馮雯雯 董永華 蔡涵冰

摘要：為了研究復(fù)合微生物菌劑添加對豬糞和秸稈混合發(fā)酵制備生物肥料過程中相關(guān)參數(shù)和腐熟度的影響，以豬糞和秸稈為原料，分別設(shè)置不添加菌劑的對照組（CK）和添加菌劑的處理組（GT），對比分析固態(tài)發(fā)酵過程中的pH值、電導(dǎo)率（EC）、總有機碳（TOC）含量、總氮（TN）含量、銨態(tài)氮（NH+4-N）含量、C/N、種子發(fā)芽指數(shù)（GI）等指標，然后運用灰色關(guān)聯(lián)分析法綜合評價2組處理在不同時間段的物料腐熟程度。結(jié)果表明，對照組和處理組在固態(tài)發(fā)酵過程中pH值、電導(dǎo)率、銨態(tài)氮（NH+4-N）含量、C/N、種子發(fā)芽指數(shù)（GI）的變化趨勢基本一致，但添加微生物菌劑的pH值在后期變化相對更穩(wěn)定，NH+4-N含量和 C/N也更低?；疑P(guān)聯(lián)分析法的結(jié)果表明，添加微生物菌劑后在固態(tài)發(fā)酵在第11天物料已經(jīng)達到一級腐熟，而對照的僅為三級腐熟，說明微生物菌劑的添加能縮短腐熟時間，并且使物料達到更好的腐熟程度，但物料進一步的發(fā)酵會使物料的肥力下降。

關(guān)鍵詞：微生物菌劑;固態(tài)發(fā)酵;畜禽糞便;秸稈;電導(dǎo)率;銨態(tài)氮;種子發(fā)芽指數(shù);灰色關(guān)聯(lián)分析法;腐熟度

中圖分類號：X713;S188+.4;S182? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）06-0265-07

隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大和畜禽養(yǎng)殖集約化程度的提高，秸稈和畜禽糞便等農(nóng)業(yè)有機固體廢棄物也大量產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計，我國共產(chǎn)生約7億t/年作物秸稈[1-2]，其主要有機成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素類物質(zhì)[3-4]，作物秸稈作為土壤改良劑直接還田時，由于缺乏腐熟和穩(wěn)定的有機質(zhì)，容易減緩有機質(zhì)的礦化作用以及土壤的缺氧環(huán)境。這不僅造成了資源的浪費，還會加劇環(huán)境的污染。此外，我國產(chǎn)生畜禽糞便38億t/年[5-6]，預(yù)計到2020年的排放量將達到41億t[7]。因為畜禽糞便含有豐富的有機質(zhì)和氮、磷、鉀等元素[8]，所以畜禽糞便在農(nóng)業(yè)活動過程中一直都作為一種有價值的肥料，但是由于養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)的規(guī)?；?、集約化的發(fā)展導(dǎo)致了養(yǎng)殖種植業(yè)的分離，從而使糞便的運輸成本增加[9]，其中40%的糞便沒有得到有效的處理和利用，未經(jīng)發(fā)酵直接排入水體，由于糞便中的有機質(zhì)和氮、磷等元素使得水體富營養(yǎng)化[10]，最終導(dǎo)致水體生物的死亡，同時威脅人類生活。所以，農(nóng)業(yè)有機固體廢棄物的減量化處理與資源化利用已經(jīng)成為目前研究的重點和熱點。

目前實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物減量化、無害化、資源化的方式之一是進行堆肥處理[11-17]。堆肥處理是一種將農(nóng)業(yè)廢棄物資源化、無害化的手段，通過微生物降解農(nóng)業(yè)廢棄物中殘留的大量有機物，并且在堆肥過程中產(chǎn)生并維持一段時間的高溫來殺滅農(nóng)業(yè)廢棄物中的病原菌、蟲卵，以及降解有毒、有害等物質(zhì)，使堆肥結(jié)束后的物料成為可以直接還田的有機肥，該有機肥的使用有利于減少農(nóng)田無機化肥用量、促進農(nóng)作物生長、提高土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)[18-24]。

研究表明，由于農(nóng)業(yè)廢棄物中含有大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難降解的木纖維素類物質(zhì)[25]，如果不添加外源菌劑處理單獨直接發(fā)酵，物料有機質(zhì)降解不完全，而且發(fā)酵周期一般會比較長。Gou等在寒冷的氣候條件下通過添加外源菌劑加快了固態(tài)發(fā)酵的升溫階段并且促進了物料腐熟[26];Jiang等在豬糞固態(tài)發(fā)酵過程中添加氮轉(zhuǎn)化菌劑促進了物料中有機質(zhì)的降解，同時有效減少氮損失和促進腐熟[27];Zhao等在固態(tài)發(fā)酵中接種外源放線菌增強了纖維素的降解，加速了堆肥過程[28]。所以，有效外源菌劑的添加有利于縮短固態(tài)發(fā)酵時間并促進物料腐熟。而發(fā)酵后的物料是否達到了處理和利用的目的主要是通過腐熟度進行評價，因為未完全腐熟的物料直接用于作物種植，會引起種植環(huán)境中微生物的活動，從而導(dǎo)致土壤環(huán)境缺氧，另外還會產(chǎn)生大量的中間代謝產(chǎn)物（如小分子有機酸、NH3等有害成分），毒害植物的根系，影響作物生長[29]。然而固態(tài)發(fā)酵原料的高度多樣性、異質(zhì)性和各種固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)工藝的不同，給物料腐熟評估體系帶來了困難[30-31]，為避免僅片面地從某一指標或某一方面評價物料腐熟程度[32]，模糊綜合評價法、灰色聚類法、灰色關(guān)聯(lián)分析等數(shù)學(xué)方法綜合考慮了評價指標，使得評價結(jié)果更具有綜合性、科學(xué)性、可操作性，成為目前評價物料腐熟度的優(yōu)選方法[33]，薛文博等利用灰色關(guān)聯(lián)分析法綜合評價了陜西中秦城市資源開發(fā)有限公司的堆肥樣品的腐熟度[29];任春曉等比較模糊綜合評價法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、屬性識別法綜合評判不同工藝物料末期的腐熟度，結(jié)果顯示，灰色關(guān)聯(lián)分析法更加符合實際情況，是物料腐熟評價的一種較優(yōu)的方法[34];弓鳳蓮等也應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度評價了牛糞、雞糞和花生殼等不同物料堆的腐熟度[32]。但是，先前的這些研究都是評價終期物料的腐熟度，對于灰色關(guān)聯(lián)分析應(yīng)用到更多類型的物料固態(tài)發(fā)酵的研究以及固態(tài)發(fā)酵不同時期物料的腐熟度評價鮮有報道。

本研究以豬糞、秸稈為原料，設(shè)置不添加微生物菌劑的對照組（CK）和添加微生物菌劑的處理組（GT）在5 L固態(tài)發(fā)酵罐中進行混合發(fā)酵，通過檢測pH值、電導(dǎo)率（EC）、總有機碳（TOC）含量、總氮（TN）含量、銨態(tài)氮（NH+4-N）含量、C/N、GI（種子發(fā)芽指數(shù)）等參數(shù)來反映豬糞秸稈混合固態(tài)發(fā)酵過程中的物質(zhì)變化，并通過部分參數(shù)建立灰色關(guān)聯(lián)分析方法來評估外源菌劑對豬糞秸稈混合固態(tài)發(fā)酵各時間段物料的腐熟程度的影響，希望本研究利用小型固體發(fā)酵設(shè)備的試驗?zāi)転榇笮投逊蕪S堆肥和更多的各種類型的廢棄物固態(tài)發(fā)酵過程和工藝提供一些理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 固態(tài)發(fā)酵原料和固態(tài)發(fā)酵試驗

原料是來自上海崇明島某養(yǎng)豬場的豬糞和來自江蘇某農(nóng)場的玉米秸稈（新鮮的）和稻草秸稈（干燥、發(fā)黃、無霉變），切成2～3 cm的秸稈段，堆料的基本性質(zhì)如表1所示。

采用5SS不銹鋼固體發(fā)酵罐（產(chǎn)品型號為BLBIO-5SS;產(chǎn)品編號為112386-2387;上海百侖生物科技有限公司），容積為5 L，有效體積75%，能夠自動攪拌、控制濕度。玉米秸稈、豬糞和稻草按干質(zhì)量比約為15 ∶ 2 ∶ 5，總質(zhì)量約為7.50 kg，以添加02%微生物菌劑（腐熟劑、粉末由細菌、放線菌、酵母菌組成，有效活菌數(shù)為5×108～9×108 CFU/g）為處理組（GT），以不加微生物菌劑為空白對照組（CK），初始C/N均為31.54，初始含水量控制在55%～70%，pH值均為7.36。由于堆體小，容易散熱，因此采用水浴加熱對堆體進行保溫，具體溫度程序設(shè)計[35-36]：初始溫度30 ℃;1 d，35 ℃;2 d，40 ℃;3 d，45 ℃;4 d，47 ℃;5 d，50 ℃;6 d，55 ℃;7～9 d，60 ℃;10 d，58 ℃;11～12 d，55 ℃;13 d，50 ℃;14～18 d，45 ℃;19天，35 ℃;20～23 d，33 ℃;每2 d翻1次，取樣時間為0、4、8、11、15、23 d。

1.2 物理化學(xué)參數(shù)檢測方法

將100 mg/mL提取液用于檢測堆料的pH值、電導(dǎo)率（EC）[8，37-38];通過凱氏定氮儀檢測固態(tài)發(fā)酵堆料的總氮（TN）含量[39];根據(jù)重鉻酸鉀氧化法-分光光度法測定固態(tài)發(fā)酵堆料的總有機碳（TOC）含量[40-41];參照已有研究的文獻方法檢測物料的銨態(tài)氮（NH+4-N）含量[42]。

1.3 種子發(fā)芽指數(shù)（GI）檢測方法

GI作為反映腐熟度最常用的指標，將質(zhì)量濃度為100 mg/L（DW）新鮮樣品置于30 ℃、180 r/min水平振蕩1 h，4 000 r/min離心30 min，取上清液 4 mL 于墊有watmanR濾紙的培養(yǎng)皿中，然后均勻放置20粒白菜種子于25 ℃的培養(yǎng)箱暗培養(yǎng)48 h，其間注意保持培養(yǎng)箱中的濕度，以免培養(yǎng)皿干燥，影響種子發(fā)芽指數(shù)，以純水為對照組，48 h后量根長數(shù)和種子萌發(fā)數(shù)，并根據(jù)如下公式計算種子發(fā)芽指數(shù)[24，43]：

GI=試驗組種子發(fā)芽率×試驗組根長對照組種子發(fā)芽率×對照組根長×100%。

1.4 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法是用來研究不確定性系統(tǒng)的一種方法，是根據(jù)系統(tǒng)各因素間數(shù)據(jù)列的發(fā)展態(tài)勢和相異程度判斷因素的關(guān)聯(lián)和接近程度。對某一個系統(tǒng)作關(guān)聯(lián)分析之前，必須知道系統(tǒng)中各指標或者因素的實際映射量，一般通過打分和試驗就可以知道各指標或因素的映射量[32]。本研究參照國內(nèi)外堆料腐熟評價方法，制定出1個含5個評價指標和4個腐熟等級的腐熟評價標準（表2）[32，44-46]，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析法來綜合性判定不同固態(tài)發(fā)酵處理不同時間段物料的腐熟程度。

將腐熟分級標準和2種處理的樣品作為一個灰色系統(tǒng)，分級標準和2個處理下發(fā)酵后4、8、11、15、23 d的樣品看作為灰色系統(tǒng)的因素，通過計算灰色系統(tǒng)中因素之間的關(guān)聯(lián)度，即能得到發(fā)酵后4、8、11、15、23 d 樣品與腐熟分級標準的關(guān)聯(lián)程度，關(guān)聯(lián)度越高，越接近該腐熟等級。設(shè)待評價樣品數(shù)列為{X0（k）}={X0（1），X0（2），X0（3），X0（4），X0（5）};被比較數(shù)列為{Xi（k）}={Xi（1），Xi（2），Xi（3），Xi（4），Xi（5）}。式中：i為腐熟度分級標準，取1、2、3、4;k為評價指標，取1、2、3、4、5。關(guān)聯(lián)系數(shù)公式：

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用Origin、Excel等軟件統(tǒng)計、分析pH值、EC、NH+4-N含量、TN含量、TOC含量、C/N等數(shù)據(jù)并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 理化參數(shù)變化

2.1.1 pH值的變化 pH值是影響微生物活性的主要因素之一，2個不同處理的pH值的變化如圖1所示，都是整體呈先上升后下降的趨勢，不添加微生物菌劑的對照組（CK）和添加微生物菌劑的處理組（GT）的pH值在發(fā)酵后10 d均從7.62分別達到880和8.73，隨后呈緩慢下降變化，但是GT的pH值在末期相對比較穩(wěn)定，而CK的pH值在末期小幅增加至9.38。初期pH值上升可能是由于固體發(fā)酵過程中產(chǎn)生NH+4-N所致，后期隨著發(fā)酵過程中有機物的降解產(chǎn)生小分子有機酸致pH值下降，發(fā)酵罐后期pH值稍有上升也有可能是由于發(fā)酵過程中產(chǎn)生的小分子有機酸等物質(zhì)的降解所致[47]。

2.1.2 電導(dǎo)率（EC）的變化 電導(dǎo)率反映了固體發(fā)酵過程中堆料的鹽度，是評價堆肥是否對植物產(chǎn)生毒害作用的重要參數(shù)，在一定程度上反映堆肥對植物的毒性以及對植物的生長抑制作用[48]，電導(dǎo)率過大，堆料作為有機肥施用可能對于土壤微生物活性產(chǎn)生不利影響[49]，最終抑制作物生長。如圖2所示，不添加微生物菌劑的對照組（CK）和添加微生物菌劑的處理組（GT）的電導(dǎo)率在發(fā)酵過程中變化基本一致，均呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。初期電導(dǎo)率的下降可能是因為微生物生長消耗堆料中的可溶性鹽[50]，發(fā)酵中期電導(dǎo)率上升可能是因為微生物活動過程中降解有機質(zhì)產(chǎn)生更多的可溶性鹽[48]。其中，CK、GT的初始電導(dǎo)率均為1.95 mS/cm，在發(fā)酵后11 d時電導(dǎo)率分別為1.48、1.86 mS/cm，固態(tài)發(fā)酵的末期（23 d）電導(dǎo)率分別達到1.31、1.58 mS/cm，并且電導(dǎo)率均小于4 mS/cm，滿足腐熟要求[51]。

2.1.3 銨態(tài)氮（NH+4-N）含量的變化 銨態(tài)氮（NH+4-N）也是腐熟度指標之一[51-52]。如圖3所示，不添加微生物菌劑的對照組（CK）和添加微生物菌劑的處理組（GT）的銨態(tài)氮（NH+4-N）含量整體上都是呈逐漸減少的變化。由于初期溫度開始升高，高溫好養(yǎng)微生物繁殖消耗部分的NH+4-N用于微生物生長，所以使得2種不同處理固態(tài)發(fā)酵過程中的NH+4-N含量在0～4 d呈下降趨勢，而在4～8 d由于高溫氨化細菌的逐漸繁殖，堆料中有機物的氨化作用增強轉(zhuǎn)化成銨態(tài)氮，所以NH+4-N呈遞增趨勢[53]。隨后，由于高溫導(dǎo)致NH+4-N轉(zhuǎn)化成NH3釋放到空氣中，以及后期溫度下降過程中硝化微生物通過硝化作用將NH+4-N轉(zhuǎn)化成NO3--N[30]，所以2種處理的NH+4-N含量逐漸降低。其中，GT的銨態(tài)氮（NH+4-N）明顯低于CK，可能因為在固態(tài)發(fā)酵過程中添加菌劑后硝化作用增強，從而使更多的NH+4-N轉(zhuǎn)化為NO3--N[52]。最終CK、GT固態(tài)發(fā)酵過程中NH+4-N含量分別為0.33、013 mg/g。Bernal等則認為，腐熟堆肥的NH+4-N含量應(yīng)小于0.4 mg/g[18]。由此可以看出，CK和GT 2種處理都達到腐熟，并且從圖3中顯示GT在發(fā)酵后11 d左右低于0.4 mg/g，而CK在發(fā)酵后13 d左右才低于0.4 mg/g，說明GT更快達到此腐熟標準。

2.1.4 C/N的變化 C/N是堆料腐熟度評價比較經(jīng)典的化學(xué)指標[53-54]，由圖4可知，不添加微生物

菌劑的對照組（CK）和添加微生物菌劑的處理組（GT）的C/N的變化趨勢相對比較一致，都是初期開始迅速降低、隨后增加、最后緩慢變化。初期 C/N 的減少是由于微生物開始大量利用有機碳，并且利用有機碳的速率大于有機氮[55];隨后C/N增加，是因為微生物利用有機氮的速率增加，其中在發(fā)酵后8 d，CK和因為GT的C/N分別增加至2678和20.8，可能是因為GT的微生物活性大于CK;其中，CK和GT的C/N在發(fā)酵后11 d分別為23.02和2241，到23 d時分別達到22.8和17.55，相對于初期的31.54，C/N明顯降低，并且C/N均小于25，滿足堆料腐熟要求[47]。

2.2 種子發(fā)芽指數(shù)（GI）

GI可有效直接反映堆料產(chǎn)品的植物毒性[56-57]。 在固態(tài)發(fā)酵過程中的種子發(fā)芽指數(shù)變化如圖5所示，2組處理的種子發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，具體變化為不添加微生物菌劑的對照組（CK）和添加微生物菌劑的處理（GT）的種子發(fā)芽指數(shù)在發(fā)酵后4 d分別為88.76%和10296%，在發(fā)酵后8 d種子發(fā)芽指數(shù)分別為7751%和109.76%，在發(fā)酵后11 d分別達到最大值，為134.91%和144.62%，在發(fā)酵后15 d分別為84.03%和99.41%，在發(fā)酵后23 d分別降低至848%和69.67%。其中CK的種子發(fā)芽指數(shù)

在前 15 d 均低于GT，并且2種處理的種子發(fā)芽指數(shù)在發(fā)酵后11 d以后均下降，表明物料進一步的發(fā)酵會使堆肥促進作物生長能力下降[58]。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

通過試驗測定評判指標，獲得各處理在各時間段物料樣品的5種評價指標結(jié)果（表3） 和關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果（表4、表5）。由表4、表5可知， 不添加微生物菌劑的對照組（CK）在發(fā)酵后4、8 d的物料與四級腐熟的最大關(guān)聯(lián)度分別為0.809 8、0.824 1，為四級腐熟;發(fā)酵后11、15 d的物料與三級腐熟的最大關(guān)聯(lián)度為0.756 7、0.702 0，達到三級腐熟;發(fā)酵后 23 d 的物料與二級腐熟的最大關(guān)聯(lián)度分別為 0.826 3，達到二級腐熟。而添加微生物菌劑處理組（GT）在發(fā)酵后4、8 d的物料與三級腐熟的最大關(guān)聯(lián)度分別為0.800 2、0.814 1，物料達三級腐熟;發(fā)酵后11 d的物料與一級腐熟的最大關(guān)聯(lián)度為 0.680 5，達一級腐熟;發(fā)酵后15 d的物料與三級腐熟的最大關(guān)聯(lián)度為0.681 1，降到三級腐熟;發(fā)酵后23 d時，根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度顯示物料達到二級腐熟，但是均未達到發(fā)酵后11 d的一級腐熟。綜上述數(shù)據(jù)顯示，GT相較于CK更快達到腐熟并且腐熟程度相對更好。

3 結(jié)論

固體發(fā)酵罐模擬好氧固態(tài)發(fā)酵過程中，不添加微生物菌劑的對照組（CK）、添加微生物菌劑的處理組（GT）的種子發(fā)芽指數(shù)在發(fā)酵后11 d分別達到13491%、144.62%，C/N比在發(fā)酵后11 d分別為2182、24.00，EC分別為1.48、1.86 mS/cm（均≤4 mS/cm[51]），其中C/N≤25[47]，GI>80%[24]，GI、C/N、EC在發(fā)酵后11 d均達到腐熟標準，通過灰色關(guān)聯(lián)分析可知，CK在發(fā)酵后11 d達到三級腐熟，而GT達到一級腐熟，說明GT組的物料達到腐熟的速度更快且腐熟程度更好，如果進一步發(fā)酵會使堆料肥力下降。

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