不同組合微生物菌劑對(duì)牛糞堆肥效果的影響

張業(yè)懷 凌丁* 王天想 呂貴律 黃安定

（1.廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣西 南寧 530007；2.廣西崇左市天等縣馱堪鄉(xiāng)水產(chǎn)畜牧獸醫(yī)站，廣西 崇左 532806）

廣西桂西山區(qū)農(nóng)村，多數(shù)農(nóng)戶以養(yǎng)牛和種植玉米作物作為家庭主要的經(jīng)濟(jì)來(lái)源。牛糞和廢棄農(nóng)作物秸稈成為了農(nóng)村主要的農(nóng)業(yè)固體廢棄物［1］。牛糞的隨意堆放及農(nóng)作物秸稈燃燒產(chǎn)有害氣體已經(jīng)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成了污染［2］。隨著養(yǎng)殖的發(fā)展，農(nóng)業(yè)廢棄物造成的環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，人們循環(huán)利用意識(shí)逐漸增強(qiáng)，作為生物質(zhì)能源的農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便的無(wú)害化處理和資源化利用越來(lái)越受到人們的重視。因此，廢棄農(nóng)作物秸稈和養(yǎng)殖糞污合理處置，已成為鄉(xiāng)村振興以及農(nóng)村生態(tài)環(huán)境治理工作重中之重。

目前，將牛糞和廢棄的農(nóng)作物秸稈混合后投加一定的微生物菌劑進(jìn)行好氧堆肥，是農(nóng)村處理畜禽養(yǎng)殖糞污和作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的主要手段［3］。

好氧堆肥是指在充分供氧條件下，主要利用堆體內(nèi)好氧微生物對(duì)物料進(jìn)行發(fā)酵腐化的過(guò)程。在堆肥過(guò)程中微生物菌群最終把一部分有機(jī)物氧化成簡(jiǎn)單小分子的無(wú)機(jī)物，并釋放出能量，把另一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化合成自身物質(zhì)，供微生物群增殖所需。

發(fā)酵腐熟后的有機(jī)肥回用于農(nóng)田中可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用的同時(shí)，保護(hù)了山清水秀鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境。前人大量研究證明，促進(jìn)好氧堆肥快速發(fā)酵腐熟的有效途徑是在堆體物料中投加外源微生物菌劑。外源微生物依據(jù)合適的生長(zhǎng)溫度可分為低溫、中溫和高溫微生物。低溫外源微生物和堆肥中的原位微生物協(xié)同作用可加速堆肥初期有機(jī)物質(zhì)的分解，一些高溫微生物在堆肥的高溫期促進(jìn)堆體快速升溫，同時(shí)也能分泌多種纖維素酶類促進(jìn)難降解的木質(zhì)纖維素的降解，因而能縮短整個(gè)堆肥周期［4］。

盧洋洋等（2021）研究表明，在堆肥過(guò)程中，添加外源性菌劑能夠增加堆體高溫期持續(xù)的時(shí)間，有效地促進(jìn)堆體內(nèi)了有機(jī)物的降解，加快了堆肥的腐熟進(jìn)程［5］。金香琴等研究了投加由不同比例組成的不同微生物菌劑對(duì)牛糞好氧堆肥過(guò)程的影響，研究結(jié)果證實(shí)了投加復(fù)合微生物菌劑對(duì)畜禽糞便堆肥資源化利用具有明顯的促進(jìn)效果［6］。

目前，研究投加外源性微生物菌劑能加快完成堆肥好氧發(fā)酵過(guò)程報(bào)道比較多，而且現(xiàn)在市場(chǎng)上流通的微生物菌劑品種多樣，比如具有廣譜性腐熟劑的菌種則達(dá)40 多種，各類質(zhì)量也參差不齊，使用者難以鑒別，而且不同地域養(yǎng)殖糞污中原位微生物種類、秸稈種類及堆肥環(huán)境也差別較大。

因此，有必要篩選出合適廣西桂西山區(qū)地域牛糞堆肥的微生物菌劑，以促進(jìn)堆肥發(fā)酵，提高堆肥質(zhì)量。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，課題研究團(tuán)隊(duì)自我設(shè)計(jì)了由黑曲霉、煎盤梭菌、普通高溫放線菌、熱纖梭菌組成的3 種不同的微生物菌劑，通過(guò)設(shè)計(jì)堆肥投加菌劑和不投加菌劑處理，探討不同的微生物菌劑對(duì)牛糞好氧堆肥發(fā)酵效果影響，以期篩選出適合廣西桂西山區(qū)地域當(dāng)?shù)嘏＜S堆肥發(fā)酵的菌劑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)所概況

試驗(yàn)于2022 年5 月2 日至6 月2 日在天等縣尚智養(yǎng)殖專業(yè)合作社養(yǎng)殖生產(chǎn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)當(dāng)年當(dāng)月日平均最低23℃，最高日平均氣溫31℃。

1.2 試驗(yàn)材料

牛糞：肉?；旌霞S便。玉米秸稈：從周邊農(nóng)戶提供。微生物菌劑：試驗(yàn)供試微生物菌劑有3 種，分別是菌劑A、菌劑B、菌劑C，其中菌劑A 主要由黑曲霉、煎盤梭菌、普通高溫放線菌等組成；菌劑B 主要由黑曲霉、煎盤梭菌、熱纖梭菌等組成；菌劑C 主要由黑曲霉、煎盤梭菌等組成。菌劑中有效活菌數(shù)＞80 億cuf/g。所有菌種由中國(guó)微生物菌種保藏管理中心提供，菌劑由廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)微生物實(shí)驗(yàn)室自制。堆肥物料的營(yíng)養(yǎng)成份及pH值見(jiàn)表1。

表1 堆肥物料的營(yíng)養(yǎng)成份及pH 值

1.3 試驗(yàn)方法

參照李季等［7］報(bào)道，研究將堆肥發(fā)酵條件調(diào)整為C/N 為28.75∶1，含水量為60%，pH 值為7.22。試驗(yàn)設(shè)四個(gè)處理，分別投加菌劑A、B、C 和不投加菌劑自然發(fā)酵，分別記為：菌劑A、菌劑B、菌劑C 和對(duì)照組。根據(jù)玉米秸稈和牛糞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量，將牛糞與玉米秸稈切碎混合并調(diào)整物料C/N 值為25~30，按物料總量添加1%玉米粉作為輔料，調(diào)節(jié)含水量至60%，混合物料初始碳氮比為28.75∶1，含水量為60%，pH 值7.22。添加微生物菌劑量為0.05%（W/W），充分拌勻后堆置。不同處理組的物料配比見(jiàn)表2。

表2 不同處理組的物料配比

每日于10：00~10：30 和16：00~16：30，用土壤溫度計(jì)測(cè)定堆體頂尖表層下30 cm 處溫度，同時(shí)記錄當(dāng)天的環(huán)境溫度。每10 d人工翻堆1次，第1、5、15、25、30、31 d從垂直高度1/2 處的堆體外側(cè)表面由外向內(nèi)不同深度分4 點(diǎn)取樣，充分混合后，檢測(cè)樣品的pH 值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量及種子發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)。

1.3.1 pH 值測(cè)定

將樣品與超純水按1∶10（質(zhì)量濃度）比例混合，室溫下按180 r/min 振蕩1 h 后，取上清液用pH 計(jì)測(cè)定。

1.3.2 有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定

采用干燥加熱法，即將樣品干燥至恒重，然后放入電熱恒溫干燥箱中烘干，再稱重計(jì)算出有機(jī)質(zhì)含量。全氮含量采用硫酸-過(guò)氧化氫消煮、堿化后用蒸餾定氮的方法測(cè)定。

1.3.3 種子發(fā)芽指數(shù)測(cè)定

采用種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)法。取10 g 新鮮樣品，加入100 mL 純水，振蕩30 min，室溫下浸提1 晝夜，取上清液用快速濾紙過(guò)濾，濾液備用。在直徑90 mm培養(yǎng)皿內(nèi)放入相應(yīng)大小的一張濾紙并鋪平，均勻的撒入20 粒均勻度一致的小白菜種子，用移液器取5.0 mL 堆肥濾液加入培養(yǎng)皿中。并置于（25±1）℃、80%濕度培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。觀察結(jié)果，測(cè)種子發(fā)芽率和根長(zhǎng)，并計(jì)算種子發(fā)芽指數(shù)GI。種子發(fā)芽指數(shù)（GI）=（堆肥濾液處理的種子發(fā)芽率×堆肥濾液處理的種子根長(zhǎng)）/（純水處理的種子發(fā)芽率×純水處理的種子根長(zhǎng)）×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)Excel2003 進(jìn)行處理，且采用DPS 進(jìn)行方差分析，運(yùn)用Duncan’s 法進(jìn)行多重比較，p ＜0.05 表示組間差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同組合菌劑處理對(duì)堆體發(fā)酵溫度影響

不同組合菌劑處理對(duì)堆體發(fā)酵溫度影響不同。由表3 可以看出，在整個(gè)堆肥期間，環(huán)境溫度的變化幅度在23.0~31.0℃之間。菌劑A、菌劑B、菌劑C 處理的堆肥溫度上升快，只需1 d 可升至50℃，不加菌劑的對(duì)照組需5 d 才進(jìn)入50℃階段。不同組合菌劑處理的堆體高溫階段持續(xù)時(shí)間均比不加菌劑的對(duì)照組長(zhǎng)，其中菌劑A 高溫持續(xù)時(shí)間15 d，菌劑B 為14 d。對(duì)照組高溫階段持續(xù)時(shí)間最短，僅為2 d，且最高溫度僅為50.0℃。在本實(shí)驗(yàn)條件下從堆肥溫度變化結(jié)果可以看出，菌劑A、菌劑B 處理結(jié)果較為理想。堆體溫度上升是由于堆體內(nèi)微生物分解有機(jī)物和合成自身物質(zhì)過(guò)程產(chǎn)熱積累的結(jié)果。各處理組使用的菌劑不同，因而溫度上升的快慢及維持高溫時(shí)間也不相同。

表3 不同組合菌劑處理對(duì)堆體發(fā)酵溫度影響

2.2 不同組合菌劑對(duì)堆肥pH 值的影響

在有機(jī)肥堆肥發(fā)酵過(guò)程中，pH 值隨著時(shí)間和溫度的變化而變化。pH 值增高主要是堆體物料在微生物作用下將有機(jī)氮分解產(chǎn)生大量的NH4+-N而引起的；pH 值降低是堆體內(nèi)原位及投加的產(chǎn)酸微生物對(duì)環(huán)境底物利用后其代謝產(chǎn)酸而導(dǎo)致的。從表4 可以看出，各組pH 值均表現(xiàn)為先下降、再上升、下降至穩(wěn)定的趨勢(shì)，試驗(yàn)組pH 值基本低于對(duì)照組。發(fā)酵至第5 d 時(shí)以菌劑B 組pH 值為最高且整個(gè)發(fā)酵期間pH 值變化幅度最大，其次為菌劑A、菌劑D 變化最小。

表4 不同組合菌劑處理對(duì)堆肥pH 值的影響

2.3 對(duì)堆體全氮含量影響

不同菌劑處理堆體前后全氮含量有差異。由表5可知，發(fā)酵5天后3個(gè)試驗(yàn)組氮含量均低于對(duì)照組；15 d 氮含量最高為菌劑C 組，25 d 最高為菌劑A 組，至30 d 時(shí)最高為菌劑B 組。到堆肥結(jié)束時(shí)所有組別全氮含量均高于堆肥前，增幅在11.01%~33.94%之間且試驗(yàn)組均高于對(duì)照組。初步說(shuō)明，投加菌劑能促進(jìn)堆體內(nèi)氮的轉(zhuǎn)化，不同菌劑對(duì)氮轉(zhuǎn)化能力也不一樣，菌劑B 較處理前全氮量增加最多。

表5 不同組合菌劑處理堆肥前后全氮含量變化

2.4 對(duì)堆體有機(jī)質(zhì)含量的影響

堆體中的有機(jī)質(zhì)是微生物生命活動(dòng)所需要的養(yǎng)分和能量的主要來(lái)源，有機(jī)質(zhì)含量下降反映了微生物分解物料中纖維素、木質(zhì)素的能力。表6 顯示，堆肥發(fā)酵至30 天后，3 個(gè)試驗(yàn)組有機(jī)質(zhì)含量均低于對(duì)照組，以菌劑B 組含量最低。與堆肥發(fā)酵前相比，4 個(gè)組有機(jī)質(zhì)含量均下降，對(duì)照組和菌劑A、菌劑B、菌劑C 組分別下降12.34%、26.14%、31.55%、19.88%?？梢?jiàn)，堆體物料中投加菌劑有利于有機(jī)物質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化。3 個(gè)試驗(yàn)組以菌劑B 組發(fā)酵最徹底。

表6 不同組合菌劑處理對(duì)堆體有機(jī)質(zhì)含量的影響 %

2.5 堆肥種子發(fā)芽試驗(yàn)

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是判斷堆肥的生物安全性和腐熟度的重要參數(shù)。從表7 可以看出，菌劑B 組小白菜種子發(fā)芽指數(shù)（GI）均值為97.73%，生物安全性和腐熟程度最好；其次為菌劑A 組96.53%；菌劑D 組最低，僅為49.17%。說(shuō)明堆肥沒(méi)有腐熟完全，施入土壤后未充分發(fā)酵的有機(jī)肥也會(huì)再次發(fā)酵，對(duì)植物生長(zhǎng)不利。試驗(yàn)組發(fā)芽指數(shù)（GI）顯著高于對(duì)照組（P ＜0.05），3 個(gè)試驗(yàn)組發(fā)芽指數(shù)平均值顯著高于對(duì)照組，菌劑A、菌劑B、菌劑C 組比對(duì)照組提高的百分比分別為96.31%、98.76%、51.78%，說(shuō)明投加菌劑處理的堆肥的生物安全性和腐熟度比不投加的高。

表7 堆肥30 d 種子發(fā)芽指數(shù)測(cè)定結(jié)果

3 討論

堆肥主要是通過(guò)微生物的作用將廢棄物無(wú)害化、資源化的過(guò)程。微生物通過(guò)自身分解和種間的相互作用將堆體物料中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為熱量、CO2、氫及生物量和腐殖質(zhì)。因此，在堆肥中加入降解能力強(qiáng)及代謝產(chǎn)物能互相利用的外源微生物能促進(jìn)腐熟、提高發(fā)酵效果。本試驗(yàn)采用由黑曲霉、煎盤梭菌、普通高溫放線菌及熱纖梭菌不同菌種構(gòu)成的菌劑作為牛糞堆肥的添加菌劑，這些菌株各具有不同功能。黑曲霉在堆肥早期對(duì)升溫有明顯作用，能加快堆肥進(jìn)程［7］，黑曲霉發(fā)酵后產(chǎn)生大量的廢棄菌絲體，附加值高［8］；煎盤梭菌抗逆性強(qiáng)，有碳水化全物存在時(shí)生長(zhǎng)旺盛，能利用黑曲霉酶系對(duì)物料分解后的產(chǎn)物如葡萄糖、半纖維素等多種碳水化合物，最后產(chǎn)生大量醋酸和丁酸，酸性環(huán)境有利于堆肥中嗜酸微生物生長(zhǎng)，讓堆肥發(fā)酵更徹底；普通高溫放線菌，最適生長(zhǎng)溫度60℃，堆肥高溫階段促進(jìn)堆體物料進(jìn)一步降解。熱纖梭菌能夠在堆肥高溫環(huán)境下以纖維素及其降解產(chǎn)物纖維二糖與纖維糊精為碳源，將底物發(fā)酵。而且，熱纖梭菌分泌的多種纖維素酶、半纖維素酶能形成多酶復(fù)合體（纖維小體），多酶復(fù)合體（纖維小體）降解纖維素能力優(yōu)于單一纖維素酶，具有高效快速降解纖維素能力［9］。

試驗(yàn)結(jié)果表明，由不同菌種構(gòu)成的菌劑堆肥效果是不相同。全氮含量和種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是檢驗(yàn)堆肥質(zhì)量和腐熟度的重要指標(biāo)。

本研究中，堆肥30 d 時(shí)各處理全氮含量大于堆肥的初始0 d 時(shí)，B 組全氮含量最高，較處理前增幅高達(dá)33.94%。

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）被業(yè)界認(rèn)為是最可靠的堆肥腐熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。李季等［10］報(bào)道，堆肥基本腐熟時(shí)對(duì)種子基本無(wú)毒性，其種子發(fā)芽指數(shù)大于50%；堆肥完全腐熟時(shí)無(wú)毒性，其種子發(fā)芽指數(shù)大于85%。生產(chǎn)上完全腐熟的堆肥才能安全使用，可提高作物產(chǎn)量。未完全腐熟的養(yǎng)殖糞污堆肥施用后對(duì)農(nóng)作物會(huì)造成很大傷害，造成農(nóng)作物燒苗現(xiàn)象，未被滅活的病原微生物亦可通過(guò)土壤傳播擴(kuò)散等。劉克鋒等研究表明，加入菌劑能促進(jìn)堆肥腐熟，提高堆體物料發(fā)酵產(chǎn)物質(zhì)量，提高種子發(fā)芽指數(shù)［11］。本研究中菌劑A、菌劑B 組種子發(fā)芽指數(shù)（GI）均在96.53%以上，實(shí)現(xiàn)完全腐熟，種子發(fā)芽指數(shù)（GI）B 優(yōu)于A。

以上結(jié)果表明，菌劑B 組處理堆肥效果較菌劑A、菌劑C 組好，主要原因之一或許是菌劑B 中含有熱纖梭菌菌種，熱纖梭菌除了具有的高效快速降解結(jié)晶纖維素能力外，在生長(zhǎng)穩(wěn)定期還會(huì)釋放出多酶復(fù)合體纖維小體，使游離酶的表達(dá)量進(jìn)一步增加，有利于熱纖梭菌不斷從周圍資源中消化降解更多纖維素，產(chǎn)生更多的可溶性糖類。當(dāng)堆肥后期堆溫下降45℃至37℃時(shí)（溫度合適煎盤梭菌生長(zhǎng)），在大量可溶性糖類環(huán)境下，煎盤梭菌再一次恢復(fù)活力，生長(zhǎng)代謝旺盛，將前期發(fā)酵階段未分解完全的有機(jī)物再次分解利用，使堆體物料進(jìn)一步降解，讓發(fā)酵更徹底，達(dá)到最佳腐熟狀態(tài)。原因之二或許是堆肥中原位微生物與投加微生物之間存在競(jìng)爭(zhēng)，投加菌劑B 比菌劑A、菌劑C 更有竟?fàn)幜Γ?2］。

4 結(jié)論

在堆肥過(guò)程中，添加外源性微生物菌劑能夠提高堆肥溫度，明顯縮短升溫時(shí)間，延長(zhǎng)高溫期，有效地促進(jìn)堆體物料腐熟，顯著提高堆肥產(chǎn)物全氮含量和種子發(fā)芽指數(shù)，通過(guò)分析堆肥產(chǎn)物中各指標(biāo)變化，本研究中加入菌劑B 堆肥效果最好，此菌劑中菌種間協(xié)同作用達(dá)到最佳狀態(tài)，因而促進(jìn)堆肥腐熟，提高肥效，適合推廣應(yīng)用。

通過(guò)本研究還發(fā)現(xiàn)，自然堆肥不易起溫。雖然添加普通高溫放線菌達(dá)到最高溫度，但堆肥中氮含量明顯降低，影響肥效；因此在以后同類研究中，須進(jìn)一步探索既可延長(zhǎng)高溫持續(xù)時(shí)間又不影響有機(jī)肥氮含量的菌劑菌種構(gòu)成及配比，以達(dá)到最佳的堆肥效果，確保堆肥質(zhì)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增收，助推鄉(xiāng)村振興。