添加菌劑YX-3對豬糞堆肥氮素轉(zhuǎn)化的影響

莫云 尹紅梅 杜東霞 汪彬 劉惠知 劉標

摘 要：為了減輕堆肥過程中氨氣釋放的污染及氮素損失，以豬糞和稻草為原料進行了模擬堆肥試驗，研究添加菌劑YX-3對豬糞堆肥處理過程中氮素轉(zhuǎn)化的影響。結(jié)果顯示：添加菌劑YX-3對堆體的溫度無顯著影響，均可達到堆肥高溫無害化的要求，但可以降低堆體的pH值，加速堆肥腐熟。與對照相比，添加功能菌劑YX-3，可以顯著降低堆體的銨態(tài)氮含量，減少氨氣的揮發(fā)量;堆肥結(jié)束時，硝態(tài)氮、全氮含量較對照分別提高37%和11.7%。表明菌劑YX-3在豬糞堆肥過程中具有較好的降氨除臭和保氮的效果。

關鍵詞：豬糞堆肥;菌劑YX-3;氮素變化;除臭保氮

中圖分類號：S141.4文獻標識碼：A文章編號：1006-060X（2020）03-0057-04

Abstract： In order to reduce the pollution of NH3 emisson and nitrogen loss during pig manure composting， a simulated composting experiment was performed using pig manure and rice straw as raw materials， and the effect of adding microbial inoculum YX-3 on nitrogen transformation during the composting process was studied. The results showed that the microbial inoculum YX-3 had no significant effect on the temperature of the compost， meeting the requirement of high-temperature harmlessness of the compost; at the same time， YX-3 reduced the pH value of the compost and accelerated the compost decomposition. Compared with the control， the addition of functional microbial inoculum YX-3 significantly reduced ammonium nitrogen content of the compost and reduced the volatilization of ammonia; at the end of composting， nitrate nitrogen and total nitrogen contents of the compost increased by 37% and 11.7% respectively. It demonstrated that microbial inoculum YX-3 had good effects on reducing ammonia emission， deodorizing and nitrogen conservation in the process of pig manure composting.

Key words： pig manure composting; microbial inoculum YX-3; nitrogen transformation; nitrogen preserving and deodorizing

堆肥作為一種有機固體廢棄物資源化、無害化的有效處理技術(shù)，廣泛運用于畜禽糞便的處理。畜禽糞便堆肥產(chǎn)品可提高土壤有機質(zhì)含量，提高作物的產(chǎn)量，提升農(nóng)作物的品質(zhì)。但是在畜禽糞便堆肥過程中，會產(chǎn)生大量的惡臭氣體，如氨氣、揮發(fā)性含硫化合物和其他揮發(fā)性有機污染物（VOCs）等[1-4]，嚴重影響人類的生存健康。伴隨人類對有機食品需求量的增加，有機肥的需求量也隨之增加，堆肥帶來的惡臭污染問題急需解決。

NH3是堆肥臭氣中最主要的成分之一，不但污染空氣，其釋放還降低了堆肥產(chǎn)品中氮素的含量。研究表明，在堆肥過程中主要通過微生物的氨化作用產(chǎn)生氨氣，產(chǎn)生量最多的時期是升溫期和高溫期，該階段的氨氣揮發(fā)量占總氨氣揮發(fā)量的50%～70%[5，6]。堆肥降氨除臭保氮的方法很多，其中微生物添加法是目前治理臭氣的一種有效方法[7]。微生物添加法是指在堆肥中添加除臭功能菌劑，利用微生物的代謝，減少臭氣成分的產(chǎn)生和釋放。微生物添加法可兼顧除臭和保氮兩方面的要求，是較佳的除臭保氮方法。目前，日本、德國、荷蘭等國家在微生物除臭方面取得了較好的成果[8]，我國近年來在微生物除臭菌株的篩選及除臭工藝的研發(fā)方面開展了較多的工作[9-11]。在前期研究中，從實驗室分離篩選到1株在模擬實驗條件下降氨效果較好的暹羅芽孢桿菌YX-3[12]，筆者進一步分析了該菌株在豬糞堆肥過程中各種氮素形態(tài)的含量變化，旨在為規(guī)模化豬糞堆肥過程中NH3的控制和氮素營養(yǎng)的保留提供理論依據(jù)和技術(shù)指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堆肥原料：豬糞，水稻秸稈（切割成3～5 cm小段）。堆肥添加菌劑：湖南省微生物研究所微生物資源利用室發(fā)酵生產(chǎn)的菌劑YX-3（發(fā)酵液的活菌數(shù)約為3.0×109CFU/mL）。

1.2 試驗設計

試驗于2018年4—5月進行，共進行30 d。將豬糞和水稻秸稈按3∶1（鮮重質(zhì)量比）比例進行混合，調(diào)節(jié)堆體的C/N約為25∶1，含水量約為60%，采用條垛式堆肥，長、寬、高分別約為1.5 m。試驗設2個處理，（1）對照組：豬糞+水稻秸稈;（2）實驗組：豬糞+水稻秸稈+3‰降氨菌劑YX-3（3 L/kg）。每個處理設重復3次，根據(jù)堆溫變化進行人工翻堆，分別于堆肥的開始、第3、6、9、12、15、20、25、30 d在堆體的四角和中心5個點，深約30 cm左右取樣，混合均勻，各處理每次取樣約500 g。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 溫 度 每天11：00用水銀溫度計從堆體頂部至30 cm深處測定堆肥溫度，同時測定環(huán)境溫度。

1.3.2 pH值及全氮（TN）含量 參照我國有機肥料農(nóng)業(yè)行業(yè)標準《NY 525—2012》中的方法測定。

1.3.3 堆肥樣品銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）含量 分別采用靛酚藍比色法和紫外分光光度法測定[13]。

1.3.4 NH3的收集與測定 參照張生偉[9]的方法進行，即采用大氣采集儀采集空氣中的NH3，在大型氣泡吸收管里裝入10 mL硫酸吸收液，以0.5 L/min的流量采氣5L，采樣后室溫保存，于24 h內(nèi)采用納氏試劑比色法測定NH3含量。

1.3.5 種子發(fā)芽指數(shù)（GI） 取10 g堆肥樣加入100 mL蒸餾水，150 r/min振蕩1 h后過濾。 吸取5 mL濾液，加入到鋪有雙層濾紙的9 cm培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿均勻擺放20粒蘿卜種子，在培養(yǎng)箱中25 ℃暗培養(yǎng)48 h，統(tǒng)計發(fā)芽率并利用游標卡尺測定種子根長，以蒸餾水作為對照。

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）=（堆肥處理的種子發(fā)芽率×種子根長）/（對照的種子發(fā)芽率×種子根長）×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2003軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理和繪圖，使用SPSS 18.0軟件進行各處理間顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥溫度和pH值的變化

由圖1可見，處理組和試驗組的堆體溫度變化趨勢基本一致，主要有4個階段，分別為升溫期、高溫期、降溫期和穩(wěn)定期。對照組和添加了降氨菌劑YX-3的試驗組分別在堆肥的第5 d、第4 d達到高溫期（≥50℃），堆體高溫（≥50℃）維持時間均>13 d，達到高溫堆肥的無害化要求（GB 7959—2012）。在高溫期，各堆體溫度出現(xiàn)反復波動起伏，是由于翻堆造成熱量散失所致。但是，接種菌劑YX-3的處理與對照相比，溫度差異不明顯，可能是由于豬糞自身含有的微生物在生長繁殖過程中產(chǎn)生了大量的熱量，可以維持堆體的高溫。

豬糞堆肥pH值隨時間的變化如圖2所示，各組的初始pH值在7.30左右，且均呈現(xiàn)出先上升后下降，然后趨于穩(wěn)定的趨勢。在堆肥前期，由于微生物分解有機氮產(chǎn)生了大量的銨態(tài)氨并積累在物料中，使得pH值迅速增大，對照組和試驗組的pH最大值分別出現(xiàn)在第9 d和第12 d，分別為8.45和8.03。此后，由于堆體溫度的降低、堆體中有機氮氨化作用的減弱及硝化作用的增強，堆體的pH值逐漸降低。堆肥結(jié)束時，對照組和試驗組的pH值分別為7.68和6.71，說明菌劑YX-3的添加可顯著降低最終堆肥產(chǎn)品的pH值（P<0.05）。

2.2 堆肥過程中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量變化

研究表明，銨態(tài)氮含量（NH4+-N）與氨氣的釋放量呈顯著正相關[14]。銨態(tài)氮含量的變化如圖3所示，菌劑添加組和對照組的銨態(tài)氮含量均呈先上升后下降的趨勢。在堆肥初期，堆體中氨化微生物的代謝活躍，銨態(tài)氮含量快速升高，對照組和試驗組的最大值分別為1 773.8 mg/kg 和1 434.5 mg/kg。此后隨著氨氣揮發(fā)以及堆體中有機氮含量的減少，各堆體的銨態(tài)氮含量均呈下降趨勢。堆肥結(jié)束時，試驗組的銨態(tài)氮含量（497.4 mg/kg）顯著低于對照組（665.8 mg/kg） （P<0.05），說明豬糞堆肥中添加一定量的菌劑YX-3可以降低堆體的銨態(tài)氮含量，有利于減少氨氣的釋放。

如圖4所示，堆肥前6 d，堆體中的氨化細菌代謝活躍，有機氮在微生物的作用下主要分解為銨態(tài)氮，兩組堆體的NO3--N含量均保持在較低水平;之后，堆體的氨化作用減弱，硝化作用加強，硝態(tài)氮含量大量增加。堆肥結(jié)束時，對照組和實驗組的NO3--N含量比堆肥初期分別增加了238%和351%，試驗組較對照提高了37%，增加幅度明顯大于對照。

2.3 堆肥中全氮（TN）含量變化

各處理的全氮含量在堆肥前期快速降低，后期略有升高，都有不同程度的氮素損失（圖5）。堆肥結(jié)束時，對照組和試驗組的全氮含量比堆肥初期分別降低了24.5%和17.6%，添加菌劑YX-3的全氮含量比對照處理高11.7%。可見，添加一定量的菌劑YX-3，可以減少氮素的流失，有利于提高堆肥的氮素營養(yǎng)含量。

2.4 堆肥過程中揮發(fā)性氨的變化

如圖6所示，堆肥過程中各處理的氨氣的釋放速率均呈先上升后降低的趨勢。在堆肥初始階段，由于堆體的氨化作用強烈和堆溫快速升高，氨氣的釋放速率快速上升;對照組和添加YX-3的試驗組的氨氣釋放速率均在堆肥的高溫期達到最大值，分別為7.89 mg/kg和6.27 mg/kg ，與銨態(tài)氮含量的峰值出現(xiàn)基本在同一時間。此后，隨著有機氮的消耗，氨氣釋放速率逐漸減小。與對照相比，添加菌劑YX-3的處理降低了氨氣釋放速率的最大值，有利于堆肥的除臭保氮。

2.5 菌劑添加對堆肥腐熟度的影響

根據(jù)堆肥無害化要求，堆肥產(chǎn)品的種子發(fā)芽指數(shù)≥80%時，堆肥產(chǎn)品不會對植物產(chǎn)生毒害作用，完全達到腐熟。在堆肥第15 d時，對照組和菌劑添加組的GI分別為76.4%和91.2%，兩者差異顯著。隨著堆肥時間的延長，種子發(fā)芽指數(shù)逐步增大，堆肥結(jié)束時，各處理產(chǎn)品種子發(fā)芽指數(shù)均在160%以上，已完全腐熟。這說明，在堆肥中加入適當量的菌劑YX-3可縮短腐熟時間，促進堆肥腐熟。

3 小結(jié)與討論

添加外源微生物菌劑，可調(diào)節(jié)堆體中的菌群組成結(jié)構(gòu)，改變堆肥中含氮物質(zhì)的代謝途徑，有利于減少堆肥氨氣的釋放和氮素營養(yǎng)的保留[14]。以豬糞和稻草為原料進行好氧堆肥，在30 d的模擬堆肥試驗中，添加菌劑YX-3對堆體的溫度變化無顯著影響，但可以降低堆體的pH值，促進堆肥的快速腐熟（提高同時期堆肥產(chǎn)品的GI值）。與對照相比，添加功能菌劑YX-3，可以顯著降低堆體的銨態(tài)氮含量，減少氨氣的揮發(fā)量;堆肥結(jié)束時，硝態(tài)氮、全氮含量較對照分別提高37%和11.7%。綜合各項指標來看，菌劑YX-3在豬糞堆肥過程中具有較好的降氨除臭和保氮效果，在堆肥工程中具有一定的實用價值。

堆體的氮素形態(tài)主要包括有機氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和氨氣等，各種形態(tài)的氮素在微生物的作用下發(fā)生復雜的轉(zhuǎn)化，主要包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、固氮作用等。堆肥中氮素的損失主要由升溫期和高溫期的大量氨氣揮發(fā)導致，而氨氣的揮發(fā)量主要與堆體的溫度、pH值、銨態(tài)氮濃度等有關。此試驗中，氨氣的釋放量與氨態(tài)氮含量、pH值呈正相關，菌劑YX-3的添加可以顯著降低堆肥的銨態(tài)氮含量和pH值，有利于改善堆肥的降氨除臭保氮功能。菌劑YX-3能夠降低銨態(tài)氮的含量可能有以下兩方面原因：（1）菌株YX-3通過氮素競爭利用機制抑制有機氮向銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化;（2）菌株YX-3可抑制堆體中其他土著氨化細菌的生長，從而抑制了氨化作用的強度，具體的機制有待后續(xù)進一步的研究。

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（責任編輯：張煥裕）