張國(guó)言 董元杰 孫桂陽(yáng) 于 濱 徐 珂

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院/土肥高效利用國(guó)家工程研究中心，山東 泰安 271018)

自1978年改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。我國(guó)每年產(chǎn)生38億t的畜禽糞污，綜合利用率僅為60%～80%，既是一種肥料資源的浪費(fèi)，也不利于我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的綠色發(fā)展。

高溫好氧堆肥是目前處理農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的有效手段。傳統(tǒng)的自然堆肥方法存在微生物數(shù)量級(jí)低，環(huán)境適應(yīng)性差等問(wèn)題。人工添加外源微生物，可調(diào)節(jié)堆體菌群結(jié)構(gòu)、提高微生物活性，縮短腐熟周期，提升堆肥質(zhì)量，是好氧堆肥的常用措施。然而，好氧堆肥過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氣體逸出，造成碳氮元素的損失。已有研究表明僅氨揮發(fā)和二氧化碳釋放總量就占到整個(gè)畜禽糞便堆肥過(guò)程總損失量的50%～70%。畜禽糞便堆肥過(guò)程中加入外源微生物可以減少氮素?fù)p失，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，提高堆體腐熟效率。在堆肥發(fā)酵的不同時(shí)期，堆體內(nèi)微生物的優(yōu)勢(shì)種群及豐度都存在很大的差異，各菌群通過(guò)協(xié)同互作共同推進(jìn)堆體的氮素轉(zhuǎn)化及腐熟進(jìn)程。目前多數(shù)市售菌劑微生物組成大同小異，不能滿足不同原料堆肥生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥的需求。此外，有關(guān)外源微生物對(duì)有機(jī)肥發(fā)酵過(guò)程中碳氮轉(zhuǎn)化、腐熟進(jìn)程及影響機(jī)理的研究也鮮見(jiàn)報(bào)道，從而制約了高效復(fù)合菌劑的研發(fā)。

兔糞是家兔養(yǎng)殖業(yè)的主要副產(chǎn)物之一，具有養(yǎng)分豐富、重金屬含量低和酸堿度適宜等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)兔糞年產(chǎn)量可達(dá)1.4億t，但缺乏有效的利用方式，這既是一種資源的浪費(fèi)也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；香油渣是利用芝麻進(jìn)行香油生產(chǎn)后的廢棄殘?jiān)?，?jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2020年香油渣產(chǎn)量已達(dá)50萬(wàn)t以上。香油渣含有大量的粗蛋白、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是一種豐富的蛋白質(zhì)資源，但其目前主要利用途徑為畜禽飼料，在有機(jī)肥生產(chǎn)方面的應(yīng)用研究鮮有報(bào)道。前期研究發(fā)現(xiàn)，兔糞和香油渣混合發(fā)酵制備有機(jī)肥，發(fā)酵效率高、產(chǎn)品品質(zhì)好。這可能與其含有高效的土著降解菌種有關(guān)。

因此，本研究擬將前期試驗(yàn)篩選到的高效纖維素降解菌進(jìn)行優(yōu)化組合，得到自制纖維素降解復(fù)合菌劑，以兔糞和香油渣為發(fā)酵材料，與商品菌劑和自然發(fā)酵處理堆肥進(jìn)行對(duì)比，研究自制纖維素降解復(fù)合菌劑與功能菌不同配比的復(fù)合菌劑對(duì)堆肥氮素積累和堆體腐解進(jìn)程的影響，探討不同配比的復(fù)合菌劑對(duì)堆體不同發(fā)酵階段碳氮?jiǎng)討B(tài)變化的影響及微生物作用機(jī)制，以期為兔糞堆肥高效促腐和養(yǎng)分減損發(fā)酵菌劑的研發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

堆肥原料兔糞取自山東省泰安市附近養(yǎng)殖場(chǎng)，香油渣取于泰安市某小磨香油廠，木屑購(gòu)自于建材市場(chǎng)，粉碎后備用，基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

自制纖維素降解復(fù)合菌劑菌種來(lái)自兔糞與香油渣自然發(fā)酵不同時(shí)期堆體中篩選得到的優(yōu)勢(shì)高纖維素酶活菌種，本實(shí)驗(yàn)室前期研究中，將纖維素作為唯一碳源將可利用纖維素完成代謝活動(dòng)的菌株進(jìn)行富集、分離與純化，利用剛果紅染色與濾紙崩解試驗(yàn)進(jìn)行產(chǎn)纖維素酶菌株的初篩，而后通過(guò)測(cè)定各菌株羧甲基纖維素酶(CMCase)、濾紙酶(FPA)和β-葡萄糖苷酶(β-Gase)進(jìn)行酶活復(fù)篩，篩選共得到7株高酶活纖維素降解菌株，各菌株相似性比對(duì)結(jié)果如表2所示。利用拮抗試驗(yàn)確定各菌株之間無(wú)拮抗作用,將菌株隨機(jī)組合構(gòu)建復(fù)合菌系(表3)并測(cè)定酶活。酶活測(cè)定結(jié)果如表4所示，表中各組合均為試驗(yàn)測(cè)定得到相同菌株數(shù)量下的酶活最高組合。當(dāng)復(fù)合菌系中CMCase酶活為(141.89±1.41) U/mL，F(xiàn)PA酶活為(104.56±1.74) U/mL，β-Gase酶活為(131.18±1.26) U/mL，7株菌共同使用酶活最高。因此，本復(fù)合菌劑組成菌株確定為：里氏木霉、蕈狀芽胞桿菌、費(fèi)格森埃希菌、灰綠曲霉、普通變形桿菌、粘質(zhì)沙雷氏菌和谷氨酸棒桿菌，試驗(yàn)菌種均為本實(shí)驗(yàn)室保存并傳代穩(wěn)定的菌株。功能菌種為常見(jiàn)的酵母菌、固氮菌和乳酸菌，購(gòu)自南昌科暢生物科技有限公司。市售菌劑選用常見(jiàn)EM微生物菌劑，購(gòu)自普天試劑有限公司。

表1 堆肥材料理化性質(zhì)
Table 1 Physical and chemical characters of initial composting material

原料Materialw(有機(jī)碳)/%Organic carbonw(全氮)/%Total nitrogenC/Nw(含水率)/%Water contentpH兔糞Rabbit manure36.312.1616.8168.826.95香油渣Sesame oil cake62.076.928.9711.62—木屑Wood chip60.710.43141.1912.74—

表2 菌株相似性比對(duì)結(jié)果
Table 2 Comparison results of strain similarity

菌株Strain相似菌株Closest relative相似度/%SimilarityA-2Trichoderma reesei strain SP02PU (MG018728.1)99.83B-3Escherichia marmotae strain HT073016 (NR_136472.1)99.02C-2Proteus alimentorum strain 08MAS0041 (NR_163665.1)99.64C-4Aspergillus glaucus strain CBS 529.65 (MH870342.1)99.12D-1Bacillus paramycoldes strain MCCC 1A04098 (NR_157734.1)98.69D-3Corynebacterium glutamicum strain ATCC 13032 (NR_074663.1)98.46Z-1Serratia marcescens subsp. Marcescens ATCC 13880 (NR_113236.1)98.33

表3 不同組合菌株組成
Table 3 Composition of strains in different combinations

編號(hào)No.菌株組合Strains association種子液體積比Seed liquid volume ratioⅠA-2、D-11∶1ⅡA-2、B-3、D-31∶1∶1ⅢA-2、D-1、D-3、Z-11∶1∶1∶1ⅣA-2、C-2、C-4、D-1、D-31∶1∶1∶1∶1ⅤA-2、B-3、C-4、D-1、D-3、Z-11∶1∶1∶1∶1∶1ⅥA-2、B-3、C-2、C-4、D-1、D-3、Z-11∶1∶1∶1∶1∶1∶1

注：各組合均為相同菌株數(shù)量下酶活最高組合。

Note: Each combination in the figure is the highest enzyme activity combination under the same number of strains.

表4 不同菌株組合的復(fù)合菌系酶活性
Table 4 Enzyme activities of the consortia with different combinations of the strains U/mL

編號(hào)No.CMCaseFPAβ-GaseⅠ28.35±0.7923.09±2.3622.16±1.25Ⅱ47.74±0.9449.41±0.7951.49±1.12Ⅲ68.78±1.4769.82±0.6572.01±1.47Ⅳ89.48±1.3074.50±1.1082.61±1.88Ⅴ127.13±1.7281.47±0.83107.89±1.10Ⅵ141.89±1.41104.56±1.74131.18±1.26

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021-05-17 —2021-06-12在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行，發(fā)酵周期為26 d。將

m

(兔糞)∶

m

(香油渣)按1∶1(干基)混勻，每桶發(fā)酵底料加入0.834 kg木屑(干基)為輔料調(diào)節(jié)碳氮比至25∶1，并加水調(diào)節(jié)堆體含水率60%左右，pH 7.0～7.5。同時(shí)按0.5%接種量(鮮重)均勻噴灑液體菌劑(稀釋于500 mL蒸餾水中)。試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，分別為不添加菌劑處理(CK)、EM菌劑處理(EM)、(纖維素降解)自制復(fù)合菌劑處理(CR)、

V

(功能菌劑)∶

V

(自制復(fù)合菌劑)=1∶1配比處理(CAR1)、

V

(功能菌劑)∶

V

(自制復(fù)合菌劑)=1∶2配比處理(CAR2)、

V

(功能菌劑)∶

V

(自制復(fù)合菌劑)=1∶3配比處理(CAR3)，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。自制復(fù)合菌劑由7株優(yōu)勢(shì)纖維素降解菌株等體積比配制而成，各菌株體積分?jǐn)?shù)均為14.3%，有效活菌數(shù)≥2×10cfu/mL。功能菌劑為3種常見(jiàn)功能菌種(酵母菌、固氮菌和乳酸菌)等體積組合所得，各菌種活菌數(shù)≥10cfu/mL。各堆體物料與添加菌劑(控制有效活菌數(shù)均保持在2.0～2.11 10cfu/mL)混合均勻后(CK處理添加等體積的液體培養(yǎng)基)裝入容積100 L的密閉聚氯乙烯發(fā)酵桶內(nèi)，進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)發(fā)酵，采用連續(xù)硼酸-氫氧化鈉吸收法測(cè)定堆體NH和CO的揮發(fā)速率及累積量，具體裝置如圖1，發(fā)酵桶頂端及底部開(kāi)有直徑2 cm的通氣孔并連接軟管，進(jìn)氣孔與空氣壓縮機(jī)(ACO-318型)相連，使用流量計(jì)控制進(jìn)氣量保持為120 mL/min，連續(xù)通風(fēng)以保證堆體好氧發(fā)酵順利，進(jìn)氣口前放置帶膠塞的廣口瓶，分別裝入硫酸溶液和NaOH溶液以去除空氣中的水分和氨氣等氣體影響，出氣口放置裝有1升2%硼酸溶液和1 mol/L的NaOH溶液的廣口瓶，以用于測(cè)定堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的NH及CO排放量。

圖1 堆肥發(fā)酵裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of composting equipment

1.3 樣品采集及試驗(yàn)方法

分別于堆肥第0、2、6、12、20、26天取樣后翻堆，每個(gè)處理沿對(duì)角線取5個(gè)點(diǎn)采取等量的樣品，混勻后采用四分法取樣，每次采集3個(gè)重復(fù)樣品，以保證取樣的代表性。將樣品分為兩份，一份進(jìn)行風(fēng)干、研磨，另一份保存于-80 ℃冰箱待測(cè)。測(cè)定指標(biāo)及方法如下：

每天14點(diǎn)采用便攜式溫度傳感器檢測(cè)堆體溫度，隨機(jī)挑取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，取平均值作為實(shí)際溫度。含水率通過(guò)新鮮樣品105 ℃烘干至恒重進(jìn)行測(cè)定，將新鮮樣品與去離子水以1 g∶10 mL(

m

∶

V

)混合后，水平搖床振蕩1 h，靜置30 min后使用pH計(jì)(PHS-3C型)和電導(dǎo)率儀(DDS-11A型)進(jìn)行測(cè)定。全氮采用硫酸-過(guò)氧化氫消煮，凱氏全自動(dòng)定氮儀測(cè)定，堿解氮測(cè)定參照土壤堿解擴(kuò)散法。硝銨態(tài)氮采用1 mol/L的KCl浸提，全自動(dòng)連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3,德國(guó))測(cè)定。氨氣和二氧化碳采用硼酸和氫氧化鈉吸收，吸收液由標(biāo)準(zhǔn)濃度稀硫酸滴定進(jìn)行測(cè)定。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定，參照文獻(xiàn)測(cè)定樣品總腐殖酸含量。取新鮮堆肥樣品5 g與蒸餾水按固液比1∶10充分混勻，搖床振蕩2 h，過(guò)濾后取10 mL濾液3 000 r/min離心10 min，吸取5 mL上清液于平鋪濾紙的培養(yǎng)皿(直徑為90 mm)中，并放置30粒小白菜種子，同時(shí)設(shè)置蒸餾水處理為對(duì)照組，25 ℃條件下培養(yǎng)箱培養(yǎng)48 h后測(cè)定發(fā)芽率及根長(zhǎng)，每個(gè)處理3次重復(fù)，計(jì)算公式如下：

GI=(浸提液種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng))/

(蒸餾水種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng)) ×100%

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 21軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Excel 2019和Origin 2021進(jìn)行處理與繪圖，采用鄧肯(Duncan)法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(

P

<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)合菌劑對(duì)堆肥過(guò)程中溫度、pH、含水率和電導(dǎo)率的影響

不同復(fù)合菌劑堆肥過(guò)程中主要發(fā)酵參數(shù)變化見(jiàn)圖2?？梢?jiàn)：從堆肥第1天到第26天，各處理溫度均呈現(xiàn)先急劇上升后下降的趨勢(shì)。CR和CAR3升溫最快，在第3天均高于50 ℃，除CK外，各菌劑處理均在第6天到達(dá)最高溫，CR溫度最高，CAR3次之；各處理中自制復(fù)合菌劑比例越高，高溫持續(xù)期越長(zhǎng)，說(shuō)明添加自制復(fù)合菌劑可加速堆體升溫，延長(zhǎng)高溫時(shí)間。由圖2(b)可見(jiàn)：除CK的pH在初期略微下降外，各菌劑處理pH值均迅速上升，并在第6～7天達(dá)到最大值，隨后在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)，并緩慢下降直到堆肥結(jié)束。CAR3的pH峰值最大，較初始提高了19.86%，說(shuō)明其有機(jī)酸分解較快。由圖2(c)可見(jiàn)：各處理含水率均呈下降趨勢(shì)，前9天下降速率較為迅速，隨后逐漸變緩。在堆肥結(jié)束時(shí)，各菌劑處理含水率均低于30%，CR含水率最低，較初始下降了59.19%，下降速率較CK提高了13.68%，與其微生物代謝最旺盛有關(guān)。由圖2(d)可見(jiàn)：各堆體的EC值均呈先上升后下降的趨勢(shì)，添加自制復(fù)合菌劑的堆體EC值上升更為迅速，其中CR的EC值最先到達(dá)峰值。以上結(jié)果表明自制復(fù)合菌劑添加量越高，堆體發(fā)酵速度越快。

CK，不添加菌劑；EM，EM商品菌劑；CR，(纖維素降解)自制復(fù)合菌劑；CAR1，V(功能菌劑)∶V(自制復(fù)合菌劑)=1∶1；CAR2，V(功能菌劑)∶V(自制復(fù)合菌劑)=1∶2；CAR3，V(功能菌劑)∶V(自制復(fù)合菌劑)=1∶3。下同。 CK, no bacterial agent; EM, EM commercial microbial agent; CR, (cellulose degradation) self-made composite bacterial agent; CAR1, V (functional bacterial agent)∶V (self-made composite bacterial agent)=1∶1; CAR2, V (functional bacterial agent)∶V (self-made composite bacterial agent)=1∶2; CAR3, V (functional bacterial agent)∶V (self-made composite bacterial agent)=1∶3. The same below.圖2 不同復(fù)合菌劑堆肥過(guò)程中堆體理化性質(zhì)的變化Fig.2 Changes of physicochemical properties of compost with different compound bacterial agents

2.2 不同復(fù)合菌劑對(duì)堆肥過(guò)程中碳素轉(zhuǎn)化的影響

2

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2

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1

有機(jī)質(zhì)和總腐殖酸的變化堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)和總腐殖酸含量變化見(jiàn)表5?？芍焊魈幚矶洋w有機(jī)質(zhì)含量均呈下降趨勢(shì)，至堆肥結(jié)束時(shí)，各堆體有機(jī)質(zhì)降解率大小順序?yàn)镃R(36.10%)>CAR3(34.17%)>CAR2(32.63%)>CAR1(26.54%)>EM(23.34%)>CK(18.73%)。CR有機(jī)質(zhì)含量較CK顯著降低了24.49%(

P

<0.05)且降解率最高，說(shuō)明全自制復(fù)合菌處理降解高纖維材料迅速，有利于有機(jī)質(zhì)的快速礦化。CAR3有機(jī)質(zhì)降解率略低于CR，但總腐殖酸含量最高，與CR相比顯著增加了11.92%(

P

<0.05)，說(shuō)明添加適宜比例的功能菌劑更有利于腐殖酸的形成。因此，CAR3不僅促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的較快降解，而且更利于總腐殖酸的合成，腐殖化效果最優(yōu)。

表5 堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)和腐殖酸含量的變化
Table 5 Changes of organic matter and humic acid content during composting %

處理Treatment有機(jī)質(zhì)Organic matter總腐殖酸Total humic acid 0 d26 d26 dCK89.70±3.12 a72.90±1.59 a9.56±0.29 eEM87.33±0.54 a66.95±1.22 ab12.31±0.76 dCR86.14±0.36 a55.05±0.33 c13.86±0.76 bcCAR188.23±4.79 a64.81±4.66 b13.21±0.39 cdCAR285.41±3.47 a57.54±4.17 c14.75±0.24 abCAR384.57±6.46 a55.68±6.61 c15.52±0.45 a

注：同列數(shù)據(jù)不同字母表示差異顯著(<0.05)，相同字母表示差異不顯著(>0.05)。下表同。

Note: Within the same column, different letters represent significant differences (<0.05), while the same letters represent no significant differences (>0.05). The same below.

2

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2

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2

二氧化碳排放

堆肥過(guò)程中二氧化碳排放情況見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)：堆肥初期，各堆體溫度迅速升高，有機(jī)質(zhì)大量降解，CO日排放量迅速上升至最大值。除CK和EM外，CR、CAR1～3均在第4天達(dá)到峰值，CR最高，較其他處理提高3.69%～29.80%。說(shuō)明自制復(fù)合菌劑含量最高的CR好氧發(fā)酵劇烈，產(chǎn)生大量CO，CAR3次之。發(fā)酵10 d后，各處理CO排放速率迅速下降至穩(wěn)定。由圖3(b)可見(jiàn)：各處理CO累積量呈先指數(shù)性增長(zhǎng)后緩慢增加的趨勢(shì)。堆肥結(jié)束時(shí)，各堆體累積量高低順序?yàn)镃R>CAR2>CAR3>CAR1>EM>CK。CR、CAR2和CAR3較CK分別提高33.75%、22.03%和15.78%，說(shuō)明添加自制復(fù)合菌劑可促進(jìn)有機(jī)質(zhì)降解和CO排放。

圖3 堆肥過(guò)程中二氧化碳排放速率(a)和累積排放量(b)Fig.3 Emission rate (a) and cumulative emission (b) of CO2 during composting

2.3 不同復(fù)合菌劑對(duì)堆肥過(guò)程中氮素轉(zhuǎn)化的影響

2

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3

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1

全氮、有機(jī)氮及堿解氮的變化堆肥過(guò)程中全氮、有機(jī)氮及堿解氮含量變化見(jiàn)表6?？芍焊魈幚砣砍氏冉档秃笊叩淖兓厔?shì)。在堆肥第6天，堆體升溫迅速，大量有機(jī)氮被分解，堆體全氮含量迅速下降。堆肥結(jié)束時(shí)，各堆體全氮含量較初始有所提高，這是堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)降解引發(fā)的“濃縮效應(yīng)”導(dǎo)致的。CAR3含量最高，除CAR2外，CAR3全氮含量相比其他處理均達(dá)到顯著性差異(

P

<0.05)，增加了7.94%～19.81%。隨著堆肥進(jìn)程的結(jié)束，各處理有機(jī)氮含量均有所增加，增幅順序?yàn)镃AR3>CAR2>CR>CAR1>EM>CK，CAR3比初始增加了30.97%，且與其他處理之間差異顯著(

P

<0.05)，表明該處理對(duì)于減少氮素?fù)p失，促進(jìn)氮素向有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化效果最好。發(fā)酵結(jié)束時(shí)，CAR3堿解氮含量較CK顯著增加了26.55%(

P

<0.05)，而僅含有自制復(fù)合菌劑的CR只增加了17.09%，說(shuō)明功能菌劑與自制復(fù)合菌劑協(xié)同使用更有利于堆肥氮素向無(wú)機(jī)氮和小分子有機(jī)氮轉(zhuǎn)化，可提高堆肥產(chǎn)品的速效養(yǎng)分含量。

2

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3

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2

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化

堆肥過(guò)程中硝銨態(tài)氮含量變化見(jiàn)圖4。如圖4(a)可見(jiàn)：各堆體銨態(tài)氮含量呈急劇上升后快速下降的趨勢(shì)，堆肥第6天左右達(dá)到峰值，各菌劑處理銨態(tài)氮峰值較CK提高13.55%～24.60%，CAR3最高，說(shuō)明CAR3高溫期氨化作用最為強(qiáng)烈。至堆肥結(jié)束時(shí)，CK銨態(tài)氮含量最高，較其他處理增加24.50%～64.70%。由圖4(b)可見(jiàn)：各處理硝態(tài)氮含量呈先緩慢后迅速升高的趨勢(shì)。發(fā)酵初期，堆體溫度高且pH急劇上升，抑制了硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，各處理硝態(tài)氮含量幾乎保持不變。隨著高溫期的結(jié)束，具備硝化作用的微生物逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌群，各處理硝態(tài)氮含量迅速升高。堆肥結(jié)束時(shí)，各菌劑處理硝態(tài)氮含量較CK增加62.85%～101.45%，CAR1最高，表明功能菌劑與自制復(fù)合菌劑1∶1配比時(shí)，最利于硝化作用的進(jìn)行。

2

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3

氨氣揮發(fā)速率和積累量

堆肥過(guò)程中氨氣揮發(fā)情況見(jiàn)圖5。如圖5(a)所示：各處理氨氣揮發(fā)速率呈發(fā)酵初期急速上升，中期波動(dòng)下降，后期快速降低直至穩(wěn)定的趨勢(shì)。各堆體氨揮發(fā)速率均在第6～8天達(dá)到最大值，CAR1峰值最高，CR最低，兩者相差5.05%，說(shuō)明各處理氨揮發(fā)峰值差異不明顯。堆肥結(jié)束時(shí)，各處理氨揮發(fā)速率均下降至穩(wěn)定范圍內(nèi)。由圖5(b)可見(jiàn)：各處理氨揮發(fā)累積量在堆肥初期迅速升高，4～10 d內(nèi)呈線性增加，而后逐漸平穩(wěn)。堆肥結(jié)束時(shí)，CAR3累積量最小，比CK減少了10.28%，說(shuō)明功能菌劑與自制復(fù)合菌劑1∶3配比協(xié)同處理不僅能降低高溫期氨揮發(fā)峰值，還有效減少了其他時(shí)期氨氣揮發(fā)量，最利于氮素的積累。

2.4 不同復(fù)合菌劑對(duì)堆肥產(chǎn)品腐熟度的影響

堆肥結(jié)束時(shí)各堆體發(fā)酵產(chǎn)品腐熟情況見(jiàn)表7?？芍篊K的小白菜種子發(fā)芽率明顯低于其他堆體，而各菌劑處理之間無(wú)顯著性差異，說(shuō)明添加微生物菌劑可以促進(jìn)種子萌發(fā)，但效果差異不大。各堆體根長(zhǎng)表現(xiàn)為CAR3效果最好，比CK和蒸餾水處理顯著增加了56.70%和40.74%(

P

<0.05)，說(shuō)明功能菌劑與自制復(fù)合菌劑1∶3配比最有利于種子生根，可能與其腐熟程度高，微生物區(qū)系較豐富有關(guān)。各處理GI值表現(xiàn)為CAR3>CAR2>CR>CAR1>EM>CK。添加自制復(fù)合菌劑的處理GI值比CK顯著提高了39.32%～75.77%(

P

<0.05)，促生效果明顯，說(shuō)明自制復(fù)合菌劑可以有效提高堆肥產(chǎn)品腐熟程度。發(fā)酵結(jié)束時(shí)，各處理碳氮比大小為CK>EM>CAR1>CAR2>CR>CAR3，CAR3最低，較CK顯著降低了36.33%(

P

<0.05)，說(shuō)明該處理發(fā)酵過(guò)程中有機(jī)碳轉(zhuǎn)化量最大，全氮含量提升最多，最利于堆體發(fā)酵腐熟。

圖4 堆肥過(guò)程中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的變化Fig.4 Changes of ammonium and nitrate nitrogen content during composting

圖5 堆肥過(guò)程中氨氣排放速率和累積排放量Fig.5 Emission rate and cumulative emission of NH3 during composting

表7 堆肥結(jié)束時(shí)各處理種子發(fā)芽勢(shì)和碳氮比
Table 7 Germination index and / of each treatment at the end of composting

處理Treatment發(fā)芽率/%Germination percentage根長(zhǎng)/cmRoot lengthGI/%Germination indexC/N空白91.11±0.05 ab2.16±0.36 cdCK82.22±0.05 b1.94±0.13 d81.05±0.05 d10.94±0.45 aEM86.67±0.07 ab2.40±0.66 bcd105.69±0.08 c9.43±0.54 bCR87.78±0.02 ab2.84±0.26 ab126.67±0.03 b7.43±0.11 cCAR188.89±0.07 ab2.50±0.34 bc112.92±0.09 c8.90±0.65 bCAR293.33±0.03 a2.88±0.33 ab136.59±0.05 ab7.46±0.53 cCAR392.22±0.02 a3.04±0.27 a142.46±0.03 a6.96±0.81 c

3 討 論

3.1 不同配比復(fù)合菌劑對(duì)堆體發(fā)酵條件和腐熟度的影響

溫度、pH、含水率和電導(dǎo)率等發(fā)酵工藝參數(shù)是影響有機(jī)肥發(fā)酵過(guò)程的重要因素，不僅控制著堆體分解腐熟進(jìn)程，同時(shí)對(duì)堆體中碳氮元素的遷移轉(zhuǎn)化也具有重要影響。溫度是堆肥進(jìn)程中各生理生化過(guò)程順利進(jìn)行的基礎(chǔ)，是堆肥成功的決定性因素。本研究表明，添加自制復(fù)合菌劑的處理溫度峰值比CK明顯提高，到達(dá)高溫期時(shí)間大大縮短，全部達(dá)到無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)，其中自制復(fù)合菌劑含量最高的CR效果最好。Xu等研究表明，在堆肥中添加纖維素降解菌種，對(duì)于促進(jìn)堆體升溫，延長(zhǎng)高溫時(shí)間，加速堆肥腐熟具有重要作用。這與本研究結(jié)果一致。這是自制復(fù)合菌劑有利于纖維素降解，能產(chǎn)生大量能源物質(zhì)，使堆體內(nèi)微生物迅速增殖并進(jìn)行生命活動(dòng)降解有機(jī)質(zhì)，同時(shí)釋放大量熱導(dǎo)致的。pH是影響堆體礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化與氮素?fù)p失的重要因素，也對(duì)微生物活性和堆肥腐熟影響較大。有研究表明，pH在堆肥前期迅速上升，穩(wěn)定范圍內(nèi)波動(dòng)并在后期下降的現(xiàn)象是堆肥腐熟的重要標(biāo)志。本試驗(yàn)各添加自制復(fù)合菌劑處理pH變化均符合腐熟標(biāo)志。CAR3的pH峰值最高，這與該堆體微生物生命活動(dòng)劇烈，小分子酸代謝迅速有關(guān)。CK的pH始終較低，影響了微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解，是造成CK堆體高溫期滯后的主要原因，這與徐瑞蔓等的研究結(jié)果一致。含水率對(duì)微生物活性與堆體通透性具有重要影響。本研究發(fā)現(xiàn)，各添加自制復(fù)合菌劑處理含水率降幅遠(yuǎn)大于CK和EM，與其升溫迅速、微生物氧化分解作用劇烈有關(guān)。說(shuō)明自制復(fù)合菌劑對(duì)于堆體發(fā)酵腐熟有明顯的改善效果。陳威旺研究表明，添加外源菌劑可以促進(jìn)堆體微生物生命活動(dòng)，有利于堆體含水率的下降，對(duì)堆肥好氧發(fā)酵具有積極作用。這與本研究結(jié)果相符。電導(dǎo)率是代表堆體可溶性鹽含量和腐熟程度的重要指標(biāo)，其變化趨勢(shì)與有機(jī)質(zhì)降解速率密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，添加自制復(fù)合菌劑處理的EC值變化明顯優(yōu)于CK與EM，堆肥結(jié)束時(shí)，只有CK 的EC值超過(guò)4 mS/cm，對(duì)種子有毒害作用。說(shuō)明自制復(fù)合菌劑有利于堆肥腐熟，發(fā)酵前期可以加速有機(jī)質(zhì)的分解，產(chǎn)生大量可溶性鹽使EC值升高，后期則促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成，降低游離態(tài)養(yǎng)分離子含量以保持EC值適宜，利于種子萌發(fā)，這與常瑞雪等的研究結(jié)果一致。碳氮比是堆肥微生物繁殖和反映腐熟狀況的重要指標(biāo)。薛晶晶等研究表明，堆肥發(fā)酵過(guò)程中碳氮有機(jī)物分解速率的不同步導(dǎo)致碳氮比呈下降趨勢(shì)。本研究表明，堆肥結(jié)束時(shí)，全部堆體碳氮比較初始明顯下降，除CK和EM外，各添加自制復(fù)合菌劑堆體的碳氮比遠(yuǎn)低于10，可認(rèn)為腐熟良好，說(shuō)明自制復(fù)合菌劑能通過(guò)改善發(fā)酵參數(shù)，調(diào)控碳氮素分解轉(zhuǎn)化強(qiáng)度，達(dá)到降低碳氮比，促進(jìn)堆肥腐熟和減少碳氮損失的目的，這與陳雪嬌等研究結(jié)果一致。種子發(fā)芽指數(shù)是評(píng)價(jià)堆肥產(chǎn)品生物毒性和堆體腐熟狀況的生物學(xué)指標(biāo)。Zucconi等認(rèn)為GI>50%時(shí)，堆肥基本無(wú)毒性，GI>80%時(shí)，達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。本研究結(jié)果表明，添加自制復(fù)合菌劑處理的GI值較CK顯著升高，均達(dá)到110%以上，CAR3最高。這表明功能菌與自制復(fù)合菌劑1∶3配施具有更好的協(xié)同作用，可以提高堆肥中活性物質(zhì)含量，利于種子生根及根系生長(zhǎng)，促生效果最好。時(shí)小可等研究表明，堆肥中添加纖維素降解菌株可以顯著提高GI值，促進(jìn)發(fā)酵原料中有害物質(zhì)的降解，利于堆肥腐熟。這與本研究結(jié)果一致。

3.2 不同配比復(fù)合菌劑對(duì)碳素?fù)p失轉(zhuǎn)化的影響

堆肥的實(shí)質(zhì)是微生物降解轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物的生理生化過(guò)程，碳是微生物進(jìn)行生命活動(dòng)不可缺少的能量來(lái)源，也是有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化的基本元素。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著自制復(fù)合菌劑添加量的增加，各堆體有機(jī)質(zhì)降解速率迅速升高，分解更徹底，CAR3效果最優(yōu)。史龍翔和王義祥等研究表明，堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)降解，碳損失轉(zhuǎn)化受到發(fā)酵材料、溫度、含水率、微生物等多種因素共同影響，但微生物因素影響較大，接種纖維素降解菌株有利于促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的礦化分解，此結(jié)論與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

在好氧發(fā)酵過(guò)程中，微生物分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生水和CO并釋放能量。因此，CO排放量可以反映堆體降解速度及微生物代謝強(qiáng)度，但作為碳損失的主要途徑和溫室氣體的重要組分，減少CO排放十分必要。本研究發(fā)現(xiàn)，CR堆體CO日排放速率始終保持領(lǐng)先，這與它升溫最快，含水率降幅最大，堆體通透性好，因此微生物活性最高，有機(jī)質(zhì)礦化作用最強(qiáng)有關(guān)。堆肥結(jié)束時(shí)，CR的CO累積量最大，表明其對(duì)于有機(jī)質(zhì)的分解效果最好，但不利于碳素保存。堆肥前期CAR3的CO排放速率僅次于CR，后期排放速率則迅速降低，至堆肥結(jié)束時(shí)CO累積量遠(yuǎn)低于CR而總腐殖酸生成量最高。表明CAR3既可以改善發(fā)酵參數(shù)，提高堆體腐熟效率，又能通過(guò)功能菌和自制復(fù)合菌劑的協(xié)同作用促進(jìn)碳轉(zhuǎn)化保留，減少碳損失。這可能是CAR3添加適宜比例功能菌，可以提高堆肥腐殖酸縮合度、芳構(gòu)化程度及活性所致，此結(jié)果與王義祥等的研究結(jié)果相符。

3.3 不同配比復(fù)合菌劑對(duì)氮素?fù)p失轉(zhuǎn)化的影響

氮是微生物進(jìn)行代謝及生物合成的必需元素，也是堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的重要養(yǎng)分指標(biāo)。在堆肥發(fā)酵過(guò)程中，各種形態(tài)氮素的相互轉(zhuǎn)化是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，與各階段微生物組成、堆體理化性質(zhì)變化密切相關(guān)。馬麗紅等研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥過(guò)程中添加木霉及腐熟堆肥，顯著提高了堆體全氮和有機(jī)氮含量。本研究表明，在堆肥結(jié)束時(shí)，與CK和EM相比，添加自制復(fù)合菌劑的處理全氮、有機(jī)氮及堿解氮含量均有所提升。一方面由于加入自制復(fù)合菌劑改善了堆體發(fā)酵參數(shù)，有利于有機(jī)質(zhì)的降解，“濃縮效應(yīng)”導(dǎo)致氮素含量的相對(duì)增加；另一方面則是高酶活纖維素降解菌有利于纖維素的降解，產(chǎn)生大量易降解的碳源物質(zhì)-葡萄糖，從而改善了堆體易降解碳氮元素比例，提高了微生物的氨同化能力，有利于抑制氨揮發(fā)，減少氮揮發(fā)損失。這與常瑞雪、MENG等的研究結(jié)果一致。

氨同化作用是堆肥微生物利用銨態(tài)氮在谷氨酸脫氫酶作用下，與α-酮戊二酸結(jié)合生成谷氨酸，并最終轉(zhuǎn)化為生物態(tài)有機(jī)氮的過(guò)程。氨揮發(fā)是堆肥過(guò)程中氮素?fù)p失的主要途徑，也是減少氮素?fù)p失的重要突破口。本研究表明，在堆肥高溫期，各處理氨氣揮發(fā)速率均達(dá)到峰值，但隨著自制復(fù)合菌劑添加比例的增加，各處理氨揮發(fā)峰值呈降低趨勢(shì)。CR在高溫期本應(yīng)氨氣揮發(fā)最嚴(yán)重，但由于其微生物活性強(qiáng)，碳素三羧酸循環(huán)效率快，氨同化底物含量高，微生物氨同化作用強(qiáng)烈，大量銨態(tài)氮被轉(zhuǎn)化為生物態(tài)氮得以固定，因此氨揮發(fā)峰值最低，這與前人發(fā)現(xiàn)微生物可以通過(guò)氨同化作用顯著減少堆肥氨揮發(fā)量，提高氮素積累的研究結(jié)果一致。自制復(fù)合菌劑促進(jìn)氨同化作用的原因可能是含有大量的谷氨酸棒桿菌，這是一種能夠生產(chǎn)谷氨酸脫氫酶并進(jìn)一步合成谷氨酸的菌株，同時(shí)，芽孢桿菌屬微生物也是常見(jiàn)具備氨同化能力的菌種，兩者均能促進(jìn)堆體中氮素向生物態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。各堆體氨揮發(fā)累積量表明，堆肥結(jié)束時(shí)CAR3氨揮發(fā)累積量低于CR，且有機(jī)氮和堿解氮含量較CR有所提高，其原因可能是CAR3除添加自制復(fù)合菌劑外，還有酵母菌、固氮菌等功能菌株可以起到協(xié)同的作用。潘飛等研究表明，堆肥中加入纖維素降解菌和固氮菌協(xié)同處理，對(duì)于堆體氨揮發(fā)的抑制和有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化效果顯著，這與本研究結(jié)果一致。

劉玉婷研究表明，氨同化是不同微生物在堆肥發(fā)酵的早中晚期接替進(jìn)行，綜合作用的結(jié)果。CR僅含有自制復(fù)合菌劑，只有高溫期氨同化作用較強(qiáng)，降低了氨揮發(fā)峰值，當(dāng)腐熟期其他微生物區(qū)系發(fā)揮作用時(shí)，CR的氨同化作用減弱，導(dǎo)致氨揮發(fā)量升高，也可能是功能菌的缺失導(dǎo)致只有一部分谷氨酸順利轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮得以保存。而添加了功能菌劑的CAR3氨同化作用全程順利進(jìn)行，氨同化量逐漸占據(jù)上風(fēng)，最終氨揮發(fā)累積量最低，有機(jī)氮轉(zhuǎn)化量最大。CAR3銨態(tài)氮含量在高溫期達(dá)到峰值，而堆肥結(jié)束時(shí)最低，表明CAR3微生物活性強(qiáng)，前期氨化作用強(qiáng)烈產(chǎn)生大量銨態(tài)氮，隨后氨同化作用使銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的微生物有機(jī)氮得以保存，而不是通過(guò)氨揮發(fā)途徑大量損失。堆肥結(jié)束時(shí)CAR3硝態(tài)氮含量較低，也表明CAR3減少的銨態(tài)氮是通過(guò)氨同化作用部分轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)氮，而非全部通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。自制復(fù)合菌劑的添加有利于提高堆體氨同化作用，減少高溫期氨揮發(fā)量，添加適量的功能菌劑，可通過(guò)不同微生物區(qū)系的協(xié)同作用促進(jìn)堆體發(fā)酵各階段的氨同化和硝化作用，有利于氮素的固定轉(zhuǎn)化。

4 結(jié) 論

本研究以兔糞和香油渣為好氧發(fā)酵材料，研究了不同復(fù)合菌劑對(duì)堆肥過(guò)程中碳氮轉(zhuǎn)化與損失的影響。主要結(jié)果如下：

1)本試驗(yàn)條件下，各處理中自制復(fù)合菌劑添加量越大，高溫峰值更高、高溫期持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，含水率降幅增大，有機(jī)質(zhì)降解速率加快，主要發(fā)酵參數(shù)得到明顯優(yōu)化，發(fā)酵更迅速，腐熟更徹底。

2)

V

(功能菌劑)∶

V

(自制復(fù)合菌劑)=1∶3配比添加的CAR3堆體碳氮比下降迅速，GI值顯著提高，CO排放量較CR降低13.43%，總腐殖酸含量顯著增加11.92%，NH揮發(fā)量比CK減少10.28%，有機(jī)氮含量顯著提升19.74%，堆體腐殖化與氨同化作用強(qiáng)烈，有利于提高堆體發(fā)酵效率與養(yǎng)分固持能力，其促進(jìn)堆肥腐熟和減少碳氮損失的效果最優(yōu)。