不同復(fù)合菌劑對(duì)羊糞堆肥發(fā)酵處理影響比較研究

岳林芳，李蘊(yùn)華，成立新，鳳 英，喬健敏，劉佳森，王志銘，寶 華，于朝暉，薛占嶺

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；2.通遼市動(dòng)物衛(wèi)生監(jiān)督所，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國(guó)畜牧業(yè)大省，2019 年羊存欄量5 975.9 萬(wàn)只［1］。 規(guī)?；蝠B(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)大，帶來(lái)了畜禽糞污處理問(wèn)題。大量畜禽糞污隨意堆放和低效處理， 集中產(chǎn)生的惡臭氣體引起家畜生產(chǎn)性能下降，造成空氣、土壤和水體污染，使環(huán)境惡化，影響人們的健康，浪費(fèi)了大量寶貴的養(yǎng)分資源［2-3］。 羊?qū)儆诓菔硠?dòng)物，糞便中含有較多有機(jī)質(zhì)， 經(jīng)堆肥處理轉(zhuǎn)化成具有改善土壤質(zhì)量功效的絕佳肥料［4］。 但羊糞中含有較多不易被降解的纖維素類(lèi)物質(zhì)［5］。 纖維素和半纖維素等物質(zhì)在堆肥過(guò)程中降解緩慢，需要的腐熟時(shí)間較長(zhǎng)，因此，這類(lèi)物質(zhì)的有效降解成為制約堆肥處理的瓶頸［6］。在傳統(tǒng)自然堆肥處理中， 存在于原料中的初始微生物數(shù)量和種類(lèi)較少， 纖維素類(lèi)物質(zhì)降解速率較慢，堆肥發(fā)酵溫度不高，難以完全殺滅糞污中的大量蟲(chóng)卵、病原菌和雜草種子，導(dǎo)致所需的堆肥腐熟時(shí)間變長(zhǎng)；堆制過(guò)程中散發(fā)臭味，產(chǎn)生蚊蠅，污染空氣， 氨氣大量散發(fā)， 使堆肥的氮素養(yǎng)分流失嚴(yán)重，導(dǎo)致物料肥效下降［7-8］。

在堆肥發(fā)酵過(guò)程中， 微生物菌群結(jié)構(gòu)變化迅速，而且多種微生物存在協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了堆肥的動(dòng)態(tài)過(guò)程［9-10］。將纖維素降解菌、EM 等微生物制劑添加到堆肥處理中， 其生命活動(dòng)促使堆體升溫加快， 持續(xù)一段時(shí)間的高溫能徹底殺滅物料中的雜草種子、蟲(chóng)卵和致病菌，使堆肥腐熟進(jìn)程提前，肥效提高。 堆肥處理減輕了畜禽糞污帶來(lái)的污染，同時(shí)得到的有機(jī)肥料能夠代替一部分化肥， 實(shí)現(xiàn)了畜禽糞便的資源化利用，因此，對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行無(wú)害化處理和資源化利用的首選方式是堆肥化處理［11-12］。

該研究利用內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院畜牧研究所畜禽養(yǎng)殖資源化利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)項(xiàng)目組） 篩選、 優(yōu)化選育后的糞污復(fù)合微生物菌劑，添加在羊糞堆肥處理過(guò)程中，測(cè)定發(fā)酵過(guò)程中的堆肥溫度、含水率、pH 值、E4/E6值、種子發(fā)芽指數(shù)及堆肥感官變化， 對(duì)比研究自主研制的糞污發(fā)酵劑與市售發(fā)酵劑對(duì)堆肥腐熟進(jìn)程的影響。 該研究擬為今后實(shí)現(xiàn)大規(guī)模堆肥處理奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

堆肥試驗(yàn)在錫林郭勒盟內(nèi)蒙古德美純種肉羊種羊場(chǎng)進(jìn)行。 堆肥試驗(yàn)中添加的復(fù)合微生物菌劑包括項(xiàng)目組前期自主研制的糞污腐熟劑1、 優(yōu)化后的糞污腐熟劑2 和市售某品牌糞污腐熟劑。 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分組見(jiàn)表1，糞污腐熟劑1、糞污腐熟劑2 詳細(xì)成分見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分組

表2 糞污腐熟劑1、糞污腐熟劑2 詳細(xì)成分單位：108 CFU/g

1.2 堆肥試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 堆體的建立堆肥原料為羊板糞、鮮羊糞、稻草，三者的鮮重比為3∶2∶1，稻草粉碎至長(zhǎng)度≤5 cm，發(fā)酵劑與堆肥原料比例為0.4%（質(zhì)量比）；發(fā)酵劑接種前，菌劑先與麩皮以1∶10（質(zhì)量比）混合，并攪拌均勻，撒入堆肥原料；調(diào)節(jié)物料含水率至（55±5）%，控制標(biāo)準(zhǔn)為“用手緊握一團(tuán)物料，無(wú)液體流出，且松手后物料不散為宜”；堆體呈圓錐形，堆高1.2～1.4 m，直徑2～3 m。 試驗(yàn)設(shè)4 個(gè)組，空白組為未接種任何發(fā)酵劑的堆肥， 試驗(yàn)組1 為接種糞污腐熟劑1 的堆肥， 試驗(yàn)組2 為接種糞污腐熟劑2的堆肥， 試驗(yàn)組3 為接種市售某品牌糞污腐熟劑的堆肥。 堆肥周期為35 d（2020 年5 月16 日—6月20 日），堆肥翻拋采用機(jī)械翻堆，自然通風(fēng)。 圖1 為堆肥示意圖。

圖1 堆肥示意圖

1.2.2 堆肥管理堆肥發(fā)酵過(guò)程中， 堆溫達(dá)到50 ℃時(shí)，翻堆1 次；堆體溫度繼續(xù)升高，達(dá)到60 ℃左右時(shí)，翻堆1 次；堆肥繼續(xù)發(fā)酵，高溫（50～65 ℃）維持15 d 左右，在高溫發(fā)酵過(guò)程中，堆體溫度不宜高于70 ℃，每當(dāng)堆體溫度達(dá)65 ℃左右時(shí)，則需進(jìn)行翻堆降溫通氧；進(jìn)入后腐熟期，間隔4～5 d 翻堆1 次，堆體溫度逐漸下降，直至接近環(huán)境溫度。

1.2.3 堆肥樣品采集堆制過(guò)程中， 使用溫度計(jì)觀測(cè)并記錄每天的環(huán)境溫度和堆體中心溫度，在堆肥第0 天、第7 天、第14 天、第21 天、第28天、第35 天分別進(jìn)行樣品采集， 用于檢測(cè)堆肥樣品pH值、含水率和種子發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)，并記錄堆肥顏色、氣味和狀態(tài)等表觀特征，用來(lái)判斷糞肥腐熟進(jìn)程。

1.3 分析測(cè)試方法

將堆肥物料充分翻堆混勻后，采集樣品，每份樣品質(zhì)量約1 200 g， 用于測(cè)定堆肥pH 值、 含水率、E4/E6值和種子發(fā)芽指數(shù)。

1.3.1 堆肥溫度使用溫度計(jì)， 從堆體頂部分別垂直插入堆體20～30 cm、50～60 cm 和80～90 cm深度， 在每天9：00、13：00 和17：00 測(cè)量并記錄堆體溫度和當(dāng)天的環(huán)境溫度， 每天堆體溫度值為3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的平均值。

1.3.2 堆肥含水率先將試驗(yàn)用鋁盒烘干至恒重，質(zhì)量為m0；稱(chēng)取堆肥樣品約20.0 g，質(zhì)量為m1；105 ℃烘干4～6 h，冷卻至恒重，質(zhì)量為m2，含水率計(jì)算公式：含水率=（m0+m1-m2）/m1×100%。

1.3.3 堆肥pH值取堆肥樣品10.0 g，與蒸餾水按1∶10（質(zhì)量比）混勻，于室溫下160 r/min 振搖30～40 min，過(guò)濾后，浸提液用于pH 值測(cè)定。

1.3.4 堆肥E4/E6值利用分光光度計(jì)測(cè)定“1.3.3”項(xiàng)下所得水浸提液在465 nm 和665 nm 的吸光度值， 將465 nm 處吸光度值除以665 nm 處吸光度值，得出E4/E6值。

1.3.5 種子發(fā)芽指數(shù)選用小白菜種子20 粒，試驗(yàn)組用“1.3.3”項(xiàng)下所得水浸提液5 mL 于鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，空白組取蒸餾水5 mL 于鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，于25 ℃培養(yǎng)箱，黑暗條件培養(yǎng)48 h，測(cè)定種子發(fā)芽率和根長(zhǎng)， 計(jì)算種子發(fā)芽指數(shù)（germination index，GI）：種子發(fā)芽指數(shù)（GI）%=（試驗(yàn)組發(fā)芽率×試驗(yàn)組根長(zhǎng)）/（空白組發(fā)芽率×空白組根長(zhǎng)）×100%［13］。

1.3.6 氣味與色度采用人工判別方法 （4 人以上）分別定性判別發(fā)酵堆體的感官性狀。堆體顏色分為黃棕色、暗褐色和深褐色；氣味分為臭味、微氨、微臭和微土腥味；顆粒度分為團(tuán)塊狀、塊狀和無(wú)塊狀（松散）［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥溫度

堆體溫度可以作為較為直觀的堆肥腐熟指標(biāo)，隨著堆肥的進(jìn)行，堆體內(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化會(huì)導(dǎo)致溫度的變化［15］。 堆肥過(guò)程是一個(gè)堆體溫度變化的過(guò)程，堆溫直接反映堆肥腐熟程度。 由圖2 可知，根據(jù)堆體溫度變化，堆肥過(guò)程可分為3 個(gè)階段：升溫階段（0～5 d）、高溫階段（6～28 d）和降溫腐熟階段（29～35 d）。 堆肥發(fā)酵期間，環(huán)境溫度15～30 ℃。

該結(jié)果顯示，1 d 后4 組堆肥溫度均開(kāi)始上升，3 d 時(shí)空白組為45.6 ℃，3 個(gè)試驗(yàn)組均達(dá)50 ℃左右，均高于空白組；之后堆體溫度繼續(xù)升高，試驗(yàn)組陸續(xù)達(dá)到60 ℃以上，高于空白組；21 d時(shí)3 個(gè)試驗(yàn)組均達(dá)到最大值， 分別為63.5、67.0、64.1 ℃，高于空白組的最高堆肥溫度58.3 ℃；之后4 組均逐漸下降，35 d 時(shí)接近環(huán)境溫度。 此外，由圖2 可知，試驗(yàn)組2 的升溫速率快于試驗(yàn)組1、試驗(yàn)組3 和空白組。從圖2 和表3 可知，堆肥過(guò)程中接種腐熟劑可以加快堆體升溫， 試驗(yàn)組2 和試驗(yàn)組3 維持高溫發(fā)酵時(shí)間最長(zhǎng)， 保持一定時(shí)間的較高溫度可以有效殺死堆體中的蟲(chóng)卵、 病原菌和雜草種子等。溫度是堆肥微生物活動(dòng)的標(biāo)志，也是堆肥腐熟與否的關(guān)鍵指標(biāo)之一［14］。

表3 堆肥溫度變化

圖2 堆肥溫度變化

2.2 堆肥含水率

堆體含水率是影響堆肥效果的重要參數(shù)，堆肥中微生物生長(zhǎng)繁殖和進(jìn)行分解活動(dòng)的必要條件之一是水分［16］。 好氧堆肥的速率和堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量受到含水量的直接影響［17］。當(dāng)含水率過(guò)低，低于30%時(shí)，將影響微生物的新陳代謝活動(dòng)和正常生長(zhǎng)繁殖，不利于微生物分解有機(jī)物，不能順利開(kāi)始堆肥發(fā)酵［18］；而含水率過(guò)高，超過(guò)70%，堆體出現(xiàn)供氧不足，呈現(xiàn)厭氧狀態(tài)，產(chǎn)生大量臭氣，不利于好氧微生物代謝，堆肥發(fā)酵速率降低［19］。 因此， 在堆肥開(kāi)始前要調(diào)節(jié)好堆肥物料的含水率，使物料保持良好的氣體流通狀態(tài)，滿(mǎn)足微生物活動(dòng)需要［6］。

堆肥水分含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖3。 結(jié)果顯示，4組堆肥初始時(shí)水分含量均在60%以上， 試驗(yàn)組1為65.13%、 試驗(yàn)組2 為66.35%、 試驗(yàn)組3 為65.05%、空白組為63.53%，相差不大。 之后4 組堆肥含水量均開(kāi)始下降，相比空白組，3 個(gè)試驗(yàn)組水分含量降低較快，且試驗(yàn)組2 降低最快。 第35 天時(shí)試驗(yàn)組1、試驗(yàn)組2、試驗(yàn)組3、空白組堆肥的水分 含 量 分 別 降 至27.15% 、25.97% 、28.03% 、42.30%，試驗(yàn)組2 的含水率最低。 總體而言，堆肥結(jié)束時(shí)3 個(gè)試驗(yàn)組的含水率均符合農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《有機(jī)肥料》（NY 525—2012）的要求（<30%）［20］。結(jié)果表明， 添加糞污腐熟劑提高了堆肥水分散失率。

圖3 堆肥含水率變化示意圖

2.3 堆肥pH 值

堆肥pH 值測(cè)定值見(jiàn)圖4。 結(jié)果顯示隨著堆肥發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，pH 值出現(xiàn)波動(dòng)，但均介于7.98～8.85。 在堆肥過(guò)程中，微生物適宜的pH 值環(huán)境通常是中性和弱堿性（7.5～8.5），微生物分解有機(jī)物效率最高，而pH 值過(guò)低或過(guò)高均會(huì)影響堆肥發(fā)酵的正常進(jìn)行［21］。

圖4 堆肥pH 值變化示意圖

3 個(gè)試驗(yàn)組的堆肥pH 值均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，在堆肥過(guò)程中，由于堆制初期微生物生長(zhǎng)繁殖活動(dòng)旺盛， 蛋白質(zhì)和有機(jī)酸等物質(zhì)不斷被分解，產(chǎn)生氨化作用，促使堆體pH 值先上升；但發(fā)酵一段時(shí)間后，尤其在堆肥后腐熟過(guò)程中，微生物活動(dòng)逐漸變?nèi)酰?致使堆肥pH 值又逐漸下降［22］。發(fā)酵第35 天時(shí)試驗(yàn)組1、試驗(yàn)組2、試驗(yàn)組3 堆肥的pH 值分別為8.03、7.98、8.09，均呈現(xiàn)出偏堿性，且均符合農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《有機(jī)肥料》（NY 525—2012） 的要求 （5.5～8.5）［20］， 而空白組pH 值為8.58，稍高于農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 由分析可知，添加糞污腐熟劑加快了堆肥有機(jī)質(zhì)降解速率， 試驗(yàn)組堆肥發(fā)酵速率優(yōu)于空白組。

2.4 堆肥E4/E6 值

E4/E6值指堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的腐殖酸類(lèi)物質(zhì)在465 nm 和665 nm 處特異吸收峰值的比值。 E4/E6值可以有效應(yīng)用于堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)，E4/E6值越小表明堆肥腐熟度越高［6］。

如圖5 所示， 堆肥初期，4 組的E4/E6初始值在5.00 以上。 隨著堆肥時(shí)間的增加，堆體的E4/E6值逐漸降低。 在堆肥結(jié)束時(shí)（第35 天），試驗(yàn)組1、試驗(yàn)組2、 試驗(yàn)組3 的E4/E6值均較空白組低，表明添加糞污腐熟劑提高了堆體的腐熟度。 試驗(yàn)組2 的E4/E6值最低，說(shuō)明堆肥腐熟程度最高。

圖5 堆肥E4/E6 值變化示意圖

2.5 堆肥種子發(fā)芽指數(shù)

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是檢測(cè)堆肥腐熟程度的最佳指標(biāo)，能夠可靠、靈敏地反映堆肥對(duì)植物的毒性作用［7］。 GI 值是目前應(yīng)用較為廣泛的堆肥無(wú)害化處理評(píng)價(jià)指標(biāo)， 未腐熟的堆肥產(chǎn)品含有植物毒性物質(zhì)。 一般認(rèn)為當(dāng)堆肥產(chǎn)品的發(fā)芽指數(shù)≥90%時(shí)，可認(rèn)為堆肥完全腐熟［23］。

堆肥種子發(fā)芽指數(shù)的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。結(jié)果顯示，4 組種子發(fā)芽指數(shù)均隨著堆肥發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)而升高。 堆制初期，試驗(yàn)組1、試驗(yàn)組2、試驗(yàn)組3、 空白組的種子發(fā)芽指數(shù)分別為18.6%、19.9%、20.7%、21.9%， 試驗(yàn)組1 和試驗(yàn)組2 在第14 天的種子發(fā)芽指數(shù)均達(dá)到50%以上，分別為50.3%、52.8%；第28 天試驗(yàn)組1、試驗(yàn)組2、試驗(yàn)組3 的堆肥種子發(fā)芽指數(shù)分別為80.5%、86.4%、81.3%，空白組為69.3%；第35 天試驗(yàn)組1、 試驗(yàn)組2、 試驗(yàn)組3 的種子發(fā)芽指數(shù)分別達(dá)94.5%、108.5%、101.3%， 均徹底完成無(wú)害化處理（堆肥完全腐熟），空白組為75.3%，未完全腐熟。 結(jié)果表明，接種糞污腐熟劑可促使糞肥腐熟進(jìn)程加快，提前完成堆肥無(wú)害化處理，添加市售腐熟劑和項(xiàng)目組研發(fā)的腐熟劑的糞肥無(wú)害化處理進(jìn)程類(lèi)似，試驗(yàn)組2 的種子發(fā)芽指數(shù)最高，腐熟度最高。

圖6 堆肥種子發(fā)芽指數(shù)變化

2.6 堆肥感官變化

在堆肥發(fā)酵過(guò)程中，對(duì)堆肥顏色、氣味、形態(tài)等表觀特征進(jìn)行了記錄， 結(jié)果見(jiàn)表4。 堆制開(kāi)始時(shí)，4 組堆肥均呈現(xiàn)黃棕色， 有明顯的羊糞味；隨著堆肥發(fā)酵時(shí)間逐漸增加，堆體顏色變深，臭味漸漸加重又慢慢淡去。 發(fā)酵終點(diǎn)，堆肥35 d 時(shí)，3 個(gè)試驗(yàn)組的堆體均呈深褐色， 無(wú)臭味且有輕微土腥味，較松散，有白色菌絲，不吸引蚊蠅，無(wú)蟲(chóng)卵，說(shuō)明堆肥已經(jīng)完全腐熟?？瞻捉M的堆體呈暗褐色，微臭味，局部有團(tuán)塊，吸引蚊蠅，深層孳生少量的蟲(chóng)卵，未完全腐熟。

表4 發(fā)酵堆肥表觀特征記錄 單位：d

3 討論

該研究以不同發(fā)酵時(shí)間段的堆肥為采樣對(duì)象，測(cè)定各組堆肥的溫度、pH 值、含水率、E4/E6值和種子發(fā)芽指數(shù)指標(biāo)，并記錄堆肥顏色、氣味和狀態(tài)等表觀特征。 堆肥過(guò)程中試驗(yàn)組2 升溫速率快于試驗(yàn)組1 和試驗(yàn)組3，空白組升溫速率最慢；發(fā)酵終點(diǎn)（第35 天），試驗(yàn)組1、試驗(yàn)組2、試驗(yàn)組3、空白組堆肥的水分含量分別降至27.15%、25.97%、28.03%、42.30%；3 個(gè)試驗(yàn)組堆肥的pH 值分別為8.03、7.98、8.09，空白組pH 值為8.58；3 個(gè)試驗(yàn)組的E4/E6值分別為2.35、1.80、2.53， 試驗(yàn)組均較空白組（3.00）低；試驗(yàn)組的種子發(fā)芽指數(shù)分別達(dá)94.5%、108.5%、101.3%， 均徹底完成無(wú)害化處理（堆肥完全腐熟），空白組為75.3%（未完全腐熟），試驗(yàn)組2 種子發(fā)芽指數(shù)最高，腐熟度最高。

發(fā)酵終點(diǎn)，3 個(gè)試驗(yàn)組的堆體均呈深褐色，無(wú)臭味且有輕微土腥味，較松散，有白色菌絲，不吸引蚊蠅，無(wú)蟲(chóng)卵，說(shuō)明堆肥已經(jīng)完全腐熟。 空白組的堆體呈暗褐色，微臭味，手感粗糙，局部有團(tuán)塊，吸引蚊蠅，深層孳生少量的蟲(chóng)卵，未完全腐熟。 試驗(yàn)結(jié)果表明將糞污腐熟劑接種在堆肥物料中，可以促使堆體升溫，加快堆肥水分散失，提高有機(jī)質(zhì)降解速率和堆肥腐熟程度， 加快糞肥無(wú)害化處理進(jìn)程，縮短堆肥周期，因此，項(xiàng)目組研發(fā)優(yōu)化后的腐熟劑2 加快堆肥腐熟進(jìn)程效果更顯著。