農作物秸稈高溫堆肥生產有機肥及肥效研究

張 亮， 林 寧， 杜 茜， 李 飛

(1.南京師范大學泰州學院 化學與生物工程學院，江蘇泰州 225300; 2. 泰州機電高等職業技術學校，江蘇泰州 225300)

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農作物秸稈高溫堆肥生產有機肥及肥效研究

張 亮1， 林 寧2， 杜 茜1， 李 飛1

(1.南京師范大學泰州學院 化學與生物工程學院，江蘇泰州 225300; 2. 泰州機電高等職業技術學校，江蘇泰州 225300)

為實現農業廢棄物無害化處理和資源化利用，將3種常見的谷物秸稈(小麥、水稻和玉米)均勻混合，接種高溫纖維素分解菌和高溫木質素分解菌，添加適量氮素和保氮劑，高溫腐熟生產的秸稈有機肥配施化肥進行水稻肥效研究。結果表明：接種菌劑的處理A(秸稈+菌劑+尿素+硫酸鎂)和處理B(秸稈+菌劑)比處理C(自然堆肥)升溫快，降溫慢，高溫期持續時間長；微生物數量在高溫期時處理A最高，但種群均是初期最高，高溫期最低，后期略有增加。經過40 d的堆積發酵，處理A的腐熟效果最好，外觀呈現黑色粉末狀，水分低于30%，pH為6.21，有機質含量大于45%，氮磷鉀總養分達4.22%。肥效試驗表明，秸稈有機肥配施化肥可以顯著提高稻谷的產量，以處理T1(75%化肥+25%秸稈有機肥)的產量最高，達9.59 t/hm2，比單施化肥(CK)提高6.8%，并改善其品質。說明，農作物秸稈高溫堆肥生成有機肥的方式，既能快速解決農業廢棄物的堆積、污染和浪費問題，又能實現資源的回收利用。

農作物秸稈； 高溫堆肥； 發酵； 有機肥

2014年中國糧食播種面積達1.13×108hm2，其中谷物(主要有小麥、玉米、稻谷和大麥等)播種面積為9.46×107hm2。收獲之后，將產生非常豐富的農作物秸稈資源[1]。目前，這些秸稈僅有少量被用作動物飼料和食用菌栽培等原料[2]。其余大部分資源被農民就地焚燒、四處堆放，不僅造成了生物資源的極大浪費，而且嚴重破壞了生態環境[3]。另一方面，由于我國廣大農民在耕種過程中大量施用化肥和農藥，造成土壤的通透性差、疏松性降低，土壤嚴重板結，不利于農作物的正常生長。因此，在農業生產中大力推廣施用有機肥，盡量少施或不施化肥，將有力促進農業的可持續發展[4]。

農作物秸稈中富含纖維素、半纖維素、木質素和礦質元素等。近年來，國內外有關部門對農作物秸稈的無害化處理和資源化利用進行了不斷探索，包括直接還田、養畜過腹還田技術、秸稈發電和生產乙醇等，但均不能有效利用和處理農作物秸稈，且工序復雜、降解速度慢、成本較高，甚至造成更為嚴重的環境污染[5-6]。因此，如何快速有效的處理和利用農作物秸稈成為一大難題。目前，較為有效的方法是利用沼氣發酵技術使之降解，既能利用秸稈的有機質，又能較好地解決環境污染等問題[7]。但是，生產沼氣的原料以人、畜、禽的糞便為主，秸稈僅作為輔料，且降解速率慢，難以廣泛應用[8]。

由于農作物秸稈中含有氮、磷、鉀、有機質等植物生長所需要的營養元素，同時具有改良土壤的能力[9-10]。利用農作物秸稈高溫堆肥生產有機肥，可實現農業資源再利用和緩解環境壓力的雙重效果。研究表明，有機質高溫腐熟的效果與接種的微生物種類、原料性質(包括水分、pH、碳氮比等)和發酵條件有關[11]。同時，秸稈中含有大量難降解的纖維素、半纖維素和木質素，故在堆肥過程中，必須使其有效分解[12]。為此，筆者以自主分離篩選的高溫纖維分解菌和高溫木質素分解菌制作菌劑，研究農作物秸稈高溫發酵，脫水腐熟生產有機肥的工藝流程，將生產的有機肥用于水稻生產，研究其對產量和品質的影響，為實現農業廢棄物的無害化處理和資源化利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 農作物秸稈和接種菌劑

試驗于2014年3月6日至2014年4月15日在南京師范大學泰州學院大棚中進行。水稻、小麥和玉米秸稈均來源于泰州市海陵區周邊農村，三者各取1/3，混合均勻并取樣分析。其中，秸稈含水量6.78%，N、P2O5、K2O、有機質質量分數依次為0.71%、0.38%、1.67%和78.15%(干基)。

接種菌劑包括高溫纖維素分解菌(巨大芽孢桿菌，Bacillus megaterium)和高溫木質素分解菌(綠膿桿菌，Pseudomonas aeruginosa)，由南京師范大學泰州學院微生物實驗室從馬糞中分離獲取，已進行16S rDNA測序并鑒定。巨大芽孢桿菌的最高生長溫度約為75℃，最適生長和產酶溫度約為52～55℃，在55℃培養條件下，用50 mL赫奇遜液體培養基培養3 d，取適量菌液在10 000 r/min離心培養10 min，上清液中的纖維酶活力分別為15.7 μg/(min·mL)(CMC-Na酶)、5.2 μg/(min·mL)(微晶纖維素酶)和4.7 μg/(min·mL)(濾紙酶)；綠膿桿菌的最高生長溫度約為70℃，最適生長和最適產酶溫度為50～55℃，在55℃培養條件下，用高溫木質素培養基(組成：酵母浸出液10 g，葡萄糖20 g，木質素2.5 g，加水至1 000 mL，pH 7.0)培養7 d。取適量菌液在10 000 r/min離心培養10 min，上清液中的木質素酶活力分別為藜蘆醛12.5 μg/(min·mL)(木質素過氧化物酶，LiP)、Mn3+2.9 μg/(min·mL)(錳過氧化物酶，MnP)和愈創木醛18.6 μg/(min·mL)(漆酶，Lac)。將各1 L含高溫纖維分解菌和高溫木質素分解菌的培養液與3 kg米糠均勻混合即為接種菌劑，待用。

1.2 試驗設計

1.2.1 高溫堆肥發酵試驗 試驗設置3個處理，首先將水稻秸稈(1/3)、小麥秸稈(1/3)和玉米秸稈(1/3)粉碎混勻。處理A：1 000 kg秸稈+10 kg菌劑+10 kg尿素+10 kg硫酸鎂，具體過程：將秸稈平鋪于地面，每升高20 cm時，在其表面分別撒少許菌劑、尿素(含N46%，調節碳氮比)和硫酸鎂(保氮)；處理B：1 000 kg秸稈+10 kg菌劑，具體過程同上；處理C：1 000 kg秸稈(自然堆肥)。混合均勻后，調節堆肥原料的含水率至65%左右，然后將其堆成1.2 m的圓錐體，踩踏嚴實，表面覆蓋塑料薄膜，每個處理重復3次，堆置時間為40 d左右，在整個堆置過程中，于堆置10 d、20 d、25 d、30 d和35 d后測定堆肥中心溫度，翻堆，防止溫度過高抑制微生物活動，促進水分盡快散失。

1.2.2 肥效試驗 將生產獲得的秸稈有機肥(處理A)在泰州市高新區塘灣鎮農場進行肥效試驗，土壤類型為潮土，種植作物為當地主栽水稻品種南粳9108，設4種施肥處理：1) 單施化肥(CK，即常規施肥)；2) 75%化肥+25%秸稈有機肥(T1)；3) 50%化肥+50%秸稈有機肥(T2)；4) 25%化肥+75%秸稈有機肥(T3)；各處理施氮量相等(180 kg/hm2)，施肥比例N∶P2O5∶K2O=2∶1∶2，分別由秸稈有機肥、尿素、過磷酸鈣和氯化鉀提供。其中，秸稈有機肥和磷肥全部作基肥施用，氮肥、鉀肥分別按基肥∶分蘗肥∶穗肥為4∶4∶2的比例施用。常規田間管理，小區面積30 m2，設置3次重復。

1.3 測定項目與方法

在農作物秸稈高溫堆肥發酵試驗中，每天下午13:00測量堆肥中心溫度；于0 d、10 d、20 d、30 d和40 d分別在堆體前后左右和中心五點采樣，每處理3次重復，混合均勻。采用我國現行的有機肥料行業標準方法(NY525—2012)測定堆肥中的水分、pH、N、P2O5、K2O及有機質含量[13]；另外，堆肥中的可培養細菌、真菌和放線菌的數量分別采用牛肉膏蛋白胨培養基、馬丁氏培養基和高氏1號培養基進行培養統計[14]。在水稻施用秸稈有機肥的肥效試驗中，取10穴用于考種，測定有效穗數、每穗粒數、結實率和千粒重。各小區實收5 m2計算產量。另外，糙米率、精密率、堊白粒率、堊白度、直鏈淀粉和蛋白質(精米)含量的測定參照國家標準(GB/T17891—1999優質稻谷)[15]。

1.4 數據處理

用Excel 2003和SPSS 18.0對試驗數據進行基本計算和統計分析，不同處理間的差異顯著性用單因素方差分析進行比較，顯著性水平均為p=0.05。

2 結果與分析

2.1 微生物種群和數量

在整個堆置過程中，秸稈原料中分離出的微生物種群數量表現出“初期最高，高溫期降低，后期增加”的趨勢。接種菌劑后，在處理A和處理B中，堆肥初期分離出12種細菌、8種真菌、4種放線菌；高溫期僅分離出2種細菌(均為接種的高溫纖維素分解菌和高溫木質素分解菌)、1種真菌和1種放線菌；堆肥后期，分離出10種細菌、3種真菌、2種放線菌。處理C初期，分離出10種細菌、8種真菌、4種放線菌；高溫期時，分離出9種細菌、6種真菌、3種放線菌；堆肥后期與初期無顯著差異。

由表1可知，在整個堆肥過程中，處理A中細菌的數量呈增高-降低-增高的趨勢，真菌和放線菌呈先降低后增高的趨勢。其中，細菌數量在高溫期顯著增加，真菌和放線菌數量顯著減少；處理B細菌數量呈先升后降的趨勢，真菌和放線菌數量呈逐漸降低趨勢，這可能與堆肥原料中的氮元素不足有關；處理C細菌、真菌和放線菌數量均呈先降低后升高的趨勢。除此之外，處理A高溫期細菌總數最高，達9.9×107cfu/g，可能與堆肥的腐熟效果好、速度快有直接關系。

表1 農作物秸稈堆肥過程中可培養的微生物數量

注：同列不同字母表示差異顯著(p=0.05)(下同)。

Note: Different letters in the same column indicated 0.05% significant level. The same below.

2.2 秸稈堆肥溫度

由圖1可知，各堆肥處理組的溫度變化曲線均出現升溫期、高溫期和降溫期。其中，在升溫期時，堆肥升溫速率處理A最快，處理B次之，處理C最慢，堆置第6天時，處理A的溫度升至67℃，處理B 63℃，處理C 36℃。當堆置至第14～17天時，各處理的堆肥溫度達到最高，其中處理A(72℃)>處理B(70℃)>處理C(45℃)。高溫期后，隨著堆置時間的延長，堆肥的溫度逐漸降低，堆置36 d后，處理B降溫幅度最大，處理A次之，處理C降幅最小。此外，處理C升溫慢，15 d左右達到最高溫度，但是高溫期并不明顯，整個堆肥過程溫度波動較大。并且，翻堆可顯著降低堆肥溫度，但1～2 d后堆肥溫度回升。

圖1 農作物秸稈堆肥的溫度變化

Fig.1 Temperature changes in the process of crop straw producing compost

2.3 秸稈堆肥的水分含量

由圖2可知，在整個堆置過程中，堆肥的含水量均呈持續下降的趨勢。堆置40 d，處理A、B、C的水分含量依次為25.14%、28.67%和36.85%，比初始原料中的水分含量降低了39.31%、36.98%和28.35%。由此可見，處理A和處理B經40 d堆置，堆肥中的含水量低于30%，符合國家標準NY525-2012。

圖2 農作物秸稈堆肥的含水量變化

Fig.2 Water content changes in the process of crop straw producing compost

2.4 秸稈堆肥的pH

由圖3可知，在整個堆置過程中，處理A的pH變幅最大(6.21～7.51)；處理C最小(6.59～6.81)；處理B居二者之間(6.46～7.15)。在堆置開始階段(0～20 d)，處理A和處理B的pH逐漸升高，到達峰值，分別比處理C高0.70和0.34個單位；隨著堆置時間的延長，處理A的pH顯著降低，處理C的pH無顯著變化，處理B的pH降低程度介于兩者之間；在堆肥結束時，處理A的pH為6.21，處理B為6.46，處理C為6.59。

圖3 農作物秸稈堆肥的pH變化

Fig.3 pH changes in the process of crop straw producing compost

2.5 秸稈堆肥的外觀

秸稈在整個堆置過程中，顏色由黃色逐漸轉變為灰色、褐色、黑褐色和黑色，體積逐漸減小。堆置40 d時，處理A的農作物秸稈均變為黑色，呈小塊狀或粉末狀，體積縮小，無臭味，完全腐熟；處理C的農作物秸稈顏色逐漸轉變為灰色，堆肥表面出現灰白色的菌絲，大部分秸稈保持原有狀態，有異味，腐熟不完全；處理B的農作物秸稈顏色逐漸轉變為黑褐色，呈小塊狀，仍有少量秸稈保持原有狀態，無臭味，腐熟程度介于處理A和C之間。

2.6 秸稈堆肥有機質和氮磷鉀養分

由圖4可知，隨堆肥時間的延長，全部處理的有機質含量逐漸降低，變化規律相近。其中，處理A有機質降幅最大，處理C的降幅最小，處理B的降幅介于二者之間。堆置40 d時，處理A、B、C的有機質含量分別為50.08%、55.42%和63.45%，均大于45%，符合國家標準NY525-2012。

另外，隨著堆置時間的增加，秸稈堆肥中的氮、磷、鉀養分含量逐漸升高。在堆置40 d時，處理A的總養分(N+P2O5+K2O)含量最高，達4.22%；處理C的總養分含量最低，僅有3.34%；處理B的總養分含量介于二者之間，為3.57%。統計分析表明，處理C的有機質和氮、磷、鉀養分含量均顯著高于處理B、C，堆肥效果最好。

2.7 農作物秸稈堆肥對水稻產量和品質的影響

由表2可知，處理T1(75%化肥+25%秸稈有機肥)的產量最高，達到9.59 t/hm2，比單施化肥(CK)提高6.8%；其次是處理T2(50%化肥+50%秸稈有機肥)，比單施化肥(CK)提高4.1%；處理T3(25%化肥+75%秸稈有機肥)比單施化肥(CK)僅提高1.7%。另外，有機肥+無機肥的處理(T1，T2，T3)處理與單施化肥(CK)相比，均顯著提高單位面積有效穗數、每穗粒數和結實率，而千粒重差異不明顯。

圖4 農作物秸稈堆肥的有機質、氮、磷和鉀含量

處理Treatment有效穗數/(×104/hm2)Numberofproductiveear每穗粒數/粒Numberofgrainperear結實率/%Settingpercentage千粒重/gThousandkernelweight產量/(t/hm2)YieldCK295c129b93.22b26.31a8.94bT1312a144a95.32a26.60a9.59aT2305b138a94.23ab26.52a9.32aT3307ab139a94.66ab26.69a9.09ab

表3 施用農作物秸稈堆肥的稻米品質

從表3可知，與單施化肥相比，秸稈有機肥+無機肥的處理(T1，T2，T3)雖然對稻谷的出糙率無顯著影響，但精米率和蛋白質含量均顯著增加。其中，處理T3(25%化肥+75%秸稈有機肥)的精米率最高，比單施化肥提高了4.4%；處理T2(50%化肥+50%秸稈有機肥)的蛋白質含量最高，比單施化肥提高了17.9%。另外，與單施化肥相比，秸稈有機肥+無機肥的處理(T1，T2，T3)顯著降低稻谷的堊白粒率、堊白度和直鏈淀粉含量，其中，處理T2(50%化肥+50%秸稈有機肥)的堊白粒率和堊白度含量最低，比單施化肥降低21.1%和19.5%；處理T3(25%化肥+75%秸稈有機肥)的直鏈淀粉含量最低，比單施化肥降低17.0%。

3 結論與討論

在農作物秸稈高溫堆肥生成有機肥的過程中，通過接種微生物菌劑，并適當添加氮素和保氮劑，有益于增加微生物的活動，加速有機質礦化和腐殖化，促進秸稈腐熟，提高堆肥質量。在水稻肥效試驗中，75%化肥+25%秸稈有機肥的施肥方式，可提高稻谷的產量并改善其品質。

堆肥過程是一個復雜的生物化學過程，伴隨堆肥化進程，有機物質在微生物作用下發生礦化和腐殖化[16]，堆肥物料中的溫度、pH、水分、營養元素的釋放和碳氮比等因素也與微生物活動和堆肥質量密切相關[17]。有研究表明，在高溫期，微生物活動頻繁，有利于有機質腐熟和水分的散發，能快速實現有機廢棄物的資源化和無害化處理[18]。在本試驗中，接種菌劑之后，秸稈原料溫度迅速升高，其中處理A高達72℃，且高溫期維持時間長，而不接種的處理C升溫速度慢，最高溫僅有45℃，并且隨著溫度升高，物料中的微生物種群數量也迅速減少，接種微生物的處理僅分離出2株細菌，數量高達9.9×107cfu/g。說明接入的2種微生物不僅耐高溫能力強，而且有利于農作物秸稈的快速腐熟，同時能有效的殺滅病原菌和除去臭味。此外，處理A(秸稈+菌劑+尿素+硫酸鎂)的發酵腐熟情況明顯比處理B和C效果好，其中添加尿素能有效的降低堆肥過程中的碳氮比，硫酸鎂的添加能防止氨氣揮發，滿足微生物的碳、氮營養需求，從多方面促進微生物的活動，有利于促進農作物秸稈的發酵、腐熟，提高堆肥質量、滅菌除臭等效果[19]。研究表明，在有機廢棄物的無害化處理中，接種微生物菌劑可以使堆肥系統高溫期迅速升高，縮短堆肥周期[20]；而適當添加氮元素，可以降低原料中的碳氮比，提高堆肥質量[21]。因此，接種高溫微生物用于農作物秸稈資源化處理是必不可少的，將原料中的C/N比調節到合適范圍，不僅有利于增強微生物的活動，縮短堆肥周期，而且是無害化處理農業廢棄物的關鍵。

堆肥原料中的水分含量關系到堆肥有氧發酵的效率[22]。有研究發現，水分含量是有機廢棄物堆肥腐熟的重要指標之一[23]。在本試驗中，秸稈堆肥物料在堆置結束時，處理A的含水量由開始的64.45%降至25.14%，降幅顯著高于處理B和C。與此同時，堆肥發酵過程中，物料pH先升高后降低，其主要原因是微生物在高溫期分解含氮有機物產生了氨氣，后期又合成腐殖質等，氨含量降低。一般情況下，多數微生物的生命活動、物質代謝和產酶效率在pH為6～8的范圍內最高，過高或過低的pH均會抑制其活性。因此，堆肥適宜pH的控制也至關重要[24]。另外，處理A的氮磷鉀含量顯著高于處理B和C，且外觀呈現黑色粉末狀，說明農作物秸稈經過高溫堆肥處理之后，其水分、pH、有機質和養分含量達到國家標準，實現了農作物秸稈資源化和無害化的處理。

在水稻種植過程中，處理T1(75%化肥+25%秸稈有機肥配施)與單施化肥相比，既能顯著提高水稻產量，又能顯著降低稻谷的堊白粒率、堊白度和直鏈淀粉含量，并增加稻谷中蛋白質含量，促進稻谷的生長和提高品質，綜合各方面指標，施肥效果最佳。研究表明，秸稈還田與化肥配施，通過提高土壤氮肥利用率，顯著改善作物的品質和提高產量[25]。另外，秸稈有機肥的施入，可以增加土壤有機質，改善土壤理化性質，降低容重、疏松土質、提高通透性，同時緩解我國氮磷鉀肥比例失調的矛盾，培肥地力，使養分結構趨于合理。因此，利用農作物秸稈高溫堆肥生成有機肥，既能快速解決農業廢棄物的堆積、污染和浪費問題，又能實現資源的回收利用，改善土壤養分狀況。

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(責任編輯： 劉 海)

Study on High Temperature Compost of Crop Straw to Produce Organic Fertilizer and Fertilizer Effect

ZHANG Liang1, LIN Ning2, DU Xi1, LI Fei1

(1.SchoolofChemistryandBioengineering,TaizhouCollege,NanjingNormalUniversity,Taizhou,Jiangsu225300; 2.TaizhouHigherVocationalSchoolofMechanical&ElectricalTechnology,Taizhou,Jiangsu225300,China)

To realize innocent treatment and resource utilization of agricultural waste, three kinds of cereal straw (wheat, rice and maize) were mixed in equal proportion and inoculated thermal bacteria (Bacillus megaterium and Pseudomonas aeruginosa) decomposing cellulose and lignose, proper amount of chemical nitrogen and nitrogen absorption agent were added. Then, rice grown was fertilized with the organic fertilizer by high temperature compost to study the fertilizer effect. The results indicated that the temperature of treatment A and B with inoculated thermal bacteria increased quickly but deceased slowly compared to treatment C, and the high temperature sustained for a long period. The microbial numbers of treatment A was the highest during high temperature period, but the microbial groups were the highest in compost at the beginning, and they were the lowest during high temperature period, and the microbial groups increased again subsequently. After 40 days of fermentation, the water content of crop straw treatment A was less than 30% with pH 6.21 and showed black color and farinose physical state, indicating the best effect of decomposition and humification. Meanwhile, the organic matter was more than 45% and the total nutrient (N+P2O5+K2O) reached 4.22% in compost materials. The fertilizer efficiency experiment showed that the crop straw organic fertilizer and chemical fertilizer could significantly increase rice yield, the yield of treatment 1 (75% chemical fertilizer and 25% organic fertilizer) was the highest, reached 9.59 t/hm2, compared with the single application of chemical fertilizer (CK) increased 6.8%, and improved the qualities of rice. Therefore, the method of high temperature compost of crop straw to produce organic fertilizer could solve efficiently the problems of accumulate, pollution and waste caused with agricultural waste, and also could realize resource recycling.

crop straw; high temperature compost; fermentation; organic fertilizer

2015-03-16； 2015-07-10修回

泰州市科技支撐計劃(社會發展)項目“農作物秸稈高溫堆肥生產有機肥”(TS018)；泰州市科技支撐計劃(社會發展)項目“環境污染物生物降解劑的研究與開發”(TS019)；2015年江蘇省高等學校大學生實踐創新創業訓練計劃項目“鋁脅迫下外生菌根真菌對土壤無機磷的活化作用”(201513843015Y)；南京師范大學泰州學院院級科研項目“生態文明建設背景下的新村鎮綠化研究”(Q201243)；南京師范大學泰州學院第二批教學成果建設“園林工程”精品課程項目。

張 亮(1987-)，男，碩士，從事農業資源微生物研究。E-mail: liangzai0061@126.com

1001-3601(2015)07-0370-0091-06

S141.4

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