牛明芬++梁文涓++武肖媛等

摘要：將牛糞與稻殼混合堆肥，通過測定物理、化學、生物指標的變化，分析復合微生物菌劑的劑量對牛糞堆肥效果的影響，從而確定微生物菌劑的用量。結果表明，加入0.3%、0.5%微生物菌劑的堆肥比不加入菌劑的處理升溫快，高溫持續(xù)時間長；堆肥結束時加入菌劑的堆肥含水率、C/N更低；pH值接近8；并且可提高纖維素酶活性水平和峰值；接種菌劑的處理組，細菌數(shù)增長要快于空白組，且接種0.5%菌劑的處理比接種0.3%的菌數(shù)峰值高；加入菌劑可使堆肥更快達到腐熟。本試驗中處理3堆肥效果優(yōu)于處理2，所以在本試驗的堆肥中用0.5%的微生物菌劑用量更好。

關鍵詞：復合微生物菌劑；牛糞；堆肥；纖維素酶活

中圖分類號： Q939.9文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0427-03

收稿日期：2015-05-16

基金項目：遼寧省沈陽市科技攻關項目（編號：F-13-144-3-00）。

作者簡介：牛明芬（1967—），女，遼寧本溪人，博士，教授，主要研究方向為污染修復生態(tài)學。E-mail：niumingfen@sina.com。

通信作者：梁文涓，碩士研究生，主要研究方向為污染修復生態(tài)學。E-mail：liangwenjuan100@163.com。牛糞屬于冷性堆肥材料，纖維素含量大，自然堆肥降解速度慢，并且不易起溫，達不到我國堆肥無害化標準[1]。大量研究表明，在牛糞堆肥中加入發(fā)酵菌劑可以促進牛糞堆肥的腐熟進程，并能提高堆肥的質量。徐大勇等將外源腐熟菌劑用于牛糞堆肥的研究表明，添加了腐熟菌劑的堆肥比自然堆肥進入高溫期（>50 ℃）提前了11 d[2]。牛明芬等研究表明，加入發(fā)酵菌劑的堆肥，C/N下降速度比單獨牛糞堆肥下降的速度快[3]。劉佳等的研究表明，接種菌劑的牛糞堆肥中微生物數(shù)量消長速度快于自然堆肥，接種微生物菌劑加快了微生物群落演替的速度[4]。本試驗將自制的復合微生物菌劑接種于堆肥中，通過測定堆肥中物理、化學、生物各指標的變化，判斷堆肥的處理效果。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗所用堆肥材料為本溪木蘭花牛場的脫水牛糞和稻殼。微生物菌劑為前期試驗所制得的微生物菌劑。該菌劑是從腐熟牛糞與土壤中分離出的HN1（枯草芽孢桿菌）、HP2（地衣芽孢桿菌）、TG1（放線菌）、P3（枯草芽孢桿菌）共4個菌株，通過正交試驗優(yōu)化各菌種配合比例為TG1 ∶P3 ∶HP2 ∶HN1=3 ∶1 ∶1 ∶1。堆肥原料牛糞和稻殼成分見表1。

表1堆肥原料主要理化性質

堆肥原料含水率（%）全碳（%）全氮（%）C/N牛糞71.9323.211.2318.9稻殼 9.8543.560.5776.4注：全碳與全氮為風干樣含量。

研究表明，堆肥時最初的C/N應為30～35，含水率在50%～60%[1，3，5-6]。經(jīng)計算得出，當牛糞與稻殼的質量比約為2 ∶1時，可滿足上述條件。

1.2堆肥設計

試驗設3個處理，以自然堆肥（處理1）為對照，比較添加0.3%（處理2）和0.5%（處理3）生物菌劑在牛糞堆肥中應用效果。其中，處理1：200 kg牛糞+100 kg稻殼粉，為空白對照組；處理2：200 kg牛糞+100 kg稻殼粉+0.3%（質量分數(shù)）復合微生物菌劑；處理3：200 kg牛糞+100 kg稻殼粉+0.5%（質量分數(shù)）復合微生物菌劑。

堆制時，肥堆長、寬、高分別為100、100、80 cm，頂部盡量平整。雨天在堆體上加蓋塑料膜，以免雨水對堆肥的沖刷。

1.3采樣及測定

1.3.1樣品采集在堆制當日取樣，并在堆肥后每2 d定時采樣1次，采樣方法采用多點采樣法[5]。

1.3.2測定項目測定的項目有物理、化學、生物指標3類，包括堆肥溫度、含水率、pH值、C/N、纖維素酶活性和細菌數(shù)。

用乙醇溫度計測定堆溫和氣溫，測定溫度分別在9：00和15：00進行。將堆體分上層（10～25 cm），中層（30～45 cm），下層（50～65 cm）測溫，每層選測3個點，取平均值作為該層的溫度，將3層溫度的平均值作為該堆體的溫度，當天測得溫度進行平均作為當天的溫度。從堆肥開始到第一次升溫，須每天測溫，之后可隔1天測1次，當堆體溫度開始下降時，對堆體進行翻堆[6]。

含水率、pH值、C/N測定參照國家農業(yè)標準NY 525—2011《有機肥料》[7]。纖維素酶活性的測定參照文獻[8]，細菌數(shù)的測定參照文獻[9]。

2結果與分析

2.1堆肥中溫度的變化

堆肥溫度是從表觀上判定堆肥腐熟程度的重要指標，從圖1可見堆肥初期的升溫速度依次為處理3>處理2>處理1。3種處理達到的最高溫和高溫（50～65 ℃）持續(xù)時間分別為：處理1最高溫58.7 ℃，持續(xù)7 d；處理2最高溫62.0 ℃，持續(xù)10 d；處理3最高溫63.1 ℃，持續(xù)11 d。可見堆肥中加入復合微生物菌劑可提高溫度峰值，且高溫持續(xù)時間較長，其中，加入0.5%復合微生物菌劑的堆肥升溫快，最高溫度高，高溫持續(xù)時間長，效果最好。

堆肥在堆制5 d和8 d進行了翻堆，出現(xiàn)溫度下降，而后又升高。翻堆可使堆體積聚的熱量散失，防止堆溫過高；翻堆也可以使堆肥反應更充分地進行，促使下一個高溫的到來。在堆肥進行到10 d時溫度開始持續(xù)降低，降溫速度：處理3>處理2>處理1，說明堆肥已逐漸進入腐熟期。

堆肥在5月份進行，此時的氣溫已經(jīng)超過15 ℃，從圖1中看出氣溫的變化，處理10 d后，氣溫升高，而堆肥溫度下降，可見氣溫對堆體的溫度變化影響不大。從圖1中還可以看到堆肥的起始溫度要比環(huán)境溫度高，這可能是由于堆肥所用的牛糞是經(jīng)在牛場脫水后的牛糞，相對鮮牛糞水分含量要低很多，加之在往堆肥場地運送的過程中，牛糞內部很容易積累熱量，致使堆肥的起始溫度要比環(huán)境溫度高。

2.2堆肥中含水量變化

堆肥前10 d，含水量呈下降趨勢（圖2），處理1的水分減少了8%，處理2減少了13.14%，處理3減少了20.69%，水分減少量依次為處理3>處理2>處理1。由圖1、圖2可見，堆肥升溫越高，水分減少越快。加入0.5%的復合微生物菌劑（處理3），微生物活動劇烈，能夠快速升溫脫水，提高堆肥的發(fā)酵速度。在堆制10 d和11 d有降雨，雨水從塑料膜的縫隙處滲入，堆肥中水分有上升趨勢，之后又下降。

2.3堆肥中pH值變化

在堆肥中，適合微生物生長的pH值為中性或弱堿性。圖3中，堆肥的pH值在6.8～7.8之間，說明3個處理堆肥過程反應良好。從圖3還可以看出，pH值先下降后升高，主要是由于堆肥初期產(chǎn)生有機酸所致，隨著堆肥的進行，有機酸被分解，同時又有含氮有機物產(chǎn)生的氨，使堆肥的pH值升高，并在堆肥結束時保持較高的pH值（處理3的pH值接近8），這與王紹文的研究[10]相一致。處理2和處理3堆制4 d pH值降到最低，處理1在堆制6 d時降到最低；堆肥結束時pH值大小排序為：處理3>處理2>處理1。堆肥中pH值與溫度具有一定的相關性，處理3的堆溫高，pH值在酸化階段下降快，且下降幅度大；堆肥后期，處理3的pH值升高也快，且高于處理1和處理2，這與處理3生物量多也有一定的關系。

2.4堆肥中C/N的變化

初始C/N對堆肥的腐熟進程有重要的影響。堆肥初始適宜的C/N為30～35，C/N過高（>35）微生物必須經(jīng)過多次生命循環(huán)，氧化掉過量的碳，直至達到一個合適的C/N以供其新陳代謝[11]。本試驗中3個處理的最初C/N分別為：37.86、36.94、34.52，都與適宜C/N比較接近（圖4）。堆肥過程中，3個處理的C/N整體都呈下降趨勢，分別下降了15.66%、23.09%、27.69%。C/N下降的原因是由于隨著堆制處理時間的延長，微生物消耗了大量的碳水化合物，總碳量呈明顯下降趨勢，全氮相對含量增加，使堆體的碳氮比逐漸減小，堆肥逐漸達到腐熟。圖4中C/N下降程度依次為處理3>處理2>處理1，由此可知，在堆肥中加入0.5%的復合微生物菌劑的堆肥效果更好。

2.5堆肥中纖維素酶活性變化

酶活性的大小直接影響著堆肥的進程和發(fā)酵的強度[12]。畜禽糞便中不僅含有較易分解的單糖、淀粉和半纖維素，還含有難以分解的纖維素。牛糞中纖維素所占比例較大，堆肥中對纖維素酶活性進行跟蹤測定，可以了解堆肥中纖維素被降解的情況。

從圖5可見，本試驗中3個處理的纖維素酶活性的變化均是先升高再降低再升高最后降低的過程。加入復合微生物菌劑處理的堆料，在堆肥的前2 d，堆體溫度升高，堆肥的纖維素酶活性也隨之升高；在堆肥的2～4 d，溫度有波動性的降低，纖維素酶活性有小趨勢的下降；堆肥溫度在6 d時開始升高，纖維素酶活性在7 d時開始增大；到10 d時，處理2和處理3的纖維素酶活性達到最大值1.304 U/g和1.428 U/g；到堆肥結束時，處理2和處理3纖維素酶活性分別降至 0.423 U/g 和0.336 U/g。處理1（對照組）的堆體溫度和纖維素酶活性均滯后于加入菌劑的處理2、處理3，處理1的纖維素酶活在堆制4 d和12 d時出現(xiàn)峰值，分別為1.214 U/g和1.233 U/g，在堆肥結束時，其纖維素酶活性為0.932 U/g。從試驗結果可知，加入復合微生物菌劑可以提高堆肥纖維素酶活性的水平及其峰值，加入菌劑的堆體纖維素酶活性峰值比空白處理提前1～2 d出現(xiàn)，且峰值的水平要高。

分泌纖維素酶的微生物是一個群體，包括中溫菌、嗜熱菌，還有低溫菌[13]。堆肥過程中纖維素酶活性的變化可能與這些微生物種類和數(shù)量變化有關系。從圖5中可以看出，纖維素酶活性的變化滯后于堆肥溫度的變化，可能是因為溫度的改變引發(fā)堆體中微生物群落結構變化，新的微生物群落結構會產(chǎn)生酶活的新值，于是出現(xiàn)了酶活性變化滯后于溫度變化的現(xiàn)象。處理1的纖維素酶活峰值比處理2和處理3出現(xiàn)晚，且峰值較低，這可能與處理1中微生物種類和數(shù)量較少有關。堆肥結束時，處理2、處理3比處理1的纖維素酶活性低，表明處理2、處理3已腐熟，而處理1未完全腐熟。

2.6堆肥中細菌數(shù)變化

堆肥系統(tǒng)中存在著大量的細菌，細菌不論從數(shù)量還是種類上都是堆肥中的優(yōu)勢群體。細菌在堆肥中憑借大的比表面積可以快速將可溶性底物吸收到細胞中[14]。在發(fā)酵初期，嗜溫細菌利用糖類、淀粉、蛋白質等易分解的有機物產(chǎn)生熱量，提高堆體溫度，以利于其他微生物生長繁殖和有機物的分解。嗜熱細菌是高溫階段的主要微生物類群之一，在高溫階段分解有機物[15]。細菌數(shù)變化結果見圖6。

從圖6可以看出，加入菌劑的處理組細菌數(shù)增長要快于對照組，且接種0.5%菌劑比接種0.3%菌劑的菌數(shù)峰值要高。在堆肥過程中細菌數(shù)目出現(xiàn)波動的原因可能是在堆肥初期簡單易分解的有機物被細菌利用，促使細菌數(shù)量增多。細菌數(shù)量在堆制2～4 d開始下降，主要原因是堆體溫度升高，嗜溫菌死亡或休眠，嗜熱菌數(shù)目還不多；堆制6 d細菌數(shù)目開始增大，嗜熱菌開始大量繁殖；在堆肥進行到10 d時，由于堆肥中有機物的消耗和堆體水分減少，細菌數(shù)量再次下降；堆肥結束時處理2和處理3的細菌數(shù)比處理1低，說明處理1未

完全腐熟。

3結論與討論

本試驗將自制的復合微生物菌劑接種于牛糞堆肥中，通過測定堆肥中物理、化學、生物各指標的參數(shù)變化，來判斷堆肥的處理效果。加入0.5%菌劑的堆肥升溫速度最快且高溫持續(xù)時間最長。3組的pH值變化趨勢大致相同，但處理2和處理3提前1 d降到最低點。水分減少量為處理3>處理2>處理1。結束堆肥時，處理3的C/N最低。堆肥中纖維素酶活性的變化滯后于溫度的變化，加入菌劑的堆體纖維素酶活性峰值比空白處理提前1～2 d出現(xiàn)，且峰值的水平要高。加入菌劑的處理組細菌數(shù)增長快于空白組，且接種0.5%菌劑比接種0.3%菌劑的菌數(shù)峰值要高。通過分析堆肥中各指標變化得出，本研究中加入0.5%菌劑的堆肥效果較好。

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