酵母漿在秸稈堆肥中的效果及作用機制研究

方華舟 胡麗蘋 莫莎莎 黃小美 龔宇杰 夏子悅

摘要： 為了探索酵母培養物在有機肥生產中的作用及效果，以尿素為對照，以酵母漿代替尿素為氮源，以不同碳氮比分別進行作物秸稈堆肥實驗。結果表明，以酵母漿為氮源的碳氮比為10：1、20：1、30：1、40：1的各實驗處理升溫發酵、主要養分及有機質含量、種子發芽率等不同程度高于以尿素為氮源的各對照處理，其中以酵母漿為氮源的碳氮比20：1、30：1的實驗處理明顯依次較高且前者表現出升溫及高溫性能更好、后者種子發芽率更高等特點。說明以酵母漿代替尿素用于秸稈堆肥等有機肥生產的效果更佳，且以碳氮比30：1～20：1為宜。

關鍵詞：酵母漿；作物秸稈；好氧堆肥；氮源

中圖分類號：S141.4 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ?文章編號：1008-4657（2023）04-0001-07

0 ? ? ? ?引言

有機肥是我國歷史上的重要肥料［ 1 ］。改革開放以來，隨著我國化學肥料的迅速發展，有機肥逐漸被化肥取代。然而，隨著重化肥輕有機肥導致的土壤板結、結構破壞、地力下降、肥力難持續等弊端凸顯，有機肥受到人們空前重視［ 2 ］。堆肥是有機肥生產的主要方式，農作物秸稈等經堆肥腐熟，是廣大農村來源十分廣泛的有機肥料［ 3 ］。然而，由于有機肥氮素等主要元素養分含量過低等原因導致的施肥量巨大、施肥成本高、施肥不便，成為有機肥施用和產業發展的主要瓶頸［ 4 ］。盡管人們采取加入尿素等氮源以提高堆肥氮素養分，然而尿素氮易揮發、形成腐殖質效率低、品質不高等原因，難以大力推廣［ 5 ］。近年來，我國一些酵母企業根據酵母細胞易于培養、生長迅速、蛋白質及肽類豐富、氨基酸種類齊全、富含多種酶及小分子活性物質等特點，大量生產酵母細胞培養物，應用于食品、飼料等行業，效果顯著［ 6 ］。通常酵母細胞培養物需要進行烘干，廢水巨大且污染環境。酵母漿是不進行烘干的酵母細胞培養物，其細胞類固形物約占60-70%，生產快、成本低，利用其氮素高且主要為蛋白質等有機態氮、堆肥需要一定水、酵母漿是人工培養的天然生命物質等特性，使其代替尿素作為氮源生產有機肥，不僅可以提高有機肥的氮素養分，更可提高有機肥品質，成為天然生態型有機肥之一，然而相關研究未見報道。本研究擬以酵母漿替代尿素，進行酵母漿生產有機肥的實踐探索，進而分析總結酵母漿在有機肥生產中的應用效果、作用機制及規律，為規模化生產相關有機肥提供借鑒及技術參數。

1 ? ? ? 材料與方法

1.1 ? ? ? 實驗原料

水稻秸稈、小麥秸稈、油菜秸稈、玉米秸稈由課題組從荊門市郊區農戶處購買并進行晾曬干燥、粉碎至0.2～0.3mm的粉末狀；酵母漿，安琪酵母股份有限公司生產，經測定含有機質33.7%、含氮（N，下同）3.2%、磷（P2O5，下同）0.62%、鉀（K2O，下同）0.84%，含水61.4%，pH值5.47；尿素，湖北宜化集團有限責任公司生產，附近農資市場購買，含氮46%。試驗時，上述多種作物秸稈進行等比例混合，并經測定其有機質含量為87.2%，氮磷鉀及水分含量分別為0.87%、0.56%、1.7%、5.6%。

1.2 ? ? ? 實驗方法

分別以上述秸稈1000 kg及相應氮源作為堆肥原料在水泥地面建堆，堆體底部3 m×1.5 m，高約1.5～1.6 m的梯形。建堆時，參照一般堆肥對碳氮比的要求，分別設置10：1（處理1）、20：1（處理2）、30：1（處理3）、40：1（處理4）四個碳氮比處理［ 7-8 ］，分別確定和加入相應數量的酵母漿或尿素作氮源，然后進行混勻建堆。實驗以加入酵母漿的堆體為實驗組，以加入尿素的堆體為對照組，各實驗組及相應的對照組氮素等量。各處理均3次重復，同時進行發酵及堆肥試驗。具體各處理及各堆體的酵母漿或尿素加入量見表1。

各堆體在加入酵母漿或尿素時，攪拌均勻，調節含水量至65%［ 9 ］。堆體建成后，每間隔30 cm用直徑約3 cm木棍從堆體頂端向堆體底部及從堆體四周向堆體中央打孔，滿足堆體發酵時對氧氣的需求。堆體建成后，四周覆蓋塑料薄膜以利堆體保溫。堆體自然發酵腐熟。發酵過程中，每日測量堆體溫度，并在測溫時完全掀開塑料薄膜半小時進行透氣，以滿足有機肥發酵過程中對氧氣的需求。每天記錄各堆體的發酵溫度等情況，并以發酵溫度為主要指標，比較觀察各處理及各堆體的升溫期、高溫期等的發酵溫度、時間長短等情況，分析探討酵母漿對各堆體發酵腐熟進程的影響情況及規律；其中，堆體高溫期以文獻［ 9-10 ］為參照，以發酵溫度達到約55℃為進入發酵高溫期，以堆體發酵溫度接近環境溫度、堆體黑褐色、無惡臭并繼續自然堆放10 d、具有特殊清香味為堆肥腐熟。各堆體腐熟后，分別測定各處理及各堆體的種子發芽率，以種子發芽率為主要指標，比較總結酵母漿等各處理對堆肥腐熟程度的影響情況及規律［ 9-10 ］；分別測定各處理及各堆體的氮、磷、鉀等主要養分含量以及有機質含量等情況，比較分析酵母漿各處理對堆肥氮、磷、鉀等主要養分及有機質含量的影響情況及規律。進一步分別測定各處理及各堆體的堆肥原料及腐熟后的堆肥有機質及氮素含量情況，比較分析各處理發酵微生物對原料有機質的利用、生長繁殖、呼吸消耗、代謝、轉化及氮素損失等情況，總結探討酵母漿等各處理對堆肥原料的有機質轉化、腐殖質形成、有機質及氮素損失等的影響途徑及規律，進而全面探索和總結酵母漿對堆肥進程、腐熟程度、肥力狀況、堆肥品質等的影響情況、作用機制及規律，確定酵母漿適宜加入量及比例。

1.3 ? ?測定項目及測定方法

各堆體發酵溫度的測定于每日上午9至11時，以溫度計插入堆體內約30 cm處進行測定［ 10 ］。堆肥前各原料及堆肥腐熟后，測定其有機質及氮磷鉀主要養分含量分別以標準NY/T 525-2021［ 11 ］、NY/T 2541-2014［ 12 ］、NY/T 2540-2014［ 13 ］所述方法進行；堆肥導致的有機質及氮素損失量，以堆肥前后的有機質或氮素的質量差值，經過計算換算為百分比確定。其中，堆肥前的有機質及氮素質量，以各原料有機質或氮素含量乘以各原料質量確定，腐熟后的堆肥有機質及氮素質量以測定的堆肥有機質或氮素含量乘以堆肥質量確定。測定堆肥種子發芽率，以標準NY/T 525-2021所述方法，以1：10堆肥水浸液，于25℃萌發蘿卜種子進行測定［ 11 ］。取各處理的數據平均值，進行比較和分析，以總結和探索酵母漿替代尿素進行有機肥生產的情況及規律。

2 ? ?結果與分析

2.1 ? ?酵母漿對堆肥發酵進程的影響

酵母漿各處理及尿素各處理對堆肥發酵進程的影響見表2。

從表2可以看出，不同碳氮比的酵母漿處理及尿素處理均表現出較明顯差異，但總體表現出酵母漿各處理的升溫期天數、高溫期天數、發酵最高溫度等發酵進程的各項指標明顯或較明顯優于相應尿素對照處理。其中，酵母漿處理2及處理3的升溫期天數、高溫期天數、最高溫度明顯較好，說明在碳氮比20：1及30：1的酵母漿加入量依次表現出了良好的促進發酵升溫及高溫發酵等性能，并明顯優于尿素。這顯然是由于酵母漿氮素主要是蛋白質、氨基酸類有機物質，易于細菌、放線菌、霉菌等各類微生物利用，并在一定碳氮比條件下有利于發酵微生物平衡吸收、利用和代謝［ 14 ］，以及尿素氮微生物吸收利用復雜、不易于微生物迅速利用、易生成氨氣可抑制微生物生長［ 15-16 ］等所致。其中酵母漿處理2的氮素較高于處理3，增加了一定量的蛋白質類氮素供給，促進了易利用蛋白類物質的細菌等菌系生長，相關發酵微生物生長繁殖、代謝及產熱更旺盛，使其高溫性能增強［ 16 ］。尿素處理3、處理2、處理1的尿素量依次增加，抑制作用增強，高溫性能減弱，說明尿素氮過多不利于發酵進程。實驗中處理1發酵高溫性能明顯較弱，說明碳氮比過低、氮素過多不利于發酵進程。其酵母漿處理1發酵升溫性能明顯好于對照處理1，可能是大量酵母漿蛋白質類物質適合于細菌等喜蛋白質類微生物生長所致［ 17 ］。

2.2 ? ?酵母漿對堆肥氮素損失及有機質損失的影響

酵母漿各處理及尿素各處理在堆肥前后的氮素質量及在堆肥過程中的氮素損失情況見圖1。

氮素是堆肥主要養分元素之一。從圖1可以看出，酵母漿處理及尿素處理均可造成堆肥氮素損失且不同處理差異明顯（除酵母漿處理2、處理3外，其它各處理差異顯著，P ＜ 0.05），但酵母漿各處理的氮素損失均顯著低于各尿素處理（P ＜ 0.05），并明顯表現出盡管碳氮比降低、酵母漿加入量增加但氮素損失較尿素明顯減少的特點。其處理1、處理2、處理3、處理4的氮素損失率僅為相應尿素處理的49.28%、55.78%、64.93%、72.92%，顯然是由于酵母漿有機氮更易于被發酵微生物利用并進行物質轉化，而尿素氮更易于生成氨氣而揮發損失，尤其尿素氮在碳氮比較低、尿素較多、尿素氮不能被發酵微生物充分迅速利用并轉化而更易揮發所致［ 18-21 ］。尿素處理1、處理2乃至處理3尿素較多，及發酵產熱加快尿素氮揮發，其氮素損失高達72.49～42.57%，而相應的酵母漿處理氮素損失僅約為35.72～27.64%。說明以酵母漿作為氮源提高了氮素利用率，提高了氮源效率。

同時，酵母漿各處理及尿素各處理在堆肥過程中因微生物呼吸等原因造成有機質損失，各處理的有機質損失及損失率情況見圖2。

從圖2可以明顯看出，不同酵母漿處理及尿素處理均對堆肥有機質損耗造成較大影響，其處理2、處理3有機質損耗均明顯較多；同時除處理4外，酵母漿各處理的有機質損耗均大于或略大于尿素處理。顯然是由于酵母漿氮素更易于被發酵微生物利用，其相關微生物活動更旺盛從而促進了堆肥發酵及物質轉化所致。一定碳氮比有利于堆肥腐殖質的形成，碳氮比過高或過低可影響發酵微生物菌系的形成和組成、生長、呼吸等物質與能量代謝［ 16-18 ］。酵母漿處理4碳氮比高、碳素較多，但酵母漿易于微生物利用和形成腐殖質，因而碳素等有機質較尿素處理能更多形成腐殖質，代謝消耗相對較少，物質轉化更充分［ 14 ］；處理1碳氮比較低，氮素不能大量參與形成腐殖質而形成胺類等物質，降低堆肥品質［ 19-22 ］，以及尿素大量生成氨氣等原因，酵母漿處理1尤其是尿素處理1腐熟度明顯較低。說明酵母漿作為氮源，加快了發酵微生物生命活動及對堆肥物質的轉化，提高了堆肥質量及品質。

2.3 ? ?酵母漿對堆肥腐熟程度的影響

種子發芽率是堆肥物質轉化及腐熟程度的重要指標。酵母漿各處理及尿素各處理堆肥的種子發芽率情況見圖3。

從圖3可看出，酵母漿不同處理及尿素不同處理均對堆肥的種子發芽率造成明顯影響，以碳氮比約30 ∶ 1為最優，其它碳氮比處理差異明顯。酵母漿各處理，以處理3最高為91.6%，處理2、處理4次之，處理1最低僅為73.1%，但均高于各尿素處理。說明以酵母漿作氮源對促進堆肥物質轉化、減少有害物質生成的性能明顯優于尿素。結合表2，可推測在適宜碳氮比條件下，由于酵母漿蛋白質等成分發酵微生物容易吸收利用，因此在升溫期等堆肥早期酵母漿蛋白質等氮素被迅速利用，激發相關微生物生長及代謝，使酵母漿成分充分參與了物質代謝和原料初步轉化，從而保證和促進了堆肥原料在高溫期等中后期發酵階段進行進一步充分轉化和形成穩定的腐熟殖，較好實現堆肥腐熟和無害化［ 10，18-19 ］。其中酵母漿處理2腐熟度相對較低，可能是其高溫期過長、溫度較高導致中常溫菌受到抑制致降溫期中常溫菌數量較少及不同碳氮比形成的腐熟腐殖質成分存在差異所致。

2.4 ? ?酵母漿對堆肥主要養分及有機質含量情況的影響

酵母漿各處理及尿素各處理對堆肥氮磷鉀主要養分含量及有機質含量的影響情況分別見圖4和圖5。從圖4可以看出，酵母漿各處理的氮磷鉀含量情況均不同程度高于相應對照處理，尤其處理1、處理2、處理3的氮素含量明顯高于或較高于尿素對照處理（P ＜ 0.05），進一步說明酵母漿具有良好的補充氮素養分性能。一方面這是由于酵母漿含有較充足的氮素養分，同時也含有磷鉀等多種生命元素及成分，經發酵微生物充分代謝、轉化形成堆肥腐殖質等成分而保蓄，增加了堆肥氮磷鉀等元素的含量；另一方面，由于尿素氮易形成氨而揮發，造成氮素大量損失所致。說明使用酵母漿代替尿素作為氮源在促進堆體徹底腐熟及加快腐熟進程的同時，也明顯提高了堆肥氮磷鉀等主要養分的含量，提高堆肥的肥力性能。

堆肥腐熟后的有機質含量是堆肥及有機肥的重要性能指標。從圖5可以看出，酵母漿各處理的堆肥有機質含量均較高，其中處理2、處理3雖有一定下降，但均顯著超過有機肥標準［ 11 ］，也由于酵母漿富含蛋白質及易于微生物代謝等特性，提高了堆肥腐殖質品質，提高堆肥有機質性能。

2.5 ? ?效果及作用機制分析

堆肥包括升溫期、高溫期、降溫期等幾個階段，實質是堆肥發酵微生物利用堆體部分有機質碳素、氮素等物質進行大量生長進而將堆體有機質碳素、氮素等原料轉化為堆肥腐殖質的過程［ 9-10 ］。堆體氮素原料既是發酵微生物自身生長繁殖及代謝的氮源，也是堆肥腐熟后的堆肥氮素養分源泉。顯然適宜的碳源、氮源及其比例有利于發酵微生物生長、代謝、轉化和形成堆肥腐殖質［ 16-17 ］。可推測實驗中的處理3、處理2碳氮比較為適宜。實驗中酵母漿各處理表現出發酵升溫快、高溫期較長、腐熟更徹底、氮素等主要養分更高等特性，顯然與酵母漿的成分、性質等有關。酵母漿是人工培養的天然生命物質，主要成分為蛋白質、氨基酸等生命物質，易于被細菌等廣泛微生物迅速利用代謝，將酵母漿加入到堆肥原料中顯然可迅速促進多種發酵微生物快速生長，進而大量激活和促進堆體中細菌、放線菌、霉菌等大量利用堆體有機質進行充分生長，更易于對堆體原料進行代謝和轉化［ 17-19 ］，因而在各碳氮比處理中均提高了氮素性能及轉化能力，發酵及腐熟性能更優。其中碳氮比30：1腐熟性能更好、20：1發酵高溫性能更好，可能與適當較高氮素有利于發酵微生物生長繁殖、較低氮素有利于氮素充分形成腐殖質有關所致［ 16-17 ］。同時，由于酵母漿氮素主要是有機氮，不僅有利于參與微生物代謝及其物質轉化，還因其一定酸性而減少氨氣形成等導致的氮素損失，增強堆肥養分水平［ 23-24 ］。實驗中，酵母漿各處理盡管由于加入酵母漿物質而呈一定酸性，但酸性并不強，因而未對發酵微生物生長及發酵進程產生明顯影響。

3 ? ?結論與討論

實驗結果表明，以酵母漿代替尿素作為氮源，堆肥發酵升溫快、高溫期長，物質轉化更充分迅速，腐熟更徹底，氮素損失明顯較少，氮磷鉀等主要養分含量明顯提高，表現出良好的氮源及提高堆肥品質等性能。酵母漿氮源以碳氮比20：1、30：1進行堆肥的發酵及腐熟性能明顯較其它碳氮比更優，并表現出碳氮比較低有利于發酵升溫、較高有利于腐熟趨勢，可能與較高氮素比有利于發酵微生物生長發酵、較低氮素比有利于氮素充分轉化有關［ 16-17 ］。

隨著酵母漿加入量增加，氮磷鉀等主要養分也可隨之較明顯增加，但氮素損失也較明顯增加，因此酵母漿加入量不宜超過碳氮比20：1。綜合發酵升溫、腐熟品質、氮素損失、主要養分含量、酵母漿用量等因素考慮，酵母漿加入量以碳氮比30：1～20：1為宜，并根據情況可在適宜范圍內進行選擇，以針對性提高有機肥肥力水平或腐熟性能。

谷思玉［ 25 ］等證實雞糞堆肥最佳碳氮比為20：1，升溫快、溫度高、高溫期長，腐熟及衛生無害化性能最佳；趙珮［ 26 ］等以尿素及果桑枝條進行堆肥證實碳氮比為30：1腐熟效果最好、堆腐效率最高；梁天［ 27 ］等以牛糞及秸稈并加入促進秸稈降解的菌酶制劑后進行堆肥，證實腐熟效果以碳氮比35：1優于30：1、25：1。這些實驗結果與本研究結果基本一致的同時，也存在一定差異，可能為不同氮源及本實驗對作物秸稈進行了粉碎，促進了有機質的轉化和腐熟所致。

此外，生產實踐中人們為了努力提高堆肥等有機肥產品中的氮素等主要養分含量，通常采取過量加入尿素氮源等方法，然而不僅氮素揮發等損失可顯著增加，腐熟度還可能明顯下降，不利于提高有機肥產品性能和質量。本實驗酵母漿處理1酵母漿加入較多，但由于其酸性特性可充分減少氮素揮發等氮素損失，不僅較對照組顯著提高了堆肥產品的氮素等養分含量，且腐熟度仍可達到約70%以上，符合有機肥腐熟標準，提示堆肥等有機肥生產實踐中可以通過適當提高酵母漿加入量以生產氮素養分等明顯提高的有機肥產品。

酵母漿還可能因酵母細胞濃度更高等原因導致酸性更強，而鈣鎂磷肥、磷礦粉等枸溶性或難溶性磷肥易溶于一定酸性物質，本項目擬在堆肥加入酵母漿的基礎上進一步加入鈣鎂磷肥或磷礦粉，以對其堆肥性能及效果進行進一步研究和探索。

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Research on the Effect and Mechanism of Yeast

Pulp in Straw Composting

FANG Huazhou， HU Liping， MO Shasha， HUANG Xiaomei， GONG Yujie， XIA Ziyue

（Faculty of Bioscience Engineering， Jingchu University of Technology， Jingmen 448000， China）

Abstract：In order to study the application effect of yeast culture in the production of organic fertilizer， the crop straw composting experiments were carried out with different carbon-nitrogen （C/N） ratios， using urea as the control and yeast pulp instead of urea as the nitrogen source ， respectively. The results showed that the fermentation temperature， main nutrients and organic matter content， seed germination rate of the experiments with C/N ratio of 10：1， 20：1， 30：1， 40：1 using yeast pulp as nitrogen source were higher than those of the control using urea as nitrogen source. The experiments with C/N ratio of 20：1 and 30：1 using yeast pulp as nitrogen source were the most obvious， which the former showed better fermentation temperature， and the latter showed higher germination rate. In conclusion， the application of yeast pulp instead of urea in the production of organic fertilizer such as straw compost is more effective， and it is appropriate to take the C/N of 30∶1～20∶1.

Key words：yeast pulp；crop straw；aerobic composting；nitrogen source

［責任編輯：許立群］