微生物菌劑對麥草、雞糞高溫堆肥進程及質(zhì)量的影響

李鳴雷，谷 潔，秦清軍，高 華

（1．西北農(nóng)林科技大學(xué) 中 國科學(xué)院 水 土保持研究所，陜西 楊 凌712100；2．西北農(nóng)林科技大學(xué) 資 源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊 凌712100；3．陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，陜西 楊 凌712100）

麥草與雞糞是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的兩類數(shù)量巨大的農(nóng)業(yè)廢棄物，麥草的棄置與焚燒對于交通環(huán)境形成巨大的威脅，而雞糞的大量集中堆放也會散發(fā)惡臭氣味，滋生病原生物，是環(huán)境的重要污染源；另一方面，麥草與雞糞中含有作物生長所需的氮、磷、鉀等多種營養(yǎng)元素和有機質(zhì)，又是重要的有機肥資源。堆肥化是對農(nóng)業(yè)廢棄物進行無害化、資源化、肥料化利用的一項有效途徑，是實現(xiàn)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵措施之一［1－2］。堆肥化是在多種微生物及其酶的共同作用下，把農(nóng)業(yè)廢棄物中的有機物進行生物降解并轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)的生物化學(xué)過程。利用堆肥化技術(shù)可以將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為一種重要的有機肥資源，但是傳統(tǒng)的堆肥方法由于僅利用堆肥自身的微生物的作用，因此存在堆肥時間長、養(yǎng)分損失大、堆肥質(zhì)量差的問題。國內(nèi)外的研究表明，在好氧堆肥過程中采取接種外源微生物菌劑的方法有利于快速提高堆肥溫度，縮短堆肥時間，提高堆肥質(zhì)量［3－9］。為了解決麥草與雞糞堆肥過程中堆肥效率低的現(xiàn)狀，研究添加微生物菌劑對于堆肥進程的影響，本文對2種微生物菌劑對麥草雞糞好氧堆肥進程及腐熟度的影響作用進行分析。

1 材料與方法

1．1 堆肥材料

本試驗所用農(nóng)業(yè)廢棄物為雞糞和麥草，分別取自西北農(nóng)林科技大學(xué)小麥中心和楊凌西魏店養(yǎng)雞場，其主要成分含量見表1。

表1 堆肥材料的主要理化性狀

1．2 試驗方法

試驗于2009年在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土壤肥料研究所堆肥場進行。將麥草粉碎切成3～5 c m大小的小段，再與雞糞混合均勻，混合物中C／N比調(diào)整為30∶1～35∶1，噴灑加水，使堆料水分含量保持在55%～65%范圍之內(nèi)。將處理好的堆肥材料裝入自制固體發(fā)酵罐內(nèi)進行堆肥處理［4］，采用強制通風(fēng)（空氣），每日測定堆肥過程中堆體溫度的變化，并定期（0～6 d每天采樣，8～34 d每2 d采樣1次）從堆肥裝置中部多點采集樣品組成混合樣品。

試驗設(shè)3個處理，對照（CK）為不加任何微生物菌劑；處理2為添加1%的自制微生物菌劑（CM）［10］，有效活菌數(shù)≥3．0×108個；處理3為添加1%的市售有機廢物發(fā)酵菌曲（JM），該產(chǎn)品是由細(xì)菌、真菌、放線菌、酵母菌等多種微生物組成，有效活菌數(shù)≥1．0×108個。

1．3 測定項目與方法

溫度用ZDR－11型溫度記錄儀，裝入堆料時安放傳感器探頭于固定位置，自動記錄溫度動態(tài)變化。

有機碳采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法；全氮采用H2SO4－水揚酸－混合鹽消煮法；銨態(tài)氮（NH＋4－N）采用堿解擴散法［6］。

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）測定［2］：取發(fā)酵料新鮮樣品按水肥比5∶1浸提，吸取5 ml浸提液置于墊有濾紙的培養(yǎng)皿中，同時設(shè)置對照（蒸餾水），每個培養(yǎng)皿內(nèi)放10粒飽滿的甘藍(lán)種子，在20℃恒溫黑暗培養(yǎng)48 h，記錄發(fā)芽率和根長，計算GI。GI由以下公式確定：GI＝［（堆肥浸提液的種子發(fā)芽率×種子根長）／（蒸餾水的種子發(fā)芽率×種子的根長）］×100%

2 結(jié)果與分析

2．1 不同處理對堆肥溫度變化的影響

在好氧堆肥過程中，由于微生物的代謝活動導(dǎo)致堆肥溫度發(fā)生改變，堆肥溫度的高低決定堆肥速度的快慢［7］，堆肥溫度變化分為4個明顯的階段，即升溫階段 、高溫階段、降溫階段和變化穩(wěn)定階段，從圖1可以看出溫度變化趨勢與上述結(jié)論一致。在堆肥初期，微生物有大量可以利用的能源，很快進入高溫階段，溫度達60～70℃，可以殺死病原菌、寄生蟲卵和雜草種子，促使堆肥快速腐熟。Haug研究［7］認(rèn)為當(dāng)堆肥后期溫度自然降低，溫度保持與外界溫度一致，不再產(chǎn)生令人討厭的臭味時，就表明堆肥達到腐熟狀態(tài)。從圖1還可看出，加入CM和JM兩種微生物菌劑的處理和CK比較，堆肥溫度上升速度明顯加快，僅經(jīng)過4 d的發(fā)酵，溫度就分別達到52℃、60℃，而對照經(jīng)過7 d的發(fā)酵最高溫度才達到57℃，表明接種微生物菌劑提高了堆肥初期微生物數(shù)量，增強了微生物的代謝活動，加快了好氧堆肥的升溫速度。

圖1 微生物菌劑對麥草、雞糞堆肥進程中溫度的影響

2．2 不同微生物腐解菌劑對C／N的影響

C／N的變化是有機廢棄物好氧堆肥的基本特征之一，C／N是檢驗有機廢棄物好氧堆肥腐熟度的一個重要指標(biāo)。碳源是微生物利用的能源，氮源是微生物的營養(yǎng)物質(zhì)。在堆肥過程中，碳源被消耗，轉(zhuǎn)化成二氧化碳和腐殖質(zhì)，氮則以氨氣的形式散失，或轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，或是由生物體同化吸收，有些學(xué)者［11－13］研究認(rèn)為腐熟的堆肥的C／N應(yīng)該趨向于微生物菌體的C／N，即16左右；或者當(dāng)堆肥的C／N從開始的30降低到20以下時，就可以認(rèn)為腐熟了。本研究中，不同處理堆肥的C／N的動態(tài)變化如圖2所示，可以看出，3個處理的C／N隨著堆肥的進程均呈下降趨勢，但下降的程度不同，其中接種CM和JM處理的C／N經(jīng)過14 d的堆肥發(fā)酵，C／N就小于20，到第35天的時候C／N已經(jīng)分別是14．9，15。而CK處理直到第35天的C／N才下降到19。說明微生物腐解菌劑和發(fā)酵菌曲有助于麥草雞糞好氧堆肥的C／N的降低，從而加速了堆肥的腐熟進程。

圖2 微生物菌劑對麥草、雞糞好氧堆肥C／N的影響

2．3 不同微生物腐解菌劑對銨態(tài)氮含量的影響

堆肥過程中，由于水溶性NH＋4－N一部分轉(zhuǎn)化為NH3而揮發(fā)減少，另外，通過硝化作用一部分NH＋4－N又轉(zhuǎn)化為NO3－N。因此，NH＋4－N的減少及NO3－N的增加，可以指示堆肥腐熟度的變化。研究發(fā)現(xiàn)，NH＋4－N是影響種子發(fā)芽結(jié)果的重要因素，其含量變化與GI間具有較好的相關(guān)關(guān)系，因此，NH＋4－N含量是評價堆肥腐熟度的一個重要參數(shù)，當(dāng)NH＋4－N含量低于2 g／kg時，可以確定堆肥已達到腐熟程度［14－15］。圖3的結(jié)果表明，加入CM 和JM兩種微生物腐解菌劑后，麥草雞糞堆肥中的NH＋4－N含量下降較CK要快，經(jīng)過20 d的堆肥發(fā)酵，3個處理（CK、CM、JM）的NH＋4－N含量分別達到2．01，1．42，1．54 g／kg，可以看出，接種了 CM 和JM 可以加快麥草、雞糞好氧堆肥腐熟，而CM的下降程度比J M的要高。

圖3 微生物菌劑對麥草、雞糞好氧堆肥NH＋4－N含量的影響

2．4 不同微生物腐解菌劑對發(fā)芽指數(shù)（GI）的影響

麥草、雞糞在堆肥過程中，由于有機物的分解會產(chǎn)生有機酸、多酚等具有生物毒性的中間產(chǎn)物，這些生物毒性物質(zhì)會抑制植物種子的發(fā)芽和植物的生長。研究表明，這些毒性物質(zhì)隨著堆肥的進程逐漸減少、消失［16］，植物在未腐熟的堆肥中生長受到抑制，在腐熟的堆肥中生長得到促進，因此堆肥腐熟度的高低還可由植物生長的生物量表示，所以形成了生物分析法，如國內(nèi)外采用的水芹種子生長、發(fā)芽，太陽花及黑麥草生長過程中的物理和生物學(xué)參數(shù)來評價堆肥的腐熟度。Riffal di認(rèn)為可以用發(fā)芽率指數(shù)（GI）檢測堆肥對植物有無毒性，如果GI大于50%就可以認(rèn)為基本無毒性，當(dāng)GI達到80%～85%時，說明堆肥的腐熟度已經(jīng)很高。本研究利用甘藍(lán)種子測定了不同處理堆肥的GI動態(tài)變化，結(jié)果見圖4，可以看出不同處理堆肥的第3天的發(fā)芽指數(shù)都有一個下降的趨勢，這是由于堆肥初期微生物活動旺盛，生物有毒物分泌增加的原因；隨著堆肥的進行，發(fā)芽指數(shù)逐漸升高，CM處理上升最快、JM次之、CK處理最慢，從圖4可以看出，堆肥第14天，CM處理的GI就達到57，而JM的是48、CK的為32，說明CM的作用效果比J M的要好。

圖4 微生物菌劑對麥草、雞糞好氧堆肥GI的影響

3 討 論

堆肥是在微生物的作用下通過高溫發(fā)酵使有機物礦質(zhì)化、腐殖化和無害化而變成腐熟肥料的過程，微生物的活動對有機質(zhì)的分解起著決定性作用，不但可以生成大量可被植物利用的有效態(tài)氮、磷、鉀化合物，而且又合成了新的高分子物質(zhì)腐殖質(zhì)，它是構(gòu)成土壤肥力的重要活性物質(zhì)［5］。農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)過堆肥化處理重新轉(zhuǎn)化為對環(huán)境有益的資源，可以促進植物的生長，增加土壤持水性和土壤有機質(zhì)，遏制土壤侵蝕［17］。加入外源微生物可以加快堆肥的進程［3］。

堆肥溫度直接影響堆肥微生物的數(shù)量與活動，并進一步影響有機質(zhì)的分解速率和腐殖化進程［14］，因此，溫度是反映堆肥進程與腐熟度的一個重要指標(biāo)，農(nóng)業(yè)有機廢棄物在堆肥過程中一般都要經(jīng)過升溫期、高溫期和降溫期三個階段，有研究認(rèn)為持續(xù)的高溫有利于堆肥的無害化［18］。本研究表明，與不接種CK比較，自制的微生物腐解菌劑CM和京圃園發(fā)酵菌曲J M都使堆肥的高溫期提前且高溫持續(xù)時間長，說明CM和JM對于麥草與雞糞好氧堆肥的進程具有明顯的促進作用，這與胡菊［16］的研究結(jié)論一致。

堆肥質(zhì)量的評價是保證農(nóng)業(yè)廢棄物達到無害化、肥料化處理的必要環(huán)節(jié)，目的是評價堆肥是否達到腐熟，以確定其是否可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［14］。國內(nèi)外的一些研究把GI值、C／N和NH＋4－N含量作為衡量堆肥腐熟度和堆肥質(zhì)量的重要指標(biāo)［8，19－20］。本研究表明，接種CM與JM菌劑可以顯著提高麥草雞糞堆肥的種子發(fā)芽率指數(shù)GI、降低C／N、減少NH＋4－N含量，說明在堆肥中接種CM菌劑能夠提高堆肥的腐熟度和堆肥質(zhì)量。本研究為農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化與肥料化利用提供了一定的技術(shù)依據(jù)，對不同類型的農(nóng)業(yè)廢棄物的堆肥化處理過程中外源微生物接種劑的選擇還需要作進一步的研究。

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