季 彬,彭軼楠,董妙音,杜津昊,葉 澤,王曙陽*,王治業(yè)*

(1. 甘肅省科學(xué)院生物研究所,甘肅 蘭州 730030;2. 甘肅省微生物資源開發(fā)利用重點實驗室,甘肅 蘭州 730030;3. 中國科學(xué)院近代物理研究所,甘肅 蘭州 730030)

隨著我國畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化快速發(fā)展,畜禽糞便集中產(chǎn)生量不斷增加。目前,我國大部分規(guī)?；B(yǎng)殖場的糞污治理措施落后或技術(shù)不合理,導(dǎo)致大量畜禽糞便無法得到有效利用,且對環(huán)境產(chǎn)生污染,對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害[1-3]。生物有機(jī)肥是利用特定功能微生物將動植物殘體(如畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等)無害化處理、腐熟后復(fù)合而成的一類同時具有微生物效應(yīng)和有機(jī)肥效應(yīng)的新型肥料[4-6]。生物有機(jī)肥的應(yīng)用成為當(dāng)前實現(xiàn)畜禽糞便無害化、資源化的一種快速、經(jīng)濟(jì)、簡單、有效的新型處理措施,對綠色健康畜牧業(yè)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要的推動作用[7-8]。芽孢桿菌作為有機(jī)肥的發(fā)酵菌株,具有發(fā)酵時間短、水分散發(fā)快、溫度高、加速物料腐解進(jìn)程、抑制枯萎病病原菌生長、有效殺病原微生物和雜草種子、降解生物毒性物質(zhì)等諸多優(yōu)點,有望成為糞便高溫發(fā)酵過程中添加微生物菌肥的最有效菌種之一[9-11]。鑒于此,本研究將從環(huán)境溫度為-23 ℃的禽畜養(yǎng)殖場糞土堆底部土壤中分離鑒定的特基拉芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌組成復(fù)合微生態(tài)制劑,探討復(fù)合微生態(tài)制劑不同添加劑量對牛糞有機(jī)肥堆肥效果的影響,旨在全面掌握復(fù)合微生態(tài)制劑在牛糞有機(jī)肥堆肥中的應(yīng)用效果,確定最適臨床添加劑量,為復(fù)合微生態(tài)制劑在牛糞有機(jī)肥中的合理應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 牛糞與玉米秸稈

牛糞由甘肅華瑞農(nóng)業(yè)股份有限公司奶牛養(yǎng)殖場提供;玉米秸稈由甘肅華瑞農(nóng)業(yè)股份有限公司飼料加工廠提供,將玉米秸稈粉碎至1～1.5 cm均勻小段。將牛糞與玉米秸稈以7:3的比例混合均勻制成牛糞有機(jī)肥堆肥原料。

1.2 復(fù)合微生態(tài)制劑

特基拉芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌均由本實驗室分離培養(yǎng),將特基拉芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌以1∶1∶1∶1混合制成復(fù)合微生態(tài)制劑,其活菌總數(shù)≥1.0×109cfu/g。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計4個處理組(對照組、復(fù)合微生態(tài)制劑Ⅰ組、復(fù)合微生態(tài)制劑Ⅱ組、復(fù)合微生態(tài)制劑Ⅲ組),每個處理組包含3個重復(fù),每個重復(fù)包含5個堆體。對照組、復(fù)合微生態(tài)制劑Ⅰ組、復(fù)合微生態(tài)制劑Ⅱ組、復(fù)合微生態(tài)制劑Ⅲ組分別在牛糞有機(jī)肥堆肥原料添加0%、0.05%、0.1%、0.2%的復(fù)合微生態(tài)制劑。4個處理組均進(jìn)行條垛式堆肥,每個堆體的長、寬、高分別為2 m、1 m、1 m,不同堆體之間間隔2.5 m。堆肥期為21 d,每7 d人工翻堆體1次,分別在堆肥開始的1 d、5 d、9 d、13 d、17 d、21 d取樣。

1.4 溫度的測定

利用數(shù)字電子溫度計測定不同處理組的堆體內(nèi)溫度,每日上下午各測1次,平均值即為當(dāng)天的堆體溫度。

1.5 pH的測定

利用酸度計測定不同處理組1 d、5 d、9 d、13 d、17 d、21 d所取樣品的pH。

1.6 含水率的測定

采用105 ℃烘干法測定含水率,即含水率=(W1-W2)/(W2-W)×100%,其中W為空容器重量,W1為105 ℃烘干前空容器和樣品的總重量,W2為105 ℃烘干后空容器和樣品的總重量。

1.7 C/N值的測定

參照國家農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY525-2011[12]測定不同處理組的C/N值。

1.8 種子發(fā)芽指數(shù)的測定

參照魏彥紅等[13]的方法測定不同處理組的種子發(fā)芽指數(shù)。

1.9 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 17.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,P<0.05為顯著性差異標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度的測定結(jié)果

4個處理組的溫度測定結(jié)果見圖1。如圖1所示,在堆肥的第3天,4個處理組均進(jìn)入高溫階段(堆體內(nèi)溫度>50 ℃),且3個復(fù)合微生態(tài)制劑添加組的堆體內(nèi)溫度較對照組均顯著升高(P<0.05)。在堆肥的第6天,復(fù)合微生態(tài)制劑Ⅲ組的堆體內(nèi)溫度達(dá)到峰值(63.96 ℃)。在堆肥的第7天,復(fù)合微生態(tài)制劑Ⅰ組和Ⅱ組的堆體內(nèi)溫度達(dá)到峰值(61.66 ℃和63.58 ℃)。在堆肥的第8天,對照組的堆體內(nèi)溫度達(dá)到峰值(60.89 ℃)。4個處理組的高溫(堆體內(nèi)溫度>50 ℃)時間分別持續(xù)至堆肥后第12天、第13天、第14天、第14天,即4個處理組維持高溫階段的時間分別為10 d、11 d、12 d、12 d。表明牛糞有機(jī)肥中添加不同劑量的復(fù)合微生態(tài)制劑均能縮短堆體內(nèi)溫度達(dá)到峰值所需時間,且延長堆體內(nèi)溫度維持高溫階段時間,以0.2%添加劑量的作用效果最好。

2.2 pH的測定結(jié)果

4個處理組的pH測定結(jié)果見圖2。如圖2所示,在堆肥的第9天,4個處理組的堆體內(nèi)pH均達(dá)到峰值,且pH均呈現(xiàn)出先升高后下降的變化趨勢。在堆肥的第9～17天,3個復(fù)合微生態(tài)制劑添加組的堆體內(nèi)pH均高于對照組(P>0.05)。表明牛糞有機(jī)肥中添加不同劑量復(fù)合微生態(tài)制劑均具有提高堆體內(nèi)pH的趨勢。

圖2 pH的測定結(jié)果Fig.2 Determination results of pH

2.3 含水率的測定結(jié)果

4個處理組的含水率測定結(jié)果見圖3。如圖3所示,4個處理組的含水率均呈現(xiàn)出總體下降趨勢。在堆肥的第9天,復(fù)合微生態(tài)制劑Ⅱ組(30.74%)、Ⅲ組(30.21%)均顯著低于對照組(34.24%)(P<0.05)。表明牛糞有機(jī)肥中添加0.1%和0.2%的復(fù)合微生態(tài)制劑均能加快堆體內(nèi)水分散失。

2.4 C/N值的測定結(jié)果

4個處理組的C/N值測定結(jié)果見圖4。如圖4所示,4個處理組的C/N值均呈現(xiàn)出總體下降趨勢。在堆肥的第9天,復(fù)合微生態(tài)制劑Ⅲ組(22.05%)顯著低于對照組(23.31%)(P<0.05)。表明牛糞有機(jī)肥中添加0.2%的復(fù)合微生態(tài)制劑均能改善堆體內(nèi)C/N值。

2.5 種子發(fā)芽指數(shù)的測定結(jié)果

4個處理組的種子發(fā)芽指數(shù)測定結(jié)果見圖5。如圖5所示,4個處理組的種子發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)出總體逐步上升趨勢。在堆肥的第13天,復(fù)合微生態(tài)制劑Ⅱ組(72.25%)、Ⅲ組(73.74%)均顯著高于對照組(66.54%)(P<0.05)。在堆肥的第17天,復(fù)合微生態(tài)制劑Ⅲ組(80.54%)顯著高于對照組(71.41%)(P<0.05)。表明牛糞有機(jī)肥中添加0.1%和0.2%的復(fù)合微生態(tài)制劑均能提高堆體內(nèi)的種子發(fā)芽指數(shù),以0.2%添加劑量的作用效果最好。

圖3 含水率的測定結(jié)果Fig.3 Determination results of water content

圖4 C/N值的測定結(jié)果Fig.4 Determination results of C/N

圖5 種子發(fā)芽指數(shù)的測定結(jié)果Fig.5 Determination results of seed germination index

3 討 論

3.1 對牛糞有機(jī)肥堆體內(nèi)溫度的影響

溫度是衡量堆體腐熟質(zhì)量和腐熟程度的重要指標(biāo),是直接影響各種病原微生物生長活動的顯著因子,堆肥過程中堆體溫度過低或高溫持續(xù)時間過短,均不能有效地殺死堆體內(nèi)的病蟲卵,一般要求堆肥過程中最高堆肥溫度應(yīng)達(dá)50 ℃以上[14]。在本研究中,各處理組的整個堆肥發(fā)酵過程都經(jīng)歷了升溫、高溫持續(xù)和降溫3個階段,4個處理組保持高溫階段(堆體內(nèi)溫度>50 ℃)的時間分別為10 d、11 d、12 d、12 d,在高溫持續(xù)方面均達(dá)到堆肥衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn),其中復(fù)合微生態(tài)制劑Ⅱ組和Ⅲ組保持高溫階段時間比對照組多持續(xù)2 d,且復(fù)合微生態(tài)制劑Ⅱ組和Ⅲ組在堆肥的第6天堆體內(nèi)溫度達(dá)到峰值,比對照組(第8天)早2 d,由此可見,復(fù)合微生態(tài)制劑對堆肥發(fā)酵過程中的起溫作用和高溫持續(xù)作用均非常明顯。

3.2 對牛糞有機(jī)肥堆體內(nèi)pH的影響

pH的變化能夠反映出堆肥過程中微生物活動的劇烈程度,進(jìn)而體現(xiàn)出堆體發(fā)酵速度的快慢[15]。在本研究中,4個處理組的堆體內(nèi)pH均呈現(xiàn)出升高、下降的變化趨勢,在堆肥的第9天各處理組的堆體內(nèi)pH均達(dá)到峰值,隨后開始逐步降低。在堆肥前期,由于微生物大量繁殖,活動劇烈,對有機(jī)氮的分解能力強(qiáng),產(chǎn)生大量氨氣,引起pH上升;在堆肥后期,由于微生物活動產(chǎn)生的有機(jī)酸和硝態(tài)氮含量,導(dǎo)致pH降低。本研究中,在堆肥第9天3個復(fù)合微生態(tài)制劑添加組的堆體內(nèi)pH較對照組均顯著升高,說明復(fù)合微生態(tài)制劑能夠促進(jìn)微生物的繁殖速度,加快堆體發(fā)酵速度。

3.3 對牛糞有機(jī)肥堆體內(nèi)含水率的影響

含水量是影響堆肥效果的重要參數(shù),在本研究中,添加復(fù)合微生態(tài)制劑堆體的含水率下降值要比對照組快,說明復(fù)合微生態(tài)制劑促進(jìn)了微生物的新陳代謝,產(chǎn)生大量的熱,使堆體內(nèi)溫度升高,水分蒸發(fā)作用增強(qiáng)。至堆肥的第9天,0.1%和0.2%復(fù)合微生態(tài)制劑添加組的含水率較對照組和0.05%復(fù)合微生態(tài)制劑添加組顯著降低,在一定程度上體現(xiàn)了添加0.1%和0.2%復(fù)合微生態(tài)制劑的堆肥效果相對較好。自堆肥的第13天開始,各處理組含水率下降幅度趨于平穩(wěn),至堆肥結(jié)束后,各處理組含水率均達(dá)到27%左右。李琬等[16]研究表明,堆肥腐熟后含水率為29.6%,張建華等[17]研究表明堆肥腐熟后含水率為20.76%,本研究結(jié)果與李琬等[16]、張建華等[17]的研究結(jié)果表現(xiàn)出一致性。

3.4 對牛糞有機(jī)肥堆體內(nèi)C/N值的影響

碳和氮的變化是堆肥過程中微生物發(fā)生生長代謝的基本特征之一,因此C/N值成為評價堆肥腐熟度的重要參數(shù)[18]。在本研究中,至堆肥的第5天,0.1%和0.2%復(fù)合微生態(tài)制劑添加組的C/N值較對照組顯著降低,在一定程度上體現(xiàn)出添加0.1%和0.2%復(fù)合微生態(tài)制劑能夠調(diào)節(jié)微生物生長代謝,加速牛糞的腐熟過程。至堆肥結(jié)束后,添加0.2%復(fù)合微生態(tài)制劑組的C/N值較對照組顯著降低,表明添加0.2%復(fù)合微生態(tài)制劑使堆肥腐熟更加完全。

3.5 對牛糞有機(jī)肥堆體內(nèi)種子發(fā)芽指數(shù)的影響

堆肥材料在未腐熟前含有大量毒性物質(zhì),對植物生長和種子發(fā)芽產(chǎn)生抑制作用;當(dāng)堆肥材料腐熟后,毒性物質(zhì)大量減少以及消失,甚至還會出現(xiàn)促進(jìn)植物生長和種子發(fā)芽的活性物質(zhì)。種子發(fā)芽指數(shù)被認(rèn)為是最敏感、最直接、最簡單、最快速、最準(zhǔn)確的堆肥腐熟度檢測指標(biāo)[19]。一般種子發(fā)芽指數(shù)>50%可認(rèn)為堆肥對植物生長基本沒有毒性,>80%可認(rèn)為堆肥已經(jīng)達(dá)到完全腐熟[20-21]。李杰等[22]比較分析了3種不同微生物菌劑牛糞好氧堆肥對種子發(fā)芽指數(shù)的影響,結(jié)果表明菌劑3和菌劑2分別需要20 d和30 d達(dá)到堆肥無害化腐熟標(biāo)準(zhǔn),而菌劑1處理和對照組均需40 d。在本研究中,至堆肥的第13天,添加0.1%和0.2%復(fù)合微生態(tài)制劑的堆體中種子發(fā)芽指數(shù)>80%,而對照組在堆肥第17天才>80%,添加0.1%和0.2%復(fù)合微生態(tài)制劑可使堆肥提前4天進(jìn)入完全腐熟狀態(tài)。本研究結(jié)果與李杰等[22]的研究結(jié)果具有一定的相似性。同時,本研究中堆肥結(jié)束后,添加0.2%復(fù)合微生態(tài)制劑組的種子發(fā)芽指數(shù)顯著高于其它組,表明添加0.2%復(fù)合微生態(tài)制劑使堆肥材料對種子發(fā)芽的毒害作用降低?？傊?添加0.2%復(fù)合微生態(tài)制劑可縮短堆肥腐熟時間,使糞便提前進(jìn)入腐熟狀態(tài),且能夠使堆肥腐熟更加完全,促腐作用效果最為顯著。

4 結(jié) 論

添加0.2%復(fù)合微生態(tài)制劑能夠增加牛糞有機(jī)肥堆體內(nèi)高溫期持續(xù)的時間,提高堆體內(nèi)pH的峰值,加快堆體內(nèi)水分的蒸發(fā),改善堆體內(nèi)C/N值,提高堆肥物料種子發(fā)芽指數(shù),提高牛糞有機(jī)肥的堆肥效果。