不同纖維素降解菌對玉米秸稈的降解效果

李雯，劉艷薇,，李停鋒，郭君鈺，顧欣*，孫權(quán)，王銳

1. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2. 寧夏伊品生物科技股份有限公司，寧夏 銀川 750100

中國秸稈資源豐富，其綜合利用率約為70%，基本形成以肥料化利用為主，飼料化、燃料化快速發(fā)展，再輔以基料化和原料化的綜合利用格局（靳貞來等，2015）。好氧堆肥是肥料化的主要技術(shù)，然而常規(guī)好氧堆肥往往發(fā)酵周期長、生產(chǎn)效率低、堆肥質(zhì)量不穩(wěn)定，同時釋放出大量NH3、CO2等氣體，造成環(huán)境污染（Makaly et al.，2000）。政府間氣候變化委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC，2007）報道，堆肥產(chǎn)生的溫室氣體約占全球排放總量的13.5%。

好氧堆肥的生物學(xué)本質(zhì)是利用好氧微生物降解堆肥物料，使其達(dá)到穩(wěn)定。研究表明，在堆肥中添加纖維素降解菌，可減少揮發(fā)性氣體的釋放、降低物料的碳氮損失、縮短堆肥周期、提高堆肥質(zhì)量（Hong et al.，2014；Kuok et al.，2012）。勞德坤等（2015）研究表明，堆肥中添加菌劑，可提高堆體溫度，縮短堆肥腐熟周期，并保留N、P、K等營養(yǎng)元素，與對照組比較，氮磷鉀養(yǎng)分含量平均較不加菌處理高0.48%。研究表明，堆肥中添加纖維素降解菌劑，與對照相比，可減少40%—85% NH3等臭氣揮發(fā)（趙京音等，1995；胡尚勤等，1996）。黃懿梅等（2002）研究表明，堆料中添加纖維素降解菌，使物料較不加菌處理提前30 d達(dá)到腐熟。因此明確不同外源纖維素降解菌對物料的降解性能，有利于微生物資源的有效應(yīng)用和秸稈堆肥的高效化，還可以降低堆肥對環(huán)境造成的污染。綜上所述，在好氧堆肥的物料中添加纖維素降解菌，可以起到保碳、保氮，減少溫室氣體排放，提高營養(yǎng)元素含量，縮短發(fā)酵周期等作用。

雖然復(fù)合型菌劑已應(yīng)用于堆肥腐熟生產(chǎn)，但是在堆肥的自然菌群環(huán)境中多種（株）秸稈降解菌之間的相互關(guān)系卻非常復(fù)雜、難以理清。目前，有關(guān)纖維素降解菌對秸稈好氧發(fā)酵的研究，一般圍繞多株真菌間或多株細(xì)菌間，或單一菌與復(fù)配菌劑間進(jìn)行降解效果比較，而對細(xì)菌和真菌之間進(jìn)行秸稈降解性能進(jìn)行比較的研究較少。因此，明確細(xì)菌型和真菌型纖維素降解菌在物料降解上的特點和差異，將有助于構(gòu)建高效的纖維素降解菌劑。

本試驗基于前期研究，以玉米秸稈為試驗材料，選用纖維素降解細(xì)菌和真菌各2株，采用室內(nèi)控溫好氧堆肥發(fā)酵試驗，比較秸稈發(fā)酵過程中添加不同纖維素降解菌對物料溫度、pH值、NH3和CO2釋放量、養(yǎng)分含量和腐熟度等的影響，明確具有纖維素降解功能的真菌和細(xì)菌對玉米秸稈的降解特征，為合理利用纖維素降解菌、提高堆肥效率提供理論依據(jù)。此外，試驗中所用非洲哈茨木霉（Trichoderma afroharzianum）是研究團(tuán)隊在前期篩選到的纖維素降解菌，其分離、篩選和相關(guān)生物學(xué)特性將另文撰寫發(fā)表。目前，利用該菌在秸稈堆肥腐解中對物料養(yǎng)分轉(zhuǎn)化方面的研究尚未見報道。

1 試驗材料及方法

1.1 秸稈及預(yù)處理

玉米秸稈采集自寧夏青銅峽市甘城子鄉(xiāng)。將玉米秸稈洗凈、風(fēng)干、粉碎，過0.5 mm篩，備用。測定秸稈總 C、N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 50.15%、1.77%、0.33%和0.20%。

1.2 試驗菌株

4株纖維素降解菌：藤黃單胞菌（Luteimonassp.）X11-1菌株，施氏假單胞菌（Pseudomonas stutzeri）X3-5-1菌株，黃曲霉（Aspergillus flavus）Z5-3菌株，非洲哈茨木霉（Trichoderma afroharzianum）Z6-4菌株，Genbank編號分別為MK120099、MK120107、MK131715、MK120193，篩選自寧夏秸稈堆、畜糞和土壤，由寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境實驗室提供。

1.3 試驗裝置

采用塑料桶、三角瓶、彎管玻璃、乳膠管、膠塞、濾網(wǎng)、封口膜、充氣泵和溫度自動記錄儀組裝試驗裝置，如圖1。裝置主體為6.9 L塑料桶，距底部 5 cm處固定雙層濾網(wǎng)，濾網(wǎng)上置粉碎后的秸稈300.0 g，用多層封口膜對桶口進(jìn)行密封。桶體一側(cè)接入充氣泵對裝置內(nèi)部進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，通風(fēng)量約為100 mL·min-1。通入的氣體依次經(jīng) 1 mol·L-1H2SO4和1 mol·L-1NaOH溶液依次過濾空氣中的NH3和CO2，然后進(jìn)入主體裝置，為秸稈好氧堆肥供氣。發(fā)酵桶另一側(cè)依次連接置有 2% H3BO3溶液和 1 mol·L-1NaOH溶液的三角瓶，用于吸收發(fā)酵過程中釋放出的NH3和CO2，定期檢測并更換新試劑。

1.4 試驗方法

1.4.1 菌株種子液的制備

分別制備 Z5-3、Z6-4菌株 1×106個·mL-1孢子懸液和 X11-1、X3-5-1菌株 1×108CFU·mL-1菌懸液。將菌株Z5-3和Z6-4分別接種至PDA培養(yǎng)基中，32 ℃培養(yǎng)3—5 d，用無菌水制備真菌懸液，并用血球計數(shù)板計數(shù)，調(diào)節(jié)菌懸液濃度為 1×106個·mL-1。將30 ℃恒溫培養(yǎng)24 h的菌株X11-1、X3-5-1菌體分別接種于牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基中，28 ℃、180 r·min-1恒溫震蕩培養(yǎng)24 h，用無菌水制備1×108CFU·mL-1的細(xì)菌懸液，用細(xì)菌計數(shù)板進(jìn)行計數(shù)。

1.4.2 試驗設(shè)計

發(fā)酵桶中加入玉米秸稈300.0 g，用尿素調(diào)節(jié)預(yù)處理后的玉米秸稈 C/N為 25:1，分別加入 Z5-3、Z6-4孢子懸液，X11-1、X3-5-1菌懸液各250 mL，調(diào)節(jié)含水率為60.0%，以加入等量無菌水為對照。接入溫度自動記錄儀，組裝裝置，置于55.0 ℃恒溫生化培養(yǎng)箱中進(jìn)行好氧發(fā)酵。每天根據(jù)水分散失情況補(bǔ)充水分，保持含水率在60.0%左右，每12 h記錄溫度變化，每隔1 d對NH3和CO2釋放量進(jìn)行檢測，分別在物料發(fā)酵的升溫期、高溫期、降溫期和腐熟期進(jìn)行多點混合采樣，樣品經(jīng)風(fēng)干、粉碎，測定物理、化學(xué)性質(zhì)，每處理3重復(fù)。

圖1 試驗裝置Fig. 1 Experimental device

1.5 測定項目及方法

1.5.1 溫度

溫度采用CR-4溫度記錄儀，每隔1 h自動記錄秸稈堆溫度。

1.5.2 化學(xué)性狀測定

物料pH值采用PHS-3EpH儀測定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；全氮采用 H2SO4-H2O2半微量開氏定氮法測定；全磷采用 H2SO4-H2O2釩鉬酸銨比色法測定；全鉀采用 H2SO4-H2O2火焰光度法進(jìn)行測定；速效磷采用2%檸檬酸溶液浸提-釩鉬酸銨比色法測定；速效鉀用1 mol·L-1硝酸溶液浸提-火焰光度法測定（鮑士旦，2005）；NH3采用硼酸吸收硫酸滴定法進(jìn)行測定（Yang et al.，2019）；CO2采用NaOH吸收硫酸滴定法進(jìn)行測定（賽納瓦爾等，2006）。

1.5.3 腐熟度測定

物料與無菌水以1:10質(zhì)量比浸提24 h，制備物料浸提液，在培養(yǎng)皿（直徑90 mm）中鋪一張無菌濾紙，加入物料浸提液6 mL，放入20粒小油菜種子，置于28 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h，統(tǒng)計種子發(fā)芽率，用游標(biāo)卡尺（精度0.01 mm）測定發(fā)芽種子的根長，計算種子發(fā)芽指數(shù)（Seed germination index，GI）（張玉鳳等，2019；王艮梅等，2019），公式如下：

式中，GI為種子發(fā)芽指數(shù)；G為堆肥樣品浸提液中種子的發(fā)芽率；L為堆肥樣品浸提液中種子的根長；G0為蒸餾水中種子的發(fā)芽率；L0為蒸餾水中種子的根長。

如果GI＞50%，認(rèn)為物料基本腐熟；當(dāng)GI達(dá)到80%—85%，認(rèn)為物料完全腐熟。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表制作；采用SPSS 21.0數(shù)據(jù)處理軟件做方差分析；采用LSD法在P＜0.05水平上檢測差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同纖維素降解菌對玉米秸稈堆肥溫度的影響

圖2a表明，玉米秸稈的堆溫變化呈先上升后下降的趨勢。發(fā)酵初期，微生物大量繁殖、分解和利用堆料中的有機(jī)物，產(chǎn)生熱量，堆體溫度快速升高。至第2天，除對照外，其他各處理的堆溫都達(dá)到50.0 ℃以上，說明堆肥添加纖維素降解菌可加快堆肥的起溫速度。細(xì)菌X11-1和X3-5-1處理在堆肥第2天進(jìn)入高溫期，真菌Z5-3和Z6-4處理第3天進(jìn)入高溫期，對照在第4天進(jìn)入高溫期。至第16天，堆料溫度整體略下降，可能與水分散失造成物料局部缺水有關(guān)。至第29天，堆溫開始下降，進(jìn)入降溫期。至堆肥結(jié)束，堆溫趨于穩(wěn)定并接近環(huán)境溫度，說明物料達(dá)到腐熟期。在堆溫高峰值上，處理 Z5-3、Z6-4、X11-1、X3-5-1分別較對照高1.19%、0.30%、1.94%、1.49%。整個堆肥進(jìn)程中，細(xì)菌X11-1、X3-5-1處理的堆溫較真菌Z6-4、Z5-3處理處于更高的水平。

圖2 不同纖維素降解菌對秸稈堆肥溫度（θ）、pH值的影響Fig. 2 Effect of different Cellulose-degrading microorganism on straw compost temperature(θ), pH

2.2 不同纖維素降解菌對玉米秸稈堆肥pH值的影響

加入不同的纖維素降解菌，玉米秸稈堆肥的pH值呈先升高后降低的趨勢，如圖2b。升溫期，處理CK、Z5-3、Z6-4、X11-1、X3-5-1物料pH值分別為7.71、7.74、7.74、7.65、7.83。高溫期，各處理的pH值均上升，加菌處理的 pH值分別較對照提高1.13%、2.00%、1.63%、0.00%，其中Z6-4處理最高。腐熟期，加菌處理的pH值分別較對照高1.18%、2.11%、1.84%、2.50%。發(fā)酵初期與腐熟期相比，各處理的pH值均處于7.60—7.80之間。

2.3 不同纖維素降解菌對玉米秸稈堆肥 CO2釋放量和有機(jī)碳含量的影響

堆肥中添加不同的纖維素降解菌，物料CO2釋放量均呈先升高后降低的趨勢。隨著堆肥的進(jìn)行，各處理的CO2累積釋放量均呈增加的趨勢，如圖3a。自升溫期至高溫期，是CO2累積釋放量急速上升階段；第1—4天，堆肥進(jìn)入高溫期，CO2累積量達(dá)到最高值，高溫期結(jié)束時，Z5-3、Z6-4、X11-1、X3-5-1處理的 CO2累積釋放量分別較對照低 3.48%、3.65%、1.16%、1.99%。堆肥結(jié)束時，各處理的CO2累積釋放量分別較對照低 2.83%、4.36%、2.69%、2.69%。兩個真菌處理的CO2累積釋放量最低。

圖3b表明，隨著CO2累積釋放量的增加，堆料中的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均下降。升溫期，處理CK、Z5-3、Z6-4、X11-1、X3-5-1的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為49.28%、51.14%、50.36%、49.27%、49.25%。與對照的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，高溫期，Z5-3、Z6-4處理分別提高0.03%、0.62%，X11-1、X3-5-1處理分別降低 1.83%、1.21%。至發(fā)酵結(jié)束，Z5-3、Z6-4、X11-1、X3-5-1處理的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別較對照高1.55%、2.98%、1.81%、1.14%，其中Z6-4處理最高。發(fā)酵初期至發(fā)酵結(jié)束，CK和各處理的有機(jī)碳損失分別為 34.89%、34.23%、30.37%、31.20%、32.53%。綜上，各處理的碳損失由低到高依次為Z6-4、X11-1、X3-5-1、Z5-3、CK，但是加菌各處理無顯著差異。

由此可知，在玉米秸稈堆肥中，各處理的CO2累積釋放量均呈上升的趨勢，而有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)下降。CO2累積釋放量越高，說明物料的碳損失越多，導(dǎo)致腐熟后的物料有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，不利于堆肥物料碳素的保存。

2.4 不同纖維素降解菌對玉米秸稈堆肥 NH3釋放量和全氮含量的影響

控溫條件下，各處理物料的NH3釋放與CO2釋放具有相似的趨勢，即先增加后降低，如圖4a。堆肥初始，NH3累積釋放量較低。升溫期和高溫期，NH3累積釋放量迅速升高，并于高溫期達(dá)到峰值，此階段的累積釋放量占總量的 75.21%—76.42%。NH3累積釋放量最高的為對照，Z5-3、Z6-4、X11-1、X3-5-1處理分別較對照低0.91%、1.78%、5.20%、0.87%。進(jìn)入降溫期，NH3釋放量的累積速度緩慢下降。至腐熟期，各處理的NH3累計釋放量分別較對照低2.18%、2.65%、7.83%、2.13%，其中X11-1處理釋放NH3最少，與其他處理有顯著差異，說明保氮效果最好。

圖3 不同纖維素降解菌對秸稈堆肥CO2累計釋放量（E1c）、有機(jī)碳含量（ωOC）的影響Fig. 3 Effect of different cellulose-degrading microorganism on the cumulative CO2 release and organic carbon content in straw compost

圖4 不同纖維素降解菌對秸稈堆肥NH3累計釋放量（E2c）、全氮含量（ωTN）的影響Fig. 4 Effect of different cellulose-degrading microorganism on the accumulative NH3 release and total nitrogen content in straw compost

所有發(fā)酵處理的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨發(fā)酵進(jìn)程而呈下降的趨勢，而加入不同纖維素降解菌對該指標(biāo)的降幅具有顯著影響，如圖4b。升溫期，CK、Z5-3、Z6-4、X11-1、X3-5-1處理的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.77%、1.74%、1.76%、1.76%、1.75%。至高溫期，大量含氮有機(jī)物被分解，產(chǎn)生NH3并揮發(fā)，導(dǎo)致全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速下降。進(jìn)入降溫期，其下降速度趨于緩慢。腐熟期，各處理的氮損失分別為44.19%、36.49%、34.19%、26.14%和26.57%，加入纖維素降解菌的物料氮損失分別較對照降低17.42%、22.63%、40.85%、39.87%，具有顯著差異性。細(xì)菌處理較真菌處理氮損失降低 25.54%—27.18%，細(xì)菌處理保氮效果明顯優(yōu)于真菌處理，處理X11-1保氮效果最好。

由圖4可知，在整個堆肥進(jìn)程中，各處理NH3累計釋放量呈上升的趨勢，而全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降的趨勢。試驗表明，NH3累積釋放量越小，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降幅度越小。其中，X11-1處理NH3累積釋放量最小、氮損失最少，為最佳處理。

2.5 不同纖維素降解菌對秸稈堆肥全磷和全鉀含量的影響

在發(fā)酵過程中，P、K元素含量相對比較穩(wěn)定，不會出現(xiàn)明顯的變化，因此全磷和全鉀的增加一般是指相對含量的增加（張玉鳳等，2019）。在物料腐熟過程中，微生物將有機(jī)物分解為CO2和水，堆料的質(zhì)量和體積都有所減少，導(dǎo)致腐熟物料的全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。添加不同的纖維素降解菌，物料中的微生物活性和數(shù)量均相應(yīng)增加，加速了有機(jī)質(zhì)的分解，提高了物料中全磷和全鉀的相對含量。由圖5可知，發(fā)酵前后，各處理的全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有所增加。至發(fā)酵結(jié)束，CK、Z5-3、Z6-4、X11-1、X3-5-1處理的全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.33%、0.33%、0.36%、0.42%、0.32%，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.29%、0.29%、0.25%、0.25%、0.27%。

2.6 不同纖維素降解菌對秸稈堆肥速效磷和速效鉀含量的影響

圖5 不同纖維素降解菌對秸稈堆肥全磷（ωTP）、全鉀含量（ωTK）的影響Fig. 5 Effect of different cellulose-degrading microorganism on total phosphorus and total potassium content in straw compost

高溫好氧堆肥可以將有機(jī)物中難以被植物吸收利用的磷元素轉(zhuǎn)變成植物易吸收的形態(tài)，因此，堆肥處理使速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，如圖6a。升溫期，各處理的速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 427.08—456.61 mg·g-1。高溫期，該指標(biāo)迅速上升，增幅為45.77—113.90 mg·kg-1，X3-5-1處理的增幅最大。降溫期和腐熟期各處理的速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)有小幅上升。與發(fā)酵前期相比，CK、Z5-3、Z6-4、X11-1、X3-5-1處理的速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了34.87%、39.69%、38.94%、38.71%、39.00%。加菌處理較對照增速快，其中Z5-3處理增速最快。

堆肥中所有處理的有效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)也呈上升趨勢，如圖6b。升溫期，有效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為288.60—300.40 mg·kg-1，并持續(xù)上升至堆肥發(fā)酵結(jié)束。最終，各處理的該指標(biāo)分別較堆肥初期增加了 62.27%、56.46%、77.00%、65.14%、61.02%，其中增幅最快的為Z6-4處理。

2.7 不同纖維素降解菌對玉米秸稈堆肥種子發(fā)芽指數(shù)的影響

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是判斷堆肥物料生物毒性和腐熟度的重要指標(biāo)。由圖7可知，隨著堆肥進(jìn)行，GI呈上升趨勢，即對種子發(fā)芽的抑制作用逐漸減弱。發(fā)酵初期，各處理的GI均在10%以下。堆肥至第30天，X11-1處理的GI達(dá)到81.31%，而Z5-3、Z6-4、X3-5-1、CK處理的GI分別為72%、74.01%、79.56%、74.56%。以GI大于80%為腐熟的判斷標(biāo)準(zhǔn)，X11-1處理需要30 d才達(dá)到堆肥無害化水平，Z5-3、Z6-4、X3-5-1處理均需33 d達(dá)到完全腐熟，而CK需要35 d。說明添加外源纖維素降解菌，可以促進(jìn)堆肥物料的腐熟，且不同菌株的促腐熟效果具有差異。

3 討論

圖6 不同纖維素降解菌對秸稈堆肥速效磷（ωAP）、速效鉀含量（ωAK）的影響Fig. 6 Effect of different cellulose-degrading microorganism on available phosphorus and available potassium content in straw compost

圖7 不同纖維素降解菌對秸稈堆肥種子發(fā)芽指數(shù)（GI）的影響Fig. 7 Effect of different cellulose-degrading microorganism on the seed germination index in straw compost

溫度是反映秸稈堆肥中微生物活動狀態(tài)的重要指標(biāo)（徐春鈺等，2016）。秸稈降解的化學(xué)本質(zhì)是微生物對纖維素的降解作用和生物氧化作用，均為酶促反應(yīng)，其產(chǎn)生的熱量使堆溫迅速升高，有利于微生物的生長繁殖，促進(jìn)纖維素降解酶和氧化代謝酶的活性提高（Bernal et al.，2008；侯憲文等，2009）。因此，添加外源纖維素降解菌，可以顯著加快堆料的起溫速率（勞德坤等，2015）。本試驗中，與對照比較，加菌處理提前1—2 d進(jìn)入高溫階段。不同微生物的生長繁殖和降解特性具有差異，導(dǎo)致各處理的堆料升溫速率不同。本試驗細(xì)菌處理比真菌處理均提前1 d達(dá)到高溫，且高溫期的溫度峰值比真菌處理高0.5—0.7 ℃。在秸稈堆肥初期，細(xì)菌可以更好地利用有機(jī)質(zhì)快速生長繁殖，因其代時較真菌短，增殖速度更快，表現(xiàn)在代謝速率上，其對有機(jī)物料的降解和物質(zhì)轉(zhuǎn)化也更加迅速（Pascault et al.，2010；Bauer et al.，2008；Poll et al.，2008）。因此，細(xì)菌處理的生物熱能釋放快于真菌處理，使堆料提前進(jìn)入高溫期。

好氧堆肥中，菌體分泌物、代謝產(chǎn)物和堆料的物質(zhì)變化都會影響堆料的pH值，而堆料pH值的變化又影響其中微生物的生長、繁殖，進(jìn)而影響堆肥腐熟進(jìn)程（Sundberg et al.，2013）。研究表明，堆料pH值在7.50—8.50之間，能促進(jìn)堆體中微生物的快速繁殖，提高有機(jī)物的降解速率（李國建等，1990；Zhang et al.，2006），且變化趨勢多為先升高后降低（時小可等，2015）。本研究結(jié)果表明，從試驗初始至堆肥結(jié)束，堆料pH值在7.60—8.16之間，為纖維素降解菌提供了良好的生存環(huán)境。在堆肥前期，有機(jī)物被微生物分解產(chǎn)生大量 NH3，導(dǎo)致 pH值升高；堆肥后期，隨著堆溫下降，硝化細(xì)菌活動頻繁，通過硝化作用分解大量氨氮，同時淀粉等糖類物質(zhì)被大量利用產(chǎn)生較多有機(jī)酸，導(dǎo)致pH值下降（Huang et al.，2014）。

秸稈堆肥中微生物的新陳代謝和細(xì)胞物質(zhì)合成需要消耗大量有機(jī)碳。至腐熟完成，堆料的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)已大量減少，其中，約2/3的有機(jī)碳被微生物徹底氧化生成CO2和H2O，1/3有機(jī)碳用于細(xì)胞物質(zhì)的合成（Onwosi et al.，2017；張玉鳳等，2019）。本試驗中，隨著堆肥的進(jìn)行，物料中的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降，與CO2的累積釋放量具有相關(guān)性，但不同處理的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降幅不同，加菌處理較對照的碳損失具有降低的趨勢，與劉惠敏（2017）的研究結(jié)論一致。表明堆肥物料中添加外源纖維素降解菌，可減少CO2的釋放總量，促進(jìn)有機(jī)物分解并轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，起到保碳作用；但是，在碳損失上，真菌處理和細(xì)菌處理間并無顯著差異。

堆肥中的氮損失主要由氨的揮發(fā)和硝態(tài)氮的反硝化作用引起，其中，氨的揮發(fā)是主要原因（Zhao et al.，2016；Michael et al.，2004）。隨著堆溫升高，微生物的繁殖和代謝速率顯著增強(qiáng)，其對有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化作用加快（張紅等，2014）。因此，高溫加速了玉米秸稈堆肥的氮素?fù)p失，且 NH3釋放量在高溫期達(dá)到峰值。至堆肥后期，微生物將氮素由NH4+-N向NO3--N轉(zhuǎn)化，降低了該階段的氮素?fù)p失，使堆料全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定（徐春鈺等，2016；黃懿梅等，2002；Malińska et al.，2017）。本研究結(jié)果表明，堆肥中添加纖維素降解菌Z5-3、Z6-4、X11-1和 X3-5-1，氮損失分別為 36.49%、34.19%、26.14%和26.57%，較對照的氮損失降低17.42%—40.85%。加菌處理的物料NH3累積釋放量較對照低 10.16%—21.04%。本試驗中的氮素?fù)p失量與NH3累積釋放量呈正相關(guān)關(guān)系，NH3累積釋放量低則氮素?fù)p失低，說明添加適宜的外源微生物，能夠使物料提前腐熟，NH3釋放總量減少，起到保氮作用。本試驗中，細(xì)菌處理較真菌處理平均降低氮損失8.98%，表明細(xì)菌處理的保氮效果優(yōu)于真菌處理。研究表明，在氮素轉(zhuǎn)化上，細(xì)菌的硝化和反硝化作用迅速且徹底，有利于氮素的轉(zhuǎn)化與保存；而真菌在該方面的反應(yīng)條件苛刻且反應(yīng)不徹底（Shimoishi et al.，1993）。其中，施氏假單胞菌具有完整的硝化和反硝化體系，有利于將物料中的NH4+-N氧化為NO3--N（胡金星，2012；），同時可加速物料腐熟，意味著有機(jī)物轉(zhuǎn)化過程中氣態(tài)分子釋放總量的降低，均有利于堆肥的保氮作用（張雪辰等，2015）。藤黃單胞菌X11-1菌株可能也具有較好的硝化、反硝化作用，有利于減少氮素的損失，其相關(guān)機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

堆肥中添加纖維素降解菌能夠使物料中的全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，更重要的是促進(jìn)速效養(yǎng)分的大量生成（徐春鈺等，2016；Zhu，2005；宋志偉等，2018）。本研究結(jié)果表明，加入纖維素降解菌的各處理全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈上升趨勢，且速效磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了 38.71%—39.69%、56.46%—77.00%，這是因為不同菌株對堆肥的保碳、保氮能力和物質(zhì)轉(zhuǎn)化能力具有差異，導(dǎo)致各處理的速效養(yǎng)分含量不同。針對單一速效養(yǎng)分，秸稈達(dá)到腐熟后，不同降解菌處理間無顯著差異。從時間維度上看，添加外源纖維素降解菌可以縮短腐熟時間，加快速效養(yǎng)分生成。

在腐熟過程中，玉米秸稈會釋放H2S、NH3、多酚等對植物有毒的物質(zhì)（Wogn，1985）。一般認(rèn)為GI在 80%—85%之間，堆肥物料有毒物質(zhì)含量較低，達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)（Zucconit et al.，1981）。因此，物料是否能夠快速腐熟，是判斷纖維素降解菌有效性的重要指標(biāo)（勞德坤等，2015）。時小可等（2015）研究表明，添加纖維素降解菌的物料種子發(fā)芽指數(shù)均高于不加菌處理，這是因為添加外源微生物能加快堆料內(nèi)有毒物質(zhì)的分解，縮短堆肥腐熟時間。本試驗中，加菌處理較對照提前3—5 d達(dá)到腐熟，說明添加外源纖維素降解菌加速了秸稈堆肥腐熟。不同加菌處理腐熟時間不同，其中藤黃單胞菌 X11-1處理的腐熟時間最短，僅為30 d，而X3-5-1處理和兩種真菌處理的腐熟時間基本相同。由于不同微生物的生物學(xué)特性及其與堆料中土著微生物的關(guān)系具有差異，導(dǎo)致其對秸稈的降解性能和腐熟進(jìn)程均不同（馬闖等，2019）。因此，有必要結(jié)合秸稈降解菌的生長繁殖規(guī)律、降解酶活性影響因素及其與秸稈自然菌群的關(guān)系進(jìn)行綜合研究。鑒于本試驗基于單一菌株的降解特性開展分析，而若干菌株復(fù)配后，各菌株形成的綜合降解性能和降解效果以及各菌株之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）加入纖維素降解菌能夠快速提高堆體溫度，促進(jìn)堆肥提前進(jìn)入高溫期。升溫最快的為藤黃單胞菌 X11-1和施氏假單胞菌X3-5-1處理，較對照提前2 d進(jìn)入高溫期。加菌處理促進(jìn)玉米秸稈好氧堆肥速效養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和總養(yǎng)分濃縮，物料pH值呈先增加后降低的趨勢。

（2）與對照相比，加菌處理降低了物料NH3和CO2累積釋放量。在碳損失上，加菌處理較對照具有降低的趨勢，但真菌處理和細(xì)菌處理間無顯著差異。加菌處理顯著降低了秸稈堆肥的氮損失，細(xì)菌藤黃單胞菌X11-1處理和施氏假單胞菌X3-5-1處理的氮損失分別較對照降低40.85%、39.87%，真菌非洲哈茨木霉Z6-4處理和黃曲霉Z5-3處理分別較對照降低22.63%、17.42%，添加細(xì)菌較真菌更有利于玉米秸稈堆肥的保氮。

（3）加菌處理促進(jìn)玉米秸稈堆肥的快速腐熟。藤黃單胞菌X11-1處理較對照提前5 d達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，腐熟效果最佳。