添加菌剂对羊粪和菌渣好氧堆肥进程的影响

胡斌 刘延生 于蕾 吴越 江丽华 杨岩 王梅 霍瑞风

摘要：为明确添加菌剂对堆肥过程及产品质量的影响，本研究以羊粪和菌渣为堆肥原料，以添加菌剂为处理组，不添加菌剂为对照组，进行为期40 d的条垛式堆肥试验，对堆肥进程和质量的相关指标进行测定。结果表明：对照组和处理组的堆温维持在50℃以上的天数分别为36 d和37 d，均达到了高温堆肥的卫生标准；堆肥产品的总养分含量分别为5.66%和5.73%，符合国家有机肥料标准要求，但含水率分别为33.29%和34.78%，略高于此标准，经后续商品化生产工序便可达标。本试验中添加菌剂显著提高了堆肥产品的电导率（EC），但对堆肥进程和堆肥质量其余各项指标均无显著影响，因此实际生产中应进行菌剂的空白对比试验，以免盲目使用增加成本。

关键词：菌剂；羊粪；菌渣；好氧堆肥

中图分类号：S141 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2018）09-0089-05

Abstract In order to clear the influence of microorganism agent on composting process and product quality， we selected sheep manure and mushroom residue as the raw materials with adding microorganism agent as the experimental group （MA） and without adding microorganism agent as the control group （CK）， and conducted for 40 days in the form of windrow composting.The related indexs of composting process and quality were analyzed. The results showed that the days of the pile temperature of CK and MA remained above 50℃ were 36 d and 37 d， respectively， so both reached the high temperature compost hygiene standards. The total nutrient contents of composting product of CK and MA were 5.66% and 5.73%， respectively， which conformed to the requirements of the organic fertilizer product standards of China. However， the moisture content of CK and MA were 33.29 % and 34.78 %， respectively， which were slightly higher than the requirements of the standards，and would reach the standard after the following commercialized production process. In this experiment， adding microorganism agent significantly increased the EC value of compost product， but had no obvious effect on the other indexes of process and quality of composting， therefore， the blank contrast test should be carried out in actual production， so as not to increase unnecessary cost.

Keywords Microorganism agent； Sheep manure； Mushroom residue； Aerobic composting

隨着我国畜禽养殖和食用菌产业的快速发展，畜禽粪便和食用菌菌渣的产生量也越来越大，2014年我国畜禽规模化养殖的粪便和食用菌菌渣产生量分别约为12.6亿吨[1，2]和2 000万吨[3]。研究表明，畜禽粪便和菌渣等废弃物含有丰富的有机养分和氮、磷、钾等无机养分，是具有巨大潜力的资源库[4，5]。限于技术和产业化滞后等原因，我国农业废弃物利用率仅为34%[6]，大多被随意搁置暴露在外，甚至直接排入江河湖泊，导致环境污染。2010年《全国第一次污染源普查公报》指出，畜禽养殖已成为中国最重要的农业面源污染源之一[7]，此外，随处堆弃的食用菌渣易造成霉菌和害虫的滋生与疾病传播[5]。因此，畜禽粪便和食用菌渣的资源化利用已成为国内外学者的研究焦点。

近年来，随着人们生活水平的提高，对羊肉、羊奶等羊类制品的需求量逐年递增，促使羊的集约化养殖业快速发展。据统计，2014年我国羊的存栏量较2010年增加了7.93%，达2.8亿头[1]，存栏量增加所产生大量羊粪的处理问题已不容忽视。目前，处理畜禽粪便、菌渣等农业固体废弃物最经济有效的办法仍为好氧堆肥，且已有很多相关研究，其中以牛粪、猪粪和鸡粪等畜禽粪便与菌渣混合堆肥的研究较多[8-10]，而羊粪与菌渣堆肥的研究却少有报道。本研究以羊粪和食用菌渣为原料，以添加腐熟菌剂为试验处理，利用堆肥工厂成熟的好氧堆肥工艺开展实践研究，以期为堆肥化处理羊粪和菌渣提供科学依据，进而提升工厂化生产环境和经济效益。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥材料羊粪来自山东润林牧业有限公司规模化养殖场，菌渣（金针菇菌渣）来自河北九道菇生物科技有限公司，菌剂由山东省农业科学院资源与环境研究所菌种保藏库提供，供试材料基本性状见表1。

1.2 试验设计

试验分为2组，以添加菌剂（添加比例为千分之一）为处理组，不添加菌剂为对照组，每组设3个重复。以初始C/N值为30调节物料添加比例，初始含水率调至60%。堆肥从2015年9月24日到11月3日，共40 d。堆肥制作方法参照当地生产工艺，将原材料用搅拌机充分拌匀后堆成条垛进行发酵（条垛长×宽×高=20.0 m×3.0 m×1.2 m），每个处理间隔5.0 m。堆置期间每天测定堆体温度和环境温度。堆体温度上升至50℃并维持5 d后，用翻抛机每5 d翻堆1次。分别于堆肥开始后的第0、3、6、10、15、20、25、30、35、40 d采集堆肥样品，进行测定。

1.3 测定项目和方法

温度测定方法：堆肥开始后，将温度计分别插入距底部20、60、100 cm处，每处设5个点，于每天8∶ 00、13∶ 00和17∶ 00读取各点温度，取平均值作为当日堆体温度，同时测定环境温度。

样品分析：按照有机肥料标准NY525—2012[11]测定全碳、全氮、全磷、全钾的含量。称取新鲜堆肥样品加去离子水[按固液比1∶ 10（g/mL）]，在室温条件下，于200 r·min-1振荡提取1 h后，用pH计和电导率仪直接测定pH和电导率（EC）值[12]。采用重量法测定含水率。

发芽指数（GI）的测定方法：称取新鲜堆肥样品10 g，加入100 mL蒸馏水，室温振荡1 h后静置24 h，过滤，吸取5 mL滤液于铺有一层滤纸的9 cm培养皿内，并于培养皿内均匀排布50粒饱满的油菜种子（束腰油菜）， 28℃恒温培养箱中培养48 h，以蒸馏水作对照[13]。计算公式如下：

GI（%）=处理发芽率×处理平均根长对照发芽率×对照平均根长×100 。

1.4 数据处理

试验数据用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0统计软件进行作图与分析。

2 结果与分析

2.1 温度、固相C/N和含水率的变化

堆肥过程中的温度变化是堆体内不同类型微生物活性变化的重要反应，同时也是实现堆肥无害化和稳定化的重要评价指标。由图1a可知，堆肥过程中的环境温度在14.0～24.0℃之间，相对稳定。在堆肥开始1 d后堆温即达50℃以上，对照组和处理组的堆温分别于第9 d和11 d时达60℃以上，且维持在50℃以上的天数分别为36 d和37 d，均达到了高温堆肥的卫生标准[14]。说明添加菌剂对堆体温度无显著影响。

C/N比是目前常用的腐熟度评价指标之一，一般当堆肥原料的C/N值由起始25～30降到16左右时，可认为已基本腐熟，否则施入土壤中易造成氮饥饿，影响土壤肥力[12]。从图1b中可知，堆肥物料固相碳氮比总体呈下降趋势，由起始的30降至20左右；且堆肥结束时，两组的固相碳氮比无显著差异，说明添加菌剂对羊粪堆肥固相碳氮比无显著影响。此外，与堆肥开始时相比，堆肥结束时两组的固相碳氮比均显著降低（对照组P=0.001；处理组P=0.002），其中对照组降幅较大，为33.30%。

堆体中的水分不仅可以作为微生物代谢和生理活动所需营养物质的载体，还可以蒸发带走热量，调节堆体温度，是堆肥过程工艺控制的关键因子[9]。图1c中，随着堆肥过程的进行，堆体含水率逐渐降低，前15 d含水率降幅较大，对照组和处理组的含水率降幅分别占整个堆肥过程降幅的50.13%和55.56%。试验结束时，对照组和处理组的含水率分别为33.29%和34.78%，说明添加菌剂对堆体含水率无显著影响。两组含水率均略高于有机肥料标准[11]，但经后续物料转运等一系列工序便可達到要求。

2.2 总氮、总磷和总钾养分的变化

堆肥产热本质上是微生物新陈代谢的过程，有机物在此过程中被不断分解，并以NH3、H2O、CO2等形式挥发损失，造成氮元素和碳元素绝对量及总干物质质量逐渐减少，并且碳的消耗速率约为氮的30倍[15]，堆肥结束时，物料中的氮磷钾等养分相对含量高于原始物料。由图2可知，对照组堆肥成品中的养分含量较原始物料提高11.85%，差异达显著水平（P=0.023），而处理组差异不显著，这可能与添加菌剂促进了有机物料降解有关；对照组和处理组的堆肥产品总养分含量分别为5.66%和5.73%，二者间无显著差异，均达到了有机肥料标准（NY525—2012）[11]的养分含量要求，说明添加菌剂对堆肥产品的总养分含量无显著影响。

2.3 pH、EC值的变化

pH是堆肥过程控制的重要参数，适宜的pH值能有效提高微生物活性，促进堆肥进程，减少养分损失。从图3a中可以看出，对照组和处理组的pH值在前6 d呈快速上升趋势，之后略有下降，处理组10 d后，对照组15 d后又开始缓慢升高，堆肥第20 d时达到最高值，分别为8.88和8.89，之后持续下降，试验结束时，对照组和处理组的pH值分别为8.44和8.42，均满足有机肥标准的pH值要求，且二者间无显著差异。

电导率（EC）反映了堆肥浸提液中的离子总浓度，即可溶性盐含量[12]。研究表明，当堆肥EC值小于9.0 mS·cm-1时，对种子发芽没有抑制作用[16]。因此，EC值也是堆肥腐熟的一个重要参数。从图3b中可以看出，两组的EC值随堆肥时间延长呈升高趋势，这可能是由物料中有机物质被分解产生大量可溶性小分子物质造成的[17]。试验结束时，对照组和处理组的EC值分别由堆肥开始时的3.47和3.23 mS·cm-1升高至4.52和4.73 mS·cm-1，两者间差异达显著水平（P=0.03）；与初始EC值相比，对照组和处理组分别增加30.26%和46.44%，且均达极显著水平（对照组P=0.0018；处理组P=0.0006），即添加菌剂显著促进了堆肥物料电导率值的升高。

2.4 发芽指数（GI）的变化

生物學指标是通过检测堆肥毒性来判断堆肥腐熟度的方法，也是检验堆肥腐熟度最精确和最有效的方法[15]。目前，植物生长试验是评价堆肥腐熟度最具说服力的方法[18]，其中最简单有效的即为种子发芽试验，用发芽指数（GI）来评价：当GI值达到50%可认为堆肥对植物已无毒害作用，当GI 超过80%则可认为已完全腐熟[19]。本研究采用堆肥鲜样提取液进行发芽试验，结果如图4所示。对照组和处理组的发芽指数在25 d内变化幅度较小，之后呈快速升高的趋势，至第40 d时分别达102.87%和107.0%，二者无显著差异。

3 讨论与结论

堆肥初期，微生物迅速将原料中易分解的有机质分解转化，产生大量热量使堆温在堆肥开始1 d后即达50℃以上，对照组和处理组的堆温分别于第9 d和11 d时达60℃以上，且维持在50℃以上的天数分别为36 d和37 d，两组间的温度及固相C/N变化均无显著差异，且均达到了国家有机肥料标准；对照组和处理组的含水率分别为33.29%和34.78%，均略高于国家有机肥料标准，需要进一步处理。

试验前期pH值快速上升可能是微生物分解有机氮产生的大量NH3被堆肥物料吸附所致[12]；后期pH值下降，则是由于温度下降，NH3挥发速率下降，原来受高温抑制的硝化菌活性增强，硝化作用产生大量的H+所致[9]。堆肥质量上，两组均符合粪便无害化卫生标准[14]，达到了杀灭有害病原菌及害虫的效果；添加菌剂对堆肥产品的pH值、总养分含量和GI值均无显著影响，但使堆肥产品的EC值较对照组处理提高了4.65%，达显著水平（P=0.03）。

本试验中，处理组在堆肥进程和堆肥质量上与对照组的表现基本一致，未表现出较明显的促进效果，这与郑卫聪[20]和田赟[21]等提出的添加菌剂有助于堆肥腐熟的结论有较大差异，这可能与菌剂的微生物类型及外界环境条件等有关。但同时也有大量研究报道未添加菌剂仍在较短时间内完成了畜禽粪便的堆肥化处理[22-24]，因此在实际生产中应进行菌剂的空白对比试验，以免盲目使用增加成本。

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