微生物菌剂对玉米秸秆和餐厨垃圾混合好氧堆肥的影响

2022-12-22巩光禄赵铎郭鹏博张方政张洪奇申贵男晏磊邱财生邱化蛟王伟东

黑龙江八一农垦大学学报 2022年5期

巩光禄，赵铎，郭鹏博，张方政，张洪奇，申贵男，晏磊，邱财生，邱化蛟，王伟东

（1.黑龙江省寒区环境微生物与农业废弃物资源化利用重点实验室/黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，大庆 163319；2.粮食副产物加工与利用教育部工程研究中心；3.中国农业科学院麻类研究所；4.江苏进化树生物科技有限公司）

据统计，我国农作物秸秆年产量近10亿t，其玉米秸秆年产量超过2.73亿t，在秸秆废弃物中占比最高[1]。大量的玉米秸秆被随意堆置和焚烧，不仅造成环境污染，同时也是对秸秆这种可再生资源的严重浪费[2-3]。餐厨垃圾是城市有机垃圾的重要组成部分，餐厨垃圾含水率高，有机物和蛋白质含量丰富，同时含有大量油脂物质[4]。对于餐厨垃圾的处理，传统方式主要为焚烧和填埋，焚烧时不仅会产生大量有毒有害气体，而且焚烧效率低；而填埋处理污染地下水源，同时填埋处理转化周期长，占用土地资源[5]。因此，寻找绿色、高效的方法处理秸秆和餐厨垃圾迫在眉睫。

研究发现，好氧堆肥是处理有机废弃物的有效方式[6]。经过高温发酵以及微生物的分解利用，可将堆肥原料转化为有机肥料，该技术绿色无污染，技术成熟，而且成本低，转化率高[7]。秸秆中木质纤维素等有机质含量丰富、透气性好、C/N高[8]，而餐厨垃圾含水率高、蛋白质含量丰富、C/N低[9]，由于二者单独堆肥时效率低，且难以充分发酵腐熟；然而研究表明将二者混合后含水率、C/N和透气性等适宜好氧堆肥，可以显著提升物料的腐熟效果[10]。

在好氧堆肥过程中微生物种类丰富，对堆肥物料中有机物的分解利用具有重要作用，研究表明微生物菌剂添加可以促进堆肥物料的发酵和腐熟[11]。Zhou等[12]研究人员发现，在堆肥过程中添加复合菌系，促进氨氧化细菌的生长，减少氨气排放量，有效解决堆肥中的气味问题。经过微生物强化可以提高堆肥过程中堆体温度，促进物料中木质纤维素的降解，提高腐熟效果[13-14]。在猪粪堆肥体系中添加微生物菌剂后，可以显著提高细胞酶、多酚氧化酶等酶活性[15]。通过添加微生物复合菌剂，可以有效降低堆肥体系中的多氧环素等抗生素类物质[16]。然而，在微生物菌剂强化堆肥的研究中，通过添加微生物复合菌剂来促进玉米秸秆和餐厨垃圾混合好氧堆肥的研究鲜有报道。

研究将玉米秸秆和餐厨垃圾混合处理进行好氧堆肥，在堆肥初期接种微生物菌剂，探究微生物强化对玉米秸秆和餐厨垃圾混合堆肥的影响，为玉米秸秆和餐厨垃圾的资源化利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

玉米秸秆（以下简称秸秆）选自黑龙江八一农垦大学农学试验基地，自然风干后粉碎至1~2 cm；餐厨垃圾（以下简称垃圾）来自于黑龙江八一农垦大学食堂，挑出塑料制品、一次性筷子等杂物和难以粉碎的物质后，将其粉碎、混合均匀；微生物菌剂来自于黑龙江八一农垦大学寒区环境微生物与农业废弃物资源化利用重点实验室。试验材料基本性质如表1所示。

表1 试验材料基本性质Table 1 Basic properties of test materials

1.2 试验设计

将秸秆和垃圾按照质量比1∶1充分混合均匀，将含水率调节至65%，添加尿素调节C/N。随后分别置于规格为80 cm×80 cm×80 cm的发酵箱中。试验组（AD）按照5%的接种量添加微生物菌剂并充分混匀；对照组（CK）添加5%灭菌后的微生物菌剂培养液。堆肥周期为35 d，分别于0、3、7、14、21、28、35 d进行翻堆，将物料混合均匀后进行取样，每次取样200 g（上中下三层取样，每层前后左右中五点），共取样7次。

1.3 测定指标及其方法

在堆肥期间，固定每日14:00时，利用水银温度计测定堆肥体系和环境温度；取室内风干样品粉碎过筛，利用pH酸度计测定[17]；有机质测定利用马弗炉进行，具体步骤参照文献[4]；全氮、磷、钾含量的测定按照国标法进行[17]；将样品与去离子水按照1∶10混匀，震荡2 h，离心后浸提上清液，用于测定种子发芽指数[17]。

1.4 数据统计分析

试验数据采用Origin 8.0软件进行试验原始数据的整理、图表制作；利用IBM SPSS Statistics 20软件进行单因素方差分析（P＜0.05）。试验图表数据均测定3次，取3次重复平均值。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度变化

玉米秸秆与餐厨垃圾混合堆肥过程中温度变化如图1所示，试验组和对照组的温度变化均呈现先升高后降低的趋势。试验组在堆肥第1天温度到达50℃，进入高温期（大于50℃），随后继续升温，第5天温度升至最高温度68.1℃，高温期共16 d，于第17天堆体温度低于50℃，进入降温期，随后逐渐降至室温。对照组于第2天进入高温期，最高温度为61.3℃，第13天温度低于50℃，该处理高温期共持续11 d。与对照组相比，试验组升温更快，堆体最高温度更高，高温期持续时间更长。

图1 堆肥过程中温度的变化Fig.1 Changes of temperature during composting

2.2 堆肥过程中pH变化

在堆肥过程中pH整体变化为先降低，后升高，最后趋于稳定。试验组于第7天时pH值降至6.51，对照组第7天时pH值降低至6.69，堆肥末期试验组和对照组pH值分别升高至7.51和7.36。在第7天和第14天，对照组的pH显著高于试验组（P<0.05），而在第21、28和35天，试验组的pH显著高于对照组（P<0.05）。由此可见，添加复合菌剂的试验组pH值的变化波动更大。

图2 堆肥过程中pH的变化Fig.2 Changes of pH during composting

2.3 堆肥过程中有机质变化

在堆肥过程中，有机质含量的变化反映了堆体中纤维素、半纤维素等有机质的降解程度。如图3所示，在两组处理中，有机质含量均呈现逐渐降低的趋势，试验组由初始的有机质含量65.22%，降低至堆肥末期44.71%，有机质含量共降低20.51%，其有机质含量变化显著高于对照组的15.34%（P<0.05）。表明在添加微生物菌剂后，促进了试验组有机质的降解。

图3 堆肥过程中有机质含量的变化Fig.3 Changes of organic matter content during composting

2.4 堆肥过程中总氮变化

在玉米秸秆与餐厨垃圾混合堆肥的过程中，堆体中总氮含量呈逐渐增加的趋势（图4）。试验组与对照组经对比可以发现，在初期总氮含量变化不明显，从第7 d开始，两组处理差异逐渐显著，堆肥末期时，与初始总氮含量相比，试验组总氮含量提升36.67%，显著高于对照组提升的30.83%（P<0.05）。

图4 堆肥过程中总氮含量的变化Fig.4 Changes of total nitrogen content during composting

2.5 堆肥过程中总磷变化

堆肥过程中堆体中总磷含量随时间的变化而逐渐增加（图5）。试验组总磷含量初始为0.48%，堆肥末期变化至0.73%，与初始含量相比总磷含量提升52.08%，显著高于对照组提升的39.58%（P<0.05）。

图5 堆肥过程中总磷含量的变化Fig.5 Changes of total phosphorus content during composting

2.6 堆肥过程中总钾变化

随着堆肥时间的增加，堆肥体系中总钾的含量也在随之升高，并于堆肥末期趋于稳定，其中试验组和对照组分别升高至2.02%和1.84%，试验组总钾含量提升50.75%，显著高于对照组提升的37.31%（P<0.05）（图6）。

图6 堆肥过程中总钾含量的变化Fig.6 Changes of total potassium content during composting

2.7 堆肥过程中碳氮比的变化

堆肥过程中C/N的变化呈现逐渐降低的趋势。研究发现，C/N低于20时，表明堆肥物料达到充分腐熟[27]。在试验中，初始的C/N为28.93，堆肥结束时试验组C/N降低至17.68，对照组的C/N降低至19.31，试验组的C/N显著低于对照组（P＜0.05）。同时两组处理C/N均小于20，表明两组堆肥物料均已经达到较好的腐熟效果，而且试验组腐熟更充分（图7）。

图7 堆肥过程中碳氮比的变化Fig.7 Change of C/N ratio during composting

2.8 堆肥过程中种子发芽指数变化

种子发芽指数可以反映在堆肥过程中物料的腐熟程度。如图8所示，在堆肥初期，玉米秸秆和餐厨垃圾腐熟不充分，种子发芽指数低，随着堆肥的进行，高温发酵杀死堆肥体系中的病虫和有害细菌，种子发芽指数逐渐升高，堆肥末期，试验组和对照组的种子发芽指数分别升高至90.77%和80.93%，均已达到无害化要求（70%）。试验组的种子发芽指数显著高于对照组（P＜0.05），同时，添加菌剂的试验组于第15天达到腐熟标准，与对照组的第21天相比提前6 d完成腐熟，表明添加菌剂后物料腐熟更充分，堆肥期间更早达到无害化要求。

图8 堆肥过程中种子发芽指数的变化Fig.8 Changes of seed germination index during composting

3 讨论

堆肥期间温度和pH的变化可以反应出堆肥体系的腐熟情况[18]。Sun等[19]研究人员证明微生物菌落对堆肥的温度产生积极影响。研究发现，添加菌剂的试验组与对照组相比，不仅提前到达高温期，而且可以显著延长高温期的持续时间，从而更有效地杀死堆肥体系中的病原微生物。张晓旭等[20]进行秸秆和餐厨垃圾混合堆肥，通过与其对比可以发现，添加菌剂后更有利于玉米秸秆和餐厨垃圾混合堆肥期间温度的提升和高温的维持。试验组和对照组的pH值整体变化趋势相同，pH值呈现先降低后升高的趋势。堆肥初期堆体中原料物质分解，生成大量的小分子酸性物质，从而导致堆体pH值下降；高温期过后，随着堆体温度的下降，微生物大量生长繁殖，酸性物质消耗殆尽，有机氮源被代谢分解为氨，随后转化为铵态氮，由于NH4+的积累和CO2的挥发，导致堆肥体系pH值不断升高，直至后期铵态氮含量不变，pH值趋于稳定[21]。本试验两组处理其pH值均在6~8的范围内，在堆肥期间适宜微生物活动，堆肥效率高，接种微生物复合菌剂后，试验组与对照组相比pH值整体变化幅度大，微生物活动更剧烈。

堆肥的实质就是物料中有机物质不断被微生物分解利用的过程，而有机质含量的变化可以反应出堆肥过程中物料的降解情况[22]。经过腐熟发酵，试验组与对照组有机质含量均逐渐降低，而且试验组最终有机质含量降低更为显著。有学者研究认为，有机质含量降低的主要原因是试验组高温期温度较高，且持续时间长，在此期间有利于物料快速分解，从而使试验组有机质含量变化显著[23]。王晓君等[24]进行米糠与餐厨垃圾混合堆肥时发现，由于原料性质影响，导致有机质含量变化不显著。将秸秆和餐厨垃圾混合后更适宜好氧堆肥，可以显著降低原料中有机质含量，并且接种微生物菌剂后有机质含量降低更为显著。

氮、磷、钾是植物生长的三大营养元素，同时也是衡量肥料养分的重要指标。通过堆肥处理，可以增加物料中的总养分含量[25]。总氮、总磷和总钾含量经过高温发酵，其含量均逐渐增加，主要原因是堆体产生“浓缩效应”，堆体中有机物矿化分解生成N2和N2O等造成元素损失，而在微生物的作用下碳水化合物进行分解，同时水分蒸发，堆体干物质减少，当干物质的减少幅度大于元素损失的幅度时就造成了氮、磷、钾的相对含量升高。李昌宁等[26]研究添加微生物菌剂对猪粪与秸秆混合堆肥的影响时发现，堆肥末期全氮和全钾含量虽有所升高，但与CK相比添加菌剂的试验组并未显著提升全氮和全钾的含量。而研究结果表明，与对照组相比，添加菌剂的试验组中总氮、总磷和总钾的含量均显著提升，这表明添加微生物复合菌剂能显著影响玉米秸秆和餐厨垃圾的堆肥效果，接种微生物菌剂促进纤维素的降解，可将其分解为营养物质，使物料腐熟更加充分，从而提高有机肥中养分含量，提高肥料品质。

C/N是判断好氧堆肥物料腐熟程度的重要指标之一。研究表明，当C/N降低至20左右，就可以判断该堆肥物料基本上腐熟完成[27]。对照组与试验组C/N均呈现下降趋势，且最终均达到要求，表明秸秆和餐厨垃圾适合混合堆肥。C/N降低的主要原因可能有两种：一方面是由于堆肥期间微生物繁衍生长，消耗物料中的氮元素，同时由于物质分解导致堆体质量下降，当物料中氮元素的消耗速率小于堆体质量的下降速率时，使得氮元素的相对含量升高；另一方面由于物料有机物质降解，有机碳含量不断降低，两方面共同影响，导致C/N降低[25]。研究在堆肥末期，试验组C/N更低，表明该处理物料分解充分，证明微生物菌剂对于C/N的降低具有促进作用。

有机肥料毒性物质和腐熟度主要通过种子发芽指数来衡量[21]。未经充分腐熟的有机物料含有毒害物质，会抑制种子的萌发和生长，此时种子发芽指数低，而充分腐熟后，可以有效降低含有的毒性物质，促进种子萌发，发芽指数高，种子发芽指数大于70%即可认为达到腐熟要求[28]。有研究表明，与单一物料堆肥相比较，不同物料混合后堆肥可以有效调节C/N和透气性，延长高温期、提升物料腐熟效果。Lin等[31]发现食物垃圾和木屑混合堆肥能够促进堆肥腐熟进程，在提升堆肥品质的同时，也减少了温室气体的排放，Qin等[32]发现，污泥和餐厨垃圾混合堆肥对于氮素的固定有促进作用。而在试验研究中，玉米秸秆和餐厨垃圾混合后堆肥，两种处理经过好氧堆肥后均达到无害化要求，这表明二者混合堆肥具有可行性，同时试验组具有更高的种子发芽指数，表明添加微生物菌剂可以促进玉米秸秆和餐厨垃圾混合物的腐熟，有效降低物料中所含有的生物毒性物质。邹德勋等[29]进行餐厨垃圾与秸秆混合好氧堆肥研究发现，堆肥结束时种子发芽指数仅为39.8%，腐熟效果不佳，与本研究相比较，在玉米秸秆和餐厨垃圾混合堆肥过程中接种微生物复合菌剂，可以促进物料的发酵腐熟，同时显著提高堆肥物料的种子发芽指数。张秧等[30]研究同样证明微生物菌剂的添加可以提高堆肥物料的腐熟度。