李 雯，李停鋒，郭君鈺，顧 欣

菌酶協(xié)同處理改善玉米秸稈堆肥品質(zhì)

李 雯，李停鋒，郭君鈺，顧 欣※

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021）

為明確纖維素降解菌劑、纖維素降解酶制劑、菌酶配施對秸稈堆肥效果的影響，該研究以玉米秸稈為堆肥材料，采用室內(nèi)控溫堆肥發(fā)酵法，研究了單獨添加纖維素降解菌劑（體積分數(shù)15%）、酶制劑（質(zhì)量分數(shù)0.8%）和菌酶協(xié)同處理（體積分數(shù)15%菌劑+質(zhì)量分數(shù)0.8%酶制劑）時，玉米秸稈堆肥溫度、pH值、碳損失、氮損失、養(yǎng)分含量和腐熟度的變化規(guī)律，以不添加菌、酶的堆肥為對照。結(jié)果表明：單獨加菌、加酶處理較對照提前2 d進入高溫期，菌酶協(xié)同處理較對照提前3 d進入高溫期，且菌酶協(xié)同處理最高溫較其他處理高0.7～1.9℃。在堆肥進程中，各處理的pH值均呈先增加后降低的趨勢。與對照相比，加菌、加酶、菌酶協(xié)同處理的CO2、NH3累積釋放量具有降低的趨勢，且菌酶協(xié)同處理的CO2、NH3累積釋放量最低；加菌、加酶、菌酶協(xié)同處理的碳損失為18.92%～23.91%，較對照降低了37.24%～50.34%；氮損失為15.51%～19.25%，較對照降低了54.19%～63.09%，其中菌酶協(xié)同處理物料的碳、氮損失最低。堆肥結(jié)束時，加菌、加酶、菌酶協(xié)同處理的物料全磷、全鉀、速效磷、有效鉀質(zhì)量分數(shù)分別較對照增加34.48%～62.93%、71.43%～117.14%、10.76%～15.65%、17.10%～23.23%，其中菌酶協(xié)同處理的物料養(yǎng)分轉(zhuǎn)化效果較好。與對照相比，加菌、加酶、菌酶協(xié)同處理分別較對照提前10、16、18 d達到腐熟標準。綜合判斷，菌酶協(xié)同處理有利于降低玉米秸稈堆肥的碳、氮損失，促進物料養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，縮短堆肥腐熟時間，為較佳處理。研究結(jié)果可為秸稈堆肥的菌酶協(xié)同處理技術(shù)提供理論依據(jù)。

堆肥；纖維素；降解；菌劑；酶制劑；玉米秸稈；碳氮損失

0 引 言

中國玉米秸稈資源豐富，年產(chǎn)量達3.2億t，其利用率達68.75%[1]，其中肥料化是其重要的利用方式，大量采用了秸稈堆肥技術(shù)。目前，堆肥生產(chǎn)存在著周期長，產(chǎn)品質(zhì)量不佳，碳、氮養(yǎng)分流失嚴重等一系列問題[2]。

纖維素生物降解的化學(xué)本質(zhì)是相關(guān)酶催化的酶促反應(yīng)[3]。因此，對玉米秸稈纖維素促降解的生物措施主要有2類：一是添加適量纖維素降解菌劑，加速好氧堆肥進程，調(diào)節(jié)物料菌群結(jié)構(gòu)，改善堆體內(nèi)環(huán)境，提高堆肥效率，改善堆肥質(zhì)量[3-4]。研究表明，玉米秸稈堆肥中添加菌劑，較對照提前2～5 d達到腐熟，CO2和NH3的釋放量減少，顯著降低物料的碳、氮素損失[5]。玉米秸稈和牛糞混合堆肥中添加復(fù)合菌劑，可提高堆體溫度，縮短堆肥腐熟時間，促進物料養(yǎng)分轉(zhuǎn)化[6]。二是添加適量纖維素降解酶制劑，加速物料分解，促進堆體升溫，縮短發(fā)酵周期[7]。這為菌酶協(xié)同處理草質(zhì)秸稈，提升纖維素的轉(zhuǎn)化效率提供了理論依據(jù)。該技術(shù)已應(yīng)用在飼草、食品加工和紡織業(yè)中[8-9]。在農(nóng)業(yè)廢棄物肥料化方面，利用牛糞和園林綠化廢棄物堆肥，添加適量的纖維素降解菌劑和酶制劑，也獲得促進堆料升溫，縮短堆肥腐熟時間的效果[10-11]。但由于酶制劑價格昂貴，如何高效地保持酶制劑活性等眾多難題，限制了酶制劑在堆肥發(fā)酵中的大量使用[12]。因此，有關(guān)堆肥物料理化性質(zhì)對酶制劑的響應(yīng)特征的研究存在不足。將此類酶制劑和菌酶協(xié)同處理用于玉米秸稈肥料化的研究，尤其對物料碳、氮素損失和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的影響鮮見報道。

本試驗采用模擬好氧堆肥發(fā)酵法，在玉米秸稈中單獨添加纖維素降解復(fù)合菌劑、纖維素酶制劑和菌酶協(xié)同處理，檢測物料溫度、pH值、NH3和CO2釋放量、養(yǎng)分含量和腐熟度等指標，明確菌酶協(xié)同處理對玉米秸稈堆肥腐熟，物料碳、氮素損失和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的影響，為該技術(shù)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 玉米秸稈及預(yù)處理

玉米秸稈采集自寧夏青銅峽市甘城子鄉(xiāng)。將玉米秸稈洗凈、風(fēng)干、粉碎，過直徑為0.5 mm篩，備用。測定秸稈總C、N、P、K質(zhì)量分數(shù)分別為49.41%、1.88%、1.03%、0.27%，含水率為6.43%。

1.2 試驗材料

3株纖維素降解菌：藤黃單胞菌（sp.）X11-1菌株，黃曲霉（）Z5-3菌株，長梗木霉（）Z8-2菌株，均篩選自寧夏秸稈堆、畜糞和土壤，由寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境實驗室提供。

纖維素降解酶制劑由浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)化學(xué)研究所研制，以羧甲基纖維素鈉為底物測定其羥甲基纖維素酶活性為4.21×103U/g，最適溫度為40～60 ℃，失活溫度為80 ℃。

培養(yǎng)基：馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基（Potato Dextrose Agar, PDA）[13]，用于真菌的培養(yǎng)和保藏；牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基[13]，用于細菌的培養(yǎng)。

試驗所用其他化學(xué)試劑為分析純試劑。

1.3 試驗裝置與儀器設(shè)備

堆肥裝置參考常瑞雪等[14]的發(fā)酵裝置。該裝置空間容積為12.5 L，將整個裝置置于55 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中。

其他儀器設(shè)備：恒溫生化培養(yǎng)箱、搖床、滅菌器、搖床、冰箱、紫外分光光度計、pH計（PHS-3EpH）、溫度自動記錄儀（CR-4）、血球計數(shù)板、游標卡尺（精度為0.02 mm）、細菌計數(shù)板等主要設(shè)備儀器。

1.4 試驗方法

1.4.1 復(fù)合型菌劑的制備

將Z5-3、Z8-2菌株分別接種至PDA培養(yǎng)基中，置于28 ℃，RH 85%的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4～6 d，待菌落大量產(chǎn)孢，分別用無菌水沖洗2～3次，制取孢子懸液，用血球計數(shù)板計數(shù)并調(diào)節(jié)孢子濃度為1×107個/mL。將藤黃單胞菌X11-1菌株接種至牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基中，置于28 ℃，140 r/min的搖床中培養(yǎng)1～2 d，用細菌計數(shù)板計數(shù)，用無菌水調(diào)節(jié)菌體濃度為1×108CFU/mL。按X11-1∶Z5-3∶Z8-2的菌體和孢子數(shù)量20∶1∶1制備復(fù)合菌劑（簡稱菌劑），現(xiàn)配現(xiàn)用。

1.4.2 試驗設(shè)計

以玉米秸稈為基本物料，用尿素調(diào)節(jié)C/N為26∶1。每個發(fā)酵桶中加入物料600.0 g。前期研究分別明確了菌劑的最適接種量為15%，添加酶制劑的最適質(zhì)量分數(shù)為0.8%。本文試驗在該基礎(chǔ)上按表1分別加入菌劑、無菌水和酶制劑，用無菌水調(diào)節(jié)物料含水率約60.0%。將組裝好的裝置整體放入55.0 ℃恒溫生化培養(yǎng)箱內(nèi)。每天根據(jù)水分散失情況補充水分，保持含水率約60.0%，每12 h記錄溫度變化，每隔24 h對NH3和CO2釋放量進行檢測并對物料多點混合采樣，樣品經(jīng)風(fēng)干、粉碎，測定物理和化學(xué)性質(zhì)指標，直至堆肥腐熟。以加入等體積分數(shù)的無菌水為對照，每處理3個重復(fù)。

表1 各處理的設(shè)置

1.5 測定項目及方法

1.5.1 溫度

測溫探頭插入物料堆核心部位，每隔1 h自動記錄秸稈堆溫度。

1.5.2 化學(xué)性狀測定

物料pH值采用pH儀測定；全碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；全氮采用H2SO4-H2O2消煮半微量開氏定氮法測定；全磷采用H2SO4-H2O2消煮釩鉬酸銨比色法測定；全鉀采用H2SO4-H2O2火焰光度法測定；速效磷采用2%檸檬酸溶液浸提-釩鉬酸銨比色法測定；有效鉀用1 mol/L硝酸溶液浸提-火焰光度法測定[15]；NH3采用硼酸吸收硫酸滴定法測定，CO2采用NaOH吸收硫酸滴定法測定，并通過計算獲得累積釋放量[14]。

1.5.3 腐熟度測定

物料樣品與無菌水以1:10（質(zhì)量體積比）浸提24 h，制備物料浸提液。在直徑90 mm培養(yǎng)皿中鋪一張等直徑無菌圓濾紙，加入物料浸提液6 mL，放入20粒小油菜種子，置于28℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h，統(tǒng)計種子發(fā)芽率，并用游標卡尺（精度0.01 mm）測定發(fā)芽種子的根長，計算種子發(fā)芽指數(shù)（seed Germination Index，GI）。公式如下：

當(dāng)GI>50%，物料毒性較低；當(dāng)GI>80%，物料完全腐熟，對植物無毒或完全腐熟的堆肥產(chǎn)品[16]。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2016處理數(shù)據(jù)，origin 2018制作圖表，采用SPSS 21.0軟件進行方差分析，采用LSD法進行顯著性檢驗，顯著分析水平為＜0.05，=3。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌酶協(xié)同處理對玉米秸稈堆肥溫度、pH值的影響

玉米秸稈堆肥中添加纖維素降解菌劑和酶制劑，均影響堆料溫度的變化。如圖1a，堆肥中單獨添加菌劑、酶制劑和菌酶協(xié)同處理，都可不同程度地加速堆體升溫，促進腐熟進程。T3處理在堆肥第2天就達到60 ℃以上，進入了高溫期，T1、T2處理在堆肥第3天進入高溫期，而CK在堆肥第4天才進入高溫期。T1、T2、T3處理從第13～23天開始溫度下降，進入降溫期。從溫度下降速度看，各處理組的堆溫下降速度較對照組快。在高溫期，T1、T2、T3處理的溫度峰值分別為68.5、68.0、69.2 ℃，分別較CK增高1.2、0.7、1.9 ℃。其中T3處理的堆溫高峰值最高，分別較CK、T1、T2處理高1.9、0.7、1.2 ℃。表明添加菌劑和酶制劑均有利于堆料升溫，且菌酶協(xié)同處理的堆體升溫最快，堆溫更高。

秸稈好氧堆肥過程中物料pH值持續(xù)發(fā)生改變。由圖1b可知，堆料pH值隨時間變化的曲線呈“倒V型”。堆肥至第9天時，T2、T3處理pH值先達到峰值。CK、T1、T2、T3處理pH值峰值在8.34～8.49之間。在pH值下降階段，T2處理pH值較CK、T1、T3處理下降更快。堆肥結(jié)束時，各處理物料pH值在7.51～7.56之間，降幅為0.78～0.92，其中，T1處理降幅最大，較CK、T2、T3處理具有顯著差異（＜0.05）。

圖1 菌酶協(xié)同處理對玉米秸稈堆肥溫度、pH值的影響

2.2 菌酶協(xié)同處理對玉米秸稈堆肥CO2釋放量、累積釋放量和全碳質(zhì)量分數(shù)的影響

好氧堆肥主要利用微生物對秸稈的生物降解作用。伴隨著微生物的氧化代謝，堆料釋放出大量CO2，造成碳損失[14]。如圖2 a，堆肥物料中單獨添加纖維素降解菌劑、酶制劑和菌酶協(xié)同處理，堆料CO2釋放量均呈先升高后降低的趨勢。發(fā)酵初始，CO2釋放量較低，隨著堆溫升高，CO2釋放量快速增加。堆肥第5天時，T3處理CO2釋放量達峰值，為0.48 mg/kg，較CK、T1、T2處理峰值提前12、8、2 d，且T3處理峰值較CK、T1處理分別高11.63%、6.67%。之后隨著發(fā)酵的進行，T3處理CO2釋放量降低。至堆肥結(jié)束時，T1、T2、T3處理CO2釋放量較CK降低17.95%、12.82%、17.95%，T1、T3處理CO2釋放量較T2處理降低5.88%，T1、T3處理CO2釋放量較T2處理有顯著性差異（＜0.05）。

隨著堆肥的進行，各處理CO2累積釋放量均呈增加的趨勢，如圖2b所示。其中，從堆肥升溫期到高溫期，是CO2累積釋放量急速上升階段。至堆肥結(jié)束時，T1、T2、T3處理的CO2累積釋放量分別較CK降低11.45%、37.95%、41.42%，T3處理CO2累積釋放量較T1、T2處理降低5.69%、33.84%，表明菌酶協(xié)同處理更有利于降低物料的CO2累積釋放量。

圖2c表明，堆肥過程中，隨著堆肥物料CO2累積釋放量的增加，堆體全碳質(zhì)量分數(shù)均呈降低的趨勢。堆肥初始，CK、T1、T2、T3處理的物料全碳質(zhì)量分數(shù)分別為49.78%、49.83%、49.66%、49.61%。堆肥至第13~23天時，CK、T1、T2、T3處理的全碳質(zhì)量分數(shù)分別較第一天降低32.44%、16.76%、18.08%、17.56%，CK處理全碳質(zhì)量分數(shù)下降最快。至堆肥結(jié)束，CK、T1、T2、T3處理碳損失分別為38.10%、22.60%、23.91%、18.92%，T1、T2、T3處理碳損失分別較CK降低40.68%、37.24%、50.34%，T3處理碳損失分別較CK、T1、T2處理降低50.34%、16.28%、20.87%，表明菌酶協(xié)同處理更有利于減少物料的碳損失。

注：當(dāng)種子發(fā)芽指數(shù)＞80%時，表示堆肥已達腐熟，試驗結(jié)束。

2.3 菌酶協(xié)同處理對玉米秸稈堆肥NH3釋放量、累積釋放量和全氮質(zhì)量分數(shù)的影響

圖3a表明，堆肥物料中單獨添加纖維素降解菌劑、酶制劑和菌酶協(xié)同處理，物料NH3釋放量與CO2釋放具有相似的趨勢，即先增加后降低。發(fā)酵初期，各處理物料NH3釋放量較低。堆肥至第5天時，T2處理NH3釋放量達峰值，為5.12 mg/kg，較CK、T1、T3處理峰值提前8、12、2 d。CK處理NH3釋放量峰值最大，為5.59 mg/kg，較T1、T2、T3處理高4.29%~9.18%。至堆肥發(fā)酵結(jié)束，T1、T2、T3處理的NH3釋放量較CK分別降低12.36%、10.03%、21.43%，T3處理的NH3釋放量分別較T1、T2處理降低10.35%、12.66%，表明菌酶協(xié)同處理可以降低堆肥NH3釋放量。

各堆肥處理NH3累積釋放量的整體趨勢也與CO2相似，如圖3b所示。堆肥初始，NH3累積釋放量較低；在升溫期和高溫期，NH3累積釋放量迅速升高，NH3累積釋放量最高的為CK處理。至堆肥結(jié)束時，T1、T2、T3處理的NH3累積釋放量分別較CK降低34.54%、45.11%、45.94%，T3處理的NH3累積釋放量分別較T1、T2處理降低42.26%、1.51%，表明菌酶協(xié)同處理可以較好的降低物料的NH3累積釋放量。

圖3c表明，堆肥中添加單獨添加纖維素降解菌劑、酶制劑和菌酶協(xié)同處理，對物料全氮質(zhì)量分數(shù)有一定的影響。各處理全氮質(zhì)量分數(shù)均隨發(fā)酵進程而呈下降的趨勢，不同處理的降幅間具有顯著差異（＜0.05）。堆肥初期，CK、T1、T2、T3處理的全氮質(zhì)量分數(shù)分別為1.88%、1.87%、1.87%、1.87%。發(fā)酵至高溫期，各處理全氮質(zhì)量分數(shù)分別較初始降低17.55%、14.44%、14.44%，9.63%，CK處理全氮質(zhì)量分數(shù)下降最快。至發(fā)酵結(jié)束時，各處理氮損失分別為42.02%、17.64%、19.25%、15.51%，T1、T2、T3處理的氮損失分別較CK降低58.02%、54.19%、63.09%。T3處理的氮損失較CK、T1、T2處理降低63.09%、19.43%、12.07%，表明菌酶協(xié)同處理可以顯著降低物料的氮損失。

圖3 菌酶協(xié)同處理對玉米秸稈堆肥NH3釋放量、累積釋放量和全氮質(zhì)量分數(shù)的影響

2.4 菌酶協(xié)同處理對玉米秸稈堆肥全磷、全鉀、速效磷、有效鉀質(zhì)量分數(shù)的影響

圖4a、4b表明，在發(fā)酵進程中，全磷、全鉀質(zhì)量分數(shù)呈增加的趨勢。堆肥初始，CK、T1、T2、T3處理的全磷質(zhì)量分數(shù)分別為1.09、1.09、1.10%、1.11%。至堆肥結(jié)束時，CK、T1、T2、T3處理的全磷質(zhì)量分數(shù)分別增加9.17%、43.12%、50.91%、70.27%，T1、T2、T3處理的全磷質(zhì)量分數(shù)分別較CK增加34.48%、43.10%、62.93%，T3處理的全磷質(zhì)量分數(shù)分別較T1、T2處理增加20.96%、13.62%。堆肥初始，CK、T1、T2、T3處理的全鉀質(zhì)量分數(shù)分別為0.25%、0.24%、0.24%、0.24%。堆肥結(jié)束時，CK、T1、T2、T3處理的全鉀質(zhì)量分數(shù)分別增加40.00%、150.00%、195.83%、216.67%，T1、T2、T3處理的全鉀質(zhì)量分數(shù)分別較CK處理增加71.43%、102.86%、117.14%，T3處理的全鉀質(zhì)量分數(shù)分別較T1、T2處理增加27.40%、6.51%，表明菌酶協(xié)同處理可以顯著促進物料養(yǎng)分濃縮。

高溫好氧堆肥可以將有機物中難以被植物吸收利用的磷元素轉(zhuǎn)變成植物較易吸收的形態(tài)，堆肥結(jié)束后，各處理的速效磷質(zhì)量分數(shù)都有所增加，如圖4c所示。堆肥初始，CK、T1、T2、T3處理的速效磷質(zhì)量分數(shù)分別為417.22、423.16、417.22、417.22 mg/kg。從升溫期開始一直持續(xù)上升至堆肥結(jié)束。堆肥結(jié)束時，T1、T2、T3處理的速效磷質(zhì)量分數(shù)分別較CK增加13.69%、10.76%、15.65%，T3處理的速效磷質(zhì)量分數(shù)分別較T1、T2處理增加1.72%、4.42%。

圖4 菌酶協(xié)同處理對玉米秸稈堆肥全磷、全鉀、速效磷、有效鉀質(zhì)量分數(shù)的影響

堆肥過程中各處理的有效鉀質(zhì)量分數(shù)呈上升趨勢，如圖4 d所示。堆肥初始，各處理有效鉀質(zhì)量分數(shù)分別為296.31、301.24、296.37、301.30 mg/kg。發(fā)酵結(jié)束時，CK、T1、T2、T3處理的物料有效鉀含量分別較堆肥初期增加63.42%、94.77%、91.33%、98.04%，T3處理增幅最快，T1、T2、T3處理有效鉀質(zhì)量分數(shù)分別較CK增加21.17%、17.10%、23.23%，T3處理的有效鉀質(zhì)量分數(shù)分別較T1、T2處理增加1.70%、5.23%，表明菌酶協(xié)同處理可以較好的促進物料的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化。

2.5 菌酶協(xié)同處理對玉米秸稈堆肥種子發(fā)芽指數(shù)的影響

種子發(fā)芽指數(shù)是堆肥腐熟度常用指標之一[14]。由圖5可知，堆肥過程中GI呈上升趨勢，即對種子發(fā)芽的抑制作用逐漸減弱。發(fā)酵初期，各處理的GI均在10%以下。堆肥進行到第15天時，T3處理的GI為80.22%，而CK、T1、T2處理的GI分別為21.68%、59.64%、74.21%。堆肥進行到第17天時，T2處理的GI分別為80.72%。堆肥進行到第23天時，T1處理GI為84.38%。依據(jù)GI大于80%這一標準判斷，T3處理需要15 d就可達到堆肥腐熟標準，而CK、T1、T2處理分別需要33、23、17 d才達到堆肥腐熟標準，表明T3處理能顯著縮短堆肥腐熟時間。

圖5 菌酶協(xié)同處理對玉米秸稈堆肥種子發(fā)芽指數(shù)的影響

3 討 論

溫度是影響堆肥進程的重要因素，也是反映秸稈堆肥中微生物活動狀態(tài)、堆肥無害化和穩(wěn)定化的重要指標[17]。研究表明，堆肥中添加纖維素降解菌，可以加快堆料的起溫速率、優(yōu)化堆肥過程的微生物生態(tài)，改善堆肥質(zhì)量，增加無害化程度，縮短堆肥腐熟時間[18-19]。本試驗中添加菌劑處理較對照提前2 d進入高溫期。說明菌劑的添加，可增加堆體微生物數(shù)量，物料中的微生物新陳代謝活躍，提高了堆體溫度，加快物料的腐熟進程，這與龔建英等[16]研究結(jié)論相似。酶的催化活性與溫度直接相關(guān)[20]。在適宜溫度下，酶制劑可促進植物組織的降解，將物料中微生物難以利用的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子，為微生物新陳代謝提供豐富的能源物質(zhì)，物料升溫較對照更快[21]。本試驗采用的酶制劑對高溫具有一定耐受性。堆肥初始，單加酶處理和菌酶協(xié)同處理的溫度分別為48.0和50.0 ℃，處于酶催化的最適溫度范圍內(nèi)，可快速催化物料降解，提高物料起溫速率。單加酶處理較對照提前2 d進入高溫期，說明該堆肥環(huán)境條件在酶制劑催化活性范圍內(nèi)，即可直接發(fā)揮作用[22]。尤其菌酶協(xié)同處理，物料較對照提前3 d進入高溫期，較單加菌、單加酶提前1 d進入了高溫期，說明菌酶協(xié)同處理在提高堆溫上具有相加作用。進入高溫期，單加酶處理和菌酶協(xié)同處理的最高溫度分別達68.9和69.2 ℃。當(dāng)環(huán)境溫度超過酶的最適范圍但未達到失活溫度，酶的活性部分降低；同時，酶的作用底物逐漸減少，導(dǎo)致堆溫快速下降進入降溫期，顯著縮短了腐熟發(fā)酵時間。

好氧堆肥時，物料的pH值主要受菌體代謝產(chǎn)物、堆料成分變化等影響，反之，物料pH值變化又會影響微生物的生長和繁殖，進而影響堆肥腐熟進程[23]。研究表明，pH值變化范圍在7.50～8.50之間，可促進堆料中微生物的快速繁殖，提高有機物的降解速率[17,24]。本試驗中，加菌、酶各處理的pH值范圍為7.51～8.49，與對照相比，均促進了堆肥腐熟。通常堆肥的pH值呈先增加后降低的趨勢[25]，主要是因為堆肥初始，有機物被大量分解產(chǎn)生NH3，導(dǎo)致物料pH值升高，至堆肥后期，堆體溫度下降，硝化細菌活動頻繁，通過硝化作用分解大量氨氮，同時淀粉等糖類物質(zhì)被大量利用產(chǎn)生較多有機酸，導(dǎo)致pH值下降[26]。本試驗堆肥至第9天時，加酶、菌酶協(xié)同處理pH值先達到峰值，同時加酶、菌酶協(xié)同處理在第5～9天內(nèi)，NH3釋放量達峰值，pH值也最高。發(fā)酵至第13天時，菌酶協(xié)同處理、加酶處理的pH值已分別下降至7.85和7.95，且堆肥腐熟時，菌酶協(xié)同處理的物料pH值下降最快，最先達到腐熟。

好氧堆肥中，微生物的生長代謝以及細胞物質(zhì)的合成都需消耗大量的有機物。因此，堆肥過程中物料的全碳質(zhì)量分數(shù)一直呈下降的趨勢[27-28]。本研究獲得相似的結(jié)論，隨著堆肥的進行，物料中的全碳質(zhì)量分數(shù)顯著下降，與CO2釋放量具有相關(guān)性。研究表明，堆肥中添加菌劑，可減少CO2的釋放量，促進有機物分解并轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，減少碳素損失[5,27]。本研究表明，堆肥中添加菌劑、酶制劑、菌酶協(xié)同處理時，較對照碳損失降低37.24%～50.34%，其中菌酶協(xié)同處理時更有利于降低物料的碳損失。堆肥中的氮素損失主要由氨的揮發(fā)和硝態(tài)氮的反硝化作用引起，其中，氨的揮發(fā)是主要原因[29-30]。隨著堆溫的升高，微生物的新陳代謝速率顯著增強，促進堆料中的氮素向有機氮轉(zhuǎn)化[31]。研究表明，微生物的生長繁殖可迅速利用氮素而減少NH3的釋放，且NH3釋放量在堆肥高溫期達峰值[32-33]。本研究獲得相似的結(jié)論，堆肥中添加菌劑、酶制劑、菌酶協(xié)同處理時，較對照氮損失降低54.19%～63.09%，其中菌酶協(xié)同處理時更有利于降低物料的氮損失。這是因為菌劑的添加提高了物料中微生物的活性，酶制劑的添加促進了物料有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，但單一添加菌劑或酶制劑都有其局限性，而菌酶協(xié)同處理可起到優(yōu)勢互補的作用。研究表明，菌酶協(xié)同處理玉米秸稈，酶制劑加速纖維素內(nèi)部的氫鍵斷裂，纖維素的結(jié)構(gòu)被破壞，秸稈變得松軟，更有利于微生物的生長繁殖[34]；添加菌劑，微生物數(shù)量增加，新陳代謝活躍，基于二者的相加作用，堆料腐熟時間縮短，物料CO2、NH3累積釋放量減少，從而降低了物料的碳、氮素的損失。

研究表明，堆肥中添加菌劑可促進堆料的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和濃縮[35-36]。本研究獲得相同的結(jié)論。堆肥中添加菌劑較對照的全磷、全鉀、速效磷、有效鉀質(zhì)量分數(shù)均呈上升趨勢，其中菌酶協(xié)同處理物料的碳、氮損失最低，養(yǎng)分轉(zhuǎn)化效果最好。表明菌酶協(xié)同處理時，對堆肥物料腐熟起到了一定的協(xié)同促進作用，既促進了物料養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，又縮短了堆肥腐熟時間。

在玉米秸稈腐熟過程中，物料會釋放H2S、NH3、多酚等對植物有毒的物質(zhì)[37]。一般認為物料的GI>50%時，物料毒性較低，GI>80%時，堆肥物料有毒物質(zhì)含量已下降至安全水平，達到腐熟標準[38]。時小可等[25]研究表明，堆肥中添加纖維素降解菌，其種子發(fā)芽指數(shù)均高于對照。這是因為加菌處理能加快堆料內(nèi)有毒物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化，縮短堆肥腐熟時間。本試驗獲得相似的結(jié)論，加菌、加酶、菌酶協(xié)同處理較對照提前10～18 d達腐熟，其中菌酶協(xié)同處理腐熟時間最短，僅為15 d，說明菌酶協(xié)同處理在堆肥中具有協(xié)同作用，堆料內(nèi)有毒物質(zhì)的分解更加迅速，秸稈堆肥腐熟時間更短。

4 結(jié) 論

1）加菌、加酶、菌酶協(xié)同處理較對照均能促進堆肥提前進入高溫期，升溫最快的為菌酶協(xié)同（體積分數(shù)15%菌劑+質(zhì)量分數(shù)0.8%酶制劑）處理，較對照提前3 d進入高溫期。與對照相比，各處理均能促進物料養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，其中菌酶協(xié)同處理的物料養(yǎng)分轉(zhuǎn)化效果最好，為最佳處理。

2）與對照相比，各處理降低了物料的CO2、NH3釋放量，碳、氮損失率均具有降低的趨勢。加菌、加酶、菌酶協(xié)同處理碳損失較對照降低37.24%～50.34%，菌酶協(xié)同處理較其他處理碳損失降低16.28%～50.34%；加菌、加酶、菌酶協(xié)同處理氮損失較對照降低54.19%～63.09%，菌酶協(xié)同處理較其他處理降低12.07%～63.09%，表明菌酶協(xié)同處理有利于降低物料的碳、氮損失。

3）菌酶協(xié)同處理更有利于玉米秸稈的堆肥腐熟，較對照提前18 d達腐熟標準，腐熟效果最好，為最佳處理。

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Effects of synergistic treatment of microorganism and enzyme improving composting quailty of maize stovers

Li Wen, Li Tingfeng, Guo Junyu, Gu Xin※

(,,750021,)

Maize stover resources were abundant in China. Composting was one of the important utilization methods of maize stover, but it had problems such as a long cycle and serious loss of carbon and nitrogen nutrients. There were few studies on the use of cellulose-degrading enzyme preparation and synergetic treatment of microorganism and enzyme for the fertilizer of maize stover. In particular, the effect of co-processing on the loss of carbon and nitrogen and the conversion of nutrients was rarely reported. This study was committed to clarify the effect of cellulose-degrading microorganism, cellulose-degrading enzyme and cooperation between microorganism and enzyme in stover composting test. Three functional microorganismssp. X11-1,Z5-3, andZ8-2 existed in the cellulose-degrading microbial inoculum. The cellulose-degrading enzyme preparation was developed by Institute of Agricultural Chemistry of Zhejiang University. Its hydroxymethyl cellulose activity was 4.21×103U/g, the optimum temperature was 40-60℃, and the inactivation temperature was 80℃. There are four stover composting treatments, which are separately added microbial inoculant (volume fraction 15%), enzyme preparation (mass fraction 0.8%), microbial inoculant and enzyme preparation (volume fraction 15% inoculum + 0.8% mass fraction), and not adding microorganism or enzyme as a control. The stacking temperature, pH value, carbon loss, nitrogen loss, nutrient content and compost maturity were surveyed and analyzed during the composting. The results showed that addition microorganism alone and addition enzyme alone entered the high temperature 2 days earlier than the control. The synergetic treatment entered the high temperature period 3 days earlier than the control, and the maximum temperature was 0.7-1.9℃ higher than other treatments. During the composting process the pH value of each treatment increased at first and then decreased. Compared with the control, the cumulative release of CO2and NH3by addition microorganism alone, addition enzyme alone and synergetic treatment were showed a downward trend. The cumulative release of CO2and NH3of synergetic treatment was the lowest and significantly lower than other. Carbon losses of addition microorganism alone, adding enzyme alone and synergetic treatment were 18.92%-23.91% respectively, which were 37.24%-50.34% lower than that of the control; nitrogen losses were 15.51%-19.25%, which were 54.19%-63.09% lower than that of the control. Among them, the carbon and nitrogen losses of the materials processed by synergistic treatment are the lowest. It means that the synergistic treatment of microorganism and enzyme was more beneficial to the reduction of carbon and nitrogen loss. At the end of composting, the mass fractions of total phosphorus, total potassium, available phosphorus, and available potassium of microbial inoculant treatment, enzyme preparation treatment, and synergetic treatment were increased 34.48%-62.93%, 71.43%-117.14%, 10.76%-15.65%, 17.10%-23.23%, respectively, in which the nutrient conversion effect of the material by synergistic treatment was the best. Addition microorganism alone, addition enzymes alone, and synergistic treatment could shorten matured compost times which advanced 10, 16and 18 days. The above results showed that addition of microbial inoculant alone, addition enzymes preparation alone and synergistic treatment could shorten the composting time and promote the nutrient transformation of materials. In summary, the synergistic treatment of microorganism and enzyme was beneficial to decrease the loss of carbon and nitrogen, promote nutrient transformation and shorten compost maturity time, which was the best treatment. The results can provide the theoretical basis for co-processing of microorganism and enzyme in stover composting.

compost; cellulose; degradation; microorganism; enzyme preparation; maize stover; carbon and nitrogen loss

李雯，李停鋒，郭君鈺，等. 菌酶協(xié)同處理改善玉米秸稈堆肥品質(zhì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(19)：192-199.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.022 http://www.tcsae.org

Li Wen, Li Tingfeng, Guo Junyu, et al. Effects of synergistic treatment of microorganism and enzyme improving composting quailty of maize stovers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(19): 192-199. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.022 http://www.tcsae.org

2020-06-29

2020-08-19

寧夏重點研發(fā)計劃重點項目（2018BBF02004，2018NCZD0083）;寧夏科技惠民計劃項目（2019CMG03013）

李雯，研究方向為農(nóng)業(yè)微生物資源與環(huán)境。Email：18893813447@163.com

顧欣，教授，主要研究方向為農(nóng)業(yè)微生物資源與環(huán)境。Email：guxin929@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.022

S141.4

A

1002-6819(2020)-19-0192-08