楊杰 魏素珍

（西藏農(nóng)牧學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，西藏 林芝 860000）

堆肥是有機(jī)質(zhì)在微生物作用下的自然生物分解過程，通過堆肥可以將各類有機(jī)廢棄物如牲畜糞便、農(nóng)田秸稈等轉(zhuǎn)化為土壤改良劑或有機(jī)肥料，不但可以減少有機(jī)廢棄物對(duì)環(huán)境造成的污染，還能促進(jìn)畜牧業(yè)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展［1］。木質(zhì)纖維素是堆肥原料中的常見成分，其難降解性常常導(dǎo)致堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)以及產(chǎn)品品質(zhì)的降低。向堆肥體系中接種外源木質(zhì)纖維素降解微生物菌劑是提高堆肥腐熟度和品質(zhì)的有效方法之一。比如，Yu 等人的研究［2］表明接種木質(zhì)纖維素降解微生物對(duì)保存堆肥體系的氮素含量有積極作用。他們的研究顯示，與對(duì)照組相比木質(zhì)纖維素降解菌接種處理降低了堆肥過程中腐熟階段amoA 基因的豐度和NH3的累積排放量。同時(shí)，木質(zhì)纖維素降解菌接種處理還降低了參與反硝化過程的nirS、nirK 和nosZ 基因的豐度，這些基因與N2O 的排放密切相關(guān)。Chen 等人［3］的研究表明在堆肥冷卻期接種黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）可以進(jìn)一步促進(jìn)纖維素和木質(zhì)素的降解，更有利于堆肥腐殖質(zhì)的形成，促進(jìn)腐殖質(zhì)化過程。雖然微生物菌劑在堆肥處理中的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，但是，接種的微生物菌劑與環(huán)境因素以及土著微生物之間的相互作用會(huì)影響堆肥過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)，而微生物群落結(jié)構(gòu)、演替規(guī)律以及微生物群落間的協(xié)同效應(yīng)與堆肥效率和腐熟堆肥質(zhì)量具有十分緊密的關(guān)系。因此，同一種菌劑在不同的環(huán)境、底物條件下，其應(yīng)用效果可能存在較大的差異。

西藏地處我國(guó)西南邊陲，被稱為“人類最后一片凈土”，是我國(guó)內(nèi)地及東南亞地區(qū)的重要江河源和生態(tài)源，被列為國(guó)家重要的“生態(tài)安全屏障”。然而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，固體廢棄物的產(chǎn)量也日益增加，其處理處置問題是急需解決的環(huán)境問題之一［4］。此外由于特殊的地理及氣侯環(huán)境，西藏地區(qū)的土壤非常貧瘠，因此在西藏地區(qū)利用各類有機(jī)廢棄物生產(chǎn)有機(jī)肥對(duì)于解決西藏地區(qū)的環(huán)境污染問題以及增加土壤肥力提高農(nóng)牧業(yè)的產(chǎn)量都有非常重要的意義。這不僅可以避免部分地區(qū)因生活垃圾和牲畜糞便隨處放置導(dǎo)致的環(huán)境污染，也可以緩解現(xiàn)有垃圾填埋場(chǎng)的壓力。最重要的是，所獲得的有機(jī)肥對(duì)增強(qiáng)西藏地區(qū)的土壤肥力，減緩水土流失等具有非常重要的意義［5］。本文以牛糞和青稞秸桿為主要堆肥原料，研究外加木質(zhì)纖維素菌劑對(duì)高原條件下堆肥的腐熟以及肥料品質(zhì)的影響，本文的研究結(jié)果可為高原環(huán)境下的有機(jī)廢棄物堆肥處理提供借鑒以及數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 堆肥原料及菌劑

堆肥試驗(yàn)在位于西藏林芝市的西藏農(nóng)牧學(xué)院進(jìn)行，該地海拔高度3000m，大氣壓力和氧含量約為平原地區(qū)的70%.以牛糞和青稞秸稈為原料，新鮮牛糞收集自附近一家養(yǎng)牛場(chǎng)，青稞秸稈采集自西藏農(nóng)牧學(xué)院農(nóng)場(chǎng)。將青稞秸稈在室外自然晾干，用粉碎機(jī)切成1cm～2cm 備用。本研究使用的木質(zhì)纖維素降解菌由本實(shí)驗(yàn)室在西藏地區(qū)分離純化獲得，共有6 株絲狀真菌。6 株菌株都有纖維素分解的能力，部分菌株同時(shí)具有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的分解能力。各純化菌株經(jīng)過在平板上活化后，將相同大小的菌絲塊同時(shí)接種入以風(fēng)干青稞秸稈（80g）和新鮮牛糞（240g）為原料的滅菌培養(yǎng)基中，含水率約為60%，該培養(yǎng)基的成分配比與堆肥的成分基本一致。在25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)9 天，期間為減少水分損失每天補(bǔ)充適量的無菌水，并輕搖燒杯以使基質(zhì)混勻并增加氧含量。培養(yǎng)結(jié)束后的材料作為堆肥菌劑添加至堆肥體系中。堆肥原料及菌劑性質(zhì)見表1。

表1 堆肥原料的理化性質(zhì)

1.2 堆肥反應(yīng)器

堆肥反應(yīng)器由雙層泡沫塑料箱改造而成，長(zhǎng)53cm、寬39cm、高40cm，有效體積約為60L。在反應(yīng)器底部安裝長(zhǎng)50cm、寬36cm、直徑為1.7 cm 的PVC通風(fēng)管道。為增加保溫效果，堆肥反應(yīng)器采用地埋式，反應(yīng)器頂端與地面相平。堆肥裝置示意圖如圖1所示。

圖1 堆肥反應(yīng)器示意圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

堆體由9kg 新鮮牛糞和3kg 青稞秸稈組成，初始C/N 約為25，含水率約為60%.試驗(yàn)設(shè)計(jì)2 個(gè)處理，接種微生物菌劑的作為試驗(yàn)組，接種比為2.66%（干重比），以添加等量的滅菌菌劑材料作為對(duì)照組。通風(fēng)量設(shè)置為2m3/min，持續(xù)時(shí)間為2min，每天通風(fēng)一次。為保證樣品的均勻性，根據(jù)堆肥階段的溫度，在0、3、9、15、24、34 天采樣前進(jìn)行翻堆，并取樣置于-20℃下保存?zhèn)溆?，試?yàn)持續(xù)了34天。

1.4 分析方法

堆體和環(huán)境溫度采用溫度在線監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。樣品pH 和電導(dǎo)率測(cè)量前與蒸餾水按1:10(w/v)混合后置于搖床上震蕩30min再進(jìn)行測(cè)量。將震蕩后獲得的溶液在1000rpm 下離心10min，上清液用0.45μm 的膜過濾后按照連華科技儀器使用說明書進(jìn)行NH4+-N 和可溶性化學(xué)需氧量(SCOD)的測(cè)量。樣品的含水率采用105℃烘干至恒重的方法進(jìn)行測(cè)定，將烘干至恒重的樣品在馬弗爐中灼燒2h 用于測(cè)定樣品的可揮發(fā)性固體物（VS）含量［6］。纖維素酶活性的測(cè)量采用DNS法進(jìn)行［7］。樣品的發(fā)芽指數(shù)(GI)根據(jù)Wan 等人［4］的方法進(jìn)行測(cè)定，所有的測(cè)定都進(jìn)行三次重復(fù)，并計(jì)算平均結(jié)果。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010 和Sigmaplot 14.0 對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體溫度的變化

堆肥過程中堆體溫度變化如（圖2a）所示。由圖可知，堆肥開始后兩組的堆體溫度都快速增加，其中添加外源菌株的堆體升溫更加迅速，在第3 天達(dá)到峰值63.6℃，而對(duì)照組則在堆肥第12 天才達(dá)到峰值53.1℃。與對(duì)照相比，接種木質(zhì)纖維分解菌使堆肥體系的最高溫度提高了10.5℃。在堆肥開始后的前8天，添加外源菌株的堆體溫度都明顯高于對(duì)照組，之后該組的溫度急劇降低，在第10天后堆體溫度維持在30℃左右并呈逐漸降低的趨勢(shì)，至堆肥結(jié)束后堆體溫度始終略高于環(huán)境溫度。與外加菌株組相比，對(duì)照組的升溫和降溫都相對(duì)較為緩慢，并且對(duì)照組大于50℃的天數(shù)明顯少于添加菌株組（圖2b），接菌處理使堆肥的高溫期延長(zhǎng)了4d。值得注意的是，不論是接菌組還是對(duì)照組，在堆肥高溫期即堆肥開始后的前10天堆肥的溫度波動(dòng)都較大，這可能是由于高溫期的堆體溫度與環(huán)境溫度差值較大并且環(huán)境溫度晝夜溫差較大導(dǎo)致的。

圖2 微生物菌劑對(duì)堆肥溫度的影響

堆肥過程中不同溫度階段堆體的日溫度變化如（圖3）所示，在堆肥前24小時(shí)內(nèi)(圖3a)，堆體溫度迅速上升，接種組和對(duì)照組溫度分別上升至50.5℃和48.5℃，與對(duì)照相比，接種木質(zhì)纖維素分解菌的堆體升溫更快，直接進(jìn)入了高溫期。在堆肥第8 天(圖3b)，接種處理的溫度持續(xù)上升并保持在較高水平，最高溫度達(dá)到了68.5℃，而對(duì)照處理的溫度才上升至51.3℃。各處理的溫度峰值不同，說明各處理堆肥的降解情況和微生物群落活性存在差異。在堆肥第16 天后各處理均進(jìn)入了冷卻階段(圖3c)，堆體溫度均低于50℃，其中接種組的溫度下降較為明顯，說明接種組的堆體分解效果較好。到堆肥第33天時(shí)（圖3d），兩種處理的堆體溫度接近于環(huán)境溫度，堆肥反應(yīng)基本結(jié)束。以上結(jié)果表明，接種外源微生物菌劑可以快速啟動(dòng)堆肥反應(yīng)，有效提高堆肥過程中高溫期的峰值溫度，并加速堆肥的快速腐熟，進(jìn)而縮短堆肥周期，降低堆肥能耗和成本。

圖3 堆肥至不同階段的日溫度變化

2.2 pH、含水率、電導(dǎo)率的變化

pH 是表征堆肥過程中微生物的活性和堆肥腐熟度的重要參數(shù)之一。堆肥過程中兩組堆體的pH 變化如(圖4a)所示。兩組堆體的pH 值在堆肥開始之后都迅速上升，接菌組和對(duì)照組分別在堆肥至第15天和第3 天達(dá)峰值8.4 和8.6，之后呈現(xiàn)出逐漸下降并平穩(wěn)的趨勢(shì)。整個(gè)堆肥過程中對(duì)照組的pH 值在7.4～8.6 之間，而接種組的在7.4～8.4 之間，這一pH 范圍與大部分微生物的活性范圍相一致，有利于其代謝。在堆肥結(jié)束時(shí)，所有處理的pH 值都在8.0～8.5 范圍內(nèi)，滿足堆肥腐熟的標(biāo)準(zhǔn)［9］。

在堆肥過程中，最佳的含水率可以保持微生物的活性，促進(jìn)有機(jī)物分解，通常堆體初始含水率一般控制在60%左右。本研究中兩組堆體堆肥過程中含水率的變化趨勢(shì)較為相似，除了在第15～24 天有略微增加外，整個(gè)堆肥過程均呈降低趨勢(shì)。對(duì)照組和接種組的含水率由堆肥開始時(shí)的58.4%分別下降至結(jié)束時(shí)的50.2%和49.1%(圖4b)。含水率的增加主要是由于有機(jī)質(zhì)的分解速率較高，水分蒸發(fā)凝結(jié)沒有及時(shí)排出所致［10］。隨后由于微生物的快速繁殖，新陳代謝過程中消耗部分水分，并且所產(chǎn)熱量使堆體溫度升高后又導(dǎo)致水分蒸發(fā)，最終導(dǎo)致堆肥的含水率呈下降的趨勢(shì)。

電導(dǎo)率(EC)是反映堆肥產(chǎn)品中可溶性鹽含量的有效指標(biāo)之一，過高或過低的電導(dǎo)率值表明其作為肥料可能對(duì)植物的種子萌發(fā)或生長(zhǎng)有毒性或抑制作用［11］。堆肥開始后各處理組的電導(dǎo)率均呈下降趨勢(shì)，至堆肥第3天接菌組和對(duì)照組分別由初始的2.34 mS·cm-1下降至2.1 mS·cm-1和2.32 mS·cm-1，之后隨著堆肥的進(jìn)行各組的EC 值都呈逐漸增加的趨勢(shì)，而接菌組的EC 在第25 天之后則又出現(xiàn)下降的狀況(圖4c)。電導(dǎo)率的增加可能與堆肥過程中水分的蒸發(fā)而導(dǎo)致的電解質(zhì)濃度增加有關(guān)，或者與堆肥過程中因微生物的代謝活性導(dǎo)致的可溶性鹽(如銨和磷酸鹽)的釋放有關(guān)［12］。堆肥34 天后，對(duì)照組和接種組的最終電導(dǎo)率分別為3.02和2.42 mS·cm-1，對(duì)照組顯著高于接種組，這可能是由于接菌組的微生物活性較高消耗較多的電解質(zhì)所致。

圖4 微生物菌劑對(duì)堆肥過程中PH值、含水率、電導(dǎo)率的影響

2.3 VS、SCOD的變化

兩組堆肥揮發(fā)性固體VS 含量的變化整體呈下降趨勢(shì)(圖5a)，與前人的研究結(jié)果一致［4］。堆肥結(jié)束后，接種組和對(duì)照組揮發(fā)性固體的含量從初始的80.7%分別下降到65.9%和67.4%，分別減少了14.8%和13.3%.接種組腐熟堆肥揮發(fā)性固體的含量低于對(duì)照組，說明接種微生物增加了堆肥揮發(fā)性物質(zhì)的釋放。

整個(gè)堆肥過程中對(duì)照組SOD 的含量波動(dòng)較大，處于2300mg Kg-1～6834mgKg-1之間，而接種組SCOD 的含量呈先增加后降低的趨勢(shì)，最終從堆肥開始時(shí)的2974mgKg-1降至堆肥結(jié)束時(shí)的2720mgKg-1，堆肥結(jié)束時(shí)接種組SCOD 的含量顯著低于對(duì)照組(4778mgKg-1)(圖5b)。微生物在生長(zhǎng)繁殖過程中可以消耗SCOD，同時(shí)微生物分泌的胞外酶也可將不溶性的物質(zhì)分解成可溶性的小分子物質(zhì)，比如可以將不溶性的纖維素轉(zhuǎn)變成可溶性的葡萄糖等，因此又會(huì)導(dǎo)致SCOD 的升高。堆肥體系中的SCOD 值便是這兩種方式疊加后的結(jié)果。本文的研究結(jié)果顯示，在堆肥過程中接菌組的SCOD 波動(dòng)較小而對(duì)照組的波動(dòng)較大表明接菌組的微生物活性相對(duì)較穩(wěn)定而對(duì)照組的微生物活性相對(duì)較不穩(wěn)定，說明在堆肥過程中接種特定的微生物菌劑對(duì)廢棄物中有機(jī)污染物的降解具有顯著的效果。

圖5 微生物菌劑對(duì)堆肥過程中揮發(fā)性固體有機(jī)物和可溶性化學(xué)需氧量的影響

2.4 氨氮、發(fā)芽指數(shù)

堆肥過程中NH4+-N 含量的變化主要受揮發(fā)、有機(jī)氮的氨化、微生物的固定化、硝化和反硝化過程的驅(qū)動(dòng)。從圖6a可以看出，整個(gè)堆肥過程中接種組和對(duì)照組NH4+-N 含量的變化趨勢(shì)較為相似，在升溫階段和高溫期均快速增加，在第9 天達(dá)到峰值，分別為120.72mgKg-1和156.16 mgKg-1，NH4+-N 濃度的升高可能是由于溫度升高有利于有機(jī)氮化合物的礦化［13］。第9天后接種組-N 含量持續(xù)下降直到堆肥結(jié)束；而對(duì)照組在第24 天下降到最小值76.02 mg Kg-1，之后持續(xù)增加，直到堆肥結(jié)束。NH4+-N 含量下降可能是由于NH3在高pH 和高溫條件下的揮發(fā)和微生物自身生長(zhǎng)繁殖的消耗以及硝化菌將NH4+-N 轉(zhuǎn)化為NO3--N 所致［14］。堆肥結(jié)束時(shí)，接種組中銨態(tài)氮含量(67.74mg kg-1)顯著低于對(duì)照組(102.14 mg kg-1)，接種組NH4+-N 含量減少的原因可能是接種木質(zhì)纖維素分解菌加速了NH4+-N 向NO3--N 的轉(zhuǎn)化，同時(shí)減少了NH3生成的底物。綜上所述，堆肥過程中接種外源微生物菌劑在NH3減排、氮素固定等方面具有潛在的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)芽指數(shù)(GI)通常用于評(píng)估最終堆肥產(chǎn)品的腐熟度和植物毒性［15］。圖6b 為堆肥過程中GI 的變化。由圖可知，堆肥開始后的前3 天，對(duì)照組和接種組的發(fā)芽指數(shù)分別下降至75.7%和80.9%，之后兩組都呈逐漸增加的趨勢(shì)，堆肥結(jié)束時(shí)接種組和對(duì)照組的GI值分別為105.0%和102.6%，表明堆肥產(chǎn)品達(dá)到了充分腐熟和較低的植物毒性的標(biāo)準(zhǔn)。堆肥結(jié)束后接種組的發(fā)芽指數(shù)略高于對(duì)照組，表明接種微生物菌劑可以加速堆肥腐熟過程，降低植物毒性，提升腐熟堆肥品質(zhì)。

圖6 微生物菌劑對(duì)堆肥過程中氨氮和發(fā)芽指數(shù)的影響

2.5 纖維素酶活性

堆肥原料中易降解的有機(jī)化合物能直接被堆肥微生物群落利用，而復(fù)雜的有機(jī)化合物，包括木質(zhì)纖維素在被微生物分解利用之前，需要經(jīng)過胞外酶的水解才能被微生物吸收利用［16］。纖維素酶催化纖維素水解成葡萄糖，其活性取決于混合物中纖維素分解微生物的類型、豐度和組成［17］。兩組的纖維素酶含量變化趨勢(shì)極為相似（圖7）。接種組和對(duì)照組的纖維素酶含量在堆肥第3 天下降到最小值，分別為0.1Ug-1和0.09Ug-1。在升溫期（第1 天）相對(duì)較低的纖維素酶活性可能是由于纖維素分解微生物生長(zhǎng)較為緩慢。隨后，兩組的纖維素酶活性急劇增加，接種組在第9天達(dá)到最大值(0.23Ug-1)，而對(duì)照組在第15 天達(dá)到最大值(0.24Ug-1)。高溫期纖維素酶活性的增加會(huì)導(dǎo)致有機(jī)物質(zhì)的進(jìn)一步降解。兩組堆肥的纖維素酶活性在達(dá)到最大值之后均開始緩慢下降，直到堆肥結(jié)束。值得注意的是，在堆肥開始后的0～11 天，接種組的纖維素酶活性均高于對(duì)照組；從第11 天以后直到堆肥結(jié)束，對(duì)照組的纖維素酶活性高于接種組。馬等人［18］在污泥堆肥過程中添加腐熟堆肥時(shí)也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，添加腐熟堆肥在升溫階段提高了纖維素酶含量，而在降溫階段降低了纖維素酶的含量。在升溫期（堆肥前24h）和高溫期，接種組的纖維素酶活性高于對(duì)照組，這可能是加速堆肥過程，強(qiáng)化纖維素降解，提高堆肥腐殖化程度的重要因素。

圖7 微生物菌劑對(duì)堆肥過程中纖維素酶活性的影響

3 結(jié)論

本文的研究結(jié)果表明接種木質(zhì)纖維素分解菌可以快速啟動(dòng)堆肥，延長(zhǎng)堆肥的高溫期和增加峰值溫度，加速堆肥的腐熟，從而縮短堆肥周期，降低堆肥能耗和成本。與對(duì)照組相比，接種木質(zhì)纖維素分解菌處理組高溫期延長(zhǎng)了4 天，峰值溫度增加了10.5℃。此外，接種木質(zhì)纖維素分解菌對(duì)堆肥體系的pH 值、電導(dǎo)率、含水率、可溶性化學(xué)需氧量、揮發(fā)性固體有機(jī)物、氨氮含量、發(fā)芽指數(shù)以及纖維素酶活性都有不同程度的影響?？傮w來看，接種處理提高了最終堆肥產(chǎn)品的腐殖化水平和腐熟度，可以在西藏地區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。