微生物菌劑對菜粕好氧堆肥發酵的影響

戴美玲，江 濤，譚 美，何偉豪，盧盛杰，向鐵軍

（湖南金葉眾望科技股份有限公司，湖南 臨湘 414300）

0 引言

自20 世紀80 年代起，我國一直是全球最大的菜籽產出國，每年菜籽產量超過1 100萬t，產生的菜籽餅粕超過600 萬t［1］。菜粕含有大量的粗蛋白和粗纖維，以及多種礦質元素和維生素，是一種傳統的高端有機肥［2］。研究表明，施用菜粕能增加土壤菌落多樣性和微生物活性［3］，可改善烤煙等作物的品質，增加產量［4］。傳統的菜粕堆肥工藝存在發酵周期長、養分易流失、質量不穩定、堆肥產品無害化指標難以保證等問題。隨著現代生物技術的蓬勃發展及高效化應用，接種微生物菌劑已成為堆肥發酵中的常用手段，這能加快堆肥腐熟進程，減少臭味物質產生，促進養分的轉化與生成，提高產品的肥效［5］。目前我國市場上的促腐菌劑產品種類繁多，質量參差不齊，可用作腐熟劑的菌種也多達四十余種［6］。因此，需要針對不同種類的發酵物料篩選出適宜菌種，以便保證堆肥發酵效果。本試驗通過在菜粕堆肥中添加4 種不同微生物發酵菌劑，觀測發酵過程中溫度、pH、電導率、有機質含量、全氮含量、植物種子發芽指數等主要參數的變化，評價各種微生物菌劑的促腐效果，以期篩選出適合菜粕快速發酵的腐熟菌劑，為菜粕的無害化處理和資源化利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗以菜粕（基本理化性質見表1）為單一原料，氧化鎂為輔料。實驗采用的4 種微生物發酵菌劑均為市售，分別為菌劑1（河南新仰韶生物科技有限公司生產的腐熟劑）、菌劑2（滄州旺發生物技術研究所有限公司生產的秸稈腐熟劑）、菌劑3（山東未來生物科技有限公司生產的有機物料腐熟劑）、菌劑4（湖南山河美生物環保科技股份有限公司生產的益肥寶）。

表1 菜粕的基本理化性質

1.2 實驗方法

實驗共設5 個處理，分別為：CK，菜粕+輔料；T1，菜粕+輔料+菌劑1；T2，菜粕+輔料+菌劑2；T3，菜粕+輔料+菌劑3；T4，菜粕+輔料+菌劑4。所有處理所用的菜粕、輔料均相同，堆肥物料起始碳、氮質量比約為25，w（H2O）在45%左右，pH值約7.5。

實 驗于2019 年6 月18 日 至2019 年7 月18 日在湖南金葉眾望科技股份有限公司廠區內進行。實驗采用條垛式堆肥發酵處理，先將菜粕、氧化鎂、水等原料混合，再加入發酵菌劑，充分混勻，然后將混合物料運送至發酵槽內，堆成高≤1.5 m的條垛狀堆體。發酵期間，堆體每天進行1次翻拋。

1.3 采樣及分析

實驗期間，于每天上午9∶00—10∶00（翻拋前）觀測堆體溫度，隨機取5 個點進行檢測，溫度計插入堆體約20 cm，取平均值為當天堆肥溫度，并記錄當天發酵車間的室內溫度。

實驗期間按照五點取樣法在各表層（切面（≤20 cm）、中層（20 ～40 cm）、深層（≥40 cm））取樣，混勻，分析水含量、pH、電導率、有機質含量、全氮含量、酸溶蛋白含量等指標。

物料水含量測定采用105 ℃真空烘箱法［7］；全氮（TN）測定采用凱氏定氮法［7］；有機質（OA）含量測定采用重鉻酸鉀容量法［7］；電導率（EC）采用mettler Toledo FE30k臺式電導率儀測定；pH值采用mettler Toledo FE20 實驗室pH 計測定；酸溶蛋白含量測定參照GB/T 22492—2008中的方法進行。

種子發芽指數（GI）的測定：為確定堆肥的腐熟程度，在發酵10 d、15 d 和20 d 后對各處理堆肥進行種子發芽實驗。堆肥鮮樣按固液質量比1：20加入蒸餾水浸提，200 r/min 振蕩2 h 后過濾，取濾液5 mL 于事先鋪有濾紙的培養皿中，均勻放入10 粒飽滿的黃瓜種子，在25 ℃恒溫培養箱中培養24 h，測定發芽率和根長。每個樣品3 次重復，以蒸餾水作空白對照。按公式（1）計算種子發芽指數：

1.4 數據分析

采用Excel 2013 對實驗數據進行處理，同時采用SPSS20進行方差分析和多重比較（LSD法）。

2 結果與分析

2.1 不同發酵菌劑對堆體溫度的影響

不同發酵菌劑對堆體溫度的影響見圖1。由圖1 可知，堆肥過程經歷升溫階段、高溫階段（堆肥溫度≥55 ℃）、降溫腐熟階段，4個菌劑處理升溫階段和高溫階段的溫度顯著高于CK。從升溫速度來看，4個菌劑處理均在1 d后就達到55 ℃，比CK 提前5 d；從高溫維持時間來看，T1、T2、T3、T4 處理高溫期（55 ℃以上）維持時間分別為18、18、20、20 d，比CK 多6 ～8 d，所有處理都達到了菜粕發酵無害化衛生要求；從堆肥最高溫度來看，T2>T1>T3>T4>CK；從堆體溫度降到50 ℃以下的堆肥時間來看，T1、T2、T3 為22 d，T4 為24 d，而CK 為28 d。綜上分析，添加不同微生物菌劑對菜粕好氧堆肥發酵的影響不同，其中T2 處理效果最佳。

圖1 不同處理對堆體溫度的影響

2.2 不同發酵菌劑對堆體pH值的影響

不同發酵菌劑對堆體pH值的影響見圖2。從圖2 可知，除發酵第7 ～10 天，4 個菌劑處理pH 值高于CK 外，其余4 個菌劑處理pH 值均低于CK。所有處理的pH 值均呈現出下降、上升、再下降的變化趨勢，CK 處理的整個發酵過程中pH 值變化波動較小，4 個菌劑處理在0 ～10 d 變化幅度較大，在發酵15 d 后，趨于平穩，約為中性。發酵過程中pH 的降低是因為糖類被微生物消耗產生有機酸、酶解粗蛋白產生氨基酸以及NH3的揮發，升高則是由于含氮物質被分解產生NH3-N［8］。本實驗結果初步表明添加菌劑的堆肥中微生物分解蛋白質及有機物的活動較劇烈，且主要發生在發酵前10 d內。

圖2 不同處理對堆體pH的影響

2.3 不同發酵菌劑對堆體電導率的影響

不同發酵菌劑對堆體電導率的影響見圖3。研究表明，當EC 值小于9.0 mS/cm 時，對種子發芽沒有抑制作用［9］。由圖3 可知，各處理堆肥EC 值的變化趨勢整體表現為上升，中間呈動態變化。發酵30 d 后，各處理的EC 值由大到小為T1>T4>T2>T3>CK，整個發酵過程中各處理的EC 值均介于5.5～7.5 mS/cm，符合堆肥無害化處理的要求。

圖3 不同處理對堆體電導率的影響

2.4 不同發酵菌劑對堆體有機質含量的影響

圖4 不同處理對堆體有機質含量的影響

不同發酵菌劑對堆體有機質含量的影響見圖4。由圖4 可知，所有處理有機質含量變化趨勢相同，都表現為逐漸降低，CK 處理的有機質含量降低幅度較小，這初步說明，在此發酵條件下，添加微生物菌劑有利于堆肥中有機物質的降解和轉化。最終，CK、T1、T2、T3、T4 處理的w（有機質）較初始值分別降低了7.27%、12.12%、13.97%、15.19%、11.95%。

2.5 不同發酵菌劑對堆體全氮含量的影響

不同發酵菌劑對堆體全氮含量的影響見圖5。由圖5 可知，菜粕堆肥中全氮含量隨發酵時間的延長而增加。添加微生物菌劑的4 個處理全氮含量增長較快，增幅較大，T2 處理的全氮含量最高，固氮效果最好。

圖5 不同處理對堆體全氮含量的影響

2.6 堆肥后種子發芽指數的比較

種子發芽指數能有效反映堆肥的腐熟度與植物毒性大小，一般當GI>50%時，認為堆肥基本腐熟，毒性在植物可承受范圍內，GI≥80%時，認為堆肥已完全腐熟，沒有毒性［10］。堆肥后種子發芽

圖6 不同處理的堆肥浸提液對種子發芽指數的影響

如圖6 所示，3 個發酵時間中，添加菌劑處理的黃瓜種子發芽指數均大于CK。發酵10 d時，4個菌劑處理的GI值均在50%以上，在發酵15 d 時，4個菌劑處理的GI 值均大于80%，尤其是T1、T2 處理的GI值在100%以上，表明堆肥浸提液不但已完全無毒，且對黃瓜種子的萌發有促進作用；而CK在發酵20 d 后其GI 值才大于80%，達到完全腐熟。實驗結果說明添加微生物菌劑具有提高黃瓜種子發芽指數，促進種子生長的作用，其中菌劑2 效果最好，其次為菌劑1。

2.7 堆肥后酸溶蛋白含量的比較

圖7 不同處理對堆體酸溶蛋白含量的影響

3 討論

堆肥溫度的高低不僅與發酵物料本身的特性有關，還與發酵菌劑的種類有關，它能左右微生物的活性，關乎堆肥效率，堆肥無害化衛生要求55 ℃以上需持續5 ～7 d，以殺死堆肥中病蟲卵和有害菌［11］。本研究中，所有處理在55 ℃以上均持續了12 d 以上；添加菌劑處理達到55 ℃的時間比CK 提前了5 d，高溫維持時間延長6 ～8 d，其中菌劑2 與菌劑1的效果最佳。

堆肥化的本質就是各類有機物質被微生物不斷分解轉化的過程，本研究中，添加菌劑的處理pH變化大于CK；電導率的變化與陳裕新等［12］研究結果相同，呈現出上升的趨勢，表明堆肥發酵過程中養分離子在不斷地釋放，且表現為添加菌劑的處理EC 值相對較高；添加菌劑的處理有機質含量和全氮含量變化幅度大于CK，這說明微生物菌劑有利于堆肥氮素形態的轉化與固定，減少氮流失；發酵完全后，添加菌劑的處理酸溶蛋白含量遠高于CK，這說明添加微生物菌劑能促進堆肥中粗蛋白的降解，提高有機肥的品質。

在本研究中發現，添加菌劑處理的種子發芽指數隨發酵時間的推移先升高后下降，這與大多數的研究結果并不一致。推測原因為菜粕發酵過程中可溶性鹽逐漸增多，在一定濃度范圍內這些可溶性物質能促進種子發芽和生長，但濃度過高時，反而產生了抑制作用［13］。15 d 時，添加菌劑處理的堆肥浸提液pH 和可溶性鹽的濃度效應相互抵消，此時浸提液對種子萌發產生了極顯著的促進作用，這意味著菜粕堆肥毒性降至最低，腐熟完全［13］；但當堆肥繼續發酵導致浸提液中可溶性物質增加且pH 值降低，就產生了抑制作用，使發芽指數降低。CK 未出現上述趨勢是因為其菜粕堆肥發酵腐熟慢，物質降解慢，在20 d時浸提液中可溶性物質還未到達臨界濃度值。

綜上所述，添加微生物菌劑可加快菜粕好養堆肥升溫速度，提高堆體最高發酵溫度，減少發酵腐熟所需時間，減少養分流失，提高養分轉化率，降低植物毒性，使堆肥的品質得到明顯改善。在此發酵條件下，4 個微生物發酵菌劑中，菌劑2 的效果最顯著，是篩選出的適合菜粕好養堆肥發酵的經濟優良菌劑。