生物炭對沼渣堆肥理化性狀及微生物種群變化的影響

張海濱，孟海波，沈玉君，趙立欣*，周海賓，丁京濤

（1 天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院，天津 300457；2 農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所/農(nóng)業(yè)部資源循環(huán)利用技術(shù)與模式重點實驗室，北京 100125）

在厭氧環(huán)境下，有機廢棄物在微生物作用下經(jīng)過發(fā)酵產(chǎn)生沉積物，即沼渣。沼渣營養(yǎng)物質(zhì)豐富，是優(yōu)質(zhì)的農(nóng)田填料，但不合理的處理會造成環(huán)境污染，資源浪費。據(jù)不完全統(tǒng)計，2005年至2015年期間我國沼氣工程由1.2萬處猛增至11.09萬處，沼渣數(shù)以千萬計[1]。沼渣制肥是解決沼渣資源化利用、防止二次污染的有效途徑。沼渣以難降解有機物為主，例如纖維素類物質(zhì)[2]，不適合單獨好氧發(fā)酵，通過添加污泥、畜禽糞便[3-4]、微生物菌劑[5-6]等方法，可以提高沼渣堆肥腐熟效果，達到有機肥標(biāo)準(zhǔn)。

生物炭富含有機質(zhì)，具有微孔結(jié)構(gòu)[7-11]，是堆肥過程中理想的添加材料，有利于改變堆肥環(huán)境并提高堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)。有研究表明，豬糞堆肥中添加9%的竹炭可以提高約65%的總氮含量[12-13]；同時，向畜禽糞便中添加生物炭可以促進堆肥腐熟，加速有機物降解，提高腐殖酸含量[10,13]；生物炭的添加還可以促進微生物繁殖，提高微生物數(shù)量，進而改善堆肥條件[14]。

然而，生物炭對沼渣堆肥理化特性的影響缺乏研究，生物炭如何影響微生物數(shù)量還未見報道。本研究以生物炭為添加劑，研究生物炭對沼渣堆肥過程中理化性質(zhì)、微生物數(shù)量及堆肥腐熟的影響，以期為生物炭基沼渣肥的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 堆肥原料

沼渣取自北京大興區(qū)留民營雞糞沼氣工程 (干發(fā)酵，沼渣經(jīng)固液分離處理)，豬糞取自大興青云店，玉米秸稈取自北京市大興區(qū)青云店鎮(zhèn)孝義村周邊農(nóng)田；生物炭購于河南商丘三利公司，由果木于550℃高溫?zé)峤? h制得。供試材料理化性質(zhì)詳見表1。

1.2 堆肥設(shè)備

堆肥設(shè)備采用農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院自主研發(fā)發(fā)酵罐，為雙層圓筒狀結(jié)構(gòu)，由不銹鋼制成，頂部密封，為密閉式堆肥反應(yīng)器。堆肥設(shè)備外徑45 cm，高46 cm，管壁厚5 cm，容積為60 L。試驗過程中通過鼓風(fēng)機曝氣，提高氧氣濃度，曝氣風(fēng)速0.1 m3/(m3·min)，每個堆肥設(shè)備布設(shè)三個專用溫度傳感器，分別連續(xù)監(jiān)測上、中、下三個不同高度堆體溫度。根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)計堆肥設(shè)備自動化曝氣時長5 min、間隔40 min，采用時間反饋控制好氧發(fā)酵 (圖1)。

表1 堆肥原料理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical characteristics of compost materials

圖1 強制通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥反應(yīng)器示意圖Fig. 1 Sketch map of static pile composting reactor with mandatory ventilation

1.3 試驗設(shè)計

以沼渣為主要堆肥原料，添加豬糞調(diào)節(jié)氮含量，以1 cm左右玉米秸稈為調(diào)理劑，控制物料C/N為25∶1，含水率控制在65%～70%，在室溫25℃下堆置30 d。試驗共設(shè)4個處理，F(xiàn)1、F2、F3分別添加2%、5%、10%比例的生物炭，以CK為對照，生物炭添加量按物質(zhì)干重比計算，具體見表2。

表2 不同原料配比 (kg)Table 2 Different raw material ratios

1.4 樣品采集

堆制過程中，利用溫度反饋自動控制系統(tǒng)每30 min自動記錄堆體溫度，并在堆肥不同階段分別監(jiān)測堆體電導(dǎo)率、pH值、腐殖質(zhì)的變化，堆肥結(jié)束后測定有機肥產(chǎn)品行業(yè)指標(biāo)及種子發(fā)芽指數(shù)。堆肥過程中分別在1、2、4、8、12、16、20、30 d采集堆肥樣品300 g，每次樣品分成2份，一份保存在-80℃微生物保存冰箱中待用，一份用于檢測各理化指標(biāo)。各指標(biāo)做3次平行。

1.5 測定方法

1) 堆肥溫度：用溫度反饋自動控制系統(tǒng)實時監(jiān)測并記錄。

2) pH值、電導(dǎo)率 (electrical conductivity，EC)：稱取過Φ1 mm篩的風(fēng)干樣5.0 g于100 mL燒杯中，加50 mL水 (經(jīng)煮沸驅(qū)除二氧化碳)，攪動15 min，靜置30 min，用pH計測定pH，用電導(dǎo)率儀測定EC。

3) 種子發(fā)芽率指數(shù) (germination index，GI)：取堆肥浸提液20 mL，倒入墊有濾紙的培養(yǎng)皿中 (對照取20 mL清水)，取30粒油菜種子于 (20±1)℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h測定發(fā)芽率[15]。

4) 腐殖質(zhì)含量：重鉻酸鉀—硫酸法。

5) 微生物數(shù)量：熒光定量PCR (絕對定量)，由北京美吉桑格生物科技有限公司測定。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Origin10.0軟件進行作圖分析，采用SPSS statistics19.0軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中溫度的變化

圖2顯示，四組處理溫度均經(jīng)歷了“上升—下降—穩(wěn)定”的變化過程。這是因為升溫期，微生物快速分解利用堆體中易降解有機物，大量繁殖并產(chǎn)生大量熱能，堆肥溫度迅速上升；進入高溫期溫度達到55℃以上，導(dǎo)致大量微生物失活，并在曝氣作用下水蒸氣帶走大量的熱能，堆肥溫度開始下降；微生物復(fù)蘇以后，堆肥開始腐熟，發(fā)酵過程結(jié)束[16]。隨著生物炭添加比例的增加，各堆肥處理最高溫度分別達到57.28℃、59.54℃、61.02℃、57.2℃；處理F1、F2不僅可達到55℃以上，而且高溫持續(xù)時間在6天左右，堆肥可達無害化標(biāo)準(zhǔn)；但處理F3、CK維持時間僅3天，達不到無害化標(biāo)準(zhǔn) (好氧堆肥無害化工藝條件：堆層溫度55℃以上需維持3天以上[17])。

添加生物炭沼渣堆肥與普通堆肥對比，可以更快的達到高溫期，延長高溫期時間。F3處理與F1、F2、CK相比較，最高溫度可以達到61.02℃，但高溫期維持時間短，達不到無害化要求。這主要是因為生物炭的微孔結(jié)構(gòu)可以增加持水性，較高的含水率有利于保溫；而過高的生物炭添加比例會增加堆體孔隙率，在高溫曝氣的情況下，會加速水分的流失，不利于保溫，從而導(dǎo)致溫度高而時間短[18]。

圖2 堆肥過程中溫度的變化Fig. 2 Changes in temperature during the composting

2.2 堆肥過程中pH、EC的變化

圖3 顯示，堆肥初期各處理的pH值在8.55～8.80之間，且后期變化趨勢相同，均呈先上升，后下降，最后趨于平緩趨勢。堆肥過程中，F(xiàn)1處理pH值始終大于其它三組處理，處于較高水平(＞8.7)，且升溫期達到pH最大值9.03，這說明F1有機質(zhì)分解較快，產(chǎn)生大量NH3，NH4·OH的存在導(dǎo)致pH值的升高；CK處理pH值始終處于低水平，堆肥后期達到最小值8.34。

圖3 堆肥過程中pH和電導(dǎo)率的變化Fig. 3 Variation of pH and EC during composting

堆肥重要因素之一是可溶性鹽的濃度 (EC)，主要以離子態(tài)存在于浸提液中，且對作物具有毒害作用。研究顯示，堆肥腐熟的指標(biāo)之一是不超過電導(dǎo)率限值4.0 mS/cm[19]。由不同處理電導(dǎo)率變化（圖3）可知，沼渣經(jīng)過二次發(fā)酵，所有處理電導(dǎo)率均低于1 mS/cm (沼渣經(jīng)過初次厭氧發(fā)酵，大量可溶性鹽進入沼液)，變化趨勢與pH相似，表現(xiàn)為升溫期上升，高溫期達到最大值，降溫期下降趨于平緩；四組處理電導(dǎo)率均在降溫期達到最小值，依次為F3＞CK＞F2＞F1，F(xiàn)1處理電導(dǎo)率最低，在0.6 mS/cm左右。

圖3顯示，生物炭對pH、EC具有顯著影響。CK處理pH始終處于低水平，生物炭的添加促進了微生物的繁殖，分解有機物產(chǎn)生大量NH3和小分子有機酸，堿化作用大于酸化作用，引起pH上升；進入高溫期以后，微生物活性降低，小分子有機酸酸化作用凸顯，pH降低；降溫期溫度下降以后，小分子有機酸被逐漸礦化降解，堆體的pH值稍有升高并趨于穩(wěn)定。堆肥過程中EC變化趨勢與pH變化趨勢類似，但是EC下降速率較快，主要原因是生物炭對鹽基離子具有一定的吸附作用，減少水溶性鹽含量；同時，微生物對鹽基離子具有降解作用[4]。因此，適當(dāng)?shù)靥砑由锾靠梢匝娱L高溫期，降低EC值。

2.3 堆肥過程中微生物的變化

2.3.1 細菌 圖4顯示，堆肥過程中細菌總量在升溫期與降溫期分別達到最大值，產(chǎn)生兩次波峰，高溫期細菌總量降低，這是由于堆肥初期微生物利用易降解有機物，如可溶性單糖、粗蛋白大量繁殖；高溫期溫度達到55℃以上；高溫階段大量細菌失活，導(dǎo)致微生物數(shù)量急劇減少；降溫階段溫度下降，周圍環(huán)境再次適宜微生物的生長，細菌復(fù)壯；但堆肥后期有機物較難降解，無法滿足細菌的生長需要從而導(dǎo)致細菌總量再次減少。微生物數(shù)量表現(xiàn)出升溫期急劇增長，高溫期減少，后期再增長的趨勢；堆肥前期 (0～8 d) F1 ＞ CK ＞ F2 ＞ F3，堆肥后期(9～30 d) F1 ＞ F2 ＞ F3 ＞ CK；其中，F(xiàn)1 處理細菌數(shù)量遠多于其它三組處理，CK處理在堆肥前期 (0～8 d) 細菌數(shù)量要高于F2、F3處理，但堆肥后期 (9～30 d) F2、F3處理反而超過CK處理，說明生物炭特有的微孔結(jié)構(gòu)給細菌提供了有利于細菌生長的微環(huán)境[20-21]。2.3.2 放線菌 整個堆肥過程中，放線菌變化趨勢與細菌類似，呈“上升—下降—再上升”趨勢，但在數(shù)量上比細菌低兩個數(shù)量級；堆肥過程中，放線菌微生物量 F1 ＞ F3 ＞ CK ＞ F2，F(xiàn)1 處理放線菌數(shù)量顯著多于其它處理，F(xiàn)2處理始終處于低水平，F(xiàn)3處理處于中間水平 (圖4)。這可能是由于生物炭不但具有保護微生物、提供微環(huán)境的優(yōu)勢，同時具有相對減少碳源的劣勢，影響微生物生存；當(dāng)優(yōu)勢大于劣勢，對微生物產(chǎn)生正作用，反之，產(chǎn)生負作用。

圖4 堆肥過程中微生物數(shù)量的變化Fig. 4 Changes of microbial quantity during composting

2.3.3 真菌 由圖4可知，在數(shù)量上，真菌遠比細菌、放線菌要少，且真菌對堆肥環(huán)境的變化更加敏感，因此，堆肥過程中真菌的變化較為明顯。堆肥過程中，真菌的數(shù)量 F3 ＞ F2 ＞ F1 ＞ CK，CK 處理真菌數(shù)量最低，真菌數(shù)量與生物炭添加比例成正比，生物炭對真菌具有保護作用，提供了適宜的微環(huán)境。

2.3.4 微生物總量 四組處理變化趨勢相同，堆肥微生物中，細菌占比較大，細菌比放線菌要高2個數(shù)量級，比真菌要高6個數(shù)量級，因此微生物總量的變化趨勢與細菌類似，先上升后下降再上升；而F1處理生物量遠高于其它處理，升溫期 (1天) 達到最大值5.14×1011cfu/g，高溫期 (8天) 達到最小值0.8×1011cfu/g。堆肥過程中，堆肥初期主要降解一些易降解有機物，微生物增殖迅速，溫度在1天內(nèi)達到50℃，pH、EC等理化指標(biāo)同時呈上升趨勢；達到高溫期 (55℃以上) 以后，嚴重影響微生物生理活性，微生物數(shù)量減少，隨著降解活動的減少，pH、EC等理化指標(biāo)開始下降，溫度達到頂峰以后也開始下降；隨著溫度的降低，堆肥環(huán)境逐漸適宜微生物生長，微生物開始繁殖，堆肥達到腐熟階段，溫度、pH、EC變化趨勢趨于平緩。

微生物是堆肥過程中的主要參與者，與堆肥環(huán)境之間具有相互作用[22-25]，與有機物的降解、腐熟息息相關(guān)。堆肥溫度與微生物之間是相互影響的，微生物的生長繁殖勢必會引起堆肥溫度的變化，且適宜的堆肥溫度有利于微生物的生長，而高溫會產(chǎn)生抑制作用。由圖2可知，堆體在第4天達到55℃，第11天溫度下降到55℃以下；微生物總量在第4天達到谷值，第11天開始回升；微生物增長出現(xiàn)兩次峰值，一次出現(xiàn)在升溫期，一次出現(xiàn)在降溫期，變化趨勢與溫度相反，體現(xiàn)了溫度與微生物之間的相互影響作用。

細菌作為沼渣堆肥過程中的主要微生物，相比于真菌、放線菌，大的比表面積可以提高細菌對可溶性底物的利用效率，加快細菌繁殖[26]，在數(shù)量上遠高于真菌、放線菌；細菌量堆肥前期 (0～8 d) F1 ＞CK ＞ F2 ＞ F3，堆肥后期 (9～30 d) F1 ＞ F2 ＞ F3 ＞CK，說明細菌與生物炭添加量之間呈負相關(guān)，過量的生物炭并不利于細菌的生長，生物炭具有較低的生物有效性[27]，難以被細菌降解利用，同時存在于生物炭中的有毒揮發(fā)性物質(zhì)對細菌具有毒害作用[28-29]，從而對細菌生長產(chǎn)生負作用。

放線菌具有發(fā)達的菌絲和細胞壁，很少利用纖維素，但它們可以容易地利用半纖維素，并在一定程度上分解木質(zhì)素，放線菌還可以耐受高溫和堿性環(huán)境[30-31]。沼渣堆肥過程中，放線菌數(shù)量F1 ＞ F3 ＞CK ＞F2，說明生物炭對放線菌的影響呈上凹型，適量生物炭對放線菌有最高的抑制作用。這是因為生物炭除了直接提供微生物生長場所以外，還可能引起沼渣堆肥理化性質(zhì)的改變、養(yǎng)分含量與有效性的增減等[32-33]，這些改變會導(dǎo)致放線菌發(fā)生不同的生長代謝反饋，改變生長分布狀況，最終導(dǎo)致放線菌數(shù)量不同的變化趨勢[34-35]。

真菌對于沼渣堆肥物料的腐熟和穩(wěn)定具有重要意義[2]。研究表明，真菌的生長繁殖受堆肥溫度的影響顯著，絕大部分的真菌是嗜溫性菌，其最適溫度為25～30℃。對于真菌微生物量，堆肥過程中F3 ＞F2 ＞ F1 ＞ CK，說明生物炭對真菌的影響呈正相關(guān)，添加生物炭有利于真菌生長，主要原因是生物炭的高芳香化表面、孔隙結(jié)構(gòu)及對水肥吸附作用使其為真菌棲息提供良好的“微環(huán)境”[36-37]，有利于真菌生長，從而提高真菌數(shù)量。綜合試驗結(jié)果表明，F(xiàn)1對沼渣堆肥微生物總量具有最大正相關(guān)性，顯著促進堆肥腐熟。

2.4 堆肥過程中腐熟度的變化

圖5顯示，腐殖質(zhì)含量總體表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢，呈“V”字型，第11天達到最低值，F(xiàn)1始終處于較高水平，遠高于其它三組處理 (F1 ＞ F2 ＞CK ＞ F3)，最高值達到24.08%，最低為17.92%，F(xiàn)3處于最低水平；與CK對比，F(xiàn)1、F2、F3處理腐殖質(zhì)含量分別提高了8.12%、7.23%、7.43%。

圖5 堆肥過程中腐殖質(zhì)的變化Fig. 5 Changes in humus during the composting

沼渣堆肥過程中，腐殖質(zhì)同時存在分解與合成的反應(yīng)，堆肥初期微生物活性高、數(shù)量多，腐殖質(zhì)中的一些小分子物質(zhì) (以富里酸為主) 被微生物分解、利用，大分子的腐殖質(zhì) (以胡敏酸為主) 累積，合成與分解處于一個大的動態(tài)平衡之中。圖5表明，腐殖質(zhì)的含量變化呈“V”字型，腐殖質(zhì)的積累主要發(fā)生在堆肥后期，說明沼渣堆肥后期對于有機肥的腐熟、穩(wěn)定是不可或缺的階段，與孫向平[38]的研究一致。

單因素方差分析結(jié)果 (表3)表明，生物炭的添加顯著影響腐殖質(zhì)的形成 (P＜0.05)，與CK對比，F(xiàn)1、F2、F3處理腐殖質(zhì)含量分別提高了8.12%、7.23%、7.43%。關(guān)于堆肥中腐殖質(zhì)的形成，有研究認為存在兩種途徑：一是在微生物作用下，木質(zhì)素的側(cè)鏈氧化生成木質(zhì)素類衍生物，構(gòu)成了腐殖質(zhì)的核心和骨架，這是腐殖質(zhì)形成的重要途徑之一[39]，二是由微生物代謝后的單聚體聚合而成[40]。兩種途徑均突出了微生物的作用，猜測生物炭通過影響沼渣堆肥微生物進而影響腐殖質(zhì)的合成。

2.5 有機肥品質(zhì)

由上可知，本試驗中四組不同處理均達到高溫期 (55℃以上)，F(xiàn)1、F2可滿足無害化標(biāo)準(zhǔn) (55℃以上維持3 d以上) ；與CK相比，F(xiàn)1、F2、F3有機質(zhì)含量分別提高了12.96%、9.26%、7.41%，總養(yǎng)分含量分別提高了6.5%、4.3%、2.2%，且有機質(zhì)含量均大于45%；四組處理pH值始終處于8.0以上，電導(dǎo)率低于1 mS/cm，由圖6種子發(fā)芽指數(shù)變化可以看出，所有處理種子發(fā)芽指數(shù)均在85%以上，依次為F1 ＞ F2 ＞ F3 ＞ CK，無毒害作用；除含水率外，總養(yǎng)分、糞大腸菌群數(shù)、蛔蟲卵死亡率等均符合中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY525-2012有機肥料》[41]。堆肥結(jié)束后可以適當(dāng)晾曬，調(diào)節(jié)含水率，達到有機肥標(biāo)準(zhǔn)(表4)。

表3 單因素方差分析Table 3 Variance analysis of single factor

圖6 種子發(fā)芽指數(shù)Fig. 6 Germination index

3 結(jié)論

1) 生物炭能夠延長高溫期，提高有機質(zhì)和總養(yǎng)分含量。

2) 添加生物炭可以有效降低細菌菌群數(shù)量，促進真菌生長，進而加快沼渣肥的腐熟，且提高沼渣堆肥腐殖質(zhì)含量。

3) 綜合試驗結(jié)果，添加2%生物炭 (干基) 對促進堆肥腐熟、提高養(yǎng)分含量效果最顯著。添加過多生物炭將不利于堆肥的腐熟。

表4 有機肥產(chǎn)品相關(guān)指標(biāo)測定值及有機肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值 (干基)Table 4 Values of quality items of the produced organic fertilizers and the standards value by the organic fertilizer industry standard (Dry base)