添加微生物菌劑對(duì)菊芋秸稈發(fā)酵的影響

魏曉強(qiáng) 鐘啟文 張廣楠

摘要：菊芋是青海高原近年來(lái)迅速發(fā)展的特色經(jīng)濟(jì)作物，其地上部秸稈生物量大，為解決其綜合利用問(wèn)題，針對(duì)5種微生物菌劑進(jìn)行了菊芋秸稈靜態(tài)好氧發(fā)酵添加比較研究。結(jié)果表明，菊芋秸稈在好氧發(fā)酵過(guò)程中，添加微生物菌劑能明顯促進(jìn)其發(fā)酵進(jìn)程，有效提高了堆體溫度并延長(zhǎng)高溫持續(xù)時(shí)間，加快其物質(zhì)降解與合成，有助于在短時(shí)間內(nèi)使堆料達(dá)到理化性質(zhì)的穩(wěn)定并消除其植物毒性;添加微生物菌劑還可以提高腐熟堆料的營(yíng)養(yǎng)水平，減少氮素?fù)p耗，保證腐熟秸稈的肥力。5種菌劑促進(jìn)發(fā)酵的效果存在差異，秸稈降解劑008-J表現(xiàn)最優(yōu)。本研究明確了微生物菌劑對(duì)菊芋秸稈發(fā)酵的促進(jìn)作用，為發(fā)酵菌劑的篩選和菊芋秸稈基質(zhì)化利用提供了參考。

關(guān)鍵詞：菊芋秸稈;好氧發(fā)酵;微生物菌劑;理化性質(zhì)

中圖分類(lèi)號(hào)： S141.4;S182;S188+.4? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2020）06-0246-05

青海省地處青藏高原，高原型大田作物種植種類(lèi)繁多，每年產(chǎn)生的作物秸稈數(shù)量非?？捎^。隨著省內(nèi)設(shè)施無(wú)土栽培面積的逐年增加，草炭、蛭石、珍珠巖等成為主要栽培基質(zhì)，但是這些單一基質(zhì)是不可再生資源，大量開(kāi)采會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，因此尋找廉價(jià)、清潔、可再生的栽培基質(zhì)成為無(wú)土栽培發(fā)展的重點(diǎn)[1]。如果能利用農(nóng)業(yè)廢棄物代替草炭等不可再生基質(zhì)將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益。

菊芋（Helianthus tuberosus L.）是菊科向日葵屬多年生草本植物，能適應(yīng)多種惡劣環(huán)境，并且對(duì)土壤環(huán)境要求不高，因此在青海省高原地區(qū)廣泛種植。但是，近年來(lái)對(duì)菊芋的研究主要集中在對(duì)地下塊莖的研究，而對(duì)其地上部研究[2-6]甚少。菊芋地上部莖葉中營(yíng)養(yǎng)成分較高，并且生物量占全株的50%左右[7]。因此，能有效、環(huán)保地處理菊芋秸稈成為一個(gè)難題。從農(nóng)業(yè)資源再利用的角度上考慮，解決該問(wèn)題的最好方法就是對(duì)菊芋秸稈進(jìn)行好氧發(fā)酵用作蔬菜栽培基質(zhì)。劉明池等對(duì)菊芋秸稈發(fā)酵后的基質(zhì)化做了研究[8]，季延海等在其基礎(chǔ)上研究了菊芋秸稈栽培番茄的不同配比[9]。但是對(duì)菊芋秸稈發(fā)酵的微生物菌劑篩選卻沒(méi)有提到。

本試驗(yàn)利用不同的微生物菌劑來(lái)發(fā)酵菊芋秸稈，通過(guò)對(duì)發(fā)酵期間的溫度、各時(shí)期的理化性質(zhì)、氮磷鉀含量與種子發(fā)芽指數(shù)等進(jìn)行測(cè)定分析，以期篩選出最適合菊芋秸稈發(fā)酵的微生物菌劑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

菊芋秸稈采自青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院園藝試驗(yàn)基地，將菊芋秸稈粉碎成1 cm左右的小段。5種菌劑分別為鄭州益富源生物科技有限公司生產(chǎn)的秸稈發(fā)酵菌種008-FZ（T1）、秸稈降解劑008-G（T2）和秸稈降解劑008-J（T3），楊凌萬(wàn)潤(rùn)農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)用EM菌源（T4）和有機(jī)肥專(zhuān)用菌（T5）。菌劑使用前進(jìn)行擴(kuò)繁，物料配比見(jiàn)表1，室溫下擴(kuò)繁5～7 d，每天進(jìn)行攪拌。試驗(yàn)于2017年12月20日至2018年1月19日期間進(jìn)行，將體積為1 m3的菊芋秸稈堆放在塑料大棚內(nèi)，分別用微生物菌劑進(jìn)行發(fā)酵，以不加菌劑為對(duì)照，擴(kuò)繁好的菌劑按4 kg/m3的比例加入堆料中進(jìn)行發(fā)酵，每種菌劑設(shè)置3次重復(fù)。發(fā)酵采用室內(nèi)靜態(tài)高溫好氧的方式，每5 d翻堆灑水1次，保持水分含量在60%左右。室內(nèi)平均溫度為6.3 ℃。

1.2 測(cè)試指標(biāo)與方法

1.2.1 堆體溫度 每天13：00對(duì)堆體的溫度進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定時(shí)確定堆體的3個(gè)不同位置，在3個(gè)不同位置的40 cm深處進(jìn)行溫度測(cè)定并記錄，取平均溫度作為當(dāng)天的堆體溫度。

1.2.2 理化性質(zhì) 參照李謙盛的方法測(cè)定腐熟秸稈的理化性質(zhì)[10]。取已知體積（V=650 mL）的燒杯，稱(chēng)質(zhì)量（m1）;將烘干后的秸稈加入燒杯中，稱(chēng)質(zhì)量（m2）;將裝有秸稈的燒杯用2層濕紗布封口，完全浸泡在水中過(guò)夜（即水要沒(méi)過(guò)容器的頂部），取出稱(chēng)質(zhì)量（m3），并將濕紗布稱(chēng)質(zhì)量（m4）。再次用濕紗布將燒杯封口后倒置，讓杯內(nèi)的水自由瀝干直至無(wú)水流出，稱(chēng)質(zhì)量（m5）。按以下公式計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)：

1.2.3 酸堿度（pH值）和電導(dǎo)率（EC） 將堆料烘干后粉碎，將堆料和蒸餾水以1 g ∶ 10 mL的比例混合，置于振蕩器中于200 r/min振蕩30 min，振蕩后離心取上清液待用。用ORION STAR A211 pH儀測(cè)定pH值，用FiveEasy電導(dǎo)儀進(jìn)行EC的測(cè)定。

1.2.4 全氮（N）、全磷（P）和全鉀（K） 全N、全P、全K含量的測(cè)定由青海省農(nóng)林科學(xué)院分析測(cè)試中心根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 6435—2014《飼料中水分的測(cè)定》、GB/T 18633—2018《飼料中鉀的測(cè)定 火焰光度法》、GB/T T 6437—2018《飼料中鈣的測(cè)定》）進(jìn)行測(cè)定。用來(lái)反映堆體發(fā)酵中全N、全P、全K含量的變化趨勢(shì)。

1.2.5 種子發(fā)芽指數(shù)（GI） 取堆料鮮樣和蒸餾水用1 g ∶ 10 mL的比例混合，置于振蕩器中于 200 r/min 振蕩30 min，振蕩后浸提、過(guò)濾取上清液待用。發(fā)芽試驗(yàn)材料選用生菜種子，采用培養(yǎng)皿內(nèi)紙上發(fā)芽的方式，每皿內(nèi)均勻點(diǎn)播30粒種子，加 5 mL 浸提液置于25 ℃人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，每個(gè)處理3次重復(fù)，以蒸餾水為對(duì)照。取樣后將生菜種子置于浸提液中72 h，之后測(cè)定種子發(fā)芽率及發(fā)芽種子根長(zhǎng)，計(jì)算種子發(fā)芽指數(shù)[11]。

GI=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%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2007、Origin8和SPSS 16.0等數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體溫度

從圖1可以看出，添加了發(fā)酵菌劑的T1、T2、T3、T4、T5處理與不添加任何發(fā)酵菌劑的對(duì)照處理（T6）之間溫度變化趨勢(shì)基本相同但也有差別（以下簡(jiǎn)稱(chēng)T1、T2、T3、T4、T5、T6）。添加T3菌劑的處理溫度增長(zhǎng)最快，發(fā)酵后3 d上升到50.70 ℃，發(fā)酵后6 d就達(dá)到最高溫度（64.37 ℃），在50 ℃以上的高溫維持了5 d。說(shuō)明添加了T3菌劑的處理溫度上升最快，最高溫度也最高，高溫期維持的時(shí)間也較長(zhǎng)。

2.2 pH值和EC

如表2所示，6種處理?xiàng)l件下的堆體在整個(gè)過(guò)程中 pH 值呈穩(wěn)步升高的趨勢(shì)。其中， 添加了微生物菌劑處理的pH值在發(fā)酵6 d后均有提高。不加菌劑的處理，堆體pH值在發(fā)酵后6 d雖然有所上升，但是較添加菌劑的處理上升不明顯。所有處理從發(fā)酵后12 d開(kāi)始pH值上升變緩。發(fā)酵后30 d，6個(gè)處理的pH值在7.76～8.62之間，T3處理的pH值最小且呈中性。大多數(shù)處理發(fā)酵結(jié)束時(shí)的pH值較起始pH值升高3左右。

從各處理EC的變化趨勢(shì)可以看出，發(fā)酵前后菊芋秸稈EC均有所升高但各處理之間變化幅度不同，在堆料發(fā)酵的中前期EC呈上升趨勢(shì)且變化幅度較大，發(fā)酵后期T1、T2及T6處理的EC呈緩慢上升的趨勢(shì)，其余處理堆料的EC逐漸下降。發(fā)酵后30 d 6個(gè)處理的EC在9.33～11.16 mS/cm之間，T1、T2、T5和T6處理的堆料EC顯著高于其他處理。

2.3 理化性質(zhì)

堆料內(nèi)大分子有機(jī)物的降解造成了堆料容重的變化。如圖2所示，6種處理下，T4處理的容重呈先下降后上升又下降的趨勢(shì)，其余各處理都呈先上升后下降的趨勢(shì)。而容重的變化與通氣孔隙、持水孔隙、氣水比的變化息息相關(guān)。通氣孔隙呈下降趨勢(shì)而持水孔隙在上升，又因?yàn)闅馑葹橥饪紫杜c持水孔隙的比值，所以氣水比呈下降的趨勢(shì)。

2.4 全N、全P和全K

N素以NH3的形式揮發(fā)是造成堆料內(nèi)全氮含量變化的主要原因。由圖3可知，在好氧發(fā)酵的升溫及高溫期是N素?fù)p失的主要時(shí)期。高溫期后N素通過(guò)硝化菌的硝化作用被固定，所以N素的損失逐漸變小，再加上堆體體積和質(zhì)量的減小，所以堆體的全N含量在后期出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。發(fā)酵后 30 d，6個(gè)處理的全N含量在11.47～13.68 g/kg之間。6個(gè)處理的全氮含量較初始含量均有不同程度的降低，其中T3處理的損失量最小，為0.06 g/kg，這是因?yàn)門(mén)3處理在升溫期迅速升溫，減少了升溫過(guò)程中N的損失。

從堆料的全磷、鉀含量的變化趨勢(shì)可以看出，兩者的含量在發(fā)酵后均升高，但是添加不同菌劑的處理之間存在差異。各處理在發(fā)酵后堆料的全磷含量（以P2O5計(jì)）以T3、T4處理的提升輻度較大，分別為0.24、0.26 g/kg。而發(fā)酵后全K含量的提升量比全P含量的提升量大，其中以T2、T3處理的提升量較大，分別為4.33、3.57 g/kg，T1、T4處理的提升量次之，T5和T6處理的提高程度差異不大。

2.5 種子發(fā)芽指數(shù)

如表3所示，發(fā)酵至發(fā)酵后6 d時(shí)，各處理GI均有所下降，說(shuō)明堆料的毒性增加。但是隨著發(fā)酵過(guò)程中一些小分子物質(zhì)的降解合成及代謝，堆料中的毒性逐漸消失。發(fā)酵后12 d時(shí)，T1、T3處理的GI已經(jīng)大于50%;發(fā)酵后18 d時(shí)，其余處理的GI均達(dá)到50%以上，T3處理的GI接近80%，顯著高于同時(shí)期其他5個(gè)處理。發(fā)酵后24 d時(shí)，除T5和T6處理外，其余處理的GI均超過(guò)80%。發(fā)酵后30 d時(shí)，T1、T3、T4處理的GI均超過(guò)95%，其余處理的GI均超過(guò)90%。T5、T6處理的GI在發(fā)酵過(guò)程中上升的速度較慢，GI在發(fā)酵后24 d時(shí)才達(dá)到70%以上，低于其余處理。發(fā)酵30 d后，各處理內(nèi)種子發(fā)芽指數(shù)較發(fā)酵起始時(shí)均顯著提高，其中T1、T2、T3、T4處理間無(wú)顯著差異，均顯著高于T5和T6處理。

3 討論

有研究表明，在堆料進(jìn)行好氧發(fā)酵時(shí)添加微生物菌劑能有效增加堆料的微生物數(shù)量并縮短發(fā)酵過(guò)程[12-13]。本研究對(duì)堆體發(fā)酵過(guò)程中的溫度變化進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，添加菌劑能有效縮短堆肥升溫的時(shí)間且高溫期時(shí)的平均溫度高于不加菌處理，最大高出6.4 ℃，高溫持續(xù)時(shí)間也較對(duì)照多1～4 d，最高溫則高出0.85～12.32 ℃。這種現(xiàn)象是因?yàn)樘砑恿司鷦┖?，堆體內(nèi)的初始微生物數(shù)量增加，有機(jī)物質(zhì)的分解得到加強(qiáng)，微生物代謝后產(chǎn)生的大量能量使堆體溫度迅速升高，縮短了堆體達(dá)到穩(wěn)定期的時(shí)間，進(jìn)而促進(jìn)了腐熟過(guò)程[14]。

栽培基質(zhì)需要有適宜的理化性質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，基質(zhì)容重在0.1～0.8 g/cm3之間，而總孔隙度（通氣孔隙與持水孔隙之和）為54%～96%，pH值稍偏酸性為宜[15]。有研究表明，秸稈發(fā)酵時(shí)不添加碳源會(huì)影響基質(zhì)的穩(wěn)定性[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，菊芋秸稈發(fā)酵完成時(shí)總孔隙度偏大，容重與持水孔隙偏低，堆體pH值在7.76～8.62之間，這可能是因?yàn)槎洋w內(nèi)沒(méi)有添加碳源導(dǎo)致的。因此，菊芋秸稈發(fā)酵后用作栽培基質(zhì)時(shí)應(yīng)添加腐熟的羊糞、雞糞等做為碳源來(lái)調(diào)節(jié)基質(zhì)的理化性質(zhì)。

在堆體發(fā)酵時(shí)，堆料中的含氮物通過(guò)微生物的降解形成氨態(tài)氮，在高溫下以NH3的形式散失，這就造成了堆體總N含量的下降，降低了堆體的肥效[17-19]。在本研究中，添加菌劑的處理較不添加菌劑的處理氮的損失量大大降低，這與前人的試驗(yàn)結(jié)果[20]相似，說(shuō)明在發(fā)酵時(shí)加入微生物菌劑的確能使全氮的損失減少。

有研究表明，全磷、全鉀的含量在發(fā)酵前后基本不發(fā)生變化[16]，但也有人認(rèn)為磷鉀在發(fā)酵過(guò)程中隨著堆體體積的變小其相對(duì)含量增加[21]。在本研究中，全磷、全鉀的含量都呈上升趨勢(shì)，發(fā)酵后含量明顯增加，這可能就是因?yàn)槠涠洋w的體積變小導(dǎo)致其相對(duì)含量增加，這也能從側(cè)面反映堆料中有機(jī)質(zhì)降解的程度和容重變化情況。

有研究認(rèn)為，當(dāng)堆料基本上沒(méi)有毒性時(shí)，GI需要達(dá)到50%以上;堆料沒(méi)有毒性且達(dá)到腐熟時(shí)，GI需要達(dá)到80%以上[22]。而本研究利用生菜種子的發(fā)芽試驗(yàn)檢驗(yàn)堆料的植物毒性時(shí)也得到了相似的結(jié)果。在發(fā)酵后24 d時(shí)，添加了微生物菌劑處理的GI基本達(dá)到80%的水平，高于不加菌的處理，且添加不同菌劑的處理之間GI的變化也不相同，T3處理的GI在發(fā)酵后12 d就明顯高于其他處理。T5處理的GI上升速度總體上低于其余處理，說(shuō)明T5處理堆料內(nèi)的微生物代謝不及其他處理。

4 結(jié)論

菊芋秸稈在進(jìn)行好氧發(fā)酵時(shí)添加微生物菌劑能有效提高堆體的溫度，增強(qiáng)菊芋秸稈堆體內(nèi)物質(zhì)的合成與降解，縮短植物毒性的解除時(shí)間。這說(shuō)明添加微生物菌劑能有效縮短發(fā)酵時(shí)間，增加堆體內(nèi)的微生物數(shù)量，促進(jìn)發(fā)酵進(jìn)程。同時(shí)，添加菌劑能減少堆體內(nèi)全氮的損耗，提高腐熟堆料內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)水平，保持秸稈的肥力。但不同菌劑之間這種促進(jìn)效果不一樣。本試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)添加腐熟菌劑T3時(shí)，腐熟效果要優(yōu)于不加菌和添加T1、T2、T4、T5菌劑的處理。

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