不同C/N条件下菌酶制剂对牛粪堆肥进程的影响

梁 天，张晓东，张 玉，张佐忠，斯日古楞，苏布登格日勒，娜仁花

（内蒙古农业大学动物科学学院，呼和浩特 010018）

0 引言

畜牧业发展的不断加快带来的环境污染问题愈显突出。畜牧业已成为农业面源污染的主要来源[1]。第二次全国污染源普查数据显示，2017年畜禽养殖产生的4种污染物排放总量达1083.22万t，其中，畜禽养殖水污染化学需氧量排放量达1000.53万t，占农业源排放量的94%，占全国化学需氧量排放量的47%；氨氮、总氮、总磷排放量达11.09万、59.63万、11.79万t，分别占农业源排放量的51%、42%、56%，占全国排放量的12%、20%、38%。畜牧业污染已是当今严重影响环境问题的重要因素之一[2]。

随着国民生活水平的提高，奶牛产业及规模化水平得到迅速发展，中国奶牛存栏100头以上的规模化养殖比例不断增大，从2008年的19.5%提高到2020年的67%以上。但是如何能够有效处理和利用随之集中产生的大量粪污，已成为环境治理的一大难题。大量粪尿在畜禽养殖生产过程中未经处理被排入水中和土壤，导致水体富营养化和土壤质量下降。在不断的大规模耕作中，如果施加粪肥量超过土壤的承载能力，得不到充分利用或处理不当，这种情况将会进一步加剧。而畜禽养殖污染控制的关键是采用科学的方法进行探索[3]。牛粪具有臭味大，纤维、含水、含氮量高等特点。遵循畜禽粪污减量化、资源化和无害化处理的原则，对牛粪进行堆肥化处理是实现奶牛场粪污资源化利用的主要措施。而添加外源微生物菌剂可以促进牛粪堆肥进程。韦小庆[4]研究发现，添加菌剂后堆肥的温度上升速度及高温持续时间均较未添加菌剂的处理组更佳；在发酵结束后，全氮、全钾和全磷的含量均有所增加，且增幅大于未添加菌剂的试验处理。方亚曼等[5]研究表明，加入自制微生物菌剂后可缩短堆肥腐熟时间。堆肥过程中，有机物降解和腐殖质的形成主要依赖于微生物酶的生物化学作用。而堆肥物料的起始C/N值是高效堆肥的关键因素，不仅影响微生物的正常活动，对有机肥的品质也有重要影响。

本研究通过不同C/N条件下，在牛粪中添加不同菌种和酶剂组合，探究在牛粪堆肥进程中主要发酵指标的变化规律，以此为堆肥高效发酵提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

牛粪和小麦秸秆均取自内蒙古某奶牛养殖场。将小麦秸切碎至1～2 cm长度。菌剂包括枯草芽孢杆菌（有效活菌数，200亿/g）、黑曲霉菌（有效活菌数，50亿/g）、细黄链霉菌（有效活菌数，50亿/g），3种菌配制成比例为1:1:1的复合菌剂。将纤维素酶（有效酶活，20万U/g）和蛋白酶（有效酶活，50万U/g）配制成比例为3:1的复合酶制剂。3种菌和2种酶均购于湖北某生物工程有限公司。牛粪及小麦秸秆的基本性质见表1。

表1 堆肥原料的基本性质

1.2 试验设计

试验于2020年9月28日—11月1日在内蒙古旗帜牧业进行。将牛粪和小麦秸秆按一定比例混合，分别设25/1、30/1、35/1 3个C/N组，每个C/N组按质量比添加不同菌剂和酶制剂设3个组，每个处理3个重复。具体分组见表2。各处理组的水分含量控制在45%～60%。进行条垛式堆肥，将物料堆制成长1.2 m、堆底宽1 m、高0.8 m。堆体间隔1～2 m，每隔5天人工翻堆1次。

表2 堆肥处理组物料配比情况

1.3 取样方法

堆肥的第1、.5、10、15、20、26、34天进行取样。采样位置分别距堆体顶部20、40、60 cm处，各层均采用五点采样方法取样后混合均匀。每个堆体用取样铲各取样品500 g，保存于-4℃冰箱中。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 温度 由堆体顶部20、40、60 cm处，插入数字电子温度计（国产）测量温度。每天进行2次测量，分别为10:00和16:00，测量的平均值作为当天堆体的温度，同时记录空气环境温度。

1.4.2 有机质、全氮、全磷、全钾 有机质测定采用重铬酸钾滴定法，全氮釆用半微量凯氏定氮法，全磷采用钒钼黄比色法，全钾采用火焰光度法。具体操作参考《有机肥料新标准》(NY 525—2012)和《有机肥料新标准》(NY/T 299—1995)。

1.5 数据处理

用Excel 2016进行试验数据的统计分析绘图后，利用SAS 9.2软件进行数据统计处埋，进行多重差异分析。

2 结果与分析

2.1 牛粪堆肥温度变化分析

从图1的温度变化趋势得知，各处理组都经过升温、高温和降温3个阶段。在堆肥的第2天，各处理组均进入高温阶段(＞50℃)，C1～C9处理组温度依次为60.7、56.5、50.1、61.8、64.9、53.9、66.1、66.3、56.8℃。添加菌酶剂组温度从第3天开始直到堆肥结束温度均一直高于无添加组。在堆肥的第10天开始各处理组堆体温度整体呈下降趋势（低于50℃），但是C5、C6、C8、C9组仍然保持在40℃以上。堆肥的第19天对堆体进行水分和添加剂的补充，到第21天堆体温度再次小幅度上升。堆肥期间，空气环境温度的变化范围在6.2～19.5℃之间。

图1 不同处理组温度的变化

各处理组高温持续时间相同，但在不同C/N条件下加入菌剂及酶制剂处理组的高温期平均温度高于不添加组2～3℃，菌剂组与菌酶制剂处理组间差别不大，结果见表3。

表3 不同处理组高温期的变化情况

2.2 菌酶制剂对牛粪堆肥有机质含量的影响

由图2可知，随着堆肥发酵腐熟时间的延长，各堆肥处理组的有机质含量呈下降趋势。在堆肥的前10天，各处理有机质含量下降幅度明显，该阶段C8组的有机质降解率最大，可达11.13%；10～20天时温度较低，各处理组有机质含量下降幅度不大，19天之后由于加入添加剂和水之后温度又有所上升，导致有机质降解幅度有所增大。

图2 不同处理组有机质含量的变化

C/N为25/1处理组的起始有机质含量为55.02%，在堆肥末期，C1、C2、C3组有机质含量比初期分别低10.48%、12.74%、12.7%；C/N为30/1处理组的起始有机质含量为62.28%，到末期C4、C5、C6组有机质含量分别比初期低14.92%、16.35%、17.75%；C/N为35/1处理组的起始有机质含量为71.66%，在末期C7、C8、C9组有机质含量分别比初期低18.8%、21.34%、22.01%。通过以上分析可知，C/N为35/1的3个处理组有机质降解效率最高，其中C9组降解效果最好。

2.3 菌酶制剂对牛粪堆肥全氮含量的影响

由图3可知，堆肥过程中全氮含量呈上升、下降再上升的变化趋势。C1、C2、C3组的初始全氮含量1.11%，从堆肥开始，3个处理组全氮含量呈上升趋势，到高温期达到1.27%、1.37%、1.39%，之后下降，堆肥末期全氮含量分别为1.21%、1.34%、1.35%。

图3 不同处理组全氮含量的变化

C4、C5、C6组初始全氮含量为1.09%，从堆肥开始氮含量均呈上升趋势，高温期达到1.27%、1.37%、1.39%，之后下降，堆肥末期3个处理组全氮含量为1.24%、1.29%、1.33%。

C7、C8、C9组的初始全氮含量1.06%，从堆肥开始全氮含量呈上升趋势，高温期达到1.21%、1.34%、1.29%。之后下降，堆肥末期全氮含量为1.25%、1.33%、1.30%。其中C8组增加最多，C1组增加最少。

2.4 牛粪堆肥进程中全磷含量的影响

由图4可知，全磷含量在堆肥过程中总体呈上升的趋势。C1、C2、C3组全磷含量在堆肥初期为0.36%，堆肥末期分别上升至0.40%、0.46%、0.47%。

C4、C5、C6组全磷含量在堆肥初期为0.35%，堆肥末期分别达到0.43%、0.46%、0.45%。

C7、C8、C9在组全磷含量在堆肥初期为0.33%，堆肥末期提高到0.44%、0.45%、0.45%。相比较而言，C8、C9组全磷的绝对含量增加最多，但增长幅度较小。

2.5 菌酶制剂对牛粪堆肥全钾含量的影响

由图5可知，全钾的含量在堆肥的过程中整体呈上升趋势。C1、C2、C3组全钾含量在堆肥初期为2.73%，堆肥末期分别达到3.85%、4.04%、3.83%。

C/N为30/1的3个处理组C4、C5、C6组的全钾含量在堆肥初期为2.76%，堆肥末期分别上升到3.93%、4.10%、4.02%。

C/N为35/1的3个处理组C7、C8、C9组的全钾含量在堆肥初期为2.77%，堆肥末期分别提高到4.21%、4.30%、4.24%。整体来看，C8组的提升效果最好。

3 结论

在牛粪堆肥过程中，不同C/N条件下添加菌酶制剂能够提高高温期的平均温度，根据《粪便无害化卫生标准》(GB 7959—1987)规定，各组温度均能够达到该标准(＞50℃)要求；不同C/N条件下添加菌酶制剂可以有效地促进有机物的降解；对堆体的含氮量有明显的提升作用；使全磷、全钾的相对增加含量；通过对堆肥进程中各项指标变化特性的综合分析，C/N为35/1的C8组（添加枯草芽孢杆菌+黑曲霉菌+细黄链霉菌组）的堆肥效果最好。

4 讨论

4.1 堆肥温度的变化

温度作为堆肥过程中的重要因素可以显著控制微生物的代谢活动和酶活性。有效高温持续时间不仅是保证堆肥充分成熟的重要指标，也是杀灭各种病虫害和杂草种子，实现无害化的必要条件[6-7]。添加外源菌剂对堆肥温度有一定影响。金香琴等[8]研究发现，接种不同种类的微生物复合菌剂进行牛粪堆肥处理时堆体温度上升明显加快。万磊兵[9]的研究同样表明，在鸡粪堆肥中进行复合微生物菌剂接种，也得到了加快堆体升温的结论。本研究中，9个处理组的温度在整个堆肥过程中都经历了升温、高温和降温3个阶段，而且加入菌酶制剂处理组达到最高温度所用时间较短。杨雨浛等、张雪辰等[10-11]研究速腐剂对畜禽粪便堆肥腐熟度的影响研究表明，复合微生物发酵剂对温度的升高没有明显的影响，这与本研究的结果略有不同。中国《粪便无害化卫生标准》(GB 7959—1987)规定，堆体温度在50～55℃之间持续5～7天，是杀灭粪便所含病原微生物、保证堆肥卫生指标合格和堆肥成熟的重要条件[12]。在本研究中，所有处理组的高温持续期（8天）和达到的最高温度(＞50℃)均符合标准。其中C8组的最高温度及高温持续时间均优于其他处理组。

4.2 堆肥有机质的变化

在好氧环境中，堆肥中的有机物，一部分通过矿化作用分解为二氧化碳、水、氮、磷、钾等无机化合物，一部分在微生物和各种酶的催化下合成等物质。秸秆中碳源含量高，微生物能够利用简单的碳水化合物来维持活性。本研究表明，各处理组有机质含量变化趋势基本相同，均随着发酵腐熟时间的延长呈下降趋势。堆肥初期各处理组有机质含量下降较为明显，由于堆体温度迅速上升进入高温期，有机物被大量降解，到堆肥结束时，添加菌酶制剂处理组均比无添加处理组有机质降解率高。说明外源菌酶制剂的加入能更有效地提高牛粪及秸秆堆体中纤维素、半纤维素、木质素的降解速率，促进堆肥的腐熟程度。这与施宠等研究结果相似[13]。而且不同C/N值对有机质降解率也有一定影响。C/N=25/1、C/N=30/1、C/N=35/1的平均降解率分别为11.97%、16.34%、20.72%，C/N的增加提高了有机质的降解率。主要是较低的C/N条件下，微生物的发酵活动会受到低碳源的限制而减缓有机物的分解速度。这和刘成琛等[14]的研究结果一致。其中C9组的有机质降解效果最好，达到22.01%。

4.3 堆肥全氮的变化

堆肥过程中微生物生长和代谢都离不开氮，因此氮的变化对堆肥腐熟有重要影响[15]。堆肥氮的流失不仅会减少堆肥产品的营养成分，还会污染环境[16]。本研究表明，在整个堆肥过程中，各处理组中氮含量起伏波动较大。随着堆肥中有机物的不断分解，一部分有机氮随堆肥的进行被微生物分解形成铵态氮或硝态氮等无机氮，其中铵态氮进一步被微生物分解，以挥发性氨的形式损失到空气中[17]。硝态氮的反硝化作用导致堆肥过程中氮的流失，使得堆体物料全氮含量下降。堆肥结束时，堆体有机质不断被微生物降解和氨气、CO2的挥发速率减弱，导致各处理组全氮含量均有所上升。C1～C9组全氮含量比堆肥初期分别增高0.10%、0.23%、0.24%、0.15%、0.20%、0.24%、0.19%、0.27%、0.24%，添加外源菌酶制剂的6个处理组C2、C3、C5、C6、C8、C9比无添加的3个处理组C1、C4、C7的上升趋势明显。而且随C/N的提高氮含量的增加有升高的趋势。其中，C8组具有较好的氮保留效果。说明接种外源微生物剂可提高堆肥产品的全氮含量，这与田智辉等[18]的研究结果一致。

4.4 堆肥全磷、全钾的变化

在牛粪中磷主要以有机磷形态存在，而无机磷是植物生长所需的吸收态。堆肥时微生物可以使有机磷分解转化为正磷酸盐、磷酸二氢根、磷酸氢根等无机磷。钾是酶的活化剂，能促进植物的光合作用和蛋白质的合成，同时能提高作物的抗旱和缺寒能力。磷、钾的含量直接影响最终堆肥的质量。牛粪堆肥中全磷、全钾的含量最终不会有太大的变化，主要是牛粪中的磷、钾一般不会通过挥发等形式损失。本研究结果表明，随着堆肥进程的加深，各处理组全磷、全钾均呈现上升趋势，虽然上升幅度不明显，但是不同处理组间仍有一定差异。堆肥末期，C1～C9组全磷含量比堆肥初期分别高0.04%、0.10%、0.11%、0.08%、0.11%、0.10%、0.11%、0.12%、0.12%。C1～C9组全钾含量比堆肥初期分别高0.85%、1.31%、1.10%、1.10%、1.34%、1.26%、1.47%、1.53%、1.44%。说明添加外源菌酶制剂能够促进有机物的降解，使堆肥产品的全磷、全钾相对含量增加，从而提高堆肥产品质量，其中C8组对全磷、全钾含量提升效果最好。