张玉凤，田慎重，岳寿松，宋效宗，张培苹，边文范，董亮，高建国，王恒涛

（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／山东省新型肥料与精准施用技术创新中心，山东 济南 250100；2.山东省农业科学院农作物种质资源研究所，山东 济南 250100；3.烟台市农业技术推广中心，山东 烟台 264001；4.山东中新农业发展有限公司，山东 临沭 276700）

规模化、集约化养殖导致畜禽粪便大量积累，短期难以有效处理，进而带来的污染问题成了制约畜禽养殖业可持续发展的重要因素。据统计，一个年出栏10万羽鸡的养殖场，年产鸡粪约达3600 t［1］。由于鸡饲料养分含量高，而鸡的消化能力弱，40%～70%的营养物被排出体外，因此鸡粪含有丰富的营养物质［2］。在微生物作用下，鸡粪分解会产生有害气体，易对人和动物造成危害。而且为促进鸡的生长发育、增强抗病能力，通常在饲料中添加含有Cu、Zn、As等重金属元素的添加剂。研究发现，鸡粪含有大量重金属元素［3，4］，施入农田后造成土壤重金属累积和农产品超标［5－7］，对人体健康构成潜在危害。

目前，堆肥是畜禽粪污无害化处理的重要手段之一。腐熟的堆肥产品不仅能够培肥土壤，还可以部分替代化肥［8］。由于鸡粪的C／N约为10，低于好氧发酵最适C／N为25～30的条件，为了加快堆肥发酵速度，需要添加C／N比高的有机物料。有机物料尽量选用周边易得原料，因此各地的发酵物料各异，相应的发酵参数需要调节。本研究选用菌渣、糠醛渣和糖渣为发酵辅料，主要原因是菌渣中含有蛋白质、氨基酸、菌体蛋白、酶等可以再利用的成分［9］；糠醛渣和糖渣C／N比较高，而且具有改善盐碱土壤的功能［10，11］。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另一有效途径。因为堆肥是在微生物的作用下使粪便腐殖化的过程，堆肥过程中各种变化都与微生物的活动密切相关［12，13］。Zhao等［14］发现接种放线菌可加速鸡粪堆肥中木质纤维素降解，促进堆肥腐熟。

由于发酵物料不同，需要针对发酵物料的种类筛选出适宜菌种，以保证发酵效果。针对上述问题，本课题组研制出两种菌剂，通过设置接种菌剂和不接种菌剂处理，以发酵过程温度、种子发芽指数等为考核指标，评价两种菌剂的发酵效果，以期筛选出鸡粪为主料，糠醛渣、糖渣和菌渣为辅料的发酵菌剂。

1 材料与方法

1.1 试验材料

（1）鸡粪：蛋鸡粪便。（2）糖渣：制糖工业的副产品。（3）糠醛渣：玉米芯、玉米秆、稻壳等农副产品中的聚戊糖成分水解生产糠醛产生的废弃物。（4）菌渣：栽培草菇的下脚料。（5）微生物发酵菌剂：共2种，其中菌剂1为定向筛选的高效降解纤维素及木质素的曲霉菌和酵母菌混合菌种，其掺入比例为0.05%（W／W），菌剂2为暹罗芽孢杆菌（Bacillus siamensis，有效活菌数≥0.50亿／g）。试验材料基本理化性质见表1。

表1 堆肥材料的基本理化性质

1.2 试验设计及方法

试验设置3个处理，即T1：鸡粪＋辅料；T2：鸡粪＋辅料＋菌剂1；T3：鸡粪＋辅料＋菌剂2。重复3次。辅料为菌渣、糠醛渣、糖渣混合物，各物料干重比为鸡粪∶糠醛渣∶菌渣∶糖渣＝1.4∶1.2∶1.7∶1.0。混合物料初期碳氮比约为25∶1，含水量为60%，pH值7.2。

试验于2018年4月20日至6月6日进行。采用槽式发酵工艺，将鸡粪与糖渣、菌渣、糠醛渣、发酵菌剂等物料充分混合，然后运至发酵槽中，堆成高约1.2 m、宽2.0 m、长3.0 m的堆体进行发酵。

1.3 测定项目及方法

从发酵第1 d开始，于每天上午9∶30—10∶30测定堆体中间位置上中下部温度、含水量、氧气含量等指标。当含水量低于30%时开始补充水分至50%；氧气含量低于5%时要翻堆；温度达到60℃以上时也要立即翻堆。同时记录周围环境温度，以便有效控制堆肥进程和产品质量。

分别于发酵第1、5、12、21、37、47天采用5点法在堆体不同部位取样，取样量为500 g左右，混匀后测其pH值、有机碳、氮、磷、钾含量［15］及总腐植酸［16］、发芽指数［17］，测第47天样品的粪大肠菌［18］、蛔虫卵［19］、重金属［15］和抗生素［20］。抗生素由山东省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所检测。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0软件进行数据处理和单因素方差分析（P＜0.05）、LSD法多重比较。

2 结果与分析

2.1 发酵菌剂对鸡粪好氧发酵过程中温度变化的影响

由图1看出，鸡粪好氧发酵过程中T2、T3处理的温度基本高于T1。T1、T2、T3处理达到50℃的时间分别为第5、2、2天，且维持50℃以上高温时间分别为42、45、45 d，均超过10 d，达到GB／T 7959—2012［21］粪便无害化卫生要求；高于55℃的时间维持25 d以上，符合NY／T 3442—2019［22］的标准。初步表明，添加发酵菌剂能使高温期提前3 d，发酵温度高于不接种菌剂处理。两种菌剂在对温度的影响方面基本无差异。

图1 发酵菌剂对鸡粪好氧发酵过程中温度变化的影响

2.2 鸡粪发酵过程中堆肥浸出液对小麦种子发芽指数的影响

由图2看出，4个发酵时期堆肥浸提物的小麦发芽指数均表现为T2处理显著高于T1和T3；37 d和47 d时，T3也显著高于T1。从发芽指数变化趋势看，随着发酵时间延长，发芽指数逐渐提高，37 d时T2和T3处理分别达到73.35%和63.91%；47 d时T1、T2和T3处理分别达到58.34%、87.36%和80.14%。表明接种菌剂促进鸡粪发酵，37 d时可以达到基本无害程度，47 d时菌剂1处理达到完全无毒［23］。不接种菌剂的T1处理47 d时才达到基本无毒害程度。说明接种菌剂能使发酵时间缩短10 d，菌剂1的效果优于菌剂2。

图2 鸡粪发酵过程中堆肥浸出液对小麦种子发芽指数的影响

2.3 发酵菌剂对鸡粪好氧发酵过程中pH值变化的影响

由图3看出，不同处理间相比，在发酵1～12、47 d时T2处理pH值均高于T1、T3，T3处理在5～21 d期间的pH值则低于T1、T2。1～21 d期间，不同处理间差异较大。T2、T3处理pH值变幅大于T1。与第1天相比，之后3个处理的pH值均降低，12～47 d的pH值在6.8～7.1之间。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，其变化主要发生在发酵前期即1～21 d。

图3 发酵菌剂对鸡粪好氧发酵过程中pH值变化的影响

2.4 发酵菌剂对鸡粪好氧发酵过程中氮磷钾含量及其总量变化的影响

试验结果表明，不同处理间氮磷钾养分含量差异不显著。由图4A看出，3个处理的氮含量1～21 d逐渐增加，之后趋于平稳。由图4B看出，T1处理的P2O5含量5～21 d逐渐增加，其余时段变幅较小；T2处理1～12 d逐渐增加，之后趋于平稳；T3处理随着时间推进逐渐增加，但是增幅较小。从图4C看出，3个处理的K2O含量基本呈现1～37 d逐渐上升，37～47 d趋于平稳。说明本试验条件下，发酵过程中氮、钾含量变化主要在1～37 d间。

图4 发酵菌剂对鸡粪好氧发酵过程中氮磷钾含量及其总量变化的影响

从氮磷钾总量看，3个处理基本呈现1～37 d逐渐上升，37～47 d趋于平稳态势，且处理间差异不明显。与第1天相比，之后3个处理的氮磷钾总量均升高，增幅为5.4%～23.0%。发酵12 d后氮磷钾总量在4.3%以上。

2.5 发酵菌剂对鸡粪好氧发酵过程中有机碳含量变化的影响

由图5看出，3个处理间相比，5～12 d间T2的有机碳含量显著低于T1和T3。从变化幅度看，T2最大，其次是T3，T1最小。从有机碳变化趋势看，3个处理1～12 d基本呈现逐渐下降趋势，21～47 d变化平稳，有机碳含量均在27%以上。与第1天相比，之后3个处理的有机碳均降低，降幅为9.8%～21.4%。有机碳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。所以本试验发酵条件下，有机物质变化主要在1～12 d间，接种菌剂1有利于有机物质的分解和转化。

图5 发酵菌剂对鸡粪好氧发酵过程中 有机碳含量变化的影响

2.6 发酵菌剂对鸡粪好氧发酵过程中总腐植酸含量变化的影响

由图6看出，鸡粪发酵1～5 d其总腐植酸含量3个处理间差异不显著，12～47 d均为T2最高，T3次之，T1最低。从变化趋势看，3个处理无明显规律，变化均较大。与第1天相比，T1处理第5天升至最高，其余时间呈波浪式下降，降幅为2.2%～13.6%；T2处理12、37、47 d均升高，增幅分别为10.7%、10.7%、14.9%；T3处理除发酵21 d略降外其它时间均升高，增幅为7.2%～17.1%。说明接种菌剂显著增加发酵物料的总腐植酸含量，且菌剂1的效果优于菌剂2。

图6 发酵菌剂对鸡粪好氧发酵过程中 总腐植酸含量变化的影响

2.7 发酵菌剂对鸡粪好氧发酵过程中C／N变化的影响

图7显示，T2处理的C／N值5～12 d显著低于T1和T3，其余时间三者间差异不显著。整个发酵过程中C／N值基本呈现先下降后趋于平稳的趋势，其中，菌剂1发酵12 d后C／N值稳定在约16，而菌剂2和不接种处理自21 d始稳定在约16。表明好氧发酵过程是C／N值逐渐降低的过程，21 d后C／N值基本稳定，即发酵基本结束，菌剂1的变化幅度最大。

图7 发酵菌剂对鸡粪好氧发酵过程中C／N变化的影响

2.8 发酵菌剂对鸡粪堆肥中粪大肠菌、蛔虫卵和抗生素的影响

测定结果（表2）表明，所有处理的粪大肠菌群数≤3个／g，蛔虫卵死亡率为100%，符合NY 525—2012［15］和NY 884—2012［24］中的要求，即粪大肠菌群数≤100个／g，蛔虫卵死亡率≥95%。所有处理均未检出土霉素、四环素、金霉素、强力霉素。表明本试验鸡粪发酵47 d后的堆肥可以安全施用。

表2 发酵菌剂对鸡粪堆肥中粪大肠菌、蛔虫卵和抗生素的影响

2.9 发酵菌剂对鸡粪堆肥中重金属含量的影响

由表3看出，所有处理的重金属含量均符合NY 525—2012和NY 884—2012中的要求，即砷≤15 mg／kg、汞≤2 mg／kg、铅≤50 mg／kg、镉≤3 mg／kg、铬≤150 mg／kg。不同处理间比较，T2处理的砷、汞、铅、镉、铬含量较T1均降低，其中铅含量差异达到显著水平；T3处理的砷、镉含量较T1、T2均显著降低，汞、铅、铬含量升高，但是不同处理间差异不显著。

表3 发酵菌剂对鸡粪堆肥中重金属含量的影响 （mg／kg）

3 讨论

3.1 鸡粪发酵产物的安全性

鸡粪发酵产物的安全性是人们最关注的问题。好氧发酵的目的是减少或去除粪便中的病原体、抗生素、重金属等有害物质，控制蚊蝇滋生、防止恶臭扩散，加快大分子有机物质的分解，使其达到农用标准。评价的主要指标有温度、种子发芽指数、C／N值、蛔虫卵死亡率、粪大肠菌群数、抗生素、重金属等，其中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。李国学等［25］研究表明，当堆体温度高于55℃并维持在3 d以上，堆体中的病菌可被杀死。Vinneras等［26］研究表明大多数病原体在高于45℃下会被迅速杀死。本研究中接种菌剂处理堆温50℃以上的时间持续45 d，达到了GB／T 7959—2012中规定标准（50℃的时间持续10 d以上）；高于55℃的时间维持在25 d以上，符合NY／T 3442—2019中要求（55℃以上维持时间不少于7 d）。本研究中接种菌剂处理达到50℃的时间比不接种处理提前3 d。与已有研究结果一致，接种复合菌剂加快了堆体升温，腐熟时间缩短，最终加速堆体腐熟［27］。

种子发芽试验是评价堆肥腐熟度的最终和最具说服力的方法。一般情况下，GI大于50%可认为堆肥对种子基本无毒害，GI大于85%可认为完全无毒，堆肥完全腐熟［23］。NY／T 3442—2019的质量要求GI大于70%。本试验中鸡粪＋辅料处理47 d时GI达到58.3%，可认为堆肥对种子基本无毒害；接种菌剂1处理37 d时GI达到73.35%，47 d时达到87.36%，完全无毒性；接种菌剂2处理47 d时GI达到80.14%，说明接种菌剂能使发酵时间缩短10 d。

堆肥化过程是C／N值逐渐下降并趋于稳定的过程［28，29］，腐熟堆肥的C／N值一般为15左右［30］。竹江良等［31］研究表明加入外源微生物菌剂有利于促进C／N值降低，加速猪粪堆肥腐熟进程。C／N值逐渐下降的原因主要是微生物消耗大量碳水化合物，总碳含量呈下降趋势，总氮含量相对增加。本试验发酵过程中有机碳也呈现逐渐下降、氮含量逐渐增加的趋势，堆肥C／N值逐渐下降，1～12 d时接种菌剂1处理的C／N值低于不接种处理，鸡粪发酵到21 d时3个处理的C／N值基本稳定在16，两个菌种间无显著差异。

本研究结果表明，所有处理的粪大肠菌群落数≤3个／g，蛔虫卵死亡率为100%，砷、汞、铅、镉、铬含量也符合NY 525—2012、NY 884—2012和NY／T 3442—2019中的标准；所有处理均未检出土霉素、四环素、金霉素、强力霉素。

综合温度、发芽指数、C／N值、粪大肠菌群数、蛔虫卵和砷、汞、铅、镉、铬及抗生素等指标，本研究中鸡粪发酵产物达到了NY／T 3442—2019和GB／T 7959—2012中规定的各项标准，发酵产物均在安全范围内，实现了无害化。从堆肥无害化角度看，添加菌剂加快有害物质的去除速度，菌剂1的效果优于菌剂2，堆肥有效时间为37 d以上。

3.2 鸡粪发酵产物的可利用性

通过好氧发酵实现畜禽粪便无害化的前提下，尽量降低有效养分损失，提高堆肥质量。有机肥在堆制过程中，由于有机物降解、水分散失、挥发性物质损失等，使得堆体变小，干物质降低，体现出一定程度的“相对浓缩效应”［32］。堆肥过程中全氮含量主要受两个因素的共同影响，一是NH＋4－N在高温条件下转化为NH3造成的含量减少，二是有机质分解引起的含量增加［30］。胡雨彤等［33］研究表明，猪粪堆肥0～6 d全氮含量下降，说明以NH＋4－N的挥发为主，后期全氮含量稳步升高，则由浓缩效应引起。但是本研究中总氮含量1～21 d逐渐增加，37～47 d趋于平稳。说明1～21 d有机质分解产生的氮高于NH＋4－N挥发为NH3造成的含量减少。刘超等［34］研究表明，在高温堆肥结束时，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。本研究中发酵5～47 d的P2O5和K2O含量均高于第1天，与刘超等［34］的研究结果一致。

王晓娟等［35］研究显示添加菌剂具有促进有机碳分解的作用。适宜菌剂用量具有减少氮素损失，使腐熟提早完成的作用［36］。在堆肥过程中可溶性有机物逐渐被微生物降解，堆肥结束后，有机质质量分数较堆肥前下降40%～50%［37］。张雪辰等［38］研究表明，在整个堆肥过程中，随着腐解进行有机碳呈下降趋势，添加发酵启动剂可以促进有机质的矿化分解。本研究发酵过程中有机碳含量较第1天降低9.8%～21.4%，添加发酵菌剂1的效果较明显。

腐殖质是堆肥过程中形成的大分子有机化合物，其主要成分为胡敏酸和富里酸［39，40］，其含有大量官能团，农学效应显著，可以为作物提供营养，改善土壤理化性质［41］，是发酵产品品质的重要评价标准。栾润宇等［32］研究表明，鸡粪和稻草秸秆堆肥后腐殖质含量升高，这是由于物料不断分解而生成的。李吉进等［42］认为好氧发酵是一个有机质降解、腐殖质增加且逐渐趋于稳定化的过程，发酵后碳素腐殖化特征明显。肖礼等［43］发现猪粪秸秆混合堆肥中接种白腐真菌、氨化和硝化菌剂对堆肥腐熟影响不大，但可有效促进有机碳降解。本研究中接种菌剂显著增加发酵物料的总腐植酸含量，提高了有机质的有效性，且菌剂1的效果优于菌剂2。

发酵产物的用途主要是直接施用到田间或制作商品有机肥或生物有机肥。本研究中发酵12 d以后氮磷钾总量在4.3%以上，与NY 525—2012标准中规定的氮磷钾总量≥5%接近。虽然发酵过程中pH值均低于第1 d，但是12～47 d的pH值在6.8～7.1之间，符合NY 525—2012、NY 884—2012标准中规定（pH值5.5～8.5）。3个处理的有机碳含量乘以氧化系数1.5和换算系数1.724后均达到70%以上，符合商品有机肥NY 525—2012和生物有机肥NY 884—2012中有机质含量的标准。所以发酵产物可以作为制作商品有机肥和生物有机肥的原料。

4 结论

4.1 从温度、发芽指数、C／N值、粪大肠菌群数、蛔虫卵和砷、汞、铅、镉、铬及抗生素等指标考虑，本研究中鸡粪发酵产物达到了NY／T 3442—2019和GB／T 7959—2012中规定的各项标准，所以发酵产物均在安全范围内，实现了无害化。

4.2 本研究中鸡粪发酵12 d后氮磷钾总量在4.3%以上；12～47 d的pH值在6.8～7.1之间；有机碳含量乘以氧化系数1.5和换算系数1.724后均达到70%以上，符合商品有机肥NY 525—2012和生物有机肥NY 884—2012中对pH值和有机质含量标准的要求。所以发酵产物可以作为制作商品有机肥和生物有机肥的原料。

4.3 综合各项指标，接种两种发酵菌剂能提高鸡粪发酵速度，发酵时间缩短10 d，菌剂1的发酵效果优于菌剂2。

4.4 最优的发酵工艺是：各物料的干重比例为鸡粪∶糠醛渣∶菌渣∶糖渣＝1.4∶1.2∶1.7∶1.0。混合物料初期碳氮比约为25∶1，含水量为60%，pH值7.2。掺入0.05%（W／W）菌剂1。堆肥有效时间控制在37 d以上。