吳玉德邢思文張旭關(guān)法春吳恒梅翟登攀李春豐許龍李修平鄒玉

(1.佳木斯大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130033)

我國(guó)東北等高寒地區(qū)冰期較長(zhǎng)，很大程度上制約了堆肥的啟動(dòng)發(fā)酵。市售的微生物發(fā)酵菌劑一般在15℃以上才能發(fā)揮功效，極大地限制了微生物菌劑在寒區(qū)的推廣應(yīng)用[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)低溫微生物菌劑的研究已經(jīng)取得一定突破，研究表明，雞糞低溫發(fā)酵可在2～3d啟動(dòng)，利用凍土低溫纖維素分解菌進(jìn)行堆肥試驗(yàn)的降解率達(dá)49.1%[2-4]。

接種外源的復(fù)合低溫微生物菌劑能夠針對(duì)性地添加特定微生物，從而加快降解速度，降低堆肥啟動(dòng)溫度，縮短發(fā)酵周期，在低溫環(huán)境下堆肥可以順利完成腐解進(jìn)而達(dá)到無(wú)害化，因此應(yīng)用耐低溫復(fù)合生物菌來(lái)解決高寒地區(qū)低溫下堆肥啟動(dòng)和腐解困難問(wèn)題，是較為有效的技術(shù)途徑[5]。進(jìn)一步加強(qiáng)了東北地區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄資源的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，有效緩解了資源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題[6]。本研究針對(duì)東北寒區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥難以起溫及結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以降解的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討，以青藏高原極端低溫環(huán)境下微生物為主的復(fù)合低溫微生物菌劑作為低溫環(huán)境堆肥的菌種來(lái)源，對(duì)低溫菌劑應(yīng)用效果進(jìn)一步研究。

1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所使用的供試材料為玉米秸稈和豬糞。由長(zhǎng)春附近農(nóng)戶提供，秸稈采集后去除灰塵雜物，切成小段備用。耐低溫微生物菌劑由吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)村能源與生態(tài)研究所提供(其中芽孢桿菌數(shù)≥6億cfu·g-1，酵母菌≥2億cfu·g-1)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 堆肥試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分為純秸稈(MS)與秸稈加豬糞(SWM加MS)2個(gè)處理，試驗(yàn)所用菌劑和原料用量及配比如表1所示，將發(fā)酵菌、料以及發(fā)酵底料(包括稻糠、尿素、紅糖以及石灰)加水混合持續(xù)攪拌至均勻，含水量保持在約60%，裝入泡沫箱中覆蓋塑料薄膜進(jìn)行發(fā)酵。整個(gè)堆肥試驗(yàn)采用人工翻堆的方式進(jìn)行降溫。采用5點(diǎn)取樣法混合均勻，采集的樣品分為2份，1份保存于4℃冰箱，另1份風(fēng)干、粉碎備用。

表1 發(fā)酵菌料配比

2.2 堆肥理化指標(biāo)的測(cè)定

2.2.1 溫度

測(cè)定堆體內(nèi)部溫度時(shí)，在每個(gè)堆體表層以下3個(gè)不同位置插入溫度計(jì)，同時(shí)記錄室內(nèi)環(huán)境溫度，統(tǒng)計(jì)時(shí)取3點(diǎn)溫度數(shù)值的平均數(shù)作為當(dāng)天堆體溫度。

2.2.2 含水率的測(cè)定

稱取新鮮堆肥樣品，重量記為W1，轉(zhuǎn)移鋪平至冷凍干燥機(jī)內(nèi)進(jìn)行干燥，烘干至恒重后取出平衡30min后稱量，記錄質(zhì)量為W2，每個(gè)樣品設(shè)3個(gè)重復(fù)。

2.2.3 pH和電導(dǎo)率

稱堆肥樣品按樣品∶蒸餾水=1∶10(m/V)進(jìn)行浸提，水平搖床振蕩2h，離心8min，進(jìn)行過(guò)濾，靜置后用酸堿度測(cè)量?jī)x和臺(tái)式電導(dǎo)率儀分別測(cè)定電導(dǎo)率和pH值，每個(gè)樣品設(shè)3個(gè)重復(fù)。

2.2.4 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮

稱取堆肥樣品加KCl溶液浸提，于水平搖床上震蕩1h，在9000rpm的轉(zhuǎn)速下離心8min，再用微孔濾膜過(guò)濾，靜置后取濾液加去離子水稀釋定容，用全自動(dòng)化學(xué)分析儀測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，每個(gè)樣品設(shè)3個(gè)重復(fù)。

2.2.5 全磷

稱取堆肥樣品置于開(kāi)氏燒瓶底部，加濃H2SO4和高氯酸，置于通風(fēng)櫥中冷消解12h，第2天用電熱板升溫消煮至澄清，冷卻后定容、過(guò)濾，取濾液加去離子水稀釋定容，用全自動(dòng)化學(xué)分析儀測(cè)定，每個(gè)樣品設(shè)3個(gè)重復(fù)。

2.2.6 全氮

稱取堆肥樣品，利用硫酸-過(guò)氧化氫消化法進(jìn)行消煮至澄清，稀釋定容后過(guò)濾，取濾液加去離子水稀釋定容，用全自動(dòng)化學(xué)分析儀測(cè)定，每個(gè)樣品設(shè)3個(gè)重復(fù)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007計(jì)算數(shù)據(jù)，采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同處理堆肥過(guò)程中溫度的變化規(guī)律

堆體溫度是評(píng)價(jià)堆肥無(wú)害化的重要指標(biāo)之一，隨著時(shí)間的增加，堆體產(chǎn)生大量微生物，由于微生物的新陳代謝，致使堆肥處理堆體在開(kāi)始階段溫度迅速升高。如圖1所示，MS、SWM加MS處理組均能夠迅速起溫，進(jìn)入高溫期，并能夠保持較長(zhǎng)時(shí)間。MS、SWM加MS處理的堆體溫度最高分別是66.5℃、64.5℃，隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)，各處理組堆體溫度呈現(xiàn)先升高后下降，最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，2組處理間差異顯著(P<0.05)，SWM加MS處理的高溫保持時(shí)間較MS處理更長(zhǎng)，這種差異可能是由于豬糞的加入，對(duì)C/N等產(chǎn)生了一定的影響，有利于保持堆肥積溫和加快秸稈分解，環(huán)境溫度在整個(gè)堆肥過(guò)程中變化范圍在-15～15℃。

圖1 不同處理組堆肥溫度變化

溫度是體現(xiàn)堆肥系統(tǒng)微生物活動(dòng)情況的重要標(biāo)志，直接影響堆體內(nèi)微生物活性，堆體溫度的高低決定堆肥進(jìn)程的快慢和堆肥產(chǎn)品的優(yōu)劣。根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)定，堆肥溫度在50～55℃以上維持5～7d才能達(dá)到要求[7]。

3.2 不同處理堆肥過(guò)程中含水率的變化規(guī)律

在堆肥過(guò)程中，水分的作用是溶解有機(jī)物參與微生物的代謝活動(dòng)，同時(shí)水分蒸發(fā)還可調(diào)節(jié)堆體溫度。如圖2所示，MS、SWM加MS處理組含水率下降緩慢且變化趨勢(shì)相似，整體變化均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，升高的主要原因是微生物利用氧氣將有機(jī)物分解，產(chǎn)生大量水分，堆肥結(jié)束時(shí)，MS、SWM加MS的含水率降至34.1%、28.3%。SWM加MS處理的堆肥含水率在中后期始終低于MS處理，且MS的最終堆肥含水率略高于我國(guó)有機(jī)肥生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T 525-2021)中對(duì)于腐熟樣品含水率≤30%的要求，兩處理間含水率變化的差異可能與堆肥處理的高溫維持時(shí)間、糞便的添加量以及通氣量等因素有關(guān)。

圖2 不同處理組堆肥含水率變化

水分對(duì)于堆肥過(guò)程是十分重要的因素，其含量大小直接影響堆肥發(fā)酵的速度和品質(zhì)，是堆肥成敗的關(guān)鍵[8]。含水率過(guò)低會(huì)使得微生物無(wú)法正常正常代謝，反之則會(huì)導(dǎo)致厭氧發(fā)酵[9]。

3.3 不同處理堆肥過(guò)程中電導(dǎo)率和pH的變化規(guī)律

堆肥中的無(wú)機(jī)鹽和可溶性有機(jī)酸鹽可能會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生毒害，而電導(dǎo)率能夠反映試驗(yàn)樣品中可溶性鹽的含量。如圖3所示，各試驗(yàn)組電導(dǎo)率在堆肥過(guò)程中整體基本呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)。主要原因是堆肥過(guò)程中微生物降解有機(jī)物，分別生成小分子有機(jī)酸、無(wú)機(jī)離子。堆肥開(kāi)始時(shí)，SWM加MS處理比MS處理高0.11mS·cm-1，堆肥結(jié)束時(shí)，SWM加MS處理的EC比MS處理低0.23mS·cm-1，整個(gè)堆肥過(guò)程中，SWM加MS的變化幅度較MS小，處理間差異不顯著，產(chǎn)生這種差異的原因可能是SWM加MS堆肥系統(tǒng)中復(fù)雜有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的化合物如礦物離子作用較弱，各處理產(chǎn)品均符合Gareia給出堆肥電導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)(<4mS·cm-1)。

圖3 不同處理組堆肥電導(dǎo)率變化

堆肥可以在pH為3～11的廣泛范圍內(nèi)進(jìn)行。由圖4可知，隨著堆肥進(jìn)程的推進(jìn)，各處理的pH值均呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，其原因是堆肥初期微生物活動(dòng)劇烈，有機(jī)氮大量礦化分解轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，并結(jié)合水蒸氣以氨氣的形式揮發(fā)，從而引起堆體pH上升，當(dāng)堆體進(jìn)入高溫期后，微生物活動(dòng)減弱，銨態(tài)氮和有機(jī)氮含量逐漸降低，部分有機(jī)物產(chǎn)生有機(jī)酸，共同導(dǎo)致堆體pH有所下降。堆肥結(jié)束時(shí)，SWM加MS的pH較MS高0.15，處理間差異不顯著(P>0.05)，可能是豬糞的加入使得堆肥的腐殖化程度相對(duì)較好，影響氮素的含量變化，堆肥結(jié)束時(shí)堆體均達(dá)到微堿性環(huán)境，符合有機(jī)肥安全生產(chǎn)以及施用的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 不同處理組堆肥pH變化

pH值可對(duì)微生物的代謝活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和限制，堆肥原料和環(huán)境條件都可影響其變化情況[10]。常規(guī)情況下，微生物最適生長(zhǎng)pH值為中性或弱堿性，酸堿程度過(guò)高均會(huì)影響堆肥的效率和品質(zhì)[11]。

3.4 不同處理堆肥過(guò)程中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化規(guī)律

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化也能夠?yàn)槎逊矢焯峁┲匾囊罁?jù)。由圖5可知，MS處理的堆肥過(guò)程整體變化幅度最大，0～10d銨態(tài)氮的變化較為緩慢，10～15d迅速升高，而15～60d整體呈先降后升再降再升的變化趨勢(shì)；SWM加MS處理的銨態(tài)氮前18d是先增后降再上升的變化趨勢(shì)，第18天達(dá)到最大值1.0938g·kg-1，隨后經(jīng)過(guò)小幅度下降升高后逐漸下降，最終為0.3280g·kg-1。堆肥中后期SWM加MS處理銨態(tài)氮始終低于MS處理，堆肥結(jié)束時(shí)SWM加MS處理銨態(tài)氮較MS低1.2884g·kg-1，這是由于豬糞的加入使得堆肥物料的腐殖化程度變高，游離氮減少。

圖5 不同處理組堆肥銨態(tài)氮變化

隨著堆肥進(jìn)行，溫度緩慢降低，硝化細(xì)菌快速生長(zhǎng)繁殖，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。由圖6可知，各處理組硝態(tài)氮含量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但上升幅度存在較大差異。堆肥結(jié)束時(shí)，SWM加MS處理的硝態(tài)氮含量比MS高0.744g·kg-1，堆體硝態(tài)氮含量的變化主要由硝化細(xì)菌的硝化作用決定，堆肥過(guò)程中硝態(tài)氮含量上升幅度越大，堆肥后氮素含量越高。

圖6 不同處理組堆肥硝態(tài)氮變化

相關(guān)研究顯示，堆肥過(guò)程的后期硝態(tài)氮濃度總是高于銨態(tài)氮的濃度，這與本文的研究結(jié)果相似。MS和SWM加MS處理間的差異可能是由于豬糞的加入，使得堆肥腐殖化程度變高，減少了游離氮的存在。該類參數(shù)通常作為判別堆肥腐熟與否的一項(xiàng)參考指標(biāo)，不能作為堆肥腐熟判別的絕對(duì)指標(biāo)。

3.5 不同處理堆肥過(guò)程中全氮的變化規(guī)律

氮素在堆肥過(guò)程中的變化較為復(fù)雜，受多種因素的制約。不同處理堆肥全氮(Total nitrogen，TN)變化如圖7所示，MS處理中全氮在堆肥過(guò)程中有所波動(dòng)，但根據(jù)對(duì)堆肥前后堆肥樣品中全氮含量變化的比較，整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；SWM加MS的全氮含量總體呈先下降后上升的趨勢(shì)，與以往研究結(jié)果相似，其最終整體是呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，盡管堆肥過(guò)程中有氨的損失，但是由于有機(jī)物質(zhì)的不斷分解，堆肥的質(zhì)量、體積的下降，全氮因?yàn)闈饪s而濃度相對(duì)增加，同時(shí)也可能是與堆肥原料以及堆肥后期固氮菌的作用有關(guān)。堆肥整體過(guò)程SWM加MS的全氮高于MS處理的全氮含量，這主要是因?yàn)樨i糞的加入使得堆體內(nèi)氮素以更穩(wěn)定的形式存在。

圖7 不同處理組堆肥全氮變化

3.6 不同處理堆肥過(guò)程中總有機(jī)碳的變化規(guī)律

堆體中總有機(jī)碳(Total Organic Carbon，TOC)是微生物長(zhǎng)活動(dòng)的主要能量來(lái)源。由圖8可知，整個(gè)堆儲(chǔ)期間內(nèi)各處理組含量均呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，其中SWM加MS處理組較MS下降速度快，堆肥結(jié)束時(shí)，SWM加MS處理組較MS處理低51.64g·kg-1，這主要是由于加糞的SWM加MS組堆體高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，更加快了有機(jī)質(zhì)分解速率。

圖8 不同處理組堆肥總有機(jī)碳變化

3.7 不同處理堆肥過(guò)程中C/N的變化規(guī)律

由于本次堆肥試驗(yàn)主要針對(duì)處理農(nóng)田秸稈為主，各處理堆肥初始C/N相對(duì)也較高。由圖9可知，在MS和SWM加MS堆肥過(guò)程中，堆肥物料的C/N總體均呈下降趨勢(shì)，分別由堆肥初始的34、32逐漸開(kāi)始下降至22、9.5，其中SWM加MS的下降趨勢(shì)更為明顯，且最終堆肥結(jié)束時(shí)，SWM加MS比MS低12.5，SWM加MS達(dá)到了堆肥腐熟的C/N要求，而MS的C/N高于20，這可能與堆肥原料有關(guān)，需要進(jìn)一步延長(zhǎng)堆肥時(shí)間才能夠達(dá)到要求。

圖9 不同處理組堆肥C/N變化

C/N的調(diào)節(jié)對(duì)于堆肥發(fā)酵過(guò)程十分重要，為了使微生物分解有機(jī)質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)條件達(dá)到平衡狀態(tài)，堆肥過(guò)程中的C/N應(yīng)控制到25～40[12]。

3.8 不同處理堆肥過(guò)程中總磷的變化規(guī)律

不同處理的總磷含量變化如圖10所示，MS堆肥處理總磷含量由1.6478g·kg-1變?yōu)?.9307g·kg-1，SWM加MS處理的總磷含量總體也有所升高，最終升高至5.8533g·kg-1。由于磷元素在堆肥過(guò)程中絕對(duì)含量是不變的，因此各處理總磷升高的原因只是物料不斷被濃縮使其含量有所上升。其中，SWM加MS的總磷含量始終高于MS處理，這是由于糞便中固有的無(wú)機(jī)磷被微生物吸收利用，同時(shí)有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生大量有機(jī)酸及無(wú)機(jī)態(tài)磷可以較強(qiáng)地與堆體內(nèi)無(wú)機(jī)磷結(jié)合形成更穩(wěn)定的物質(zhì)得以保存，堆肥后期固定在微生物體內(nèi)的磷素又重新被釋放出來(lái)。

圖10 不同處理組堆肥總磷變化