復合菌劑對兔糞堆肥碳氮轉(zhuǎn)化與損失的影響

張國言 董元杰 孫桂陽 于 濱 徐 珂

(山東農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院/土肥高效利用國家工程研究中心，山東 泰安 271018)

自1978年改革開放以來，我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益的同時，也帶來了嚴重的環(huán)境污染問題。我國每年產(chǎn)生38億t的畜禽糞污，綜合利用率僅為60%～80%，既是一種肥料資源的浪費，也不利于我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的綠色發(fā)展。

高溫好氧堆肥是目前處理農(nóng)業(yè)有機廢棄物的有效手段。傳統(tǒng)的自然堆肥方法存在微生物數(shù)量級低，環(huán)境適應性差等問題。人工添加外源微生物，可調(diào)節(jié)堆體菌群結(jié)構(gòu)、提高微生物活性，縮短腐熟周期，提升堆肥質(zhì)量，是好氧堆肥的常用措施。然而，好氧堆肥過程中會產(chǎn)生大量氣體逸出，造成碳氮元素的損失。已有研究表明僅氨揮發(fā)和二氧化碳釋放總量就占到整個畜禽糞便堆肥過程總損失量的50%～70%。畜禽糞便堆肥過程中加入外源微生物可以減少氮素損失，促進有機質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，提高堆體腐熟效率。在堆肥發(fā)酵的不同時期，堆體內(nèi)微生物的優(yōu)勢種群及豐度都存在很大的差異，各菌群通過協(xié)同互作共同推進堆體的氮素轉(zhuǎn)化及腐熟進程。目前多數(shù)市售菌劑微生物組成大同小異，不能滿足不同原料堆肥生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機肥的需求。此外，有關(guān)外源微生物對有機肥發(fā)酵過程中碳氮轉(zhuǎn)化、腐熟進程及影響機理的研究也鮮見報道，從而制約了高效復合菌劑的研發(fā)。

兔糞是家兔養(yǎng)殖業(yè)的主要副產(chǎn)物之一，具有養(yǎng)分豐富、重金屬含量低和酸堿度適宜等優(yōu)點。我國兔糞年產(chǎn)量可達1.4億t，但缺乏有效的利用方式，這既是一種資源的浪費也會對環(huán)境造成污染；香油渣是利用芝麻進行香油生產(chǎn)后的廢棄殘渣，據(jù)統(tǒng)計，我國2020年香油渣產(chǎn)量已達50萬t以上。香油渣含有大量的粗蛋白、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)，是一種豐富的蛋白質(zhì)資源，但其目前主要利用途徑為畜禽飼料，在有機肥生產(chǎn)方面的應用研究鮮有報道。前期研究發(fā)現(xiàn)，兔糞和香油渣混合發(fā)酵制備有機肥，發(fā)酵效率高、產(chǎn)品品質(zhì)好。這可能與其含有高效的土著降解菌種有關(guān)。

因此，本研究擬將前期試驗篩選到的高效纖維素降解菌進行優(yōu)化組合，得到自制纖維素降解復合菌劑，以兔糞和香油渣為發(fā)酵材料，與商品菌劑和自然發(fā)酵處理堆肥進行對比，研究自制纖維素降解復合菌劑與功能菌不同配比的復合菌劑對堆肥氮素積累和堆體腐解進程的影響，探討不同配比的復合菌劑對堆體不同發(fā)酵階段碳氮動態(tài)變化的影響及微生物作用機制，以期為兔糞堆肥高效促腐和養(yǎng)分減損發(fā)酵菌劑的研發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堆肥原料兔糞取自山東省泰安市附近養(yǎng)殖場，香油渣取于泰安市某小磨香油廠，木屑購自于建材市場，粉碎后備用，基本理化性質(zhì)見表1。

自制纖維素降解復合菌劑菌種來自兔糞與香油渣自然發(fā)酵不同時期堆體中篩選得到的優(yōu)勢高纖維素酶活菌種，本實驗室前期研究中，將纖維素作為唯一碳源將可利用纖維素完成代謝活動的菌株進行富集、分離與純化，利用剛果紅染色與濾紙崩解試驗進行產(chǎn)纖維素酶菌株的初篩，而后通過測定各菌株羧甲基纖維素酶(CMCase)、濾紙酶(FPA)和β-葡萄糖苷酶(β-Gase)進行酶活復篩，篩選共得到7株高酶活纖維素降解菌株，各菌株相似性比對結(jié)果如表2所示。利用拮抗試驗確定各菌株之間無拮抗作用,將菌株隨機組合構(gòu)建復合菌系(表3)并測定酶活。酶活測定結(jié)果如表4所示，表中各組合均為試驗測定得到相同菌株數(shù)量下的酶活最高組合。當復合菌系中CMCase酶活為(141.89±1.41) U/mL，F(xiàn)PA酶活為(104.56±1.74) U/mL，β-Gase酶活為(131.18±1.26) U/mL，7株菌共同使用酶活最高。因此，本復合菌劑組成菌株確定為：里氏木霉、蕈狀芽胞桿菌、費格森埃希菌、灰綠曲霉、普通變形桿菌、粘質(zhì)沙雷氏菌和谷氨酸棒桿菌，試驗菌種均為本實驗室保存并傳代穩(wěn)定的菌株。功能菌種為常見的酵母菌、固氮菌和乳酸菌，購自南昌科暢生物科技有限公司。市售菌劑選用常見EM微生物菌劑，購自普天試劑有限公司。

表1 堆肥材料理化性質(zhì)
Table 1 Physical and chemical characters of initial composting material

原料Materialw(有機碳)/%Organic carbonw(全氮)/%Total nitrogenC/Nw(含水率)/%Water contentpH兔糞Rabbit manure36.312.1616.8168.826.95香油渣Sesame oil cake62.076.928.9711.62—木屑Wood chip60.710.43141.1912.74—

表2 菌株相似性比對結(jié)果
Table 2 Comparison results of strain similarity

菌株Strain相似菌株Closest relative相似度/%SimilarityA-2Trichoderma reesei strain SP02PU (MG018728.1)99.83B-3Escherichia marmotae strain HT073016 (NR_136472.1)99.02C-2Proteus alimentorum strain 08MAS0041 (NR_163665.1)99.64C-4Aspergillus glaucus strain CBS 529.65 (MH870342.1)99.12D-1Bacillus paramycoldes strain MCCC 1A04098 (NR_157734.1)98.69D-3Corynebacterium glutamicum strain ATCC 13032 (NR_074663.1)98.46Z-1Serratia marcescens subsp. Marcescens ATCC 13880 (NR_113236.1)98.33

表3 不同組合菌株組成
Table 3 Composition of strains in different combinations

編號No.菌株組合Strains association種子液體積比Seed liquid volume ratioⅠA-2、D-11∶1ⅡA-2、B-3、D-31∶1∶1ⅢA-2、D-1、D-3、Z-11∶1∶1∶1ⅣA-2、C-2、C-4、D-1、D-31∶1∶1∶1∶1ⅤA-2、B-3、C-4、D-1、D-3、Z-11∶1∶1∶1∶1∶1ⅥA-2、B-3、C-2、C-4、D-1、D-3、Z-11∶1∶1∶1∶1∶1∶1

注：各組合均為相同菌株數(shù)量下酶活最高組合。

Note: Each combination in the figure is the highest enzyme activity combination under the same number of strains.

表4 不同菌株組合的復合菌系酶活性
Table 4 Enzyme activities of the consortia with different combinations of the strains U/mL

編號No.CMCaseFPAβ-GaseⅠ28.35±0.7923.09±2.3622.16±1.25Ⅱ47.74±0.9449.41±0.7951.49±1.12Ⅲ68.78±1.4769.82±0.6572.01±1.47Ⅳ89.48±1.3074.50±1.1082.61±1.88Ⅴ127.13±1.7281.47±0.83107.89±1.10Ⅵ141.89±1.41104.56±1.74131.18±1.26

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2021-05-17 —2021-06-12在山東農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院實驗站進行，發(fā)酵周期為26 d。將

m

(兔糞)∶

m

(香油渣)按1∶1(干基)混勻，每桶發(fā)酵底料加入0.834 kg木屑(干基)為輔料調(diào)節(jié)碳氮比至25∶1，并加水調(diào)節(jié)堆體含水率60%左右，pH 7.0～7.5。同時按0.5%接種量(鮮重)均勻噴灑液體菌劑(稀釋于500 mL蒸餾水中)。試驗共設(shè)6個處理，分別為不添加菌劑處理(CK)、EM菌劑處理(EM)、(纖維素降解)自制復合菌劑處理(CR)、

V

(功能菌劑)∶

V

(自制復合菌劑)=1∶1配比處理(CAR1)、

V

(功能菌劑)∶

V

(自制復合菌劑)=1∶2配比處理(CAR2)、

V

(功能菌劑)∶

V

(自制復合菌劑)=1∶3配比處理(CAR3)，每個處理設(shè)3次重復。自制復合菌劑由7株優(yōu)勢纖維素降解菌株等體積比配制而成，各菌株體積分數(shù)均為14.3%，有效活菌數(shù)≥2×10cfu/mL。功能菌劑為3種常見功能菌種(酵母菌、固氮菌和乳酸菌)等體積組合所得，各菌種活菌數(shù)≥10cfu/mL。各堆體物料與添加菌劑(控制有效活菌數(shù)均保持在2.0～2.11 10cfu/mL)混合均勻后(CK處理添加等體積的液體培養(yǎng)基)裝入容積100 L的密閉聚氯乙烯發(fā)酵桶內(nèi)，進行強制通風靜態(tài)發(fā)酵，采用連續(xù)硼酸-氫氧化鈉吸收法測定堆體NH和CO的揮發(fā)速率及累積量，具體裝置如圖1，發(fā)酵桶頂端及底部開有直徑2 cm的通氣孔并連接軟管，進氣孔與空氣壓縮機(ACO-318型)相連，使用流量計控制進氣量保持為120 mL/min，連續(xù)通風以保證堆體好氧發(fā)酵順利，進氣口前放置帶膠塞的廣口瓶，分別裝入硫酸溶液和NaOH溶液以去除空氣中的水分和氨氣等氣體影響，出氣口放置裝有1升2%硼酸溶液和1 mol/L的NaOH溶液的廣口瓶，以用于測定堆肥過程中產(chǎn)生的NH及CO排放量。

圖1 堆肥發(fā)酵裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of composting equipment

1.3 樣品采集及試驗方法

分別于堆肥第0、2、6、12、20、26天取樣后翻堆，每個處理沿對角線取5個點采取等量的樣品，混勻后采用四分法取樣，每次采集3個重復樣品，以保證取樣的代表性。將樣品分為兩份，一份進行風干、研磨，另一份保存于-80 ℃冰箱待測。測定指標及方法如下：

每天14點采用便攜式溫度傳感器檢測堆體溫度，隨機挑取5個點進行測定，取平均值作為實際溫度。含水率通過新鮮樣品105 ℃烘干至恒重進行測定，將新鮮樣品與去離子水以1 g∶10 mL(

m

∶

V

)混合后，水平搖床振蕩1 h，靜置30 min后使用pH計(PHS-3C型)和電導率儀(DDS-11A型)進行測定。全氮采用硫酸-過氧化氫消煮，凱氏全自動定氮儀測定，堿解氮測定參照土壤堿解擴散法。硝銨態(tài)氮采用1 mol/L的KCl浸提，全自動連續(xù)流動分析儀(AA3,德國)測定。氨氣和二氧化碳采用硼酸和氫氧化鈉吸收，吸收液由標準濃度稀硫酸滴定進行測定。有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定，參照文獻測定樣品總腐殖酸含量。取新鮮堆肥樣品5 g與蒸餾水按固液比1∶10充分混勻，搖床振蕩2 h，過濾后取10 mL濾液3 000 r/min離心10 min，吸取5 mL上清液于平鋪濾紙的培養(yǎng)皿(直徑為90 mm)中，并放置30粒小白菜種子，同時設(shè)置蒸餾水處理為對照組，25 ℃條件下培養(yǎng)箱培養(yǎng)48 h后測定發(fā)芽率及根長，每個處理3次重復，計算公式如下：

GI=(浸提液種子發(fā)芽率×種子根長)/

(蒸餾水種子發(fā)芽率×種子根長) ×100%

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 21軟件進行統(tǒng)計分析，采用Excel 2019和Origin 2021進行處理與繪圖，采用鄧肯(Duncan)法進行差異顯著性檢驗(

P

<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復合菌劑對堆肥過程中溫度、pH、含水率和電導率的影響

不同復合菌劑堆肥過程中主要發(fā)酵參數(shù)變化見圖2?？梢姡簭亩逊实?天到第26天，各處理溫度均呈現(xiàn)先急劇上升后下降的趨勢。CR和CAR3升溫最快，在第3天均高于50 ℃，除CK外，各菌劑處理均在第6天到達最高溫，CR溫度最高，CAR3次之；各處理中自制復合菌劑比例越高，高溫持續(xù)期越長，說明添加自制復合菌劑可加速堆體升溫，延長高溫時間。由圖2(b)可見：除CK的pH在初期略微下降外，各菌劑處理pH值均迅速上升，并在第6～7天達到最大值，隨后在一定范圍內(nèi)上下波動，并緩慢下降直到堆肥結(jié)束。CAR3的pH峰值最大，較初始提高了19.86%，說明其有機酸分解較快。由圖2(c)可見：各處理含水率均呈下降趨勢，前9天下降速率較為迅速，隨后逐漸變緩。在堆肥結(jié)束時，各菌劑處理含水率均低于30%，CR含水率最低，較初始下降了59.19%，下降速率較CK提高了13.68%，與其微生物代謝最旺盛有關(guān)。由圖2(d)可見：各堆體的EC值均呈先上升后下降的趨勢，添加自制復合菌劑的堆體EC值上升更為迅速，其中CR的EC值最先到達峰值。以上結(jié)果表明自制復合菌劑添加量越高，堆體發(fā)酵速度越快。

CK，不添加菌劑；EM，EM商品菌劑；CR，(纖維素降解)自制復合菌劑；CAR1，V(功能菌劑)∶V(自制復合菌劑)=1∶1；CAR2，V(功能菌劑)∶V(自制復合菌劑)=1∶2；CAR3，V(功能菌劑)∶V(自制復合菌劑)=1∶3。下同。 CK, no bacterial agent; EM, EM commercial microbial agent; CR, (cellulose degradation) self-made composite bacterial agent; CAR1, V (functional bacterial agent)∶V (self-made composite bacterial agent)=1∶1; CAR2, V (functional bacterial agent)∶V (self-made composite bacterial agent)=1∶2; CAR3, V (functional bacterial agent)∶V (self-made composite bacterial agent)=1∶3. The same below.圖2 不同復合菌劑堆肥過程中堆體理化性質(zhì)的變化Fig.2 Changes of physicochemical properties of compost with different compound bacterial agents

2.2 不同復合菌劑對堆肥過程中碳素轉(zhuǎn)化的影響

2

.

2

.

1

有機質(zhì)和總腐殖酸的變化堆肥過程中有機質(zhì)和總腐殖酸含量變化見表5。可知：各處理堆體有機質(zhì)含量均呈下降趨勢，至堆肥結(jié)束時，各堆體有機質(zhì)降解率大小順序為CR(36.10%)>CAR3(34.17%)>CAR2(32.63%)>CAR1(26.54%)>EM(23.34%)>CK(18.73%)。CR有機質(zhì)含量較CK顯著降低了24.49%(

P

<0.05)且降解率最高，說明全自制復合菌處理降解高纖維材料迅速，有利于有機質(zhì)的快速礦化。CAR3有機質(zhì)降解率略低于CR，但總腐殖酸含量最高，與CR相比顯著增加了11.92%(

P

<0.05)，說明添加適宜比例的功能菌劑更有利于腐殖酸的形成。因此，CAR3不僅促進有機質(zhì)的較快降解，而且更利于總腐殖酸的合成，腐殖化效果最優(yōu)。

表5 堆肥過程中有機質(zhì)和腐殖酸含量的變化
Table 5 Changes of organic matter and humic acid content during composting %

處理Treatment有機質(zhì)Organic matter總腐殖酸Total humic acid 0 d26 d26 dCK89.70±3.12 a72.90±1.59 a9.56±0.29 eEM87.33±0.54 a66.95±1.22 ab12.31±0.76 dCR86.14±0.36 a55.05±0.33 c13.86±0.76 bcCAR188.23±4.79 a64.81±4.66 b13.21±0.39 cdCAR285.41±3.47 a57.54±4.17 c14.75±0.24 abCAR384.57±6.46 a55.68±6.61 c15.52±0.45 a

注：同列數(shù)據(jù)不同字母表示差異顯著(<0.05)，相同字母表示差異不顯著(>0.05)。下表同。

Note: Within the same column, different letters represent significant differences (<0.05), while the same letters represent no significant differences (>0.05). The same below.

2

.

2

.

2

二氧化碳排放

堆肥過程中二氧化碳排放情況見圖3?？梢姡憾逊食跗冢鞫洋w溫度迅速升高，有機質(zhì)大量降解，CO日排放量迅速上升至最大值。除CK和EM外，CR、CAR1～3均在第4天達到峰值，CR最高，較其他處理提高3.69%～29.80%。說明自制復合菌劑含量最高的CR好氧發(fā)酵劇烈，產(chǎn)生大量CO，CAR3次之。發(fā)酵10 d后，各處理CO排放速率迅速下降至穩(wěn)定。由圖3(b)可見：各處理CO累積量呈先指數(shù)性增長后緩慢增加的趨勢。堆肥結(jié)束時，各堆體累積量高低順序為CR>CAR2>CAR3>CAR1>EM>CK。CR、CAR2和CAR3較CK分別提高33.75%、22.03%和15.78%，說明添加自制復合菌劑可促進有機質(zhì)降解和CO排放。

圖3 堆肥過程中二氧化碳排放速率(a)和累積排放量(b)Fig.3 Emission rate (a) and cumulative emission (b) of CO2 during composting

2.3 不同復合菌劑對堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化的影響

2

.

3

.

1

全氮、有機氮及堿解氮的變化堆肥過程中全氮、有機氮及堿解氮含量變化見表6?？芍焊魈幚砣砍氏冉档秃笊叩淖兓厔?。在堆肥第6天，堆體升溫迅速，大量有機氮被分解，堆體全氮含量迅速下降。堆肥結(jié)束時，各堆體全氮含量較初始有所提高，這是堆肥過程中有機質(zhì)降解引發(fā)的“濃縮效應”導致的。CAR3含量最高，除CAR2外，CAR3全氮含量相比其他處理均達到顯著性差異(

P

<0.05)，增加了7.94%～19.81%。隨著堆肥進程的結(jié)束，各處理有機氮含量均有所增加，增幅順序為CAR3>CAR2>CR>CAR1>EM>CK，CAR3比初始增加了30.97%，且與其他處理之間差異顯著(

P

<0.05)，表明該處理對于減少氮素損失，促進氮素向有機態(tài)氮轉(zhuǎn)化效果最好。發(fā)酵結(jié)束時，CAR3堿解氮含量較CK顯著增加了26.55%(

P

<0.05)，而僅含有自制復合菌劑的CR只增加了17.09%，說明功能菌劑與自制復合菌劑協(xié)同使用更有利于堆肥氮素向無機氮和小分子有機氮轉(zhuǎn)化，可提高堆肥產(chǎn)品的速效養(yǎng)分含量。

2

.

3

.

2

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化

堆肥過程中硝銨態(tài)氮含量變化見圖4。如圖4(a)可見：各堆體銨態(tài)氮含量呈急劇上升后快速下降的趨勢，堆肥第6天左右達到峰值，各菌劑處理銨態(tài)氮峰值較CK提高13.55%～24.60%，CAR3最高，說明CAR3高溫期氨化作用最為強烈。至堆肥結(jié)束時，CK銨態(tài)氮含量最高，較其他處理增加24.50%～64.70%。由圖4(b)可見：各處理硝態(tài)氮含量呈先緩慢后迅速升高的趨勢。發(fā)酵初期，堆體溫度高且pH急劇上升，抑制了硝化細菌的生長，各處理硝態(tài)氮含量幾乎保持不變。隨著高溫期的結(jié)束，具備硝化作用的微生物逐漸成為優(yōu)勢菌群，各處理硝態(tài)氮含量迅速升高。堆肥結(jié)束時，各菌劑處理硝態(tài)氮含量較CK增加62.85%～101.45%，CAR1最高，表明功能菌劑與自制復合菌劑1∶1配比時，最利于硝化作用的進行。

2

.

3

.

3

氨氣揮發(fā)速率和積累量

堆肥過程中氨氣揮發(fā)情況見圖5。如圖5(a)所示：各處理氨氣揮發(fā)速率呈發(fā)酵初期急速上升，中期波動下降，后期快速降低直至穩(wěn)定的趨勢。各堆體氨揮發(fā)速率均在第6～8天達到最大值，CAR1峰值最高，CR最低，兩者相差5.05%，說明各處理氨揮發(fā)峰值差異不明顯。堆肥結(jié)束時，各處理氨揮發(fā)速率均下降至穩(wěn)定范圍內(nèi)。由圖5(b)可見：各處理氨揮發(fā)累積量在堆肥初期迅速升高，4～10 d內(nèi)呈線性增加，而后逐漸平穩(wěn)。堆肥結(jié)束時，CAR3累積量最小，比CK減少了10.28%，說明功能菌劑與自制復合菌劑1∶3配比協(xié)同處理不僅能降低高溫期氨揮發(fā)峰值，還有效減少了其他時期氨氣揮發(fā)量，最利于氮素的積累。

2.4 不同復合菌劑對堆肥產(chǎn)品腐熟度的影響

堆肥結(jié)束時各堆體發(fā)酵產(chǎn)品腐熟情況見表7?？芍篊K的小白菜種子發(fā)芽率明顯低于其他堆體，而各菌劑處理之間無顯著性差異，說明添加微生物菌劑可以促進種子萌發(fā)，但效果差異不大。各堆體根長表現(xiàn)為CAR3效果最好，比CK和蒸餾水處理顯著增加了56.70%和40.74%(

P

<0.05)，說明功能菌劑與自制復合菌劑1∶3配比最有利于種子生根，可能與其腐熟程度高，微生物區(qū)系較豐富有關(guān)。各處理GI值表現(xiàn)為CAR3>CAR2>CR>CAR1>EM>CK。添加自制復合菌劑的處理GI值比CK顯著提高了39.32%～75.77%(

P

<0.05)，促生效果明顯，說明自制復合菌劑可以有效提高堆肥產(chǎn)品腐熟程度。發(fā)酵結(jié)束時，各處理碳氮比大小為CK>EM>CAR1>CAR2>CR>CAR3，CAR3最低，較CK顯著降低了36.33%(

P

<0.05)，說明該處理發(fā)酵過程中有機碳轉(zhuǎn)化量最大，全氮含量提升最多，最利于堆體發(fā)酵腐熟。

圖4 堆肥過程中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的變化Fig.4 Changes of ammonium and nitrate nitrogen content during composting

圖5 堆肥過程中氨氣排放速率和累積排放量Fig.5 Emission rate and cumulative emission of NH3 during composting

表7 堆肥結(jié)束時各處理種子發(fā)芽勢和碳氮比
Table 7 Germination index and / of each treatment at the end of composting

處理Treatment發(fā)芽率/%Germination percentage根長/cmRoot lengthGI/%Germination indexC/N空白91.11±0.05 ab2.16±0.36 cdCK82.22±0.05 b1.94±0.13 d81.05±0.05 d10.94±0.45 aEM86.67±0.07 ab2.40±0.66 bcd105.69±0.08 c9.43±0.54 bCR87.78±0.02 ab2.84±0.26 ab126.67±0.03 b7.43±0.11 cCAR188.89±0.07 ab2.50±0.34 bc112.92±0.09 c8.90±0.65 bCAR293.33±0.03 a2.88±0.33 ab136.59±0.05 ab7.46±0.53 cCAR392.22±0.02 a3.04±0.27 a142.46±0.03 a6.96±0.81 c

3 討 論

3.1 不同配比復合菌劑對堆體發(fā)酵條件和腐熟度的影響

溫度、pH、含水率和電導率等發(fā)酵工藝參數(shù)是影響有機肥發(fā)酵過程的重要因素，不僅控制著堆體分解腐熟進程，同時對堆體中碳氮元素的遷移轉(zhuǎn)化也具有重要影響。溫度是堆肥進程中各生理生化過程順利進行的基礎(chǔ)，是堆肥成功的決定性因素。本研究表明，添加自制復合菌劑的處理溫度峰值比CK明顯提高，到達高溫期時間大大縮短，全部達到無害化標準，其中自制復合菌劑含量最高的CR效果最好。Xu等研究表明，在堆肥中添加纖維素降解菌種，對于促進堆體升溫，延長高溫時間，加速堆肥腐熟具有重要作用。這與本研究結(jié)果一致。這是自制復合菌劑有利于纖維素降解，能產(chǎn)生大量能源物質(zhì)，使堆體內(nèi)微生物迅速增殖并進行生命活動降解有機質(zhì)，同時釋放大量熱導致的。pH是影響堆體礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化與氮素損失的重要因素，也對微生物活性和堆肥腐熟影響較大。有研究表明，pH在堆肥前期迅速上升，穩(wěn)定范圍內(nèi)波動并在后期下降的現(xiàn)象是堆肥腐熟的重要標志。本試驗各添加自制復合菌劑處理pH變化均符合腐熟標志。CAR3的pH峰值最高，這與該堆體微生物生命活動劇烈，小分子酸代謝迅速有關(guān)。CK的pH始終較低，影響了微生物對有機質(zhì)的降解，是造成CK堆體高溫期滯后的主要原因，這與徐瑞蔓等的研究結(jié)果一致。含水率對微生物活性與堆體通透性具有重要影響。本研究發(fā)現(xiàn)，各添加自制復合菌劑處理含水率降幅遠大于CK和EM，與其升溫迅速、微生物氧化分解作用劇烈有關(guān)。說明自制復合菌劑對于堆體發(fā)酵腐熟有明顯的改善效果。陳威旺研究表明，添加外源菌劑可以促進堆體微生物生命活動，有利于堆體含水率的下降，對堆肥好氧發(fā)酵具有積極作用。這與本研究結(jié)果相符。電導率是代表堆體可溶性鹽含量和腐熟程度的重要指標，其變化趨勢與有機質(zhì)降解速率密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，添加自制復合菌劑處理的EC值變化明顯優(yōu)于CK與EM，堆肥結(jié)束時，只有CK 的EC值超過4 mS/cm，對種子有毒害作用。說明自制復合菌劑有利于堆肥腐熟，發(fā)酵前期可以加速有機質(zhì)的分解，產(chǎn)生大量可溶性鹽使EC值升高，后期則促進腐殖質(zhì)的形成，降低游離態(tài)養(yǎng)分離子含量以保持EC值適宜，利于種子萌發(fā)，這與常瑞雪等的研究結(jié)果一致。碳氮比是堆肥微生物繁殖和反映腐熟狀況的重要指標。薛晶晶等研究表明，堆肥發(fā)酵過程中碳氮有機物分解速率的不同步導致碳氮比呈下降趨勢。本研究表明，堆肥結(jié)束時，全部堆體碳氮比較初始明顯下降，除CK和EM外，各添加自制復合菌劑堆體的碳氮比遠低于10，可認為腐熟良好，說明自制復合菌劑能通過改善發(fā)酵參數(shù)，調(diào)控碳氮素分解轉(zhuǎn)化強度，達到降低碳氮比，促進堆肥腐熟和減少碳氮損失的目的，這與陳雪嬌等研究結(jié)果一致。種子發(fā)芽指數(shù)是評價堆肥產(chǎn)品生物毒性和堆體腐熟狀況的生物學指標。Zucconi等認為GI>50%時，堆肥基本無毒性，GI>80%時，達到腐熟標準。本研究結(jié)果表明，添加自制復合菌劑處理的GI值較CK顯著升高，均達到110%以上，CAR3最高。這表明功能菌與自制復合菌劑1∶3配施具有更好的協(xié)同作用，可以提高堆肥中活性物質(zhì)含量，利于種子生根及根系生長，促生效果最好。時小可等研究表明，堆肥中添加纖維素降解菌株可以顯著提高GI值，促進發(fā)酵原料中有害物質(zhì)的降解，利于堆肥腐熟。這與本研究結(jié)果一致。

3.2 不同配比復合菌劑對碳素損失轉(zhuǎn)化的影響

堆肥的實質(zhì)是微生物降解轉(zhuǎn)化有機廢棄物的生理生化過程，碳是微生物進行生命活動不可缺少的能量來源，也是有機物分解轉(zhuǎn)化的基本元素。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著自制復合菌劑添加量的增加，各堆體有機質(zhì)降解速率迅速升高，分解更徹底，CAR3效果最優(yōu)。史龍翔和王義祥等研究表明，堆肥過程中有機質(zhì)降解，碳損失轉(zhuǎn)化受到發(fā)酵材料、溫度、含水率、微生物等多種因素共同影響，但微生物因素影響較大，接種纖維素降解菌株有利于促進有機質(zhì)的礦化分解，此結(jié)論與本試驗結(jié)果一致。

在好氧發(fā)酵過程中，微生物分解有機質(zhì)產(chǎn)生水和CO并釋放能量。因此，CO排放量可以反映堆體降解速度及微生物代謝強度，但作為碳損失的主要途徑和溫室氣體的重要組分，減少CO排放十分必要。本研究發(fā)現(xiàn)，CR堆體CO日排放速率始終保持領(lǐng)先，這與它升溫最快，含水率降幅最大，堆體通透性好，因此微生物活性最高，有機質(zhì)礦化作用最強有關(guān)。堆肥結(jié)束時，CR的CO累積量最大，表明其對于有機質(zhì)的分解效果最好，但不利于碳素保存。堆肥前期CAR3的CO排放速率僅次于CR，后期排放速率則迅速降低，至堆肥結(jié)束時CO累積量遠低于CR而總腐殖酸生成量最高。表明CAR3既可以改善發(fā)酵參數(shù)，提高堆體腐熟效率，又能通過功能菌和自制復合菌劑的協(xié)同作用促進碳轉(zhuǎn)化保留，減少碳損失。這可能是CAR3添加適宜比例功能菌，可以提高堆肥腐殖酸縮合度、芳構(gòu)化程度及活性所致，此結(jié)果與王義祥等的研究結(jié)果相符。

3.3 不同配比復合菌劑對氮素損失轉(zhuǎn)化的影響

氮是微生物進行代謝及生物合成的必需元素，也是堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的重要養(yǎng)分指標。在堆肥發(fā)酵過程中，各種形態(tài)氮素的相互轉(zhuǎn)化是一個非常復雜的過程，與各階段微生物組成、堆體理化性質(zhì)變化密切相關(guān)。馬麗紅等研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥過程中添加木霉及腐熟堆肥，顯著提高了堆體全氮和有機氮含量。本研究表明，在堆肥結(jié)束時，與CK和EM相比，添加自制復合菌劑的處理全氮、有機氮及堿解氮含量均有所提升。一方面由于加入自制復合菌劑改善了堆體發(fā)酵參數(shù)，有利于有機質(zhì)的降解，“濃縮效應”導致氮素含量的相對增加；另一方面則是高酶活纖維素降解菌有利于纖維素的降解，產(chǎn)生大量易降解的碳源物質(zhì)-葡萄糖，從而改善了堆體易降解碳氮元素比例，提高了微生物的氨同化能力，有利于抑制氨揮發(fā)，減少氮揮發(fā)損失。這與常瑞雪、MENG等的研究結(jié)果一致。

氨同化作用是堆肥微生物利用銨態(tài)氮在谷氨酸脫氫酶作用下，與α-酮戊二酸結(jié)合生成谷氨酸，并最終轉(zhuǎn)化為生物態(tài)有機氮的過程。氨揮發(fā)是堆肥過程中氮素損失的主要途徑，也是減少氮素損失的重要突破口。本研究表明，在堆肥高溫期，各處理氨氣揮發(fā)速率均達到峰值，但隨著自制復合菌劑添加比例的增加，各處理氨揮發(fā)峰值呈降低趨勢。CR在高溫期本應氨氣揮發(fā)最嚴重，但由于其微生物活性強，碳素三羧酸循環(huán)效率快，氨同化底物含量高，微生物氨同化作用強烈，大量銨態(tài)氮被轉(zhuǎn)化為生物態(tài)氮得以固定，因此氨揮發(fā)峰值最低，這與前人發(fā)現(xiàn)微生物可以通過氨同化作用顯著減少堆肥氨揮發(fā)量，提高氮素積累的研究結(jié)果一致。自制復合菌劑促進氨同化作用的原因可能是含有大量的谷氨酸棒桿菌，這是一種能夠生產(chǎn)谷氨酸脫氫酶并進一步合成谷氨酸的菌株，同時，芽孢桿菌屬微生物也是常見具備氨同化能力的菌種，兩者均能促進堆體中氮素向生物態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。各堆體氨揮發(fā)累積量表明，堆肥結(jié)束時CAR3氨揮發(fā)累積量低于CR，且有機氮和堿解氮含量較CR有所提高，其原因可能是CAR3除添加自制復合菌劑外，還有酵母菌、固氮菌等功能菌株可以起到協(xié)同的作用。潘飛等研究表明，堆肥中加入纖維素降解菌和固氮菌協(xié)同處理，對于堆體氨揮發(fā)的抑制和有機氮的轉(zhuǎn)化效果顯著，這與本研究結(jié)果一致。

劉玉婷研究表明，氨同化是不同微生物在堆肥發(fā)酵的早中晚期接替進行，綜合作用的結(jié)果。CR僅含有自制復合菌劑，只有高溫期氨同化作用較強，降低了氨揮發(fā)峰值，當腐熟期其他微生物區(qū)系發(fā)揮作用時，CR的氨同化作用減弱，導致氨揮發(fā)量升高，也可能是功能菌的缺失導致只有一部分谷氨酸順利轉(zhuǎn)化為有機氮得以保存。而添加了功能菌劑的CAR3氨同化作用全程順利進行，氨同化量逐漸占據(jù)上風，最終氨揮發(fā)累積量最低，有機氮轉(zhuǎn)化量最大。CAR3銨態(tài)氮含量在高溫期達到峰值，而堆肥結(jié)束時最低，表明CAR3微生物活性強，前期氨化作用強烈產(chǎn)生大量銨態(tài)氮，隨后氨同化作用使銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的微生物有機氮得以保存，而不是通過氨揮發(fā)途徑大量損失。堆肥結(jié)束時CAR3硝態(tài)氮含量較低，也表明CAR3減少的銨態(tài)氮是通過氨同化作用部分轉(zhuǎn)化為有機態(tài)氮，而非全部通過硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。自制復合菌劑的添加有利于提高堆體氨同化作用，減少高溫期氨揮發(fā)量，添加適量的功能菌劑，可通過不同微生物區(qū)系的協(xié)同作用促進堆體發(fā)酵各階段的氨同化和硝化作用，有利于氮素的固定轉(zhuǎn)化。

4 結(jié) 論

本研究以兔糞和香油渣為好氧發(fā)酵材料，研究了不同復合菌劑對堆肥過程中碳氮轉(zhuǎn)化與損失的影響。主要結(jié)果如下：

1)本試驗條件下，各處理中自制復合菌劑添加量越大，高溫峰值更高、高溫期持續(xù)時間更長，含水率降幅增大，有機質(zhì)降解速率加快，主要發(fā)酵參數(shù)得到明顯優(yōu)化，發(fā)酵更迅速，腐熟更徹底。

2)

V

(功能菌劑)∶

V

(自制復合菌劑)=1∶3配比添加的CAR3堆體碳氮比下降迅速，GI值顯著提高，CO排放量較CR降低13.43%，總腐殖酸含量顯著增加11.92%，NH揮發(fā)量比CK減少10.28%，有機氮含量顯著提升19.74%，堆體腐殖化與氨同化作用強烈，有利于提高堆體發(fā)酵效率與養(yǎng)分固持能力，其促進堆肥腐熟和減少碳氮損失的效果最優(yōu)。