不同微生物菌劑對棉稈高溫好氧堆肥的影響

王瑞東，頡建明，馮致，郁繼華，呂劍，趙帆

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

中國是全世界最大的棉花生產(chǎn)國[1]，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年棉花種植面積為467～487萬hm2之間，所以棉桿的產(chǎn)量巨大.高溫堆肥化處理是一種使農(nóng)業(yè)固體廢物無害化和促進(jìn)資源更好利用的途徑，可以消除廢物中不利于植物生長的物質(zhì)，從而解決秸稈燃燒產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，并且對保持和提高土壤肥力、促進(jìn)有機(jī)肥利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2].竹江良等利用兩種微生物菌劑對煙草廢棄物高溫堆肥進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)NNY微生物菌劑對煙草廢棄物高溫腐熟效果較優(yōu)[3].于光輝等利用兩種微生物菌劑對園林廢棄物高溫堆肥進(jìn)行了研究，添加大華酵素菌的處理，腐熟后粒徑較小，改善了堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)[4].然而有關(guān)棉稈發(fā)酵作為栽培基質(zhì)的研究尚鮮見報(bào)道.本試驗(yàn)以棉桿作為原料，增加3種不同生物微生物菌劑，采用堆體高溫好氧堆肥發(fā)酵技術(shù)，通過棉桿的基質(zhì)化處理，以期篩選出適合棉桿堆肥發(fā)酵的最佳菌劑，為棉桿的綜合利用提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

棉桿從玉門市購買，3種微生物菌劑分別購于山東山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院和甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物研究所并分別標(biāo)記為菌劑Ⅰ、菌劑Ⅱ、菌劑Ⅲ.菌劑Ⅰ由枯草芽孢稈菌、唐德鏈霉菌、白淺灰鏈霉菌、黑曲霉、里氏木霉幾種菌劑的復(fù)合菌系組成；菌劑Ⅱ由纖維素分解細(xì)菌(中溫型+高溫型)+纖維素分解真菌(中溫型)+纖維素分解放線菌(中溫型，產(chǎn)生纖維素水解酶)+降解淀粉芽孢稈菌(產(chǎn)生淀粉水解酶)復(fù)配研制而成；菌劑Ⅲ由數(shù)十種微生物和生物酶組合而成的復(fù)合菌系，對牛糞中的纖維素、木質(zhì)素和膠質(zhì)等有機(jī)成分有很強(qiáng)的分解能力.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2017年6～9月在甘肅省酒泉市總寨鎮(zhèn)沙河村非耕地示范園區(qū)進(jìn)行.本試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，3次重復(fù)，以不添加菌劑為對照(CK).建堆前，增加不同微生物菌劑，菌劑添加量均按照說明書規(guī)定添加，用尿素調(diào)節(jié)物料 C/N為25:1，絕對含水量在 65%，混合均勻后建堆；制成底寬2.5 m，頂寬1.7 m，高1 m，底長3.0 m，頂長2.2 m條垛形堆體，并覆蓋棚膜保溫保濕.每7 d翻堆1次，采用五點(diǎn)法取樣，自然風(fēng)干后帶回實(shí)驗(yàn)室備用.

1.3 測定指標(biāo)及方法

溫度測定：每天早上7∶30～8∶20用30 cm金屬桿溫度計(jì)測定堆體中間30 cm深度的溫度，此溫度作為衡量棉桿發(fā)酵溫度，同時(shí)記錄環(huán)境溫度.

pH、EC值測定：取混合均勻風(fēng)干樣品10 g，加蒸餾水50 mL，在搖床180 r/min下振蕩30 min，過濾提取濾液，分別采用PHSJ-3F型數(shù)顯pH計(jì)和DDS-11A進(jìn)行測定[5-6].

全氮測定：取風(fēng)干樣品0.200 0 g消煮后，采用凱氏定氮分析儀進(jìn)行全氮的測定[7].

體積測定：用皮尺測量條剁堆體上底長(a1)寬(b1)、下底長(a)寬(b)，堆體高(H)，用四棱臺(tái)體積公式V=H/6×[a×b+(a+a1)×(b+b1)+a1×b1]計(jì)算堆體體積.

含水率測定：采用恒溫烘箱干燥法，此方法是取一定質(zhì)量的鮮樣放入鋁盒中，在放鮮樣之前稱重鋁盒并作標(biāo)記G1，鋁盒與鮮樣總重為G2，烘箱溫度調(diào)為75 ℃進(jìn)行烘樣至恒重，取出鋁盒稱重為G3.根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算出出鮮樣的含水率D，D=(G3-G1)/(G2-G1)[8-9].

2 結(jié)果與分析

2.1 不同微生物菌劑對棉稈堆肥溫度的影響

溫度不僅影響好氧微生物的生物活性，而且也是好衡量高溫好氧堆肥的重要指標(biāo)之一[10].溫度的高低能反應(yīng)出堆肥的快慢，其表現(xiàn)為影響好氧微生物的生理生長[11].從圖1能夠看出，在整個(gè)棉桿高溫好氧發(fā)酵過程中，各處理溫度的變化呈先上升后下降的趨勢，表現(xiàn)為升溫期、保溫期和降溫期的階段性趨勢.在堆體發(fā)酵前，各處理溫度基本一致，均在34～36 ℃之間；覆膜后隨著高溫好氧堆肥的進(jìn)行，由于微生物菌劑的作用，致使熱量迅速增多，發(fā)酵堆體進(jìn)入了高溫期，發(fā)酵第2天，加了微生物菌劑的各處理與CK相比，溫度高15～17 ℃.在高溫期，各處理的溫度均維持在50～64 ℃之間，各處理在高溫期(>50 ℃)持續(xù)較長時(shí)間，其中以增加菌劑Ⅱ處理最為顯著，最高溫度達(dá)到64 ℃.處理1、處理2、處理3和CK分別經(jīng)過14，7，23，27 d升至60 ℃.可見處理1和處理2升溫較快，CK最慢.30 d后翻堆較30 d前翻堆溫度升溫較慢，且溫度變化范圍較大，發(fā)酵早期翻堆堆體溫度回升幅度較大，降溫期翻堆堆體溫度回升幅度較小[12].

圖1 不同微生物菌劑處理下棉稈在發(fā)酵過程中的溫度變化Figure 1 The temperature variation of cotton stalk during fermentation process with different microbial agents

2.2 不同微生物菌劑對棉稈堆肥pH的影響

如圖2所示，不同處理的棉稈，在發(fā)酵過程中pH值變化呈先上升后下降的趨勢.發(fā)酵到第15 天時(shí)，加了微生物菌劑的各處理，均達(dá)到了最大值，且加了菌劑Ⅱ處理的變化范圍最大(增大0.8)，隨著發(fā)酵時(shí)間進(jìn)行，慢慢降低至趨于穩(wěn)定；沒有加任何微生物菌劑的CK在發(fā)酵到30 d時(shí)達(dá)到最大值，之后慢慢降低到和其他處理接近.堆體發(fā)酵結(jié)束時(shí)，各處理的pH值維持在6.72～6.86之間，均符合堆體腐熟的pH值的標(biāo)準(zhǔn)[13]，以加入菌劑Ⅱ處理的變化幅度最大.

圖2 不同微生物菌劑處理下棉稈在發(fā)酵過程中pH值變化Figure 2 The pH value variation of cotton stalk during fermentation process withdifferent microbial agents

2.3 不同微生物菌劑對棉稈堆肥EC的影響

EC值是檢測堆體高溫好氧發(fā)酵完成時(shí)所需指標(biāo)之一，它反映了堆體帶有的可溶鹽分的多少[14].如圖3所示，各處理EC值總體表現(xiàn)為先升高后下降的總趨勢.本試驗(yàn)中，在發(fā)酵前15 d，可能由于堆體內(nèi)有機(jī)物充裕，陽離子含量較多，微生物活性吸附的負(fù)離子就越多，導(dǎo)致堆體EC值上升，在15 d時(shí)，堆體EC值達(dá)到發(fā)酵期的最大值，其中處理2的EC值最大，值為7.42 ms/cm.隨著發(fā)酵的進(jìn)行，有機(jī)物分解，陽離子減少，堆體EC值逐漸下降趨于穩(wěn)定.

圖3 不同微生物菌劑處理下棉稈在發(fā)酵過程中EC值變化Figure 3 The electrical conductivity (EC) variation of cotton stalk during fermentation process withdifferent microbial agents

發(fā)酵結(jié)束后各處理EC值均低于發(fā)酵值.一般認(rèn)為對植物生長的理想電導(dǎo)率(EC)<2.50 ms/cm[15]，也有人認(rèn)為EC值在0.5～3 ms/cm之間均適合植物的生理生長[16].本試驗(yàn)中，堆體結(jié)束時(shí)，棉桿EC值在6.20～6.58 ms/cm之間，均比理想狀態(tài)最大值3 ms/cm大.

2.4 不同微生物菌劑下棉稈堆肥含水率的變化

堆體含水量在發(fā)酵過程中對溫度能夠產(chǎn)生影響，間接地對堆體中微生物活性產(chǎn)生影響[21].在棉稈堆體高溫好氧發(fā)酵過程中，由于堆體內(nèi)部溫度快速升高，蒸發(fā)量增加，導(dǎo)致各處理水分迅速下降.如圖4所示，堆體發(fā)酵前期，各處理含水率在64.1%～66.4%之間；在堆體發(fā)酵0～15 d之間，各處理含水量因堆體溫度升高較快，水分大量蒸發(fā)而快速下降，其具體表現(xiàn)為：處理2>處理1>處理3>CK；堆體發(fā)酵后期，各處理含水量下降速率相差較?。欢洋w發(fā)酵結(jié)束時(shí)，以處理2堆體水分最低，為20.48%.

圖4 不同微生物菌劑處理下棉稈在堆肥發(fā)酵中含水率變化Figure 4 The rate of water content variation of cotton stalk during fermentation process with different microbial agents

2.5 不同微生物菌劑下棉稈堆肥全氮的變化

堆體高溫好氧發(fā)酵過程中，堆體溫度、pH、EC、微生物數(shù)量的變化均伴隨著NH3的揮發(fā)[17].隨著堆體發(fā)酵的進(jìn)行，微生物對棉桿中大分子有機(jī)物不斷分解，堆體體積縮小，在發(fā)酵過程中由于濃縮效應(yīng)，表現(xiàn)為全氮含量上升[18].從圖5可知，發(fā)酵前期，由于堆體中含氮有機(jī)物被分解為NH3揮發(fā)，全氮含量較低[19-20].發(fā)酵結(jié)束時(shí)，各處理全氮含量均有所增加.增加量以此為0.45、0.88、0.13、0.15 g/kg，且處理2在堆肥結(jié)束時(shí)，全氮含量幅度增加最大，與其他處理相比，差異顯著.

圖5 不同微生物菌劑處理下棉稈在堆肥發(fā)酵中全氮變化Figure 5 The total nitrogen variation of cotton stalk during fermentation process with different microbial agents

2.6 不同微生物菌劑下棉稈堆肥體積的變化

如圖6所示，棉桿高溫好氧發(fā)酵開始與結(jié)束相比，堆體體積折損率較大.在相同條件下，增加微生物菌劑Ⅱ處理與其他各處理有較大差異.棉桿堆體發(fā)酵結(jié)束時(shí)，各處理剩余體積百分比為(從左至右)47.64%、61.55%、47.68%、49.75%.由上述數(shù)據(jù)此可知，添加菌劑Ⅱ處理的棉稈體積折損量最低，而添加菌劑Ⅰ、菌劑Ⅲ的處理與不添加任何菌劑的處理之間體積的剩余百分比差異不顯著.

圖6 不同微生物菌劑處理下棉稈在堆肥發(fā)酵中體積變化Figure 6 The volume variation of cotton stalk during fermentation process with different microbial agents

3 討論

堆體高溫好氧發(fā)酵是一個(gè)微生物參與和作用的過程，加入適宜的外源微生物是加快堆肥物料腐熟的重要手段，而溫度是堆肥過程重要影響因素之一[22]，同時(shí)也是堆肥腐熟度的一個(gè)重要指標(biāo)[23].堆體溫度在55 ℃條件下保持3 d以上(或50 ℃以上保持5～7 d)，是殺滅堆肥所含致病微生物和害蟲卵，保證堆肥的衛(wèi)生指標(biāo)合格和堆肥腐熟的重要條件[24].本試驗(yàn)研究表明：增加微生物菌劑有利于棉桿堆體高溫好氧堆肥.處理1和處理2達(dá)到60℃所需時(shí)間均比處理3和CK短，其中處理2最短，與CK相比提前了20 d.這說明菌劑Ⅱ更適宜于本試驗(yàn)研究的夏季特殊氣候區(qū).

研究發(fā)現(xiàn)，pH值的大小對微生物的生長有重要作用，pH過高或過低都會(huì)影響到微生物的生長，適宜的pH可使微生物有效的發(fā)揮作用，可顯著提高初期的反應(yīng)速度，縮短堆肥達(dá)到高溫所需求的時(shí)間[25-26]，亦可避免由堆肥反應(yīng)延緩所造成的臭味問題.本試驗(yàn)中pH變化的規(guī)律，這可能由于在堆體發(fā)酵初期階段，由于堆體中的有機(jī)物質(zhì)較多，微生物的活性較強(qiáng)，會(huì)有大量的銨態(tài)氮產(chǎn)生，導(dǎo)致pH增加較快.殷培杰等[27]在微生物菌劑在雞糞有機(jī)肥料堆制發(fā)酵中研究表明，增加微生物菌劑能產(chǎn)生酸性物質(zhì)，降低堆體的pH值，減少堆體中氨的揮發(fā)，還能提高堆體的肥效.添加不同微生物菌劑的處理，pH值變化趨勢相同，但是范圍有所不同.菌劑Ⅱ與其它兩種微生物菌劑相比較，pH值的變化幅度最大.

研究發(fā)現(xiàn)，EC值的大小對微生物的生長與活性有著重要的作用與意義，EC值過高或過低都會(huì)影響到微生物的生長，適宜的EC值可使微生物正常生長[15-16].試驗(yàn)表明，棉稈的EC值在在整個(gè)發(fā)酵過程中升高與降低趨勢平緩、規(guī)律性強(qiáng)的都是處理2，說明菌劑Ⅱ?qū)γ藁ǘ捀邷睾醚醢l(fā)酵的EC值有著重要的影響.

堆體高溫好氧發(fā)酵過程中，堆體中氮元素會(huì)被大量的消耗，而且?guī)缀跛械氐南?，是由于有機(jī)氮化合物分解成氨所致[17].微生物分解含氮的有機(jī)物質(zhì)，使其轉(zhuǎn)化為簡單的化合物，作為新細(xì)胞物質(zhì)所需要的氮元素，并將其中部分氮元素轉(zhuǎn)化為氨.如果氮元素可得到量比其使用量要快，氨就會(huì)積累，造成氨的釋放，即造成堆體中養(yǎng)分的降低，還會(huì)造成大氣污染[2].試驗(yàn)中，堆肥結(jié)束時(shí)，堆體全氮含量與發(fā)酵初期相比，各處理均有不同程度的增加，其中以處理2增加幅度最大.所以，增加菌劑Ⅱ更適應(yīng)棉桿高溫好氧堆肥.

體積是影響堆肥效果的重要參數(shù)之一，剩余體積的大小是能夠表現(xiàn)出基質(zhì)發(fā)酵后折損率，有利于在生產(chǎn)實(shí)踐中對經(jīng)濟(jì)成本的控制，符合基質(zhì)發(fā)酵的基本原則.本試驗(yàn)中棉稈的體積折損率最小的是處理2，所以添加菌劑Ⅱ?qū)w維素高溫好氧發(fā)酵有較好的效果.

水分是影響堆體高溫好氧發(fā)酵的重要指標(biāo)之一，適宜的水分含量能維持微生物最佳活性[21]，也是堆體高溫好氧發(fā)酵的必要條件.堆體含水量過高，將會(huì)影響堆體的孔隙度，進(jìn)而影響氧氣的出入，導(dǎo)致堆體中氧氣含量的降低，容易造成堆體的厭氧發(fā)酵，致使微生物活性的下降，延長堆體發(fā)酵時(shí)間；堆體含水量過低亦會(huì)對營養(yǎng)物質(zhì)的輸送造成影響.本試驗(yàn)中，在棉稈發(fā)酵前期，含水率在64.1%～66.4%之間，隨著堆體高溫好氧發(fā)酵的進(jìn)行，堆體的含水率也隨之降低，以處理2下降最快，說明菌劑Ⅱ可以在當(dāng)?shù)丨h(huán)境下促進(jìn)棉桿高溫好氧發(fā)酵.

4 結(jié)論

試驗(yàn)通過對棉桿各處理的溫度、含水率、pH、EC、全氮以及體積變化的綜合分析，添加南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院提供的菌劑Ⅱ能適應(yīng)酒泉當(dāng)?shù)孛迼U高溫好氧堆肥發(fā)酵.