张业怀 凌丁* 王天想 吕贵律 黄安定

（1.广西农业职业技术大学，广西 南宁 530007；2.广西崇左市天等县驮堪乡水产畜牧兽医站，广西 崇左 532806）

广西桂西山区农村，多数农户以养牛和种植玉米作物作为家庭主要的经济来源。牛粪和废弃农作物秸秆成为了农村主要的农业固体废弃物［1］。牛粪的随意堆放及农作物秸秆燃烧产有害气体已经对当地环境造成了污染［2］。随着养殖的发展，农业废弃物造成的环境污染问题日益突出，人们循环利用意识逐渐增强，作为生物质能源的农作物秸秆和畜禽粪便的无害化处理和资源化利用越来越受到人们的重视。因此，废弃农作物秸秆和养殖粪污合理处置，已成为乡村振兴以及农村生态环境治理工作重中之重。

目前，将牛粪和废弃的农作物秸秆混合后投加一定的微生物菌剂进行好氧堆肥，是农村处理畜禽养殖粪污和作物秸秆等农业废弃物的主要手段［3］。

好氧堆肥是指在充分供氧条件下，主要利用堆体内好氧微生物对物料进行发酵腐化的过程。在堆肥过程中微生物菌群最终把一部分有机物氧化成简单小分子的无机物，并释放出能量，把另一部分有机物转化合成自身物质，供微生物群增殖所需。

发酵腐熟后的有机肥回用于农田中可增加土壤有机质含量，实现农业废弃物的资源化利用的同时，保护了山清水秀乡村生态环境。前人大量研究证明，促进好氧堆肥快速发酵腐熟的有效途径是在堆体物料中投加外源微生物菌剂。外源微生物依据合适的生长温度可分为低温、中温和高温微生物。低温外源微生物和堆肥中的原位微生物协同作用可加速堆肥初期有机物质的分解，一些高温微生物在堆肥的高温期促进堆体快速升温，同时也能分泌多种纤维素酶类促进难降解的木质纤维素的降解，因而能缩短整个堆肥周期［4］。

卢洋洋等（2021）研究表明，在堆肥过程中，添加外源性菌剂能够增加堆体高温期持续的时间，有效地促进堆体内了有机物的降解，加快了堆肥的腐熟进程［5］。金香琴等研究了投加由不同比例组成的不同微生物菌剂对牛粪好氧堆肥过程的影响，研究结果证实了投加复合微生物菌剂对畜禽粪便堆肥资源化利用具有明显的促进效果［6］。

目前，研究投加外源性微生物菌剂能加快完成堆肥好氧发酵过程报道比较多，而且现在市场上流通的微生物菌剂品种多样，比如具有广谱性腐熟剂的菌种则达40 多种，各类质量也参差不齐，使用者难以鉴别，而且不同地域养殖粪污中原位微生物种类、秸秆种类及堆肥环境也差别较大。

因此，有必要筛选出合适广西桂西山区地域牛粪堆肥的微生物菌剂，以促进堆肥发酵，提高堆肥质量。

针对上述存在的问题，课题研究团队自我设计了由黑曲霉、煎盘梭菌、普通高温放线菌、热纤梭菌组成的3 种不同的微生物菌剂，通过设计堆肥投加菌剂和不投加菌剂处理，探讨不同的微生物菌剂对牛粪好氧堆肥发酵效果影响，以期筛选出适合广西桂西山区地域当地牛粪堆肥发酵的菌剂。

1 材料与方法

1.1 试验场所概况

试验于2022 年5 月2 日至6 月2 日在天等县尚智养殖专业合作社养殖生产基地进行，试验区当年当月日平均最低23℃，最高日平均气温31℃。

1.2 试验材料

牛粪：肉牛混合粪便。玉米秸秆：从周边农户提供。微生物菌剂：试验供试微生物菌剂有3 种，分别是菌剂A、菌剂B、菌剂C，其中菌剂A 主要由黑曲霉、煎盘梭菌、普通高温放线菌等组成；菌剂B 主要由黑曲霉、煎盘梭菌、热纤梭菌等组成；菌剂C 主要由黑曲霉、煎盘梭菌等组成。菌剂中有效活菌数＞80 亿cuf/g。所有菌种由中国微生物菌种保藏管理中心提供，菌剂由广西农业职业技术大学微生物实验室自制。堆肥物料的营养成份及pH值见表1。

表1 堆肥物料的营养成份及pH 值

1.3 试验方法

参照李季等［7］报道，研究将堆肥发酵条件调整为C/N 为28.75∶1，含水量为60%，pH 值为7.22。试验设四个处理，分别投加菌剂A、B、C 和不投加菌剂自然发酵，分别记为：菌剂A、菌剂B、菌剂C 和对照组。根据玉米秸秆和牛粪的营养物质含量，将牛粪与玉米秸秆切碎混合并调整物料C/N 值为25~30，按物料总量添加1%玉米粉作为辅料，调节含水量至60%，混合物料初始碳氮比为28.75∶1，含水量为60%，pH 值7.22。添加微生物菌剂量为0.05%（W/W），充分拌匀后堆置。不同处理组的物料配比见表2。

表2 不同处理组的物料配比

每日于10：00~10：30 和16：00~16：30，用土壤温度计测定堆体顶尖表层下30 cm 处温度，同时记录当天的环境温度。每10 d人工翻堆1次，第1、5、15、25、30、31 d从垂直高度1/2 处的堆体外侧表面由外向内不同深度分4 点取样，充分混合后，检测样品的pH 值、有机质含量、全氮含量及种子发芽指数等指标。

1.3.1 pH 值测定

将样品与超纯水按1∶10（质量浓度）比例混合，室温下按180 r/min 振荡1 h 后，取上清液用pH 计测定。

1.3.2 有机质含量的测定

采用干燥加热法，即将样品干燥至恒重，然后放入电热恒温干燥箱中烘干，再称重计算出有机质含量。全氮含量采用硫酸-过氧化氢消煮、碱化后用蒸馏定氮的方法测定。

1.3.3 种子发芽指数测定

采用种子发芽实验法。取10 g 新鲜样品，加入100 mL 纯水，振荡30 min，室温下浸提1 昼夜，取上清液用快速滤纸过滤，滤液备用。在直径90 mm培养皿内放入相应大小的一张滤纸并铺平，均匀的撒入20 粒均匀度一致的小白菜种子，用移液器取5.0 mL 堆肥滤液加入培养皿中。并置于（25±1）℃、80%湿度培养箱中培养24 h。观察结果，测种子发芽率和根长，并计算种子发芽指数GI。种子发芽指数（GI）=（堆肥滤液处理的种子发芽率×堆肥滤液处理的种子根长）/（纯水处理的种子发芽率×纯水处理的种子根长）×100%。

1.4 数据处理

试验数据通过Excel2003 进行处理，且采用DPS 进行方差分析，运用Duncan’s 法进行多重比较，p ＜0.05 表示组间差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同组合菌剂处理对堆体发酵温度影响

不同组合菌剂处理对堆体发酵温度影响不同。由表3 可以看出，在整个堆肥期间，环境温度的变化幅度在23.0~31.0℃之间。菌剂A、菌剂B、菌剂C 处理的堆肥温度上升快，只需1 d 可升至50℃，不加菌剂的对照组需5 d 才进入50℃阶段。不同组合菌剂处理的堆体高温阶段持续时间均比不加菌剂的对照组长，其中菌剂A 高温持续时间15 d，菌剂B 为14 d。对照组高温阶段持续时间最短，仅为2 d，且最高温度仅为50.0℃。在本实验条件下从堆肥温度变化结果可以看出，菌剂A、菌剂B 处理结果较为理想。堆体温度上升是由于堆体内微生物分解有机物和合成自身物质过程产热积累的结果。各处理组使用的菌剂不同，因而温度上升的快慢及维持高温时间也不相同。

表3 不同组合菌剂处理对堆体发酵温度影响

2.2 不同组合菌剂对堆肥pH 值的影响

在有机肥堆肥发酵过程中，pH 值随着时间和温度的变化而变化。pH 值增高主要是堆体物料在微生物作用下将有机氮分解产生大量的NH4+-N而引起的；pH 值降低是堆体内原位及投加的产酸微生物对环境底物利用后其代谢产酸而导致的。从表4 可以看出，各组pH 值均表现为先下降、再上升、下降至稳定的趋势，试验组pH 值基本低于对照组。发酵至第5 d 时以菌剂B 组pH 值为最高且整个发酵期间pH 值变化幅度最大，其次为菌剂A、菌剂D 变化最小。

表4 不同组合菌剂处理对堆肥pH 值的影响

2.3 对堆体全氮含量影响

不同菌剂处理堆体前后全氮含量有差异。由表5可知，发酵5天后3个试验组氮含量均低于对照组；15 d 氮含量最高为菌剂C 组，25 d 最高为菌剂A 组，至30 d 时最高为菌剂B 组。到堆肥结束时所有组别全氮含量均高于堆肥前，增幅在11.01%~33.94%之间且试验组均高于对照组。初步说明，投加菌剂能促进堆体内氮的转化，不同菌剂对氮转化能力也不一样，菌剂B 较处理前全氮量增加最多。

表5 不同组合菌剂处理堆肥前后全氮含量变化

2.4 对堆体有机质含量的影响

堆体中的有机质是微生物生命活动所需要的养分和能量的主要来源，有机质含量下降反映了微生物分解物料中纤维素、木质素的能力。表6 显示，堆肥发酵至30 天后，3 个试验组有机质含量均低于对照组，以菌剂B 组含量最低。与堆肥发酵前相比，4 个组有机质含量均下降，对照组和菌剂A、菌剂B、菌剂C 组分别下降12.34%、26.14%、31.55%、19.88%。可见，堆体物料中投加菌剂有利于有机物质分解和转化。3 个试验组以菌剂B 组发酵最彻底。

表6 不同组合菌剂处理对堆体有机质含量的影响 %

2.5 堆肥种子发芽试验

种子发芽指数（GI）是判断堆肥的生物安全性和腐熟度的重要参数。从表7 可以看出，菌剂B 组小白菜种子发芽指数（GI）均值为97.73%，生物安全性和腐熟程度最好；其次为菌剂A 组96.53%；菌剂D 组最低，仅为49.17%。说明堆肥没有腐熟完全，施入土壤后未充分发酵的有机肥也会再次发酵，对植物生长不利。试验组发芽指数（GI）显著高于对照组（P ＜0.05），3 个试验组发芽指数平均值显著高于对照组，菌剂A、菌剂B、菌剂C 组比对照组提高的百分比分别为96.31%、98.76%、51.78%，说明投加菌剂处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 种子发芽指数测定结果

3 讨论

堆肥主要是通过微生物的作用将废弃物无害化、资源化的过程。微生物通过自身分解和种间的相互作用将堆体物料中的有机物转化为热量、CO2、氢及生物量和腐殖质。因此，在堆肥中加入降解能力强及代谢产物能互相利用的外源微生物能促进腐熟、提高发酵效果。本试验采用由黑曲霉、煎盘梭菌、普通高温放线菌及热纤梭菌不同菌种构成的菌剂作为牛粪堆肥的添加菌剂，这些菌株各具有不同功能。黑曲霉在堆肥早期对升温有明显作用，能加快堆肥进程［7］，黑曲霉发酵后产生大量的废弃菌丝体，附加值高［8］；煎盘梭菌抗逆性强，有碳水化全物存在时生长旺盛，能利用黑曲霉酶系对物料分解后的产物如葡萄糖、半纤维素等多种碳水化合物，最后产生大量醋酸和丁酸，酸性环境有利于堆肥中嗜酸微生物生长，让堆肥发酵更彻底；普通高温放线菌，最适生长温度60℃，堆肥高温阶段促进堆体物料进一步降解。热纤梭菌能够在堆肥高温环境下以纤维素及其降解产物纤维二糖与纤维糊精为碳源，将底物发酵。而且，热纤梭菌分泌的多种纤维素酶、半纤维素酶能形成多酶复合体（纤维小体），多酶复合体（纤维小体）降解纤维素能力优于单一纤维素酶，具有高效快速降解纤维素能力［9］。

试验结果表明，由不同菌种构成的菌剂堆肥效果是不相同。全氮含量和种子发芽指数（GI）是检验堆肥质量和腐熟度的重要指标。

本研究中，堆肥30 d 时各处理全氮含量大于堆肥的初始0 d 时，B 组全氮含量最高，较处理前增幅高达33.94%。

种子发芽指数（GI）被业界认为是最可靠的堆肥腐熟度评价指标之一。李季等［10］报道，堆肥基本腐熟时对种子基本无毒性，其种子发芽指数大于50%；堆肥完全腐熟时无毒性，其种子发芽指数大于85%。生产上完全腐熟的堆肥才能安全使用，可提高作物产量。未完全腐熟的养殖粪污堆肥施用后对农作物会造成很大伤害，造成农作物烧苗现象，未被灭活的病原微生物亦可通过土壤传播扩散等。刘克锋等研究表明，加入菌剂能促进堆肥腐熟，提高堆体物料发酵产物质量，提高种子发芽指数［11］。本研究中菌剂A、菌剂B 组种子发芽指数（GI）均在96.53%以上，实现完全腐熟，种子发芽指数（GI）B 优于A。

以上结果表明，菌剂B 组处理堆肥效果较菌剂A、菌剂C 组好，主要原因之一或许是菌剂B 中含有热纤梭菌菌种，热纤梭菌除了具有的高效快速降解结晶纤维素能力外，在生长稳定期还会释放出多酶复合体纤维小体，使游离酶的表达量进一步增加，有利于热纤梭菌不断从周围资源中消化降解更多纤维素，产生更多的可溶性糖类。当堆肥后期堆温下降45℃至37℃时（温度合适煎盘梭菌生长），在大量可溶性糖类环境下，煎盘梭菌再一次恢复活力，生长代谢旺盛，将前期发酵阶段未分解完全的有机物再次分解利用，使堆体物料进一步降解，让发酵更彻底，达到最佳腐熟状态。原因之二或许是堆肥中原位微生物与投加微生物之间存在竞争，投加菌剂B 比菌剂A、菌剂C 更有竟争力［12］。

4 结论

在堆肥过程中，添加外源性微生物菌剂能够提高堆肥温度，明显缩短升温时间，延长高温期，有效地促进堆体物料腐熟，显著提高堆肥产物全氮含量和种子发芽指数，通过分析堆肥产物中各指标变化，本研究中加入菌剂B 堆肥效果最好，此菌剂中菌种间协同作用达到最佳状态，因而促进堆肥腐熟，提高肥效，适合推广应用。

通过本研究还发现，自然堆肥不易起温。虽然添加普通高温放线菌达到最高温度，但堆肥中氮含量明显降低，影响肥效；因此在以后同类研究中，须进一步探索既可延长高温持续时间又不影响有机肥氮含量的菌剂菌种构成及配比，以达到最佳的堆肥效果，确保堆肥质量，促进农业增收，助推乡村振兴。