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，2006年我國食用菌菌渣就已達到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.目前國內(nèi)已有一些關(guān)于食用菌菌渣堆肥的報道，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質(zhì)的降解;孫建華等［5］利用食用菌菌渣和豬糞堆肥實現(xiàn)了廢物資源化利用.但是對食用菌菌渣和牛糞聯(lián)合堆肥中氮素轉(zhuǎn)化的研究報道較少.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 測定方法

自處理堆制開始，每天9∶00和18∶00測定堆體的溫度，每3天采一次樣.凱氏氮采用凱氏定氮儀測定，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮通過KCl浸提1 h，過濾后用濾液測定.有機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個處理均達到無害化標(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，在整個堆肥過程中，牛糞含量越高的處理高溫期持續(xù)時間越長，溫度峰值也越高.因為菌渣中含有大量的棉籽殼，較難降解，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)時間明顯長于處理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個處理中銨態(tài)氮含量的趨勢是隨堆肥的進程先增加后減少.堆肥6 d時，5個處理的銨態(tài)氮均達到最大，隨后開始下降.堆肥結(jié)束時5個處理的銨態(tài)氮分別下降了88.4%、83.4%、72.8%、87.7%和81.8%.堆肥6 d時，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了氨化作用.堆肥12 d時，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.總體趨勢是隨堆肥進程先減少后增加，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，推測兩種添加劑可能對硝化作用沒有促進作用，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)氮隨著有機質(zhì)的降解大量產(chǎn)生，為此高溫期銨態(tài)氮的含量達到最大.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 有機氮和總氮的變化

堆肥周期中的有機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氮為主，有機氮平均含量為88.5%，因此堆肥時有機氮變化與總氮變化趨勢大致相同.由圖4和5可以看出，處理1、處理2和處理3的有機氮與總氮變化總體趨勢是隨堆肥的進程先增加后減少，而處理4和處理5的總體趨勢是隨堆肥的進程而不斷增加.堆肥結(jié)束時，處理1和處理2的有機氮分別損失了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)造成有機氮、總氮的含量下降，而有機物料分解不斷產(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，總氮、有機氮含量相對增加，由此，5個堆肥處理在高溫期有機氮及總氮相對含量呈上升趨勢.堆肥腐熟階段，由于碳素的腐殖質(zhì)化，氨揮發(fā)不斷進行，導(dǎo)致堆肥含氮量相對下降.為此處理1、2和3在降溫期和腐熟階段有機氮、總氮相對含量呈下降趨勢.牛糞較易分解，堆肥物料減少量多，故堆肥結(jié)束時牛糞含量高的處理3的有機氮、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個食用菌菌渣堆肥處理經(jīng)高溫堆肥化后均達到了無害化標(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，同時添加腐熟堆肥和纖維素降解菌劑有助于延長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，項錢彬，陳廣銀.蘑菇渣資源的生態(tài)高值化利用研究進展［J］.有色冶金設(shè)計與研究，2007，28(2～3):262-266.

［4］陳廣銀，王德漢，吳艷，等.不同時期添加蘑菇渣對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)有機肥料的研究［J］.中國土壤與肥料，2008(1):52-55.

［6］中國預(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:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.