菌渣和牛糞聯(lián)合堆肥中的氮素轉(zhuǎn)化研究

郭夏麗，張靜曉，王 靜，王 巖

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

食用菌菌渣是食用菌培養(yǎng)基栽培過食用菌后遺棄的固體廢棄物，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年我國(guó)食用菌菌渣就已達(dá)到3 685萬噸［1］.食用菌菌渣中含有大量的食用菌菌絲、木質(zhì)纖維素降解酶及食用菌代謝產(chǎn)物，如糖類、生物活性物質(zhì)等［2-3］.如果隨意丟棄就會(huì)滋生大量的霉菌和害蟲，污染環(huán)境.利用食用菌菌渣生產(chǎn)有機(jī)肥不僅能夠?qū)⑵滟Y源化，而且能夠防止環(huán)境污染.目前國(guó)內(nèi)已有一些關(guān)于食用菌菌渣堆肥的報(bào)道，陳廣銀等［4］研究表明，在落葉堆肥中添加食用菌菌渣能加快落葉中有機(jī)質(zhì)的降解;孫建華等［5］利用食用菌菌渣和豬糞堆肥實(shí)現(xiàn)了廢物資源化利用.但是對(duì)食用菌菌渣和牛糞聯(lián)合堆肥中氮素轉(zhuǎn)化的研究報(bào)道較少.食用菌菌渣和牛糞含氮量較高，本研究以其為主要原料進(jìn)行好氧堆肥，來研究堆肥過程中氮素變化規(guī)律，為提高食用菌菌渣堆肥質(zhì)量提供依據(jù).

1 材料和方法

1.1 材料

食用菌菌渣取自鄭州大學(xué)新區(qū)北食用菌生產(chǎn)基地，是培養(yǎng)過平菇后的廢棄物;牛糞取自河南省花花牛母牛繁育中心;秸稈取自鄭州大學(xué)新區(qū)南部農(nóng)田.各堆肥原材料的主要理化指標(biāo)如表1.

表1 堆肥原料的主要理化指標(biāo)Tab.1 Physical and chemical properties of the compost materials

1.2 試驗(yàn)方法

處理1:33 kg食用菌菌渣+17 kg牛糞+2 kg秸稈.

處理2:25 kg食用菌菌渣+25 kg牛糞+2 kg秸稈.

處理3:17 kg食用菌菌渣+33 kg牛糞+2 kg秸稈.

處理4:33 kg食用菌菌渣+17 kg牛糞+2 kg秸稈+10 kg腐熟牛糞堆肥.

處理5:33 kg食用菌菌渣+17 kg牛糞+2 kg秸稈+2%(w/w)復(fù)合菌劑.

處理4中的腐熟牛糞堆肥分別在第3，6 d加入.處理5中的復(fù)合菌劑分別在第3，12 d加入.復(fù)合菌劑是由4株高效纖維素降解菌和4株酵母菌的固態(tài)菌劑混合組成.制作方法是各菌株通過相應(yīng)的培養(yǎng)基擴(kuò)增兩代后接種于滅菌麩皮中，培養(yǎng)兩天后在無菌狀態(tài)下陰干，得到固態(tài)菌劑.

1.3 測(cè)定方法

自處理堆制開始，每天9∶00和18∶00測(cè)定堆體的溫度，每3天采一次樣.凱氏氮采用凱氏定氮儀測(cè)定，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮通過KCl浸提1 h，過濾后用濾液測(cè)定.有機(jī)氮等于凱氏氮減去硝態(tài)氮，總氮為凱氏氮加銨態(tài)氮.

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥溫度的變化

由圖1可知，5個(gè)堆肥處理的溫度在55℃以上的天數(shù)分別是6、8、10、8 和8 d，符合《糞質(zhì)無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》［6］中:最高堆溫溫度在50～55℃以上持續(xù)5～7 d［6］的要求，故5個(gè)處理均達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn).處理1、處理2和處理3中食用菌菌渣與牛糞比例分別為 1.94∶1、1∶1 和 1.94∶1，在整個(gè)堆肥過程中，牛糞含量越高的處理高溫期持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，溫度峰值也越高.因?yàn)榫泻写罅康拿拮褮ぃ^難降解，所以堆肥過程中菌渣含量越多，微生物的活性越低，堆肥溫度越難以提高.因此，在食用菌菌渣堆肥中添加適量牛糞，可加快食用菌菌渣的腐熟.

圖1 堆肥周期中溫度的變化Fig.1 Temperature changes during composting process

處理4和處理5與處理1相比，處理4和處理5的高溫期持續(xù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于處理1，且溫度峰值也高于處理1.處理4和處理5是在處理1的基礎(chǔ)上分別添加了腐熟堆肥和纖維素降解菌劑.腐熟堆肥中含有大量的微生物，堆肥中適量添加能提高堆肥過程中微生物的數(shù)量，加快堆肥物料的降解，提高堆體的溫度.由于堆肥原料中含有大量的纖維素，適量地添加纖維素降解菌能加快堆肥物料的降解，因此添加纖維素降解菌劑的處理5溫度明顯高于處理1.由此添加外源微生物也是促進(jìn)食用菌菌渣快速腐熟的有效措施之一.

2.2 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化

堆肥周期中銨態(tài)氮的變化如圖2所示.5個(gè)處理中銨態(tài)氮含量的趨勢(shì)是隨堆肥的進(jìn)程先增加后減少.堆肥6 d時(shí)，5個(gè)處理的銨態(tài)氮均達(dá)到最大，隨后開始下降.堆肥結(jié)束時(shí)5個(gè)處理的銨態(tài)氮分別下降了88.4%、83.4%、72.8%、87.7%和81.8%.堆肥6 d時(shí)，處理1、2和3的增加幅度依次加大，分別為22.5%、51%和116%，說明牛糞中的氨化細(xì)菌數(shù)量及易降解有機(jī)氮含量高于菌渣.處理4和5的銨態(tài)氮增加幅度分別為29.6%和53%，均高于處理1，表明添加腐熟堆肥和菌劑均增強(qiáng)了氨化作用.堆肥12 d時(shí)，除處理5以外，各處理的銨態(tài)氮均下降，處理1、2和3的下降幅度依次減小，處理4下降幅度小于處理1，處理5的銨態(tài)氮基本不變.

圖2 堆肥周期中銨態(tài)氮含量的變化Fig.2 NH4-N content changes during composting process

圖3為堆肥過程中硝態(tài)氮含量的變化.總體趨勢(shì)是隨堆肥進(jìn)程先減少后增加，與銨態(tài)氮的含量變化正好相反.堆肥在1～11 d內(nèi)為高溫期，硝化作用受抑制，硝態(tài)氮含量有所下降.隨著溫度的逐漸降低，硝態(tài)氮含量逐漸增加.堆肥末期5個(gè)處理的硝態(tài)氮分別增加了57.8%、31.4%、6.7%、42.8%和45.7%.菌渣含量越高，硝態(tài)氮增加幅度越大，這是由于菌渣比較蓬松，透氣性好，有利于硝化作用，不利于反硝化作用.由處理4和5硝態(tài)氮增加幅度小于處理1，推測(cè)兩種添加劑可能對(duì)硝化作用沒有促進(jìn)作用，部分硝態(tài)氮可能被添加劑中的微生物作為氮源利用.

堆肥中銨態(tài)氮的變化主要與堆肥中微生物的氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及物料的pH、C/N等因素有關(guān).在堆肥的高溫期，由于硝化菌大多為中溫菌，硝化作用受到高溫抑制，由于硝態(tài)氮的下降，也導(dǎo)致反硝化作用的降低，而銨態(tài)氮隨著有機(jī)質(zhì)的降解大量產(chǎn)生，為此高溫期銨態(tài)氮的含量達(dá)到最大.高溫期溫度一般在50℃以上，pH在7.7以上，加之銨態(tài)氮濃度較高，因此高溫期也是堆肥氮素以氨形式大量揮發(fā)而損失的階段.由于食用菌菌渣透氣性好，隨著菌渣含量加大，其銨態(tài)氮更易以氨的形式揮發(fā)，銨態(tài)氮的下降幅度也越大.

圖3 堆肥周期中硝態(tài)氮含量的變化Fig.3 NO3-N content changes during composting process

2.3 有機(jī)氮和總氮的變化

堆肥周期中的有機(jī)氮含量和總氮含量變化如圖4、圖5所示，菌渣和牛糞原料中的氮素以有機(jī)氮為主，有機(jī)氮平均含量為88.5%，因此堆肥時(shí)有機(jī)氮變化與總氮變化趨勢(shì)大致相同.由圖4和5可以看出，處理1、處理2和處理3的有機(jī)氮與總氮變化總體趨勢(shì)是隨堆肥的進(jìn)程先增加后減少，而處理4和處理5的總體趨勢(shì)是隨堆肥的進(jìn)程而不斷增加.堆肥結(jié)束時(shí)，處理1和處理2的有機(jī)氮分別損失了38.3%和24.5%，處理3、處理4和處理5則分別增加了8.2%、34.8%和47.3%.處理1和處理2的總氮分別損失了34.6%和23.1%，處理3、處理4和處理5則分別增加了6.2%、28%和40.5%.

堆肥中氮素的減少與氨的揮發(fā)、反硝化作用及滲濾液流失等有關(guān).作者以食用菌菌渣和牛糞為原料，堆肥期間對(duì)水分嚴(yán)格控制，而且菌渣原料持水性較高，且是露天堆置，水分不斷揮發(fā)，堆肥過程中沒有滲濾液產(chǎn)生.由硝態(tài)氮的不斷增加推知反硝化作用很弱，因此，堆肥的氮素?fù)p失途徑以氨揮發(fā)為主.堆肥高溫期是微生物的活躍期，有機(jī)質(zhì)分解作用最旺盛，氨化作用產(chǎn)生的氨氣不斷揮發(fā)造成有機(jī)氮、總氮的含量下降，而有機(jī)物料分解不斷產(chǎn)生CO2和H2O，CO2和H2O的揮發(fā)導(dǎo)致堆肥總質(zhì)量(干重)也不斷地減少.當(dāng)高溫期CO2和H2O的揮發(fā)量大于NH3的揮發(fā)量時(shí)，總氮、有機(jī)氮含量相對(duì)增加，由此，5個(gè)堆肥處理在高溫期有機(jī)氮及總氮相對(duì)含量呈上升趨勢(shì).堆肥腐熟階段，由于碳素的腐殖質(zhì)化，氨揮發(fā)不斷進(jìn)行，導(dǎo)致堆肥含氮量相對(duì)下降.為此處理1、2和3在降溫期和腐熟階段有機(jī)氮、總氮相對(duì)含量呈下降趨勢(shì).牛糞較易分解，堆肥物料減少量多，故堆肥結(jié)束時(shí)牛糞含量高的處理3的有機(jī)氮、總氮含量較處理1和處理2高.處理4和處理5中添加的腐熟堆肥和外源微生物使堆肥中微生物含量增加，加快了堆肥物料的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化，從而固持了一部分氮素，減少了堆肥過程中氨氣的揮發(fā)，提高了堆肥中氮素的含量.

3 結(jié)論

(1)5個(gè)食用菌菌渣堆肥處理經(jīng)高溫堆肥化后均達(dá)到了無害化標(biāo)準(zhǔn)，食用菌菌渣與適量牛糞的混合有助于菌渣堆肥的升溫，同時(shí)添加腐熟堆肥和纖維素降解菌劑有助于延長(zhǎng)食用菌菌渣堆肥的高溫期，增加溫度峰值.

(2)相比于牛糞，菌渣通透性好，一方面可以保持堆肥良好的透氣性，增強(qiáng)硝化作用;另一方面加大了氨的揮發(fā)，不利于氮素固持.

(3)添加腐熟堆肥和纖維素降解菌劑能夠減少菌渣堆肥的氮素?fù)p失，增加堆肥的有機(jī)氮含量，具有氮素的固持作用，從而總氮含量高于其它處理.

［1］管道平，胡清秀，馮作山.食用菌菌渣堆肥化促進(jìn)秸稈菌業(yè)良性循環(huán)［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2008:462-464.

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［3］王德漢，項(xiàng)錢彬，陳廣銀.蘑菇渣資源的生態(tài)高值化利用研究進(jìn)展［J］.有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2007，28(2～3):262-266.

［4］陳廣銀，王德漢，吳艷，等.不同時(shí)期添加蘑菇渣對(duì)落葉堆肥過程的影響［J］.環(huán)境化學(xué)，2008，27(1):81-86.

［5］孫建華，袁玲，張翼.利用食用菌菌渣生產(chǎn)有機(jī)肥料的研究［J］.中國(guó)土壤與肥料，2008(1):52-55.

［6］中國(guó)預(yù)防醫(yī)學(xué)科學(xué)院環(huán)境衛(wèi)生與衛(wèi)生工程研究所.GB 7959—87糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.