微生物菌劑對(duì)菜粕好氧堆肥發(fā)酵的影響

戴美玲，江 濤，譚 美，何偉豪，盧盛杰，向鐵軍

（湖南金葉眾望科技股份有限公司，湖南 臨湘 414300）

0 引言

自20 世紀(jì)80 年代起，我國(guó)一直是全球最大的菜籽產(chǎn)出國(guó)，每年菜籽產(chǎn)量超過(guò)1 100萬(wàn)t，產(chǎn)生的菜籽餅粕超過(guò)600 萬(wàn)t［1］。菜粕含有大量的粗蛋白和粗纖維，以及多種礦質(zhì)元素和維生素，是一種傳統(tǒng)的高端有機(jī)肥［2］。研究表明，施用菜粕能增加土壤菌落多樣性和微生物活性［3］，可改善烤煙等作物的品質(zhì)，增加產(chǎn)量［4］。傳統(tǒng)的菜粕堆肥工藝存在發(fā)酵周期長(zhǎng)、養(yǎng)分易流失、質(zhì)量不穩(wěn)定、堆肥產(chǎn)品無(wú)害化指標(biāo)難以保證等問(wèn)題。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展及高效化應(yīng)用，接種微生物菌劑已成為堆肥發(fā)酵中的常用手段，這能加快堆肥腐熟進(jìn)程，減少臭味物質(zhì)產(chǎn)生，促進(jìn)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與生成，提高產(chǎn)品的肥效［5］。目前我國(guó)市場(chǎng)上的促腐菌劑產(chǎn)品種類繁多，質(zhì)量參差不齊，可用作腐熟劑的菌種也多達(dá)四十余種［6］。因此，需要針對(duì)不同種類的發(fā)酵物料篩選出適宜菌種，以便保證堆肥發(fā)酵效果。本試驗(yàn)通過(guò)在菜粕堆肥中添加4 種不同微生物發(fā)酵菌劑，觀測(cè)發(fā)酵過(guò)程中溫度、pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、植物種子發(fā)芽指數(shù)等主要參數(shù)的變化，評(píng)價(jià)各種微生物菌劑的促腐效果，以期篩選出適合菜粕快速發(fā)酵的腐熟菌劑，為菜粕的無(wú)害化處理和資源化利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)以菜粕（基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1）為單一原料，氧化鎂為輔料。實(shí)驗(yàn)采用的4 種微生物發(fā)酵菌劑均為市售，分別為菌劑1（河南新仰韶生物科技有限公司生產(chǎn)的腐熟劑）、菌劑2（滄州旺發(fā)生物技術(shù)研究所有限公司生產(chǎn)的秸稈腐熟劑）、菌劑3（山東未來(lái)生物科技有限公司生產(chǎn)的有機(jī)物料腐熟劑）、菌劑4（湖南山河美生物環(huán)?？萍脊煞萦邢薰旧a(chǎn)的益肥寶）。

表1 菜粕的基本理化性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)共設(shè)5 個(gè)處理，分別為：CK，菜粕+輔料；T1，菜粕+輔料+菌劑1；T2，菜粕+輔料+菌劑2；T3，菜粕+輔料+菌劑3；T4，菜粕+輔料+菌劑4。所有處理所用的菜粕、輔料均相同，堆肥物料起始碳、氮質(zhì)量比約為25，w（H2O）在45%左右，pH值約7.5。

實(shí) 驗(yàn)于2019 年6 月18 日 至2019 年7 月18 日在湖南金葉眾望科技股份有限公司廠區(qū)內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用條垛式堆肥發(fā)酵處理，先將菜粕、氧化鎂、水等原料混合，再加入發(fā)酵菌劑，充分混勻，然后將混合物料運(yùn)送至發(fā)酵槽內(nèi)，堆成高≤1.5 m的條垛狀堆體。發(fā)酵期間，堆體每天進(jìn)行1次翻拋。

1.3 采樣及分析

實(shí)驗(yàn)期間，于每天上午9∶00—10∶00（翻拋前）觀測(cè)堆體溫度，隨機(jī)取5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，溫度計(jì)插入堆體約20 cm，取平均值為當(dāng)天堆肥溫度，并記錄當(dāng)天發(fā)酵車間的室內(nèi)溫度。

實(shí)驗(yàn)期間按照五點(diǎn)取樣法在各表層（切面（≤20 cm）、中層（20 ～40 cm）、深層（≥40 cm））取樣，混勻，分析水含量、pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、酸溶蛋白含量等指標(biāo)。

物料水含量測(cè)定采用105 ℃真空烘箱法［7］；全氮（TN）測(cè)定采用凱氏定氮法［7］；有機(jī)質(zhì)（OA）含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法［7］；電導(dǎo)率（EC）采用mettler Toledo FE30k臺(tái)式電導(dǎo)率儀測(cè)定；pH值采用mettler Toledo FE20 實(shí)驗(yàn)室pH 計(jì)測(cè)定；酸溶蛋白含量測(cè)定參照GB/T 22492—2008中的方法進(jìn)行。

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）的測(cè)定：為確定堆肥的腐熟程度，在發(fā)酵10 d、15 d 和20 d 后對(duì)各處理堆肥進(jìn)行種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)。堆肥鮮樣按固液質(zhì)量比1：20加入蒸餾水浸提，200 r/min 振蕩2 h 后過(guò)濾，取濾液5 mL 于事先鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，均勻放入10 粒飽滿的黃瓜種子，在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，測(cè)定發(fā)芽率和根長(zhǎng)。每個(gè)樣品3 次重復(fù)，以蒸餾水作空白對(duì)照。按公式（1）計(jì)算種子發(fā)芽指數(shù)：

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)采用SPSS20進(jìn)行方差分析和多重比較（LSD法）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體溫度的影響

不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體溫度的影響見(jiàn)圖1。由圖1 可知，堆肥過(guò)程經(jīng)歷升溫階段、高溫階段（堆肥溫度≥55 ℃）、降溫腐熟階段，4個(gè)菌劑處理升溫階段和高溫階段的溫度顯著高于CK。從升溫速度來(lái)看，4個(gè)菌劑處理均在1 d后就達(dá)到55 ℃，比CK 提前5 d；從高溫維持時(shí)間來(lái)看，T1、T2、T3、T4 處理高溫期（55 ℃以上）維持時(shí)間分別為18、18、20、20 d，比CK 多6 ～8 d，所有處理都達(dá)到了菜粕發(fā)酵無(wú)害化衛(wèi)生要求；從堆肥最高溫度來(lái)看，T2>T1>T3>T4>CK；從堆體溫度降到50 ℃以下的堆肥時(shí)間來(lái)看，T1、T2、T3 為22 d，T4 為24 d，而CK 為28 d。綜上分析，添加不同微生物菌劑對(duì)菜粕好氧堆肥發(fā)酵的影響不同，其中T2 處理效果最佳。

圖1 不同處理對(duì)堆體溫度的影響

2.2 不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體pH值的影響

不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體pH值的影響見(jiàn)圖2。從圖2 可知，除發(fā)酵第7 ～10 天，4 個(gè)菌劑處理pH 值高于CK 外，其余4 個(gè)菌劑處理pH 值均低于CK。所有處理的pH 值均呈現(xiàn)出下降、上升、再下降的變化趨勢(shì)，CK 處理的整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中pH 值變化波動(dòng)較小，4 個(gè)菌劑處理在0 ～10 d 變化幅度較大，在發(fā)酵15 d 后，趨于平穩(wěn)，約為中性。發(fā)酵過(guò)程中pH 的降低是因?yàn)樘穷惐晃⑸锵漠a(chǎn)生有機(jī)酸、酶解粗蛋白產(chǎn)生氨基酸以及NH3的揮發(fā)，升高則是由于含氮物質(zhì)被分解產(chǎn)生NH3-N［8］。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步表明添加菌劑的堆肥中微生物分解蛋白質(zhì)及有機(jī)物的活動(dòng)較劇烈，且主要發(fā)生在發(fā)酵前10 d內(nèi)。

圖2 不同處理對(duì)堆體pH的影響

2.3 不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體電導(dǎo)率的影響

不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體電導(dǎo)率的影響見(jiàn)圖3。研究表明，當(dāng)EC 值小于9.0 mS/cm 時(shí)，對(duì)種子發(fā)芽沒(méi)有抑制作用［9］。由圖3 可知，各處理堆肥EC 值的變化趨勢(shì)整體表現(xiàn)為上升，中間呈動(dòng)態(tài)變化。發(fā)酵30 d 后，各處理的EC 值由大到小為T1>T4>T2>T3>CK，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中各處理的EC 值均介于5.5～7.5 mS/cm，符合堆肥無(wú)害化處理的要求。

圖3 不同處理對(duì)堆體電導(dǎo)率的影響

2.4 不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體有機(jī)質(zhì)含量的影響

圖4 不同處理對(duì)堆體有機(jī)質(zhì)含量的影響

不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體有機(jī)質(zhì)含量的影響見(jiàn)圖4。由圖4 可知，所有處理有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢(shì)相同，都表現(xiàn)為逐漸降低，CK 處理的有機(jī)質(zhì)含量降低幅度較小，這初步說(shuō)明，在此發(fā)酵條件下，添加微生物菌劑有利于堆肥中有機(jī)物質(zhì)的降解和轉(zhuǎn)化。最終，CK、T1、T2、T3、T4 處理的w（有機(jī)質(zhì)）較初始值分別降低了7.27%、12.12%、13.97%、15.19%、11.95%。

2.5 不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體全氮含量的影響

不同發(fā)酵菌劑對(duì)堆體全氮含量的影響見(jiàn)圖5。由圖5 可知，菜粕堆肥中全氮含量隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。添加微生物菌劑的4 個(gè)處理全氮含量增長(zhǎng)較快，增幅較大，T2 處理的全氮含量最高，固氮效果最好。

圖5 不同處理對(duì)堆體全氮含量的影響

2.6 堆肥后種子發(fā)芽指數(shù)的比較

種子發(fā)芽指數(shù)能有效反映堆肥的腐熟度與植物毒性大小，一般當(dāng)GI>50%時(shí)，認(rèn)為堆肥基本腐熟，毒性在植物可承受范圍內(nèi)，GI≥80%時(shí)，認(rèn)為堆肥已完全腐熟，沒(méi)有毒性［10］。堆肥后種子發(fā)芽

圖6 不同處理的堆肥浸提液對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)的影響

如圖6 所示，3 個(gè)發(fā)酵時(shí)間中，添加菌劑處理的黃瓜種子發(fā)芽指數(shù)均大于CK。發(fā)酵10 d時(shí)，4個(gè)菌劑處理的GI值均在50%以上，在發(fā)酵15 d 時(shí)，4個(gè)菌劑處理的GI 值均大于80%，尤其是T1、T2 處理的GI值在100%以上，表明堆肥浸提液不但已完全無(wú)毒，且對(duì)黃瓜種子的萌發(fā)有促進(jìn)作用；而CK在發(fā)酵20 d 后其GI 值才大于80%，達(dá)到完全腐熟。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明添加微生物菌劑具有提高黃瓜種子發(fā)芽指數(shù)，促進(jìn)種子生長(zhǎng)的作用，其中菌劑2 效果最好，其次為菌劑1。

2.7 堆肥后酸溶蛋白含量的比較

圖7 不同處理對(duì)堆體酸溶蛋白含量的影響

3 討論

堆肥溫度的高低不僅與發(fā)酵物料本身的特性有關(guān)，還與發(fā)酵菌劑的種類有關(guān)，它能左右微生物的活性，關(guān)乎堆肥效率，堆肥無(wú)害化衛(wèi)生要求55 ℃以上需持續(xù)5 ～7 d，以殺死堆肥中病蟲卵和有害菌［11］。本研究中，所有處理在55 ℃以上均持續(xù)了12 d 以上；添加菌劑處理達(dá)到55 ℃的時(shí)間比CK 提前了5 d，高溫維持時(shí)間延長(zhǎng)6 ～8 d，其中菌劑2 與菌劑1的效果最佳。

堆肥化的本質(zhì)就是各類有機(jī)物質(zhì)被微生物不斷分解轉(zhuǎn)化的過(guò)程，本研究中，添加菌劑的處理pH變化大于CK；電導(dǎo)率的變化與陳裕新等［12］研究結(jié)果相同，呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，表明堆肥發(fā)酵過(guò)程中養(yǎng)分離子在不斷地釋放，且表現(xiàn)為添加菌劑的處理EC 值相對(duì)較高；添加菌劑的處理有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量變化幅度大于CK，這說(shuō)明微生物菌劑有利于堆肥氮素形態(tài)的轉(zhuǎn)化與固定，減少氮流失；發(fā)酵完全后，添加菌劑的處理酸溶蛋白含量遠(yuǎn)高于CK，這說(shuō)明添加微生物菌劑能促進(jìn)堆肥中粗蛋白的降解，提高有機(jī)肥的品質(zhì)。

在本研究中發(fā)現(xiàn)，添加菌劑處理的種子發(fā)芽指數(shù)隨發(fā)酵時(shí)間的推移先升高后下降，這與大多數(shù)的研究結(jié)果并不一致。推測(cè)原因?yàn)椴似砂l(fā)酵過(guò)程中可溶性鹽逐漸增多，在一定濃度范圍內(nèi)這些可溶性物質(zhì)能促進(jìn)種子發(fā)芽和生長(zhǎng)，但濃度過(guò)高時(shí)，反而產(chǎn)生了抑制作用［13］。15 d 時(shí)，添加菌劑處理的堆肥浸提液pH 和可溶性鹽的濃度效應(yīng)相互抵消，此時(shí)浸提液對(duì)種子萌發(fā)產(chǎn)生了極顯著的促進(jìn)作用，這意味著菜粕堆肥毒性降至最低，腐熟完全［13］；但當(dāng)堆肥繼續(xù)發(fā)酵導(dǎo)致浸提液中可溶性物質(zhì)增加且pH 值降低，就產(chǎn)生了抑制作用，使發(fā)芽指數(shù)降低。CK 未出現(xiàn)上述趨勢(shì)是因?yàn)槠洳似啥逊拾l(fā)酵腐熟慢，物質(zhì)降解慢，在20 d時(shí)浸提液中可溶性物質(zhì)還未到達(dá)臨界濃度值。

綜上所述，添加微生物菌劑可加快菜粕好養(yǎng)堆肥升溫速度，提高堆體最高發(fā)酵溫度，減少發(fā)酵腐熟所需時(shí)間，減少養(yǎng)分流失，提高養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率，降低植物毒性，使堆肥的品質(zhì)得到明顯改善。在此發(fā)酵條件下，4 個(gè)微生物發(fā)酵菌劑中，菌劑2 的效果最顯著，是篩選出的適合菜粕好養(yǎng)堆肥發(fā)酵的經(jīng)濟(jì)優(yōu)良菌劑。