朱金霞 周文生 喬長晟 張琳 鄭國保 孔德杰 李苗

摘要 采用槽式堆料發(fā)酵的方式，以玉米秸稈為研究對象，牛糞為氮源，探討接種不同微生物菌劑對玉米秸稈堆腐發(fā)酵過程的影響。結(jié)果表明，接種微生物菌劑有利于促進玉米秸稈堆體溫度的迅速升高，其中T1（有機肥發(fā)酵劑）和T2（菌劑A）處理的最高溫度分別可達71.1和70.1 ℃;除對照T0（未使用菌劑）處理隨時間推移pH呈逐漸增大的趨勢，添加微生物菌劑的處理pH均呈先增大后減小的趨勢;各處理EC值均呈先增大后降低的趨勢，與初始值相比，在堆腐發(fā)酵60 d時，T1處理EC值降低最多，可達40.4%;各處理堆料的E4/E6值變化趨勢較為一致，均呈先增大后降低的趨勢，在堆腐60 d時，接種微生物菌劑的處理顯著低于對照處理;不同處理的發(fā)芽指數(shù)（GI）均呈先逐漸增大后趨于穩(wěn)定的趨勢，在堆腐60 d時，T1和T2處理GI均超過90%，篩選出2個適宜寧夏地區(qū)玉米秸稈腐熟發(fā)酵的菌劑。

關鍵詞 微生物菌劑;玉米秸稈;堆腐發(fā)酵

中圖分類號 S141.4? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）11-0045-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.11.013

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effect of Microbial Agents on Corn Straw Composting Fermentation Process

ZHU Jin-xia1，ZHOU Wen-sheng2，QIAO Chang-sheng3，4 et al

（1.Institute of Forestry Sciences Agricultural Biotechnology Research Center，Ningxia Academy of Agricultural and Forestry Sciences，Yinchuan，Ningxia 750002;2. Ningxia Nuclear Industry Geological Prospecting Institute，Yinchuan，Ningxia 750021;3. Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457;4. Tianjin Beiyang Baichuan Biotechnology Co. Ltd.，Tianjin 300457）

Abstract Using the method of trough piling fermentation，taking corn straw as the research object and cow dung as the nitrogen source，the effect of inoculating different microbial agents on the composting and fermentation process of corn stalk was discussed.The results showed that the inoculation of microbial agents could promote the increase of temperature of corn straw，among them，the highest temperature of T1 （organic fertilizer starter） and T2 （bacterial agent A） could reach 71.1 and 70.1 ℃ respectively. Except for the control T0 （without using inoculum），the pH increased gradually over time，and the pH of the treatment with added microbial inoculum showed a trend of first increasing and then decreasing.The EC value of each treatment showed a trend of first increasing and then decreasing. Compared with the initial value，the EC value of the T1 treatment decreased the most，reaching 40.4%，when the compost fermentation was carried out for 60 days.The change trend of E4/E6 values of the piles in each treatment is relatively consistent，showing a trend of first increasing and then decreasing. At 60 days of composting，the treatment with microbial inoculum was significantly lower than that of the control treatment.The germination index （GI） of different treatments showed a trend of increasing at first and then tending to be stable. At 60 d of composting，the GI of T1 and T2 treatments were more than 90%，and two bacterial agents suitable for corn straw composting fermentation in Ningxia were screened.

Key words Microbial agents;Corn straw;Composting fermentation

農(nóng)作物秸稈還田是當前世界上一項重要的農(nóng)田管理措施[1]，它不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機質(zhì)，還能為土壤提供豐富的N、P、K、Mg、Ca和S等營養(yǎng)元素。但秸稈直接還田后，存在自然腐解速度慢、土壤漏風跑墑、影響下茬作物播種、易發(fā)生病蟲害、還田初期與作物爭氮[2]等問題，這成為限制秸稈資源化利用的關鍵，而堆肥化處理是解決該問題的有效途徑。但傳統(tǒng)的堆腐發(fā)酵方法存在發(fā)酵周期長、養(yǎng)分易流失、質(zhì)量不穩(wěn)定、堆腐發(fā)酵產(chǎn)品無害化指標難以保證等問題。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展及高效化應用，添加微生物菌劑已成為堆肥發(fā)酵中的常用手段，可加快秸稈等有機物分解速度，提升堆體溫度和延長高溫時間[3-4]，還可促進有效態(tài)氮、磷、鉀的釋放[5]和腐殖質(zhì)等高分子有機物的合成[6]，減少臭味物質(zhì)產(chǎn)生[7]和提高肥效[8]等。

寧夏地區(qū)土壤瘠薄，大部分地區(qū)土壤有機質(zhì)含量較低，再加上長期大水大肥及掠奪式種植方式，導致土壤有機碳極為匱乏。通過秸稈腐熟還田，可培肥地力和顯著提升土壤質(zhì)量。玉米為寧夏地區(qū)主栽作物之一，秸稈生物量大，收獲后秸稈還田腐熟效率低下的問題尤為突出，針對此問題，近年來在玉米秸稈堆腐發(fā)酵方面開展了大量研究，主要集中于纖維素降解菌種的篩選與菌劑制備[9-11]、腐熟效果影響因子[12]、裝置[13]等方面，但針對寧夏地區(qū)特殊水土條件下的玉米秸稈堆腐發(fā)酵過程的影響研究較少。該研究以寧夏地區(qū)的玉米秸稈、牛糞為試驗材料，接種不同微生物菌劑進行堆腐發(fā)酵試驗，明確發(fā)酵過程中各指標參數(shù)的變化規(guī)律，為我國北方地區(qū)開展工業(yè)化秸稈堆腐還田的應用提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用新鮮干玉米秸稈和牛糞為堆腐發(fā)酵材料。試驗所用玉米秸稈購自銀川市西夏區(qū)附近農(nóng)場，使用前用碎機將玉米秸稈粉碎，并過長2 cm篩。牛糞購自銀川市西夏區(qū)附近某肉牛養(yǎng)殖場。

玉米秸稈粉，全碳376.3 g/kg，全氮5.2 g/kg。牛糞粉末，全碳58.9 g/kg，全氮5.5 g/kg。

1.2 試驗設計

堆體質(zhì)量為370 kg（秸稈粉90.0 kg，牛糞280.0 kg），玉米秸稈堆料C/N比為25∶1～30∶1。該試驗共設置5個處理：對照處理T0（CK），未使用菌劑;處理1（T1），有機肥發(fā)酵劑（購自洛陽歐科拜克生物技術(shù)有限公司）;處理2（T2），菌劑A（從天津科技大學喬長晟教授實驗室引進）;處理3（T3），菌劑B（天津科技大學喬長晟教授實驗室引進）;處理4（T4），纖維素降解專用復合菌劑（該試驗自主分離）。每一處理重復3次，隨機區(qū)組排列。

1.3 堆腐發(fā)酵方法

采用槽式堆料發(fā)酵的方式，發(fā)酵槽長、寬、高分別為2.1、1.5、1.2 m。試驗于2021年4月12日—6月14日進行，共60 d，按照試驗設計，將各處理的秸稈和牛糞混合均勻后移入發(fā)酵槽發(fā)酵。發(fā)酵槽上方搭設防雨棚，通風條件良好。T2、T3和T4為液體菌劑接種，接種量均為1.0%（ V/m ），T1為固體菌劑，接種量為推薦最佳使用量，翻堆時間為建堆后7、14、21、28 d。試驗地點設置在寧夏農(nóng)林科學院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心秸稈發(fā)酵試驗基地。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 溫度測定。

堆體的溫度采用溫度記錄儀GSP-6（江蘇省精創(chuàng)電器股份有限公司）進行測定和記錄，試驗開始時每個堆體共放置3個溫度探頭（埋置堆體東部、中部和西部，離堆頂50 cm處），每15 min測定1次，連續(xù)測定24 h共測定288個數(shù)據(jù)，取平均值即為1 d的堆體溫度。連續(xù)監(jiān)測60 d的溫度，直到試驗結(jié)束。大氣溫度測定時，3個溫度探頭放于2個發(fā)酵槽之間，置于空氣中。

1.4.2 理化指標的測定方法。

（1）取樣時間。從拌料堆肥發(fā)酵開始計時，分別在0、10、20、30、40、50、60 d采集樣品1次，共采集樣品7次。

（2）取樣方法。從堆體東、中、西部離頂端50 cm處采集樣品約500 g，將樣品混合均勻后運回實驗室，在4 ℃保存，待用。

（3）pH和電導率的測定方法。將堆料樣品鮮樣與蒸餾水按質(zhì)量體積比1∶10混勻，180 r/min振蕩30 min，取出后迅速用電導率儀測定電導率（EC），靜置30 min后用pH計測定pH;E4/E6采用超聲波法提取，利用Bio-radxMark酶標儀測定465和665 nm處吸光度，取兩者之比值，每個樣品重復3次。

1.4.3 種子發(fā)芽指數(shù)的測定。

測試種子為玉米種子，參照張玉鳳等[14]報道的方法測定種子發(fā)芽指數(shù)（GI），計算公式為GI= Y×LT×D ×100%，式中， Y為處理的發(fā)芽率，L為處理的根長，T為對照的發(fā)芽率，D為對 照的根長。共測定3個平行樣本，每個樣本測量3次，結(jié)果取平均值。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及處理方法 采用Excel 2019進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和作圖，利用SPSS 25.0軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同微生物菌劑對玉米秸稈堆體溫度的影響

由圖1可知，不同微生物菌劑對玉米秸稈堆體溫度影響顯著，各處理堆體溫度均呈升溫階段（0～7 d）、高溫階段（8～28 d）和降溫階段（29～60 d）。在升溫階段（0～7 d），各處理堆體溫度驟然上升，不同處理堆體溫度差異顯著，其最高溫度由高到低依次為T1>T2>T3>T4>T0（CK），溫度及出現(xiàn)高溫時間分別為71.1 ℃（6 d）、70.1 ℃（6 d）、65.9 ℃（7 d）、65.1 ℃（7 d）、54.4 ℃（7 d），接種微生物菌劑的處理堆體溫度顯著高于未使用菌劑的T0（CK）處理，且T1和T2處理高溫出現(xiàn)時間早于T0（CK）處理。在高溫階段（8～28 d），各處理堆體溫度保持較高水平，處理間最高溫度出現(xiàn)時間差異較大，除T0（CK）和T1處理在第13天時分別達最高溫度59.6、70.5 ℃外，T2、T3和T4處理的最高溫度均出現(xiàn)在第21天，分別為65.5、62.6和62.5 ℃。隨著堆腐過程的推進，各處理堆體溫度呈逐漸降低趨勢，在堆腐28 d時，處理T0、T1、T2、T3、T4堆體溫度分別降為52.3、55.9、46.8、48.2和41.1 ℃。在降溫階段（29～60 d），隨著堆腐時間的進一步延長，各處理堆體溫度均逐漸降低，在玉米秸稈堆腐60 d時，各處理堆體的溫度相差不大，為34.0～35.9 ℃，略高于空氣溫度。在整個發(fā)酵周期內(nèi)，T0、T1、T2、T3、T4堆體內(nèi)部溫度超過55.0 ℃的天數(shù)分別為4、13、10、9、9 d，接種微生物菌劑的處理高溫維持時間顯著高于對照處理。

2.2 不同微生物菌劑對玉米秸稈堆料pH的影響

由圖2可知，不同微生物菌劑對玉米秸稈堆料的pH影響顯著，最大值出現(xiàn)時間差異較大。各處理堆料的pH初始值介于8.01～8.16，在堆腐發(fā)酵初期（0～10 d）時，微生物迅速分解有機物，產(chǎn)生大量的銨態(tài)氮，各處理堆料的pH快速上升，呈增大趨勢，但不同處理增幅有差異，與初始值相比，T1和T2處理的pH呈增大趨勢，分別增大了1.04和0.63，T4和T0（CK）處理增幅較小，分別增大了0.19和0.17;在堆腐發(fā)酵時間為10～20 d時，各處理堆料的pH均呈顯著增大趨勢，在20 d時，T1處理的pH為9.55，與初始值相比增幅最大，增大了1.54，T2處理次之，增大了1.12，T0（CK）處理增幅最低，僅為0.41。隨著堆料時間的延長，T0處理的pH呈增大趨勢，在堆腐發(fā)酵60 d時達到峰值（9.31），而其他處理則呈先增大后減小的趨勢，且出現(xiàn)峰值的時間有所差異，其中T1處理的pH在第20天時達到峰值（9.55），T2、T3和T4處理的pH則在第40天時達到峰值，分別為9.42、9.38、9.21。當玉米秸稈腐熟發(fā)酵至第60天時，T1～T4處理堆料的pH分別為8.52、8.77、9.05和8.99。

2.3 不同微生物菌劑對玉米秸稈堆料EC的影響

由圖3可知，在整個堆腐發(fā)酵過程中除T0（CK）和T1處理的EC值只有一個峰值外，其他處理均呈雙峰曲線。在堆腐發(fā)酵初期（0～10 d），所有處理均出現(xiàn)最大值，與初始值相比較，不同處理其EC值增長率不同，T1處理增長率最高，可達10.3%，T2處理次之，EC值增長率為5.4%，T0、T3和T4處理差別不大，EC值增長率為1.34%～2.24%。隨著堆腐發(fā)酵時間的進一步延長，T0和T1處理的EC值逐漸降低，在堆料60 d時EC值降低至最小值，分別為1.73和1.33 mS/cm;而T2處理在堆腐發(fā)酵至30 d時出現(xiàn)第二個峰值，EC值可達1.83 mS/cm;T3和T4處理則在堆腐發(fā)酵至40 d時出現(xiàn)第二個峰值，其EC值分別為1.68和1.7 mS/cm。但所有處理的EC值均在60 d時達到了該堆腐發(fā)酵試驗的最低值，與初始值相比，T1處理EC值降低最多，降低了40.4%，T3和T2處理EC值相差不大，分別降低了34.4%和35.4%，T0處理EC值降低最少，僅降低了22.4%。

2.4 不同微生物菌劑對堆料腐殖酸光學特性（E4/E6）的影響

從圖4可以看出，在不同微生物菌劑處理條件下，玉米秸稈堆料的腐殖酸光學特性E4/E6值均呈先增大后逐漸減小的趨勢。不同處理均在堆腐發(fā)酵第10天達到峰值，但數(shù)值差異顯著，其中T0（CK）處理的E4/E6值最高，可達3.43，T1～T4處理的E4/E6值則在2.53～2.73。隨著堆腐時間的進一步延長，各處理堆料的E4/E6值均呈下降趨勢，在堆腐30 d時，T0處理堆料的E4/E6值與初始值相比增大了8.5%，而接種微生物菌劑的處理（T1～T4），其堆料的E4/E6值均不同程度降低，分別降低了38.2%、21.8%、22.6%和25.4%。因此，接種微生物菌劑，有助于加快玉米秸稈堆料腐殖酸光學特性E4/E6值的降低。

2.5 不同微生物菌劑對堆肥浸提液GI的影響

一般來說，如果GI>50%，則可認為堆肥基本腐熟;當GI達到80%～85%時，則可認為堆肥完全腐熟，對植物無毒害作用。從圖5可以看出，在堆腐發(fā)酵10 d時，各處理的GI均緩慢增大，但增幅存在一定差異，其中T2處理的GI增長最多，GI為21.8%，T4處理GI為14.9%，增幅最小。在堆腐發(fā)酵20 d時，各處理的GI均迅速增大，但僅T3處理GI為53.3%，達到基本腐熟

的程度，而其余處理的GI則在38.4%～47.5%。在堆腐發(fā)酵30 d時，各處理的GI均進一步提高，且均大于50.0%，其中T1處理的GI最高，為85.6%，達到完全腐熟的程度，對植物無毒害作用，而其他處理均低于80.0%，GI從大到小順序為T1>T2>T3>T4>T0。隨著堆腐發(fā)酵時間的進一步延長，各處理種子的GI均緩慢增大，在堆腐發(fā)酵50 d時，除T4處理的GI為78.7%外，T1、T2、T3處理的GI均超過80.0%，對植物無毒害作用。在堆腐發(fā)酵60 d時，所有處理的GI均超過80.0%，其中T1和T2處理GI均超過90.0%，分別可達93.8%和91.9%，T4處理的GI最小，僅為81.6%，其次T0處理是85.5%。

3 討論

溫度是影響堆腐發(fā)酵速率的主要因素之一，既可反映堆

腐過程中堆體內(nèi)微生物群落的結(jié)構(gòu)與活性，又可決定堆腐過程能否達到無害化和穩(wěn)定化的重要條件[15]。堆體溫度的高低不僅與發(fā)酵物料本身的特性有關，還與微生物菌劑的種類有關。該研究發(fā)現(xiàn)，接種微生物菌劑的處理（T1～T4）最高溫度為65.1～71.1 ℃，顯著高于未接種菌劑的T0（CK）處理，其最高溫度僅為59.6 ℃。并且接種微生物菌劑的處理（T1～T4）堆體溫度超過55 ℃的時間分別為13、10、9、9 d，高于堆腐無害化衛(wèi)生要求的55 ℃以上需持續(xù)5～7 d的條件[16]，顯著高于未接種菌劑的T0處理。因此，玉米秸稈堆料發(fā)酵時接種微生物菌劑，可顯著促進堆體溫度提升和高溫維持時間的延長，這與李雯等[3]和孫建華等[17]的研究結(jié)果相似。

堆料pH可作為評價腐熟度的一個參考指標[18]，一般認為pH在7.5～8.5時，可獲得最大堆腐速率，但由于受接種菌劑特性、原料性質(zhì)及堆腐條件等影響，堆料pH存在一定差異。該研究發(fā)現(xiàn)，在玉米秸稈堆腐發(fā)酵前期，可能由于能被利用的能量物質(zhì)較多，微生物大量繁殖和迅速分解有機物，最終可產(chǎn)生大量的銨態(tài)氮，導致各處理堆料的pH迅速上升。隨著堆料反應進程的推進和能量物質(zhì)的消耗，除未接種菌劑的T0（CK）處理其pH始終呈持續(xù)升高的趨勢，其他接種微生物菌劑的處理（T1～T4）均呈先增大后減小的趨勢，且接種不同微生物菌劑的處理存在較大差異，這與江笑丹[19]的研究結(jié)果相似。

電導率（EC）反映了堆料浸提液中的離子濃度，一般EC值小于4 mS/cm的堆腐施入土壤就不會對植物產(chǎn)生毒害作用，所以常將EC作為衡量堆肥腐熟度的有效指標之一[20]。秸稈堆腐發(fā)酵前期主要進行礦質(zhì)化作用，有機物質(zhì)分解產(chǎn)生大量的小分子物質(zhì)，包括小分子有機酸及無機陰陽離子，如HCO3-、HSO4-、NH3+、H+等，使EC值上升。隨著堆腐發(fā)酵過程的進行，CO2和NH3揮發(fā)，小分子有機酸和陰陽離子被微生物轉(zhuǎn)化利用而合成腐殖質(zhì)類物質(zhì)，EC逐漸下降[21]。在堆腐發(fā)酵初期（0～10 d），加入微生物菌劑的處理（T1～T4）EC值均高于T0（CK）處理，表明加入的微生物菌劑對堆料的礦質(zhì)化有促進作用，這與谷潔等[22]的研究結(jié)果相類似。

E4/E6值是堆腐發(fā)酵腐殖化作用大小的重要指標，其高低直接與腐殖酸的分子大小或者分子的縮合度大小有關，通常隨著堆腐發(fā)酵固相腐殖酸相對分子質(zhì)量或縮合度增大而減小[20]。該研究發(fā)現(xiàn)，5個處理的E4/E6值隨堆腐發(fā)酵時間的延長總體均呈先增大后降低的趨勢，均在10 d時達最大值。隨著堆腐發(fā)酵進程的延長，一些大分子的腐殖酸逐漸形成，E4/E6值呈降低趨勢，加入菌劑的T1～T4處理，E4/E6值下降顯著快于T0（CK）處理，這說明加入菌劑能促進腐殖質(zhì)的縮合和芳構(gòu)化，這與劉雯雯[23]的研究結(jié)果相似。

種子發(fā)芽指數(shù) （GI） 是通過測定植物毒性來判定堆料是否腐熟的一種方法。GI 大于80% 表示對植物生長無毒性，也是堆肥腐熟和達到無害化的基本要求之一[24]。一般條件下堆肥腐熟度越高，種子發(fā)芽指數(shù)越高，發(fā)芽抑制率反而越低。該研究發(fā)現(xiàn)，是否使用微生物菌劑，種子發(fā)芽指數(shù)的變化相似，均呈先升高后逐漸趨于穩(wěn)定，但不同處理的種子發(fā)芽指數(shù)相差較大。在30 d時，T1處理的種子發(fā)芽指數(shù)最先達到無害化的基本要求，可達85.6%，對植物無毒害作用。在堆腐發(fā)酵60 d時，所有處理種子發(fā)芽指數(shù)均超過80%，其中T1和T2處理分別可達93.8%和91.9%。綜上所述，接種不同微生物菌劑對玉米秸稈堆料的GI影響較大，其中T1處理的GI較其他處理高。

4 結(jié)論

（1）接種微生物菌劑有利于促進堆體溫度的迅速升高，但不同處理對溫度的影響存在差異，T1處理的溫度最高，高于55 ℃的時間持續(xù)最長，T2處理次之。

（2）不同處理堆料pH存在差異，對照處理的pH呈逐漸增大的趨勢，而接種微生物菌劑的處理，堆料pH呈先增大后降低的趨勢。

（3）各處理EC值均在堆料10 d時達最大值，后逐漸降低。堆料60 d時，與初始值（0 d）相比，T1處理降低最多。

（4）各處理堆料E4/E6總體均呈先增大后降低的趨勢，均在10 d時達最大值，之后逐漸下降，且接種微生物菌劑的處理下降較快。

（5）不同處理GI變化規(guī)律相似，均呈先升高后逐漸趨于穩(wěn)定。在堆肥60 d時，各處理均可達無害化，其中T1和T2處理的GI均超過90%。

（6）篩選出T1處理所用菌劑（有機肥發(fā)酵劑）效果最好，T2處理所用菌劑（菌劑A）次之，2種菌劑均可應用于玉米秸稈的腐熟發(fā)酵。

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