不同C/N條件下菌酶制劑對牛糞堆肥進(jìn)程的影響

梁 天，張曉東，張 玉，張佐忠，斯日古楞，蘇布登格日勒，娜仁花

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010018）

0 引言

畜牧業(yè)發(fā)展的不斷加快帶來的環(huán)境污染問題愈顯突出。畜牧業(yè)已成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源[1]。第二次全國污染源普查數(shù)據(jù)顯示，2017年畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的4種污染物排放總量達(dá)1083.22萬t，其中，畜禽養(yǎng)殖水污染化學(xué)需氧量排放量達(dá)1000.53萬t，占農(nóng)業(yè)源排放量的94%，占全國化學(xué)需氧量排放量的47%；氨氮、總氮、總磷排放量達(dá)11.09萬、59.63萬、11.79萬t，分別占農(nóng)業(yè)源排放量的51%、42%、56%，占全國排放量的12%、20%、38%。畜牧業(yè)污染已是當(dāng)今嚴(yán)重影響環(huán)境問題的重要因素之一[2]。

隨著國民生活水平的提高，奶牛產(chǎn)業(yè)及規(guī)?；降玫窖杆侔l(fā)展，中國奶牛存欄100頭以上的規(guī)模化養(yǎng)殖比例不斷增大，從2008年的19.5%提高到2020年的67%以上。但是如何能夠有效處理和利用隨之集中產(chǎn)生的大量糞污，已成為環(huán)境治理的一大難題。大量糞尿在畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中未經(jīng)處理被排入水中和土壤，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化和土壤質(zhì)量下降。在不斷的大規(guī)模耕作中，如果施加糞肥量超過土壤的承載能力，得不到充分利用或處理不當(dāng)，這種情況將會(huì)進(jìn)一步加劇。而畜禽養(yǎng)殖污染控制的關(guān)鍵是采用科學(xué)的方法進(jìn)行探索[3]。牛糞具有臭味大，纖維、含水、含氮量高等特點(diǎn)。遵循畜禽糞污減量化、資源化和無害化處理的原則，對牛糞進(jìn)行堆肥化處理是實(shí)現(xiàn)奶牛場糞污資源化利用的主要措施。而添加外源微生物菌劑可以促進(jìn)牛糞堆肥進(jìn)程。韋小慶[4]研究發(fā)現(xiàn)，添加菌劑后堆肥的溫度上升速度及高溫持續(xù)時(shí)間均較未添加菌劑的處理組更佳；在發(fā)酵結(jié)束后，全氮、全鉀和全磷的含量均有所增加，且增幅大于未添加菌劑的試驗(yàn)處理。方亞曼等[5]研究表明，加入自制微生物菌劑后可縮短堆肥腐熟時(shí)間。堆肥過程中，有機(jī)物降解和腐殖質(zhì)的形成主要依賴于微生物酶的生物化學(xué)作用。而堆肥物料的起始C/N值是高效堆肥的關(guān)鍵因素，不僅影響微生物的正?；顒?dòng)，對有機(jī)肥的品質(zhì)也有重要影響。

本研究通過不同C/N條件下，在牛糞中添加不同菌種和酶劑組合，探究在牛糞堆肥進(jìn)程中主要發(fā)酵指標(biāo)的變化規(guī)律，以此為堆肥高效發(fā)酵提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

牛糞和小麥秸稈均取自內(nèi)蒙古某奶牛養(yǎng)殖場。將小麥秸切碎至1～2 cm長度。菌劑包括枯草芽孢桿菌（有效活菌數(shù)，200億/g）、黑曲霉菌（有效活菌數(shù)，50億/g）、細(xì)黃鏈霉菌（有效活菌數(shù)，50億/g），3種菌配制成比例為1:1:1的復(fù)合菌劑。將纖維素酶（有效酶活，20萬U/g）和蛋白酶（有效酶活，50萬U/g）配制成比例為3:1的復(fù)合酶制劑。3種菌和2種酶均購于湖北某生物工程有限公司。牛糞及小麥秸稈的基本性質(zhì)見表1。

表1 堆肥原料的基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年9月28日—11月1日在內(nèi)蒙古旗幟牧業(yè)進(jìn)行。將牛糞和小麥秸稈按一定比例混合，分別設(shè)25/1、30/1、35/1 3個(gè)C/N組，每個(gè)C/N組按質(zhì)量比添加不同菌劑和酶制劑設(shè)3個(gè)組，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。具體分組見表2。各處理組的水分含量控制在45%～60%。進(jìn)行條垛式堆肥，將物料堆制成長1.2 m、堆底寬1 m、高0.8 m。堆體間隔1～2 m，每隔5天人工翻堆1次。

表2 堆肥處理組物料配比情況

1.3 取樣方法

堆肥的第1、.5、10、15、20、26、34天進(jìn)行取樣。采樣位置分別距堆體頂部20、40、60 cm處，各層均采用五點(diǎn)采樣方法取樣后混合均勻。每個(gè)堆體用取樣鏟各取樣品500 g，保存于-4℃冰箱中。

1.4 測定指標(biāo)與方法

1.4.1 溫度 由堆體頂部20、40、60 cm處，插入數(shù)字電子溫度計(jì)（國產(chǎn)）測量溫度。每天進(jìn)行2次測量，分別為10:00和16:00，測量的平均值作為當(dāng)天堆體的溫度，同時(shí)記錄空氣環(huán)境溫度。

1.4.2 有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀 有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀滴定法，全氮釆用半微量凱氏定氮法，全磷采用釩鉬黃比色法，全鉀采用火焰光度法。具體操作參考《有機(jī)肥料新標(biāo)準(zhǔn)》(NY 525—2012)和《有機(jī)肥料新標(biāo)準(zhǔn)》(NY/T 299—1995)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析繪圖后，利用SAS 9.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處埋，進(jìn)行多重差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 牛糞堆肥溫度變化分析

從圖1的溫度變化趨勢得知，各處理組都經(jīng)過升溫、高溫和降溫3個(gè)階段。在堆肥的第2天，各處理組均進(jìn)入高溫階段(＞50℃)，C1～C9處理組溫度依次為60.7、56.5、50.1、61.8、64.9、53.9、66.1、66.3、56.8℃。添加菌酶劑組溫度從第3天開始直到堆肥結(jié)束溫度均一直高于無添加組。在堆肥的第10天開始各處理組堆體溫度整體呈下降趨勢（低于50℃），但是C5、C6、C8、C9組仍然保持在40℃以上。堆肥的第19天對堆體進(jìn)行水分和添加劑的補(bǔ)充，到第21天堆體溫度再次小幅度上升。堆肥期間，空氣環(huán)境溫度的變化范圍在6.2～19.5℃之間。

圖1 不同處理組溫度的變化

各處理組高溫持續(xù)時(shí)間相同，但在不同C/N條件下加入菌劑及酶制劑處理組的高溫期平均溫度高于不添加組2～3℃，菌劑組與菌酶制劑處理組間差別不大，結(jié)果見表3。

表3 不同處理組高溫期的變化情況

2.2 菌酶制劑對牛糞堆肥有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖2可知，隨著堆肥發(fā)酵腐熟時(shí)間的延長，各堆肥處理組的有機(jī)質(zhì)含量呈下降趨勢。在堆肥的前10天，各處理有機(jī)質(zhì)含量下降幅度明顯，該階段C8組的有機(jī)質(zhì)降解率最大，可達(dá)11.13%；10～20天時(shí)溫度較低，各處理組有機(jī)質(zhì)含量下降幅度不大，19天之后由于加入添加劑和水之后溫度又有所上升，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)降解幅度有所增大。

圖2 不同處理組有機(jī)質(zhì)含量的變化

C/N為25/1處理組的起始有機(jī)質(zhì)含量為55.02%，在堆肥末期，C1、C2、C3組有機(jī)質(zhì)含量比初期分別低10.48%、12.74%、12.7%；C/N為30/1處理組的起始有機(jī)質(zhì)含量為62.28%，到末期C4、C5、C6組有機(jī)質(zhì)含量分別比初期低14.92%、16.35%、17.75%；C/N為35/1處理組的起始有機(jī)質(zhì)含量為71.66%，在末期C7、C8、C9組有機(jī)質(zhì)含量分別比初期低18.8%、21.34%、22.01%。通過以上分析可知，C/N為35/1的3個(gè)處理組有機(jī)質(zhì)降解效率最高，其中C9組降解效果最好。

2.3 菌酶制劑對牛糞堆肥全氮含量的影響

由圖3可知，堆肥過程中全氮含量呈上升、下降再上升的變化趨勢。C1、C2、C3組的初始全氮含量1.11%，從堆肥開始，3個(gè)處理組全氮含量呈上升趨勢，到高溫期達(dá)到1.27%、1.37%、1.39%，之后下降，堆肥末期全氮含量分別為1.21%、1.34%、1.35%。

圖3 不同處理組全氮含量的變化

C4、C5、C6組初始全氮含量為1.09%，從堆肥開始氮含量均呈上升趨勢，高溫期達(dá)到1.27%、1.37%、1.39%，之后下降，堆肥末期3個(gè)處理組全氮含量為1.24%、1.29%、1.33%。

C7、C8、C9組的初始全氮含量1.06%，從堆肥開始全氮含量呈上升趨勢，高溫期達(dá)到1.21%、1.34%、1.29%。之后下降，堆肥末期全氮含量為1.25%、1.33%、1.30%。其中C8組增加最多，C1組增加最少。

2.4 牛糞堆肥進(jìn)程中全磷含量的影響

由圖4可知，全磷含量在堆肥過程中總體呈上升的趨勢。C1、C2、C3組全磷含量在堆肥初期為0.36%，堆肥末期分別上升至0.40%、0.46%、0.47%。

C4、C5、C6組全磷含量在堆肥初期為0.35%，堆肥末期分別達(dá)到0.43%、0.46%、0.45%。

C7、C8、C9在組全磷含量在堆肥初期為0.33%，堆肥末期提高到0.44%、0.45%、0.45%。相比較而言，C8、C9組全磷的絕對含量增加最多，但增長幅度較小。

2.5 菌酶制劑對牛糞堆肥全鉀含量的影響

由圖5可知，全鉀的含量在堆肥的過程中整體呈上升趨勢。C1、C2、C3組全鉀含量在堆肥初期為2.73%，堆肥末期分別達(dá)到3.85%、4.04%、3.83%。

C/N為30/1的3個(gè)處理組C4、C5、C6組的全鉀含量在堆肥初期為2.76%，堆肥末期分別上升到3.93%、4.10%、4.02%。

C/N為35/1的3個(gè)處理組C7、C8、C9組的全鉀含量在堆肥初期為2.77%，堆肥末期分別提高到4.21%、4.30%、4.24%。整體來看，C8組的提升效果最好。

3 結(jié)論

在牛糞堆肥過程中，不同C/N條件下添加菌酶制劑能夠提高高溫期的平均溫度，根據(jù)《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 7959—1987)規(guī)定，各組溫度均能夠達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)(＞50℃)要求；不同C/N條件下添加菌酶制劑可以有效地促進(jìn)有機(jī)物的降解；對堆體的含氮量有明顯的提升作用；使全磷、全鉀的相對增加含量；通過對堆肥進(jìn)程中各項(xiàng)指標(biāo)變化特性的綜合分析，C/N為35/1的C8組（添加枯草芽孢桿菌+黑曲霉菌+細(xì)黃鏈霉菌組）的堆肥效果最好。

4 討論

4.1 堆肥溫度的變化

溫度作為堆肥過程中的重要因素可以顯著控制微生物的代謝活動(dòng)和酶活性。有效高溫持續(xù)時(shí)間不僅是保證堆肥充分成熟的重要指標(biāo)，也是殺滅各種病蟲害和雜草種子，實(shí)現(xiàn)無害化的必要條件[6-7]。添加外源菌劑對堆肥溫度有一定影響。金香琴等[8]研究發(fā)現(xiàn)，接種不同種類的微生物復(fù)合菌劑進(jìn)行牛糞堆肥處理時(shí)堆體溫度上升明顯加快。萬磊兵[9]的研究同樣表明，在雞糞堆肥中進(jìn)行復(fù)合微生物菌劑接種，也得到了加快堆體升溫的結(jié)論。本研究中，9個(gè)處理組的溫度在整個(gè)堆肥過程中都經(jīng)歷了升溫、高溫和降溫3個(gè)階段，而且加入菌酶制劑處理組達(dá)到最高溫度所用時(shí)間較短。楊雨浛等、張雪辰等[10-11]研究速腐劑對畜禽糞便堆肥腐熟度的影響研究表明，復(fù)合微生物發(fā)酵劑對溫度的升高沒有明顯的影響，這與本研究的結(jié)果略有不同。中國《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 7959—1987)規(guī)定，堆體溫度在50～55℃之間持續(xù)5～7天，是殺滅糞便所含病原微生物、保證堆肥衛(wèi)生指標(biāo)合格和堆肥成熟的重要條件[12]。在本研究中，所有處理組的高溫持續(xù)期（8天）和達(dá)到的最高溫度(＞50℃)均符合標(biāo)準(zhǔn)。其中C8組的最高溫度及高溫持續(xù)時(shí)間均優(yōu)于其他處理組。

4.2 堆肥有機(jī)質(zhì)的變化

在好氧環(huán)境中，堆肥中的有機(jī)物，一部分通過礦化作用分解為二氧化碳、水、氮、磷、鉀等無機(jī)化合物，一部分在微生物和各種酶的催化下合成等物質(zhì)。秸稈中碳源含量高，微生物能夠利用簡單的碳水化合物來維持活性。本研究表明，各處理組有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢基本相同，均隨著發(fā)酵腐熟時(shí)間的延長呈下降趨勢。堆肥初期各處理組有機(jī)質(zhì)含量下降較為明顯，由于堆體溫度迅速上升進(jìn)入高溫期，有機(jī)物被大量降解，到堆肥結(jié)束時(shí)，添加菌酶制劑處理組均比無添加處理組有機(jī)質(zhì)降解率高。說明外源菌酶制劑的加入能更有效地提高牛糞及秸稈堆體中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的降解速率，促進(jìn)堆肥的腐熟程度。這與施寵等研究結(jié)果相似[13]。而且不同C/N值對有機(jī)質(zhì)降解率也有一定影響。C/N=25/1、C/N=30/1、C/N=35/1的平均降解率分別為11.97%、16.34%、20.72%，C/N的增加提高了有機(jī)質(zhì)的降解率。主要是較低的C/N條件下，微生物的發(fā)酵活動(dòng)會(huì)受到低碳源的限制而減緩有機(jī)物的分解速度。這和劉成琛等[14]的研究結(jié)果一致。其中C9組的有機(jī)質(zhì)降解效果最好，達(dá)到22.01%。

4.3 堆肥全氮的變化

堆肥過程中微生物生長和代謝都離不開氮，因此氮的變化對堆肥腐熟有重要影響[15]。堆肥氮的流失不僅會(huì)減少堆肥產(chǎn)品的營養(yǎng)成分，還會(huì)污染環(huán)境[16]。本研究表明，在整個(gè)堆肥過程中，各處理組中氮含量起伏波動(dòng)較大。隨著堆肥中有機(jī)物的不斷分解，一部分有機(jī)氮隨堆肥的進(jìn)行被微生物分解形成銨態(tài)氮或硝態(tài)氮等無機(jī)氮，其中銨態(tài)氮進(jìn)一步被微生物分解，以揮發(fā)性氨的形式損失到空氣中[17]。硝態(tài)氮的反硝化作用導(dǎo)致堆肥過程中氮的流失，使得堆體物料全氮含量下降。堆肥結(jié)束時(shí)，堆體有機(jī)質(zhì)不斷被微生物降解和氨氣、CO2的揮發(fā)速率減弱，導(dǎo)致各處理組全氮含量均有所上升。C1～C9組全氮含量比堆肥初期分別增高0.10%、0.23%、0.24%、0.15%、0.20%、0.24%、0.19%、0.27%、0.24%，添加外源菌酶制劑的6個(gè)處理組C2、C3、C5、C6、C8、C9比無添加的3個(gè)處理組C1、C4、C7的上升趨勢明顯。而且隨C/N的提高氮含量的增加有升高的趨勢。其中，C8組具有較好的氮保留效果。說明接種外源微生物劑可提高堆肥產(chǎn)品的全氮含量，這與田智輝等[18]的研究結(jié)果一致。

4.4 堆肥全磷、全鉀的變化

在牛糞中磷主要以有機(jī)磷形態(tài)存在，而無機(jī)磷是植物生長所需的吸收態(tài)。堆肥時(shí)微生物可以使有機(jī)磷分解轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽、磷酸二氫根、磷酸氫根等無機(jī)磷。鉀是酶的活化劑，能促進(jìn)植物的光合作用和蛋白質(zhì)的合成，同時(shí)能提高作物的抗旱和缺寒能力。磷、鉀的含量直接影響最終堆肥的質(zhì)量。牛糞堆肥中全磷、全鉀的含量最終不會(huì)有太大的變化，主要是牛糞中的磷、鉀一般不會(huì)通過揮發(fā)等形式損失。本研究結(jié)果表明，隨著堆肥進(jìn)程的加深，各處理組全磷、全鉀均呈現(xiàn)上升趨勢，雖然上升幅度不明顯，但是不同處理組間仍有一定差異。堆肥末期，C1～C9組全磷含量比堆肥初期分別高0.04%、0.10%、0.11%、0.08%、0.11%、0.10%、0.11%、0.12%、0.12%。C1～C9組全鉀含量比堆肥初期分別高0.85%、1.31%、1.10%、1.10%、1.34%、1.26%、1.47%、1.53%、1.44%。說明添加外源菌酶制劑能夠促進(jìn)有機(jī)物的降解，使堆肥產(chǎn)品的全磷、全鉀相對含量增加，從而提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量，其中C8組對全磷、全鉀含量提升效果最好。