曾 祥，江友峰，楊明開(kāi)，程利芳羽，蔡江波，鄭博文，冉雪松，王 巖，胡曉娜

（1.貴州茅臺(tái)酒廠（集團(tuán)）循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)投資開(kāi)發(fā)有限公司，貴州 遵義 563100；2.貴州省白酒制造業(yè)創(chuàng)新中心，貴州 仁懷 564500；3.鄭州大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002）

我國(guó)每年白酒酒糟產(chǎn)排量在2 000 萬(wàn)～3 000萬(wàn)t[1]。酒糟具有含水率高、酸度高、有機(jī)物含量高、易腐敗等特點(diǎn)，若未得到適當(dāng)處理將會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。酒糟含有脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素、維生素、微量元素等豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，因此，該類(lèi)有機(jī)固體廢棄物具有極大的資源化潛力[2]。

目前，對(duì)白酒酒糟進(jìn)行資源化利用的方式主要為飼料化、肥料化、基質(zhì)化、能源化和原料化等[3]。其中，高溫好氧堆肥能在好氧條件下利用微生物將有機(jī)物降解和轉(zhuǎn)化，形成穩(wěn)定的堆肥用于改良土壤和提高作物產(chǎn)量。該技術(shù)不僅可實(shí)現(xiàn)酒糟的減量化、無(wú)害化和資源化，而且可促進(jìn)原料生產(chǎn)與白酒釀造之間的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，是實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的有效途徑，但目前針對(duì)如何提高白酒酒糟堆肥腐熟度的研究仍不夠深入。

堆肥微生物的繁殖和活性需要適宜的環(huán)境條件，如適宜的pH 值、氧氣含量等。酒糟pH 值通常在3.4～4.0，不利于微生物生長(zhǎng)。此外，酒糟黏性較強(qiáng)，不利于氧氣擴(kuò)散，從而限制了好氧堆肥微生物的活性?？傊?，酒糟的特性不利于酒糟堆肥高效進(jìn)行及堆肥快速腐熟[4]。WANG 等[5]通過(guò)添加堿性物質(zhì)如氧化鈣等提高酒糟原料的pH 值，促進(jìn)了堆肥快速啟動(dòng)和進(jìn)行。張林利等[6]、王強(qiáng)義等[7]通過(guò)向酒糟中添加秸稈、鋸末等農(nóng)業(yè)廢棄物，增加堆肥原料的孔隙度，為微生物提供充足的氧氣促進(jìn)好氧代謝。在適宜的堆肥條件下，添加外源菌劑是加快堆肥進(jìn)程和提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段。多數(shù)關(guān)于堆肥菌劑的研究主要針對(duì)農(nóng)林廢棄物、禽畜糞便等，針對(duì)酒糟的研究較少[8-9]。吳耀領(lǐng)等[10]從酒糟中篩選出3 株高效的纖維素降解菌，有效提高了酒糟堆肥的纖維素降解性能。楊新等[11]向白酒酒糟中添加復(fù)合菌劑，在50 ℃下進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)7 d 培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，菌劑添加使種子發(fā)芽指數(shù)提高到了70%以上，但該菌劑在長(zhǎng)期酒糟堆肥過(guò)程中的作用未得到驗(yàn)證。菌劑添加對(duì)酒糟堆肥腐熟度影響的研究尚不充分，因此，需要進(jìn)一步研究菌劑尤其是復(fù)合菌劑添加效果以提高酒糟堆肥產(chǎn)品的性能。鑒于此，擬以茅臺(tái)酒廠酒糟為主要原料，通過(guò)添加鈣鎂磷肥調(diào)節(jié)pH 值、添加曲草調(diào)節(jié)通氣性，研究復(fù)合菌劑添加對(duì)堆肥過(guò)程和腐熟度的影響，以期為白酒酒糟資源化利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

堆肥主要原料為醬香型白酒酒糟、曲草和鈣鎂磷肥。酒糟和曲草均取自貴州茅臺(tái)酒股份有限公司。酒糟的基本理化性質(zhì)如表1 所示；曲草為制曲后的風(fēng)干廢棄稻草，含全氮14.32 g/kg、有機(jī)碳228.27 g/kg，粉碎至2～3 cm 后使用。鈣鎂磷肥從湖北禹輝華龍有限公司購(gòu)得，pH 值11.02，含P2O515%。

表1 白酒酒糟的理化性質(zhì)Tab.1 Physicochemical characteristics of distiller’s grains

構(gòu)建促進(jìn)酒糟堆肥腐熟的復(fù)合菌劑所用的微生物包括耐酸且具有機(jī)物降解功能的釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）及耐堆肥高溫的枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）[12-13]。上述3 種微生物菌劑均為粉末狀，購(gòu)自安琪酵母股份有限公司和山東益昊生物科技有限公司。3 種微生物菌劑的菌落形成單位數(shù)量分別為2×1010、1×1010、1×1010cfu/g，按1∶1∶1 將其混合后配制復(fù)合菌劑，以鮮酒糟質(zhì)量的0.1%添加到堆體中。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

設(shè)置2 組處理，分別為對(duì)照組（CK）和復(fù)合菌劑組（M），每組包括3 次重復(fù)。CK：每個(gè)堆體含有400 kg 新鮮酒糟，添加10 kg 曲草調(diào)節(jié)通氣性，同時(shí)添加20 kg鈣鎂磷肥調(diào)節(jié)pH 值；M：在CK 的基礎(chǔ)上，添加配制的復(fù)合菌劑。

采用人工堆積、自然通風(fēng)的方法[10]，將物料充分混合均勻后堆置成錐體形狀。堆置期間每天上午10：00 測(cè)定堆體溫度，每3 d 人工翻堆一次，監(jiān)測(cè)水分含量變化進(jìn)行補(bǔ)水以維持在45%左右。攪拌均勻后進(jìn)行多點(diǎn)取樣以提高樣品的代表性和同質(zhì)性。所取樣品一部分于4 ℃保存，另一部分風(fēng)干、粉碎、過(guò)0.2 mm 篩后備用。每3 d 測(cè)定一次pH 值和電導(dǎo)率值，每6 d 測(cè)定一次銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮和種子發(fā)芽指數(shù)。

1.3 堆肥理化性質(zhì)和種子發(fā)芽指數(shù)測(cè)定

溫度采用電子溫度計(jì)測(cè)定，并計(jì)算多點(diǎn)溫度的平均值。取鮮樣于鼓風(fēng)干燥機(jī)中105 ℃烘干，根據(jù)烘干前后物料質(zhì)量差計(jì)算堆肥樣品含水率。按照樣品干質(zhì)量與水1∶10對(duì)堆肥樣品進(jìn)行浸提液制備，利用浸提液測(cè)定pH 值、電導(dǎo)率值等指標(biāo)，并進(jìn)行蘿卜種子發(fā)芽培養(yǎng)，48 h 后測(cè)定種子發(fā)芽指數(shù)[14-15]。全氮含量采用H2SO4-H2O2消煮—?jiǎng)P氏定氮法測(cè)定[14]，采用納氏試劑分光光度法測(cè)定銨態(tài)氮含量，采用酚二磺酸分光光度法測(cè)定硝態(tài)氮含量[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016和Origin 2020對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。在Origin 2020 中采用配對(duì)Wilcoxon 符號(hào)秩檢驗(yàn)分析指標(biāo)之間的差異，顯著水平為0.05。在RStudio 1.4.1717 軟件中利用LinkET 包和Psych 包分析Spearman相關(guān)系數(shù)及其顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 微生物復(fù)合菌劑添加對(duì)白酒酒糟堆肥溫度的影響

由圖1 可知，酒糟堆肥過(guò)程中環(huán)境溫度為24～34 ℃。CK 和M 處理的溫度變化趨勢(shì)相似，堆肥過(guò)程經(jīng)歷了升溫期、高溫期和降溫期3個(gè)階段，符合高溫好氧堆肥的溫度變化特征。堆肥開(kāi)始后堆體初始溫度為45 ℃，CK 和M 處理的溫度均快速升高，1 d 后分別達(dá)到52.7、53.0 ℃，隨后進(jìn)入高溫期（＞50 ℃）。堆肥1～19 d M 處理堆體溫度顯著（P＜0.05）高于CK，平均升溫速度提高了0.16 ℃/d，表明添加復(fù)合菌劑促進(jìn)了酒糟堆體溫度的升高，有利于加快堆肥腐熟。2 組堆肥均在第25 天達(dá)到最高溫度，CK 和M 處理堆體溫度分別為76.3、76.7 ℃。第26天后堆體溫度開(kāi)始下降，降溫過(guò)程持續(xù)至堆肥試驗(yàn)結(jié)束，該過(guò)程中M 處理堆體溫度顯著（P＜0.05）低于CK。

圖1 不同處理白酒酒糟堆肥過(guò)程中溫度的變化Fig.1 Temperature changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.2 微生物復(fù)合菌劑添加對(duì)白酒酒糟堆肥pH值的影響

圖2 為酒糟pH 值隨堆肥時(shí)間推移而變化的過(guò)程。酒糟的初始pH值為4.20，具有較強(qiáng)的酸性。堆肥過(guò)程中2 組堆肥的pH 值均呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢(shì)。CK 和M 處理的pH 值在堆肥3 d 后分別快速升高至5.86、6.06，9 d 后分別升高至6.73、7.08。接種復(fù)合菌劑顯著（P＜0.05）加快提升了酒糟堆肥1～9 d 的pH 值，pH 值平均增速提高了0.04/d，使堆肥更快達(dá)到中性環(huán)境，有利于堆肥微生物繁殖。隨著堆肥進(jìn)程推移，2 組堆肥堆體的pH 值逐漸升高，均在第27 天達(dá)到最高，CK 和M 處理分別為8.33、8.36。之后pH 值開(kāi)始降低，堆肥結(jié)束時(shí)CK 和M 處理堆體pH值分別為8.11、8.09。

圖2 不同處理白酒酒糟堆肥過(guò)程中pH值的變化Fig.2 pH value changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.3 微生物復(fù)合菌劑添加對(duì)白酒酒糟堆肥電導(dǎo)率值的影響

電導(dǎo)率值反映了堆肥過(guò)程中可溶性鹽（有機(jī)、無(wú)機(jī)）含量。由圖3 可以看出，2 組堆肥電導(dǎo)率值均表現(xiàn)出先上升后下降、再上升再下降的趨勢(shì)。CK和M 處理的電導(dǎo)率值分別在第18、12 天達(dá)到最高值，分別為3.97、4.14 mS/cm。堆肥結(jié)束時(shí)CK 和M處理的電導(dǎo)率值分別降至2.64、2.40 mS/cm。堆肥3～12 d CK 的電導(dǎo)率值顯著（P＜0.05）低于M 處理，而18～24、30～36 d M 處理的電導(dǎo)率值比CK 低了0.15～0.30 mS/cm，且差異顯著（P＜0.05）。以上表明，添加復(fù)合菌劑有利于降低酒糟堆肥后期的電導(dǎo)率值。

圖3 不同處理白酒酒糟堆肥過(guò)程中電導(dǎo)率值的變化Fig.3 Electrical conductivity changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.4 微生物復(fù)合菌劑添加對(duì)白酒酒糟堆肥氮含量的影響

2.4.1 銨態(tài)氮含量的變化 由圖4可知，CK 和M 處理的銨態(tài)氮含量變化均呈現(xiàn)先上升后下降再升高的趨勢(shì)。隨著有機(jī)氮化合物的分解，2 組處理的銨態(tài)氮含量均在第12 天達(dá)到最高值，CK 和M 處理分別為3.30、2.62 g/kg。隨后2組堆肥的銨態(tài)氮含量逐漸下降，并在第30、36 天趨于穩(wěn)定。堆肥12～36 d，M 處理的銨態(tài)氮含量比CK 低了20.81%～33.23%，差異顯著（P＜0.05）。以上表明，添加復(fù)合菌劑降低了酒糟堆肥中銨態(tài)氮的積累。

圖4 不同處理白酒酒糟堆肥過(guò)程中銨態(tài)氮含量的變化Fig.4 Ammonium nitrogen content changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.4.2 硝態(tài)氮含量的變化 由圖5 可知，酒糟堆肥過(guò)程中硝態(tài)氮含量整體上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。CK 的硝態(tài)氮含量在第36 天達(dá)到最低值（0.026 g/kg）；M 處理的硝態(tài)氮含量在第24 天達(dá)到最低值（0.022 g/kg），隨后略有上升，堆肥結(jié)束時(shí)為0.034 g/kg，略高于CK。硝態(tài)氮是微生物硝化作用的產(chǎn)物，以上表明，酒糟堆肥過(guò)程中硝化作用較弱，復(fù)合菌劑添加對(duì)硝化作用的影響較小。

圖5 不同處理白酒酒糟堆肥過(guò)程中硝態(tài)氮含量的變化Fig.5 Nitrate nitrogen content changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.4.3 全氮含量的變化 由圖6可知，CK 和M 處理的全氮含量變化趨勢(shì)不同。初始全氮含量為37.70 g/kg，隨著堆肥進(jìn)程推移，2 組堆肥全氮含量在前12 d 逐漸降低。隨后CK 全氮含量上升并趨于平穩(wěn)，堆肥結(jié)束時(shí)為36.82 g/kg；M 處理的全氮含量呈現(xiàn)波動(dòng)，最終為34.13 g/kg。與初始全氮含量相比，CK和M處理的全氮含量分別降低了2.34%、9.47%。

圖6 不同處理白酒酒糟堆肥過(guò)程中全氮含量的變化Fig.6 Total nitrogen content changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.5 微生物復(fù)合菌劑添加對(duì)白酒酒糟堆肥種子發(fā)芽指數(shù)的影響

種子發(fā)芽指數(shù)是反映堆肥腐熟度的重要指標(biāo)。由圖7可知，CK 和M 處理的發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)。在堆肥的前18 d，2 組堆肥的種子發(fā)芽指數(shù)均在1%以下，表明酒糟對(duì)種子發(fā)芽有較強(qiáng)的抑制作用。堆肥24～36 d，2 組堆肥的發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且M 處理的發(fā)芽指數(shù)顯著（P＜0.05）高于CK。添加復(fù)合菌劑后酒糟堆肥的發(fā)芽指數(shù)于第30天達(dá)到70.85%。相比之下，CK 的發(fā)芽指數(shù)較低，在第30 天僅達(dá)到47.21%。以上表明，添加復(fù)合菌劑顯著（P＜0.05）促進(jìn)了堆肥腐熟，縮短了堆肥時(shí)間。

圖7 不同處理白酒酒糟堆肥過(guò)程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化Fig.7 Germination index changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.6 微生物菌劑添加后白酒酒糟堆肥理化指標(biāo)與發(fā)芽指數(shù)間的相關(guān)性

利用Spearman 相關(guān)性進(jìn)一步分析堆肥過(guò)程中各理化指標(biāo)（pH 值、電導(dǎo)率值、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和全氮含量）與種子發(fā)芽指數(shù)間的關(guān)系，結(jié)果如圖8 所示。種子發(fā)芽指數(shù)與電導(dǎo)率值、銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量分別在0.001、0.05和0.01水平上負(fù)相關(guān)，與pH 值和全氮含量無(wú)顯著相關(guān)性。對(duì)電導(dǎo)率值與其他理化指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，僅銨態(tài)氮含量與電導(dǎo)率值顯著（P＜0.01）正相關(guān)，說(shuō)明酒糟堆肥樣品中的電導(dǎo)率值受銨態(tài)氮含量的影響較大。電導(dǎo)率值和銨態(tài)氮含量均與硝態(tài)氮含量正相關(guān)，但不顯著，說(shuō)明堆肥過(guò)程中硝態(tài)氮含量的變化趨勢(shì)與其他2個(gè)指標(biāo)具有一定相似性。

圖8 白酒酒糟堆肥過(guò)程中理化指標(biāo)與種子發(fā)芽指數(shù)間的相關(guān)性Fig.8 Correlations between physicochemical parameters and germination index during the composting of distiller’s grains

3 結(jié)論與討論

白酒酒糟作為堆肥原料，其特性不同于常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)廢棄物。酒糟的高有機(jī)酸濃度、高黏度等特性不利于堆肥過(guò)程的高效進(jìn)行，影響堆肥的腐熟速度。未腐熟的堆肥產(chǎn)品含有大量有機(jī)物如脂肪酸、苯酚等，可抑制種子萌發(fā)或植物生長(zhǎng)，降低酒糟有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)種植中的應(yīng)用價(jià)值[16]。菌劑能提高堆肥效果，但單一菌劑通常功能有限，而復(fù)合菌劑能利用不同功能微生物的協(xié)同作用，對(duì)組成復(fù)雜的堆肥原料具有更優(yōu)的效果[17]。研究表明，添加復(fù)合菌劑能夠有效提高堆肥溫度、縮短堆肥周期、提高腐熟度等[17-18]。針對(duì)白酒酒糟堆肥腐熟強(qiáng)化措施較少的現(xiàn)狀，本研究分析了復(fù)合菌劑添加對(duì)白酒酒糟堆肥過(guò)程中的理化指標(biāo)和種子發(fā)芽指數(shù)的影響，指出了影響腐熟度的關(guān)鍵因素。

溫度是反映堆肥進(jìn)程和微生物活性的重要指標(biāo)[19-27]。CK 和M 處理的高溫期均維持了30 d，均達(dá)到了堆肥無(wú)害化處理要求[28]。復(fù)合菌劑添加在酒糟堆肥前期促進(jìn)了溫度快速提升，在酒糟堆肥后期促進(jìn)了溫度快速下降，表明前期堆肥微生物活性增強(qiáng)，強(qiáng)化了有機(jī)物的降解和轉(zhuǎn)化，堆肥過(guò)程加快[29]。白酒酒糟中含有的大量有機(jī)酸，如乳酸、乙酸等，導(dǎo)致酒糟pH 值較低[5]。在堆肥前期微生物可降解和轉(zhuǎn)化有機(jī)酸，同時(shí)分解含氮有機(jī)物釋放氨，導(dǎo)致pH值升高[30]。在堆肥后期，由于氨揮發(fā)及硝化作用pH值開(kāi)始降低。復(fù)合菌劑添加顯著加快了酒糟酸性條件的改善，有利于堆肥微生物的生長(zhǎng)和代謝，從而加速堆肥進(jìn)程。堆肥初期電導(dǎo)率值升高可能是由于有機(jī)物在微生物的作用下逐漸分解，形成了小分子有機(jī)物和無(wú)機(jī)物（如銨根、碳酸氫根）[31]。堆肥中后期電導(dǎo)率值降低的原因可能是可降解有機(jī)物的減少及大分子腐植酸的形成[32]。添加復(fù)合菌劑可能通過(guò)促進(jìn)小分子轉(zhuǎn)化和大分子合成加快了后期電導(dǎo)率值的降低。

氮轉(zhuǎn)化不僅與堆肥進(jìn)程相關(guān)，也影響堆肥腐熟度[16]。酒糟中含氮有機(jī)物的分解造成銨態(tài)氮的積累，2 組堆肥間銨態(tài)氮含量的差異表明復(fù)合菌劑的添加顯著改變了酒糟的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程。堆肥過(guò)程中硝化作用較弱，可能是由于高溫期較長(zhǎng)抑制了硝化細(xì)菌的活性[33]。堆肥過(guò)程中氮可能以氮?dú)狻睔獾刃问揭萆⒌娇諝庵?，從而造成氮損失[34]。本研究中2組堆肥的氮損失較低，有效保留了氮。

本研究中，種子發(fā)芽在酒糟堆肥前期受到抑制，在后期逐漸提升，表明對(duì)植物有毒害作用的物質(zhì)逐漸減少，這與BAO 等[35]報(bào)道的種子發(fā)芽指數(shù)變化趨勢(shì)一致。M 處理的種子發(fā)芽指數(shù)于第30 天達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）[14]的要求（不低于70%），而CK 尚未達(dá)到該要求，表明復(fù)合菌劑添加加快了堆肥腐熟速度。銨態(tài)氮含量變化及相關(guān)性分析結(jié)果表明，銨態(tài)氮含量增加會(huì)抑制種子發(fā)芽，這與王國(guó)英等[36]的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果還表明，電導(dǎo)率值升高不利于種子發(fā)芽，這與胡永恒等[37]的研究結(jié)果一致。復(fù)合菌劑添加可能在后期通過(guò)增加銨態(tài)氮含量和降低電導(dǎo)率值實(shí)現(xiàn)種子發(fā)芽指數(shù)的快速提高。SHAN 等[38]的研究結(jié)果表明，硝態(tài)氮含量提高有利于種子發(fā)芽。本研究中，堆肥過(guò)程中硝態(tài)氮含量較低，硝態(tài)氮對(duì)種子發(fā)芽造成抑制作用的可能性較低[39]，硝態(tài)氮與種子發(fā)芽指數(shù)呈負(fù)相關(guān)可能是由硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、電導(dǎo)率三者在堆肥過(guò)程中相似的變化趨勢(shì)共同造成的。

綜上，本研究中，酒糟堆體溫度在第2天進(jìn)入高溫期并維持30 d 開(kāi)始降溫，達(dá)到了高溫堆肥無(wú)害化處理的要求。在堆肥的第30 天M 處理的種子發(fā)芽指數(shù)已經(jīng)達(dá)到70.85%，比CK 提前6 d 滿(mǎn)足腐熟要求。結(jié)合各理化指標(biāo)變化，向酒糟堆肥中添加復(fù)合菌劑可加快有機(jī)物降解和轉(zhuǎn)化速率，顯著提高種子發(fā)芽指數(shù)，縮短堆肥生產(chǎn)周期，這對(duì)白酒酒糟減量化和資源化具有重要意義。但是否存在更佳的菌劑添加量組合，能顯著提升種子發(fā)芽指數(shù)、提升堆肥產(chǎn)品品質(zhì)等，有待進(jìn)一步研究探討。