復(fù)合微生物菌劑和纖維素酶制劑在牛糞堆肥中的應(yīng)用效果

梁文涓　牛明芬　武肖媛　郗鳳明　劉歡

摘要：將牛糞與稻殼混合堆肥，加入不同劑量的復(fù)合微生物菌劑和纖維素酶制劑，通過測定物理、化學(xué)、生物指標(biāo)的變化，分析復(fù)合微生物菌劑和纖維素酶對牛糞堆肥效果的影響，從而確定復(fù)合微生物菌劑和纖維素酶的最佳組合。研究結(jié)果表明，加入0.5%微生物菌劑和0.05%纖維素酶的堆肥處理組升溫快，最高溫度高，高溫持續(xù)時間長；含水量下降幅度最大；堆肥結(jié)束時C/N小于20，達到腐熟標(biāo)準(zhǔn)；纖維素酶活性大于其他處理組；細菌繁殖最快，堆肥效果最優(yōu)，可使堆肥更快達到腐熟；種子發(fā)芽指數(shù)最高。但是纖維素酶主要對堆肥的腐熟進程和質(zhì)量有顯著貢獻，而對于堆肥的衛(wèi)生指標(biāo)并沒有顯著的影響。

關(guān)鍵詞：復(fù)合微生物菌劑；纖維素酶制劑；牛糞；堆肥

中圖分類號：Q939.9；S141.4 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1002—1302（2016）01—0362—04

牛糞主要用于生產(chǎn)有機肥和沼氣，用牛糞堆肥處理后的有機肥在施入農(nóng)田前需要經(jīng)過無害化處理，殺滅其中的蟲卵、病菌和草籽。牛糞屬于冷性堆肥材料，所含纖維素量大，自然堆肥降解速度慢，并且不易起溫，達不到我國堆肥無害化標(biāo)準(zhǔn)。大量研究結(jié)果表明，在牛糞堆肥中加入發(fā)酵菌劑可以促進牛糞堆肥的腐熟進程，并能提高堆肥的質(zhì)量。徐大勇等將外源腐熟菌劑用于牛糞堆肥的研究結(jié)果表明，添加了腐熟菌劑的堆肥比自然堆肥進入高溫期（>50℃）提前了11 d。趙明梅等認(rèn)為加入發(fā)酵菌劑的堆肥，C/N下降速度比單獨牛糞堆肥下降的速度快。劉佳等認(rèn)為接種菌劑的牛糞堆肥中微生物數(shù)量變化趨勢快于自然堆肥，接種微生物菌劑加快了微生物群落演替的速度。大量研究結(jié)果表明，接種單一種類的微生物不如接種復(fù)合菌劑的堆肥效果好。隋文志等認(rèn)為加入調(diào)理劑能促使堆肥快速升溫，并且調(diào)理劑不同會影響堆肥的養(yǎng)分。然而，對于加入菌劑和纖維素酶的綜合研究比較少。

本試驗將自制的復(fù)合微生物菌劑和纖維素酶制劑添加到堆肥中，共4個試驗組，分別為處理A（空白對照），處理B（接種0.5%菌劑），處理C（接種0.5%菌劑和0.03%纖維素酶），處理D（接種0.5%菌劑和0.05%纖維素酶），通過測定堆肥中物理、化學(xué)、生物各指標(biāo)的變化，判斷堆肥的處理效果。其中，接種0.5%菌劑在先前的研究中確定為最佳的菌劑添加量，本研究側(cè)重于鑒定堆肥中菌劑和酶的最佳組合。研究發(fā)現(xiàn)，處理D（接種0.5%菌劑和0.05%纖維素酶）的堆肥效果最好。

1試驗材料和方法

1.1試驗材料

試驗所用堆肥材料為遼寧省本溪市木蘭花牛場的脫水牛糞和稻殼。微生物菌劑為前期試驗所制得的微生物菌劑。該菌劑是從腐熟牛糞與土壤中分離出的HN1（枯草芽孢桿菌）、HP2（地衣芽孢桿菌）、TG1（放線菌）、P3（枯草芽孢桿菌）共4株菌，通過正交試驗優(yōu)化各菌種配合比例為TGl：P3：HP2：HN1=3：1：1：1，經(jīng)前期試驗得出加入0.5%菌劑時堆肥效果最好。纖維素酶制劑為市面上所購，經(jīng)試驗測得其纖維素酶活性為2.35萬U/g。堆肥原料牛糞和稻殼成分見表1。

研究結(jié)果表明，堆肥時最初的C/N應(yīng)為30～35，含水率在50%～60%。計算得出當(dāng)牛糞與稻殼的質(zhì)量比約為2：1時，可滿足上述條件。

1.2堆肥設(shè)計

為研究復(fù)合微生物菌劑外加纖維素酶制劑在牛糞堆肥中應(yīng)用效果，本試驗設(shè)置的堆肥處理組如下：處理A，200 kg牛糞+100 kg稻殼粉，即空白組；處理B，200 kg牛糞+100 kg稻殼粉+0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）復(fù)合微生物菌劑；處理c，200 kg牛糞+lOO kg稻殼粉+0.5%復(fù)合微生物菌劑+0.03%纖維素酶；處理D，200kg牛糞+100 kg稻殼粉+0.5%復(fù)合微生物菌劑+0.05%纖維素酶。堆制時，堆長、堆寬、堆高分別為100、100、80 em，頂部盡量平整。雨天在堆體上加蓋塑料膜，以免雨水對堆肥的沖刷。

1.3采樣及測定

1.3.1樣品采集在堆制當(dāng)日取樣，并在開始堆肥后每2 d定時采樣1次，采樣方法采用多點采樣法。將采回的樣品48 h內(nèi)測定。

1.3.2測定項目 測定的項目有物理、化學(xué)、生物指標(biāo)3類，包括堆肥溫度、含水率、pH值、C/N、氨態(tài)氮、纖維素酶活性、細菌數(shù)、種子發(fā)芽指數(shù)、大腸桿菌群數(shù)和蛔蟲卵死亡率。

用乙醇溫度計測定堆溫和氣溫，測定溫度分別在09：00和15：00進行。將堆體分上層（10～25 cm）、中層（30～45 cm）、下層（50～65cm）測溫，每層選測3個溫度值，將平均值作為該層的溫度，將3層溫度的平均值作為該堆體的溫度，將當(dāng)天測得的溫度進行平均作為當(dāng)天的溫度。從堆肥開始到第1次升溫，需每天測溫，之后可隔1 d測1次，當(dāng)堆體溫度開始下降時，對堆體進行翻堆。

含水率、pH值、C/N、氨態(tài)氮測定參照國家農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 525—2011。纖維素酶活的測定參照文獻[10]，細菌數(shù)的測定參照文獻[11]，種子發(fā)芽指數(shù)的測定參照文獻[12]（所選擇的種子為小白菜籽），大腸桿菌群數(shù)和蛔蟲卵死亡率的測定參照文獻[13]。

2結(jié)果與分析

2.1堆肥中溫度的變化

堆肥溫度是從表觀上判定堆肥腐熟程度的重要指標(biāo)。從圖1可見，堆肥初期的升溫速度為，處理D>處理C>處理B>處理A，處理A、處理B、處理C、處理D在堆肥1 d后溫度分別升到了49.0、54.7、56.5、57.0℃。處理A、處理B、處理C、處理D溫度在50℃以上維持天數(shù)及最高溫度分別為：8 d（56.8℃）、9 d（57.7℃）、9 d（58.4℃）、9 d（60.1℃）。在堆肥10 d時，各處理溫度都下降到50℃以下，3個處理組溫度下降速度都明顯快于空白組。此次堆肥在7月份進行，氣溫較高，由于牛糞經(jīng)脫水再經(jīng)過運輸，所以堆肥的起始溫度比環(huán)境高。本次試驗在堆制3 d和6 d進行了翻堆，翻堆后溫度又形成1個峰值。

可見，堆肥中加入復(fù)合微生物菌劑和纖維素酶制劑可提高溫度峰值，且高溫持續(xù)時間較長，其中，加入0.5%的復(fù)合微生物菌劑+0.05%纖維素酶的處理組升溫快，最高溫度高，高溫持續(xù)時間長，效果更好。

2.2堆肥中含水率變化

本次堆肥每個處理的初始含水率都在70%左右（圖2），原因是在堆肥的前1 d降雨淋濕了堆料。各個處理隨著堆肥的進行水分含量整體趨勢是下降的，但堆制4 d水分含量突然增高，主要由于降雨從覆蓋塑料膜縫隙進入了堆肥。4個對照組的含水率均在堆制4 d左右達到峰值（和溫度峰值相對應(yīng)）。在堆肥結(jié)束時，處理A、處理B、處理C、處理D的含水率分別下降了4.91、7.17、7.61、9.66百分點。雖然堆肥后的含水率依然比較大，但從含水率的減少量可知，處理B、處理C、處理D的效果要好于處理A，且處理D的處理效果最好。

2.3堆肥中pH值變化

堆肥中pH值變化為先降低再升高（圖3），造成這種趨勢的原因是在堆肥初期可利用的能源物質(zhì)較多，微生物繁殖較快，其活動產(chǎn)生的有機酸使堆肥pH值下降，隨著堆肥的進行，有機酸被分解，同時又有含氮有機物產(chǎn)生的氨，使堆肥的pH值升高。3個處理組的pH值在堆制6 d達到最低值，空白組比其他3個處理的pH值到達最低點的時間晚2 d。在堆肥結(jié)束時，堆肥的pH值大小排序為處理D>處理C>處理B>處理A。

2.4堆肥中C/N的變化

本次試驗處理A、處理B、處理C、處理D的初始C/N值（圖4）分別為34.84、32.22、32.34、34.23，堆肥結(jié)束時4組的最終C/N值為23.67、21.03、20.05、19.89，C/N值分別降低了11.17、11.19、12.29、14.34，由以上分析可知，處理D中C/N值的下降幅度最大，其次為處理C，在牛糞堆肥中加入微生物菌劑與纖維素酶共同作用更能促進堆肥的腐熟。

2.5堆肥中氨態(tài)氮變化

堆肥初期氨態(tài)氮含量下降，之后氨態(tài)氮變化趨于平穩(wěn)（圖5），氨態(tài)氮的降低標(biāo)志著堆肥趨于腐熟。處理B、處理C、處理D在堆肥前2 d氨態(tài)氮含量迅速降低，在2 d后氨態(tài)氮含量趨于穩(wěn)定，說明3個處理前期氨氣揮發(fā)速度與硝化細菌硝化作用之和大于微生物將有機氮轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的礦化作用，之后硝化細菌的硝化作用與微生物礦化作用平衡，使堆肥中氨態(tài)氮保持穩(wěn)定，處理A在堆制6 d進入穩(wěn)定期，比后3個處理晚了4 d。

2.6堆肥中纖維素酶活性變化

本次試驗在堆肥中加入纖維素酶，通過提高堆肥纖維素酶活性，促進牛糞中纖維素的降解。由圖6可見，4個處理中纖維素酶活性的變化趨勢是一致的，都經(jīng)歷了先增大后減小再增大最后減小的趨勢。

處理A和處理B一直保持較低的纖維素酶活性，加入纖維素酶的堆肥酶活性的峰值要明顯高。堆肥起始時，處理C、處理D的纖維素酶活性大于處理A和處理B，這是由于處理C、處理D中加入了纖維酶的原因；隨著堆肥的進行，微生物快速繁殖，在堆制2 d纖維素酶活達到了峰值，此時4個處理的纖維素酶活性大小分別為1.254、1.587、2.954、3.345 U/g；到堆肥4～6 d出現(xiàn)了纖維素酶活性的極小值，可能是4～6 d出現(xiàn)的高溫使嗜溫微生物分泌的纖維素酶活性降低了，而嗜熱微生物還未來得及大量繁殖；在堆制8 d時，處理c和處理D又一次出現(xiàn)峰值，而處理A和處理B在堆制10 d才出現(xiàn)峰值，這個階段可能是由于嗜熱微生物開始大量繁殖，使纖維素酶活性升高；處理C、處理D和處理A、處理B分別在堆制8 d和堆制10 d之后纖維素酶活性開始降低，堆肥開始進入腐熟期；堆肥結(jié)束后，纖維素酶活性由小到大的排序為處理D<處理C<處理B<處理A，且堆肥結(jié)束后處理B、處理c、處理D的纖維素酶活性小于開始堆肥時的纖維素酶活性，而處理A的仍大于堆肥開始的纖維素酶活性，表明處理A沒有完全腐熟。

從上述分析可以推知，在牛糞堆肥中加入纖維素酶制劑有助于堆肥中纖維素酶活的提高，從而加快牛糞腐熟。

2.7堆肥中細菌數(shù)變化

由圖7可見，堆制4 d，細菌的數(shù)量達到了峰值，且處理c和處理D的峰值明顯大于處理A和處理B，這可能是由于在堆肥中加入了纖維素酶，從而加快了牛糞中纖維素的分解，使堆肥前期的能量物質(zhì)更加充分，因而細菌增殖速度加快；堆制4～6 d，細菌數(shù)目降低，可能是由于在4～6 d堆肥經(jīng)歷了高溫期使細菌死亡或休眠的原因；堆制6～8 d又有1個增長期，是由于堆肥的溫度下降，細菌開始繁殖，但峰值的高度遠沒有堆肥初期時大，主要是由于在堆肥的后期，營養(yǎng)物質(zhì)的匱乏成為細菌增殖的制約因素；在堆制8 d以后細菌數(shù)量開始下降，主要是由于堆肥中有機物被微生物消耗，細菌數(shù)也隨之下降。

從上述分析可知，在加入菌劑的堆肥中加入纖維素酶制劑，可以使細菌更快的繁殖，并且能夠提高細菌的數(shù)量。處理A、處理B、處理C、處理D中細菌數(shù)目的最大值分別為78億、223億、432億、467億個/g，處理C和處理D的細菌數(shù)量明顯大于處理A和處理B，且處理D細菌數(shù)量最大。

2.8種子發(fā)芽指數(shù)

試驗用的牛糞是經(jīng)過糞尿分離的，所以堆肥開始時，堆肥材料對種子已基本無毒害作用了。試驗對種子發(fā)芽率和平均根長進行了跟蹤測定（表2），進而得出堆肥初始和堆肥結(jié)束時的種子發(fā)芽指數(shù)（GI）。由表2和圖8可知，堆肥期間小白菜種子發(fā)芽指數(shù)有了大幅的提升。堆肥結(jié)束后種子發(fā)芽指數(shù)由高到低的排列順序為，處理D>處理C>處理B>處理A，且處理D遠遠大于其他3個處理，說明加入纖維素酶可以顯著提高堆肥的衛(wèi)生質(zhì)量。

2.9堆肥中大腸桿菌群數(shù)及蛔蟲卵死亡率

由表3可知，4個處理的蛔蟲死亡率都達到有機肥料標(biāo)準(zhǔn)（NY 525—2012），大腸桿菌群數(shù)發(fā)酵后明顯少于發(fā)酵前，且處理B、處理C、處理D都小于100，達標(biāo)。加入復(fù)合微生物菌劑可以顯著降低大腸桿菌數(shù)，但是處理B、處理C、處理D的效果沒有太大差別。處理D中纖維素酶對大腸桿菌數(shù)的降低并沒有顯著的優(yōu)越性?？梢姡w維素酶主要對堆肥的腐熟進程和質(zhì)量有顯著貢獻，對于堆肥的衛(wèi)生指標(biāo)并沒有顯著的影響。

3結(jié)論與討論

試驗中的堆肥在加入微生物菌劑的基礎(chǔ)上添加了纖維素酶，設(shè)置了4個處理，通過測定堆肥物理、化學(xué)、生物指標(biāo)中各參數(shù)的變化來判斷堆肥的效果。

堆肥的初始階段，處理C、處理D升溫速度要明顯快于處理A、處理B；處理D出現(xiàn)的最高溫度最高（60.1℃），高溫持續(xù)時間最長（9 d），堆肥期間平均的高溫為55.6℃；雖然堆肥期間受到雨水的影響，但各處理的含水率在堆肥結(jié)束時都有所下降，處理D下降的幅度最大；堆肥中C/N值下降，在堆肥結(jié)束時，處理D的C/N值小于20，達到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，而其他3個組都大于20，未達到腐熟；處理C和處理D由于在堆肥前期加入了纖維素酶，峰值明顯高于處理A和處理B，所以在菌劑堆肥的基礎(chǔ)上加入纖維素酶，可以提高纖維素酶活性；加入纖維素酶的處理，其細菌增殖速度也較快，且最終達到的數(shù)量要高于單獨用菌劑處理的堆肥；處理D的GI值最大；4個處理的衛(wèi)生指標(biāo)中，蛔蟲卵死亡率都達到了農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而處理A的大腸桿菌群數(shù)比其他3個處理要大，而且大于100個/g，超過了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

總體而言，處理C、處理D（即接種了微生物菌劑與纖維素酶的處理）效果要優(yōu)于處理B（即只接種了微生物菌劑的處理）；且處理D的效果好于處理C，即在堆肥中加入0.5%的菌劑和0.05%的纖維素酶制劑效果最好，能更顯著地促進牛糞腐熟。