微生物接菌劑對(duì)牛糞條垛式堆肥的影響

王彥杰，洪秀杰，陳文浩，晏磊，高亞梅，王偉東

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，大慶 163319；2.大慶市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心）

微生物接菌劑對(duì)牛糞條垛式堆肥的影響

王彥杰1，洪秀杰2，陳文浩1，晏磊2，高亞梅1，王偉東1

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，大慶 163319；2.大慶市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心）

選用微生物菌劑WSC、SS為接種劑，接種到以牛糞和玉米秸稈為基質(zhì)的條垛式堆肥中，測(cè)定了堆肥過程中半纖維素、纖維素、木質(zhì)素含量的變化，通過測(cè)定C/N和GI研究?jī)山臃N對(duì)腐熟度的影響。結(jié)果表明，接種兩種微生物菌劑均可促進(jìn)了纖維素、半纖維素的降解，接種微生物菌劑WSC的效果明顯。接種微生物菌劑的2個(gè)處理C/N下降、GI值上升速度均明顯快于CK，加快了堆肥腐熟進(jìn)程，其中接種微生物菌劑WSC的處理效果好于接種微生物菌劑SS的處理。表明向堆肥中接種微生物菌劑WSC和SS可解決一定低溫環(huán)境條件下堆肥不能腐熟的問題。

微生物菌劑；條垛式堆肥；木質(zhì)纖維素；腐熟度

隨著中國(guó)集約化、規(guī)?；竽翗I(yè)的快速發(fā)展，禽畜糞便的產(chǎn)生量與日俱增。黑龍江省由于低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，禽畜糞便不能有效處理，造成糞便大量堆積，引發(fā)一系列的環(huán)境問題。高溫堆肥是實(shí)現(xiàn)畜禽糞便減量化、無(wú)害化和資源化的有效措施，是目前應(yīng)用最多、最廣的一種處理措施[1-3]。堆肥方法的選擇主要決定于投資和運(yùn)行成本、原料性質(zhì)及來(lái)源、場(chǎng)地大小、腐熟時(shí)間和腐熟度的要求等[4]。條垛式堆肥所需設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作，適合于大批量畜禽糞便的處理[5]，但腐熟度受季節(jié)性溫度變化的影響較大[6]。而黑龍江省年平均氣溫4.2℃以下[7]，低溫季節(jié)肥堆啟動(dòng)慢，堆腐周期長(zhǎng)，甚至達(dá)不到高溫腐熟階段，難以殺滅糞便中所含的大量雜草種子和蟲卵病菌，限制了條垛式堆肥在黑龍江省低溫季節(jié)的應(yīng)用。為了提高堆肥效率，縮短發(fā)酵時(shí)間，不少研究者采用接種微生物菌劑的方法來(lái)達(dá)到這一目的[8-9]，但也有研究表明接種微生物對(duì)加快堆肥進(jìn)程或提高堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量沒有明顯作用[10-12]。以上報(bào)道探討了在中溫條件下接菌處理對(duì)堆肥發(fā)酵的影響，產(chǎn)生兩種不同觀點(diǎn)的根本原因可能在于供試菌劑、試驗(yàn)材料、方法及條件的差異。在低溫條件下接種微生物菌劑可改變堆肥的理化性質(zhì)和微生物的組成[13-14]，但低溫的程度、原料的組成、堆肥的方式及堆肥菌劑的性質(zhì)對(duì)接種效果影響較大，目前還缺乏低溫條件下接種效果的系統(tǒng)研究。而在北方低溫季節(jié)堆肥堆體能否快速進(jìn)入高溫期影響著堆肥無(wú)害化的實(shí)現(xiàn)。如何處理北方地區(qū)低溫下的畜禽糞便污染已成為亟待解決的問題。低溫條件下能使條垛式堆肥快速升溫、保持高溫發(fā)酵接菌劑的應(yīng)用是解決低溫季節(jié)糞便堆肥不能腐熟的有效途徑之一。

試驗(yàn)在環(huán)境平均最高溫度10℃、最低溫度-8℃的條件下，以牛糞和玉米秸稈為原料的條垛式堆肥中分別接種微生物發(fā)酵菌劑WSC、SS，機(jī)械翻堆，探討接種菌劑對(duì)堆肥過程的影響，為黑龍江省畜禽糞便在低溫環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理和資源化利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

兩種供試菌劑名稱為WSC和SS，WSC為黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院自主研發(fā)，SS為哈爾濱菁菁農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司從美國(guó)購(gòu)買的商品菌劑。以牛糞為堆肥的主要原料，玉米秸稈作為調(diào)理劑。堆肥原料的主要成分見表1。

表1 主要堆肥原料的基本性質(zhì)Table 1Basic properties of compost materials

1.2 堆肥試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在黑龍江省哈爾濱菁菁農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司堆肥場(chǎng)進(jìn)行。將牛糞與粉碎的玉米秸稈按體積比1∶1混合，調(diào)節(jié)含水量在60%～65%之間。設(shè)計(jì)三個(gè)堆肥處理，其中兩個(gè)堆體分別接種0.25%（體積比）的WSC與SS菌劑，另一堆體不接種作為對(duì)照。試驗(yàn)中堆體截面呈梯形，上底1.0 m、下底2.0 m、高1.0 m、長(zhǎng)10.0 m。采用ET-100（美國(guó)FEMCO公司）翻堆攪拌機(jī)每隔1 d進(jìn)行翻堆。堆肥試驗(yàn)從9月末至1月末，環(huán)境平均溫度＜10℃，其中最低溫度達(dá)到了-8℃，堆肥時(shí)間為60 d。

1.3 堆肥樣品測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 取樣方法分別于堆肥第1、2、4、8、15、19、25、34、52、60 d取樣，在堆體上、中、下三點(diǎn)取樣后混合，一部分直接冰凍保存?zhèn)溆?，另一部分樣品風(fēng)干磨碎過1 mm篩保存?zhèn)溆?。所有分析測(cè)定工作均在采樣后完成。

1.3.2 測(cè)定方法纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的測(cè)定采用范氏洗滌纖維分析法[15]。全碳以風(fēng)干樣用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[16]，全氮含量采用將樣品消煮后用全自動(dòng)凱氏定氮儀進(jìn)行測(cè)定測(cè)定。C/N采用分別測(cè)定全碳和全氮之后計(jì)算比例。

種子發(fā)芽指數(shù)測(cè)定[15]：將冰凍保存樣品與去離子水按1∶10（W/V）比例混合振蕩2 h，吸取濾液3 mL放入濾紙的無(wú)菌的培養(yǎng)皿中，均勻放入20粒白菜種子，在25℃、黑暗條件下的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，測(cè)定種子的發(fā)芽率和根長(zhǎng)，每個(gè)樣品三次重復(fù)，同時(shí)用去離子水做空白對(duì)照，按下式計(jì)算種子發(fā)芽指數(shù)：

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）=（堆肥處理的種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng)）/（對(duì)照的種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng)）×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 半纖維素含量的變化

圖1為堆肥處理過程中半纖維素含量的變化。從圖1可見，堆肥處理過程中半纖維素的含量不斷降低，WSC和SS處理的半纖維素含量到堆肥結(jié)束時(shí)從開始的10.5%和10.9%減少到2.7%和3.6%，分別減少了74.4%和67.2%，對(duì)照處理的半纖維素含量也呈降低趨勢(shì)，堆肥結(jié)束時(shí)減少了53.8%。

圖1 堆肥進(jìn)程中半纖維素含量變化Fig.1 Changes of hemicellulose during composting

2.2 纖維素含量的變化

纖維素含量在堆肥過程中持續(xù)下降（圖2），WSC和SS處理的纖維素含量從開始的36.3%和36.7%減少到15.5%和18.8%，分別減少了57.3%和48.8%，而CK減少了39.8%。纖維素含量降低速度與半纖維的相比較慢，說明纖維束較半纖維素難降解。

圖2 堆肥進(jìn)程中纖維素含量變化Fig.2 Changes of cellulose during composting

2.3 木質(zhì)素含量的變化

木質(zhì)素含量在整個(gè)堆肥過程中呈緩慢上升的趨勢(shì)（圖3），WSC和SS處理的木質(zhì)素含量從開始的3.5%和3.9%升高到5.3%和6.0%，對(duì)照也呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，由3.9%升高到6.7%。這是由于木質(zhì)素的降解率低于其他物質(zhì)的降解率，接種微生物菌劑也未對(duì)其產(chǎn)生明顯影響。而在堆肥化進(jìn)程中，由于溫度的升高造成水氣的蒸發(fā)，物質(zhì)分解生產(chǎn)氣體造成揮發(fā)，從而使堆體的物料有一定的損失，進(jìn)而導(dǎo)致了堆體中木質(zhì)素相對(duì)含量增加。

2.4 腐熟度評(píng)價(jià)

2.4.1 C/N

C/N是檢驗(yàn)堆肥產(chǎn)品腐熟度常用的指標(biāo)，因?yàn)槲⑸矬w的C/N在16左右，在堆肥過程中多余的碳素將轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2[18]。隨著堆肥反應(yīng)的進(jìn)行，各個(gè)處理C/N呈下降趨勢(shì)（圖4）。堆肥結(jié)束后3個(gè)處理（WSC、SS處理和CK）的C/N分別達(dá)到14.0、14.9和15.9。

圖4 堆肥過程中C/N變化Fig.4 Changes of C/N during composting

2.4.2 種子發(fā)芽指數(shù)

隨著堆肥的進(jìn)行，不同堆肥處理GI值總體上呈上升趨勢(shì)（圖5）。堆肥結(jié)束時(shí)，WSC和SS處理的GI值從堆肥初期24.3%分別增加到83.6%和81.6%，CK增加到55.2%。表明接種微生物菌劑能加速堆體內(nèi)對(duì)種子發(fā)芽有毒有害物質(zhì)的分解。

圖5 堆肥過程中GI的變化Fig.5 Changes of GI during composting

3 討論與結(jié)論

傳統(tǒng)堆肥法通常都是采用改善環(huán)境條件或增加營(yíng)養(yǎng)的方法，利用堆制原料中的土著微生物來(lái)降解有機(jī)污染物，但由于堆肥初期有益微生物量少，需要一定時(shí)間才能繁殖起來(lái)，因此傳統(tǒng)堆肥往往存在發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)生臭味且肥效低等問題[19]。另外，黑龍江長(zhǎng)部分季節(jié)的低溫環(huán)境、纖維素含量高的堆肥原料使傳統(tǒng)堆肥腐熟速度更慢或難以腐熟而不能滿足大規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)的需要。接種堆肥微生物菌劑是否有利于堆肥過程的溫度上升、高溫的持續(xù)還存有爭(zhēng)議。一些研究者認(rèn)為，添加微生物菌劑不能提高堆體的最高溫度，但可以縮短堆體達(dá)到高溫的時(shí)間[20]，陳文浩等[21]研究表明研究添加微生物菌劑WSC與SS后縮短了堆體達(dá)到高溫時(shí)間的同時(shí)，提高了堆體的溫度。

在高纖維含量的堆肥處理中，纖維素由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、降解困難，已成為縮短堆肥周期、提高堆肥效率的限制性因素，纖維素類物質(zhì)的降解是堆肥過程中最重要的物理性狀變化[19-22]。試驗(yàn)中所用原料牛糞和玉米秸桿主要成分就是木質(zhì)纖維素類物質(zhì)，在堆肥中難以被充分利用或難以被大多數(shù)微生物直接作為碳源物質(zhì)而轉(zhuǎn)化利用[23]。不同處理的半纖維素、纖維素含量在堆肥結(jié)束時(shí)均比初始的有所減少，WSC和SS的處理的半纖維素減少量分別比對(duì)照高10.6%和13.4%，纖維素減少量分別比對(duì)照高17.5%和9.0%。不同處理的木質(zhì)素含量均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，木質(zhì)素幾乎沒有發(fā)生降解或降解量很少。表明接種處理促進(jìn)了半纖維素和纖維素的降解，而對(duì)木質(zhì)素降解未產(chǎn)生影響。

C/N是堆肥腐熟度的重要指標(biāo)，若堆肥起始的C/N為25-30，當(dāng)其降到20左右或以下時(shí)，可以認(rèn)為堆肥已經(jīng)達(dá)到腐熟[24]。按此標(biāo)準(zhǔn)，不同處理的堆肥均達(dá)到了腐熟。但堆肥的腐熟度受到很多因素的綜合影響，應(yīng)用不同的指標(biāo)評(píng)價(jià)時(shí)往往會(huì)得到不同的結(jié)果，考慮到堆肥腐熟度的實(shí)用意義，植物生長(zhǎng)試驗(yàn)是評(píng)價(jià)堆肥腐熟度的最終和最具說服力的方法[25]。Zucconi等認(rèn)為，當(dāng)GI＞50%時(shí)，堆肥對(duì)植物已基本沒有毒性，達(dá)到基本腐熟；而當(dāng)GI＞80%時(shí)，可認(rèn)為堆肥達(dá)到完全腐熟[17]。按GI腐熟要求，堆肥結(jié)束時(shí)，WSC和SS處理的堆肥達(dá)到腐熟，而對(duì)照達(dá)到基本腐熟。正常的堆肥處理不加菌劑也會(huì)正常腐熟，但由于本次試驗(yàn)中較低的環(huán)境溫度使堆肥沒有達(dá)到腐熟。說明WSC和SS處理促進(jìn)了堆肥腐熟進(jìn)程。

在環(huán)境平均最高溫度10℃、最低溫度-8℃的條件下，接種微生物菌劑WSC、SS，可以提高以牛糞和玉米秸稈為基質(zhì)的條垛式堆肥的溫度，縮短達(dá)到最高溫度的時(shí)間，促進(jìn)堆肥的腐熟。綜合考慮兩種菌劑處理對(duì)纖維素類物質(zhì)和腐熟度的影響，接種微生物菌劑WSC的處理效果好于接種微生物菌劑SS的處理。

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Effects of Microbial Inoculant on Windrow Composting with Cattle Manure

Wang Yanjie1，Hong Xiujie2，Chen Wenhao1，Yan Lei1，Gao Yamei1，Wang Weidong1
（1.College of Life Science and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；
2.Daqing Agricultural Technology Promotion Center）

A windrow composting experiment with cattle manure and corn stalk was carried out to study the effects of microbial inoculation（WSC and SS agents）on the dynamic changes of fermentation parameters.The results showed that adding microbial agents WSC and SS in windrow compost promoted the degradation of cellulose and hemicellulose.The effect of WSC on windrow composting with cattle manure was more obvious than that of the SS.Both treatments showed lower C/N ratio and higher GI than CK in the process of composting.The accelerating effect of WSC on composting process was better than that of SS.Microbial inoculant on composing process could solve the problem of incomplete maturity under certain low ambient temperature.

microbial inocula；windrow composting；maturity

S141.4

A

1002-2090（2016）06-0108-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.06.022

2016-10-23

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2013BAD21B01）。

王彥杰（1972-），男，教授，現(xiàn)主要從事農(nóng)業(yè)廢棄資源化方面的研究工作。

王偉東，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail：wwdcyy@126.com。