幾種復(fù)合微生物發(fā)酵劑發(fā)酵廢棄桑枝的比較研究*

吳 均 黃傳書 劉 艷 趙 珮

(重慶市蠶業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院，重慶 400700)

中國桑枝條資源豐富，每年產(chǎn)量可達(dá)1040萬t，傳統(tǒng)處理方式為置于田間地頭自然腐爛還田和農(nóng)村生活燃料，其利用率僅為10%左右，絕大多數(shù)都淪為廢棄物，不僅造成資源極大浪費還造成農(nóng)業(yè)面污染，且易導(dǎo)致桑樹病蟲害的暴發(fā)，給蠶桑生產(chǎn)帶來極大的安全隱患[1-2]。桑枝條有機(jī)肥堆肥處理是目前解決廢棄桑枝條資源浪費的一條有效途徑，使桑枝變廢為寶，減少對人們生活環(huán)境及農(nóng)業(yè)面污染和蠶桑生產(chǎn)的病蟲害安全隱患，增強(qiáng)桑園土壤肥力，減少農(nóng)作物化學(xué)肥料的使用[3]。目前，在堆肥過程中添加微生物發(fā)酵劑不僅可以增加微生物數(shù)量，加快堆肥快速升溫，還可以縮短發(fā)酵時間并且徹底地降解有機(jī)物[4-6]。市面上微生物發(fā)酵菌劑種類較多，但大多是通用型單一發(fā)酵劑，沒有具體有針對性的復(fù)合微生物發(fā)酵劑，并且對于桑枝微生物發(fā)酵劑的研究也鮮有報道。因此，本研究在一定的堆肥條件下，依據(jù)農(nóng)業(yè)部生物有機(jī)肥產(chǎn)品檢測標(biāo)準(zhǔn)，探究接種不同微生物發(fā)酵劑的桑枝堆肥降解過程中水分含量、溫度、pH的變化，發(fā)酵結(jié)束后桑枝堆肥的C/N和發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽率、根長和芽長，旨在研發(fā)適宜桑枝有機(jī)基質(zhì)肥快速發(fā)酵的復(fù)合微生物發(fā)酵劑，為廢棄桑枝條有機(jī)基質(zhì)肥開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

復(fù)合微生物發(fā)酵劑：由霉菌、酵母菌、細(xì)菌和放線菌按一定比例組合而成的復(fù)合微生物發(fā)酵劑，編號分別為A、B、C、D，由重慶市蠶業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院實驗室提供。

桑枝屑：重慶市蠶業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院桑園夏伐干桑枝條粉碎獲得。

雞糞：重慶市北碚區(qū)西山坪正大蛋雞養(yǎng)殖場提供。

其他輔料：麥麩、泡沫盒等購自商品市場。

1.1.2 儀器

分析天平FA2204M(上海衡際)、超純水機(jī)WP-UP-LH-40(四川沃特)、超凈工作臺JH-2S(北京科偉)、DL-1型可控溫電爐(北京中興偉業(yè)儀器有限公司)、數(shù)顯高壓立式滅菌器BXM-30R(上海博訊)、恒溫培養(yǎng)箱SPX-250(北京科偉)、電熱恒溫干燥箱(101-2 北京科偉)、振蕩培養(yǎng)箱THZ-92B(上海博訊)、超聲波清洗儀JP-060S(深圳潔盟)、普通冰箱(海爾)、渦旋振蕩器XWH(常州國華)、全自動凱式定氮儀K9860(海能儀器)、pH計PHS-3C(上海雷磁)。

1.2 方法

1.2.1 桑枝生物有機(jī)基質(zhì)肥發(fā)酵工藝流程

圖1 桑枝生物有機(jī)基質(zhì)肥發(fā)酵工藝流程

試驗在重慶市蠶業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院桑園進(jìn)行。

發(fā)酵處理方法[7]：將原料混合均勻后置于泡沫盒里進(jìn)行靜態(tài)發(fā)酵。試驗設(shè)A、B、C、D及不添加微生物發(fā)酵劑的空白對照(CK)5個處理，每個處理3次重復(fù),每個重復(fù)處理按等量材料，桑枝∶雞糞(干重)=1∶1，用尿素調(diào)節(jié)C/N比至30∶1，調(diào)節(jié)水分含量至65%左右，接種4種不同微生物發(fā)酵劑，將原料混合均勻后置于泡沫盒里進(jìn)行靜態(tài)發(fā)酵，5d翻堆一次，發(fā)酵至90d結(jié)束(圖1)。

1.2.2 發(fā)酵堆溫度測定

溫度作為好氧堆肥的一個重要指標(biāo)[9]。在每日上午10:00，對每個重復(fù)分別選取“品”字型三個點用土壤溫度計測量發(fā)酵盒內(nèi)溫度。

1.2.3 發(fā)酵堆水分測定

參考中華人民共和國農(nóng)業(yè)部NY 884-2012 生物有機(jī)肥水分測定方法[10]。

將鋁盒置于干燥箱中105℃烘30min，冷卻后稱量并記錄鋁盒的質(zhì)量。向鋁盒中加入20g混勻試樣并記錄質(zhì)量，將加有試樣的鋁盒置于干燥箱中105℃下烘5h取出，放入干燥器冷卻20min后進(jìn)行稱量并記錄。每個試樣兩次平行。

1.2.4 發(fā)酵堆pH測定

pH測定采用NY/T2321-2013中的方法進(jìn)行測定[11]。

1.2.5 有機(jī)堆肥碳氮比(C/N)測定

有機(jī)質(zhì)的測定方法用重鉻酸鉀容量法[12]，總氮用全自動凱氏定氮儀測定。

1.2.6 有機(jī)堆肥毒性測定

種子發(fā)芽指數(shù)(GI)最能反映發(fā)酵產(chǎn)品植物毒性的判斷物料無害化和腐熟度的參數(shù)[13-14]。本試驗選用油菜種子作為指示種子，測定發(fā)芽指數(shù)、根長和芽長。

稱取5g桑枝生物有機(jī)肥堆肥樣品，用30 mL一級水浸提1h后，再用3層紗布過濾備用；將20粒油菜種子放入鋪有濾紙的90mm培養(yǎng)皿內(nèi)，向培養(yǎng)皿中加入5mL浸提過濾液，以一級水做空白對照，每處理3次重復(fù)。30℃恒溫培養(yǎng)48 h后測定種子發(fā)芽數(shù)、芽與根的長度，計算種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)。

1.2.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用ORIGIN軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析及圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵堆溫度變化

溫度是好氧堆肥的重要指標(biāo)，可依據(jù)溫度變化情況判斷堆肥微生物活動情況，微生物代謝產(chǎn)生熱量被保留在泡沫盒中，使得桑枝堆肥溫度上升，加快堆肥腐熟[15]。本實驗的溫度變化分為4個階段：升溫期、高溫期、降溫期、穩(wěn)定期。4個處理的溫度均呈現(xiàn)出先升高，高溫區(qū)持續(xù)一段時間，下降穩(wěn)定的趨勢。處理A、B的堆肥溫度在第2d開始快速升溫，在第7d的時候超過50.0℃并保持2d；處理C的堆肥溫度在前9d緩慢上升，第10d的時候超過50℃保持1d；處理D在第5d開始迅速升溫，第6d超過50.0℃，并保持12d的高溫，最高溫度達(dá)到60.7℃；空白處理的堆肥溫度緩慢上升，沒有超過50.0℃。4種微生物發(fā)酵劑處理的堆肥溫度均高于空白處理，并且處理D的發(fā)酵溫度在高溫期保持時間最長，使桑枝條中的有機(jī)物充分降解，最大程度地殺滅各種蟲卵和病原微生物[16]，說明微生物發(fā)酵劑能夠加快桑枝發(fā)酵的速率，且復(fù)合微生物發(fā)酵劑D較其他3種發(fā)酵效果更佳。

2.2 發(fā)酵堆水分變化

在堆肥發(fā)酵過程中，微生物生長繁殖會消耗大量水分，微生物繁殖使堆肥的溫度升高會使得水分快速蒸發(fā)，溫度和微生物的共同作用使水分急劇的減少[17]。為減少試驗過程中發(fā)酵堆水分大量散失，本實驗采用封閉泡沫盒發(fā)酵，發(fā)酵產(chǎn)生水分蒸汽在盒蓋凝結(jié)后落入發(fā)酵堆，結(jié)果在整個發(fā)酵過程中，沒有水分含量急劇下降的階段，只呈現(xiàn)出緩慢降低的趨勢。從圖2可以看出，5個處理的水分含量隨發(fā)酵時間的延長均呈下降趨勢，發(fā)酵到90d時，樣品水分含量分別為：A(36.9%)、B(37.2%)、C(36.9%)、D(30.0%)、空白(48.2%)。發(fā)酵結(jié)束后將物料從泡沫盒里面取出堆放在地面一段時間自然失水后水分含量可以降至30.0%以下，達(dá)到生物有機(jī)肥水分含量標(biāo)準(zhǔn)的要求[10]。

2.3 發(fā)酵堆pH值變化

據(jù)資料記載，在堆肥發(fā)酵過程中，發(fā)酵前期微生物大量繁殖，發(fā)酵有機(jī)物產(chǎn)生大量的NH3使pH值上升，隨著發(fā)酵物料中有機(jī)物分解、硝化細(xì)菌快速繁殖產(chǎn)生大量的H+使pH值降低，隨著發(fā)酵的深入，發(fā)酵物料的有機(jī)酸被逐漸降解，pH值先稍有升高、后降低、最后趨于穩(wěn)定[18-19]。本試驗結(jié)果從圖3可知，5個處理的初始pH值為8.8左右，發(fā)酵前5d pH值上升，最高處理比初始pH值高0.5左右；5～30d左右pH 值下降，最低pH值8左右；30～90d，pH值呈現(xiàn)先稍有升高、再降低、最后趨于穩(wěn)定，發(fā)酵成熟后各發(fā)酵物料的pH值為8.2左右，從整個發(fā)酵過程看，pH值呈上升、下降、上升、下降，最后趨于穩(wěn)定的趨勢。最后所生成的桑枝生物有機(jī)基質(zhì)料，符合農(nóng)業(yè)部生物有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)(NY884-2012)pH值為5.5～8.5的規(guī)定。

圖2 桑枝發(fā)酵過程中水分含量的變化

2.4 有機(jī)堆肥毒性測定

種子發(fā)芽指數(shù)(GI)被認(rèn)為是最敏感、可靠、有效和最能反映發(fā)酵產(chǎn)品植物毒性的判斷物料無害化和腐熟度的參數(shù)，當(dāng)GI值>50%時，發(fā)酵物料對植物已基本沒有毒性，發(fā)酵物料已基本腐熟；當(dāng)GI值>80%時，發(fā)酵物料完全腐熟[14,20]。本試驗用油菜種子作為指示植物，測定其發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽率、芽長、根長。結(jié)果(詳見表1)，5個處理的油菜種子發(fā)芽率均在90%以上，A、B、D三組堆肥處理發(fā)芽指數(shù)均在80%以上，C組堆肥的發(fā)芽指數(shù)78.04%、芽長0.787mm(最長)，綜合分析，在促進(jìn)堆肥無害化方面，C組處理堆肥對油菜種子發(fā)芽有一定影響，A、B、D三組處理堆肥對植物沒有毒性且完全腐熟，其中，D組處理堆肥的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和根長綜合效果最佳，優(yōu)于其他3種復(fù)合微生物發(fā)酵劑處理。

圖3 桑枝發(fā)酵過程中pH值的變化

指 標(biāo)ABCDCK發(fā)芽指數(shù)/%98.4087.9778.04106.60-發(fā)芽率/%98.3095.0091.70100.0096.70芽長/mm0.4660.4000.7870.5050.440根長/mm1.4541.3451.2361.5481.502

2.5 有機(jī)堆肥碳氮比(C/N)測定

在生物有機(jī)物發(fā)酵過程中，有機(jī)物為微生物提供碳源和氮源，微生物分解有機(jī)物時，產(chǎn)生CO2、H2O等物質(zhì)，消耗一部分氮又釋放出一部分氮，從而使總體的C/N不斷降低至穩(wěn)定[21]。本試驗用復(fù)合微生物發(fā)酵劑發(fā)酵桑枝條，結(jié)果(詳見表2)，堆肥發(fā)酵結(jié)束，5種處理A、B、C、D和CK的C /N 依次是20.32、21.27、21.56、19.33和25.76，以D處理C/N最低、CK處理最高。說明在桑枝生物有機(jī)基質(zhì)肥發(fā)酵處理過程中，添加微生物復(fù)合發(fā)酵劑有利于其C/N的快速降低，達(dá)到桑枝條快速腐熟，符合生物有機(jī)基質(zhì)肥料要求。

表2 接種不同微生物發(fā)酵劑的桑枝堆肥前后的C/N

3 小結(jié)

本試驗通過控制桑枝發(fā)酵條件下，對幾種復(fù)合微生物發(fā)酵劑發(fā)酵桑枝情況比較。結(jié)果表明：

(1)4種復(fù)合微生物發(fā)酵劑都能達(dá)到快速腐熟桑枝目的，綜合比較分析4種復(fù)合微生物發(fā)酵劑對桑枝腐熟效果，以D組復(fù)合微生物發(fā)酵劑發(fā)酵桑枝效果最佳。D組復(fù)合微生物發(fā)酵劑發(fā)酵桑枝，發(fā)酵過程中，升溫最快，能夠快速使發(fā)酵堆升溫至50.0℃，保持高溫時間12d最長，發(fā)酵結(jié)束，生成的桑枝生物有機(jī)肥料水分含量30.0%(<35.0%)，pH值8.16(<8.50)，C/N值19.33，發(fā)芽指數(shù)(GI)為106.6%，發(fā)酵物料完全腐熟，對農(nóng)作物生產(chǎn)較為安全，符合農(nóng)業(yè)部生物有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)(NY884-2012)。

(2)利用復(fù)合微生物發(fā)酵劑發(fā)酵廢棄桑枝，發(fā)酵過程中較長時間的高溫可以殺滅發(fā)酵堆中的病原菌和寄生蟲卵，達(dá)到有機(jī)基質(zhì)肥對作物生長安全目的。

(3)本試驗僅選擇了幾種復(fù)合微生物發(fā)酵劑發(fā)酵桑枝條效果比較研究，篩選出適合桑枝有機(jī)基質(zhì)肥料最佳復(fù)合微生物發(fā)酵劑，但對所生成的桑枝有機(jī)基質(zhì)肥料肥力、肥效等還有待深入研究。