棉稈腐熟過程中相關指標及可培養微生物數量的變化

代金平，王志方，王小武，馮 蕾，陳 競，謝玉清，張慧濤，古麗·艾合買提，楊新平

(新疆農業科學院微生物應用研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】農作物秸稈是指在農業生產過程中收獲了稻谷、小麥、棉花等農作物以后，殘留不能使用的莖、稈、葉、殼、芯、藤蔓等副產品。農作物秸稈營養豐富，其中碳、氧、氫3種元素化學成分總和占95%以上，其余為鉀、氮、磷、硅、鈣、鎂、硫等礦物質元素，有機成分以纖維素、半纖維素為主，其次為木質素、蛋白質、脂肪、灰分等[1]。堆肥是指在通風條件下經過微生物發酵，使有機物在人工控制下，將農作物秸稈轉變成腐熟肥料的過程。在分解過程中，可產生有效態氮、磷、鉀。【前人研究進展】堆肥的腐熟度評價是關系到堆肥安全利用的重要環節[2]。堆肥是指在通風條件下經過微生物發酵，使有機物在人工的控制下，將農作物秸稈轉變成腐熟肥料的過程。在分解過程中，可產生有效態氮、磷、鉀。通常堆肥可分為好氧堆肥、厭氧堆肥和厭氧-好氧堆肥3種方法，好氧堆肥又稱為高溫堆肥，特點是異味少、耗時短、有機分解充分，成為處理農作物秸稈首選方法[3]。【本研究切入點】在已有的研究中，針對棉稈腐熟度的研究相對較少[4]，目前較為認同的堆肥腐熟度的評價方法是采用多種分析方法測定多個指標，根據這些指標綜合反映堆肥的腐熟狀況[5]。研究不同處理堆肥發酵過程中相關指標及可培養微生物的變化規律。【擬解決的關鍵問題】以棉秸稈為原料，設置3種不同的添加物配方，在不同堆肥發酵階段對測定溫度、pH、電導率、速效氮、磷、鉀含量及可培養微生物(細菌、真菌、放線菌和特殊類群微生物-纖維素降解菌、木質素降解菌)。為棉秸稈的利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

棉花秸稈取自于新疆庫爾勒地區。

1.2 方 法

1.2.1 樣品處理

試驗以棉秸稈為原料，測得棉秸稈C/N比約50左右，粗纖維含量>50%，電導率為3 ms/cm，持水率>60%，N含量1%、P含量0.25%，K含量1%。取粉碎的棉秸稈樣品各10 kg(長度為2 cm)自然晾干，處理1(基礎配方)；處理2(基礎配方+磷酸二氫鉀0.8%)；處理3(基礎配方+磷酸二氫鉀2%)，進行不同處理后，對水7 kg，攪拌均勻，進行堆肥腐熟發酵28 d，在堆肥發酵第0、7、14、21和28 d時取樣。

表1 棉稈腐熟試驗設計

1.2.2 篩選培養基制備

細菌篩選培養基為營養瓊脂培養基；真菌篩選培養基為馬鈴薯葡萄糖瓊脂；放線菌篩選培養基為高氏一號合成培養基；纖維素降解菌篩選培養基為纖維素剛果紅培養基(配方為磷酸氫二鉀0.5 g，硫酸鎂0.25 g，羧甲基纖維素鈉0.25 g，剛果紅0.2 g，瓊脂14 g，明膠2 g，純凈水1 L，pH 7.0)；木質素降解菌篩選培養基為PDA-RB亮藍固體培養基(配方為馬鈴薯淀粉6.0 g，葡萄糖20.0 g，瓊脂20.0 g，純凈水1 L，亮藍0.01%，pH 5.6)。

1.2.3 堆肥腐熟不同階段溫度測定

從堆肥腐熟發酵開始時，將電子溫度計分別放入各處理中，每2 h記錄1次，直至腐熟第28 d取出。

1.2.4 堆肥腐熟不同階段pH及電導率(EC)測定

取堆肥發酵不同階段樣品10 g分別與去離子水1∶5混合，120 r/min室溫振蕩30 min，取浸出液待用。使用酸堿pH計和DDS-307電導率儀分別進行pH和EC值測定。

1.2.5 堆肥腐熟不同階段速效氮、磷、鉀測定

使用TFC智能普及速測儀測定棉稈發酵不同階段速效氮、磷、鉀的變化趨勢。

1.2.6 堆肥腐熟可培養微生物菌種的篩選

取堆肥發酵不同階段的樣品30 g，利用活菌計數方法進行梯度稀釋(10-1～10-9)，取各梯度液體100 μL涂布在相應培養基表面，28℃恒溫培養箱培養4 d。

2 結果與分析

2.1 堆肥腐熟不同處理不同階段溫度變化

在腐熟過程中經歷了升溫期、高溫期、降溫期和平穩期4個時期。CK組、處理2組在第3 d溫度升至最高，分別為52.98、49.07℃。處理1、處理3在第4 d溫度最高，為50.35、45.91℃。溫度下降至第7 d后，變化趨勢開始趨于平緩。在第7～14 d中，4組的溫度均在18.46 ～25.29℃的范圍內波動，出現小幅度的溫度回升。從第15～第21 d，溫度不再發生較大變化，且期間溫度整體低于第7～14 d的溫度。第27 d，CK組、處理1、2、3組的平均溫度分別為12.79、12.59、12.23和12.17℃，之后溫度略呈下降趨勢。圖1

圖1 不同處理發酵過程中溫度的變化

2.2 堆肥腐熟不同處理不同階段pH及電導率(EC)測定

研究表明，在棉秸稈發酵過程中，pH值隨發酵時間的變化而變化。4種處理的pH值先降低后升高，趨勢均相同。處理3的pH在第14 d降至最低，其余3組均在第21 d時降至最低，此后逐漸升高，在第28 d時pH升至最高。而處理1和處理2比CK組pH高，處理3的pH最低，范圍為8.59～8.89。圖2

圖2 不同處理發酵過程中pH的變化

研究表明，在發酵腐熟過程中，處理1、2、3所測得的EC值均高于CK組。各組的EC值均先降低后升高再降低，均在堆肥第14 d呈最低值，各處理組EC值分別為CK 2.79 ms/cm、處理1為3.42 ms/cm、處理2為2.96 ms/cm、處理3為3.7 ms/cm。在腐熟中后期逐漸升高，在腐熟末期再次降低。處理1和處理2的EC值變化趨勢相較平緩，至28 d，EC值均<4 ms/cm；處理3的EC值較其他處理組較高。圖3

圖3 不同處理發酵過程中電導率變化

2.3 堆肥腐熟不同處理不同階段速效氮、磷、鉀變化

研究表明，堆肥腐熟不同處理不同階段速效氮變化趨勢均為降低-增加-降低。在第14 d，速效氮濃度降至最低，CK、處理1、處理2、處理3分別為9.663、8.087、8.087和8.983 mg/kg。第21 d，濃度最高：21.000、16.833、17.033和49.867 mg/kg。第28 d，最終的濃度為10.673、11.467、13.133和13.483 mg/kg。圖4

圖4 不同處理發酵過程中速效氮濃度變化

不同處理的速效磷變化趨勢均相同為升高-降低-平穩。CK組和處理2在發酵腐熟期間速效磷的變化不大，第14 d略有升高。而處理1、處理3速效磷濃度升高的較為明顯，且處理3的濃度最高。第14 d，4組的濃度分別為153.633、934.700、153.867和3 321.900 mg/kg。第28 d濃度：61.167、136.133、88.100和147.000 mg/kg。圖5

圖5 不同處理發酵過程中速效磷濃度變化

不同處理速效鉀變化趨勢相同，先平穩后逐漸升高。第7～14 d，處理1速效鉀濃度升高，CK組、處理2、3降低，但變化較小。第21～28 d升高趨勢較第14～21 d的平緩。至第28 d，各處理組速效鉀濃度分別為1 107.333、1 186.333、1 120.333和1 168.667 mg/kg。圖6

圖6 不同處理發酵過程中速效鉀濃度變化

2.4 堆肥腐熟不同處理不同階段可培養微生物數量變化

2.4.1 堆肥腐熟不同處理不同階段細菌數量變化

研究表明，堆肥腐熟不同處理不同階段過程中，CK組細菌數量在堆肥7和14 d時，基本相同2.4×1010和2.847×1010cfu/g，在堆肥21 d時，細菌數量最低0.28×109cfu/g；處理1組在堆肥的過程中，在第21 d時細菌數最高，為8.02×1010cfu/g；處理2和處理3隨著堆肥時間細菌數量不斷減少。圖7

圖7 不同處理發酵過程中細菌數量變化

2.4.2 木質素降解菌數量變化

研究表明，在不同處理堆肥過程中，在堆肥7 d時，各處理木質素降解菌的數量均達到最高值，分別為CK 1.72×107cfu/g，處理1組2×107cfu/g，處理2組0.58×107cfu/g，處理3組4.17×107cfu/g；在堆肥14 d時，木質素降解菌數量處理1>處理2>處理3>CK；在堆肥21 d時，木質素降解菌數量CK>處理3>處理1>處理2；在堆肥28 d時，木質素降解菌數量處理3>CK>處理1>處理2，木質素降解菌數量分別為0.47×107、0.4×107、0.33×107和0.18×107cfu/g。圖8

圖8 不同處理發酵過程中木質素降解菌數量變化

2.4.3 纖維素降解菌數量變化

研究表明，不同處理堆肥過程中，CK隨著堆肥處理的時間纖維素降解菌數量呈現先減少，后增加的趨勢；處理1和處理2隨著堆肥處理的時間纖維素降解菌數量逐漸減少；處理3隨著堆肥處理的時間呈現先減少，但在堆肥21 d時纖維素降解菌數量達到最大值19.23×108cfu/g，然后又逐漸降低。圖9

圖9 不同處理發酵過程中纖維素降解菌數量變化

2.4.4 真菌數量變化

研究表明，CK和處理1在堆肥0和7 d真菌數量基本變化不大，但到堆肥14 d時，真菌數量均達到最大值為2.17×107和4×106cfu/g，然后又隨著堆肥時間不斷減少；處理2和處理3隨著堆肥時間呈現先增加后減少的趨勢，到堆肥21 d時，達到最大值，分別為5.75×106和5.83×106cfu/g。在堆肥28 d時，CK、處理1、處理2和處理3真菌數量分別為0.63×106、1.12×106、0.58×106和3.33×106cfu/g。圖10

圖10 不同處理發酵過程中真菌數量變化

2.4.5 放線菌數量變化

研究表明，CK和處理3隨著堆肥時間放線菌數量逐漸增加，在堆肥28 d時，分別達到最大值，CK為6.32×109cfu/g，處理2為3.42×109cfu/g；處理1隨著堆肥時間放線菌數量先減少后增加，在堆肥28 d時又減少，但在堆肥21 d時，放線菌數量達到最大值為4.78×109cfu/g。圖11

圖11 不同處理發酵過程中放線菌數量變化

3 討 論

堆肥的溫度是反映腐熟進程的一個直觀參數，溫度影響微生物的活動情況，并進一步影響有機物的分解速率[7]。溫度對微生物的生長起到很重要的作用。試驗中溫度從第2 d開始，有機質分解，產生CO2、H2O和熱量，使堆肥的溫度迅速升高[8]，進入發酵階段。從第21～28 d，溫度先平緩后下降，接近環境溫度，初步表明堆肥中有機物被分解。試驗中在堆肥第7、14、21和27 d，溫度都出現下降，可能是翻堆取樣時造成了部分熱量損失。

pH值是影響微生物生長的重要因素之一。一般來說，pH值在3～12較適合進行堆肥發酵[9]，pH值在7.5～8.5時，獲得的堆肥效益最大。試驗中處理3的pH更接近理想值，因此，更適合微生物的生長和底物降解。董曉宇等[11]用玉米秸稈粉為發酵原料進行堆肥，發酵結束后pH值均呈現減小的趨勢。EC值是堆肥腐熟的必要條件。檢測發酵材料中的EC值，可以反映農作物廢棄物堆肥發酵后浸提液中可溶性鹽的含量。可溶性鹽含量過高，會直接對植物造成毒害，使植物根部失水。

堆肥前期，溫度和氨的濃度較高，隨著二者的逐漸降低，氨態氮含量減少，速效氮含量小幅下降。隨著腐熟的進行，溫度下降，硝化菌開始代謝旺盛，硝態氮含量增加，速效氮總含量增加。堆肥后期，氮逐漸被微生物消耗降解，另一方面氨態氮以氨氣的形式揮發，速效氮總含量下降[8]。處理3在腐熟第21 d時，速效氮含量明顯高于其他組，表明對硝化菌的硝化作用有一定影響。速效磷在堆肥中不存在分解揮發，前期由于有機質被微生物分解成CO2、NH3等氣體溢出，令堆肥的速效磷相對含量增加，隨著發酵中微生物的固定同化作用，速效磷的含量下降。速效鉀變化比較穩定，呈現增加趨勢，主要是由于堆肥質量和水分的減少而產生的“濃縮作用”[14]。王雪萍等[15]的研究表明：速效氮含量呈現減少-增加-減少的變化趨勢；速效磷的含量隨著腐熟的進行先增加后減少，速效鉀穩定變化，逐漸增加，其結論與試驗的結果一致。

微生物活性決定腐熟進程及效果。影響微生物生長的因素較多，有溫度、養分、酸堿度、水分等。從總體數量來講，細菌總數：處理1 >CK>處理2>處理3；木質素降解菌總數量：處理3>處理1>CK組>處理2；纖維素降解菌：CK>處理3>處理2>處理1；真菌：CK >處理3>處理1>處理2；放線菌：處理1>CK >處理3>處理2。劉玉珠等[13]認為隨著腐熟的進度，細菌逐漸減少，放線菌逐漸增多，與試驗基本相同。

4 結 論

4.1 基礎配方+磷酸二氫鉀2%相較其他處理效果最優，pH值在8.59～8.89，更適宜堆肥發酵；EC值較其他處理組在堆肥各階段均較高，一直保持在4 ms/cm左右；基礎配方+磷酸二氫鉀2%速效氮、磷、鉀的含量較其他處理組相比也均較高，速效氮在堆肥第28 d時，濃度為13.483 mg/kg，速效磷在堆肥第28 d時，濃度為147.000 mg/kg，速效鉀在堆肥第28 d時，濃度為1 168.667 mg/kg；在微生物數量培養過程中，隨著腐熟進度，基礎配方+磷酸二氫鉀2%細菌數量逐漸減少，從堆肥初期29.4×1010cfu/g減少至9.58×1010cfu/g，放線菌數量也逐漸增加，從堆肥初期1.1×109cfu/g增加至3.42×109cfu/g。

4.2 篩選出優勢處理組基礎配方+磷酸二氫鉀2%對新疆棉秸稈對堆肥過程中的各項指標均較高。