棉稈腐熟過程中相關(guān)指標(biāo)及可培養(yǎng)微生物數(shù)量的變化

代金平，王志方，王小武，馮 蕾，陳 競，謝玉清，張慧濤，古麗·艾合買提，楊新平

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】農(nóng)作物秸稈是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中收獲了稻谷、小麥、棉花等農(nóng)作物以后，殘留不能使用的莖、稈、葉、殼、芯、藤蔓等副產(chǎn)品。農(nóng)作物秸稈營養(yǎng)豐富，其中碳、氧、氫3種元素化學(xué)成分總和占95%以上，其余為鉀、氮、磷、硅、鈣、鎂、硫等礦物質(zhì)元素，有機(jī)成分以纖維素、半纖維素為主，其次為木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、脂肪、灰分等[1]。堆肥是指在通風(fēng)條件下經(jīng)過微生物發(fā)酵，使有機(jī)物在人工控制下，將農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)變成腐熟肥料的過程。在分解過程中，可產(chǎn)生有效態(tài)氮、磷、鉀?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】堆肥的腐熟度評價(jià)是關(guān)系到堆肥安全利用的重要環(huán)節(jié)[2]。堆肥是指在通風(fēng)條件下經(jīng)過微生物發(fā)酵，使有機(jī)物在人工的控制下，將農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)變成腐熟肥料的過程。在分解過程中，可產(chǎn)生有效態(tài)氮、磷、鉀。通常堆肥可分為好氧堆肥、厭氧堆肥和厭氧-好氧堆肥3種方法，好氧堆肥又稱為高溫堆肥，特點(diǎn)是異味少、耗時(shí)短、有機(jī)分解充分，成為處理農(nóng)作物秸稈首選方法[3]。【本研究切入點(diǎn)】在已有的研究中，針對棉稈腐熟度的研究相對較少[4]，目前較為認(rèn)同的堆肥腐熟度的評價(jià)方法是采用多種分析方法測定多個(gè)指標(biāo)，根據(jù)這些指標(biāo)綜合反映堆肥的腐熟狀況[5]。研究不同處理堆肥發(fā)酵過程中相關(guān)指標(biāo)及可培養(yǎng)微生物的變化規(guī)律。【擬解決的關(guān)鍵問題】以棉秸稈為原料，設(shè)置3種不同的添加物配方，在不同堆肥發(fā)酵階段對測定溫度、pH、電導(dǎo)率、速效氮、磷、鉀含量及可培養(yǎng)微生物(細(xì)菌、真菌、放線菌和特殊類群微生物-纖維素降解菌、木質(zhì)素降解菌)。為棉秸稈的利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

棉花秸稈取自于新疆庫爾勒地區(qū)。

1.2 方 法

1.2.1 樣品處理

試驗(yàn)以棉秸稈為原料，測得棉秸稈C/N比約50左右，粗纖維含量>50%，電導(dǎo)率為3 ms/cm，持水率>60%，N含量1%、P含量0.25%，K含量1%。取粉碎的棉秸稈樣品各10 kg(長度為2 cm)自然晾干，處理1(基礎(chǔ)配方)；處理2(基礎(chǔ)配方+磷酸二氫鉀0.8%)；處理3(基礎(chǔ)配方+磷酸二氫鉀2%)，進(jìn)行不同處理后，對水7 kg，攪拌均勻，進(jìn)行堆肥腐熟發(fā)酵28 d，在堆肥發(fā)酵第0、7、14、21和28 d時(shí)取樣。

表1 棉稈腐熟試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.2 篩選培養(yǎng)基制備

細(xì)菌篩選培養(yǎng)基為營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基；真菌篩選培養(yǎng)基為馬鈴薯葡萄糖瓊脂；放線菌篩選培養(yǎng)基為高氏一號合成培養(yǎng)基；纖維素降解菌篩選培養(yǎng)基為纖維素剛果紅培養(yǎng)基(配方為磷酸氫二鉀0.5 g，硫酸鎂0.25 g，羧甲基纖維素鈉0.25 g，剛果紅0.2 g，瓊脂14 g，明膠2 g，純凈水1 L，pH 7.0)；木質(zhì)素降解菌篩選培養(yǎng)基為PDA-RB亮藍(lán)固體培養(yǎng)基(配方為馬鈴薯淀粉6.0 g，葡萄糖20.0 g，瓊脂20.0 g，純凈水1 L，亮藍(lán)0.01%，pH 5.6)。

1.2.3 堆肥腐熟不同階段溫度測定

從堆肥腐熟發(fā)酵開始時(shí)，將電子溫度計(jì)分別放入各處理中，每2 h記錄1次，直至腐熟第28 d取出。

1.2.4 堆肥腐熟不同階段pH及電導(dǎo)率(EC)測定

取堆肥發(fā)酵不同階段樣品10 g分別與去離子水1∶5混合，120 r/min室溫振蕩30 min，取浸出液待用。使用酸堿pH計(jì)和DDS-307電導(dǎo)率儀分別進(jìn)行pH和EC值測定。

1.2.5 堆肥腐熟不同階段速效氮、磷、鉀測定

使用TFC智能普及速測儀測定棉稈發(fā)酵不同階段速效氮、磷、鉀的變化趨勢。

1.2.6 堆肥腐熟可培養(yǎng)微生物菌種的篩選

取堆肥發(fā)酵不同階段的樣品30 g，利用活菌計(jì)數(shù)方法進(jìn)行梯度稀釋(10-1～10-9)，取各梯度液體100 μL涂布在相應(yīng)培養(yǎng)基表面，28℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)4 d。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥腐熟不同處理不同階段溫度變化

在腐熟過程中經(jīng)歷了升溫期、高溫期、降溫期和平穩(wěn)期4個(gè)時(shí)期。CK組、處理2組在第3 d溫度升至最高，分別為52.98、49.07℃。處理1、處理3在第4 d溫度最高，為50.35、45.91℃。溫度下降至第7 d后，變化趨勢開始趨于平緩。在第7～14 d中，4組的溫度均在18.46 ～25.29℃的范圍內(nèi)波動(dòng)，出現(xiàn)小幅度的溫度回升。從第15～第21 d，溫度不再發(fā)生較大變化，且期間溫度整體低于第7～14 d的溫度。第27 d，CK組、處理1、2、3組的平均溫度分別為12.79、12.59、12.23和12.17℃，之后溫度略呈下降趨勢。圖1

圖1 不同處理發(fā)酵過程中溫度的變化

2.2 堆肥腐熟不同處理不同階段pH及電導(dǎo)率(EC)測定

研究表明，在棉秸稈發(fā)酵過程中，pH值隨發(fā)酵時(shí)間的變化而變化。4種處理的pH值先降低后升高，趨勢均相同。處理3的pH在第14 d降至最低，其余3組均在第21 d時(shí)降至最低，此后逐漸升高，在第28 d時(shí)pH升至最高。而處理1和處理2比CK組pH高，處理3的pH最低，范圍為8.59～8.89。圖2

圖2 不同處理發(fā)酵過程中pH的變化

研究表明，在發(fā)酵腐熟過程中，處理1、2、3所測得的EC值均高于CK組。各組的EC值均先降低后升高再降低，均在堆肥第14 d呈最低值，各處理組EC值分別為CK 2.79 ms/cm、處理1為3.42 ms/cm、處理2為2.96 ms/cm、處理3為3.7 ms/cm。在腐熟中后期逐漸升高，在腐熟末期再次降低。處理1和處理2的EC值變化趨勢相較平緩，至28 d，EC值均<4 ms/cm；處理3的EC值較其他處理組較高。圖3

圖3 不同處理發(fā)酵過程中電導(dǎo)率變化

2.3 堆肥腐熟不同處理不同階段速效氮、磷、鉀變化

研究表明，堆肥腐熟不同處理不同階段速效氮變化趨勢均為降低-增加-降低。在第14 d，速效氮濃度降至最低，CK、處理1、處理2、處理3分別為9.663、8.087、8.087和8.983 mg/kg。第21 d，濃度最高：21.000、16.833、17.033和49.867 mg/kg。第28 d，最終的濃度為10.673、11.467、13.133和13.483 mg/kg。圖4

圖4 不同處理發(fā)酵過程中速效氮濃度變化

不同處理的速效磷變化趨勢均相同為升高-降低-平穩(wěn)。CK組和處理2在發(fā)酵腐熟期間速效磷的變化不大，第14 d略有升高。而處理1、處理3速效磷濃度升高的較為明顯，且處理3的濃度最高。第14 d，4組的濃度分別為153.633、934.700、153.867和3 321.900 mg/kg。第28 d濃度：61.167、136.133、88.100和147.000 mg/kg。圖5

圖5 不同處理發(fā)酵過程中速效磷濃度變化

不同處理速效鉀變化趨勢相同，先平穩(wěn)后逐漸升高。第7～14 d，處理1速效鉀濃度升高，CK組、處理2、3降低，但變化較小。第21～28 d升高趨勢較第14～21 d的平緩。至第28 d，各處理組速效鉀濃度分別為1 107.333、1 186.333、1 120.333和1 168.667 mg/kg。圖6

圖6 不同處理發(fā)酵過程中速效鉀濃度變化

2.4 堆肥腐熟不同處理不同階段可培養(yǎng)微生物數(shù)量變化

2.4.1 堆肥腐熟不同處理不同階段細(xì)菌數(shù)量變化

研究表明，堆肥腐熟不同處理不同階段過程中，CK組細(xì)菌數(shù)量在堆肥7和14 d時(shí)，基本相同2.4×1010和2.847×1010cfu/g，在堆肥21 d時(shí)，細(xì)菌數(shù)量最低0.28×109cfu/g；處理1組在堆肥的過程中，在第21 d時(shí)細(xì)菌數(shù)最高，為8.02×1010cfu/g；處理2和處理3隨著堆肥時(shí)間細(xì)菌數(shù)量不斷減少。圖7

圖7 不同處理發(fā)酵過程中細(xì)菌數(shù)量變化

2.4.2 木質(zhì)素降解菌數(shù)量變化

研究表明，在不同處理堆肥過程中，在堆肥7 d時(shí)，各處理木質(zhì)素降解菌的數(shù)量均達(dá)到最高值，分別為CK 1.72×107cfu/g，處理1組2×107cfu/g，處理2組0.58×107cfu/g，處理3組4.17×107cfu/g；在堆肥14 d時(shí)，木質(zhì)素降解菌數(shù)量處理1>處理2>處理3>CK；在堆肥21 d時(shí)，木質(zhì)素降解菌數(shù)量CK>處理3>處理1>處理2；在堆肥28 d時(shí)，木質(zhì)素降解菌數(shù)量處理3>CK>處理1>處理2，木質(zhì)素降解菌數(shù)量分別為0.47×107、0.4×107、0.33×107和0.18×107cfu/g。圖8

圖8 不同處理發(fā)酵過程中木質(zhì)素降解菌數(shù)量變化

2.4.3 纖維素降解菌數(shù)量變化

研究表明，不同處理堆肥過程中，CK隨著堆肥處理的時(shí)間纖維素降解菌數(shù)量呈現(xiàn)先減少，后增加的趨勢；處理1和處理2隨著堆肥處理的時(shí)間纖維素降解菌數(shù)量逐漸減少；處理3隨著堆肥處理的時(shí)間呈現(xiàn)先減少，但在堆肥21 d時(shí)纖維素降解菌數(shù)量達(dá)到最大值19.23×108cfu/g，然后又逐漸降低。圖9

圖9 不同處理發(fā)酵過程中纖維素降解菌數(shù)量變化

2.4.4 真菌數(shù)量變化

研究表明，CK和處理1在堆肥0和7 d真菌數(shù)量基本變化不大，但到堆肥14 d時(shí)，真菌數(shù)量均達(dá)到最大值為2.17×107和4×106cfu/g，然后又隨著堆肥時(shí)間不斷減少；處理2和處理3隨著堆肥時(shí)間呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，到堆肥21 d時(shí)，達(dá)到最大值，分別為5.75×106和5.83×106cfu/g。在堆肥28 d時(shí)，CK、處理1、處理2和處理3真菌數(shù)量分別為0.63×106、1.12×106、0.58×106和3.33×106cfu/g。圖10

圖10 不同處理發(fā)酵過程中真菌數(shù)量變化

2.4.5 放線菌數(shù)量變化

研究表明，CK和處理3隨著堆肥時(shí)間放線菌數(shù)量逐漸增加，在堆肥28 d時(shí)，分別達(dá)到最大值，CK為6.32×109cfu/g，處理2為3.42×109cfu/g；處理1隨著堆肥時(shí)間放線菌數(shù)量先減少后增加，在堆肥28 d時(shí)又減少，但在堆肥21 d時(shí)，放線菌數(shù)量達(dá)到最大值為4.78×109cfu/g。圖11

圖11 不同處理發(fā)酵過程中放線菌數(shù)量變化

3 討 論

堆肥的溫度是反映腐熟進(jìn)程的一個(gè)直觀參數(shù)，溫度影響微生物的活動(dòng)情況，并進(jìn)一步影響有機(jī)物的分解速率[7]。溫度對微生物的生長起到很重要的作用。試驗(yàn)中溫度從第2 d開始，有機(jī)質(zhì)分解，產(chǎn)生CO2、H2O和熱量，使堆肥的溫度迅速升高[8]，進(jìn)入發(fā)酵階段。從第21～28 d，溫度先平緩后下降，接近環(huán)境溫度，初步表明堆肥中有機(jī)物被分解。試驗(yàn)中在堆肥第7、14、21和27 d，溫度都出現(xiàn)下降，可能是翻堆取樣時(shí)造成了部分熱量損失。

pH值是影響微生物生長的重要因素之一。一般來說，pH值在3～12較適合進(jìn)行堆肥發(fā)酵[9]，pH值在7.5～8.5時(shí)，獲得的堆肥效益最大。試驗(yàn)中處理3的pH更接近理想值，因此，更適合微生物的生長和底物降解。董曉宇等[11]用玉米秸稈粉為發(fā)酵原料進(jìn)行堆肥，發(fā)酵結(jié)束后pH值均呈現(xiàn)減小的趨勢。EC值是堆肥腐熟的必要條件。檢測發(fā)酵材料中的EC值，可以反映農(nóng)作物廢棄物堆肥發(fā)酵后浸提液中可溶性鹽的含量?？扇苄喳}含量過高，會直接對植物造成毒害，使植物根部失水。

堆肥前期，溫度和氨的濃度較高，隨著二者的逐漸降低，氨態(tài)氮含量減少，速效氮含量小幅下降。隨著腐熟的進(jìn)行，溫度下降，硝化菌開始代謝旺盛，硝態(tài)氮含量增加，速效氮總含量增加。堆肥后期，氮逐漸被微生物消耗降解，另一方面氨態(tài)氮以氨氣的形式揮發(fā)，速效氮總含量下降[8]。處理3在腐熟第21 d時(shí)，速效氮含量明顯高于其他組，表明對硝化菌的硝化作用有一定影響。速效磷在堆肥中不存在分解揮發(fā)，前期由于有機(jī)質(zhì)被微生物分解成CO2、NH3等氣體溢出，令堆肥的速效磷相對含量增加，隨著發(fā)酵中微生物的固定同化作用，速效磷的含量下降。速效鉀變化比較穩(wěn)定，呈現(xiàn)增加趨勢，主要是由于堆肥質(zhì)量和水分的減少而產(chǎn)生的“濃縮作用”[14]。王雪萍等[15]的研究表明：速效氮含量呈現(xiàn)減少-增加-減少的變化趨勢；速效磷的含量隨著腐熟的進(jìn)行先增加后減少，速效鉀穩(wěn)定變化，逐漸增加，其結(jié)論與試驗(yàn)的結(jié)果一致。

微生物活性決定腐熟進(jìn)程及效果。影響微生物生長的因素較多，有溫度、養(yǎng)分、酸堿度、水分等。從總體數(shù)量來講，細(xì)菌總數(shù)：處理1 >CK>處理2>處理3；木質(zhì)素降解菌總數(shù)量：處理3>處理1>CK組>處理2；纖維素降解菌：CK>處理3>處理2>處理1；真菌：CK >處理3>處理1>處理2；放線菌：處理1>CK >處理3>處理2。劉玉珠等[13]認(rèn)為隨著腐熟的進(jìn)度，細(xì)菌逐漸減少，放線菌逐漸增多，與試驗(yàn)基本相同。

4 結(jié) 論

4.1 基礎(chǔ)配方+磷酸二氫鉀2%相較其他處理效果最優(yōu)，pH值在8.59～8.89，更適宜堆肥發(fā)酵；EC值較其他處理組在堆肥各階段均較高，一直保持在4 ms/cm左右；基礎(chǔ)配方+磷酸二氫鉀2%速效氮、磷、鉀的含量較其他處理組相比也均較高，速效氮在堆肥第28 d時(shí)，濃度為13.483 mg/kg，速效磷在堆肥第28 d時(shí)，濃度為147.000 mg/kg，速效鉀在堆肥第28 d時(shí)，濃度為1 168.667 mg/kg；在微生物數(shù)量培養(yǎng)過程中，隨著腐熟進(jìn)度，基礎(chǔ)配方+磷酸二氫鉀2%細(xì)菌數(shù)量逐漸減少，從堆肥初期29.4×1010cfu/g減少至9.58×1010cfu/g，放線菌數(shù)量也逐漸增加，從堆肥初期1.1×109cfu/g增加至3.42×109cfu/g。

4.2 篩選出優(yōu)勢處理組基礎(chǔ)配方+磷酸二氫鉀2%對新疆棉秸稈對堆肥過程中的各項(xiàng)指標(biāo)均較高。