?微生物菌劑對(duì)豬糞-稻糠混合堆肥的影響?

摘要：為了研究微生物菌劑應(yīng)用于生豬糞污堆肥的實(shí)際效果，以篩選到的具有較強(qiáng)有機(jī)物分解能力和高溫耐受性的2種菌株（枯草芽孢桿菌和釀酒酵母菌）為材料，設(shè)置不添加菌劑（CK）、添加菌劑1（T1）、添加菌劑2（T2）共3個(gè)處理，開(kāi)展了堆肥試驗(yàn)。結(jié)果表明：添加2種微生物菌劑均有助于加速豬糞堆體升溫，效果T2優(yōu)于T1；添加2種微生物制劑可以降低豬糞堆肥的電導(dǎo)率，從而降低堆肥對(duì)土壤可能帶來(lái)的鹽漬化影響，效果T2優(yōu)于T1；添加微生物制劑可以提高種子的發(fā)芽指數(shù)，減弱對(duì)植物的毒害，且T1與T2差距不大；添加微生物制劑可以減少堆肥氮損失，效果T2優(yōu)于T1。因此，2種試驗(yàn)菌株可以提高堆肥效率，減少氮素?fù)p失，且有助于解決堆肥帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：菌劑；堆肥；生豬養(yǎng)殖；氮循環(huán)；氨揮發(fā)

中圖分類號(hào)：S141.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2024）08-0041-06

Effects of Microbial Agents on Mixed Composting of Pig Manure and Rice Chaff

CHEN Wei，GAO Shuai-shuai，WANG Bin，HUANG Li-hong，YIN Hong-mei，LIU Biao

（Hunan Institute of Microbiology， Changsha 410009， PRC）

Abstract： This study aims to reveal the effects of microbial agents on pig manure composting. Two bacterial strains （Bacillus subtilis and Saccharomyces cerevisiae） with strong organic matter-decomposing capabilities and high temperature tolerance selected in the previous study were used in this study. The composting experiment was conducted with three treatments： no addition of microbial agent （CK）， addition of microbial agent 1 （T1）， and addition of microbial agent 2 （T2）. The results showed that the addition of two microbial agents accelerated the temperature rising of the compost， and T2 outperformed T1. The addition of the two microbial agents reduced the conductivity of the compost to attenuate the possible soil salinization caused by composting， and T2 outperformed T1. Compared with CK， the addition of microbial agents increased the germination index of seeds and reduced the toxicity to plants， with similar effects between T1 and T2. In addition， adding microbial agents reduced the nitrogen loss of the compost compared with CK， and the effect of T2 was better than that of T1. In conclusion， the two strains can improve the composting efficiency， reduce the nitrogen loss， and help to address the environmental problems caused by composting.

Key words： microbial agent; composting; pig breeding; nitrogen cycle; ammonia volatilization

有機(jī)肥是國(guó)家大力提倡使用的農(nóng)業(yè)投入品 [1]，對(duì)提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)、改良土壤理化性質(zhì)、增加土壤微生物多樣性等具有重要作用 [2-3]。畜禽糞便是畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的固體廢棄物，也是有機(jī)肥的重要生產(chǎn)原料 [4]。根據(jù)我國(guó)第二次全國(guó)污染源普查估計(jì)，我國(guó)畜禽糞便年產(chǎn)生量約有30.50億t [5]，高效利用好如此龐大的生物質(zhì)資源對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)意義重大。而根據(jù)相關(guān)部門畜禽存欄數(shù)據(jù)測(cè)算，2021年我國(guó)畜禽糞便總排放量約39億t，其中生豬糞污年排放量約19億t，占畜禽糞污總量的49% [6]。因此，作為全國(guó)最重要的生豬養(yǎng)殖大省之一，湖南省在生豬糞便資源合理處理與配置上肩任重而道遠(yuǎn)。

豬糞一般需要經(jīng)過(guò)堆肥腐熟方可應(yīng)用到田間，這是因?yàn)槎逊士梢詺⑺镭i糞中的病原菌、草種，并可以減少豬糞重量和體積，方便進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行處置 [7]。堆肥看似簡(jiǎn)單，實(shí)則需要注意許多細(xì)節(jié)問(wèn)題，比如堆肥場(chǎng)所是否合適、堆肥的初始碳氮比是否科學(xué)、通風(fēng)供氧條件是否充分、如何減少氣體（溫室氣體、NH3、惡臭氣體）的排放和養(yǎng)分流失等等 [8]。因此，面對(duì)如此龐大的豬糞資源，需要如何高效而環(huán)保地進(jìn)行堆肥是亟待解決的事情。堆肥期間豬糞中的有機(jī)組分將在微生物作用下發(fā)生分解和轉(zhuǎn)化，不同元素的形態(tài)與有效性將發(fā)生重要變化 [9]，同時(shí)微生物活動(dòng)產(chǎn)生的熱量和高溫會(huì)將病原菌、草種等殺死 [7]。因此，微生物活性是堆肥高效與否的關(guān)鍵。然而，自然堆肥初期，堆體中微生物量少，需要一定時(shí)間才能繁殖起來(lái)，導(dǎo)致堆肥效率較低。所以篩選高效微生物菌劑來(lái)調(diào)節(jié)菌群結(jié)構(gòu)、提高微生物活性可以提高堆肥效率和縮短腐熟周期。

湖南省微生物研究院研究團(tuán)隊(duì)在前期經(jīng)過(guò)篩選獲得了枯草芽孢桿菌和釀酒酵母菌各1株菌株，在實(shí)驗(yàn)室條件下均可以降低豬糞堆肥氮素?fù)p失，提高堆肥效率，改善堆肥質(zhì)量，然而在實(shí)際堆肥中的效果還有待驗(yàn)證。因此，擬利用生豬養(yǎng)殖廠實(shí)際條件進(jìn)行實(shí)地堆肥應(yīng)用試驗(yàn)，探究2株菌株在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)以及在提高堆肥效率、質(zhì)量和降低氮損失的效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

堆肥試驗(yàn)在湖南辰河生態(tài)農(nóng)業(yè)科技股份有限公司進(jìn)行。堆肥主要原料為高溫處理后豬糞和稻糠（湖南辰河生態(tài)農(nóng)業(yè)科技股份有限公司從周邊農(nóng)戶收集）。堆肥前將豬糞和稻糠按照4∶1的比例均勻混合，保證每個(gè)處理原料成分一致，堆肥初始碳氮比為25∶1。供試微生物菌劑為枯草芽孢桿菌和釀酒酵母，均為本實(shí)驗(yàn)室前期分離。供試菌劑均為湖南省微生物研究院實(shí)驗(yàn)室制備，枯草芽孢桿菌菌液濃度20×108 CFU/mL，釀酒酵母菌液濃度5×108 CFU/mL。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

堆肥試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3個(gè)處理：CK，不添加其他組分的對(duì)照處理； T1，添加量為0.3％的枯草芽孢桿菌發(fā)酵菌液；T2，添加量為0.3%枯草芽孢桿菌和釀酒酵母復(fù)合菌液，體積比1∶1。每個(gè)處理3次重復(fù)，每次重復(fù)的堆肥量為1 000 kg。各處理的水分含量統(tǒng)一為60%，并采取人工翻堆方式對(duì)堆體進(jìn)行曝氣通風(fēng)，堆肥在好氧的條件下持續(xù)45 d。

1.3 采樣及測(cè)定

堆肥試驗(yàn)開(kāi)展期間，定期采集樣品進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定，采樣時(shí)間為堆肥開(kāi)始后的0、3、7、14、21、28、42 d，采樣時(shí)，翻動(dòng)堆體使其混合均勻，然后分別于堆肥物料的表層、中層和底層采集 3份樣品，并將每一平行中取出的所有堆肥樣品（約1 000 g）平鋪于紙張上混合為一個(gè)樣品，后按照四分法進(jìn)行留存樣品取樣。最后將所取樣品分為2份，一份存于－20 ℃冰箱，另一份經(jīng)風(fēng)干研磨過(guò)1 mm 篩后備用，用于測(cè)定與腐熟有關(guān)的指標(biāo)，如pH值、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、種子發(fā)芽指數(shù)、碳氮比等，同時(shí)測(cè)定堆肥中的硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、總氮。

堆肥試驗(yàn)開(kāi)展的前40天，于每日上午9：00測(cè)定并記錄堆體表面向下20 cm處的溫度，同時(shí)記錄環(huán)境溫度。堆肥的全氮、pH值、種子發(fā)芽指數(shù)（GI）的測(cè)定，參照中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY525—2021）的方法進(jìn)行 [10]；堆肥的硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量參照中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 1116—2014）的方法進(jìn)行 [11]；電導(dǎo)率（EC）參照中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（HJ 802—2016）的方法 [12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，運(yùn)用SPSS 22.0 進(jìn)行方差分析利用Origin 2019b進(jìn)行繪圖，采用 Duncan 法在P＜0.05 的顯著水平上進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 微生物制劑對(duì)豬糞-稻糠堆肥溫度的影響

在堆肥試驗(yàn)開(kāi)始后的第1天至試驗(yàn)第40天對(duì)不同處理的豬糞堆體溫度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)（圖1）。結(jié)果顯示，堆肥開(kāi)始后，不同處理的堆體均表現(xiàn)為先快速升溫后緩慢降溫，經(jīng)歷了升溫期、高溫期和降溫期3個(gè)階段。在堆肥開(kāi)始的前3天的T1和前4天的T2處理的堆體溫度均高于CK處理，T2處理堆體的最高溫度出現(xiàn)在第4天，而T1和CK處理的堆體溫度均在第5天出現(xiàn)，這說(shuō)明T2處理能更快升溫，堆體在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高溫（73.1℃），不過(guò)T1和T2處理的堆體最高溫僅相差0.2℃。從第6天開(kāi)始3個(gè)處理均進(jìn)入降溫期，3個(gè)處理中T1處理降溫幅度最大，T2次之。CK、T1和T23個(gè)處理堆體溫度在50 ℃以上天數(shù)分別保持了28、24和23 d，符合糞便無(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) [13]。一般而言，堆體溫度與室溫是否持平可以作為判定堆肥是否完成的標(biāo)準(zhǔn)，但在試驗(yàn)中，堆肥結(jié)束時(shí)，CK、T1和T2的堆體溫度分別為31.2、28.2和25.4 ℃，而環(huán)境溫度下降較大，只有22.5 ℃。但考慮前期室溫均在24.5 ℃以上，因此，可以確定T2已經(jīng)完成堆肥過(guò)程。

2.2 微生物制劑對(duì)豬糞-稻糠堆肥腐熟指標(biāo)的影響

在試驗(yàn)中，堆肥結(jié)束時(shí)3個(gè)處理的電導(dǎo)率分別平均為3.23、2.47、2.79 mS/cm（見(jiàn)圖2），均符合腐熟堆肥電導(dǎo)率小于4.00 mS/cm的指標(biāo) [14]。堆肥結(jié)束后，CK、T1、T2 的EC值分別為3.24、2.80、2.48 mS/cm。

pH值也是影響堆肥過(guò)程的重要因素，研究表明，pH值在6.7至9.0之間有利于維持較高的微生物活性 [9]。本研究中，從堆肥試驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束，3個(gè)處理的pH值均在7.79至8.33范圍內(nèi)，無(wú)顯著性差異，均適合堆肥進(jìn)程。

在本研究中，CK處理的GI在14d之后開(kāi)始大于80%，而T1、T2處理在第14天已經(jīng)達(dá)到110%以上（圖3）。堆肥結(jié)束時(shí)，CK、T1、T2 的GI值分別為93.91%、122.66%、115.87%，均超過(guò)堆肥腐熟的標(biāo)準(zhǔn)（GI＞80%）。此外，除了第1天，TI和T2的GI值均高于CK處理。

2.3 微生物制劑對(duì)豬糞-稻糠堆肥總氮轉(zhuǎn)化的影響

在本研究中，3個(gè)處理的堆肥總氮含量均隨著堆肥過(guò)程的持續(xù)而出現(xiàn)下降。堆肥初期，處理全氮含量無(wú)顯著差異。試驗(yàn)第28 d，CK、T1、T2總氮含量分別為21.5、21.4 g/kg和22.3 g/kg，T2顯著高于CK和T1（P＜0.05）。（圖4）

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化趨勢(shì)如圖5所示，3個(gè)處理的NH4+含量在整個(gè)堆肥期間持續(xù)減少，這是與堆肥期間NH3揮發(fā)是直接相關(guān)的；而對(duì)比各個(gè)處理，T2和T1處理的NH4+含量要高于CK，添加微生物制劑具有一定的保氮效果。3個(gè)處理之間的NO3-含量總體差異不大，但在堆肥初期CK的NO3-含量低于T1和T2處理，而后期則反超；各個(gè)處理的NO3-含量變化趨勢(shì)基本一致，有先增加后減少的趨勢(shì)，但在數(shù)量級(jí)上變化不大。

3 討論

3.1 微生物制劑對(duì)豬糞-稻糠堆肥溫度的影響

添加微生物制劑的堆體升溫更快，堆體的溫度可以間接的反映堆肥過(guò)程中有機(jī)物的降解程度和微生物活性的變化，是評(píng)價(jià)堆肥效果的重要指標(biāo) [15]。在堆肥開(kāi)始的前3天的T1和前4天的T2處理的堆體溫度均高于CK處理，這是因?yàn)槲⑸镏苿┑募尤朐黾恿硕洋w中微生物的豐度，增強(qiáng)了微生物活性，導(dǎo)致堆體內(nèi)因微生物生命活動(dòng)產(chǎn)生了更多的熱量，這說(shuō)明微生物菌劑的加入有助于加速堆體升溫。

3.2 微生物制劑對(duì)豬糞-稻糠堆肥腐熟指標(biāo)的影響

添加微生物制劑可以降低豬糞堆肥的電導(dǎo)率，減輕堆肥對(duì)土壤的鹽漬化影響。堆肥過(guò)程中，在微生物的主導(dǎo)作用下，有機(jī)物會(huì)被分解、轉(zhuǎn)化，從而釋放出許多離子 [16]，這些可溶性離子濃度過(guò)高會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生毒害作用。EC值可以反映堆肥過(guò)程中可溶性離子的濃度，所以常用來(lái)判斷堆肥可溶性鹽含量，推斷堆肥對(duì)作物生長(zhǎng)是否會(huì)產(chǎn)生不利影響。此外，EC過(guò)高會(huì)抑制堆肥發(fā)酵，因此，有必要采取手段在一定程度上使電導(dǎo)率控制在有利水平。試驗(yàn)結(jié)束后，電導(dǎo)率CK＞T2＞T1，說(shuō)明添加微生物制劑可降低豬糞堆肥的電導(dǎo)率，有助于減輕堆肥對(duì)土壤鹽漬化影響。

pH值對(duì)堆肥內(nèi)微生物的生長(zhǎng)繁殖具有一定的影響，是堆肥的腐熟程度的重要指標(biāo)。研究中，3個(gè)處理的pH值均在7.79至8.33范圍內(nèi)，無(wú)顯著性差異， 但是在變化趨勢(shì)上可以看出，3個(gè)處理的pH值均出現(xiàn)不明顯的先上升后下降的變化規(guī)律，這是可能是因?yàn)樵谖⑸锏淖饔孟掠袡C(jī)物分解產(chǎn)生NH3使堆體pH值值緩慢升高，而后因?yàn)橄趸饔卯a(chǎn)生H+，有機(jī)酸累積使堆體pH值又出現(xiàn)下降，這與已發(fā)表研究結(jié)果一致 [17-18]。

一般認(rèn)為，未達(dá)到腐熟程度的堆肥會(huì)對(duì)種子的發(fā)芽產(chǎn)生抑制作用，而經(jīng)過(guò)腐熟的堆肥則會(huì)促進(jìn)種子的發(fā)芽。種子發(fā)芽指數(shù)（GI）常用作一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)堆肥腐熟度和植物毒性，GI值越大，堆肥對(duì)植物的毒性越小 [19-20]，按照《有機(jī)肥料（NY/T525—2021）》中的說(shuō)明，GI≥70%表示堆肥腐熟，而也有研究表明GI≥80%表示堆肥完全腐熟，且對(duì)植物無(wú)毒害 [21]。在本研究中，T1和T2處理的堆肥14 d均達(dá)到了腐熟的標(biāo)準(zhǔn)。因此，與CK相比，加入微生物菌劑可以顯著縮短堆肥進(jìn)程。堆肥初期的GI較低一般認(rèn)為是由于有機(jī)物被迅速分解產(chǎn)生了大量了NH4+，從而抑制了種子萌發(fā) [22]。此外，除了第2天，TI和T2的GI均要高于CK處理，這可能是因?yàn)門I和T2加入微生物制劑后加速了有機(jī)物的分解，這致使兩個(gè)處理的堆肥浸提液中的鹽分、有機(jī)酸等成分含量較高，對(duì)種子萌發(fā)產(chǎn)生了不利影響，而在此之后，隨著有機(jī)酸降解、鹽分的濃度的降低與穩(wěn)定，堆肥對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用降低，GI不斷增加。

3.3 微生物制劑對(duì)豬糞-稻糠堆肥中氮轉(zhuǎn)化的影響

好氧堆肥過(guò)程中，微生物可以將堆體中的有機(jī)物進(jìn)行分解和轉(zhuǎn)化，從而對(duì)堆體中各種元素的形態(tài)及含量產(chǎn)生重要的影響 [9]。而在堆肥過(guò)程中，氮素的變化情況備受關(guān)注，這是因?yàn)槠渥兓c最終堆肥的質(zhì)量（氮營(yíng)養(yǎng)狀況）、堆肥過(guò)程帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題（氮氧化合物等溫室氣體排放）緊密相關(guān) [23]。氮素是作物生長(zhǎng)必需的大量元素之一，氮氧化合物則是溫室體體的重要成員，因此，減少堆肥中氮的損失具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)學(xué)價(jià)值。

堆肥中的全氮包含無(wú)機(jī)態(tài)氮和有機(jī)態(tài)氮等，在微生物的作用下，有機(jī)態(tài)氮會(huì)被分解產(chǎn)生無(wú)機(jī)態(tài)氮、小分子有機(jī)氮，也可以轉(zhuǎn)化為復(fù)雜大分子中的有機(jī)氮，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性含氮?dú)怏w逸出 [23-24]。在本研究中，3個(gè)處理的堆肥總氮含量均隨著堆肥過(guò)程的持續(xù)而出現(xiàn)下降，這表明，微生物在分解有機(jī)物的過(guò)程中，伴隨著CO2、水等的逸出，堆體中氮素也出現(xiàn)了同步的損失，從而全氮未隨著堆體體積和重量得變小而增加 [25]。研究指出，堆肥過(guò)程中全氮含量的變化主要是由有機(jī)氮的分解和NH3的釋放引起 [26]。堆肥結(jié)束后，3個(gè)處理的全氮含量表現(xiàn)為T2＞T1＞CK，這說(shuō)明微生物菌劑的投入將有利于堆肥過(guò)程中減少氮損失，起到保氮的作用，且T2的效果優(yōu)于T1。

堆肥過(guò)程中，含氮有機(jī)物有在微生物的作用下發(fā)生分解和轉(zhuǎn)化，特別的，部分氮素轉(zhuǎn)化為NH4+、N2O、N2以及其他氮氧化合物，而研究表明，堆肥中約有20%～70%的氮會(huì)通過(guò)氣態(tài)損失 [7]，其中NH3揮發(fā)占氮損失的比例最大。NH3揮發(fā)在堆肥初期最為嚴(yán)重，這是因?yàn)槌跗谟袡C(jī)物快速分解產(chǎn)生的大量NH4+以NH3的形式不同程度地?fù)]發(fā)到大氣中，造成堆肥氮素營(yíng)養(yǎng)損失以及大氣污染。研究結(jié)果顯示，各個(gè)處理中，T2和T1處理的NH4+含量要高于CK，表明添加微生物制劑具有一定的保氮效果。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明：添加枯草芽孢桿菌和釀酒酵母微生物制劑有助于加速堆體升溫，加快堆肥腐熟進(jìn)度；降低豬糞堆肥的電導(dǎo)率，減輕堆肥對(duì)土壤的鹽漬化影響；減輕堆肥對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用，減少對(duì)植物的毒害；還可以減少堆肥氮損失，提高堆肥質(zhì)量。

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（責(zé)任編輯：高國(guó)賦）