秸稈對(duì)豬糞靜態(tài)兼性堆肥無(wú)害化和腐熟度的影響

尹子銘，楊 燕，唐若蘭，鮑紫陽(yáng)，李麗瓊，彭麗娟，李國(guó)學(xué)，袁 京

秸稈對(duì)豬糞靜態(tài)兼性堆肥無(wú)害化和腐熟度的影響

尹子銘，楊 燕，唐若蘭，鮑紫陽(yáng)，李麗瓊，彭麗娟，李國(guó)學(xué)，袁 京※

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

為促進(jìn)豬糞靜態(tài)兼性堆肥產(chǎn)品無(wú)害化和腐熟，通過(guò)添加玉米秸稈調(diào)控堆體物理結(jié)構(gòu)特性和碳氮比，采用傳統(tǒng)自然發(fā)酵方式進(jìn)行為期90 d的靜態(tài)兼性堆肥試驗(yàn)，分別設(shè)置純豬糞處理（P）和秸稈調(diào)控處理（PC）研究靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程腐熟度指標(biāo)、糞大腸菌群以及微生物群落結(jié)構(gòu)演變特征。結(jié)果表明，秸稈調(diào)控增加了堆體孔隙率（提高19.41%），促進(jìn)氧氣向堆體內(nèi)部擴(kuò)散，增強(qiáng)了好氧微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解，降低NH4+-N，可溶性有機(jī)氮（dissolved total nitrogen, DTN）等植物毒性物質(zhì)含量，提升了堆肥腐熟度，兩組處理堆肥產(chǎn)品種子發(fā)芽指數(shù)分別為40.84%（P）和114.60%（PC）。靜態(tài)兼性堆肥經(jīng)過(guò)30～40 d自然發(fā)酵后，糞大腸菌群數(shù)量達(dá)到衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)，堆體溫度、NH4+-N和有機(jī)酸含量均會(huì)影響糞大腸桿菌的活性。堆體中微生物以厚壁菌門(mén)、放線菌門(mén)、變形菌門(mén)等與木質(zhì)纖維素降解相關(guān)的菌門(mén)為優(yōu)勢(shì)菌門(mén)，堆體自上而下由好氧菌屬演替為厭氧菌屬，并形成好氧、兼性、厭氧的微生物分層。秸稈調(diào)控增加了堆體的好氧區(qū)域，促進(jìn)和提高了豬糞靜態(tài)兼性堆肥無(wú)害化和腐熟度。

秸稈；品質(zhì)控制；靜態(tài)兼性堆肥；糞大腸菌群；微生物群落

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及人民生活水平的逐步提高，生豬養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模不斷加大，中國(guó)2020年生豬出欄數(shù)達(dá)4.07億頭，糞尿年產(chǎn)生量已達(dá)8.41億t[1]。豬糞含有較高的有機(jī)質(zhì)、N、P、K及微量元素，若未能得到有效的資源化處理，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)峻的環(huán)境污染問(wèn)題[2]。同時(shí)，農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步也帶動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平大幅提升，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量也隨之增加[3]，達(dá)到8億t/a，居世界首位。對(duì)糞便和秸稈進(jìn)行無(wú)害化處理并加以合理利用，不但能解決污染問(wèn)題，而且能將其轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的寶貴資源[4]。高溫好氧堆肥技術(shù)具有周期短，腐熟徹底，腐殖化程度高等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)資源化利用的有效途徑之一[5]，但高溫好氧堆肥技術(shù)需配備專業(yè)的機(jī)械設(shè)備，且為保障堆體內(nèi)氧氣含量滿足微生物需求，常依賴于強(qiáng)制鼓風(fēng)或翻堆處理，存在成本高等問(wèn)題。目前在中國(guó)中小型養(yǎng)殖場(chǎng)和散養(yǎng)戶，高溫好氧堆肥處理技術(shù)并不普遍。

傳統(tǒng)靜態(tài)兼性堆肥技術(shù)無(wú)需專業(yè)的通風(fēng)設(shè)備，主要通過(guò)空氣自由擴(kuò)散提供微好氧發(fā)酵條件，可通過(guò)有機(jī)質(zhì)較長(zhǎng)時(shí)間降解實(shí)現(xiàn)堆肥無(wú)害化和腐熟。與高溫好氧堆肥相比，靜態(tài)兼性堆肥溫度整體較低，保持在20～40 ℃之間。受農(nóng)業(yè)季節(jié)性用肥的原因，靜態(tài)兼性堆肥技術(shù)是目前廣泛采用的低成本輕簡(jiǎn)化的就地就近資源化利用方式，目前中國(guó)60%以上的畜禽糞便，尤其是豬糞，普遍采用靜態(tài)兼性堆肥技術(shù)[6]。靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程空氣擴(kuò)散深度有限，堆體氧氣含量低，呈現(xiàn)兼性好氧環(huán)境，導(dǎo)致微生物代謝活性低，不利于有機(jī)物降解，存在發(fā)酵周期較長(zhǎng)、發(fā)酵溫度低[7]、無(wú)害化不徹底以及產(chǎn)品腐熟度低等問(wèn)題。

為提高靜態(tài)兼性堆肥產(chǎn)品腐熟度，以堆體物理結(jié)構(gòu)特性和物料碳氮比為出發(fā)點(diǎn)，采用豬糞和秸稈作為性能較好的互補(bǔ)輔料[8]。在豬糞中添加適宜比例的秸稈可增加堆體孔隙率并調(diào)節(jié)C/N[9]，利于空氣向堆體內(nèi)部擴(kuò)散，提高堆體微生物的代謝活性[10-11]。大量研究表明，畜禽糞便與作物秸稈協(xié)同堆肥可顯著提高堆肥產(chǎn)品的穩(wěn)定性和腐熟程度[12-13]。XU等[14]研究發(fā)現(xiàn)秸稈添加可以通過(guò)調(diào)節(jié)堆肥原料中氧氣含量和C/N等特性縮短腐熟期。ZHOU等[15-16]利用鋸末、秸稈和廢蘑菇基質(zhì)等碳源膨松劑調(diào)節(jié)原料C/N，可以減少溫室氣體和NH3的排放，并提高腐熟度。LIU等[17]在雞糞、豬糞、牛糞中添加秸稈進(jìn)行堆肥，發(fā)現(xiàn)秸稈調(diào)控可極大地促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的降解，促進(jìn)堆肥腐熟。但關(guān)于秸稈調(diào)控如何影響靜態(tài)兼性堆肥腐熟度和微生物群落結(jié)構(gòu)的研究還較少，尤其是對(duì)病原菌變化的影響幾乎未有報(bào)道。

因此，本研究選擇產(chǎn)量大且易獲取的玉米秸稈作為調(diào)節(jié)豬糞靜態(tài)兼性堆肥性質(zhì)的輔料，通過(guò)研究豬糞靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程理化性質(zhì)、腐熟度溶解性碳氮含量、糞大腸菌群變化和微生物群落演替，結(jié)合RDA（redundancy analysis）及相關(guān)性分析揭示豬糞靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程病原菌滅活和堆肥產(chǎn)物腐熟機(jī)制，擬為畜禽糞便靜態(tài)兼性堆肥技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化支撐。

1 材料和方法

1.1 供試材料

靜態(tài)兼性堆肥試驗(yàn)原料為新鮮豬糞和玉米秸稈，豬糞取自畜禽分中心昌平試驗(yàn)基地，耕層土和玉米秸稈取自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗(yàn)站，玉米秸稈經(jīng)自然風(fēng)干后粉碎成10～50 mm的均勻小段，堆肥基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 靜態(tài)兼性堆肥原材料基本理化性質(zhì)

注：a基于干基；b基于濕基。

Note: a is based on the dry weight, b is based on the wet weight.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)處理，豬糞不添加輔料作為對(duì)照，標(biāo)記為P處理；豬糞與玉米秸稈按4:1的濕基質(zhì)量比混合堆肥，標(biāo)記為PC處理。為降低靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程污染氣體排放，模擬小規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)普遍采用的耕層土覆蓋方式，在豬糞堆體（50 cm）表層覆蓋耕層土（15 cm），靜態(tài)兼性堆肥周期為90 d。試驗(yàn)裝置為100 L法蘭鐵箍桶（圖1），口徑40 cm，桶體直徑50 cm，底部直徑35 cm，桶體高度80 cm。在堆體中間插入溫度傳感器，記錄堆肥溫度，發(fā)酵桶頂部敞開(kāi)，呈自然通風(fēng)方式。

分別在靜態(tài)兼性堆肥的第0、10、20、50和80天稱重取樣，第90天取堆肥上層（Upper layers，U；0～15 cm）、中層（Middle layers，M；15～35 cm）和下層（Bottom layers，B；35～50 cm）樣品。用四分法多點(diǎn)采集固體樣品約200 g分兩部分保存，一部分于4 ℃的冷藏冰箱保存，用于測(cè)定pH值、電導(dǎo)率（electrical conductivity，EC）、種子發(fā)芽指數(shù)（germination index，GI）、C/N、可溶性有機(jī)碳（dissolved organic carbon，DOC）、可溶性有機(jī)氮（dissolved total nitrogen，DTN）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、微生物群落及糞大腸菌群，另一部分經(jīng)自然風(fēng)干磨成粉末后測(cè)定總碳（total carbon，TC）和總氮（total nitrogen，TN）含量。

1.3 試驗(yàn)方法

溫度由自動(dòng)數(shù)字溫度計(jì)（WD-6210，北京宏遠(yuǎn)鵬奧有限公司，中國(guó)）測(cè)定；含水率采用烘干法于105℃烘箱中烘至質(zhì)量恒定后測(cè)定；O2含量由便攜式沼氣分析儀（Biogas 5000，Geotech，英國(guó)）測(cè)定；用元素分析儀（Elementar Analysen systeme，Hanau，德國(guó)）測(cè)定總碳和總氮的含量?？扇苄杂袡C(jī)碳和可溶性氮采用液相色譜法（TOC-L，日本島津）測(cè)定。

堆體自由孔隙率根據(jù)Baptista等[18]中的公式計(jì)算。

NH4+-N和NO3--N的測(cè)定：用2 mol/L的KCl溶液，按照1∶10（固液比）同試樣混合，震蕩30 min、靜置，過(guò)濾取其上清液經(jīng)流動(dòng)分析儀（Auto Analyzer3，Seal，德國(guó)）進(jìn)行測(cè)定；

pH值、電導(dǎo)率和種子發(fā)芽指數(shù)的測(cè)定：將堆肥鮮樣與去離子水按照1∶10（固液比）混勻，在170 r/min的轉(zhuǎn)速下振蕩30 min，靜置10 min，通過(guò)0.45 μm濾膜過(guò)濾，收集上清液作為待測(cè)液，測(cè)定pH值、電導(dǎo)率和種子萌發(fā)指數(shù)。其中pH、EC采用多參數(shù)分析儀（DZS-706-A，雷磁，上海）進(jìn)行測(cè)定；GI的測(cè)定方法為取待測(cè)液5 mL鋪于有濾紙的培養(yǎng)皿中，均勻放置10粒蘿卜種子，于（25±1）℃培養(yǎng)箱（SHP-250，精宏，上海）中避光培養(yǎng)48 h，測(cè)算GI，計(jì)算方法參照《有機(jī)肥料（NY/T525-2021）》。

微生物群落結(jié)構(gòu)測(cè)定：根據(jù)制造商說(shuō)明書(shū)，采用FastDNA SPIN試劑盒（MP Biomedicals，Solon，USA）從堆肥樣品中提取基因組DNA。采用Illumina公司的Miseq PE300/NovaSeq PE250平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序（上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司）。測(cè)序結(jié)果根據(jù)公司云平臺(tái)計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

糞大腸菌群的測(cè)定：按照GB/T19524.1-2004的規(guī)定方法測(cè)定。

利用Microsoft Excel 2019計(jì)算數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，使用Origin Lab 2022b繪圖。采用Pearson相關(guān)分析方法，利用SPSS 26.0（SPSS Inc.，Chicago，USA）分析理化參數(shù)、微生物群落與腐殖化指標(biāo)間的關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)分析采用MWNA（molecular ecological network analysis pipeline）（http://ieg4.rccc.ou.edu/mena/login.cgi）和RStudio進(jìn)行（RStudio Inc.，波士頓，MA），由Gephi 0.9.2執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度和氧氣

溫度是評(píng)價(jià)堆肥穩(wěn)定狀態(tài)的直觀指標(biāo)，靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程中堆體溫度維持在25.13～36.13 ℃（圖2a）。靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程有機(jī)質(zhì)降解緩慢，堆體沒(méi)有明顯高溫期且隨環(huán)境溫度變化波動(dòng)。堆肥初期，由于秸稈調(diào)控提高了堆體自由孔隙率（提高19.41%）和C/N，充足的氧氣和碳源，使好氧微生物降解有機(jī)物速率加快，耗氧量增加（圖2b），導(dǎo)致PC處理升溫較快[19]。堆肥進(jìn)行25 d后，P處理與PC處理溫度表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。因此，靜態(tài)兼性堆肥方式下，改善堆體的物理結(jié)構(gòu)和C/N能有效促進(jìn)堆肥發(fā)酵進(jìn)程。

O2含量與微生物代謝活動(dòng)聯(lián)系密切，能反映堆肥中好氧微生物活性[20]。O2含量在堆肥前期變化波動(dòng)較大，堆肥進(jìn)行40 d后，兩組處理變化趨勢(shì)基本相同（圖2b）。堆肥前期，PC處理O2含量下降幅度更大（降低64.15%），是由于秸稈添加改善了堆體結(jié)構(gòu)，微生物降解有機(jī)物更劇烈，O2消耗量更大。堆肥進(jìn)行40 d后，兩組處理的易降解有機(jī)物含量減少，微生物群落結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，對(duì)O2需求量減少。經(jīng)秸稈調(diào)控后，O2可經(jīng)過(guò)堆體自由孔隙向內(nèi)部擴(kuò)散，激活堆體內(nèi)部好氧微生物活性，促進(jìn)了靜態(tài)兼性堆肥進(jìn)程。

圖2 靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程中溫度和氧氣含量變化

2.2 堆肥腐熟度和衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)

pH值變化主要由堆體中微生物活動(dòng)和有機(jī)物降解產(chǎn)物共同決定[21]。兩組處理pH值為6.99～8.35（圖 3a），PC處理pH值顯著高于P處理（<0.05），這可能是微生物作用使含氮化合物降解產(chǎn)生NH4+-N導(dǎo)致pH值上升。堆肥結(jié)束時(shí)，兩組處理上層pH值差異較大，主要是PC處理微生物活性高，氮素轉(zhuǎn)化較P處理提前，導(dǎo)致部分氮素以氨氣形式損失，最終的pH值較低（7.04）。P處理的堆體物理結(jié)構(gòu)緊實(shí)，O2難以深層擴(kuò)散，厭氧環(huán)境產(chǎn)生有機(jī)酸，導(dǎo)致P處理中層和下層pH值較低。而PC處理中層pH值達(dá)到7.91，這是由于秸稈調(diào)控后，氧氣擴(kuò)散至堆體中層，滿足好氧微生物降解氮源有機(jī)物條件，產(chǎn)生銨鹽等堿性離子，使堆體pH值較高。

EC值可反映可溶性鹽含量，是產(chǎn)生植物毒害作用的重要因素之一[22-23]。一般認(rèn)為，EC<4 mS/cm不會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用[24]。靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程中，PC處理不同階段的EC值顯著低于P處理（<0.005）（圖3b）。隨堆肥進(jìn)行，PC處理的EC值呈逐漸下降并穩(wěn)定的趨勢(shì)，堆肥結(jié)束時(shí)為1.57 mS/cm，可能是堆肥產(chǎn)生的NH4+-N轉(zhuǎn)換為氨氣釋放及小分子有機(jī)酸分解導(dǎo)致[25]。P處理則呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，純豬糞堆體自由孔隙率低，有機(jī)物轉(zhuǎn)化緩慢，產(chǎn)生的水溶性礦物離子發(fā)生“濃縮效應(yīng)”，堆肥進(jìn)行20 d時(shí)達(dá)到峰值（3.18 mS/cm）。隨后，微生物利用產(chǎn)生的NH4+-N，轉(zhuǎn)化為微生物氮并合成大分子腐殖質(zhì)，EC值略有下降[26]，這與P處理NH4+-N含量變化結(jié)果一致。堆肥結(jié)束時(shí)，堆肥上層物料EC值含量低，主要是由于PC處理產(chǎn)生的NH4+-N等鹽分離子揮發(fā)；堆肥中層物料兩組處理EC值均達(dá)到峰值，為3.97～3.99 mS/cm，PC處理堆體中層呈兼性堆肥條件，利于好氧微生物降解有機(jī)物，產(chǎn)生大量鹽分離子；堆體下層，兩組處理形成厭氧環(huán)境，礦化程度低，EC值低于堆肥中層。

注：U、M、B分別為堆肥上層、中層和下層，下同。

堆肥C/N比是反映堆肥穩(wěn)定性、腐殖化程度和微生物活性的重要指標(biāo)[27]。靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程中，兩處理C/N均為先升高后降低變化趨勢(shì)（圖3c）。堆肥前期，兩組處理C/N逐漸升高，并在第20天達(dá)到峰值，可能是由于堆肥初有機(jī)氮的降解速率高于有機(jī)碳。堆肥后期，微生物增殖代謝導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)分解加快[28]以及氮的礦化使C/N均下降。一般認(rèn)為，C/N越低代表堆體的腐熟程度越好[29]，堆肥結(jié)束時(shí)，兩組處理分層C/N自上而下逐漸增加，表明堆肥上層腐熟效果最好。

GI是判斷堆肥無(wú)害化和腐熟度的權(quán)威和經(jīng)典生物指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)堆肥產(chǎn)品植物毒性，一般認(rèn)為GI>70%時(shí)，堆肥達(dá)到腐熟[30]。靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程，兩組處理的GI逐漸上升（圖3d），PC處理GI始終高于P處理，至堆肥結(jié)束時(shí)，P處理GI為40.84%，未達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，PC處理的GI為114.60%，提高了73.76%，表明秸稈調(diào)控可有效促進(jìn)堆肥腐熟并降低植物毒性。靜態(tài)兼性堆肥不同層腐熟程度不同，堆肥上層，兩處理堆肥腐熟效果均最好，GI分別達(dá)到90.23%（P）和93.21%（PC）；堆肥中層，PC處理相比于P處理的GI提高61.34%，這是由于秸稈添加提高了堆體自由孔隙率（40.42%），增加了中層好氧微生物對(duì)有機(jī)物的好氧降解過(guò)程；堆肥下層，兩組處理GI均為0%，厭氧環(huán)境產(chǎn)生的有機(jī)酸可能是脅迫種子萌發(fā)的主要因素[31]。

糞大腸菌群是表征有機(jī)肥料無(wú)害化程度的重要指標(biāo)之一[30]。靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程中，糞大腸菌群數(shù)逐漸下降并趨于穩(wěn)定（圖4）。堆肥初期，兩組處理原始物料中糞大腸菌群數(shù)均為350 cfu/g，堆肥進(jìn)行20 d后，P處理糞大腸菌群數(shù)下降到安全閾值以下（<2 lgcfu/g），較PC處理提前20 d，主要是由于秸稈調(diào)控后，PC處理具備的良好堆體物理結(jié)構(gòu)為糞大腸菌群提供了更適宜的存活環(huán)境。而P處理由于自由孔隙率低，且EC值和NH4+-N含量較高，抑制了糞大腸菌群活性[32]。經(jīng)靜態(tài)兼性堆肥，兩處理糞大腸菌群數(shù)均滿足畜禽糞便無(wú)害化處理技術(shù)規(guī)范（GB/T 36195-2018）中糞大腸菌群小于2 lgcfu/g要求。

圖4 靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程中糞大腸菌群數(shù)量的變化

2.3 溶解性碳氮含量

靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程中，兩處理無(wú)機(jī)態(tài)氮主要以NH4+-N形式存在（0.31～7.06 g/kg），NO3--N含量較低（0.002～0.27 g/kg）。P處理NH4+-N含量較高，主要由堆肥有機(jī)物被微生物緩慢分解和累積濃縮效應(yīng)導(dǎo)致。秸稈調(diào)控后，PC處理自由孔隙率提高，NH4+-N以氨氣形式損失，導(dǎo)致NH4+-N含量降低[33]。堆肥前期，含氮有機(jī)物礦化而轉(zhuǎn)化為大量NH4+-N[21]，使堆體NH4+-N含量逐漸增加；堆肥后期，有機(jī)質(zhì)礦化作用減弱，硝化作用增強(qiáng)，堆體NH4+-N含量開(kāi)始下降，特別是PC處理，下降幅度較大（89.49%），可能是由于秸稈調(diào)控后硝化細(xì)菌活性加強(qiáng)，使部分NH4+-N向NO3--N轉(zhuǎn)化[34]（圖5b）。堆肥上層，兩組處理NH4+-N和NO3--N含量均較低，可能是氨化、硝化和反硝化作用下轉(zhuǎn)化為N2O和N2等含N氣體損失；NO3--N主要在PC處理中層產(chǎn)生（0.45 g/kg），較高的pH值有利于硝化反應(yīng)，因?yàn)橄趸且环N堿度消耗過(guò)程[35]，這與PC處理中層pH值較高結(jié)果一致（圖3a）。

可溶性有機(jī)碳和可溶性氮是評(píng)價(jià)堆肥植物毒性的重要指標(biāo)，反映堆肥有機(jī)物分解和轉(zhuǎn)化情況[36]。P處理DOC和DTN含量始終維持在較高水平（圖5），且DOC含量在堆肥過(guò)程變化不明顯，但在PC處理中DOC含量呈降低趨勢(shì)，從初始的9.75 g/kg下降至4.52 g/kg，兩處理DTN含量分別下降65.66%（P）和13.28%（PC），主要是由于秸稈調(diào)控增強(qiáng)了微生物對(duì)于DOC和DTN的利用。DOC和DTN是抑制種子發(fā)芽的主要因素[37-38]，兩組處理DOC和DTN含量自上而下逐漸升高，這與GI結(jié)果一致（圖3d）。PC處理中層物料DOC和DTN含量顯著低于純豬糞處理（<0.01），表明秸稈調(diào)控促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)降解和堆肥腐熟，使物料腐熟區(qū)間擴(kuò)大，有利于堆肥物料腐熟的均一化[39]。

圖5 靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程中NH4+-N、NO3--N、DOC、DTN濃度變化

2.4 微生物群落演替及多樣性的變化

Ace和Chao、Shannon和Simpson指數(shù)分別表示微生物群落的豐富性和多樣性，較高的值表示較高的豐富性和多樣性（表2）。在PC處理中，秸稈調(diào)控為微生物創(chuàng)造了良好的生存環(huán)境，且使堆體自上而下呈好氧、兼性、厭氧的堆肥環(huán)境，微生物的豐富度和多樣性均較高。而P處理未添加秸稈進(jìn)行調(diào)控，中層和下層堆體環(huán)境具有高度同質(zhì)性，P處理中層微生物的豐富度和多樣性顯著低于PC處理。

表2 靜態(tài)兼性堆肥微生物多樣性指數(shù)

堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)的降解通常伴隨微生物演替[40]（圖6a），兩組處理優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)為厚壁菌門(mén)（Firmicutes）、放線菌門(mén)（Actinobacteria）和變形菌門(mén)（Proteobacteria），相對(duì)豐度占比達(dá)64.70%～99.91%。Firmicutes在堆肥過(guò)程中通常表現(xiàn)出較高的相對(duì)豐度，在P處理中層、下層和PC處理下層的相對(duì)豐度達(dá)80%以上，這與Firmicutes可在高NH4+-N、高有機(jī)酸的極端環(huán)境中生存有關(guān)。堆體中層，P處理相對(duì)豐度達(dá)96.11%，PC處理為63.63%，表明秸稈調(diào)控構(gòu)建了較好的微生物生存環(huán)境。Actinobacteria可產(chǎn)生木質(zhì)纖維素水解酶，在有機(jī)物的降解中發(fā)揮著重要的作用[41]。秸稈調(diào)控處理Actinobacteria從2.96%（20 d）升高至17.97%（50 d），Actinobacteria在一定程度上可表征堆肥腐熟程度[42]，因此，PC處理獲得了較高的腐熟度。Proteobacteria中包括大量碳氮循環(huán)代謝菌屬，是有機(jī)質(zhì)降解轉(zhuǎn)化過(guò)程中關(guān)鍵菌門(mén)，因而在PC處理堆肥上層和中層相對(duì)豐度較高，分別為22.32%和20.37%，P處理僅在堆肥上層達(dá)到16.39%。細(xì)菌屬水平種類及相對(duì)豐度更能反映堆肥中微生物群落結(jié)構(gòu)變化[43]，在靜態(tài)兼性堆肥樣本中檢測(cè)的前20個(gè)屬（相對(duì)豐度>0.01%）中，優(yōu)勢(shì)菌屬主要為：、、、_1和（圖6b）。P處理以厭氧微生物占主導(dǎo)地位，PC處理則以好氧微生物為優(yōu)勢(shì)菌群。此外，堆體不同分層微生物菌群也存在差異，自上而下由好氧菌屬逐漸演替為厭氧菌屬。

圖6 細(xì)菌在門(mén)水平及屬水平相對(duì)豐度變化

根據(jù)細(xì)菌屬的相對(duì)豐度對(duì)兩個(gè)處理堆肥90 d結(jié)束時(shí)上層、中層和下層的前6個(gè)細(xì)菌屬進(jìn)行差異分析（圖7）。兩組處理上層微生物菌屬多樣性均高于中層和下層，P處理中層和下層微生物群落結(jié)構(gòu)相似，共有菌屬達(dá)到141種；PC處理上層和中層微生物群落結(jié)構(gòu)相似，且兩處理下層堆體微生物群落結(jié)構(gòu)更具相似性，共有菌屬達(dá)119種。是一類好氧菌屬，出現(xiàn)在兩組處理堆肥上層（P：5.31%，PC：2.48%），說(shuō)明堆肥上層具有適宜的好氧堆肥環(huán)境，_1為嚴(yán)格厭氧菌屬，在堆肥下層具有較高的相對(duì)豐度（P：44.06%，PC：50.88%）。值得注意的是，和_1同時(shí)存在于PC處理中層，秸稈調(diào)控使堆體形成了良好的兼性堆肥結(jié)構(gòu)。秸稈調(diào)控增加了堆體中微生物豐富度和多樣性，使堆體自上而下形成了好氧、兼性、厭氧的堆肥條件。，，和在上層、中層和下層廣泛存在。此外，是一種病原菌，其豐度的降低意味著疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)降低，且PC處理對(duì)其消減作用更強(qiáng)，進(jìn)一步說(shuō)明秸稈調(diào)控可影響堆體的微生物群落結(jié)構(gòu)并對(duì)病原菌活性產(chǎn)生影響。

2.5 微生物與理化因子的相關(guān)性分析

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析堆肥理化參數(shù)（pH值、EC、O2、C/N、溫度）及腐熟度指標(biāo)（NH4+-N、NO3--N、DOC、DTN、GI）與微生物群落的相關(guān)關(guān)系。P和PC處理分別產(chǎn)生168、325個(gè)節(jié)點(diǎn)和258、719個(gè)邊，秸稈調(diào)控的PC處理形成了更加復(fù)雜和穩(wěn)定的微生物群落結(jié)構(gòu)（圖8）。靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程微生物群落均主要由Firmicutes、Actinobacteria和Proteobacteria組成，總相對(duì)豐度大于90%。P處理中菌屬較單一，大部分菌屬來(lái)自Firmicutes，從腐熟度指標(biāo)來(lái)看，單個(gè)優(yōu)勢(shì)菌門(mén)對(duì)堆肥的影響并不明顯。兩組處理微生物群落均與氧氣呈正相關(guān)關(guān)系，氧氣擴(kuò)散程度會(huì)直接影響堆肥過(guò)程微生物群落的演替及有機(jī)物的降解效率。NH4+-N和DTN與大部分微生物群落呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但P處理中與其相關(guān)的菌屬明顯少于PC處理，表明較高含量的氮（圖5a，圖5d）會(huì)抑制微生物群落演替，進(jìn)而影響堆肥有機(jī)物的降解。總而言之，秸稈調(diào)控使PC處理中微生物具有較高的多樣性和相對(duì)豐度，尤其是增加了與堆肥腐熟度相關(guān)的微生物菌屬，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)降解和堆肥腐熟。

圖7 P和PC處理90上(90U)、90中(90M)和90下(90B)層及前6個(gè)細(xì)菌屬的差異分析

圖8 P和PC處理中關(guān)鍵因子與相關(guān)細(xì)菌在屬水平上的Pearson分析

3 結(jié) 論

1）秸稈調(diào)控可改善堆體孔隙率和物料C/N，使堆肥產(chǎn)品種子發(fā)芽指數(shù)（GI）提高了73.76%，促進(jìn)豬糞靜態(tài)兼性堆肥腐熟。靜態(tài)兼性堆肥過(guò)程易形成物料腐熟分層化，堆體底層形成厭氧區(qū)域，腐熟度隨堆體的深度逐漸降低，秸稈調(diào)控可改善厭氧區(qū)域，有利于堆體物料腐熟均一化。

2）豬糞靜態(tài)兼性堆肥經(jīng)過(guò)30～40 d堆漚后，糞大腸菌群數(shù)可降低至衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)以下（<2 lgcfu/g），堆體溫度、NH4+-N和有機(jī)酸含量均會(huì)影響糞大腸菌群的活性。

3）秸稈調(diào)控增加了堆體微生物多樣性和豐富度，使微生物群落結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜和穩(wěn)定，減少了厭氧區(qū)域，增加了Firmicutes、Actinobacteria、Proteobacteria等與木質(zhì)纖維素降解相關(guān)的菌屬相對(duì)豐度以及等好氧菌屬，提高了堆肥有機(jī)質(zhì)降解和物料腐熟。

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Effects of maize stover on the harmlessness and maturity during the static facultative composting of pig manure

YIN Ziming, YANG Yan, TANG Ruolan, BAO Ziyang, LI Liqiong, PENG Lijuan, LI Guoxue, YUAN Jing※

(,,,100193,)

Static facultative composting is one of the most widely-used, cost-effective, lightweight, and simple technologies to utilize local resources in modern agriculture. More than 60% of livestock and poultry manure (especially pig manure) can be treated using static composting. Static facultative composting can also create an aerobic environment with low porosity and limited depth of air diffusion within the heap, resulting in the low metabolic activity of microorganisms. Degradation of organic matter can be inevitably delayed, due to the long fermentation cycles, low fermentation temperatures, incomplete harmlessness, and low product maturity. Alternatively, the straw can be added to adjust the physical structure, oxygen content, and C/N ratios of the heap, in order to effectively improve the rot degree of static facultative compost products for the short rot cycle. This study aims to explore the effects of straw control on the maturity and microbial community structure of static facultative composting, especially on pathogenic bacteria. The corn straw was taken to regulate the physical structure and C/N ratio of the pile. A 90-day static facultative composting experiment was conducted using traditional natural fermentation. A systematic investigation was made to clarify the maturation index, fecal coliforms, and microbial community structure in the static facultative composting. The composting device was set as a 100 L flanged iron hoop bucket. Two treatments were set up in total. The control group was set without pig manure to label as the P treatment. The mixed compost of pig manure and corn straw was labeled as the PC treatment. The wet base mass ratio of 4:1 was selected without ventilation and heap turning. The results showed that the straw regulation increased the porosity of the compost (increased by 19.41%), and then promoted the diffusion of oxygen to the interior of the compost for the better degradation of organic matter by aerobic microorganisms. Specifically, the contents of phytotoxic substances were reduced (such as NH4+-N and DTN) to improve the compost maturity. The seed germination indexes were 40.84% (P) and 114.60% (PC), respectively, in the two groups of compost products. As such, the compost maturation was accelerated during this time. The number of fecal coliforms reached the hygienic safety standard after 30 to 40 days of natural fermentation. Furthermore, the activity of fecal coliforms depended on the temperature of the pile, NH4+-N, and organic acid content. The corn straw was added to improve the diversity of bacteria and synergistic effect. Firmicutes, Actinobacteria, Proteobacteria, and other phylum related to lignocellulosic degradation were the dominant microbial phylum in the reactor, where the aerobic, facultative, and anaerobic microbial stratification was formed from the aerobic to anaerobic bacteria from the top to the bottom. Therefore, the corn straw regulation can be expected to increase the aerobic area of the pile in the process of static composting. The harmless and mature degree can be promoted in the static composting of pig manure. The finding can provide the theoretical basis and technical standardization support for the static composting of livestock and poultry manure.

stover; quality control; static facultative composting; fecal coliforms; microbial community

2022-10-19

2023-03-05

內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2021GG0316）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42207380）

尹子銘，研究方向?yàn)楣腆w廢棄物資源化利用。Email：yinzm2021@163.com

袁京，博士，副教授，研究方向?yàn)楣腆w廢棄物資源化利用。Email：jingyuan@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.202210143

S21; X713

A

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