菌劑作用下牛床墊料發(fā)酵過程可溶性碳氮變化

鐘珍梅，陸 蒸，林忠寧，應(yīng)朝陽

（1. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 福建 福州 350013；2. 福建省草業(yè)工程技術(shù)研究中心, 福建 福州 350003）

0 引言

【研究意義】堆肥發(fā)酵是在微生物作用下將不可溶的大分子有機(jī)物礦質(zhì)化、腐殖化和無害化的復(fù)雜化學(xué)過程。在這個(gè)過程中碳和氮是最重要的兩種元素，是微生物生長(zhǎng)和繁殖的主要物質(zhì)和能量來源，是保障堆肥發(fā)酵順利進(jìn)行的關(guān)鍵[1]。堆肥過程中，在微生物作用下大分子有機(jī)氮和碳經(jīng)過一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)，分解成小分子的溶解性有機(jī)氮和碳，這些小分子碳和氮被微生物吸收利用，再經(jīng)過微生物作用完成腐殖化過程[1-6]。因此，可溶性有機(jī)碳和氮既是堆肥過程的中間產(chǎn)物，又是最終能被作物吸收利用的組分，其含量在一定程度上反映了大分子有機(jī)碳氮的降解效率，也間接反映了微生物的活躍程度和堆肥發(fā)酵的腐熟速率及程度，研究可溶性碳和氮含量的變化對(duì)揭示堆肥過程物料的物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律具有重要的意義。【前人研究進(jìn)展】堆肥過程中圍繞碳氮變化的研究表明，硝態(tài)氮?jiǎng)t呈逐漸增加趨勢(shì)[6-8]；而全氮、總有機(jī)氮[8]、銨態(tài)氮[6,7,9]、總有機(jī)碳[10]、可溶性有機(jī)碳[5,10]呈逐漸降低趨勢(shì)，氮素形態(tài)由有機(jī)態(tài)向無機(jī)態(tài)轉(zhuǎn)化、穩(wěn)定態(tài)向有效態(tài)轉(zhuǎn)化、銨態(tài)向硝態(tài)轉(zhuǎn)化[8]，碳素形態(tài)則由大分子有機(jī)態(tài)向小分子有機(jī)碳轉(zhuǎn)化[3]。添加外源菌劑是商品化生產(chǎn)有機(jī)肥的常用方式之一。研究表明，添加外源微生物菌劑能提高發(fā)酵效果、縮短發(fā)酵周期、提高堆肥品質(zhì)[11-13]。高云航等[8]研究發(fā)現(xiàn)，添加低溫復(fù)合菌使堆肥物料中的銨態(tài)氮含量明顯降低，硝態(tài)氮含量增高，促進(jìn)氮的轉(zhuǎn)化。王義祥等[10]研究發(fā)現(xiàn)，添加EM 菌劑的堆肥處理比未添加EM 菌劑處理的碳素?fù)p失高，添加EM 菌劑可以加速有機(jī)質(zhì)的礦化分解和提高腐殖質(zhì)化指數(shù)。單德鑫等研究表明，添加外源微生物會(huì)降低牛糞堆肥前期全氮和酸水解氮的含量，加速有機(jī)態(tài)氮礦化[2]。王守紅等[9]研究認(rèn)為，菌劑添加不當(dāng)會(huì)增加堆肥過程氮的損失。可見不同的菌劑產(chǎn)生的效果不盡相同。【本研究切入點(diǎn)】奶牛是家畜中糞尿排放量最多的動(dòng)物，一頭600 kg體重、日產(chǎn)奶量20 kg的成年奶牛，一晝夜排糞量和尿量分別可達(dá)30 kg和22 kg[14]。目前，關(guān)于牛糞堆肥研究主要集中在工藝條件、影響因素以及外源菌劑對(duì)堆肥效果的影響等方面[6-9]，但對(duì)半發(fā)酵的牛床墊料堆肥研究得還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。目前市場(chǎng)上商品化的微生物菌劑種類繁多，其作用也不盡相同。【本研究切入點(diǎn)】本研究以使用3年的奶牛場(chǎng)牛床墊料為原料，隨機(jī)選了市面上常用的4種微生物菌劑作為發(fā)酵添加劑，研究不同菌劑作用下半發(fā)酵牛床墊料發(fā)酵過程可溶性氮和碳含量的變化，通過可溶性氮、碳含量的動(dòng)態(tài)變化揭示其降解效率和轉(zhuǎn)化規(guī)律，為發(fā)酵床墊料的肥料化應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用堆肥原料主料來自于福建省南平市長(zhǎng)富第15牧場(chǎng)，為該牧場(chǎng)使用了3年的牛床墊料，墊料使用過程未添加外源菌劑。試驗(yàn)材料為牛床墊料、豬糞、甘蔗渣按7∶2∶1的比例配合而成，其主要養(yǎng)分含量如表1所示。本試驗(yàn)所用菌劑共4種，介紹如下：菌劑1：EM原露，由乳酸菌、酵母菌、放線菌、絲狀菌、光合細(xì)菌等5大菌群80種以上的微生物組合，適用于動(dòng)植物廢棄物的發(fā)酵；菌劑2：百豐畜禽寶菌劑，以乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌、醋酸菌和放線菌等為主，適用于畜禽糞便發(fā)酵和除臭；菌劑3：豐力凈菌劑，主要由放線菌、酵母菌、乳酸菌和絲狀真菌等復(fù)合菌組成，適用于畜禽糞便發(fā)酵和除臭；菌劑4：國(guó)龍生物床菌劑，主要由芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌、納豆菌等多種發(fā)酵床專用菌及生物活性酶制劑復(fù)配而成，主要應(yīng)用于微生物原位和異位發(fā)酵床。所有菌劑的有效活菌數(shù)均大于80億cuf·g-1，除EM菌劑外，其他3種菌劑均為粉劑。

表1 堆肥原料的基本組分Table 1 Major physiochemical properties of compost materials

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在南平市順元農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司的有機(jī)肥廠進(jìn)行。堆肥處為有頂棚但四周無墻體的空曠場(chǎng)地，地表為水泥地。在堆肥處堆5個(gè)圓錐形堆垛，每堆原料約為10 t，加入微生物菌劑50 kg，比例為原料的0.5%，原料和菌劑的添加為一層料一層菌劑，最后再用鏟車翻堆直至菌劑與原料混合均勻，進(jìn)行堆垛發(fā)酵。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，處理1：EM菌劑，記為EM；處理2：百豐畜禽寶菌劑，記為BF；處理3：豐力凈菌劑，記為FLJ；處理4：國(guó)龍生物床菌劑，記為GR；處理5：不加菌劑，對(duì)照(CK)。發(fā)酵過程中每隔5 d翻堆原料，10 、20 、30 、40 和50 d分別取樣，鮮樣取回后置于4 ℃冰箱保存，1周內(nèi)測(cè)完所有指標(biāo)。

1.3 試驗(yàn)方法

稱取過1 mm篩的鮮土10 g，加入2M KCl提取液提取土壤溶液，參照魯如坤[15]《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》采用比色法測(cè)定和含量；采用TOC分析儀測(cè)定提取液的可溶性全氮（STN）、可溶性全碳（STC）和可溶性有機(jī)碳（SOC）含量，可溶性有機(jī)氮，SOC+SIC=STC。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2016整理，用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 12.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，處理間數(shù)據(jù)采用單因素方差分析法進(jìn)行方差分析，用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多樣本比較。數(shù)據(jù)用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示，差異顯著性水平p＜ 0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙因素方差分析

表2 雙因素方差分析結(jié)果Table 2 Results of two-way analysis variance

2.2 菌劑對(duì)牛糞污墊料發(fā)酵過程可溶性氮的影響

菌劑對(duì)牛糞污墊料發(fā)酵過程可溶性氮含量的影響如圖1和表3所示。與CK相比，添加4種菌劑顯著提高了牛糞污發(fā)酵過程的和SON含量，表明添加4種菌劑后促進(jìn)大分子氮的降解，增加了和SON含量，但有增加氨揮發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。其中GR處理的和SON含量最高，顯著高于其他3種菌劑處理，表明GR對(duì)墊料的降解能力最強(qiáng)，但在降解墊料的過程中生成的銨態(tài)氮含量也最高，氨揮發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)也最大，這可能與該菌劑中含產(chǎn)氨菌有關(guān)。從各時(shí)期來看，發(fā)酵10～20 d，EM處理含量較CK顯著降低，而發(fā)酵50 d則顯著提高；發(fā)酵10 、30 和50 d，BF處理含量較CK顯著提高；整個(gè)發(fā)酵期，F(xiàn)LJ處理含量與CK相比差異不顯著；發(fā)酵10～50 d，GR處理的牛糞污墊料含量較CK顯著提高（圖1-A）。發(fā)酵40～50 d，EM處理SON含量較CK顯著提高；發(fā)酵30～50 d，BF、FLJ和GR處理SON含量也較CK顯著提高（圖1-C）。添加菌劑顯著降低了牛糞污發(fā)酵過程含量，其中BF處理的含量最低。從各時(shí)期來看，發(fā)酵30～40d，EM、BF、FLJ和GR處理含量較CK顯著降低，而發(fā)酵50 d EM處理

含量則較CK顯著增加（圖1-B）。

圖1 不同處理樣品可溶性氮的含量Fig. 1 Soluble nitrogen in treatment samples

2.3 菌劑對(duì)墊料發(fā)酵過程可溶性碳含量的影響

菌劑對(duì)牛糞污墊料發(fā)酵過程STC和SOC含量的影響如圖2和表3所示。添加菌劑對(duì)牛糞污發(fā)酵過程STC含量有增加作用，其中GR處理達(dá)到顯著水平，較CK顯著提高；而SOC含量的變化則無明顯的規(guī)律性，其中BF和FLJ 2種菌劑處理牛糞污發(fā)酵過程SOC含量較CK顯著增加，而EM和GR處理效果相反，較CK顯著降低。從各時(shí)期來看，與CK相比，發(fā)酵10 d，BF和FLJ處理顯著提高了牛糞污墊料的STC含量，發(fā)酵20 d，EM、FLJ和GR 3種菌劑處理的STC含量顯著提高；發(fā)酵30 d，4種菌劑處理均顯著提高了STC含量；而發(fā)酵40 d和50 d，菌劑處理后牛糞污墊料的STC含量有一個(gè)降低趨勢(shì)（圖 2-A）。表明在發(fā)酵前半段，菌劑處理有利于促進(jìn)堆料中碳水化合物的分解，提高牛STC含量，后期隨可溶性碳含量的提高，其在堆料中含量達(dá)到飽和，因此腐殖化作用強(qiáng)于分解作用，可溶性碳被微生物吸收利用轉(zhuǎn)化為相對(duì)復(fù)雜的含碳化合物[10]，后半段則表現(xiàn)為降低STC含量。對(duì)SOC而言，與CK相比，4種菌劑處理對(duì)牛糞污墊料發(fā)酵過程SOC含量有增加作用，且在發(fā)酵10、20、30和50 d，EM、FB、FLJ菌劑處理牛糞污墊料的SOC含量較CK顯著提高，發(fā)酵40 d，4種菌劑處理均顯著提高了牛糞污墊料的SOC含量（圖 2-B），表明添加菌劑后能促進(jìn)大分子有機(jī)氮的分解，產(chǎn)生更多的SOC。

圖2 不同處理樣品STC和SOC的含量Fig. 2 Soluble carbon in treatment samples

表3 不同處理樣品SON、STC和SOC含量Table 3 Contents of , SON, STC, and SOC in treatment samples

表3 不同處理樣品SON、STC和SOC含量Table 3 Contents of , SON, STC, and SOC in treatment samples

注：表中同列數(shù)字后不同小寫字母表示差異顯著（P＜0.05），下同。表中不同菌劑處理可溶性氮和碳的含量為5次取樣的平均值。Note: Data with different lowercase letters on same column mean significant difference at p＜0.05. Contents of soluble nitrogen and carbon are average of 5 replicates.

項(xiàng)目Item NH4+-N NO3--N SON STC SOC CK 0.810±0.132 d 0.837±0.123 a 1.309±0.165 d 11.301±0.440 bc 11.104±0.484 b EM 1.101±0.155 cd 0.601±0.088 b 1.879±0.203 c 10.606±0.794 c 8.968±0.433 c BF 1.592±0.200 b 0.491±0.044 b 2.124±0.164 bc 12.259±0.502 b 12.692±0.405 a FLJ 1.379±0.179 bc 0.589±0.063 b 2.257±0.227 b 12.534±0.642 b 13.743±0.772 a GR 2.094±0.322 a 0.591±0.083 b 2.825±0.319 a 14.135±0.736 a 8.394±0.440 c

2.4 不同形態(tài)氮和碳隨發(fā)酵時(shí)間變化的回歸方程

表4 不同取樣時(shí)間、SON、STC和SOC含量Table 4 Contents of , SON, STC, and SOC in samples at different sampling times

表4 不同取樣時(shí)間、SON、STC和SOC含量Table 4 Contents of , SON, STC, and SOC in samples at different sampling times

注：表中不同取樣時(shí)間可溶性氮和碳的含量為所有處理在該時(shí)間的平均值。Note: Contents of soluble nitrogen and carbon at different sampling times are average of all treatments.

取樣時(shí)間 Sampling time/d NH4+-N NO3--N SON STC SOC 100.841±0.120 c 0.295±0.042 c 0.891±0.156 d 10.647±0.472 b 12.748±0.427 a 203.387±0.121 a 0.352±0.042 c 1.651±0.154 c 15.494±0.466 a 11.100±0.427 b 301.844±0.120 b 0.393±0.042 c 2.022±0.158 b 14.235±0.466 a 11.173±0.427 b 400.818±0.120 c 0.810±0.042 b 2.176±0.165 b 9.098±0.466 c 9.754±0.444 c 500.087±0.120 d 1.258±0.042 a 3.654±0.154 a 11.36±0.466 b 9.86±0.427 c

不同發(fā)酵時(shí)間對(duì)墊料發(fā)酵過程銨態(tài)氮表5所示。銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、SON、STC和SOC含量與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系能用3次函數(shù)方程擬合，R2分別為0.583、0.401、0.347、0.285和0.611，且p=0.000＜0.05，表明回歸方程有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表5 不同形態(tài)氮和碳隨發(fā)酵時(shí)間變化的回歸方程Table 5 Regression equation for dynamic changes of different forms of nitrogen and carbon at various fermentation times

3 討論

碳是堆肥過程中關(guān)鍵的元素，其形態(tài)和含量的變化能反應(yīng)堆肥的進(jìn)程及腐熟化程度。菌劑能促進(jìn)堆肥過程中有機(jī)碳的降解，改變堆肥中的碳素形態(tài)[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，添加菌劑促進(jìn)了可溶性總碳含量的提高，由于菌劑使用能減少總碳的消耗[16]，這可能是導(dǎo)致可溶性總碳含量提高的原因。本研究還發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，可溶性總碳呈先增后降的變化趨勢(shì)，這與王義祥等[10]的研究結(jié)果一致，他們的研究認(rèn)為添加EM 菌劑可加速有機(jī)質(zhì)的礦化分解和提高腐殖質(zhì)化指數(shù)。不添加任何輔料時(shí)，牛糞自身進(jìn)行發(fā)酵過程中有機(jī)碳降解不徹底，而菌劑作用可以促進(jìn)有機(jī)碳的降解，提高堆肥中可溶性碳的含量，有機(jī)碳含量的提高也可能意味著以其它形式損耗的碳減少。在4種菌劑中，國(guó)龍生物床菌劑的效果最明顯，其作用后堆肥中可溶性總碳的含量最高。本研究還發(fā)現(xiàn)，不同的菌劑對(duì)可溶性有機(jī)碳的影響無明顯的規(guī)律性。李杰等研究表明，添加不同菌劑對(duì)有機(jī)碳降解的效果不盡相同[16]，這與本研究的結(jié)果一致。

氮素是堆肥過程中變化最大的元素之一，其變化包括氮的分解和固定。堆肥發(fā)酵過程中大分子有機(jī)氮被微生物降解和轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生小分子有機(jī)氮、無機(jī)氮和氣態(tài)氮，再經(jīng)過微生物固定繼續(xù)參與氮循環(huán)，因此微生物是影響堆肥氮含量的最重要因素[17]。本研究結(jié)果表明，添加菌劑后顯著增加了銨態(tài)氮含量，降低了硝態(tài)氮含量，這與高云航等[8]研究的結(jié)果一致。馬麗紅等[18]研究表明，堆肥中氨化細(xì)菌數(shù)量變化與堆肥中氨氣揮發(fā)和氨態(tài)氮含量都極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明添加菌劑可能促進(jìn)氨化細(xì)菌數(shù)量增加，進(jìn)而導(dǎo)致銨態(tài)氮含量增加，但也存在增加氨揮發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。本研究還發(fā)現(xiàn)，牛糞污墊料發(fā)酵過程銨態(tài)氮呈先降低趨勢(shì)，而硝態(tài)氮?jiǎng)t呈增加趨勢(shì)，這與劉超等[6]研究的結(jié)果一致。堆肥高溫期氨化細(xì)菌數(shù)據(jù)大幅度增加，而降溫期硝化細(xì)菌數(shù)量增加幅度較大[18]，這是導(dǎo)致發(fā)酵過程銨態(tài)氮含量降低和硝態(tài)氮含量增加的主要原因。本研究的結(jié)果表明，添加菌劑后顯著增加了可溶性有機(jī)氮的含量，且可溶性有機(jī)氮隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)。可溶性有機(jī)氮含量的變化反映了大分子有機(jī)氮到小分子氮的轉(zhuǎn)化過程和降解程度[19]，菌劑使用后增加了可溶性有機(jī)氮含量，表明添加菌劑促進(jìn)了墊料氮的降解和轉(zhuǎn)化。

菌劑是影響畜禽糞便發(fā)酵的重要因素之一，目前市場(chǎng)上發(fā)酵菌劑種類繁多，效果不盡相同[9]。本研究選用的4種菌劑對(duì)牛糞墊料發(fā)酵過程的可溶性氮和碳含量都有顯著影響，表明添加菌劑對(duì)大分子氮和碳的降解均產(chǎn)生顯著影響。生物床菌劑（GR）主要應(yīng)用于原位發(fā)酵床，在本研究中將其用于堆肥后，NH4+-N、SON、和STC的含量均最高，表明該菌劑降解牛糞墊料的能力最強(qiáng)，氨氮揮發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)最大；而BF和FLJ兩種菌劑作用后堆肥墊料NH4+-N、SON、和STC的含量次之，且SOC含量最高，表明這2種菌劑降解牛糞墊料的能力也很強(qiáng)，但NH4+-N較GR處理顯著降低，這可能與BF和FLJ兩種菌劑添加了除臭組分有關(guān)。而在本研究中EM菌對(duì)可溶性氮和碳的影響效果最差。因此，選擇堆肥發(fā)酵菌劑時(shí)，應(yīng)綜合考慮降解能力和減少氨氣的產(chǎn)生。