微生物菌劑加速廢棄物堆腐的效應

周新偉++沈明星++王海候++施林林++陸長嬰++金梅娟

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.126

摘要：研究了微生物菌劑對農業廢棄物堆腐效率、基質育秧質量及基質生產經濟效益的影響。采用金針菇菇渣、酒糟等廢棄物組成的高溫好氧堆體，研究了微生物菌劑芽孢桿菌添加與否對水稻育秧基質堆腐效率、理化性質、基質育秧質量、經濟效益的影響。結果表明，添加微生物菌劑較不添加微生物菌劑提早腐熟8 d。二者的基質理化性狀、育秧質量這2種主要指標沒有顯著差異（P<0.05）且均達國家農業部行業標準NY/T 1534—2007《水稻工廠化育秧技術要求》中的壯秧標準，在金針菇菇渣、酒糟等廢棄物組成的高溫好氧堆體中添加芽孢桿菌0.33 kg/m3，在1個面積為 3 432 m2 的基質生產車間，每年可因縮短堆腐時間而增產21.5%，新增利潤57 084.5 元。

關鍵詞：堆肥；微生物菌劑；農業廢棄物；水稻育秧基質；經濟效益

中圖分類號： S141.4；X71文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0434-04

收稿日期：2015-08-04

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAD14B12-03）；江蘇省科技支撐計劃（編號：BE2013334）；江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（14）2105]；江蘇省蘇州市科技支撐計劃 （編號：SNG201349）。

作者簡介：周新偉（1971—），男，江蘇蘇州人，副研究員，主要從事農業資源與環境研究。E-mail：zxw0512@163.com。

通信作者：沈明星，研究員，主要從事農業生態研究。E-mail：smxwwj@163.com。好氧堆腐（堆肥）是一種處理固體有機廢棄物并實現廢棄物無害化、資源化的有效方法，廣泛應用于有機肥、基質等生產中。傳統的堆肥法堆肥腐熟的時間常需2個月，堆制過程中周圍惡臭難聞，污水流淌，蚊蠅滋生，成為農業環境中重要的污染源。因此如何縮短堆制時間，使新鮮固體有機廢棄物快速腐熟，是現代農業生產中急待解決的問題。由于傳統堆肥腐熟過程主要是一個由自然微生物參與的生理生化過程，因而有可能利用添加外源微生物來加速該過程。接種微生物促進堆肥腐熟的機理有：（1）提高堆肥初期微生物的群體，增強微生物的降解活性；（2）縮短達到高溫期的時間；（3）接種分解有機物質能力強的微生物[1]。但是，在生產實踐中縮短堆制天數的差異極大，有縮短2～3 d的，也有縮短28 d的[1]，另一方面，由于微生物菌劑等成本的增加，有的經濟效益提高，有的卻反而下降[2]。機插水稻是江蘇省目前采用的主要栽培技術，目前的機插水稻育秧主要采用營養土育秧與非土育秧的方式，后者由于節省勞力、防止破壞土層、秧盤輕便、利于工廠化培養等優點而發展更快，筆者采用金針菇菇渣、酒糟等農業固體廢棄物為原料，研究了微生物菌劑添加對縮短基質堆制天數、堆體理化性質變化及育秧質量的影響，并分析了添加生物菌劑對基質生產效率及經濟效益的影響，為農業廢棄物的資源化利用提供科學依據。

1材料與方法

1.1材料

金針菇菇渣取自江蘇省太倉市食用菌生產企業，酒糟取自太倉新太酒精有限公司，系木薯發酵的下腳料，細沙取自太倉市食品生產企業，系清洗土豆的殘余物，基質原料的基本情況見表1。微生物菌劑芽孢桿菌采購自中國科學院微生物研究所，系固體粉劑，含有效活菌數≥0.5×108個/g。堆肥箱是2個專門設計的正方體塑料箱，箱體長寬高均為1 m，底板密布直徑2 cm氣孔，呈蜂窩狀分布，并設有鼓風用的通風口，側面設有取樣孔，頂面設一活動箱蓋。鼓風機是韓松牌HS-550S型高壓旋渦氣泵，供試水稻品種為中熟晚粳的南粳46，水稻播種機采用云馬自牌流水線播種機，壯秧劑采購自江蘇無錫坊前杰偉壯秧劑有限公司，含活性物丙酮-乙醇溶解物0.5%～2.0%及氮、磷、鉀（N≥9%、P2O5≥6%、K2O≥4%），育秧盤為塑料硬盤，規格58 cm×28 cm。

1.2試驗設計

1.2.1育秧基質堆腐試驗試驗于2014年7—10月在江蘇省蘇州市太倉綠豐生物肥料有限公司內進行，堆腐原料為金針菇菇渣、酒糟、細沙的混合物，按體積比1 ∶7 ∶2混合，試驗設添加微生物菌劑與不添加微生物菌劑（CK）2 種處理，每處理各3個重復（堆肥箱），微生物菌劑加入方法為1 m3堆體原料中加入芽孢桿菌固體粉劑0.333 kg，在堆腐前混料時均勻加入，堆腐時間從2014 年7 月29 日至2014 年9 月22 日，共56 d。通過底部鼓風的方法增加氧氣，每天開啟鼓風機0.5 h進行增氧。各處理在堆腐8 d加水20 kg/m3，堆腐15 d進行1次翻堆。堆體初始含水率為60%～65%。

1.2.2育秧試驗試驗采用單因素隨機區組設計，采用“1.2.1”方法生產的育秧基質，設添加壯秧劑及不加壯秧劑（CK）2種處理，每處理為3個育秧盤，壯秧劑添加方法為每 1 m3 基質中加入壯秧劑2 kg拌勻。育秧在太倉市城廂鎮萬豐村海豐農場育秧大棚內的秧架上進行，采用工廠化生產方式，育秧時間為2014 年5 月28 日至2014 年6 月10 日，共 14 d，播種量為芽谷150 g/盤，采用云馬自牌自動流水線播種機播種，播種后采用與當地工廠化育秧相同的栽培管理方法。

1.3采樣及測定

1.3.1采樣方法在基質原料堆腐后0、7、14、21、28、35、42、49、56 d各采樣1次。在翻堆充分拌勻后，在堆肥箱內按5點采樣法采樣。育秧結束后進行秧苗素質考察，每盤取3個具有代表性的8 cm×8 cm方塊，清點成苗數；每盤取20株代表性秧苗，觀察葉齡、葉數、苗高、莖基粗、根系長度、根系直徑、根表面積、根體積、根尖數、葉綠素SPAD值、單株葉面積；每盤取100株烘干后稱質量，計算根冠比；每盤秧測定 5處不同點的根系盤結力。

1.3.2堆體理化、生物指標測定溫度測定：每天上午 09：00 用溫度計測定堆體上、中、下3處溫度后取平均值。含水率測定：樣品置于105 ℃烘箱烘24 h，烘干水分至恒質量，計算水分含量；含碳量采用重鉻酸鉀-濃硫酸法測定；N、P含量采用硫酸-雙氧水消煮法測定；銨態氮、硝態氮采用2 mol/L CaCl2溶液1 ∶5浸提，再用流動分析儀測定；EC值：去離子水1 ∶5浸提（體積比），電導儀法測定；pH值：去離子水1 ∶5浸提（體積比），pH值計測定；灰分采用馬弗爐法測定。種子發芽指數測定：將新鮮堆肥樣品與水按體積比10 ∶1比例混合振蕩0.5 h，上清液經濾紙過濾后待用；把1張濾紙放入干凈無菌的9 cm培養皿中，濾紙上整齊擺放20粒小白菜（蘇州青）種子；吸取3 mL濾液于培養皿中，在25 ℃、黑暗條件下的培養箱中培養48 h，測定種子的發芽率和根長，同時用去離子水作空白對照。發芽指數計算公式為：GI=（堆肥處理的種子發芽率×種子根長）/（對照的種子發芽率×種子根長）×100%。

1.3.3秧苗素質測定育秧14 d后測定各處理秧苗單位面積成苗率、葉齡、苗高、莖基粗、地上及地下部干物質質量、根系盤結力、根系長度、根系直徑、根表面積、根體積、根尖數（采用WinRHIZO根系分析系統測定）、根系活力（TTC法）、單株葉面積、葉綠素SPAD值。

2結果與分析

2.1基質堆腐過程中的溫度變化

溫度是堆肥穩定度評價最簡便快捷的物理指標，當其趨于環境溫度時，表明堆肥已穩定[3]。基質堆肥過程中溫度的動態變化曲線如圖1所示，在堆肥起始階段，堆體溫度快速上升，堆腐1 d即分別達到49 ℃及51.2 ℃，添加微生物菌劑處理與對照均出現了2輪高溫期，添加微生物菌劑處理的2輪連續50 ℃高溫期累計達22 d，而對照達23 d，二者差別不大。前37 d內對照比添加微生物菌劑處理的平均溫度高 1.16 ℃，而后37 d添加微生物菌劑的平均溫度高于對照105 ℃。根據GB 7959—1987《糞便無害化衛生標準》的規定，高溫堆肥的高溫期為溫度達50～55 ℃，持續5～7 d[4]。本研究堆體均達到無害化要求。

2.2發芽指數的變化

目前較為公認的評價有機固體廢棄物腐熟度的指標為種子發芽指數（GI），GI值可綜合體現堆肥樣品的低毒性（影響根長）或高毒性（影響發芽），被認為是最敏感、可靠、有效和最能反映堆肥產品植物毒性、堆肥無害化和腐熟度參數的指標。Zucconi等認為，當GI值>80%時，堆腐完全腐熟[5]。圖2表明，發芽指數均呈倒拋物線分布，即先在高位，而后下降到谷底，再上升，這可能是因為堆腐原料大分子在起初未被分解，但仍不穩定，隨后在微生物作用下分解并釋放有機酸等有害物質，最后進一步分解成腐殖質為主的無害物質。分析表明，添加微生物菌劑完全腐熟需37.3 d（GI值>80%），未添加微生物菌劑（CK）需45.3 d，添加微生物菌劑較不用微生物菌劑提早腐熟8.0 d。

2.3堆體的理化指標

2種處理的理化性狀變化見圖3，含水率隨時間變化不大，均在60%左右，但由于添加微生物菌劑的初始含水率高于對照，因此其含水率堆腐期間一直高于對照；微生物菌劑對堆腐的pH值影響不大，二者基本保持同步，直到堆腐結束時穩定在72左右；2種處理的EC值均由堆前的0.64、0.75 mS/cm 先升高到14 d的0.8 mS/cm左右，然后逐漸下降到0.5 mS/cm左右，二者變化趨勢相同，最終差異不顯著（P<0.05），EC值表示堆肥中可溶性鹽的高低，表明隨著堆肥的進程，在微生物的作用下大量有機物降解為可溶性鹽類或腐殖質。堆體的起始C/N值為24左右，隨后均不斷下降，49 d時穩定在20左右，2個處理間在各階段基本沒有顯著差異（P<0.05）。C/N是最常用的堆肥腐熟度評價方法之一。一些研究者認為，堆體的C/N從最初的25～30降低到20以下時，即可認為堆肥已基本腐熟[6]。添加微生物菌劑與對照的NH4+-N/NO3--N從堆肥前的329.0、370.5，在7 d內迅速下降，添加微生物菌劑的在21 d時下降到0.1以下，對照在35 d下降到0.1以下，可見添加微生物菌劑的NH4+-N/NO3--N下降速度快于對照。這是由于堆體初始時的 NO3--N 含量低，導致堆料中NH4+-N/NO3--N值較高，隨著堆腐的進行，NO3--N含量逐漸增加，NH4+-N含量降低，使NH4+-N/NO3--N迅速下降。Bernai等研究認為堆肥中NH4+-N/NO3--N小于0.16可以認為已達腐熟[7]。

2.4基質育秧對秧苗地上及地下部分生長的影響

對添加及未添加微生物菌劑（對照）的育秧基質的基本理化分析結果（表2）表明，二者影響基質應用的主要性狀差異均不顯著，并均在合理范圍內，表明添加微生物菌劑與否沒有明顯影響基質的基本理化性狀。采用2種育秧基質在工廠化育秧大棚中進行育秧，14 d后考察秧苗生長狀況，處理間的單位面積成苗數、葉齡、莖基粗、單株鮮質量、單株干質量、單株葉面積、葉片SPAD值均無顯著差異（P<0.05），對照國家農業部行業標準《水稻工廠化育秧技術要求》（NYT 1534—2007）中壯秧標準（小苗）[8]，除了葉齡略低外，2種處理的其他指標均達壯秧標準，葉齡較小可能與本試驗育秧時間較短有關（表3）。

對2種處理的根系生長指標及生理活性測定結果表明，單株的根系長度、根系直徑、根表面積、根體積、根尖數、根系盤結力均無顯著差異（P<0.05）（表4）。

2.5添加生物菌劑對基質生產效率及經濟效益的影響分析

按蘇州市太倉綠豐生物肥料有限公司運行的1個面積為3 432 m2的基質生產車間（車間長78 m，寬44 m）計算，基質采用條垛式高溫堆肥方式生產，其中1/4面積用作后熟，1/4用作原料貯存，其余1/2面積用于條垛式高溫堆肥，基質條垛高1.1 m，基部寬2.8 m，1個車間1個堆制周期內同時可堆制5個條垛，共計975 m3。對比2種堆腐方法，添加微生物菌劑的條垛周期為37.3 d，不加微生物菌劑的條垛周期為 45.3 d，每年該車間通過縮短堆腐周期可以增產1 686.8 m3，較不加微生物菌劑增產21.5%（表5）。按本試驗使用芽孢桿菌0.33 kg/m3，市場價12 元/kg計，則每1 m3增加微生物菌劑成本3.96 元。該車間1年可因縮短堆腐周期增產而增加毛利潤63 768 元，去除新增加微生物菌劑成本6 680.5 元，使用此項技術每個車間可新增利潤57 084.5 元。

3結論

在堆肥的初期加入微生物菌劑可以促進堆肥腐熟，縮短堆制周期，這一點已被大多數學者證實[1]，然而在此問題上一直存在爭議，一種觀點認為堆肥原料中本身含有大量的微生物種類和數量，只要環境條件適宜，就會快速增長，而且添加的微生物又會增加堆肥成本和降低堆肥的營養成分；而另一種觀點認為向堆肥中添加微生物菌劑可以增加堆肥中有效的微生物數量，延長堆肥高溫持續時間，加快堆肥中的有機物的分解，從而縮短堆肥進程[9]。沈根祥等通過牛糞與秸稈高溫好氧堆肥，對添加微生物菌劑的堆肥處理與不添加微生物菌劑的常規堆肥處理進行比較后認為，添加微生物菌劑后，雖然堆肥產品年產量增加了20%，但是由于在目前微生物菌劑和堆肥產品的價格體系下，堆肥生產的經濟效益并沒有隨之提高，導致其利潤反而降低了28%[2]。本試驗研究了微生物菌劑對農業廢棄物堆腐效率、基質育秧質量及基質生產經濟效益的影響。結果表明，在金針菇菇渣、酒糟等廢棄物組成的高溫好氧堆體中，添加微生物菌劑芽孢桿菌較不添加微生物菌劑提早腐熟8 d，每個基質生產車間因提高堆腐效率而增產21.5%，扣除微生物菌劑成本后每個車間可新增利潤 57 084.5元/年，并且水稻基質育秧的主要質量指標達國家農業部行業標準NY/T 1534—2007《水稻工廠化育秧技術要求》中的壯秧標準（小苗）。在金針菇菇渣、酒糟等廢棄物組成的高溫好氧堆體中添加芽孢桿菌0.33 kg/m3，在1個面積為3 432 m2的基質生產車間，每年可因縮短堆腐時間而增產21.5%，新增利潤57 084.5 元。

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