牛粪和玉米秸秆混合堆肥好氧发酵菌剂筛选

2019-07-01张玉凤田慎重边文范郭洪海宫志远刘兆辉李瑞琴陈剑秋罗加法

中国土壤与肥料 2019年3期

张玉凤，田慎重，边文范，郭洪海，宫志远，刘兆辉*，李瑞琴，陈剑秋，罗加法

（1.山东省农业科学院农业资源与环境研究所／农业农村部废弃物基质化利用重点实验室／山东省植物营养与肥料重点实验室／山东省环保肥料工程技术研究中心，山东济南 250100；2.金正大生态工程集团股份有限公司／养分资源高效开发与综合利用国家重点实验室，山东临沭 276700；3.新西兰皇家农业科学研究院鲁亚库拉研究中心，哈密尔顿 3240）

随着畜禽养殖业的迅猛发展，畜禽粪便的排放量也随之增加。山东作为全国畜牧大省，畜牧产业规模多年位居全国第一，粪便产生量约在2亿t，如2010年山东省畜禽养殖业共产生1.98亿t粪便，平均耕地施用量负荷为26.38 t/hm2，畜禽粪便中的氮、磷纯养分分别达到 131.18 和 39.70 kg/hm2［1］。部分城市已达到甚至超过环境污染限量标准（欧盟还田限量值分别为氮 170 kg/hm2、磷 35 kg/hm2［2］），畜禽养殖废弃物已经对当地环境造成了污染，而且排放的臭气严重影响当地居民的身心健康，因此迫切需要对其进行有效处理，合理利用。

农作物秸秆是农业生产的一种副产物，也是一种可再生资源。我国农作物秸秆的年产量约7亿t，利用率为78%，约2亿t秸秆随意堆放或焚烧［3］，焚烧产生的CO2、CO、氮氧化物及多环芳烃等有害气体，不仅危害人类健康，污染环境，而且造成大量养分损失，因为秸秆中除含有氮、磷、钾和有机碳养分外，还可提供相当数量的中、微量元素和氨基酸等有机营养成分，是一类数量极其丰富，能直接利用的有机肥资源。因此，如何处理大量秸秆物质，已成为农业生产上以及农村生态环境治理中亟需解决的问题。

好氧堆肥是畜禽粪便和秸秆无害化处理和资源化利用的重要方式［4-6］，通过微生物好氧发酵能够有效地将畜禽粪便与秸秆中的大分子物质转化成二氧化碳、氨等小分子物质及高分子量的腐殖质。发酵的畜禽粪便和秸秆施入农田中可增加土壤有机质含量，实现废弃物的资源化利用，减少环境污染［7-8］。大量研究表明，接种外源微生物是加速高温好氧堆肥进程的有效途径。外源微生物可加速堆肥初期基质的分解，也能加快木质纤维素的降解，从而促进堆体后熟，缩短堆肥周期［9-10］。孙旭等［11］研究表明，腐熟剂能促进玉米秸秆腐熟升温，延长高温阶段持续时间，降低挥发性固体物质和C/N，减少腐熟物的植物毒性，缩短腐熟时间，加快腐熟进程。虽然微生物菌剂能促进好氧发酵进程，但是目前我国市场上的微生物菌剂产品众多，质量差异较大，仅生产秸秆腐熟剂的企业约有130余家，登记的腐熟剂产品有40个左右，而作为腐熟剂的菌种则达40多种［12］。因此需要针对发酵物料的种类筛选出适宜菌种，以便保证发酵效果。针对上述问题，本试验通过设计接种菌剂和不接种菌剂处理，以发酵过程温度等及发酵产物的安全性为考核指标，评价3种菌剂的发酵效果，以期筛选出适合牛粪和玉米秸秆混合发酵的菌剂。

1 材料与方法

1.1 试验材料

（1）牛粪：成年奶牛混合粪便。（2）玉米秸秆：济南附近农村购买。（3）微生物发酵菌剂：试验供试微生物发酵菌剂3种（M1、M2、M3），其中菌剂M1主要由高效降解纤维素及木质素的曲霉菌和酵母菌组成，其掺入比例为0.05%（W/W），M2为有机物料腐熟剂（有效活菌数≥0.50亿/g，用量为0.5%），M3为复合微生物（光合菌、酵母菌、乳酸菌、放线菌、芽孢杆菌等多种微生物，有效活菌数≥200亿/100 mL，用量为0.3%）。

表1 堆肥材料的基本理化性质

1.2 试验方法

试验设置4个处理，分别为：（1）CK：牛粪+辅料；（2）M1：牛粪+辅料+菌剂1；（3）M2：牛粪+辅料+菌剂2；（4）M3：牛粪+辅料+菌剂3。T1～T4处理的牛粪，辅料均相同，牛粪所占物料总重（以干基计）的比例为53%，辅料是玉米秸秆，占47%，混合物料初期碳氮比为27.75∶1，含水量为60%，pH值7.21。

试验于2017年5月22日～6月23日在济南某公司进行。将玉米秸秆粉碎到1.5～2 cm左右，然后将牛粪与粉碎好的秸秆混合，再加入发酵菌剂、水分等其它物料，充分混合。然后将混合物料运送至发酵槽中，堆成高约1.2 m、宽约2 m、长约3 m的堆体。

于每天9∶30～10∶30和15∶30～16∶30，测定堆体中间位置的上中下部的温度（采用SY系列堆肥专用温度/含水率传感器测定）、含水量（采用SY系列堆肥专用温度/含水率传感器测定）、氧气含量（测定仪器采用堆肥专用氧含量分析仪）等指标。当含水量低于30%时，开始补充水分至50%；氧气含量低于5%时，翻堆；温度达到60℃以上时，也开始翻堆。同时记录周围环境的平均温度，以便有效控制堆肥进程和产品质量。分别于发酵第0、1、5、11、19、23、30 d采用5点法在堆体不同部位取样一次，取样量为200 g左右，样品混合均匀，检测样品的pH值［13］、有机质［14］、氮［13］、磷、钾［13］含量等指标。发酵时间结束后，采用发芽率试验检测发酵物料腐熟度。具体测定方法为：首先进行堆肥发酵物浸提液的提取。新鲜堆肥样品和去离子水按固液比为1∶10（w∶v=质量∶体积）加入一定量的去离子水，在200 r/min的速度下振荡浸提1 h，将其离心（4 000 r/min）10 min，得到堆肥水浸提液，过滤后取上清液于塑料瓶中4℃贮存备用。在9 cm培养皿内垫上一张滤纸，均匀放入20颗油菜种子，加入堆肥样品浸提滤液5 mL，在25℃黑暗的培养箱中培养48 h后，取出计算发芽率，10 d后，测定油菜根长，每个样品做3次重复，同时用蒸馏水做空白试验。按照以下公式计算发芽指数（GI）：GI=（堆肥浸提液的种子发芽率×种子根长）×100%÷（蒸馏水的种子发芽率×种子根长）。

1.3 数据分析

运用DPS v7.00对数据进行方差分析，应用Duncan新复极差法对不同处理进行多重比较，不同字母表示差异达5%的显著水平。

2 结果与分析

2.1 不同发酵菌剂对堆体温度的影响

从图1看出，与CK相比，3个菌剂处理的温度在1～28 d时显著高于CK。CK达到50℃的时间为第5 d，3个菌剂处理均在第1 d达到55℃，比CK提前4 d；M1、M2、M3高温期维持时间分别为24、24、26 d，而CK是14 d，比CK分别多10～12 d；M1、M2、M3的最高温度分别达到76.7、72.7、72.3℃，而对照的最高温度仅为55.3℃。

3个菌剂相比，总体温度差异不显著，1～5 d期间，M2的温度稍高于M1和M3，6～7 d M3温度最高，8～19 d基本是M2温度最高，21～27 d期间M3温度最高。M3高温维持时间最长，比M1、M2多2 d。M1的高温值最大。

图1 不同发酵菌剂对堆体温度的影响

从温度变化曲线看出，温度变化有3个阶段：升温阶段、高温阶段（堆肥温度高于50℃）、降温腐熟阶段。CK处理温度高于外界温度，并且其温度变化与外界趋势基本一致，说明CK一直处于发酵状态，且其发酵温度受外界温度的影响较大。3个菌剂处理基本呈现1～4 d温度上升，在第1 d时温度达到50℃以上；5～22 d稳定，第11 d时达到最高温度70℃以上；24～26 d温度下降，持续在58℃以上；26 d后温度基本趋于稳定，并且在50℃以下。

总体来看，3个菌剂处理维持50℃高温的时间达到24 d以上，达到了粪便无害化卫生要求［15］。

2.2 不同发酵菌剂对堆肥浸出液pH值的影响

图2结果表明，与CK相比，3个菌剂的pH值基本均低于CK。3个菌剂处理相比，第5 d时M1处理最高，其它时间均是M3处理最高，0～11 d时M1的变化幅度最大。

图2 不同发酵菌剂对堆肥浸出液pH值的影响

从pH值变化趋势看出，整体呈现下降、上升、下降、稳定的趋势。CK处理的整个发酵过程中pH值变化较小，3个菌剂处理0～11 d变化幅度较大，此后pH值变化较小。

pH值的变化主要是由氨氮产生、挥发和蛋白类有机物质的降解导致的。本结果初步表明接种菌剂处理的蛋白质及有机物的分解变化强于对照，而且变化主要发生在发酵前期即0～11 d。

2.3 不同发酵菌剂处理的堆肥浸出液对油菜发芽指数的影响

图3是利用23 d发酵产物浸提液处理的油菜种子的发芽指数，结果表明，菌剂1、2处理发芽指数在100%以上，达到完全无毒程度［16］；菌剂3处理为98.5%，大于80%，表明堆肥已完全腐熟；CK处理的发芽指数大于50%，表明堆肥毒性降低到植物可以承受的范围［16］。接种菌剂处理均显著高于CK处理，增幅分别为35.48%、30.30%、17.64%，说明接种菌剂处理具有提高油菜发芽指数，促进油菜生长的作用，其中菌剂1效果最好，其次为菌剂2。

2.4 不同发酵菌剂对堆体有机质含量的影响

从图4看出，与CK相比，接种菌剂处理的有机质含量均比CK低。3个菌剂处理相比，第1 d时M1处理有机质含量最高，5～11 d时M2处理的最高，19～30 d时M3处理最高。

图4 不同发酵菌剂对堆体有机质含量的影响

从有机质变化趋势看，CK处理的有机质含量变化幅度较小，1～30 d基本呈现下降趋势；接种菌剂处理有机质基本呈现下降趋势，23 d时有机质含量也达到稳定状态，变化幅度较大的是0～5 d和11～19 d。将第30 d的有机质与第0 d相比，所有处理均下降，CK、M1、M2、M3处理分别降低了12.33%、22.74%、31.78%和19.84%。

有机质含量反映了微生物分解有机物料中半纤维素、纤维素的能力，但它又是微生物本身所依赖的碳源与能源。所以初步说明，本发酵条件下，接种菌剂有利于有机物质的分解和转化。发酵过程中有机质含量降低。在保存有机质方面菌剂3效果较好。

2.5 不同发酵菌剂对堆体氮含量的影响

图5结果说明，与CK相比，第1、5 d时接种处理的氮含量均低于CK；11 d时4个处理间无差异；19～30 d时接种菌剂处理氮含量均高于CK，增幅为2.96%～10.56%。3个菌剂处理相比，1～11 d时M1的氮含量最高，19～23 d时M3的最高，30 d时M2最高。

图5 不同发酵菌剂对堆体氮含量的影响

氮含量变化趋势表明，所有处理的氮含量基本呈现上升趋势。CK、M1处理0～11 d变化幅度较大，而M2、M3处理在0～19 d变化幅度均较大。与0 d的氮含量相比，CK、M1、M2、M3处理的第23 d氮含量均升高，增幅为18.33%～30.83%。

初步说明，添加菌剂能促进氮的转化，不同菌剂对氮的消耗和固定转化时间不一致，转化量也不一样，菌剂2的变化幅度大于菌剂1和菌剂3。

2.6 不同发酵菌剂对堆体C/N的影响

图6结果表明，与CK相比，M1、M2、M3处理的C/N基本上呈下降。3个菌剂处理相比，第1～11 d时3个处理间差异较小，第19～30 d时C/N差异较大，最低的是M2处理，第19、23 d最高的处理为M3，第30 d时最高的处理是M1。

从变化趋势看，整个发酵过程中C/N逐渐下降，由最初的 27.75∶1 下降到 14.47∶1～20.55∶1。表明好氧发酵过程是C/N逐渐降低的过程，降低幅度较大的是M2处理，30 d时C/N达到14.47。

2.7 不同发酵菌剂对堆体磷含量的影响

图7结果表明，与CK相比，M1、M2、M3处理的磷含量均升高，增幅为1.61%～47.91%。3个发酵菌剂处理相比，第1、19、23、30 d时M1处理磷含量均最高，第5 d时M2处理磷含量最高。

图7 不同发酵菌剂对堆体磷含量的影响

磷含量变化趋势表明，所有处理基本呈现上升趋势。0～11 d上升幅度较大，11～30 d幅度变小。与第0 d的磷含量相比，CK、M1、M2、M3处理的第30 d磷含量均显著升高，增幅为158.33%～195.83%。

结果初步表明，接种菌剂促进磷的分解，有效磷含量升高，菌剂1在保存磷有效性方面效果最好。

2.8 不同发酵菌剂对堆体C/P含量的影响

图8结果表明，CK处理的C/P显著高于M1、M2、M3处理；3个菌剂处理相比，第1、5 d时M1处理最高，第11、19～30 d时M3处理最高。

图8 不同发酵菌剂对堆体C/P的影响

从变化趋势看，整个发酵过程中C/P逐渐下降，由最初的 138.73∶1下降到 36.02∶1～48.88∶1。表明好氧发酵过程是C/P逐渐降低的过程。

2.9 不同发酵菌剂对堆体钾含量的影响

图9结果表明，与CK相比，M1、M2、M3处理的钾含量基本均高于CK。3个发酵菌剂处理相比，第1、11、19、23 d时M3处理钾含量均最高，第5 d时M1处理最高，第30 d时M2处理最高。

图9 不同发酵菌剂对堆体钾含量的影响

钾含量变化趋势表明，所有处理基本呈现上升趋势。与第0 d的钾含量相比，CK、M1、M2、M3处理的第30 d钾含量均显著升高，增幅为10.48%～27.42%。

结果初步表明，接种菌剂促进钾的分解，有效钾含量升高，菌剂3和菌剂2在保存钾方面效果最好。

2.1 0 不同发酵菌剂处理不同粒径的发酵产物重量

表2结果表明，与对照处理相比，3个菌剂处理发酵后大于1.0 mm粒径的产物重量均低于对照，说明接种菌剂有利于纤维素的分解。3个菌剂处理间相比，菌剂3处理的大于2.0 mm粒径的产物重量稍高于菌剂1和菌剂2，说明菌剂1和菌剂2的发酵效果优于菌剂3。

表2 不同发酵菌剂处理不同粒径的发酵产物重量（g）

3 讨论

温度变化是反映好氧堆肥发酵是否正常最直接、最敏感的指标［17］。GB/T 7959-2012粪便无害化卫生标准要求规定了温度的指标，机械堆肥：堆温≥50℃，至少持续2 d；人工堆肥：堆温≥50℃，至少持续10 d［15］。本研究中接种菌剂处理堆温在50℃以上的持续了24d，达到了GB/T 7959-2012标准。李国学等［18］研究表明，当堆体的温度高于55℃并维持在3 d以上，堆体中的病菌可被杀死。本研究中高于55℃的维持了23 d，实现了无害化。本研究中接种菌剂处理达到50℃时间比不接种提前4 d，高温维持时间延长10～12 d。与已有研究结果一致，接种复合菌剂加快了堆体升温，延长高温期时间，最终加速堆体腐熟［19-20］。

好氧堆肥的关键是发酵条件，大量研究表明，最佳发酵条件是C/N为25∶1～30∶1，pH值在6.5～8.0，含水量推荐上限在 50%～60%［17］。本研究将发酵条件设置为C/N为27.75∶1，pH值在7.21，含水量60%。本研究发酵过程中接种处理pH值低于对照，发酵过程中pH值呈现下降、上升、下降、平稳的趋势，与大量研究结果一致。李舒清等［19］研究表明，堆肥接菌处理后与对照相比pH值下降。曹云等［21］研究表明，在升温期由于微生物分解蛋白质类有机物产生氨氮，促使pH值上升较快；在堆肥后期，随着氨的挥发及蛋白质类有机物的降解，牛粪中pH值下降［22］。堆肥过程中各处理pH值变化基本一致，均是先升高后降低再升高最后趋于稳定［23］。堆肥化过程是C/N逐渐下降并趋于稳定的过程，腐熟堆肥的C/N一般为15左右［17］。接种复合菌剂显著降低堆体的C/N，在22 d时已下降至12.8，而对照处理至32 d才下降至12.5［19］；竹江良等［24］也报道在烟草添加合适猪粪比例的基础上加入外源微生物菌剂有利于促进C/N降低，加速烟草废弃物堆肥腐熟进程。本研究C/N逐渐下降，30 d时接种处理由最初的27.75∶1 下降到 14.47∶1～17.27∶1，而对照仅下降到20.55∶1。

好氧发酵的目的是在保证物料达到无害化的前提下，尽量降低有效养分流失，提高堆肥质量。大量研究表明，有机物料堆肥过程一般伴随着氮、磷、钾等营养元素以及有机质等含量升高及形态的变化［17，21-24］。刘超等［23］研究表明，在高温堆肥结束时，堆肥全磷、全钾含量比堆肥初始有所增加，原因是堆肥过程中磷素和钾素不会挥发损失，而堆体的总干物质下降所致。本研究中氮、磷含量均升高，与刘超等［23］研究一致。堆肥的用途主要是制作商品有机肥，堆肥结束时，菌剂处理的有机质含量乘以1.5后均达到45%以上，N+P2O5+K2O含量达到4.5%以上，与NY525-2012标准［12］接近。