添加菌劑和石灰對(duì)劍麻麻渣堆肥腐熟效果及養(yǎng)分含量的影響

譚施北, 習(xí)金根*, 陳河龍, 鄭金龍, 黃興, 賀春萍,吳偉懷, 梁艷瓊, 張世清, 高建明, 李銳, 易克賢*

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部儋州農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站, ?？?571101;2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物生物學(xué)與遺傳資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, ?？?571101)

劍麻(AgavesisalanaPerr.)是龍舌蘭科(Agavaceae)龍舌蘭屬(AgaveL.)植物，為多年生草本，是熱帶、亞熱帶地區(qū)重要的纖維作物。劍麻葉片中干纖維含量一般僅為葉片總鮮重的5.0%左右，其余95%為劍麻抽取纖維后的副產(chǎn)物，即麻渣[1]。麻渣不僅產(chǎn)量豐富，還蘊(yùn)含豐富的礦質(zhì)營養(yǎng)，N含量達(dá)1.5%，P含量為0.39%，K含量為2.88%，Ca含量達(dá)3.86%，是良好的有機(jī)肥源[2]。我國劍麻種植歷來非常重視麻渣還田，實(shí)踐證明麻渣還田可明顯促進(jìn)劍麻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[3]。但麻渣直接還田存在發(fā)酵周期長(zhǎng)、臭味重和堆肥效率低等缺點(diǎn)[4]。此外，由于新鮮麻渣未經(jīng)堆漚腐熟而直接排放會(huì)產(chǎn)生濃烈臭味，目前已被當(dāng)作環(huán)境污染源處理，部分劍麻加工廠被迫進(jìn)行整頓，麻渣處理問題已嚴(yán)重阻礙劍麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，劍麻麻渣無害化處理已成為亟待解決的產(chǎn)業(yè)難題。

作物秸稈肥料化利用的方式主要包括秸稈還田和秸稈有機(jī)肥生產(chǎn)[5]。我國劍麻麻渣肥料化利用還停留在覆蓋還田的階段，因此需要進(jìn)一步探索麻渣肥料化處理的技術(shù)措施。堆肥化處理是秸稈資源利用的重要途徑，在我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)廣泛使用[6]。而秸稈堆肥化處理的各種方式中，當(dāng)以添加堆肥發(fā)酵菌在生產(chǎn)中應(yīng)用較普遍[7-9]。大量研究發(fā)現(xiàn)，添加微生物菌劑不但可以加快秸稈堆肥進(jìn)程，使堆肥在短時(shí)間內(nèi)快速被植物吸收利用，而且可以在堆肥過程中有效殺害病原菌和害蟲，防止秸稈還田給作物帶來的危害[10-12]，但有關(guān)麻渣添加微生物菌劑堆肥的報(bào)道較少。此外，堿化處理是一種有效而實(shí)用的秸稈化學(xué)處理法，一般用秸稈重量3%～6%劑量的NaOH處理秸稈可大幅度降低秸稈的粗纖維含量，使秸稈消化率提高20%以上[13]。石灰處理秸稈不但成本較低，而且可以大幅降低秸稈的堿性[14]，但有關(guān)石灰對(duì)麻渣腐熟效果的研究少有報(bào)道。劍麻是喜鈣作物，生產(chǎn)中非常重視鈣肥施用，以保證劍麻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[15]。由于石灰呈堿性，添加石灰可能影響復(fù)合菌劑的繁殖和生長(zhǎng)，降低菌劑的作用效果，而目前有關(guān)菌劑和石灰混合添加的研究更鮮有報(bào)道。因此，本試驗(yàn)研究了添加微生物菌劑和石灰對(duì)麻渣腐熟效果及礦質(zhì)養(yǎng)分損失的影響，為麻渣的無害化和高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

新鮮麻渣采自海南省昌江市青坎農(nóng)場(chǎng)，稍微晾干后用于試驗(yàn)。麻渣理化性質(zhì)如下：pH為8.50，全碳、全氮、全磷和全鉀含量分別為582.0、15.2、2.7、8.6 g·kg-1，碳氮比為38∶1。菌劑為市售堆肥發(fā)酵菌，廣州市微元生物科技有限公司生產(chǎn)，復(fù)合菌可溶性粉劑，1 kg·包-1，有效活菌數(shù)≥2×1010CFU·g-1，石灰為CaOH(分析純，西隴化工股份有限公司)。麻渣漚制所用的容器為一次性圓形透明塑料盒(容積為2 500 mL，底徑、口徑、高分別為12.5、17.0、10.0 cm)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，每個(gè)處理15次重復(fù)，分別為CK(對(duì)照)：菌劑和石灰均不添加；J：?jiǎn)为?dú)添加微生物菌劑；S2：?jiǎn)为?dú)添加中水平石灰；JS1：同時(shí)添加菌劑和低水平石灰；JS2：同時(shí)添加菌劑和中水平石灰；JS3：同時(shí)添加菌劑和高水平石灰。石灰用量設(shè)3個(gè)水平:低(S1)、中(S2)、高(S3)水平，石灰：麻渣比例分別為1∶300、1∶150、1∶75。麻渣采用新鮮樣品，含水率為83.0%，每盒裝麻渣600 g(體積為800 cm3)。菌劑用量為1 g菌劑兌水25 g，裝入噴壺均勻噴灑于麻渣表面，然后攪拌混勻。石灰添加方法為:將石灰均勻撒施于麻渣表面，然后攪拌均勻。2016年4月21日開始在室溫條件下發(fā)酵，每25 d取樣一次，每處理每次取3盒，共取樣5次。取樣時(shí)，每盒加入自來水600 mL，使總水量達(dá)到800 mL，并浸泡24 h。然后用雙層紗布過濾得到麻渣發(fā)酵液，剩余麻渣則自然風(fēng)干，得到麻渣堆肥固體產(chǎn)物。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

以種子發(fā)芽指數(shù)作為堆肥腐熟度的指標(biāo)。采樣時(shí)記錄各處理麻渣顏色和氣味,并計(jì)算發(fā)芽指數(shù)。發(fā)芽指數(shù)測(cè)定方法為：以市售白菜種子為材料，每培養(yǎng)皿裝50粒種子，加入20 mL不同處理麻渣發(fā)酵液，以清水為對(duì)照，室溫條件下放置36 h，測(cè)量種子發(fā)芽數(shù)和根長(zhǎng)。按常規(guī)方法測(cè)定麻渣發(fā)酵液和風(fēng)干麻渣堆肥固體產(chǎn)物全氮、速效氮、全磷和全鉀含量[16]，并計(jì)算麻渣腐解率和養(yǎng)分釋放率[17]。主要指標(biāo)計(jì)算方法如下：

發(fā)芽指數(shù)GI=

第nd養(yǎng)分量=第nd干重×第nd養(yǎng)分含量

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并繪圖，采用JMP 10軟件進(jìn)行方差分析與差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加菌劑和石灰對(duì)麻渣堆肥腐熟性質(zhì)的影響

每次取樣觀察劍麻麻渣堆肥表層顏色，發(fā)現(xiàn)不同處理麻渣堆肥分別呈黃色、黃褐色、褐色和黑色。由表1可見，堆肥125 d后CK呈褐色，而其余添加劑處理均成黃褐色。此外，處理過程中還發(fā)現(xiàn),J處理麻渣表層顏色褐化明顯，但下層麻渣顏色則偏黃色。劍麻麻渣堆肥分別呈腐臭、泥腥、泥香3種氣味，其中，J呈泥香味，JS3呈腐臭味，其余處理均成泥腥味。許多植物種子在未腐熟堆肥萃取液中生長(zhǎng)受抑制，而在腐熟的堆肥萃取液中生長(zhǎng)得到促進(jìn)，一般發(fā)芽指數(shù)(GI)達(dá)50%以上說明堆肥產(chǎn)物達(dá)到植物承受范圍之內(nèi)，當(dāng)GI達(dá)85%以上時(shí)則認(rèn)為堆肥已完全腐熟[18]。不同處理麻渣發(fā)酵液種子發(fā)芽指數(shù)在125 d都還比較低，其中，堆肥期間CK僅為6%，而J較高，為 31%，其次為JS1處理，顯著大于其余處理。不同處理麻渣發(fā)酵液pH總體呈微堿性，堆肥125 d后處理之間差異不顯著。我國現(xiàn)行有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)要求有機(jī)肥pH應(yīng)為5.5～8.5[19]，由試驗(yàn)結(jié)果看，堆肥125 d對(duì)照和添加劑處理pH稍微高于合理范圍。堆漚125 d后，不同處理麻渣堆肥質(zhì)量損失率變化范圍在34.6%～43.1%之間，其中CK最大，達(dá)43.1%，其次為J。凡添加石灰處理麻渣堆肥質(zhì)量損失率均較低，JS3最小。菌劑和石灰混合添加時(shí)，隨著石灰添加水平的提高，麻渣質(zhì)量損失率呈下降趨勢(shì)。

表1 堆肥125 d后不同處理麻渣腐熟性質(zhì)

2.2 添加菌劑和石灰對(duì)麻渣堆肥和發(fā)酵液氮、磷、鉀含量的影響

不同處理的麻渣堆肥和發(fā)酵液氮、磷、鉀含量結(jié)果(表2)顯示，堆漚125 d后不同處理麻渣堆肥全氮含量在13.4～15.4 g·kg-1之間。J堆肥全氮含量與CK相比差異未達(dá)到顯著水平，說明添加單獨(dú)菌劑對(duì)麻渣堆肥氮素含量影響不大。S2麻渣全氮含量與CK和J相比有所下降。當(dāng)菌劑和石灰混合添加時(shí)，麻渣全氮含量與CK和J 相比均有所降低，尤其是菌劑和高水平石灰混合添加處理(JS3)麻渣全氮含量下降最明顯，顯著低于CK。說明菌劑和高水平石灰混合添加可使麻渣堆肥全氮含量降低。麻渣發(fā)酵液全氮含量在80.2～291.7 g·kg-1之間，單獨(dú)添加菌劑和石灰時(shí)最低，而菌劑與中、高水平石灰混合添加時(shí)最高。J發(fā)酵液速效氮含量則大幅小于CK，可見添加菌劑顯著降低麻渣發(fā)酵液速效氮含量，這與發(fā)酵液全氮含量的變化趨勢(shì)基本一致。菌劑與低水平(JS1)和中水平(JS2)石灰混合添加處理發(fā)酵液速效氮含量顯著降低，而與中、高水平石灰混合添加處理(JS2、JS3)速效氮含量與CK差異不顯著，但顯著高于J。說明菌劑與低水平石灰混合添加對(duì)麻渣發(fā)酵液速效氮含量的提高不利，但與中、高水平石灰混合時(shí)則起到保氮的作用。JS3堆肥全磷含量顯著降低，不同處理之間總體差異不大。堆肥125 d，添加菌劑處理(J)堆肥發(fā)酵液全磷含量顯著低于菌劑與中、高水平石灰混合處理(JS2、JS3)。J堆肥全鉀含量與CK差異不顯著。由此可以初步判斷添加菌劑對(duì)麻渣堆肥全鉀含量影響較小。凡添加石灰處理堆肥全鉀含量均有所提高，說明添加石灰對(duì)麻渣堆肥全鉀含量的提高有一定作用。

表2 不同處理的麻渣堆肥和發(fā)酵液的氮、磷、鉀含量

2.3 添加菌劑和石灰對(duì)麻渣堆肥氮、磷、鉀素?fù)p失率的影響

目前，堆肥化過程中氮素?fù)p失比較嚴(yán)重，通常損失率達(dá)到50%左右[20]。由表3可見，不同處理劍麻麻渣在堆漚125 d后，氮素?fù)p失率在40.0%～46.0%之間，不同處理之間氮素?fù)p失率差異并不顯著，因此初步認(rèn)為添加菌劑、石灰以及兩者混合添加對(duì)麻渣氮素?fù)p失的影響不大。125 d不同處理劍麻麻渣堆肥固態(tài)產(chǎn)物磷素釋放率均較低，變化范圍在17.3%～28.4%之間，不同處理之間差異未達(dá)到顯著水平。說明添加菌劑和石灰以及兩者混合添加處理對(duì)磷素釋放率的影響不大。堆肥期間麻渣固態(tài)產(chǎn)物鉀素?fù)p失率較大，堆漚125 d后不同處理高達(dá)75.9%～80.0%。其中凡添加石灰處理麻渣固態(tài)產(chǎn)物鉀速損失率均較小，顯著小于CK和J。菌劑混合不同水平石灰處理之間差異不顯著。

表3 添加菌劑和石灰處理125 d后麻渣氮、磷、鉀素?fù)p失率

3 討論

堆肥呈褐色是腐熟的標(biāo)志之一[21-22]，我國現(xiàn)行有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)也要求有機(jī)肥外觀顏色為褐色或灰褐色[19]。本研究中，不同處理麻渣堆肥顏色有所不同，說明堆肥顏色受添加劑種類和劑量的影響顯著。本研究菌劑添加處理堆肥顏色只在水分較少的表層發(fā)生變化，由此可初步判斷本菌劑在83%含水率條件下作用效果減弱，這為進(jìn)一步調(diào)整堆肥含水率的試驗(yàn)提供了參考。試驗(yàn)中添加菌劑可使麻渣表層呈黑色，說明菌劑對(duì)麻渣的腐熟和降解起到一定作用，但與石灰混合添加后效果不明顯。此外，結(jié)合麻渣的養(yǎng)分變化初步判斷，黃褐色是麻渣堆肥品質(zhì)比較好的顏色，此時(shí)麻渣各種養(yǎng)分含量均比較高。但僅憑顏色并不能準(zhǔn)確判斷麻渣的最佳漚制方法和時(shí)間，還應(yīng)結(jié)合其他指標(biāo)綜合判斷，況且某些處理從開始到最后都呈現(xiàn)黃褐色。

由于臭味是人們對(duì)廢棄物感知比較直觀的指標(biāo)之一，劍麻麻渣之所以被視為污染來源，其排放初期的惡臭味是主要因素之一。因此，去除臭味是麻渣進(jìn)行堆肥腐熟的主要目的之一。我國現(xiàn)行有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)要求有機(jī)肥氣味必須為無惡臭味[19]。通常堆肥腐熟后，堆體內(nèi)無不快氣味產(chǎn)生，并檢測(cè)不到低分子脂肪酸，堆肥產(chǎn)品具有森林腐殖土和潮濕泥土的氣息[15]。本研究結(jié)果表明,添加菌劑可促進(jìn)劍麻麻渣堆漚過程中臭味的減弱，并使堆肥呈泥香味，由此初步認(rèn)為添加菌劑除臭效果顯著。而添加石灰處理腐解產(chǎn)物始終不產(chǎn)生臭味，而對(duì)照腐解產(chǎn)物前期出現(xiàn)明顯臭味，說明添加石灰也具有一定的除臭效果。而當(dāng)兩者混合添加時(shí)同樣具有除臭效果。結(jié)合發(fā)酵液養(yǎng)分含量變化的結(jié)果看，麻渣腐解產(chǎn)物氣味表現(xiàn)為泥香或泥腥味時(shí)最好，此時(shí)發(fā)酵液養(yǎng)分含量較高。

添加菌劑有利于提高麻渣發(fā)酵液的發(fā)芽勢(shì)，這與翟修彩[23]的研究結(jié)果一致，而添加石灰則會(huì)降低發(fā)酵液的發(fā)芽勢(shì)。本試驗(yàn)在未經(jīng)稀釋的情況下，麻渣發(fā)酵液對(duì)種子萌發(fā)具有明顯抑制作用，可能是由于其中的有毒有害物質(zhì)濃度較高所致。此外還發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)添加菌劑有利于發(fā)芽勢(shì)的提高，但單獨(dú)添加石灰效果不明顯。當(dāng)兩者混合添加時(shí)，石灰會(huì)抑制菌劑的效果，使菌劑的添加不能提高發(fā)酵液的發(fā)芽勢(shì)，并且這種抑制作用隨著石灰用量的增加而增加。前人研究表明，堆肥初始階段產(chǎn)生的有機(jī)酸使 pH下降，而隨著堆肥繼續(xù)進(jìn)行，堆體中的乙酸、丁酸揮發(fā)，含氮有機(jī)物分解產(chǎn)生的氨使堆體 pH 上升，最終堆肥產(chǎn)品 pH 一般在8～9[24]。翟修彩[23]對(duì)水稻、花生秸稈堆肥的研究結(jié)果顯示，在添加菌劑培養(yǎng)54 d后，水稻秸稈堆肥的pH為8.60，而花生秸稈堆肥的pH則為8.02，均呈微堿性。本研究也有類似發(fā)現(xiàn)，麻渣堆肥在堆漚之后均成微堿性，并且堆肥酸堿度隨著堆漚時(shí)間的延長(zhǎng)有所提高。

綜上所述，單獨(dú)添加菌劑處理劍麻麻渣堆肥125 d后，堆肥氣味變?yōu)槟嘞阄?，除臭效果顯著，麻渣發(fā)酵液發(fā)芽指數(shù)顯著提高，對(duì)堆肥氮、磷、鉀養(yǎng)分含量和損失率影響不顯著。由此初步認(rèn)為添加菌劑可在一定程度上促進(jìn)麻渣腐熟。單獨(dú)添加石灰也具有除臭作用，對(duì)堆肥氮、磷養(yǎng)分含量和損失率影響不顯著，并且堆肥質(zhì)量損失率和鉀素?fù)p失率顯著降低，但堆肥發(fā)芽指數(shù)較低，能否作為堆肥腐熟劑還有待進(jìn)一步研究。當(dāng)菌劑與低水平石灰混合添加時(shí)，堆肥發(fā)芽指數(shù)顯著提高，堆肥全鉀含量顯著增加，并且堆肥質(zhì)量損失率和鉀素?fù)p失率顯著降低。由此認(rèn)為，微生物菌劑與低水平石灰混合添加時(shí)，劍麻麻渣堆肥的腐熟效果最佳。