微生物菌劑對稻稈-豬糞-蘑菇渣堆肥腐熟進程及品質的影響

孫 旭，郝玉敏，蘇良湖，趙志強，張龍江，戴傳超，黃春艷，蔡金傍*

(1.環境保護部南京環境科學研究所，江蘇南京 210042；2.南京師范大學生命科學學院，江蘇南京 210046)

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微生物菌劑對稻稈-豬糞-蘑菇渣堆肥腐熟進程及品質的影響

孫 旭1，郝玉敏2，蘇良湖1，趙志強1，張龍江1，戴傳超2，黃春艷2，蔡金傍1*

(1.環境保護部南京環境科學研究所，江蘇南京 210042；2.南京師范大學生命科學學院，江蘇南京 210046)

[目的]研究微生物菌劑對農業廢棄物堆肥品質的影響。[方法]以稻稈、豬糞和蘑菇渣為主要原料進行好氧高溫堆肥，通過測定堆肥過程中溫度、pH、有機質、纖維素、木質素、種子發芽指數(GI)、微生物數量以及養分含量相關指標，研究了接種綠色木霉、黑曲霉、枯草芽孢桿菌(TAB處理)和擬莖點霉B3、綠色木霉、黑曲霉、枯草芽孢桿菌(PTAB處理)對稻稈-豬糞-蘑菇渣堆肥腐熟進程及產品品質的影響。[結果]自然堆肥過程中堆體最高溫度為53 ℃，高溫分解時間僅4 d，GI最高為93.00%，有機質最高降低了32.85%。TAB和PTAB處理在第2天后進入高溫分解期，持續時間分別為5和7 d，最高溫度分別達到59、65 ℃。堆肥結束時，TAB和PTAB處理的GI分別比對照處理增加了3和13個百分點，有機質含量分別降低了8.73%和23.58%。TAB和PTAB處理能顯著提高堆肥產品中速效氮、速效磷、速效鉀含量，提升堆肥產品品質。[結論]綜合比較堆肥腐熟效果和產品品質，PTAB處理對稻稈豬糞的腐熟效果好于TAB處理。

微生物菌劑；堆肥進程；堆肥品質；稻稈；豬糞

我國農業廢棄物種類繁多且數量巨大，其中農作物秸稈和畜禽糞便年產量分別在7億和30億t左右，是綜合利用價值較高的可再生資源[1]。但目前我國農業廢棄物利用方式相對粗放，農業秸稈除直接還田及用作燃料、飼料外，每年約2億t秸稈未經處理在田間堆放或焚燒，造成巨大的資源浪費和環境污染[2]。高附加值的農業廢棄物肥料化利用是農業廢棄物減量化和資源化最為經濟有效方式之一，由于秸稈含有大量的木質素、纖維素和半纖維素等難降解成分，導致自然堆肥腐熟時間長、產品質量差，不利于農業廢棄物的高效利用[3-4]。研究表明，接種外源功能微生物可有效促進木質素等物質的降解，加快堆肥腐熟進程，增加發酵物肥力，提高生物有機肥的附加值；微生物組成的復合菌劑，對堆肥的適應性及腐熟效果強于單一菌種[5-7]。因此，研制具有高效腐熟能力的復合微生物菌劑對農業廢棄物資源化利用有著重要的現實意義。

綠色木霉(Trichodermaviride)、黑曲霉(Aspergillusniger)及枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)都是生防菌，常常被作為堆肥腐熟菌劑使用。生長在植物內部的內生真菌對植物的侵染過程也是水解木質素和纖維素的過程。研究表明，部分內生真菌可降解纖維素并產生油脂，對植物凋落物具有較強的降解能力[8]。陳晏等從重陽木中分離出1株植物內生真菌擬莖點霉B3(Phomopsisliquidambari)，該B3菌可離開宿主存活于土壤中，能分泌漆酶，促進土壤纖維素酶活性，加快茅蒼術凋落物和花生秸稈的降解[9-11]。郝玉敏等研究發現，擬莖點霉B3、綠色木霉、黑曲霉及枯草芽孢桿菌復合菌劑與有機肥配施能改善土壤微生物區系，提高土壤酶活性[12]。然而，這些生防菌作為堆肥腐熟接種菌劑能否促進堆肥腐熟化進程尚不清楚。筆者以稻稈、豬糞和蘑菇渣為堆肥原料，以擬莖點霉B3、綠色木霉、黑曲霉及枯草芽孢桿菌為外源接種菌劑，研究了不同微生物菌劑對稻稈-豬糞-蘑菇渣堆肥腐熟進程及品質的影響，以期為農業廢棄物資源化利用提供科學依據。

1　材料與方法

1.1試驗材料試驗所用水稻秸稈為江蘇省農業科學院提供的長度為1～2 cm的干碎料，豬糞為采自江蘇省鎮江市三明生物有限責任公司的新鮮豬糞，蘑菇渣為江蘇省常州市阿波羅生物工程有限公司提供的金針菇發酵物。3種物料的基本特性見表1。植物內生擬莖點霉屬菌株B3分離自重陽木，綠色木霉、黑曲霉及枯草芽孢桿菌等菌種均購自廣東省微生物菌種保藏中心。

表1　試驗物料的基本性質

1.2稻稈豬糞腐熟試驗

1.2.1微生物菌劑制備。真菌用馬鈴薯葡萄糖液體培養基培養，細菌用牛肉膏蛋白胨液體培養基培養。以10%接種量接入固體培養基中，固體發酵培養基質為麩皮、糠和稻殼混合物(質量比6∶3∶1，料水比為1∶1.2)。攪拌均勻后于28 ℃靜置培養7 d，真菌有效活菌數達到104CFU/g左右，細菌有效活菌數達到108CFU/g。

1.2.2堆肥試驗。于2011年12月13日到2012年1月14日在溫室大棚進行。采用9個口徑27 cm、高20 cm的花盆進行試驗，每個花盆內含稻秸500 g、豬糞300 g、蘑菇渣300 g、接種物150 g，混勻后C/N約為28，每個花盆外裹稻草保溫。設3個處理，分別為對照(CK)，施加150 g滅菌固體培養基；TAB處理，施加綠色木霉、黑曲霉、枯草芽孢桿菌3種菌的固體發酵菌劑150 g(1∶1∶1)；PTAB處理，施加擬莖點霉B3、綠色木霉、黑曲霉、枯草芽孢桿菌4種菌的固體發酵菌劑150 g(1∶1∶1∶1)。每處理3次重復。加入一定量的自來水，調節含水率為70%左右，進行好氧高溫發酵，堆肥時間為32 d，堆肥前16 d每隔2 d記錄堆肥溫度，16 d后每隔4 d測定堆肥溫度。從堆肥當天開始每8 d從堆體取樣100 g左右，一部分樣品用自封袋密封，保存于4 ℃冰箱中，用于pH、種子發芽率和微生物數量的測定；另一部分樣品于105 ℃烘干粉碎過0.8 mm篩，用于有機質、營養成分、木質素、纖維素的測定。

1.3測定項目與方法

1.3.1pH的測定。稱取2 g左右的鮮樣，按照樣水比1∶10稀釋后，120 r/min振蕩1 h，過濾，取上清液于小燒杯中，用pH計測定pH。

1.3.2種子發芽指數(GI)的測定[13]。稱取 5.00 g 鮮樣放于三角瓶中，加入50 mL蒸餾水，充分振蕩，30 ℃浸提24 h，過濾，取6 mL濾液到鋪濾紙的培養皿中，取10粒水堇種子置于其中，室溫下放置48 h。3次重復。同時以蒸餾水為CK，測定發芽率。

1.3.3其他。有機質含量采用重鉻酸鉀氧化法測定；微生物數量采用平板稀釋法測定[14]；全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀含量參考[15]中的方法測定；木質素含量采用濃硫酸法測定；纖維素含量采用改進的濃酸水解定糖法測定[16]。

1.4數據統計試驗結果以算術平均數±標準誤表示，采用SPSS 18.0 軟件進行數據方差分析。

2　結果與分析

2.1微生物菌劑對堆肥溫度的影響堆肥過程中溫度的變化可以反映堆肥腐熟進程。從圖1可以看出，整個堆肥過程中，各處理堆體溫度變化均呈先上升后下降的趨勢，接種微生物菌劑能加快堆肥發酵速度，縮短堆肥發酵時間。CK第4天進入高溫分解期(>50 ℃)，高溫分解時間僅維持4 d，整個堆肥過程中最高溫度為53 ℃。TAB和PTAB處理在第2天后進入高溫分解期，持續時間分別為5和7 d，最高溫度分別達到59和65 ℃。堆體溫度在50 ℃以上保持5～7 d，是保證堆肥達到衛生學指標和腐熟的必要條件，添加微生物菌劑的堆肥菌滿足堆肥衛生指標的要求，其中PTAB菌劑的效果好于TAB菌劑。

圖1　堆肥過程中溫度的變化Fig.1　The change of temperature during composition

2.2微生物菌劑對堆肥pH的影響從圖2可以看出，堆肥過程中pH呈先上升后下降的趨勢。堆肥開始時各處理pH為7.7～7.9，隨著堆肥的進行，堆體中易分解的蛋白質類物質經微生物分解后產生氨基酸，進一步脫氨產生NH3，使pH升高。在第8天pH達到最大值(8.3～8.4)，而后氨氮揮發及有機物礦化分解產生有機酸，使pH降低，在堆肥結束時各處理堆肥pH為7.8～8.0，隨著降解過程的進行，PTAB和TAB處理的pH高于CK。

圖2　堆肥過程中pH的變化Fig.2　The change of pH during composition

2.3微生物菌劑對堆肥中有機質含量的影響從圖3可以看出，隨著堆肥時間的延長，各處理堆肥中有機質含量均呈下降趨勢，PTAB和TAB處理的有機質含量下降幅度較CK大。CK的有機質含量在第16天為445.7 g/kg，比開始時降低了31.10%，到第32天有機質含量為434.3 g/kg，下降了約32.85%。第16天PTAB和TAB處理的有機質含量分別為388.8 g/kg(P<0.05)和358.4 g/kg(P<0.01)，比CK降低了12.76%和19.59%；第32天PTAB和TAB處理的有機質含量分別降低到396.4 g/kg(P<0.01)和331.9 g/kg(P<0.01)，比CK降低了8.73%和23.58%。這表明接種外源功能微生物可以促進稻稈豬糞堆肥有機物質的降解，其中PTAB菌劑對堆肥中有機質的分解效果好于TAB菌劑。

圖3　堆肥過程中有機質含量的變化Fig.3　The content of organic matter during composition

2.4微生物菌劑對堆肥中纖維素和木質素含量的影響

2.4.1纖維素含量。從圖4可以看出，隨著堆肥的進行堆料中纖維素含量呈降低趨勢，其中PTAB和TAB處理的纖維素含量下降幅度較CK大。堆肥結束時，CK中纖維素含量為18.75%，降解了44.90%，而PTAB和TAB處理的纖維素含量分別為17.71%和15.97%，比CK降低了5.55%和14.83%。這表明接種外源微生物菌劑有利于纖維素的降解，PTAB菌劑對堆肥中纖維素的降解效果好于TAB菌劑。

圖4　堆肥過程中纖維素含量的變化Fig.4　The change of cellulose content during composition

圖5　堆肥過程中木質素含量的變化Fig.5　The change of ligin content during composition

2.4.2木質素含量。從圖5可以看出，水稻秸稈腐熟過程中木質素的降解較為緩慢，各處理堆肥木質素含量呈下降趨勢，PTAB和TAB處理的纖維素含量下降幅度較CK大。經32 d的腐熟，CK的木質素含量從開始的24.83%降至16.15%(P<0.01)，降解了34.96%；堆肥結束時，TAB和PTAB處理的木質素分別為14.93%和13.54%，比CK降低了7.54%和16.16%。這表明接種外源微生物能加速水稻秸稈木質素降解，PTAB菌劑對堆肥中木質素的降解效果好于TAB菌劑。2.5添加微生物菌劑的稻秸-豬糞-蘑菇渣堆肥對種子發芽指數的影響GI常被用來測定堆肥的生物毒性，是表征堆肥腐熟水平的重要生物學指標之一。一般認為，當GI大于50%時，可認為堆肥發酵物對作物基本無毒性，堆料基本腐熟；當GI大于80%時，堆料無植物毒性且已腐熟[13，17]。從圖6可以看出，不同處理的堆肥發酵物GI呈先下降后上升的趨勢。堆肥開始時有機質未分解，對植物抑制作用小，由于接種菌劑后加快了有機質的降解，產生了較多的有毒物質(氨和低級脂肪酸等)，抑制了水堇種子的發芽，第8天PTAB和TAB處理的GI均為67.00%，低于CK(70.00%)。隨著堆肥的進行，有毒物質減少，第16天時PTAB的GI達到80.00%，較CK和TAB處理高出7.00和3.00個百分點，堆肥結束時各處理堆肥GI為80.00%～93.00%。這表明接種外源微生物菌劑有助于降低堆肥發酵物植物毒性，加快堆肥腐熟進程。

圖6　添加微生物菌劑的稻秸-豬糞-蘑菇渣堆肥對種子發芽指數的影響Fig.6　The effect of composting by adding microbial agents rice straw-pig manure-mushroom residue on seed germination index

2.6微生物菌劑對堆肥中微生物數量的影響

2.6.1細菌數量。細菌是堆肥腐熟過程中數量最多的微生物，可快速分解糖類、淀粉和蛋白質類易降解物質，部分細菌也參與纖維素的分解，進行自身生長代謝和產生熱量[18]。從圖7可以看出，隨著發酵時間的延長，不同處理堆料中細菌數量呈先上升后下降的趨勢。堆肥開始時，堆料中易降解物質較多，細菌迅速繁殖，CK、TAB和PTAB處理的細菌數量分別從2.6×109、3.6×109和5.4×109CFU/g增加到第8天的4.7×109、5.7×109和6.9×109CFU/g。隨著堆肥的進行，由于高溫及營養物質的消耗，大多數細菌死亡，細菌數量降低，堆肥結束時各處理堆體細菌數量分別為2.3×109、2.5×109和2.5×109CFU/g，并無顯著性差異。這表明接種外源功能微生物菌劑能增加堆肥初期細菌的數量，促進有機質的降解。

圖7　堆肥過程中細菌數量的變化Fig.7　The change of bacteria number during composting process

2.6.2放線菌數量。從圖8可以看出，堆肥過程中放線菌數量低于細菌數量，呈先上升后下降的趨勢。在堆肥前期放線菌數量逐漸升高，TAB和PTAB處理的放線菌數量在第8天分別達到最大值34.3×107和38.0×107CFU/g，顯著高于CK(26.7×107CFU/g)；隨著堆肥進行，各處理堆肥中放線菌數量持續下降，到堆肥結束時放線菌數量無顯著性差異。

2.6.3真菌數量。從圖9可以看出，堆肥腐熟過程中真菌數量的變化趨勢與細菌相似，但數量低于細菌。在堆肥前期真菌數量持續升高，TAB和PTAB處理的真菌數量在第8天達到最大值，分別為17.8×108和26.7×108CFU/g，顯著高于CK(14.7×108CFU/g)；堆肥結束時，TAB和PTAB處理的真菌數量分別達到4.4×108和4.0×108CFU/g，均高于CK(2.2×108CFU/g)，且各處理堆肥真菌數量與起始的真菌數量并無顯著性差異。

2.7微生物菌劑對堆肥中養分含量的影響堆肥過程是一個復雜的生物化學過程，伴隨著有機物的降解及氮、磷、鉀的釋放和固定，氮、磷、鉀的含量直接影響最終堆肥產品質量[15]。從圖10可以看出，隨著堆肥的進行，各處理物料中的養分含量均呈持續上升趨勢。與PTAB處理相比，TAB處理的全氮和速效氮含量較高，速效磷和速效鉀含量較低。

圖8　堆肥過程中放線菌數量的變化Fig.8　The number of actinomycetes during composting process

圖9　堆肥過程中真菌數量的變化Fig.9　The number of fungi during composting process

圖10　堆肥過程中養分含量的變化Fig.10　The nutrient contents of composting product

3　討論

堆肥是在微生物的作用下將復雜的有機物分解為細胞可利用的小分子物質，并形成穩定腐殖質的過程。自然堆肥腐熟時間長、產品質量差，不利于農業廢棄物的高效利用。大量研究表明，在自然堆肥初期接種微生物菌劑能增加堆肥初期微生物數量，提高微生物代謝活性，加快有機物的降解，促進堆料的腐熟。Maeda等[18]研究表明，在堆肥初期接種芽孢桿菌和鏈霉菌，可在堆肥過程中增加細菌數量，加速有機質分解；接種EM菌劑有利于堆肥礦化作用，縮短堆肥腐熟時間5～8 d[15]。也有學者認為，接種的外源微生物在與土著微生物競爭過程中處于劣勢地位，難以形成優勢菌，因此，沒有必要接種微生物菌劑[19]。筆者在堆肥初期接種不同微生物菌劑進行稻稈-豬糞-蘑菇渣好氧高溫堆肥，結果表明：接種微生物菌劑能增加堆肥過程中細菌、真菌和放線菌數量，形成優勢種群，縮短堆肥時間，加速有機質、木質素、纖維素的降解，提高種子發芽指數，加快稻稈豬糞堆肥腐熟進程。

堆肥過程中有機物的降解主要是在細菌、真菌、放線菌的協同作用下完成，這些微生物存在較明顯的群落結構演替，不同腐熟階段出現對特定有機物質起分解作用的微生物群體[3]。Muktadirul等研究表明，具有協同關系的微生物組成的復合菌劑可相互利用反應產物，形成較為穩定的微環境，對堆肥的適應性及腐熟效果都要強于單一菌種[20-22]。筆者以水稻秸稈、豬糞和蘑菇渣為主要堆肥原料，其中纖維素和木質素含量分別為32.9%和23.9%，這類物質不易降解，因此選擇對纖維素作用較強的綠色木霉、黑曲霉、枯草芽孢桿菌作為堆肥初期的接種微生物[23]。擬莖點霉B3是從重陽木中分離得到的一株植物內生真菌，能與大多數微生物形成互利共生關系[9]。該B3菌能分泌降解木質素的關鍵酶——漆酶，粗酶液經50 ℃處理1 h后，仍能保持83.11%的活性，且在pH 6.0～8.0時，酶活較為穩定，可促進堆肥過程中木質素和纖維素的分解[11，24]。筆者研究發現，接種擬莖點霉B3、綠色木霉、黑曲霉、枯草芽孢桿菌4種復合菌劑對堆肥腐熟效果好于綠色木霉、黑曲霉、枯草芽孢桿菌3種復合菌劑。

堆肥過程中有機物被不斷分解，同時由于含水率的降低，堆體中無機營養成分會產生“濃縮效應”，使養分相對含量增加。筆者研究發現，接種外源微生物能促進有機質的分解，加劇“濃縮效應”，從而顯著提高堆肥產品中養分含量，這與前人研究結果一致[15]。PTAB菌劑堆肥全氮和速效氮含量均顯著低于TAB菌劑堆肥的含量，這可能與堆料的pH有關。堆肥過程中PTAB菌劑堆肥的pH高于TAB菌劑堆肥，pH越高NH3越易揮發，反硝化細菌活性越強，氮損失也越多，全氮含量越低，越不利于氨氧化菌和硝化細菌的生長，銨態氮轉化為亞硝態氮和硝態氮量減少，速效氮含量降低[25-26]。

4　結論

(1)在稻稈-豬糞-蘑菇渣好氧堆肥初期接種外源微生物菌劑能增加微生物的數量，加速有機質、纖維素、木質素的降解，縮短堆肥腐熟時間，延長高溫分解時間，提高種子發芽指數，促進堆肥腐熟進程，PTAB菌劑的腐熟效果好于TAB菌劑。

(2)接種外源微生物能顯著提高堆肥產品養分含量，提升堆肥品質，其中PTAB菌劑堆肥產品中全磷、全鉀、速效磷、速效鉀含量最高，TAB菌劑堆肥產品中全氮和速效氮含量最高。

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Effect of Microbial Agents on Composting Process and Product Quality of Rice Straw-Pig Manure-Mushroom Residue

SUN Xu1, HAO Yu-min2, SU Liang-hu1, CAI Jin-bang1*et al

(1.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing,Jiangsu 210042;2.College of Life Science, Nanjing Normal University, Nanjing,Jiangsu 210046)

[Objective]The aim was to study effects of microbial agents on compost product quality of agricultural wastes. [Method] A compost test was conducted by usingrice straw-pig manure-mushroom residue as main materials to study the effects ofTrichodermaviride,Aspergillusniger,Bacillussubtilis(TAB) andPhomopsisasparagiB3,Trichodermaviride,Aspergillusniger,Bacillussubtilis(PTAB) on composting process and quality through determining the changes of temperature, pH, organic matter, cellulose and lignin, seed germination rate, number of microbial, nutrient content in the composting process. [Result] In the control treatment the highest temperature was 53 ℃, and the high temperature sustaining time was only 4 days, the highest GI was 93.00% and the highest organic matter decreased by 32.85%. In the composting treatment with microbial agents TAB and PTAB the time of reaching high temperature were 2 days and the high temperature sustaining time were respectively 5 and 7 days, while the highest temperature were 59℃ and 65℃, respectively. At the end of composting, the GI of the composting treatment with microbial agents TAB and PTAB increased by 3.0% and 13.0%, while the content of organic matter were decreased by 8.73% and 23.58%. At the maturity, it was found that the composting treatments with microbial agents TAB and PTAB, had higher contents of available,-N, -P, -K than the control treatment, significantly improved the compost product quality. [Conclusion] In the view of composting maturity and quality, the accelerating effect of PTAB on rice straw and pig manure compost was better than TAB.

Microbial agents; Compost process; Compost quality; Rice straw; Pig manure

“十二五”國家科技支撐計劃(2014BAL02B04-02)。

孫旭(1986- )，男，湖北襄陽人，助理研究員，博士，從事農業廢棄物資源化技術研究。*通訊作者，副研究員，博士，從事農村環境污染防治研究。

2016-08-10

S 141.4

A

0517-6611(2016)27-0167-05