微生物接菌剂对牛粪条垛式堆肥的影响

王彦杰，洪秀杰，陈文浩，晏磊，高亚梅，王伟东

（1.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，大庆 163319；2.大庆市农业技术推广中心）

微生物接菌剂对牛粪条垛式堆肥的影响

王彦杰1，洪秀杰2，陈文浩1，晏磊2，高亚梅1，王伟东1

（1.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，大庆 163319；2.大庆市农业技术推广中心）

选用微生物菌剂WSC、SS为接种剂，接种到以牛粪和玉米秸秆为基质的条垛式堆肥中，测定了堆肥过程中半纤维素、纤维素、木质素含量的变化，通过测定C/N和GI研究两接种对腐熟度的影响。结果表明，接种两种微生物菌剂均可促进了纤维素、半纤维素的降解，接种微生物菌剂WSC的效果明显。接种微生物菌剂的2个处理C/N下降、GI值上升速度均明显快于CK，加快了堆肥腐熟进程，其中接种微生物菌剂WSC的处理效果好于接种微生物菌剂SS的处理。表明向堆肥中接种微生物菌剂WSC和SS可解决一定低温环境条件下堆肥不能腐熟的问题。

微生物菌剂；条垛式堆肥；木质纤维素；腐熟度

随着中国集约化、规模化畜牧业的快速发展，禽畜粪便的产生量与日俱增。黑龙江省由于低温持续时间长，禽畜粪便不能有效处理，造成粪便大量堆积，引发一系列的环境问题。高温堆肥是实现畜禽粪便减量化、无害化和资源化的有效措施，是目前应用最多、最广的一种处理措施[1-3]。堆肥方法的选择主要决定于投资和运行成本、原料性质及来源、场地大小、腐熟时间和腐熟度的要求等[4]。条垛式堆肥所需设备简单，易于操作，适合于大批量畜禽粪便的处理[5]，但腐熟度受季节性温度变化的影响较大[6]。而黑龙江省年平均气温4.2℃以下[7]，低温季节肥堆启动慢，堆腐周期长，甚至达不到高温腐熟阶段，难以杀灭粪便中所含的大量杂草种子和虫卵病菌，限制了条垛式堆肥在黑龙江省低温季节的应用。为了提高堆肥效率，缩短发酵时间，不少研究者采用接种微生物菌剂的方法来达到这一目的[8-9]，但也有研究表明接种微生物对加快堆肥进程或提高堆肥产品的质量没有明显作用[10-12]。以上报道探讨了在中温条件下接菌处理对堆肥发酵的影响，产生两种不同观点的根本原因可能在于供试菌剂、试验材料、方法及条件的差异。在低温条件下接种微生物菌剂可改变堆肥的理化性质和微生物的组成[13-14]，但低温的程度、原料的组成、堆肥的方式及堆肥菌剂的性质对接种效果影响较大，目前还缺乏低温条件下接种效果的系统研究。而在北方低温季节堆肥堆体能否快速进入高温期影响着堆肥无害化的实现。如何处理北方地区低温下的畜禽粪便污染已成为亟待解决的问题。低温条件下能使条垛式堆肥快速升温、保持高温发酵接菌剂的应用是解决低温季节粪便堆肥不能腐熟的有效途径之一。

试验在环境平均最高温度10℃、最低温度-8℃的条件下，以牛粪和玉米秸秆为原料的条垛式堆肥中分别接种微生物发酵菌剂WSC、SS，机械翻堆，探讨接种菌剂对堆肥过程的影响，为黑龙江省畜禽粪便在低温环境条件下实现无害化处理和资源化利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

两种供试菌剂名称为WSC和SS，WSC为黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院自主研发，SS为哈尔滨菁菁农业科技开发有限公司从美国购买的商品菌剂。以牛粪为堆肥的主要原料，玉米秸秆作为调理剂。堆肥原料的主要成分见表1。

表1 主要堆肥原料的基本性质Table 1Basic properties of compost materials

1.2 堆肥试验设计

试验在黑龙江省哈尔滨菁菁农业科技开发有限公司堆肥场进行。将牛粪与粉碎的玉米秸秆按体积比1∶1混合，调节含水量在60%～65%之间。设计三个堆肥处理，其中两个堆体分别接种0.25%（体积比）的WSC与SS菌剂，另一堆体不接种作为对照。试验中堆体截面呈梯形，上底1.0 m、下底2.0 m、高1.0 m、长10.0 m。采用ET-100（美国FEMCO公司）翻堆搅拌机每隔1 d进行翻堆。堆肥试验从9月末至1月末，环境平均温度＜10℃，其中最低温度达到了-8℃，堆肥时间为60 d。

1.3 堆肥样品测定指标及方法

1.3.1 取样方法分别于堆肥第1、2、4、8、15、19、25、34、52、60 d取样，在堆体上、中、下三点取样后混合，一部分直接冰冻保存备用，另一部分样品风干磨碎过1 mm筛保存备用。所有分析测定工作均在采样后完成。

1.3.2 测定方法纤维素、半纤维素和木质素的测定采用范氏洗涤纤维分析法[15]。全碳以风干样用重铬酸钾外加热法测定[16]，全氮含量采用将样品消煮后用全自动凯氏定氮仪进行测定测定。C/N采用分别测定全碳和全氮之后计算比例。

种子发芽指数测定[15]：将冰冻保存样品与去离子水按1∶10（W/V）比例混合振荡2 h，吸取滤液3 mL放入滤纸的无菌的培养皿中，均匀放入20粒白菜种子，在25℃、黑暗条件下的培养箱中培养48 h，测定种子的发芽率和根长，每个样品三次重复，同时用去离子水做空白对照，按下式计算种子发芽指数：

种子发芽指数（GI）=（堆肥处理的种子发芽率×种子根长）/（对照的种子发芽率×种子根长）×100%

2 结果与分析

2.1 半纤维素含量的变化

图1为堆肥处理过程中半纤维素含量的变化。从图1可见，堆肥处理过程中半纤维素的含量不断降低，WSC和SS处理的半纤维素含量到堆肥结束时从开始的10.5%和10.9%减少到2.7%和3.6%，分别减少了74.4%和67.2%，对照处理的半纤维素含量也呈降低趋势，堆肥结束时减少了53.8%。

图1 堆肥进程中半纤维素含量变化Fig.1 Changes of hemicellulose during composting

2.2 纤维素含量的变化

纤维素含量在堆肥过程中持续下降（图2），WSC和SS处理的纤维素含量从开始的36.3%和36.7%减少到15.5%和18.8%，分别减少了57.3%和48.8%，而CK减少了39.8%。纤维素含量降低速度与半纤维的相比较慢，说明纤维束较半纤维素难降解。

图2 堆肥进程中纤维素含量变化Fig.2 Changes of cellulose during composting

2.3 木质素含量的变化

木质素含量在整个堆肥过程中呈缓慢上升的趋势（图3），WSC和SS处理的木质素含量从开始的3.5%和3.9%升高到5.3%和6.0%，对照也呈现升高的趋势，由3.9%升高到6.7%。这是由于木质素的降解率低于其他物质的降解率，接种微生物菌剂也未对其产生明显影响。而在堆肥化进程中，由于温度的升高造成水气的蒸发，物质分解生产气体造成挥发，从而使堆体的物料有一定的损失，进而导致了堆体中木质素相对含量增加。

2.4 腐熟度评价

2.4.1 C/N

C/N是检验堆肥产品腐熟度常用的指标，因为微生物体的C/N在16左右，在堆肥过程中多余的碳素将转变为CO2[18]。随着堆肥反应的进行，各个处理C/N呈下降趋势（图4）。堆肥结束后3个处理（WSC、SS处理和CK）的C/N分别达到14.0、14.9和15.9。

图4 堆肥过程中C/N变化Fig.4 Changes of C/N during composting

2.4.2 种子发芽指数

随着堆肥的进行，不同堆肥处理GI值总体上呈上升趋势（图5）。堆肥结束时，WSC和SS处理的GI值从堆肥初期24.3%分别增加到83.6%和81.6%，CK增加到55.2%。表明接种微生物菌剂能加速堆体内对种子发芽有毒有害物质的分解。

图5 堆肥过程中GI的变化Fig.5 Changes of GI during composting

3 讨论与结论

传统堆肥法通常都是采用改善环境条件或增加营养的方法，利用堆制原料中的土著微生物来降解有机污染物，但由于堆肥初期有益微生物量少，需要一定时间才能繁殖起来，因此传统堆肥往往存在发酵时间长、产生臭味且肥效低等问题[19]。另外，黑龙江长部分季节的低温环境、纤维素含量高的堆肥原料使传统堆肥腐熟速度更慢或难以腐熟而不能满足大规模养殖业的需要。接种堆肥微生物菌剂是否有利于堆肥过程的温度上升、高温的持续还存有争议。一些研究者认为，添加微生物菌剂不能提高堆体的最高温度，但可以缩短堆体达到高温的时间[20]，陈文浩等[21]研究表明研究添加微生物菌剂WSC与SS后缩短了堆体达到高温时间的同时，提高了堆体的温度。

在高纤维含量的堆肥处理中，纤维素由于结构复杂、降解困难，已成为缩短堆肥周期、提高堆肥效率的限制性因素，纤维素类物质的降解是堆肥过程中最重要的物理性状变化[19-22]。试验中所用原料牛粪和玉米秸杆主要成分就是木质纤维素类物质，在堆肥中难以被充分利用或难以被大多数微生物直接作为碳源物质而转化利用[23]。不同处理的半纤维素、纤维素含量在堆肥结束时均比初始的有所减少，WSC和SS的处理的半纤维素减少量分别比对照高10.6%和13.4%，纤维素减少量分别比对照高17.5%和9.0%。不同处理的木质素含量均表现出增加的趋势，木质素几乎没有发生降解或降解量很少。表明接种处理促进了半纤维素和纤维素的降解，而对木质素降解未产生影响。

C/N是堆肥腐熟度的重要指标，若堆肥起始的C/N为25-30，当其降到20左右或以下时，可以认为堆肥已经达到腐熟[24]。按此标准，不同处理的堆肥均达到了腐熟。但堆肥的腐熟度受到很多因素的综合影响，应用不同的指标评价时往往会得到不同的结果，考虑到堆肥腐熟度的实用意义，植物生长试验是评价堆肥腐熟度的最终和最具说服力的方法[25]。Zucconi等认为，当GI＞50%时，堆肥对植物已基本没有毒性，达到基本腐熟；而当GI＞80%时，可认为堆肥达到完全腐熟[17]。按GI腐熟要求，堆肥结束时，WSC和SS处理的堆肥达到腐熟，而对照达到基本腐熟。正常的堆肥处理不加菌剂也会正常腐熟，但由于本次试验中较低的环境温度使堆肥没有达到腐熟。说明WSC和SS处理促进了堆肥腐熟进程。

在环境平均最高温度10℃、最低温度-8℃的条件下，接种微生物菌剂WSC、SS，可以提高以牛粪和玉米秸秆为基质的条垛式堆肥的温度，缩短达到最高温度的时间，促进堆肥的腐熟。综合考虑两种菌剂处理对纤维素类物质和腐熟度的影响，接种微生物菌剂WSC的处理效果好于接种微生物菌剂SS的处理。

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Effects of Microbial Inoculant on Windrow Composting with Cattle Manure

Wang Yanjie1，Hong Xiujie2，Chen Wenhao1，Yan Lei1，Gao Yamei1，Wang Weidong1
（1.College of Life Science and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；
2.Daqing Agricultural Technology Promotion Center）

A windrow composting experiment with cattle manure and corn stalk was carried out to study the effects of microbial inoculation（WSC and SS agents）on the dynamic changes of fermentation parameters.The results showed that adding microbial agents WSC and SS in windrow compost promoted the degradation of cellulose and hemicellulose.The effect of WSC on windrow composting with cattle manure was more obvious than that of the SS.Both treatments showed lower C/N ratio and higher GI than CK in the process of composting.The accelerating effect of WSC on composting process was better than that of SS.Microbial inoculant on composing process could solve the problem of incomplete maturity under certain low ambient temperature.

microbial inocula；windrow composting；maturity

S141.4

A

1002-2090（2016）06-0108-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.06.022

2016-10-23

国家科技支撑计划课题（2013BAD21B01）。

王彦杰（1972-），男，教授，现主要从事农业废弃资源化方面的研究工作。

王伟东，男，教授，博士研究生导师，E-mail：wwdcyy@126.com。