張玉鳳，田慎重，邊文范，郭洪海，宮志遠，劉兆輝*，李瑞琴，陳劍秋，羅加法

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所／農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物基質化利用重點實驗室／山東省植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室／山東省環(huán)保肥料工程技術研究中心，山東 濟南 250100；2.金正大生態(tài)工程集團股份有限公司／養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國家重點實驗室，山東 臨沭 276700；3.新西蘭皇家農(nóng)業(yè)科學研究院魯亞庫拉研究中心，哈密爾頓 3240）

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，畜禽糞便的排放量也隨之增加。山東作為全國畜牧大省，畜牧產(chǎn)業(yè)規(guī)模多年位居全國第一，糞便產(chǎn)生量約在2億t，如2010年山東省畜禽養(yǎng)殖業(yè)共產(chǎn)生1.98億t糞便，平均耕地施用量負荷為26.38 t/hm2，畜禽糞便中的氮、磷純養(yǎng)分分別達到 131.18 和 39.70 kg/hm2［1］。部分城市已達到甚至超過環(huán)境污染限量標準（歐盟還田限量值分別為氮 170 kg/hm2、磷 35 kg/hm2［2］），畜禽養(yǎng)殖廢棄物已經(jīng)對當?shù)丨h(huán)境造成了污染，而且排放的臭氣嚴重影響當?shù)鼐用竦纳硇慕】担虼似惹行枰獙ζ溥M行有效處理，合理利用。

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種副產(chǎn)物，也是一種可再生資源。我國農(nóng)作物秸稈的年產(chǎn)量約7億t，利用率為78%，約2億t秸稈隨意堆放或焚燒［3］，焚燒產(chǎn)生的CO2、CO、氮氧化物及多環(huán)芳烴等有害氣體，不僅危害人類健康，污染環(huán)境，而且造成大量養(yǎng)分損失，因為秸稈中除含有氮、磷、鉀和有機碳養(yǎng)分外，還可提供相當數(shù)量的中、微量元素和氨基酸等有機營養(yǎng)成分，是一類數(shù)量極其豐富，能直接利用的有機肥資源。因此，如何處理大量秸稈物質，已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上以及農(nóng)村生態(tài)環(huán)境治理中亟需解決的問題。

好氧堆肥是畜禽糞便和秸稈無害化處理和資源化利用的重要方式［4-6］，通過微生物好氧發(fā)酵能夠有效地將畜禽糞便與秸稈中的大分子物質轉化成二氧化碳、氨等小分子物質及高分子量的腐殖質。發(fā)酵的畜禽糞便和秸稈施入農(nóng)田中可增加土壤有機質含量，實現(xiàn)廢棄物的資源化利用，減少環(huán)境污染［7-8］。大量研究表明，接種外源微生物是加速高溫好氧堆肥進程的有效途徑。外源微生物可加速堆肥初期基質的分解，也能加快木質纖維素的降解，從而促進堆體后熟，縮短堆肥周期［9-10］。孫旭等［11］研究表明，腐熟劑能促進玉米秸稈腐熟升溫，延長高溫階段持續(xù)時間，降低揮發(fā)性固體物質和C/N，減少腐熟物的植物毒性，縮短腐熟時間，加快腐熟進程。雖然微生物菌劑能促進好氧發(fā)酵進程，但是目前我國市場上的微生物菌劑產(chǎn)品眾多，質量差異較大，僅生產(chǎn)秸稈腐熟劑的企業(yè)約有130余家，登記的腐熟劑產(chǎn)品有40個左右，而作為腐熟劑的菌種則達40多種［12］。因此需要針對發(fā)酵物料的種類篩選出適宜菌種，以便保證發(fā)酵效果。針對上述問題，本試驗通過設計接種菌劑和不接種菌劑處理，以發(fā)酵過程溫度等及發(fā)酵產(chǎn)物的安全性為考核指標，評價3種菌劑的發(fā)酵效果，以期篩選出適合牛糞和玉米秸稈混合發(fā)酵的菌劑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

（1）牛糞：成年奶?；旌霞S便。（2）玉米秸稈：濟南附近農(nóng)村購買。（3）微生物發(fā)酵菌劑：試驗供試微生物發(fā)酵菌劑3種（M1、M2、M3），其中菌劑M1主要由高效降解纖維素及木質素的曲霉菌和酵母菌組成，其摻入比例為0.05%（W/W），M2為有機物料腐熟劑（有效活菌數(shù)≥0.50億/g，用量為0.5%），M3為復合微生物（光合菌、酵母菌、乳酸菌、放線菌、芽孢桿菌等多種微生物，有效活菌數(shù)≥200億/100 mL，用量為0.3%）。

表1 堆肥材料的基本理化性質

1.2 試驗方法

試驗設置4個處理，分別為：（1）CK：牛糞+輔料；（2）M1：牛糞+輔料+菌劑1；（3）M2：牛糞+輔料+菌劑2；（4）M3：牛糞+輔料+菌劑3。T1～T4處理的牛糞，輔料均相同，牛糞所占物料總重（以干基計）的比例為53%，輔料是玉米秸稈，占47%，混合物料初期碳氮比為27.75∶1，含水量為60%，pH值7.21。

試驗于2017年5月22日～6月23日在濟南某公司進行。將玉米秸稈粉碎到1.5～2 cm左右，然后將牛糞與粉碎好的秸稈混合，再加入發(fā)酵菌劑、水分等其它物料，充分混合。然后將混合物料運送至發(fā)酵槽中，堆成高約1.2 m、寬約2 m、長約3 m的堆體。

于每天9∶30～10∶30和15∶30～16∶30，測定堆體中間位置的上中下部的溫度（采用SY系列堆肥專用溫度/含水率傳感器測定）、含水量（采用SY系列堆肥專用溫度/含水率傳感器測定）、氧氣含量（測定儀器采用堆肥專用氧含量分析儀）等指標。當含水量低于30%時，開始補充水分至50%；氧氣含量低于5%時，翻堆；溫度達到60℃以上時，也開始翻堆。同時記錄周圍環(huán)境的平均溫度，以便有效控制堆肥進程和產(chǎn)品質量。分別于發(fā)酵第0、1、5、11、19、23、30 d采用5點法在堆體不同部位取樣一次，取樣量為200 g左右，樣品混合均勻，檢測樣品的pH值［13］、有機質［14］、氮［13］、磷、鉀［13］含量等指標。發(fā)酵時間結束后，采用發(fā)芽率試驗檢測發(fā)酵物料腐熟度。具體測定方法為：首先進行堆肥發(fā)酵物浸提液的提取。新鮮堆肥樣品和去離子水按固液比為1∶10（w∶v=質量∶體積）加入一定量的去離子水，在200 r/min的速度下振蕩浸提1 h，將其離心（4 000 r/min）10 min，得到堆肥水浸提液，過濾后取上清液于塑料瓶中4℃貯存?zhèn)溆?。? cm培養(yǎng)皿內墊上一張濾紙，均勻放入20顆油菜種子，加入堆肥樣品浸提濾液5 mL，在25℃黑暗的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后，取出計算發(fā)芽率，10 d后，測定油菜根長，每個樣品做3次重復，同時用蒸餾水做空白試驗。按照以下公式計算發(fā)芽指數(shù)（GI）：GI=（堆肥浸提液的種子發(fā)芽率×種子根長）×100%÷（蒸餾水的種子發(fā)芽率×種子根長）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

運用DPS v7.00對數(shù)據(jù)進行方差分析，應用Duncan新復極差法對不同處理進行多重比較，不同字母表示差異達5%的顯著水平。

2 結果與分析

2.1 不同發(fā)酵菌劑對堆體溫度的影響

從圖1看出，與CK相比，3個菌劑處理的溫度在1～28 d時顯著高于CK。CK達到50℃的時間為第5 d，3個菌劑處理均在第1 d達到55℃，比CK提前4 d；M1、M2、M3高溫期維持時間分別為24、24、26 d，而CK是14 d，比CK分別多10～12 d；M1、M2、M3的最高溫度分別達到76.7、72.7、72.3℃，而對照的最高溫度僅為55.3℃。

3個菌劑相比，總體溫度差異不顯著，1～5 d期間，M2的溫度稍高于M1和M3，6～7 d M3溫度最高，8～19 d基本是M2溫度最高，21～27 d期間M3溫度最高。M3高溫維持時間最長，比M1、M2多2 d。M1的高溫值最大。

圖1 不同發(fā)酵菌劑對堆體溫度的影響

從溫度變化曲線看出，溫度變化有3個階段：升溫階段、高溫階段（堆肥溫度高于50℃）、降溫腐熟階段。CK處理溫度高于外界溫度，并且其溫度變化與外界趨勢基本一致，說明CK一直處于發(fā)酵狀態(tài)，且其發(fā)酵溫度受外界溫度的影響較大。3個菌劑處理基本呈現(xiàn)1～4 d溫度上升，在第1 d時溫度達到50℃以上；5～22 d穩(wěn)定，第11 d時達到最高溫度70℃以上；24～26 d溫度下降，持續(xù)在58℃以上；26 d后溫度基本趨于穩(wěn)定，并且在50℃以下。

總體來看，3個菌劑處理維持50℃高溫的時間達到24 d以上，達到了糞便無害化衛(wèi)生要求［15］。

2.2 不同發(fā)酵菌劑對堆肥浸出液pH值的影響

圖2結果表明，與CK相比，3個菌劑的pH值基本均低于CK。3個菌劑處理相比，第5 d時M1處理最高，其它時間均是M3處理最高，0～11 d時M1的變化幅度最大。

圖2 不同發(fā)酵菌劑對堆肥浸出液pH值的影響

從pH值變化趨勢看出，整體呈現(xiàn)下降、上升、下降、穩(wěn)定的趨勢。CK處理的整個發(fā)酵過程中pH值變化較小，3個菌劑處理0～11 d變化幅度較大，此后pH值變化較小。

pH值的變化主要是由氨氮產(chǎn)生、揮發(fā)和蛋白類有機物質的降解導致的。本結果初步表明接種菌劑處理的蛋白質及有機物的分解變化強于對照，而且變化主要發(fā)生在發(fā)酵前期即0～11 d。

2.3 不同發(fā)酵菌劑處理的堆肥浸出液對油菜發(fā)芽指數(shù)的影響

圖3是利用23 d發(fā)酵產(chǎn)物浸提液處理的油菜種子的發(fā)芽指數(shù)，結果表明，菌劑1、2處理發(fā)芽指數(shù)在100%以上，達到完全無毒程度［16］；菌劑3處理為98.5%，大于80%，表明堆肥已完全腐熟；CK處理的發(fā)芽指數(shù)大于50%，表明堆肥毒性降低到植物可以承受的范圍［16］。接種菌劑處理均顯著高于CK處理，增幅分別為35.48%、30.30%、17.64%，說明接種菌劑處理具有提高油菜發(fā)芽指數(shù)，促進油菜生長的作用，其中菌劑1效果最好，其次為菌劑2。

2.4 不同發(fā)酵菌劑對堆體有機質含量的影響

從圖4看出，與CK相比，接種菌劑處理的有機質含量均比CK低。3個菌劑處理相比，第1 d時M1處理有機質含量最高，5～11 d時M2處理的最高，19～30 d時M3處理最高。

圖4 不同發(fā)酵菌劑對堆體有機質含量的影響

從有機質變化趨勢看，CK處理的有機質含量變化幅度較小，1～30 d基本呈現(xiàn)下降趨勢；接種菌劑處理有機質基本呈現(xiàn)下降趨勢，23 d時有機質含量也達到穩(wěn)定狀態(tài)，變化幅度較大的是0～5 d和11～19 d。將第30 d的有機質與第0 d相比，所有處理均下降，CK、M1、M2、M3處理分別降低了12.33%、22.74%、31.78%和19.84%。

有機質含量反映了微生物分解有機物料中半纖維素、纖維素的能力，但它又是微生物本身所依賴的碳源與能源。所以初步說明，本發(fā)酵條件下，接種菌劑有利于有機物質的分解和轉化。發(fā)酵過程中有機質含量降低。在保存有機質方面菌劑3效果較好。

2.5 不同發(fā)酵菌劑對堆體氮含量的影響

圖5結果說明，與CK相比，第1、5 d時接種處理的氮含量均低于CK；11 d時4個處理間無差異；19～30 d時接種菌劑處理氮含量均高于CK，增幅為2.96%～10.56%。3個菌劑處理相比，1～11 d時M1的氮含量最高，19～23 d時M3的最高，30 d時M2最高。

圖5 不同發(fā)酵菌劑對堆體氮含量的影響

氮含量變化趨勢表明，所有處理的氮含量基本呈現(xiàn)上升趨勢。CK、M1處理0～11 d變化幅度較大，而M2、M3處理在0～19 d變化幅度均較大。與0 d的氮含量相比，CK、M1、M2、M3處理的第23 d氮含量均升高，增幅為18.33%～30.83%。

初步說明，添加菌劑能促進氮的轉化，不同菌劑對氮的消耗和固定轉化時間不一致，轉化量也不一樣，菌劑2的變化幅度大于菌劑1和菌劑3。

2.6 不同發(fā)酵菌劑對堆體C/N的影響

圖6結果表明，與CK相比，M1、M2、M3處理的C/N基本上呈下降。3個菌劑處理相比，第1～11 d時3個處理間差異較小，第19～30 d時C/N差異較大，最低的是M2處理，第19、23 d最高的處理為M3，第30 d時最高的處理是M1。

從變化趨勢看，整個發(fā)酵過程中C/N逐漸下降，由最初的 27.75∶1 下降到 14.47∶1～20.55∶1。表明好氧發(fā)酵過程是C/N逐漸降低的過程，降低幅度較大的是M2處理，30 d時C/N達到14.47。

2.7 不同發(fā)酵菌劑對堆體磷含量的影響

圖7結果表明，與CK相比，M1、M2、M3處理的磷含量均升高，增幅為1.61%～47.91%。3個發(fā)酵菌劑處理相比，第1、19、23、30 d時M1處理磷含量均最高，第5 d時M2處理磷含量最高。

圖7 不同發(fā)酵菌劑對堆體磷含量的影響

磷含量變化趨勢表明，所有處理基本呈現(xiàn)上升趨勢。0～11 d上升幅度較大，11～30 d幅度變小。與第0 d的磷含量相比，CK、M1、M2、M3處理的第30 d磷含量均顯著升高，增幅為158.33%～195.83%。

結果初步表明，接種菌劑促進磷的分解，有效磷含量升高，菌劑1在保存磷有效性方面效果最好。

2.8 不同發(fā)酵菌劑對堆體C/P含量的影響

圖8結果表明，CK處理的C/P顯著高于M1、M2、M3處理；3個菌劑處理相比，第1、5 d時M1處理最高，第11、19～30 d時M3處理最高。

圖8 不同發(fā)酵菌劑對堆體C/P的影響

從變化趨勢看，整個發(fā)酵過程中C/P逐漸下降，由最初的 138.73∶1下降到 36.02∶1～48.88∶1。表明好氧發(fā)酵過程是C/P逐漸降低的過程。

2.9 不同發(fā)酵菌劑對堆體鉀含量的影響

圖9結果表明，與CK相比，M1、M2、M3處理的鉀含量基本均高于CK。3個發(fā)酵菌劑處理相比，第1、11、19、23 d時M3處理鉀含量均最高，第5 d時M1處理最高，第30 d時M2處理最高。

圖9 不同發(fā)酵菌劑對堆體鉀含量的影響

鉀含量變化趨勢表明，所有處理基本呈現(xiàn)上升趨勢。與第0 d的鉀含量相比，CK、M1、M2、M3處理的第30 d鉀含量均顯著升高，增幅為10.48%～27.42%。

結果初步表明，接種菌劑促進鉀的分解，有效鉀含量升高，菌劑3和菌劑2在保存鉀方面效果最好。

2.1 0 不同發(fā)酵菌劑處理不同粒徑的發(fā)酵產(chǎn)物重量

表2結果表明，與對照處理相比，3個菌劑處理發(fā)酵后大于1.0 mm粒徑的產(chǎn)物重量均低于對照，說明接種菌劑有利于纖維素的分解。3個菌劑處理間相比，菌劑3處理的大于2.0 mm粒徑的產(chǎn)物重量稍高于菌劑1和菌劑2，說明菌劑1和菌劑2的發(fā)酵效果優(yōu)于菌劑3。

表2 不同發(fā)酵菌劑處理不同粒徑的發(fā)酵產(chǎn)物重量（g）

3 討論

溫度變化是反映好氧堆肥發(fā)酵是否正常最直接、最敏感的指標［17］。GB/T 7959-2012糞便無害化衛(wèi)生標準要求規(guī)定了溫度的指標，機械堆肥：堆溫≥50℃，至少持續(xù)2 d；人工堆肥：堆溫≥50℃，至少持續(xù)10 d［15］。本研究中接種菌劑處理堆溫在50℃以上的持續(xù)了24d，達到了GB/T 7959-2012標準。李國學等［18］研究表明，當堆體的溫度高于55℃并維持在3 d以上，堆體中的病菌可被殺死。本研究中高于55℃的維持了23 d，實現(xiàn)了無害化。本研究中接種菌劑處理達到50℃時間比不接種提前4 d，高溫維持時間延長10～12 d。與已有研究結果一致，接種復合菌劑加快了堆體升溫，延長高溫期時間，最終加速堆體腐熟［19-20］。

好氧堆肥的關鍵是發(fā)酵條件，大量研究表明，最佳發(fā)酵條件是C/N為25∶1～30∶1，pH值在6.5～8.0，含水量推薦上限在 50%～60%［17］。本研究將發(fā)酵條件設置為C/N為27.75∶1，pH值在7.21，含水量60%。本研究發(fā)酵過程中接種處理pH值低于對照，發(fā)酵過程中pH值呈現(xiàn)下降、上升、下降、平穩(wěn)的趨勢，與大量研究結果一致。李舒清等［19］研究表明，堆肥接菌處理后與對照相比pH值下降。曹云等［21］研究表明，在升溫期由于微生物分解蛋白質類有機物產(chǎn)生氨氮，促使pH值上升較快；在堆肥后期，隨著氨的揮發(fā)及蛋白質類有機物的降解，牛糞中pH值下降［22］。堆肥過程中各處理pH值變化基本一致，均是先升高后降低再升高最后趨于穩(wěn)定［23］。堆肥化過程是C/N逐漸下降并趨于穩(wěn)定的過程，腐熟堆肥的C/N一般為15左右［17］。接種復合菌劑顯著降低堆體的C/N，在22 d時已下降至12.8，而對照處理至32 d才下降至12.5［19］；竹江良等［24］也報道在煙草添加合適豬糞比例的基礎上加入外源微生物菌劑有利于促進C/N降低，加速煙草廢棄物堆肥腐熟進程。本研究C/N逐漸下降，30 d時接種處理由最初的27.75∶1 下降到 14.47∶1～17.27∶1，而對照僅下降到20.55∶1。

好氧發(fā)酵的目的是在保證物料達到無害化的前提下，盡量降低有效養(yǎng)分流失，提高堆肥質量。大量研究表明，有機物料堆肥過程一般伴隨著氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素以及有機質等含量升高及形態(tài)的變化［17，21-24］。劉超等［23］研究表明，在高溫堆肥結束時，堆肥全磷、全鉀含量比堆肥初始有所增加，原因是堆肥過程中磷素和鉀素不會揮發(fā)損失，而堆體的總干物質下降所致。本研究中氮、磷含量均升高，與劉超等［23］研究一致。堆肥的用途主要是制作商品有機肥，堆肥結束時，菌劑處理的有機質含量乘以1.5后均達到45%以上，N+P2O5+K2O含量達到4.5%以上，與NY525-2012標準［12］接近。

4 結論

本試驗結果初步表明：

（1）接種3種發(fā)酵菌劑能提高牛糞和秸稈混合物料發(fā)酵速度，接種菌劑處理達到50℃的時間比不接種提前4 d，高溫維持時間延長10～12 d。發(fā)酵到22 d時高溫期基本結束，發(fā)酵23 d后的物料基本腐熟。3個菌劑維持50℃高溫的時間達到24 d以上，達到了糞便無害化衛(wèi)生要求。

（2）3種菌劑發(fā)酵產(chǎn)物有機質含量達到NY525-2012標準［12］，氮磷鉀養(yǎng)分總量達到4.5%，接近NY525-2012標準［12］，所以發(fā)酵產(chǎn)物適合做生產(chǎn)商品有機肥的原料。

（3）綜合各項指標，菌劑1和菌劑2的發(fā)酵效果優(yōu)于菌劑3，菌劑1和菌劑2更適合牛糞和秸稈混合物料發(fā)酵。