392.22±0.02 a3.04±0.27 a142.46±0.03 a6.96±0.81 c

3 讨论

3.1 不同配比复合菌剂对堆体发酵条件和腐熟度的影响

温度、pH、含水率和电导率等发酵工艺参数是影响有机肥发酵过程的重要因素，不仅控制着堆体分解腐熟进程，同时对堆体中碳氮元素的迁移转化也具有重要影响。温度是堆肥进程中各生理生化过程顺利进行的基础，是堆肥成功的决定性因素。本研究表明，添加自制复合菌剂的处理温度峰值比CK明显提高，到达高温期时间大大缩短，全部达到无害化标准，其中自制复合菌剂含量最高的CR效果最好。Xu等研究表明，在堆肥中添加纤维素降解菌种，对于促进堆体升温，延长高温时间，加速堆肥腐熟具有重要作用。这与本研究结果一致。这是自制复合菌剂有利于纤维素降解，能产生大量能源物质，使堆体内微生物迅速增殖并进行生命活动降解有机质，同时释放大量热导致的。pH是影响堆体矿物质转化与氮素损失的重要因素，也对微生物活性和堆肥腐熟影响较大。有研究表明，pH在堆肥前期迅速上升，稳定范围内波动并在后期下降的现象是堆肥腐熟的重要标志。本试验各添加自制复合菌剂处理pH变化均符合腐熟标志。CAR3的pH峰值最高，这与该堆体微生物生命活动剧烈，小分子酸代谢迅速有关。CK的pH始终较低，影响了微生物对有机质的降解，是造成CK堆体高温期滞后的主要原因，这与徐瑞蔓等的研究结果一致。含水率对微生物活性与堆体通透性具有重要影响。本研究发现，各添加自制复合菌剂处理含水率降幅远大于CK和EM，与其升温迅速、微生物氧化分解作用剧烈有关。说明自制复合菌剂对于堆体发酵腐熟有明显的改善效果。陈威旺研究表明，添加外源菌剂可以促进堆体微生物生命活动，有利于堆体含水率的下降，对堆肥好氧发酵具有积极作用。这与本研究结果相符。电导率是代表堆体可溶性盐含量和腐熟程度的重要指标，其变化趋势与有机质降解速率密切相关。本研究发现，添加自制复合菌剂处理的EC值变化明显优于CK与EM，堆肥结束时，只有CK 的EC值超过4 mS/cm，对种子有毒害作用。说明自制复合菌剂有利于堆肥腐熟，发酵前期可以加速有机质的分解，产生大量可溶性盐使EC值升高，后期则促进腐殖质的形成，降低游离态养分离子含量以保持EC值适宜，利于种子萌发，这与常瑞雪等的研究结果一致。碳氮比是堆肥微生物繁殖和反映腐熟状况的重要指标。薛晶晶等研究表明，堆肥发酵过程中碳氮有机物分解速率的不同步导致碳氮比呈下降趋势。本研究表明，堆肥结束时，全部堆体碳氮比较初始明显下降，除CK和EM外，各添加自制复合菌剂堆体的碳氮比远低于10，可认为腐熟良好，说明自制复合菌剂能通过改善发酵参数，调控碳氮素分解转化强度，达到降低碳氮比，促进堆肥腐熟和减少碳氮损失的目的，这与陈雪娇等研究结果一致。种子发芽指数是评价堆肥产品生物毒性和堆体腐熟状况的生物学指标。Zucconi等认为GI>50%时，堆肥基本无毒性，GI>80%时，达到腐熟标准。本研究结果表明，添加自制复合菌剂处理的GI值较CK显著升高，均达到110%以上，CAR3最高。这表明功能菌与自制复合菌剂1∶3配施具有更好的协同作用，可以提高堆肥中活性物质含量，利于种子生根及根系生长，促生效果最好。时小可等研究表明，堆肥中添加纤维素降解菌株可以显著提高GI值，促进发酵原料中有害物质的降解，利于堆肥腐熟。这与本研究结果一致。

3.2 不同配比复合菌剂对碳素损失转化的影响

堆肥的实质是微生物降解转化有机废弃物的生理生化过程，碳是微生物进行生命活动不可缺少的能量来源，也是有机物分解转化的基本元素。本研究发现，随着自制复合菌剂添加量的增加，各堆体有机质降解速率迅速升高，分解更彻底，CAR3效果最优。史龙翔和王义祥等研究表明，堆肥过程中有机质降解，碳损失转化受到发酵材料、温度、含水率、微生物等多种因素共同影响，但微生物因素影响较大，接种纤维素降解菌株有利于促进有机质的矿化分解，此结论与本试验结果一致。

在好氧发酵过程中，微生物分解有机质产生水和CO并释放能量。因此，CO排放量可以反映堆体降解速度及微生物代谢强度，但作为碳损失的主要途径和温室气体的重要组分，减少CO排放十分必要。本研究发现，CR堆体CO日排放速率始终保持领先，这与它升温最快，含水率降幅最大，堆体通透性好，因此微生物活性最高，有机质矿化作用最强有关。堆肥结束时，CR的CO累积量最大，表明其对于有机质的分解效果最好，但不利于碳素保存。堆肥前期CAR3的CO排放速率仅次于CR，后期排放速率则迅速降低，至堆肥结束时CO累积量远低于CR而总腐殖酸生成量最高。表明CAR3既可以改善发酵参数，提高堆体腐熟效率，又能通过功能菌和自制复合菌剂的协同作用促进碳转化保留，减少碳损失。这可能是CAR3添加适宜比例功能菌，可以提高堆肥腐殖酸缩合度、芳构化程度及活性所致，此结果与王义祥等的研究结果相符。

3.3 不同配比复合菌剂对氮素损失转化的影响

氮是微生物进行代谢及生物合成的必需元素，也是堆肥产品质量的重要养分指标。在堆肥发酵过程中，各种形态氮素的相互转化是一个非常复杂的过程，与各阶段微生物组成、堆体理化性质变化密切相关。马丽红等研究发现，在堆肥过程中添加木霉及腐熟堆肥，显著提高了堆体全氮和有机氮含量。本研究表明，在堆肥结束时，与CK和EM相比，添加自制复合菌剂的处理全氮、有机氮及碱解氮含量均有所提升。一方面由于加入自制复合菌剂改善了堆体发酵参数，有利于有机质的降解，“浓缩效应”导致氮素含量的相对增加；另一方面则是高酶活纤维素降解菌有利于纤维素的降解，产生大量易降解的碳源物质-葡萄糖，从而改善了堆体易降解碳氮元素比例，提高了微生物的氨同化能力，有利于抑制氨挥发，减少氮挥发损失。这与常瑞雪、MENG等的研究结果一致。

氨同化作用是堆肥微生物利用铵态氮在谷氨酸脱氢酶作用下，与α-酮戊二酸结合生成谷氨酸，并最终转化为生物态有机氮的过程。氨挥发是堆肥过程中氮素损失的主要途径，也是减少氮素损失的重要突破口。本研究表明，在堆肥高温期，各处理氨气挥发速率均达到峰值，但随着自制复合菌剂添加比例的增加，各处理氨挥发峰值呈降低趋势。CR在高温期本应氨气挥发最严重，但由于其微生物活性强，碳素三羧酸循环效率快，氨同化底物含量高，微生物氨同化作用强烈，大量铵态氮被转化为生物态氮得以固定，因此氨挥发峰值最低，这与前人发现微生物可以通过氨同化作用显著减少堆肥氨挥发量，提高氮素积累的研究结果一致。自制复合菌剂促进氨同化作用的原因可能是含有大量的谷氨酸棒杆菌，这是一种能够生产谷氨酸脱氢酶并进一步合成谷氨酸的菌株，同时，芽孢杆菌属微生物也是常见具备氨同化能力的菌种，两者均能促进堆体中氮素向生物态氮的转化。各堆体氨挥发累积量表明，堆肥结束时CAR3氨挥发累积量低于CR，且有机氮和碱解氮含量较CR有所提高，其原因可能是CAR3除添加自制复合菌剂外，还有酵母菌、固氮菌等功能菌株可以起到协同的作用。潘飞等研究表明，堆肥中加入纤维素降解菌和固氮菌协同处理，对于堆体氨挥发的抑制和有机氮的转化效果显著，这与本研究结果一致。

刘玉婷研究表明，氨同化是不同微生物在堆肥发酵的早中晚期接替进行，综合作用的结果。CR仅含有自制复合菌剂，只有高温期氨同化作用较强，降低了氨挥发峰值，当腐熟期其他微生物区系发挥作用时，CR的氨同化作用减弱，导致氨挥发量升高，也可能是功能菌的缺失导致只有一部分谷氨酸顺利转化为有机氮得以保存。而添加了功能菌剂的CAR3氨同化作用全程顺利进行，氨同化量逐渐占据上风，最终氨挥发累积量最低，有机氮转化量最大。CAR3铵态氮含量在高温期达到峰值，而堆肥结束时最低，表明CAR3微生物活性强，前期氨化作用强烈产生大量铵态氮，随后氨同化作用使铵态氮转化为稳定的微生物有机氮得以保存，而不是通过氨挥发途径大量损失。堆肥结束时CAR3硝态氮含量较低，也表明CAR3减少的铵态氮是通过氨同化作用部分转化为有机态氮，而非全部通过硝化作用转化为硝态氮。自制复合菌剂的添加有利于提高堆体氨同化作用，减少高温期氨挥发量，添加适量的功能菌剂，可通过不同微生物区系的协同作用促进堆体发酵各阶段的氨同化和硝化作用，有利于氮素的固定转化。

4 结论

本研究以兔粪和香油渣为好氧发酵材料，研究了不同复合菌剂对堆肥过程中碳氮转化与损失的影响。主要结果如下：

1)本试验条件下，各处理中自制复合菌剂添加量越大，高温峰值更高、高温期持续时间更长，含水率降幅增大，有机质降解速率加快，主要发酵参数得到明显优化，发酵更迅速，腐熟更彻底。

(功能菌剂)∶

(自制复合菌剂)=1∶3配比添加的CAR3堆体碳氮比下降迅速，GI值显著提高，CO排放量较CR降低13.43%，总腐殖酸含量显著增加11.92%，NH挥发量比CK减少10.28%，有机氮含量显著提升19.74%，堆体腐殖化与氨同化作用强烈，有利于提高堆体发酵效率与养分固持能力，其促进堆肥腐熟和减少碳氮损失的效果最优。