DO:0.13448/ cnki. jalre.2014.02.018 第28卷第2期 干旱区资源与环境 Vol 28 No. 2 2014年2月 Journal of Arid Land Resources and Environment Feb.2014 文章编号:1003-7578(2014)02-109-05 不同微生物菌剂对牛粪好氧堆肥的影响 李杰,郁继华,冯致,颉建明,颉旭,姜立,张晶 (甘肃农业大学农学院兰州730070) 提要:为筛选出适宜生物质基质牛粪腐熟的微生物菌剂,采用好氧堆肥的试验方式,通过测定堆料温 度、含水量、pH、种子发芽指数、全氮、全磷、全钾等指标及牛粪堆腐效果,对比3种微生物菌剂对牛粪好氧发酵 的作用。结果表明:用菌剂3处理肥堆温度高发酵快,较CK提前5d达到最高温度,同时堆料pH值最低,总有 机碳降解最快,种子发芽指数较CK提前20d符合堆肥标准(GI>80%),腐熟后含水量最低。综合以上各项指 标分析认为,甘肃省科学院生物所研发的菌剂3对牛粪的堆肥效果最好。 关键词:微生物菌剂;牛粪;堆肥 中图分类号:TQ446 文献标识码:A 着我国城镇化进程不断加快,粮菜争地与建设用地造成人地矛盾不断加剧,而科学合理开发非耕 地,在非耕地上发展高附加值的蔬菜等产业,可有效缓解特色经济作物与粮食争地的矛盾。生物质栽培基 质可以代替土壤进行无土栽培,从而充分利用非耕地,提高土地利用效率。因而利用微生物发酵的方法把 牛粪等有机废弃物转化为有机固体基质具有极其重要的意义。 西北地区农业废弃物资源化利用率低,2007年西北地区畜禽粪便年排放量在2.1亿吨,大部分未经 处理随处堆放,成为蚊蝇孳生地和水源及空气的重要污染源。高温堆肥既可以达到畜禽粪便无害化处 理的目的,保护和改善环境,提高资源利用效率,又可以为非耕地设施农业生物质基质栽培提供原料B-6。 传统的自然堆肥法不仅耗时长,产生臭味,且发酵温度也不高,难以杀灭粪便中大量的杂草种子和虫卵病 菌,增加了栽培过程中植物病害的发生⑦。为缩短发酵时间,提高堆肥效率,不少研究者采用添加菌剂的 方法来达到这一目的。研究认为,添加菌剂能够使堆肥最高温度升高2-10℃,较不添加菌剂提前10d左 右腐熟。近几年,西北荒漠区非耕地设施农业已进行规模化生产,酒泉市是全国非耕地设施农业生产 面积最大的产业化示范基地,生物质栽培基质需用量大,但生物质基质生产技术较为落后。在西北非耕地 荒漠区夏季气候条件下,微生物菌剂对牛粪堆肥的研究报道较少。本试验以生物质栽培基质牛粪为试验 原料,采用好氧堆肥技术,研究不同微生物菌剂对牛粪高温堆肥的影响,筛选出适宜的微生物菌剂,旨在为 非耕地设施农业生物质栽培基质生产及农业废弃物资源的高效合理利用提供理论依据。 1材料与方法 1.1试验区概况与试验材料 试验于2012年4月26日至6月14日在甘肃省酒泉市总寨镇沙河村设施农业生产基地进行,试区年 均气温7.9℃,6-7月平均气温32.2℃,昼夜温差大,8级大风日数超过30d,年平均降水量为84mm,年蒸 发量214lmm,年均相对湿度46%,属典型的半沙漠干旱性气候 供试新鲜牛粪采自试区周边奶牛养殖场,玉米秸秆从周边农户购买。菌剂1由南京农业大学资源与 环境科学学院研发,由纤维素分解细菌(中温型+高温型)+纤维素分解真菌(中温型)+纤维素分解放线 收稿日期:2012-12-20;修回日期:2013-1-10。 基金项目:农业部公益性行业(农业)专项(201203001);现代农业产业技术体系专项资金(CARS=25-C-07);甘肃省重大专项 (1002FKDA038)资助 作者简介:李杰(1987-),男,甘肃省甘谷人,硕士研究生,主要从事设施蔬菜栽培基质生产的研究。E-mail:gsau23@126 通讯作者:郁继华,男,教授,博士生导师,主要从事蔬菜栽培生理及设施作物生产的教学和研究。E-mail:suihua@g.ed.cn 21994-2016ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
第 28 卷 第 2 期 干 旱 区 资 源 与 环 境 Vol． 28 No． 2 2014 年 2 月 Journal of Arid Land Ｒesources and Environment Feb． 2014 文章编号: 1003 － 7578( 2014) 02 － 109 － 05 不同微生物菌剂对牛粪好氧堆肥的影响* 李杰，郁继华，冯致，颉建明，颉旭，姜立，张晶 ( 甘肃农业大学农学院 兰州 730070) 提 要: 为筛选出适宜生物质基质牛粪腐熟的微生物菌剂，采用好氧堆肥的试验方式，通过测定堆料温 度、含水量、pH、种子发芽指数、全氮、全磷、全钾等指标及牛粪堆腐效果，对比 3 种微生物菌剂对牛粪好氧发酵 的作用。结果表明: 用菌剂 3 处理肥堆温度高发酵快，较 CK 提前 5d 达到最高温度，同时堆料 pH 值最低，总有 机碳降解最快，种子发芽指数较 CK 提前 20d 符合堆肥标准( GI ＞ 80% ) ，腐熟后含水量最低。综合以上各项指 标分析认为，甘肃省科学院生物所研发的菌剂 3 对牛粪的堆肥效果最好。 关键词: 微生物菌剂; 牛粪; 堆肥 中图分类号: TQ446 文献标识码: A 随着我国城镇化进程不断加快，粮菜争地与建设用地造成人地矛盾不断加剧，而科学合理开发非耕 地，在非耕地上发展高附加值的蔬菜等产业，可有效缓解特色经济作物与粮食争地的矛盾。生物质栽培基 质可以代替土壤进行无土栽培，从而充分利用非耕地，提高土地利用效率。因而利用微生物发酵的方法把 牛粪等有机废弃物转化为有机固体基质具有极其重要的意义［1］。 西北地区农业废弃物资源化利用率低，2007 年西北地区畜禽粪便年排放量在 2． 1 亿吨，大部分未经 处理随处堆放，成为蚊蝇孳生地和水源及空气的重要污染源［2］。高温堆肥既可以达到畜禽粪便无害化处 理的目的，保护和改善环境，提高资源利用效率，又可以为非耕地设施农业生物质基质栽培提供原料［3 － 6］。 传统的自然堆肥法不仅耗时长，产生臭味，且发酵温度也不高，难以杀灭粪便中大量的杂草种子和虫卵病 菌，增加了栽培过程中植物病害的发生［7］。为缩短发酵时间，提高堆肥效率，不少研究者采用添加菌剂的 方法来达到这一目的。研究认为，添加菌剂能够使堆肥最高温度升高 2 － 10℃，较不添加菌剂提前 10d 左 右腐熟［4］。近几年，西北荒漠区非耕地设施农业已进行规模化生产，酒泉市是全国非耕地设施农业生产 面积最大的产业化示范基地，生物质栽培基质需用量大，但生物质基质生产技术较为落后。在西北非耕地 荒漠区夏季气候条件下，微生物菌剂对牛粪堆肥的研究报道较少。本试验以生物质栽培基质牛粪为试验 原料，采用好氧堆肥技术，研究不同微生物菌剂对牛粪高温堆肥的影响，筛选出适宜的微生物菌剂，旨在为 非耕地设施农业生物质栽培基质生产及农业废弃物资源的高效合理利用提供理论依据。 1 材料与方法 1． 1 试验区概况与试验材料 试验于 2012 年 4 月 26 日至 6 月 14 日在甘肃省酒泉市总寨镇沙河村设施农业生产基地进行，试区年 均气温 7． 9℃，6 － 7 月平均气温 32． 2℃，昼夜温差大，8 级大风日数超过 30d，年平均降水量为 84mm，年蒸 发量 2141mm，年均相对湿度 46% ，属典型的半沙漠干旱性气候。 供试新鲜牛粪采自试区周边奶牛养殖场，玉米秸秆从周边农户购买。菌剂 1 由南京农业大学资源与 环境科学学院研发，由纤维素分解细菌( 中温型 + 高温型) + 纤维素分解真菌( 中温型) + 纤维素分解放线 * 收稿日期: 2012 － 12 － 20; 修回日期: 2013 － 1 － 10。 基金项目: 农业部公益性行业( 农业) 专项( 201203001) ; 现代农业产业技术体系专项资金( CAＲS － 25 － C － 07) ; 甘肃省重大专项 ( 1002FKDA038) 资助。 作者简介: 李杰( 1987 － ) ，男，甘肃省甘谷人，硕士研究生，主要从事设施蔬菜栽培基质生产的研究。E － mail: gsau23@ 126． com 通讯作者: 郁继华，男，教授，博士生导师，主要从事蔬菜栽培生理及设施作物生产的教学和研究。E － mail: yujihua@ gsau． edu． cn DOI:10.13448/j.cnki.jalre.2014.02.018
干旱区资 与环境 菌(中温型,产生纤维素水解酶)+降解淀粉芽孢杆菌(产生淀粉水解酶)复配研制而成,在发酵温度上由 低温细菌→中温细菌+中温放线菌+中温真菌→高温细菌递增进行;菌剂2由山东农业科学院农业资源 与环境研究所研发,是枯草芽孢杆菌( Bacillus subtilis)、唐德链霉菌( Streptomyces tendai)、白浅灰链霉菌 ( Streptomyces albogriseolus)、黑曲霉( Spergillus niger)、里氏木霉( Trichoderma reese几种菌剂的复合菌系 菌剂3由甘肃省科学院生物所研发,由数十种微生物和生物酶组合而成的复合菌系,对牛粪中的纤维素 木质素和胶质等有机成分有很强的分解能力,有效活菌数>80亿cuf/g 1.2试验设计 试验设四个处理:添加菌剂1、菌剂2、菌剂3和不添加菌剂自然发酵,分别记为:处理1、处理2、处理3 和CK。将新鲜牛粪平摊于地上晾晒,根据秸秆和牛粪的全碳和全氮含量,将牛粪与秸秆混合并调整物料 C/N值为20:1,多点监测物料含水率,直到降至65%左右时加入不同微生物菌剂,菌剂量为物料重的0 3%,均匀撒入摊薄的牛粪后混匀,堆制成高度均为1.5m,长约8m、宽约6m的条形垛式,每10d翻堆一次 每次翻堆完堆置成原状。 1.3样品采集与测定 翻堆时按多点采样法从堆体10个点分层取样约500g,混匀,部分冷藏,部分风干后带回实验室进行 相关指标测定。每日上午10:00-11:00测定堆体温度,取堆体东、南、西、北和中心5点温度的平均值,测 量时温度计插入堆体距表面25cm以下,同时记录周围环境温度。含水率采用105℃烘干法测定。pH值 和种子发芽指数参照文献6方法测 0[菌剂!一一菌剂2→菌剂3一—对照一环境温度 定的。有机质、全氮、全磷和全钾的测 定参照国家农业标准NY525 2011 1.4数据分析 采用SPSS17.0软件和 Excel2003勇 对试验数据进行统计分析。 2结果与分析 2.1不同微生物菌剂对牛粪堆肥温度 的影响 堆肥时间 Composting time(d) 从图1可以看出,添加不同的微生 物菌剂对堆肥温度的影响呈现先升高 图1不同微生物菌剂对牛粪堆肥温度的影响 后降低的趋势。初堆肥时,各处理物料 温度与环境温度基本一致,在18 23℃。处理1、2、3和CK分别经过6、 4、3和8d升至50℃以上,处理3较 菌剂1 一菌剂3 CK、处理1和处理2分别提前5d、3d 和1d升至50℃以上,可见处理3的升 温速度最快;迅速增温后进入高温阶 段,物料温度维持在50-62℃,4个处长 理堆肥高温期(>50℃)维持在13 18d,处理1、2、3和CK堆肥温度保持 20 在50℃以上的时间依次为14、18、18 和13d,处理3在60℃以上持续了4d, 其他处理均未升至60℃ 堆肥时间 Composting time(d) 2.2不同微生物菌剂对牛粪堆肥含水 率的影响 图2不同微生物菌剂对牛粪堆肥物料含水率的影响 发酵过程中(图2),各处理堆料温 Fig. 2 Moisture content effects under different treatments 度的快速上升加速了水分蒸发,导致含 during composting of cow manure 21994-2016ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
菌( 中温型，产生纤维素水解酶) + 降解淀粉芽孢杆菌( 产生淀粉水解酶) 复配研制而成，在发酵温度上由 低温细菌→中温细菌 + 中温放线菌 + 中温真菌→高温细菌递增进行; 菌剂 2 由山东农业科学院农业资源 与环境研究所研发，是枯草芽孢杆菌( Bacillus subtilis) 、唐德链霉菌( Streptomyces tendae) 、白浅灰链霉菌 ( Streptomyces albogriseolus) 、黑曲霉( Aspergillus niger) 、里氏木霉( Trichoderma reesei) 几种菌剂的复合菌系; 菌剂 3 由甘肃省科学院生物所研发，由数十种微生物和生物酶组合而成的复合菌系，对牛粪中的纤维素、 木质素和胶质等有机成分有很强的分解能力，有效活菌数 ＞ 80 亿 cuf /g。 1． 2 试验设计 试验设四个处理: 添加菌剂 1、菌剂 2、菌剂 3 和不添加菌剂自然发酵，分别记为: 处理 1、处理 2、处理 3 和 CK。将新鲜牛粪平摊于地上晾晒，根据秸秆和牛粪的全碳和全氮含量，将牛粪与秸秆混合并调整物料 C /N 值为 20: 1，多点监测物料含水率，直到降至 65% 左右时加入不同微生物菌剂，菌剂量为物料重的 0． 3% ，均匀撒入摊薄的牛粪后混匀，堆制成高度均为 1． 5m，长约 8m、宽约 6m 的条形垛式，每 10d 翻堆一次， 每次翻堆完堆置成原状。 1． 3 样品采集与测定 翻堆时按多点采样法从堆体 10 个点分层取样约 500g，混匀，部分冷藏，部分风干后带回实验室进行 相关指标测定。每日上午 10: 00 － 11: 00 测定堆体温度，取堆体东、南、西、北和中心 5 点温度的平均值，测 量时温度计插入堆体距表面 25cm 以下，同时记录周围环境温度。含水率采用 105℃ 烘干法测定。pH 值 图 1 不同微生物菌剂对牛粪堆肥温度的影响 Fig． 1 Temperature effects under different treatments during composting of cow manure 和种子发芽指数参照文献 6 方 法 测 定［6］。有机质、全氮、全磷和全钾的测 定 参 照 国 家 农 业 标 准 NY525 － 2011 ［11］。 1． 4 数据分析 采用 SPSS 17． 0 软件和 Excel 2003 对试验数据进行统计分析。 2 结果与分析 2． 1 不同微生物菌剂对牛粪堆肥温度 的影响 从图 1 可以看出，添加不同的微生 物菌剂对堆肥温度的影响呈现先升高 后降低的趋势。初堆肥时，各处理物料 温度 与 环 境 温 度 基 本 一 致，在 18 － 图 2 不同微生物菌剂对牛粪堆肥物料含水率的影响 Fig． 2 Moisture content effects under different treatments during composting of cow manure 23℃。处理 1、2、3 和 CK 分别经过 6、 4、3 和 8d 升 至 50℃ 以 上，处 理 3 较 CK、处理 1 和处理 2 分别提前 5d、3d 和 1d 升至 50℃ 以上，可见处理 3 的升 温速度最快; 迅速增温后进入高温阶 段，物料温度维持在 50 － 62℃，4 个处 理堆肥高温期( ＞ 50℃ ) 维持在 13 － 18d，处理 1、2、3 和 CK 堆肥温度保持 在 50℃ 以上的时间依次为 14、18、18 和 13d，处理 3 在 60℃ 以上持续了 4d， 其他处理均未升至 60℃。 2． 2 不同微生物菌剂对牛粪堆肥含水 率的影响 发酵过程中( 图 2) ，各处理堆料温 度的快速上升加速了水分蒸发，导致含 ·110· 干 旱 区 资 源 与 环 境 第 28 卷
第2期 李杰等不同微生物菌剂对牛粪好氧堆肥的影响 ·111 水率快速下降。初堆期,各处理含水率在65.1%-66.2%之间,堆肥第7d,处理1、处理2、处理3和CK含 水率分别比初堆时降低了14.33%、18.25%、25.18%和9.24%,其中处理3堆体水分下降最快,是因为处 理3所添菌剂作用于物料时其微生物活动比其他处理剧烈,产生大量热,蒸发作用增强,使堆体水分减少 堆肥30-40d时,各处理的含水率降低趋势基本一致;堆制结東时,处理1、处理2、处理3和CK处理含水 率分别为17.4%,16.7%,14.3%,21.7%。 2.3不同微生物菌剂对牛粪堆肥pH的影响 菌剂1 菌剂2 一菌剂3 从图3可以看出,各处理pH值变化呈先升 高后下降的趋势。堆肥0-10d时,处理2和处理 的微生物量多,活动剧烈,对有机氮的矿化分解 3的pH增幅明显大于处理1和CK,说明前两者 能力强,产生大量的NH4一N而引起的pH值的 显著增高;处理1的pH值升高和回落时比其他 处理所需时间都延长,说明处理1的微生物作用 7.5 比较缓慢;在堆肥后期,微生物活动产生的大量 40 有机酸及硝化作用产生硝态氮而导致pH值的降 堆肥时间 Composting time(d) 低;堆肥结東时,处理3的pH最低,说明处理3 图3不同微生物菌剂对牛粪堆肥pH的影响 对堆料氨气释放的抑制作用最强,即保氮效果最 Fig. 3 pH effects under different treatments 好,最后各处理均维持在8.03-8.31,符合腐熟 cow manure 堆肥pH值指标标准 2.4不同微生物菌剂对牛粪堆肥总有机碳、全氮、全磷和全钾的影响 从表1中可以看出,各处理在堆肥过程中总10°-菌剂 菌剂3对照 有机碳含量呈下降趋势。与堆前相比,腐熟后处 理1、处理2、处理3和CK有机质分别降低了 34.81%、37.90%40.13%和29.56%,表现为处E60 理3>处理2>处理1>CK,添加菌剂处理下降园 幅度大于CK,其中处理3对总有机碳的降解作4 用最大。发酵结東时,处理1、处理2、处理3和 CK的全氮含量较初堆期分别增加18.98%、20.20 41%、20.65%和15.46%,表现为处理3>处理 堆肥时间 Composting time(d) >处理1>CK,所有处理在堆肥前后全氮含量增 加。牛粪物料始末全磷和全钾的含量均有所增Fg.4 Effects of the germination index under different treatments during composting of cow manure 时各处理的全磷(P2O3)含量分别为0.528%、0 556%、0.562%和0.506%,其大小表现为处理3>处理2>处理1>CK,处理3全磷含量的增幅较其他各 处理均大。在发酵结束后物料全钾(K2O)含量比堆制前分别增加了29.13%、37.06%、36.89%和27 97%,处理3的全钾含量的增幅最大。主要原因是物料经腐熟后,有机物质通过微生物的活动以CO2和 HO的形式散失,再者添加微生物菌剂使物料中微生物活性增强及数量增多,加速了有机质的降解,堆体 的体积和质量都将减少,产生浓缩效应,所以造成全磷和全钾含量在堆肥结束后相对增加。 表1不同微生物菌剂对牛粪堆肥有机质、全氮、全磷和全钾的影响 Tab. 1 Effects of the total organic carbon, total nitrogen, total phosphorus and total potassium under different treatments during composting of cow manure 处理总有机碳ToC(g·kg“) 全氮TN(%) 全磷TP(%) 全钾TK(%) 末增力 处理1262.34171.0134.811.3591.61718.980.41360.52827.660.84851.095729.13 处理2265.23164.737.901.3521.62820.410.41290.55634.660.85931.176337.06 处理3269.9161.640.131.3511.63020.650.41330.56235.980.84211.154236.89 K267.36188.3429.561.3581.56815.460.41310.506 2.5不同微生物菌剂对牛粪堆肥种子发芽指数的影响 21994-2016ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
水率快速下降。初堆期，各处理含水率在 65． 1% － 66． 2% 之间，堆肥第 7d，处理 1、处理 2、处理 3 和 CK 含 水率分别比初堆时降低了 14． 33% 、18． 25% 、25． 18% 和 9． 24% ，其中处理 3 堆体水分下降最快，是因为处 理 3 所添菌剂作用于物料时其微生物活动比其他处理剧烈，产生大量热，蒸发作用增强，使堆体水分减少; 堆肥 30 － 40d 时，各处理的含水率降低趋势基本一致; 堆制结束时，处理 1、处理 2、处理 3 和 CK 处理含水 率分别为 17． 4% ，16． 7% ，14． 3% ，21． 7% 。 图 3 不同微生物菌剂对牛粪堆肥 pH 的影响 Fig． 3 pH effects under different treatments during composting of cow manure 2． 3 不同微生物菌剂对牛粪堆肥 pH 的影响 从图 3 可以看出，各处理 pH 值变化呈先升 高后下降的趋势。堆肥 0 － 10d 时，处理 2 和处理 3 的 pH 增幅明显大于处理 1 和 CK，说明前两者 的微生物量多，活动剧烈，对有机氮的矿化分解 能力强，产生大量的 NH4 + － N 而引起的 pH 值的 显著增高; 处理 1 的 pH 值升高和回落时比其他 处理所需时间都延长，说明处理 1 的微生物作用 比较缓慢; 在堆肥后期，微生物活动产生的大量 有机酸及硝化作用产生硝态氮而导致 pH 值的降 低; 堆肥结束时，处理 3 的 pH 最低，说明处理 3 对堆料氨气释放的抑制作用最强，即保氮效果最 好，最后各处理均维持在 8． 03 － 8． 31，符合腐熟 堆肥 pH 值指标标准［11］。 2． 4 不同微生物菌剂对牛粪堆肥总有机碳、全氮、全磷和全钾的影响 图 4 不同微生物菌剂对牛粪堆肥 GI 的影响 Fig． 4 Effects of the germination index under different treatments during composting of cow manure 从表 1 中可以看出，各处理在堆肥过程中总 有机碳含量呈下降趋势。与堆前相比，腐熟后处 理 1、处理 2、处理 3 和 CK 有机质分别降低了 34． 81% 、37． 90% 、40． 13% 和 29． 56% ，表现为处 理 3 ＞ 处理 2 ＞ 处理 1 ＞ CK，添加菌剂处理下降 幅度大于 CK，其中处理 3 对总有机碳的降解作 用最大。发酵结束时，处理 1、处理 2、处理 3 和 CK 的全氮含量较初堆期分别增加 18． 98% 、20． 41% 、20． 65% 和 15． 46% ，表现为处理 3 ＞ 处理 2 ＞ 处理 1 ＞ CK，所有处理在堆肥前后全氮含量增 加。牛粪物料始末全磷和全钾的含量均有所增 加，添加微生物菌剂的增幅大于 CK，在发酵结束 时各处理的全磷( P2O5 ) 含量分别为 0． 528% 、0． 556% 、0． 562% 和 0． 506% ，其大小表现为处理 3 ＞ 处理 2 ＞ 处理 1 ＞ CK，处理 3 全磷含量的增幅较其他各 处理均大。在发酵结束后物料全钾( K2O) 含量比堆制前分别增加了 29． 13% 、37． 06% 、36． 89% 和 27． 97% ，处理 3 的全钾含量的增幅最大。主要原因是物料经腐熟后，有机物质通过微生物的活动以 CO2 和 H2O 的形式散失，再者添加微生物菌剂使物料中微生物活性增强及数量增多，加速了有机质的降解，堆体 的体积和质量都将减少，产生浓缩效应，所以造成全磷和全钾含量在堆肥结束后相对增加。 表 1 不同微生物菌剂对牛粪堆肥有机质、全氮、全磷和全钾的影响 Tab． 1 Effects of the total organic carbon，total nitrogen，total phosphorus and total potassium under different treatments during composting of cow manure 处理 总有机碳 TOC( g·kg － 1 ) 全氮 TN( % ) 全磷 TP( % ) 全钾 TK( % ) 始 末 减少( % ) 始 末 增加( % ) 始 末 增加( % ) 始 末 增加( % ) 处理 1 262． 34 171． 01 34． 81 1． 359 1． 617 18． 98 0． 4136 0． 528 27． 66 0． 8485 1． 0957 29． 13 处理 2 265． 23 164． 7 37． 90 1． 352 1． 628 20． 41 0． 4129 0． 556 34． 66 0． 8593 1． 1763 37． 06 处理 3 269． 9 161． 6 40． 13 1． 351 1． 630 20． 65 0． 4133 0． 562 35． 98 0． 8421 1． 1542 36． 89 CK 267． 36 188． 34 29． 56 1． 358 1． 568 15． 46 0． 4131 0． 506 22． 49 0． 8612 1． 1021 27． 97 2． 5 不同微生物菌剂对牛粪堆肥种子发芽指数的影响 第 2 期 李杰 等 不同微生物菌剂对牛粪好氧堆肥的影响 ·111·
干旱区资 与环境 种子发芽指数(G1)是判断堆肥的植物生物毒性和腐熟度的重要参数,当发芽指数达到80%时,可认 为堆肥没有植物毒性或堆肥巳经腐熟叫。从图4可以看出,堆肥过程中种子发芽指数呈升高趋势,即对 种子发芽抑制作用逐渐减弱。在堆制初期,各处理种子发芽指数均在40%左右,堆肥7d时,对种子发芽 的抑制作用增强;堆肥10-30d时,处理2和处理3的种子发芽指数增幅高于处理1和CK;堆肥进20d 时,处理2和处理3种子发芽指数分别达到78.04%和85.70%,而处理1和CK发芽指数分别为76.72% 和58.16%,从种子发芽指数大于80%这一标准判断,处理3和处理2分别需要20d和30d达到堆肥无害 化腐熟标准,而处理1和CK均需要40d才能达到。在堆肥结束时,各处理的种子发芽指数分别为85 72%、90.10%、93.80%和84.92%,均大于80%。 3讨论 堆肥是一个微生物全程参与和作用的过程,加入适当的外源微生物是加快腐熟的重要手段国。近年 来关于畜禽粪便好氧堆肥过程中添加微生物菌剂的研究都证实了微生物菌剂用于堆肥的可行性及有效 性1。本研究在牛粪堆肥中添加不同微生物菌剂,不仅使堆肥初期升温加快,高温时间延长,而且促进 了有机碳的分解和降低了堆肥物料的pH值,缩短了堆腐时间,提高了腐熟效率。 温度是微生物代谢产生热量积累的结果,反映了微生物活性的变化和堆肥腐熟的程度3:。本研 究表明,处理3的堆体温度上升迅速,比CK、处理1和处理2分别提前5d3d和1d达到50℃以上,而且处 理3的高温持续时间最长。从促进堆肥前期升温速度来看,菌剂3处理的升温速度最快,高温持续时间最 长,在3种菌剂中,菌剂1升温速度最慢,高温持续时间最短,说明菌剂1不适于本区生态环境下的堆肥生 水分是影响堆肥效果的重要参数,含水率过高或过低,都将影响微生物的生长及活性。张建华 等研究表明,堆肥结束后堆料含水率为20.76%,李琬等研究发现,腐熟后含水率为29.6%。本研 究表明,新鲜牛粪初堆时含水率在65.1%-66.2%,随着堆肥的进行,堆料含水率也随之下降,处理3下 降速度最快,说明菌剂3促使微生物活性增强,在堆肥第40d由于降雨致使物料的含水率略有升高,与张 建华等圓和李婉等圓研究不同的是本试验中物料含水率各处理下降均较快,这可能是由于本试验所处 环境日蒸发量较大,而且堆置时间正逢夏季,与该地区半沙漠干旱性气候条件有关。 前人研究表明,适宜的pH可使微生物有效的发挥作用,。王小琳等圆认为发酵前期微生物活动 剧烈时,有机氮的矿化分解能力强,会产生大量的NH4-N而引起的pH值的显著增高,发酵后期剧烈的 微生物活动产生的大量有机酸及硝化作用产生硝态氮而导致pH值迅速降低,对堆料氨气释放的抑制作 用最强,即保氮效果强。本试验表明,各处理的微生物活力和降解能力有所不同,处理3的pH升高和降 低所需时间最短,说明其微生物活性强,可有效促进有机物料的腐熟及提高堆肥质量;CK出现峰值的时间 较长而且偏低,说明未引入外源微生物处理其固有微生物数量及活力有限,延滞期较长 Zucconi等圓认为,种子发芽指数用于堆肥腐熟度评价更能有效地反映堆肥的植物毒性大小,当发芽 指数达到80%时,可认为堆肥已没有植物毒性或者说堆肥已经腐熟。本研究表明,处理3在堆后20d时 GI>80%,较CK提前20d达到这一标准,说明菌剂3微生物活动比其他处理剧烈且微生物菌剂适宜堆肥 环境,使大量有机酸、胺类和多酚等物质得以降解,使其对种子的发芽和生根的毒害作用降低。 本研究表明,在堆肥结東时,堆体含水率较堆肥前下降66.7%-78.3%,且物料总有机碳下降29.6% 40.1%,堆肥总有机碳的降解程度和堆体质量下降程度均较大,在发酵过程中,堆体质量和水分的散失 以及有机质降解等因素,物料中干物质总量下降幅度远大于堆肥过程中有机氮的矿化、氨的挥发及硝态氮 的反硝化作用引起的氮素损失,但是物料中硝化细菌通过硝化作用,使其中氮素得以固定,氮素的损失逐 渐变小,因此氮素的含量较初堆时相对增加,这与王晓娟和王小琳等回的研究结论一致 结论 (1)添加微生物菌剂的发酵效果明显优于自然发酵,菌剂3较其他2种菌剂更能加快初期升温,延长 高温持续时间,提高堆肥效率。 (2)腐熟后菌剂3处理含水率和pH值均最低,分别为14.3%和8.03,总有机碳降解最快,均说明菌 剂3效果最好 21994-2016ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
种子发芽指数( GI) 是判断堆肥的植物生物毒性和腐熟度的重要参数，当发芽指数达到 80% 时，可认 为堆肥没有植物毒性或堆肥已经腐熟［15］。从图 4 可以看出，堆肥过程中种子发芽指数呈升高趋势，即对 种子发芽抑制作用逐渐减弱。在堆制初期，各处理种子发芽指数均在 40% 左右，堆肥 7d 时，对种子发芽 的抑制作用增强; 堆肥 10 － 30d 时，处理 2 和处理 3 的种子发芽指数增幅高于处理 1 和 CK; 堆肥进 20d 时，处理 2 和处理 3 种子发芽指数分别达到 78． 04% 和 85． 70% ，而处理 1 和 CK 发芽指数分别为 76． 72% 和 58． 16% ，从种子发芽指数大于 80% 这一标准判断，处理 3 和处理 2 分别需要 20d 和 30d 达到堆肥无害 化腐熟标准，而处理 1 和 CK 均需要 40d 才能达到。在堆肥结束时，各处理的种子发芽指数分别为 85． 72% 、90． 10% 、93． 80% 和 84． 92% ，均大于 80% 。 3 讨论 堆肥是一个微生物全程参与和作用的过程，加入适当的外源微生物是加快腐熟的重要手段［3］。近年 来关于畜禽粪便好氧堆肥过程中添加微生物菌剂的研究都证实了微生物菌剂用于堆肥的可行性及有效 性［4，8，13］。本研究在牛粪堆肥中添加不同微生物菌剂，不仅使堆肥初期升温加快，高温时间延长，而且促进 了有机碳的分解和降低了堆肥物料的 pH 值，缩短了堆腐时间，提高了腐熟效率。 温度是微生物代谢产生热量积累的结果，反映了微生物活性的变化和堆肥腐熟的程度［8，13，15］。本研 究表明，处理 3 的堆体温度上升迅速，比 CK、处理 1 和处理 2 分别提前 5d、3d 和 1d 达到 50℃以上，而且处 理 3 的高温持续时间最长。从促进堆肥前期升温速度来看，菌剂 3 处理的升温速度最快，高温持续时间最 长，在 3 种菌剂中，菌剂 1 升温速度最慢，高温持续时间最短，说明菌剂 1 不适于本区生态环境下的堆肥生 产。 水分是影响堆肥效果的重要参数，含水率过高或过低，都将影响微生物的生长及活性［17］。张建华 等［10］研究表明，堆肥结束后堆料含水率为 20． 76% ，李琬等［20］研究发现，腐熟后含水率为 29． 6% 。本研 究表明，新鲜牛粪初堆时含水率在 65． 1% － 66． 2% ，随着堆肥的进行，堆料含水率也随之下降，处理 3 下 降速度最快，说明菌剂 3 促使微生物活性增强，在堆肥第 40d 由于降雨致使物料的含水率略有升高，与张 建华等［10］和李婉等［10］研究不同的是本试验中物料含水率各处理下降均较快，这可能是由于本试验所处 环境日蒸发量较大，而且堆置时间正逢夏季，与该地区半沙漠干旱性气候条件有关。 前人研究表明，适宜的 pH 可使微生物有效的发挥作用［8，18，20］。王小琳等［9］认为发酵前期微生物活动 剧烈时，有机氮的矿化分解能力强，会产生大量的 NH + 4 － N 而引起的 pH 值的显著增高，发酵后期剧烈的 微生物活动产生的大量有机酸及硝化作用产生硝态氮而导致 pH 值迅速降低，对堆料氨气释放的抑制作 用最强，即保氮效果强。本试验表明，各处理的微生物活力和降解能力有所不同，处理 3 的 pH 升高和降 低所需时间最短，说明其微生物活性强，可有效促进有机物料的腐熟及提高堆肥质量; CK 出现峰值的时间 较长而且偏低，说明未引入外源微生物处理其固有微生物数量及活力有限，延滞期较长。 Zucconi 等［19］认为，种子发芽指数用于堆肥腐熟度评价更能有效地反映堆肥的植物毒性大小，当发芽 指数达到 80% 时，可认为堆肥已没有植物毒性或者说堆肥已经腐熟。本研究表明，处理 3 在堆后 20d 时 GI ＞ 80% ，较 CK 提前 20d 达到这一标准，说明菌剂 3 微生物活动比其他处理剧烈且微生物菌剂适宜堆肥 环境，使大量有机酸、胺类和多酚等物质得以降解，使其对种子的发芽和生根的毒害作用降低。 本研究表明，在堆肥结束时，堆体含水率较堆肥前下降 66． 7% － 78． 3% ，且物料总有机碳下降 29． 6% － 40． 1% ，堆肥总有机碳的降解程度和堆体质量下降程度均较大，在发酵过程中，堆体质量和水分的散失 以及有机质降解等因素，物料中干物质总量下降幅度远大于堆肥过程中有机氮的矿化、氨的挥发及硝态氮 的反硝化作用引起的氮素损失，但是物料中硝化细菌通过硝化作用，使其中氮素得以固定，氮素的损失逐 渐变小，因此氮素的含量较初堆时相对增加，这与王晓娟［8］和王小琳等［9］的研究结论一致。 4 结论 ( 1) 添加微生物菌剂的发酵效果明显优于自然发酵，菌剂 3 较其他 2 种菌剂更能加快初期升温，延长 高温持续时间，提高堆肥效率。 ( 2) 腐熟后菌剂 3 处理含水率和 pH 值均最低，分别为 14． 3% 和 8． 03，总有机碳降解最快，均说明菌 剂 3 效果最好。 ·112· 干 旱 区 资 源 与 环 境 第 28 卷
第2期 李杰等不同微生物菌剂对牛粪好氧堆肥的影响 ·113· (3)以GⅠ均大于80%这一标准评判,菌剂3和菌剂2处理分别需要20d、30d达到堆肥无害化腐熟标 准,而菌剂1处理和CK均需40d,说明菌剂3堆肥效率最高 参考文献 ]闫会玲,程智慧,孟焕文,等.不同微生物菌剂及牛粪对麦糠发酵的作用.麦类作物学报,2010,30(5):881-885 门]妙旭华,赵文超.甘肃省畜禽养殖污染状况及粪便的综合利用.甘肃环境硏究监测,2007,15(4):33-34 [3]王卫平,汪开英,薛智勇,等.不同微生物菌剂处理对猪粪堆肥中氨挥发的影响.应用生态学报,2005,16(4):693-697 4]沈根祥,尉良,钱晓雍,等.微生物菌剂对农牧业废弃物堆肥快速腐熟的效果及其经济性评价.农业环境科学学报,2009,28(5):1048 1052 5]刘凯,郁继华,颉建明,等.不同配比的牛粪与玉米秸秆对高温堆肥的影响D.甘肃农业大学学报,2011,26(2):82-88 6]魏彦红,郁继华,冯致,等.不同添加剂对牛粪高温堆肥的影响D.甘肃农业大学学报,2012,47(3):52-56 ]李宜伟,蒋进,宋春武,等.发酵肥料对沙地水分与植物生长的影响D.干早区资源与环境,2012,26(2):161-166. 8]王晓娟,李博文,刘微,等.不同微生物菌剂对鸡粪高温堆腐的影响D.土壤通报,2012,43(3):637-642. ⑨]王小琳,陈世昌,袁国锋,等促腐剂在鸡粪堆肥发酵中的应用研究D植物营养与肥料学报,2009,15(5):1210-1214 0]张建华,田光明,姚静华,等不同调理剂对猪粪好氧堆肥效果的影响D.水土保持学报,2012,26(3):131-135 ]中华人民共和国农业行业标准NY525-2011],有机肥料,2011 [12] Chefetz B, Hatcher P G, Hardar Y, et al. Chemical and biological characterization of organic matter during composting of municipal solid waste [. Journal of Environmental Quality, 1996, 25(5): 776-785 3]贾程张增强,张永涛污泥堆肥过程中氮素形态的变化D.环境科学学报,2008,28(11):2269-276. [14] Tiquia S M, Tam N F Y. Composting of spent pig litter in turned and forced aerated piles [. Environmental Pollution, 1998,99: 329-337. 5]王岩,李玉红.添加微生物菌剂对牛粪高温堆肥腐熟的影响.农业工程学报,2006,22(10):220-22 [16] Liang C, Das K C, MeClendon R W. The influence of Temperature and moisture contents regimes on the aerobic Microbial activity of a biosolids composting blend [n. Bioresource Technology, 2003, 86: 131-137 7曾光明,黄国和,袁兴中,等堆肥环境生物与控制D.北京:科学出版社,2006:360-375 8]黄国锋,吴启堂,孟庆强,等猪粪堆肥化处理的物质变化及腐熟度评价.华南农业大学学报,2002,23(3):1-4 [19] Zucconi F, Forte M, Monaco A, et al. Biological evaluation of compost maturity [.Biocycle,1981,22: 27-29 D20]李琬许修宏外源微生物对堆肥理化性质及酶活性影响的研究口.农业环境科学学报,2010,29(3):592-596 Effect of different microbial inoculants on aerobic composting of cow manure LI Jie, YU Jihua, FENG Zhi, XIE Jianming, XIE Xu, JIANG Li, ZHANG Jing College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, P R China Abstract: The production of biomass matrixes is the key to develop and utilize uncultivated area in the north estern territories. This study was committed to choose suitable microbial inoculants to produce cow manure as a kind of biomass matrixes in an aerobic composting test. Three representative microbial inoculants were selected to do the compost experiment of cow manure. The temperature, moisture content, pH, germination index, total N, total P, total K and other factors were surveyed and analyzed during the composting. The results showed the tem perature was relatively high when adding 3 microbes, and was reached the highest temperature earlier five days than un-microbial inoculants. The pH was suitable to the growth of microorganisms, the total organic carbon re- duced fastest, germination index(GI)was earlier than CK 20 days to meet the correspond compost standard (GI 80%). The final moisture content was lower. We can summarize from the analysis that the 3 microbes provided by Gansu Academy of Sciences are the best to compost cow manure Key words: inoculating microbes, dairy manure, composting, maturity 21994-2016ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
( 3) 以 GI 均大于 80% 这一标准评判，菌剂 3 和菌剂 2 处理分别需要 20d、30d 达到堆肥无害化腐熟标 准，而菌剂 1 处理和 CK 均需 40d，说明菌剂 3 堆肥效率最高。 参考文献 ［1］闫会玲，程智慧，孟焕文，等． 不同微生物菌剂及牛粪对麦糠发酵的作用［J］． 麦类作物学报，2010，30( 5) : 881 － 885． ［2］妙旭华，赵文超． 甘肃省畜禽养殖污染状况及粪便的综合利用［J］． 甘肃环境研究监测，2007，15( 4) : 33 － 34． ［3］王卫平，汪开英，薛智勇，等． 不同微生物菌剂处理对猪粪堆肥中氨挥发的影响［J］． 应用生态学报，2005，16( 4) : 693 － 697． ［4］沈根祥，尉良，钱晓雍，等． 微生物菌剂对农牧业废弃物堆肥快速腐熟的效果及其经济性评价［J］． 农业环境科学学报，2009，28( 5) : 1048 － 1052． ［5］刘凯，郁继华，颉建明，等． 不同配比的牛粪与玉米秸秆对高温堆肥的影响［J］． 甘肃农业大学学报，2011，26( 2) : 82 － 88． ［6］魏彦红，郁继华，冯致，等． 不同添加剂对牛粪高温堆肥的影响［J］． 甘肃农业大学学报，2012，47( 3) : 52 － 56． ［7］李宜伟，蒋进，宋春武，等． 发酵肥料对沙地水分与植物生长的影响［J］． 干旱区资源与环境，2012，26( 2) : 161 － 166． ［8］王晓娟，李博文，刘微，等． 不同微生物菌剂对鸡粪高温堆腐的影响［J］． 土壤通报，2012，43( 3) : 637 － 642． ［9］王小琳，陈世昌，袁国锋，等． 促腐剂在鸡粪堆肥发酵中的应用研究［J］． 植物营养与肥料学报，2009，15( 5) : 1210 － 1214． ［10］张建华，田光明，姚静华，等． 不同调理剂对猪粪好氧堆肥效果的影响［J］． 水土保持学报，2012，26( 3) : 131 － 135． ［11］中华人民共和国农业行业标准 NY525 － 2011［S］，有机肥料，2011． ［12］Chefetz B，Hatcher P G，Hardar Y，et al． Chemical and biological characterization of organic matter during composting of municipal solid waste ［J］． Journal of Environmental Quality，1996，25( 5) : 776 － 785． ［13］贾程，张增强，张永涛． 污泥堆肥过程中氮素形态的变化［J］． 环境科学学报，2008，28( 11) : 2269 － 2276． ［14］Tiquia S M，Tam N F Y． Composting of spent pig litter in turned and forced － aerated piles［J］． Environmental Pollution，1998，99: 329 － 337． ［15］王岩，李玉红． 添加微生物菌剂对牛粪高温堆肥腐熟的影响［J］． 农业工程学报，2006，22( 10) : 220 － 223． ［16］Liang C，Das K C，McClendon Ｒ W． The influence of Temperature and moisture contents regimes on the aerobic Microbial activity of a biosolids composting blend［J］． Bioresource Technology，2003，86: 131 － 137． ［17］曾光明，黄国和，袁兴中，等． 堆肥环境生物与控制［M］． 北京: 科学出版社，2006: 360 － 375． ［18］黄国锋，吴启堂，孟庆强，等． 猪粪堆肥化处理的物质变化及腐熟度评价［J］． 华南农业大学学报，2002，23( 3) : 1 － 4． ［19］Zucconi F，Forte M，Monaco A，et al． Biological evaluation of compost maturity［J］． Biocycle，1981，22: 27 － 29． ［20］李琬，许修宏． 外源微生物对堆肥理化性质及酶活性影响的研究［J］． 农业环境科学学报，2010，29( 3) : 592 － 596． Effect of different microbial inoculants on aerobic composting of cow manure LI Jie，YU Jihua，FENG Zhi，XIE Jianming，XIE Xu，JIANG Li，ZHANG Jing ( College of Agronomy，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，P． Ｒ． China) Abstract: The production of biomass matrixes is the key to develop and utilize uncultivated area in the northwestern territories． This study was committed to choose suitable microbial inoculants to produce cow manure as a kind of biomass matrixes in an aerobic composting test． Three representative microbial inoculants were selected to do the compost experiment of cow manure． The temperature，moisture content，pH，germination index，total N， total P，total K and other factors were surveyed and analyzed during the composting． The results showed the temperature was relatively high when adding 3 microbes，and was reached the highest temperature earlier five days than un － microbial inoculants． The pH was suitable to the growth of microorganisms，the total organic carbon reduced fastest，germination index ( GI) was earlier than CK 20 days to meet the correspond compost standards ( GI ＞ 80% ) ． The final moisture content was lower． We can summarize from the analysis that the 3 microbes provided by Gansu Academy of Sciences are the best to compost cow manure． Key words: inoculating microbes，dairy manure，composting，maturity 第 2 期 李杰 等 不同微生物菌剂对牛粪好氧堆肥的影响 ·113·