添加菌劑對(duì)羊糞和菌渣好氧堆肥進(jìn)程的影響

胡斌 劉延生 于蕾 吳越 江麗華 楊巖 王梅 霍瑞風(fēng)

摘要：為明確添加菌劑對(duì)堆肥過程及產(chǎn)品質(zhì)量的影響，本研究以羊糞和菌渣為堆肥原料，以添加菌劑為處理組，不添加菌劑為對(duì)照組，進(jìn)行為期40 d的條垛式堆肥試驗(yàn)，對(duì)堆肥進(jìn)程和質(zhì)量的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明：對(duì)照組和處理組的堆溫維持在50℃以上的天數(shù)分別為36 d和37 d，均達(dá)到了高溫堆肥的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)；堆肥產(chǎn)品的總養(yǎng)分含量分別為5.66%和5.73%，符合國(guó)家有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)要求，但含水率分別為33.29%和34.78%，略高于此標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)后續(xù)商品化生產(chǎn)工序便可達(dá)標(biāo)。本試驗(yàn)中添加菌劑顯著提高了堆肥產(chǎn)品的電導(dǎo)率（EC），但對(duì)堆肥進(jìn)程和堆肥質(zhì)量其余各項(xiàng)指標(biāo)均無顯著影響，因此實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)進(jìn)行菌劑的空白對(duì)比試驗(yàn)，以免盲目使用增加成本。

關(guān)鍵詞：菌劑；羊糞；菌渣；好氧堆肥

中圖分類號(hào)：S141 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2018）09-0089-05

Abstract In order to clear the influence of microorganism agent on composting process and product quality， we selected sheep manure and mushroom residue as the raw materials with adding microorganism agent as the experimental group （MA） and without adding microorganism agent as the control group （CK）， and conducted for 40 days in the form of windrow composting.The related indexs of composting process and quality were analyzed. The results showed that the days of the pile temperature of CK and MA remained above 50℃ were 36 d and 37 d， respectively， so both reached the high temperature compost hygiene standards. The total nutrient contents of composting product of CK and MA were 5.66% and 5.73%， respectively， which conformed to the requirements of the organic fertilizer product standards of China. However， the moisture content of CK and MA were 33.29 % and 34.78 %， respectively， which were slightly higher than the requirements of the standards，and would reach the standard after the following commercialized production process. In this experiment， adding microorganism agent significantly increased the EC value of compost product， but had no obvious effect on the other indexes of process and quality of composting， therefore， the blank contrast test should be carried out in actual production， so as not to increase unnecessary cost.

Keywords Microorganism agent； Sheep manure； Mushroom residue； Aerobic composting

隨著我國(guó)畜禽養(yǎng)殖和食用菌產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便和食用菌菌渣的產(chǎn)生量也越來越大，2014年我國(guó)畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖的糞便和食用菌菌渣產(chǎn)生量分別約為12.6億噸[1，2]和2 000萬噸[3]。研究表明，畜禽糞便和菌渣等廢棄物含有豐富的有機(jī)養(yǎng)分和氮、磷、鉀等無機(jī)養(yǎng)分，是具有巨大潛力的資源庫[4，5]。限于技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化滯后等原因，我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物利用率僅為34%[6]，大多被隨意擱置暴露在外，甚至直接排入江河湖泊，導(dǎo)致環(huán)境污染。2010年《全國(guó)第一次污染源普查公報(bào)》指出，畜禽養(yǎng)殖已成為中國(guó)最重要的農(nóng)業(yè)面源污染源之一[7]，此外，隨處堆棄的食用菌渣易造成霉菌和害蟲的滋生與疾病傳播[5]。因此，畜禽糞便和食用菌渣的資源化利用已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究焦點(diǎn)。

近年來，隨著人們生活水平的提高，對(duì)羊肉、羊奶等羊類制品的需求量逐年遞增，促使羊的集約化養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)羊的存欄量較2010年增加了7.93%，達(dá)2.8億頭[1]，存欄量增加所產(chǎn)生大量羊糞的處理問題已不容忽視。目前，處理畜禽糞便、菌渣等農(nóng)業(yè)固體廢棄物最經(jīng)濟(jì)有效的辦法仍為好氧堆肥，且已有很多相關(guān)研究，其中以牛糞、豬糞和雞糞等畜禽糞便與菌渣混合堆肥的研究較多[8-10]，而羊糞與菌渣堆肥的研究卻少有報(bào)道。本研究以羊糞和食用菌渣為原料，以添加腐熟菌劑為試驗(yàn)處理，利用堆肥工廠成熟的好氧堆肥工藝開展實(shí)踐研究，以期為堆肥化處理羊糞和菌渣提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而提升工廠化生產(chǎn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

堆肥材料羊糞來自山東潤(rùn)林牧業(yè)有限公司規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)，菌渣（金針菇菌渣）來自河北九道菇生物科技有限公司，菌劑由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院資源與環(huán)境研究所菌種保藏庫提供，供試材料基本性狀見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分為2組，以添加菌劑（添加比例為千分之一）為處理組，不添加菌劑為對(duì)照組，每組設(shè)3個(gè)重復(fù)。以初始C/N值為30調(diào)節(jié)物料添加比例，初始含水率調(diào)至60%。堆肥從2015年9月24日到11月3日，共40 d。堆肥制作方法參照當(dāng)?shù)厣a(chǎn)工藝，將原材料用攪拌機(jī)充分拌勻后堆成條垛進(jìn)行發(fā)酵（條垛長(zhǎng)×寬×高=20.0 m×3.0 m×1.2 m），每個(gè)處理間隔5.0 m。堆置期間每天測(cè)定堆體溫度和環(huán)境溫度。堆體溫度上升至50℃并維持5 d后，用翻拋機(jī)每5 d翻堆1次。分別于堆肥開始后的第0、3、6、10、15、20、25、30、35、40 d采集堆肥樣品，進(jìn)行測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

溫度測(cè)定方法：堆肥開始后，將溫度計(jì)分別插入距底部20、60、100 cm處，每處設(shè)5個(gè)點(diǎn)，于每天8∶ 00、13∶ 00和17∶ 00讀取各點(diǎn)溫度，取平均值作為當(dāng)日堆體溫度，同時(shí)測(cè)定環(huán)境溫度。

樣品分析：按照有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)NY525—2012[11]測(cè)定全碳、全氮、全磷、全鉀的含量。稱取新鮮堆肥樣品加去離子水[按固液比1∶ 10（g/mL）]，在室溫條件下，于200 r·min-1振蕩提取1 h后，用pH計(jì)和電導(dǎo)率儀直接測(cè)定pH和電導(dǎo)率（EC）值[12]。采用重量法測(cè)定含水率。

發(fā)芽指數(shù)（GI）的測(cè)定方法：稱取新鮮堆肥樣品10 g，加入100 mL蒸餾水，室溫振蕩1 h后靜置24 h，過濾，吸取5 mL濾液于鋪有一層濾紙的9 cm培養(yǎng)皿內(nèi)，并于培養(yǎng)皿內(nèi)均勻排布50粒飽滿的油菜種子（束腰油菜）， 28℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，以蒸餾水作對(duì)照[13]。計(jì)算公式如下：

GI（%）=處理發(fā)芽率×處理平均根長(zhǎng)對(duì)照發(fā)芽率×對(duì)照平均根長(zhǎng)×100 。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行作圖與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度、固相C/N和含水率的變化

堆肥過程中的溫度變化是堆體內(nèi)不同類型微生物活性變化的重要反應(yīng)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)堆肥無害化和穩(wěn)定化的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。由圖1a可知，堆肥過程中的環(huán)境溫度在14.0～24.0℃之間，相對(duì)穩(wěn)定。在堆肥開始1 d后堆溫即達(dá)50℃以上，對(duì)照組和處理組的堆溫分別于第9 d和11 d時(shí)達(dá)60℃以上，且維持在50℃以上的天數(shù)分別為36 d和37 d，均達(dá)到了高溫堆肥的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[14]。說明添加菌劑對(duì)堆體溫度無顯著影響。

C/N比是目前常用的腐熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，一般當(dāng)堆肥原料的C/N值由起始25～30降到16左右時(shí)，可認(rèn)為已基本腐熟，否則施入土壤中易造成氮饑餓，影響土壤肥力[12]。從圖1b中可知，堆肥物料固相碳氮比總體呈下降趨勢(shì)，由起始的30降至20左右；且堆肥結(jié)束時(shí)，兩組的固相碳氮比無顯著差異，說明添加菌劑對(duì)羊糞堆肥固相碳氮比無顯著影響。此外，與堆肥開始時(shí)相比，堆肥結(jié)束時(shí)兩組的固相碳氮比均顯著降低（對(duì)照組P=0.001；處理組P=0.002），其中對(duì)照組降幅較大，為33.30%。

堆體中的水分不僅可以作為微生物代謝和生理活動(dòng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的載體，還可以蒸發(fā)帶走熱量，調(diào)節(jié)堆體溫度，是堆肥過程工藝控制的關(guān)鍵因子[9]。圖1c中，隨著堆肥過程的進(jìn)行，堆體含水率逐漸降低，前15 d含水率降幅較大，對(duì)照組和處理組的含水率降幅分別占整個(gè)堆肥過程降幅的50.13%和55.56%。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)照組和處理組的含水率分別為33.29%和34.78%，說明添加菌劑對(duì)堆體含水率無顯著影響。兩組含水率均略高于有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)[11]，但經(jīng)后續(xù)物料轉(zhuǎn)運(yùn)等一系列工序便可達(dá)到要求。

2.2 總氮、總磷和總鉀養(yǎng)分的變化

堆肥產(chǎn)熱本質(zhì)上是微生物新陳代謝的過程，有機(jī)物在此過程中被不斷分解，并以NH3、H2O、CO2等形式揮發(fā)損失，造成氮元素和碳元素絕對(duì)量及總干物質(zhì)質(zhì)量逐漸減少，并且碳的消耗速率約為氮的30倍[15]，堆肥結(jié)束時(shí)，物料中的氮磷鉀等養(yǎng)分相對(duì)含量高于原始物料。由圖2可知，對(duì)照組堆肥成品中的養(yǎng)分含量較原始物料提高11.85%，差異達(dá)顯著水平（P=0.023），而處理組差異不顯著，這可能與添加菌劑促進(jìn)了有機(jī)物料降解有關(guān)；對(duì)照組和處理組的堆肥產(chǎn)品總養(yǎng)分含量分別為5.66%和5.73%，二者間無顯著差異，均達(dá)到了有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)（NY525—2012）[11]的養(yǎng)分含量要求，說明添加菌劑對(duì)堆肥產(chǎn)品的總養(yǎng)分含量無顯著影響。

2.3 pH、EC值的變化

pH是堆肥過程控制的重要參數(shù)，適宜的pH值能有效提高微生物活性，促進(jìn)堆肥進(jìn)程，減少養(yǎng)分損失。從圖3a中可以看出，對(duì)照組和處理組的pH值在前6 d呈快速上升趨勢(shì)，之后略有下降，處理組10 d后，對(duì)照組15 d后又開始緩慢升高，堆肥第20 d時(shí)達(dá)到最高值，分別為8.88和8.89，之后持續(xù)下降，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)照組和處理組的pH值分別為8.44和8.42，均滿足有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)的pH值要求，且二者間無顯著差異。

電導(dǎo)率（EC）反映了堆肥浸提液中的離子總濃度，即可溶性鹽含量[12]。研究表明，當(dāng)堆肥EC值小于9.0 mS·cm-1時(shí)，對(duì)種子發(fā)芽沒有抑制作用[16]。因此，EC值也是堆肥腐熟的一個(gè)重要參數(shù)。從圖3b中可以看出，兩組的EC值隨堆肥時(shí)間延長(zhǎng)呈升高趨勢(shì)，這可能是由物料中有機(jī)物質(zhì)被分解產(chǎn)生大量可溶性小分子物質(zhì)造成的[17]。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)照組和處理組的EC值分別由堆肥開始時(shí)的3.47和3.23 mS·cm-1升高至4.52和4.73 mS·cm-1，兩者間差異達(dá)顯著水平（P=0.03）；與初始EC值相比，對(duì)照組和處理組分別增加30.26%和46.44%，且均達(dá)極顯著水平（對(duì)照組P=0.0018；處理組P=0.0006），即添加菌劑顯著促進(jìn)了堆肥物料電導(dǎo)率值的升高。

2.4 發(fā)芽指數(shù)（GI）的變化

生物學(xué)指標(biāo)是通過檢測(cè)堆肥毒性來判斷堆肥腐熟度的方法，也是檢驗(yàn)堆肥腐熟度最精確和最有效的方法[15]。目前，植物生長(zhǎng)試驗(yàn)是評(píng)價(jià)堆肥腐熟度最具說服力的方法[18]，其中最簡(jiǎn)單有效的即為種子發(fā)芽試驗(yàn)，用發(fā)芽指數(shù)（GI）來評(píng)價(jià)：當(dāng)GI值達(dá)到50%可認(rèn)為堆肥對(duì)植物已無毒害作用，當(dāng)GI 超過80%則可認(rèn)為已完全腐熟[19]。本研究采用堆肥鮮樣提取液進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。對(duì)照組和處理組的發(fā)芽指數(shù)在25 d內(nèi)變化幅度較小，之后呈快速升高的趨勢(shì)，至第40 d時(shí)分別達(dá)102.87%和107.0%，二者無顯著差異。

3 討論與結(jié)論

堆肥初期，微生物迅速將原料中易分解的有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生大量熱量使堆溫在堆肥開始1 d后即達(dá)50℃以上，對(duì)照組和處理組的堆溫分別于第9 d和11 d時(shí)達(dá)60℃以上，且維持在50℃以上的天數(shù)分別為36 d和37 d，兩組間的溫度及固相C/N變化均無顯著差異，且均達(dá)到了國(guó)家有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)照組和處理組的含水率分別為33.29%和34.78%，均略高于國(guó)家有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步處理。

試驗(yàn)前期pH值快速上升可能是微生物分解有機(jī)氮產(chǎn)生的大量NH3被堆肥物料吸附所致[12]；后期pH值下降，則是由于溫度下降，NH3揮發(fā)速率下降，原來受高溫抑制的硝化菌活性增強(qiáng)，硝化作用產(chǎn)生大量的H+所致[9]。堆肥質(zhì)量上，兩組均符合糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[14]，達(dá)到了殺滅有害病原菌及害蟲的效果；添加菌劑對(duì)堆肥產(chǎn)品的pH值、總養(yǎng)分含量和GI值均無顯著影響，但使堆肥產(chǎn)品的EC值較對(duì)照組處理提高了4.65%，達(dá)顯著水平（P=0.03）。

本試驗(yàn)中，處理組在堆肥進(jìn)程和堆肥質(zhì)量上與對(duì)照組的表現(xiàn)基本一致，未表現(xiàn)出較明顯的促進(jìn)效果，這與鄭衛(wèi)聰[20]和田赟[21]等提出的添加菌劑有助于堆肥腐熟的結(jié)論有較大差異，這可能與菌劑的微生物類型及外界環(huán)境條件等有關(guān)。但同時(shí)也有大量研究報(bào)道未添加菌劑仍在較短時(shí)間內(nèi)完成了畜禽糞便的堆肥化處理[22-24]，因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)進(jìn)行菌劑的空白對(duì)比試驗(yàn)，以免盲目使用增加成本。

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