北方冬季不同复合菌发酵剂对羊粪堆肥发酵的影响

何莉莉,王义军,王耀东,唐 静,陈国雯,孙海禄,赵 云,周凯仁,周绪正,张继瑜*,翟斌涛*

(1.中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所,甘肃 兰州 730050;2.甘肃省定西市渭源县五竹镇畜牧兽医站,甘肃 定西 748205;3.甘肃省张掖市临泽县农业农村局,甘肃 张掖 734200;4.甘肃省甘南藏族自治州临潭县农业技术推广站, 甘肃 甘南 747500;5.兰州市七里河区万山种植养殖专业合作社,甘肃 兰州 730050)

甘肃省地处黄河上游,区域内畜牧业发展迅速,饲草资源丰富。随着规模化养殖业的发展,畜禽粪便的处理问题也随之产生,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,羊群疫病传播风险增加,危害羊群健康,并造成空气、土壤和水体污染,使环境恶化,影响人们的健康,而且浪费了大量宝贵的养分资源[1-2]。堆肥化是处理畜禽粪便的最佳方式之一,可通过一系列微生物代谢活动将不稳定的有机废物转化为稳定、卫生的腐殖质肥料,进而实现有机废弃物减量化、无害化及资源化利用[3-4]。羊属于草食动物,粪便中含有大量碳氢化合物、含氮和含磷化合物等有机污染物和营养元素[5],可以通过堆肥处理转化成具有改善土壤质量功效的优质肥料。

现有研究表明,人工添加微生物发酵剂可以提高粪污堆肥的产品质量,缩短发酵周期,提高堆肥发酵效率,促进环境的控制和改善[6-8]。为了观察市售不同复合菌发酵剂对羊粪堆肥发酵的影响,筛选出羊粪无害化处理的适宜复合菌发酵剂,试验选择3种商业复合菌发酵剂,在兰州市七里河万山种植养殖羊场进行为期28 d的羊粪堆肥发酵试验,测定发酵过程中的堆肥温度、pH、含水率、E465/E665吸光度值 (E4/E6)、种子发芽指数,现报道如下。

1 材料与方法

1.1 试验材料

羊粪取自兰州市七里河万山种植养殖羊场,羊品种为湖羊。

3种复合菌发酵剂均购自市场,分别标记为菌剂1、菌剂2、菌剂3。其中,菌剂1购自旺农宝生物技术有限公司,规格100 g,含枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌等多种生物菌群及生物酶制剂;菌剂2购自贝佳生物技术有限公司,规格500 g,含芽孢杆菌、放线菌、酵素菌、木霉菌、固氮菌、乳酸菌等多种有益微生物及其各种分泌性胞外酶类;菌剂3购自君德生物技术有限公司,规格为1 000 mL,含芽孢杆菌、纳豆菌、放线菌、木霉菌、酵母菌等多种有益微生物及其各种分泌性孢外酶类。

1.2 试验设计

试验于2023年11月15日—12月22日开展,在选定的规模化羊场进行,试验设4个组,对照组不添加发酵菌剂,试验1组添加菌剂1,试验2组添加菌剂2,试验3组添加菌剂3,如图1所示。每堆(组)100 kg干重的羊粪,堆体间距为1.5～2.0 m。建堆前试验组按说明书添加相应比例的发酵菌,同时加入适量的秸秆和水充分混合,调节堆肥的含水量、pH和碳氮比,碳氮比应为(20∶1)～(30∶1),配比后混合物的含水量控制在45%～60%,即手捏物料能成团、指缝见水但不滴水、松手落地即散状态,堆肥的初始pH为6～8。以7 d为间隔测温、翻堆1次并取样检测。取鲜样100 g用于测pH、含水率、E465/E665吸光度值(E4/E6)、种子发芽指数(GI)。

图1 试验分组情况

1.3 指标的测定

参照农业农村部有机肥料标准(NY/T 525— 2021)测定粪便的温度、含水率、pH、E4/E6、GI[9]。

(1)堆体温度:试验每间隔7 d,分别在09:00和下午16:00测量堆体温度。在堆体的上、中、下层3个位置均匀插入温度计。计算平均温度,记录为堆体的发酵温度。同时测定当日环境温度。

(2)堆肥含水率:每组通过喷壶均匀喷洒自来水1 L,期间每次翻堆后再补水1次,每次1 L,使用湿度计测量,使水分含量保持在56%左右。检测含水率时,使用鼓风干燥机在105 ℃下烘干样品至恒重,根据烘干前后质量差计算堆肥含水率.

(3)pH:将新鲜堆肥样品用去离子水以固液比为1∶10浸提3 h后过滤,用pH计定pH。

(4)E4/E6:将堆肥浸提液分别在465 nm和665 nm波长下测定吸光度,两个吸光度的比值为E4/E6。

(5)发芽指数(GI):取堆肥浸提液20 mL于9 cm的培养皿中,并垫上滤纸,向浸提液中添加20颗黄瓜或萝卜种子,在20 ℃的黑暗条件下培养48 h后测定种子发芽数和根长。

GI(%)=(平均发芽根长浸提液中平均发芽数×平均发芽根长)/(纯化水中平均发芽数×平均发芽根长)×100。

2 结果与分析

2.1 温度

堆肥初始,4组堆体温度与环境温度均在14 ℃,在第7天时4组堆体温度均迅速上升,试验1组、试验2组、试验3组和对照组堆肥温度分别为16.9 ℃、23.5 ℃、18.2 ℃和16.4 ℃,环境温度为13 ℃,3个试验组温度均高于对照组。试验2组在第7天温度最高。随着环境温度从第7天的13 ℃下降到第28天的4 ℃,4组堆体温度也随着下降。14～28 d试验1组温度均最高。见图2。

图2 堆肥温度变化

2.2 pH和含水率

堆肥初始,试验1,2,3组和对照组4组堆体初始pH分别为8.86、8.26、8.16、8.51,试验期间各组堆肥pH均介于7.18～8.86。0～28 d变化趋势比较,试验1组的pH在不同时期均高于其他试验组,且变化趋势稳定。第28 天,试验1组、试验2组、试验3组和对照组堆肥pH分别为8.60、8.36、8.30和8.13,呈现偏碱性趋势。见图3。

图3 堆肥pH变化

堆肥初始,4组堆体含水率均为56%,在7～28 d期间,试验1组含水率在不同时期均高于其他试验组。在发酵第14天,各组含水率迅速下降,后经补水保持稳定。发酵第28天,试验1组、试验2组、试验3组和对照组的含水率分别为56.8%、55.9%、50.1%、49.1%。见图4。

图4 堆肥含水率变化

2.3 E4/E6

4组堆体的E4/E6初始值在1.90左右,试验1组在发酵0～7 d期间E4/E6上升,7 d后逐步下降。在发酵0～14 d期间,试验2组、试验3组、对照组堆肥E4/E6上升,14 d后下降。堆肥结束时(第28天),试验1组、试验2组、试验3组和对照组的E4/E6分别为1.80、1.89、2.19、1.86,试验1组的E4/E6最低。见图5。

图5 堆肥E4/E6变化

2.4 GI

试验1组、试验2组、试验3组、对照组的堆肥发酵种子发芽指数初始值分别为 47.8%、27.0%、35.4%、26.9%,4组的GI均在0～7 d升高;之后试验1组GI呈下降趋势,试验2组、试验3组、对照组GI在7～21 d先升后降。试验1组的GI在不同时期均高于其他组。见图6。

图6 堆肥种子GI变化

3 讨 论

通过高效堆肥化处理羊粪,可以将废弃物转变为高质量的有机肥料,提高资源的循环利用率。有效的堆肥处理减少了畜禽粪便对环境的污染,控制了恶臭的产生和有害物质的排放。温度可以反映堆肥过程中微生物的活性和有机物的降解情况,是评价堆肥成功与否的重要指标[10]。本试验在堆肥发酵期间,由于北方冬季持续降温,环境温度为0～15 ℃,堆肥未达到常规堆肥发酵高峰期的60 ℃。与对照组相比,3个试验组均能有效促进堆温升高,其中试验1组提升效果最佳。3个复合菌发酵剂组中添加的芽孢杆菌等菌株在发酵初期可高效地降解堆肥物料中易降解的有机成分,进而快速促进堆体升温[11]。这表明复合菌发酵剂的加入对提高堆肥效率有显著作用。

pH可以反映堆肥过程中微生物所处的酸碱环境变化,微生物适宜的 pH环境通常为中性和弱碱性(7.5 ～ 8.5),此时微生物分解有机物的效率最高,而 pH过低或过高都会影响堆肥发酵的正常进行[12]。本试验中4组 pH均呈偏碱性,符合农业行业标准《有机肥料》(NY/T 525—2021)的要求(pH 5.5～8.5)[9],而对照组 pH为8.16,稍低于农业行业标准。由分析可知,添加复合菌发酵剂加快了堆肥有机质降解速率,3个试验组堆肥发酵速率均优于对照组。

堆体含水率是影响堆肥效果的重要参数,堆肥发酵过程中微生物的生长繁殖和分解活动均离不开水分[13]。本试验在4组堆肥初始时,每组通过喷壶均匀喷洒自来水1 L,期间每次翻堆后再补水1次,每次1 L,使用湿度计测量水分含量均在56%左右。当水分含量过低(低于30%)时,会影响微生物的代谢活性和正常生长繁殖,不利于微生物分解有机物和顺利启动堆肥发酵[14];但当含水率过高(超过70%)时,堆体出现供氧不足,呈现厌氧状态,产生大量异味,不利于好氧微生物的代谢,降低堆肥的发酵速率[15]。总体来看,3个试验组堆肥结束时的含水率均满足农业行业标准《有机肥料》(NY/T 525—2021)的要求[9]。

E4/E6可以有效应用于堆肥腐熟度的评价,E4/E6越低表明堆肥腐熟度越高[16]。试验在堆肥结束后,试验1组的E4/E6最低,说明堆肥腐熟程度最高,对植物的毒性作用最小。

GI是检测堆肥成熟程度的最佳指标,能可靠、灵敏地反映堆肥对植物的毒性作用[17]。一般认为当堆肥产品的GI≥90%时,可认为堆肥完全腐熟[18]。本试验因添加的菌液种类不同,导致各组种子发芽指数初始值不同。结果表明,接种复合菌发酵剂可加速堆肥成熟过程,提前完成无害化堆肥处理。试验1组的种子GI和成熟程度最高,这也可能与菌剂1的菌群数量及活性有关。

综上所述,添加复合菌发酵剂尤其是试验1组的菌剂能有效提升羊粪堆肥的发酵质量,加速有机质的降解和堆肥的腐熟过程,其效果在冬季低温条件下尤为显著。试验1组在温度、pH、含水率、E4/E6及GI等各项指标上均表现出了优秀的堆肥效果,是本试验条件下最佳的堆肥处理方式。该研究为冬季羊粪粪污发酵提供了数据和理论支持,即使在冬季低温条件下也能保持高效,为寒冷地区的农业废弃物处理提供了有效方案。

4 结 论

添加复合菌发酵剂,尤其是试验1组使用的配方,可以显著提高堆肥的温度、pH、含水率、腐熟度和GI,使之更加符合农业行业标准。