微生物菌剂对菜粕好氧堆肥发酵的影响

戴美玲，江 涛，谭 美，何伟豪，卢盛杰，向铁军

（湖南金叶众望科技股份有限公司，湖南 临湘 414300）

0 引言

自20 世纪80 年代起，我国一直是全球最大的菜籽产出国，每年菜籽产量超过1 100万t，产生的菜籽饼粕超过600 万t［1］。菜粕含有大量的粗蛋白和粗纤维，以及多种矿质元素和维生素，是一种传统的高端有机肥［2］。研究表明，施用菜粕能增加土壤菌落多样性和微生物活性［3］，可改善烤烟等作物的品质，增加产量［4］。传统的菜粕堆肥工艺存在发酵周期长、养分易流失、质量不稳定、堆肥产品无害化指标难以保证等问题。随着现代生物技术的蓬勃发展及高效化应用，接种微生物菌剂已成为堆肥发酵中的常用手段，这能加快堆肥腐熟进程，减少臭味物质产生，促进养分的转化与生成，提高产品的肥效［5］。目前我国市场上的促腐菌剂产品种类繁多，质量参差不齐，可用作腐熟剂的菌种也多达四十余种［6］。因此，需要针对不同种类的发酵物料筛选出适宜菌种，以便保证堆肥发酵效果。本试验通过在菜粕堆肥中添加4 种不同微生物发酵菌剂，观测发酵过程中温度、pH、电导率、有机质含量、全氮含量、植物种子发芽指数等主要参数的变化，评价各种微生物菌剂的促腐效果，以期筛选出适合菜粕快速发酵的腐熟菌剂，为菜粕的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 实验材料

实验以菜粕（基本理化性质见表1）为单一原料，氧化镁为辅料。实验采用的4 种微生物发酵菌剂均为市售，分别为菌剂1（河南新仰韶生物科技有限公司生产的腐熟剂）、菌剂2（沧州旺发生物技术研究所有限公司生产的秸秆腐熟剂）、菌剂3（山东未来生物科技有限公司生产的有机物料腐熟剂）、菌剂4（湖南山河美生物环保科技股份有限公司生产的益肥宝）。

表1 菜粕的基本理化性质

1.2 实验方法

实验共设5 个处理，分别为：CK，菜粕+辅料；T1，菜粕+辅料+菌剂1；T2，菜粕+辅料+菌剂2；T3，菜粕+辅料+菌剂3；T4，菜粕+辅料+菌剂4。所有处理所用的菜粕、辅料均相同，堆肥物料起始碳、氮质量比约为25，w（H2O）在45%左右，pH值约7.5。

实 验于2019 年6 月18 日 至2019 年7 月18 日在湖南金叶众望科技股份有限公司厂区内进行。实验采用条垛式堆肥发酵处理，先将菜粕、氧化镁、水等原料混合，再加入发酵菌剂，充分混匀，然后将混合物料运送至发酵槽内，堆成高≤1.5 m的条垛状堆体。发酵期间，堆体每天进行1次翻抛。

1.3 采样及分析

实验期间，于每天上午9∶00—10∶00（翻抛前）观测堆体温度，随机取5 个点进行检测，温度计插入堆体约20 cm，取平均值为当天堆肥温度，并记录当天发酵车间的室内温度。

实验期间按照五点取样法在各表层（切面（≤20 cm）、中层（20 ～40 cm）、深层（≥40 cm））取样，混匀，分析水含量、pH、电导率、有机质含量、全氮含量、酸溶蛋白含量等指标。

物料水含量测定采用105 ℃真空烘箱法［7］；全氮（TN）测定采用凯氏定氮法［7］；有机质（OA）含量测定采用重铬酸钾容量法［7］；电导率（EC）采用mettler Toledo FE30k台式电导率仪测定；pH值采用mettler Toledo FE20 实验室pH 计测定；酸溶蛋白含量测定参照GB/T 22492—2008中的方法进行。

种子发芽指数（GI）的测定：为确定堆肥的腐熟程度，在发酵10 d、15 d 和20 d 后对各处理堆肥进行种子发芽实验。堆肥鲜样按固液质量比1：20加入蒸馏水浸提，200 r/min 振荡2 h 后过滤，取滤液5 mL 于事先铺有滤纸的培养皿中，均匀放入10 粒饱满的黄瓜种子，在25 ℃恒温培养箱中培养24 h，测定发芽率和根长。每个样品3 次重复，以蒸馏水作空白对照。按公式（1）计算种子发芽指数：

1.4 数据分析

采用Excel 2013 对实验数据进行处理，同时采用SPSS20进行方差分析和多重比较（LSD法）。

2 结果与分析

2.1 不同发酵菌剂对堆体温度的影响

不同发酵菌剂对堆体温度的影响见图1。由图1 可知，堆肥过程经历升温阶段、高温阶段（堆肥温度≥55 ℃）、降温腐熟阶段，4个菌剂处理升温阶段和高温阶段的温度显著高于CK。从升温速度来看，4个菌剂处理均在1 d后就达到55 ℃，比CK 提前5 d；从高温维持时间来看，T1、T2、T3、T4 处理高温期（55 ℃以上）维持时间分别为18、18、20、20 d，比CK 多6 ～8 d，所有处理都达到了菜粕发酵无害化卫生要求；从堆肥最高温度来看，T2>T1>T3>T4>CK；从堆体温度降到50 ℃以下的堆肥时间来看，T1、T2、T3 为22 d，T4 为24 d，而CK 为28 d。综上分析，添加不同微生物菌剂对菜粕好氧堆肥发酵的影响不同，其中T2 处理效果最佳。

图1 不同处理对堆体温度的影响

2.2 不同发酵菌剂对堆体pH值的影响

不同发酵菌剂对堆体pH值的影响见图2。从图2 可知，除发酵第7 ～10 天，4 个菌剂处理pH 值高于CK 外，其余4 个菌剂处理pH 值均低于CK。所有处理的pH 值均呈现出下降、上升、再下降的变化趋势，CK 处理的整个发酵过程中pH 值变化波动较小，4 个菌剂处理在0 ～10 d 变化幅度较大，在发酵15 d 后，趋于平稳，约为中性。发酵过程中pH 的降低是因为糖类被微生物消耗产生有机酸、酶解粗蛋白产生氨基酸以及NH3的挥发，升高则是由于含氮物质被分解产生NH3-N［8］。本实验结果初步表明添加菌剂的堆肥中微生物分解蛋白质及有机物的活动较剧烈，且主要发生在发酵前10 d内。

图2 不同处理对堆体pH的影响

2.3 不同发酵菌剂对堆体电导率的影响

不同发酵菌剂对堆体电导率的影响见图3。研究表明，当EC 值小于9.0 mS/cm 时，对种子发芽没有抑制作用［9］。由图3 可知，各处理堆肥EC 值的变化趋势整体表现为上升，中间呈动态变化。发酵30 d 后，各处理的EC 值由大到小为T1>T4>T2>T3>CK，整个发酵过程中各处理的EC 值均介于5.5～7.5 mS/cm，符合堆肥无害化处理的要求。

图3 不同处理对堆体电导率的影响

2.4 不同发酵菌剂对堆体有机质含量的影响

图4 不同处理对堆体有机质含量的影响

不同发酵菌剂对堆体有机质含量的影响见图4。由图4 可知，所有处理有机质含量变化趋势相同，都表现为逐渐降低，CK 处理的有机质含量降低幅度较小，这初步说明，在此发酵条件下，添加微生物菌剂有利于堆肥中有机物质的降解和转化。最终，CK、T1、T2、T3、T4 处理的w（有机质）较初始值分别降低了7.27%、12.12%、13.97%、15.19%、11.95%。

2.5 不同发酵菌剂对堆体全氮含量的影响

不同发酵菌剂对堆体全氮含量的影响见图5。由图5 可知，菜粕堆肥中全氮含量随发酵时间的延长而增加。添加微生物菌剂的4 个处理全氮含量增长较快，增幅较大，T2 处理的全氮含量最高，固氮效果最好。

图5 不同处理对堆体全氮含量的影响

2.6 堆肥后种子发芽指数的比较

种子发芽指数能有效反映堆肥的腐熟度与植物毒性大小，一般当GI>50%时，认为堆肥基本腐熟，毒性在植物可承受范围内，GI≥80%时，认为堆肥已完全腐熟，没有毒性［10］。堆肥后种子发芽

图6 不同处理的堆肥浸提液对种子发芽指数的影响

如图6 所示，3 个发酵时间中，添加菌剂处理的黄瓜种子发芽指数均大于CK。发酵10 d时，4个菌剂处理的GI值均在50%以上，在发酵15 d 时，4个菌剂处理的GI 值均大于80%，尤其是T1、T2 处理的GI值在100%以上，表明堆肥浸提液不但已完全无毒，且对黄瓜种子的萌发有促进作用；而CK在发酵20 d 后其GI 值才大于80%，达到完全腐熟。实验结果说明添加微生物菌剂具有提高黄瓜种子发芽指数，促进种子生长的作用，其中菌剂2 效果最好，其次为菌剂1。

2.7 堆肥后酸溶蛋白含量的比较

图7 不同处理对堆体酸溶蛋白含量的影响

3 讨论

堆肥温度的高低不仅与发酵物料本身的特性有关，还与发酵菌剂的种类有关，它能左右微生物的活性，关乎堆肥效率，堆肥无害化卫生要求55 ℃以上需持续5 ～7 d，以杀死堆肥中病虫卵和有害菌［11］。本研究中，所有处理在55 ℃以上均持续了12 d 以上；添加菌剂处理达到55 ℃的时间比CK 提前了5 d，高温维持时间延长6 ～8 d，其中菌剂2 与菌剂1的效果最佳。

堆肥化的本质就是各类有机物质被微生物不断分解转化的过程，本研究中，添加菌剂的处理pH变化大于CK；电导率的变化与陈裕新等［12］研究结果相同，呈现出上升的趋势，表明堆肥发酵过程中养分离子在不断地释放，且表现为添加菌剂的处理EC 值相对较高；添加菌剂的处理有机质含量和全氮含量变化幅度大于CK，这说明微生物菌剂有利于堆肥氮素形态的转化与固定，减少氮流失；发酵完全后，添加菌剂的处理酸溶蛋白含量远高于CK，这说明添加微生物菌剂能促进堆肥中粗蛋白的降解，提高有机肥的品质。

在本研究中发现，添加菌剂处理的种子发芽指数随发酵时间的推移先升高后下降，这与大多数的研究结果并不一致。推测原因为菜粕发酵过程中可溶性盐逐渐增多，在一定浓度范围内这些可溶性物质能促进种子发芽和生长，但浓度过高时，反而产生了抑制作用［13］。15 d 时，添加菌剂处理的堆肥浸提液pH 和可溶性盐的浓度效应相互抵消，此时浸提液对种子萌发产生了极显著的促进作用，这意味着菜粕堆肥毒性降至最低，腐熟完全［13］；但当堆肥继续发酵导致浸提液中可溶性物质增加且pH 值降低，就产生了抑制作用，使发芽指数降低。CK 未出现上述趋势是因为其菜粕堆肥发酵腐熟慢，物质降解慢，在20 d时浸提液中可溶性物质还未到达临界浓度值。

综上所述，添加微生物菌剂可加快菜粕好养堆肥升温速度，提高堆体最高发酵温度，减少发酵腐熟所需时间，减少养分流失，提高养分转化率，降低植物毒性，使堆肥的品质得到明显改善。在此发酵条件下，4 个微生物发酵菌剂中，菌剂2 的效果最显著，是筛选出的适合菜粕好养堆肥发酵的经济优良菌剂。