鞏光祿，趙鐸，郭鵬博，張方政，張洪奇，申貴男，晏磊，邱財生，邱化蛟，王偉東

（1.黑龍江省寒區(qū)環(huán)境微生物與農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用重點(diǎn)實(shí)驗室/黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，大慶 163319；2.糧食副產(chǎn)物加工與利用教育部工程研究中心；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所；4.江蘇進(jìn)化樹生物科技有限公司）

據(jù)統(tǒng)計，我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量近10億t，其玉米秸稈年產(chǎn)量超過2.73億t，在秸稈廢棄物中占比最高[1]。大量的玉米秸稈被隨意堆置和焚燒，不僅造成環(huán)境污染，同時也是對秸稈這種可再生資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[2-3]。餐廚垃圾是城市有機(jī)垃圾的重要組成部分，餐廚垃圾含水率高，有機(jī)物和蛋白質(zhì)含量豐富，同時含有大量油脂物質(zhì)[4]。對于餐廚垃圾的處理，傳統(tǒng)方式主要為焚燒和填埋，焚燒時不僅會產(chǎn)生大量有毒有害氣體，而且焚燒效率低；而填埋處理污染地下水源，同時填埋處理轉(zhuǎn)化周期長，占用土地資源[5]。因此，尋找綠色、高效的方法處理秸稈和餐廚垃圾迫在眉睫。

研究發(fā)現(xiàn)，好氧堆肥是處理有機(jī)廢棄物的有效方式[6]。經(jīng)過高溫發(fā)酵以及微生物的分解利用，可將堆肥原料轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料，該技術(shù)綠色無污染，技術(shù)成熟，而且成本低，轉(zhuǎn)化率高[7]。秸稈中木質(zhì)纖維素等有機(jī)質(zhì)含量豐富、透氣性好、C/N高[8]，而餐廚垃圾含水率高、蛋白質(zhì)含量豐富、C/N低[9]，由于二者單獨(dú)堆肥時效率低，且難以充分發(fā)酵腐熟；然而研究表明將二者混合后含水率、C/N和透氣性等適宜好氧堆肥，可以顯著提升物料的腐熟效果[10]。

在好氧堆肥過程中微生物種類豐富，對堆肥物料中有機(jī)物的分解利用具有重要作用，研究表明微生物菌劑添加可以促進(jìn)堆肥物料的發(fā)酵和腐熟[11]。Zhou等[12]研究人員發(fā)現(xiàn)，在堆肥過程中添加復(fù)合菌系，促進(jìn)氨氧化細(xì)菌的生長，減少氨氣排放量，有效解決堆肥中的氣味問題。經(jīng)過微生物強(qiáng)化可以提高堆肥過程中堆體溫度，促進(jìn)物料中木質(zhì)纖維素的降解，提高腐熟效果[13-14]。在豬糞堆肥體系中添加微生物菌劑后，可以顯著提高細(xì)胞酶、多酚氧化酶等酶活性[15]。通過添加微生物復(fù)合菌劑，可以有效降低堆肥體系中的多氧環(huán)素等抗生素類物質(zhì)[16]。然而，在微生物菌劑強(qiáng)化堆肥的研究中，通過添加微生物復(fù)合菌劑來促進(jìn)玉米秸稈和餐廚垃圾混合好氧堆肥的研究鮮有報道。

研究將玉米秸稈和餐廚垃圾混合處理進(jìn)行好氧堆肥，在堆肥初期接種微生物菌劑，探究微生物強(qiáng)化對玉米秸稈和餐廚垃圾混合堆肥的影響，為玉米秸稈和餐廚垃圾的資源化利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

玉米秸稈（以下簡稱秸稈）選自黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗基地，自然風(fēng)干后粉碎至1~2 cm；餐廚垃圾（以下簡稱垃圾）來自于黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食堂，挑出塑料制品、一次性筷子等雜物和難以粉碎的物質(zhì)后，將其粉碎、混合均勻；微生物菌劑來自于黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)寒區(qū)環(huán)境微生物與農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用重點(diǎn)實(shí)驗室。試驗材料基本性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗材料基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of test materials

1.2 試驗設(shè)計

將秸稈和垃圾按照質(zhì)量比1∶1充分混合均勻，將含水率調(diào)節(jié)至65%，添加尿素調(diào)節(jié)C/N。隨后分別置于規(guī)格為80 cm×80 cm×80 cm的發(fā)酵箱中。試驗組（AD）按照5%的接種量添加微生物菌劑并充分混勻；對照組（CK）添加5%滅菌后的微生物菌劑培養(yǎng)液。堆肥周期為35 d，分別于0、3、7、14、21、28、35 d進(jìn)行翻堆，將物料混合均勻后進(jìn)行取樣，每次取樣200 g（上中下三層取樣，每層前后左右中五點(diǎn)），共取樣7次。

1.3 測定指標(biāo)及其方法

在堆肥期間，固定每日14:00時，利用水銀溫度計測定堆肥體系和環(huán)境溫度；取室內(nèi)風(fēng)干樣品粉碎過篩，利用pH酸度計測定[17]；有機(jī)質(zhì)測定利用馬弗爐進(jìn)行，具體步驟參照文獻(xiàn)[4]；全氮、磷、鉀含量的測定按照國標(biāo)法進(jìn)行[17]；將樣品與去離子水按照1∶10混勻，震蕩2 h，離心后浸提上清液，用于測定種子發(fā)芽指數(shù)[17]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Origin 8.0軟件進(jìn)行試驗原始數(shù)據(jù)的整理、圖表制作；利用IBM SPSS Statistics 20軟件進(jìn)行單因素方差分析（P＜0.05）。試驗圖表數(shù)據(jù)均測定3次，取3次重復(fù)平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中溫度變化

玉米秸稈與餐廚垃圾混合堆肥過程中溫度變化如圖1所示，試驗組和對照組的溫度變化均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。試驗組在堆肥第1天溫度到達(dá)50℃，進(jìn)入高溫期（大于50℃），隨后繼續(xù)升溫，第5天溫度升至最高溫度68.1℃，高溫期共16 d，于第17天堆體溫度低于50℃，進(jìn)入降溫期，隨后逐漸降至室溫。對照組于第2天進(jìn)入高溫期，最高溫度為61.3℃，第13天溫度低于50℃，該處理高溫期共持續(xù)11 d。與對照組相比，試驗組升溫更快，堆體最高溫度更高，高溫期持續(xù)時間更長。

圖1 堆肥過程中溫度的變化Fig.1 Changes of temperature during composting

2.2 堆肥過程中pH變化

在堆肥過程中pH整體變化為先降低，后升高，最后趨于穩(wěn)定。試驗組于第7天時pH值降至6.51，對照組第7天時pH值降低至6.69，堆肥末期試驗組和對照組pH值分別升高至7.51和7.36。在第7天和第14天，對照組的pH顯著高于試驗組（P<0.05），而在第21、28和35天，試驗組的pH顯著高于對照組（P<0.05）。由此可見，添加復(fù)合菌劑的試驗組pH值的變化波動更大。

圖2 堆肥過程中pH的變化Fig.2 Changes of pH during composting

2.3 堆肥過程中有機(jī)質(zhì)變化

在堆肥過程中，有機(jī)質(zhì)含量的變化反映了堆體中纖維素、半纖維素等有機(jī)質(zhì)的降解程度。如圖3所示，在兩組處理中，有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，試驗組由初始的有機(jī)質(zhì)含量65.22%，降低至堆肥末期44.71%，有機(jī)質(zhì)含量共降低20.51%，其有機(jī)質(zhì)含量變化顯著高于對照組的15.34%（P<0.05）。表明在添加微生物菌劑后，促進(jìn)了試驗組有機(jī)質(zhì)的降解。

圖3 堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量的變化Fig.3 Changes of organic matter content during composting

2.4 堆肥過程中總氮變化

在玉米秸稈與餐廚垃圾混合堆肥的過程中，堆體中總氮含量呈逐漸增加的趨勢（圖4）。試驗組與對照組經(jīng)對比可以發(fā)現(xiàn)，在初期總氮含量變化不明顯，從第7 d開始，兩組處理差異逐漸顯著，堆肥末期時，與初始總氮含量相比，試驗組總氮含量提升36.67%，顯著高于對照組提升的30.83%（P<0.05）。

圖4 堆肥過程中總氮含量的變化Fig.4 Changes of total nitrogen content during composting

2.5 堆肥過程中總磷變化

堆肥過程中堆體中總磷含量隨時間的變化而逐漸增加（圖5）。試驗組總磷含量初始為0.48%，堆肥末期變化至0.73%，與初始含量相比總磷含量提升52.08%，顯著高于對照組提升的39.58%（P<0.05）。

圖5 堆肥過程中總磷含量的變化Fig.5 Changes of total phosphorus content during composting

2.6 堆肥過程中總鉀變化

隨著堆肥時間的增加，堆肥體系中總鉀的含量也在隨之升高，并于堆肥末期趨于穩(wěn)定，其中試驗組和對照組分別升高至2.02%和1.84%，試驗組總鉀含量提升50.75%，顯著高于對照組提升的37.31%（P<0.05）（圖6）。

圖6 堆肥過程中總鉀含量的變化Fig.6 Changes of total potassium content during composting

2.7 堆肥過程中碳氮比的變化

堆肥過程中C/N的變化呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，C/N低于20時，表明堆肥物料達(dá)到充分腐熟[27]。在試驗中，初始的C/N為28.93，堆肥結(jié)束時試驗組C/N降低至17.68，對照組的C/N降低至19.31，試驗組的C/N顯著低于對照組（P＜0.05）。同時兩組處理C/N均小于20，表明兩組堆肥物料均已經(jīng)達(dá)到較好的腐熟效果，而且試驗組腐熟更充分（圖7）。

圖7 堆肥過程中碳氮比的變化Fig.7 Change of C/N ratio during composting

2.8 堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)變化

種子發(fā)芽指數(shù)可以反映在堆肥過程中物料的腐熟程度。如圖8所示，在堆肥初期，玉米秸稈和餐廚垃圾腐熟不充分，種子發(fā)芽指數(shù)低，隨著堆肥的進(jìn)行，高溫發(fā)酵殺死堆肥體系中的病蟲和有害細(xì)菌，種子發(fā)芽指數(shù)逐漸升高，堆肥末期，試驗組和對照組的種子發(fā)芽指數(shù)分別升高至90.77%和80.93%，均已達(dá)到無害化要求（70%）。試驗組的種子發(fā)芽指數(shù)顯著高于對照組（P＜0.05），同時，添加菌劑的試驗組于第15天達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，與對照組的第21天相比提前6 d完成腐熟，表明添加菌劑后物料腐熟更充分，堆肥期間更早達(dá)到無害化要求。

圖8 堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化Fig.8 Changes of seed germination index during composting

3 討論

堆肥期間溫度和pH的變化可以反應(yīng)出堆肥體系的腐熟情況[18]。Sun等[19]研究人員證明微生物菌落對堆肥的溫度產(chǎn)生積極影響。研究發(fā)現(xiàn)，添加菌劑的試驗組與對照組相比，不僅提前到達(dá)高溫期，而且可以顯著延長高溫期的持續(xù)時間，從而更有效地殺死堆肥體系中的病原微生物。張曉旭等[20]進(jìn)行秸稈和餐廚垃圾混合堆肥，通過與其對比可以發(fā)現(xiàn)，添加菌劑后更有利于玉米秸稈和餐廚垃圾混合堆肥期間溫度的提升和高溫的維持。試驗組和對照組的pH值整體變化趨勢相同，pH值呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。堆肥初期堆體中原料物質(zhì)分解，生成大量的小分子酸性物質(zhì)，從而導(dǎo)致堆體pH值下降；高溫期過后，隨著堆體溫度的下降，微生物大量生長繁殖，酸性物質(zhì)消耗殆盡，有機(jī)氮源被代謝分解為氨，隨后轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，由于NH4+的積累和CO2的揮發(fā)，導(dǎo)致堆肥體系pH值不斷升高，直至后期銨態(tài)氮含量不變，pH值趨于穩(wěn)定[21]。本試驗兩組處理其pH值均在6~8的范圍內(nèi)，在堆肥期間適宜微生物活動，堆肥效率高，接種微生物復(fù)合菌劑后，試驗組與對照組相比pH值整體變化幅度大，微生物活動更劇烈。

堆肥的實(shí)質(zhì)就是物料中有機(jī)物質(zhì)不斷被微生物分解利用的過程，而有機(jī)質(zhì)含量的變化可以反應(yīng)出堆肥過程中物料的降解情況[22]。經(jīng)過腐熟發(fā)酵，試驗組與對照組有機(jī)質(zhì)含量均逐漸降低，而且試驗組最終有機(jī)質(zhì)含量降低更為顯著。有學(xué)者研究認(rèn)為，有機(jī)質(zhì)含量降低的主要原因是試驗組高溫期溫度較高，且持續(xù)時間長，在此期間有利于物料快速分解，從而使試驗組有機(jī)質(zhì)含量變化顯著[23]。王曉君等[24]進(jìn)行米糠與餐廚垃圾混合堆肥時發(fā)現(xiàn)，由于原料性質(zhì)影響，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量變化不顯著。將秸稈和餐廚垃圾混合后更適宜好氧堆肥，可以顯著降低原料中有機(jī)質(zhì)含量，并且接種微生物菌劑后有機(jī)質(zhì)含量降低更為顯著。

氮、磷、鉀是植物生長的三大營養(yǎng)元素，同時也是衡量肥料養(yǎng)分的重要指標(biāo)。通過堆肥處理，可以增加物料中的總養(yǎng)分含量[25]。總氮、總磷和總鉀含量經(jīng)過高溫發(fā)酵，其含量均逐漸增加，主要原因是堆體產(chǎn)生“濃縮效應(yīng)”，堆體中有機(jī)物礦化分解生成N2和N2O等造成元素?fù)p失，而在微生物的作用下碳水化合物進(jìn)行分解，同時水分蒸發(fā)，堆體干物質(zhì)減少，當(dāng)干物質(zhì)的減少幅度大于元素?fù)p失的幅度時就造成了氮、磷、鉀的相對含量升高。李昌寧等[26]研究添加微生物菌劑對豬糞與秸稈混合堆肥的影響時發(fā)現(xiàn)，堆肥末期全氮和全鉀含量雖有所升高，但與CK相比添加菌劑的試驗組并未顯著提升全氮和全鉀的含量。而研究結(jié)果表明，與對照組相比，添加菌劑的試驗組中總氮、總磷和總鉀的含量均顯著提升，這表明添加微生物復(fù)合菌劑能顯著影響玉米秸稈和餐廚垃圾的堆肥效果，接種微生物菌劑促進(jìn)纖維素的降解，可將其分解為營養(yǎng)物質(zhì)，使物料腐熟更加充分，從而提高有機(jī)肥中養(yǎng)分含量，提高肥料品質(zhì)。

C/N是判斷好氧堆肥物料腐熟程度的重要指標(biāo)之一。研究表明，當(dāng)C/N降低至20左右，就可以判斷該堆肥物料基本上腐熟完成[27]。對照組與試驗組C/N均呈現(xiàn)下降趨勢，且最終均達(dá)到要求，表明秸稈和餐廚垃圾適合混合堆肥。C/N降低的主要原因可能有兩種：一方面是由于堆肥期間微生物繁衍生長，消耗物料中的氮元素，同時由于物質(zhì)分解導(dǎo)致堆體質(zhì)量下降，當(dāng)物料中氮元素的消耗速率小于堆體質(zhì)量的下降速率時，使得氮元素的相對含量升高；另一方面由于物料有機(jī)物質(zhì)降解，有機(jī)碳含量不斷降低，兩方面共同影響，導(dǎo)致C/N降低[25]。研究在堆肥末期，試驗組C/N更低，表明該處理物料分解充分，證明微生物菌劑對于C/N的降低具有促進(jìn)作用。

有機(jī)肥料毒性物質(zhì)和腐熟度主要通過種子發(fā)芽指數(shù)來衡量[21]。未經(jīng)充分腐熟的有機(jī)物料含有毒害物質(zhì)，會抑制種子的萌發(fā)和生長，此時種子發(fā)芽指數(shù)低，而充分腐熟后，可以有效降低含有的毒性物質(zhì)，促進(jìn)種子萌發(fā)，發(fā)芽指數(shù)高，種子發(fā)芽指數(shù)大于70%即可認(rèn)為達(dá)到腐熟要求[28]。有研究表明，與單一物料堆肥相比較，不同物料混合后堆肥可以有效調(diào)節(jié)C/N和透氣性，延長高溫期、提升物料腐熟效果。Lin等[31]發(fā)現(xiàn)食物垃圾和木屑混合堆肥能夠促進(jìn)堆肥腐熟進(jìn)程，在提升堆肥品質(zhì)的同時，也減少了溫室氣體的排放，Qin等[32]發(fā)現(xiàn)，污泥和餐廚垃圾混合堆肥對于氮素的固定有促進(jìn)作用。而在試驗研究中，玉米秸稈和餐廚垃圾混合后堆肥，兩種處理經(jīng)過好氧堆肥后均達(dá)到無害化要求，這表明二者混合堆肥具有可行性，同時試驗組具有更高的種子發(fā)芽指數(shù)，表明添加微生物菌劑可以促進(jìn)玉米秸稈和餐廚垃圾混合物的腐熟，有效降低物料中所含有的生物毒性物質(zhì)。鄒德勛等[29]進(jìn)行餐廚垃圾與秸稈混合好氧堆肥研究發(fā)現(xiàn)，堆肥結(jié)束時種子發(fā)芽指數(shù)僅為39.8%，腐熟效果不佳，與本研究相比較，在玉米秸稈和餐廚垃圾混合堆肥過程中接種微生物復(fù)合菌劑，可以促進(jìn)物料的發(fā)酵腐熟，同時顯著提高堆肥物料的種子發(fā)芽指數(shù)。張秧等[30]研究同樣證明微生物菌劑的添加可以提高堆肥物料的腐熟度。

4 結(jié)論

研究證明，玉米秸稈和餐廚垃圾混合好氧堆肥具有可行性；接種微生物菌劑WSC-6可以促進(jìn)玉米秸稈和餐廚垃圾混合好氧堆肥的腐熟發(fā)酵。為玉米秸稈和餐廚垃圾的資源化利用提供方向，同時為研究微生物菌劑對好氧堆肥的影響提供理論參考。