酵母浆在秸秆堆肥中的效果及作用机制研究

方华舟 胡丽苹 莫莎莎 黄小美 龚宇杰 夏子悦

摘要： 为了探索酵母培养物在有机肥生产中的作用及效果，以尿素为对照，以酵母浆代替尿素为氮源，以不同碳氮比分别进行作物秸秆堆肥实验。结果表明，以酵母浆为氮源的碳氮比为10：1、20：1、30：1、40：1的各实验处理升温发酵、主要养分及有机质含量、种子发芽率等不同程度高于以尿素为氮源的各对照处理，其中以酵母浆为氮源的碳氮比20：1、30：1的实验处理明显依次较高且前者表现出升温及高温性能更好、后者种子发芽率更高等特点。说明以酵母浆代替尿素用于秸秆堆肥等有机肥生产的效果更佳，且以碳氮比30：1～20：1为宜。

关键词：酵母浆；作物秸秆；好氧堆肥；氮源

中图分类号：S141.4      文献标志码：A      文章编号：1008-4657（2023）04-0001-07

0        引言

有机肥是我国历史上的重要肥料［ 1 ］。改革开放以来，随着我国化学肥料的迅速发展，有机肥逐渐被化肥取代。然而，随着重化肥轻有机肥导致的土壤板结、结构破坏、地力下降、肥力难持续等弊端凸显，有机肥受到人们空前重视［ 2 ］。堆肥是有机肥生产的主要方式，农作物秸秆等经堆肥腐熟，是广大农村来源十分广泛的有机肥料［ 3 ］。然而，由于有机肥氮素等主要元素养分含量过低等原因导致的施肥量巨大、施肥成本高、施肥不便，成为有机肥施用和产业发展的主要瓶颈［ 4 ］。尽管人们采取加入尿素等氮源以提高堆肥氮素养分，然而尿素氮易挥发、形成腐殖质效率低、品质不高等原因，难以大力推广［ 5 ］。近年来，我国一些酵母企业根据酵母细胞易于培养、生长迅速、蛋白质及肽类丰富、氨基酸种类齐全、富含多种酶及小分子活性物质等特点，大量生产酵母细胞培养物，应用于食品、饲料等行业，效果显著［ 6 ］。通常酵母细胞培养物需要进行烘干，废水巨大且污染环境。酵母浆是不进行烘干的酵母细胞培养物，其细胞类固形物约占60-70%，生产快、成本低，利用其氮素高且主要为蛋白质等有机态氮、堆肥需要一定水、酵母浆是人工培养的天然生命物质等特性，使其代替尿素作为氮源生产有机肥，不仅可以提高有机肥的氮素养分，更可提高有机肥品质，成为天然生态型有机肥之一，然而相关研究未见报道。本研究拟以酵母浆替代尿素，进行酵母浆生产有机肥的实践探索，进而分析总结酵母浆在有机肥生产中的应用效果、作用机制及规律，为规模化生产相关有机肥提供借鉴及技术参数。

1       材料與方法

1.1       实验原料

水稻秸秆、小麦秸秆、油菜秸秆、玉米秸秆由课题组从荆门市郊区农户处购买并进行晾晒干燥、粉碎至0.2～0.3mm的粉末状；酵母浆，安琪酵母股份有限公司生产，经测定含有机质33.7%、含氮（N，下同）3.2%、磷（P2O5，下同）0.62%、钾（K2O，下同）0.84%，含水61.4%，pH值5.47；尿素，湖北宜化集团有限责任公司生产，附近农资市场购买，含氮46%。试验时，上述多种作物秸秆进行等比例混合，并经测定其有机质含量为87.2%，氮磷钾及水分含量分别为0.87%、0.56%、1.7%、5.6%。

1.2       实验方法

分别以上述秸秆1000 kg及相应氮源作为堆肥原料在水泥地面建堆，堆体底部3 m×1.5 m，高约1.5～1.6 m的梯形。建堆时，参照一般堆肥对碳氮比的要求，分别设置10：1（处理1）、20：1（处理2）、30：1（处理3）、40：1（处理4）四个碳氮比处理［ 7-8 ］，分别确定和加入相应数量的酵母浆或尿素作氮源，然后进行混匀建堆。实验以加入酵母浆的堆体为实验组，以加入尿素的堆体为对照组，各实验组及相应的对照组氮素等量。各处理均3次重复，同时进行发酵及堆肥试验。具体各处理及各堆体的酵母浆或尿素加入量见表1。

各堆体在加入酵母浆或尿素时，搅拌均匀，调节含水量至65%［ 9 ］。堆体建成后，每间隔30 cm用直径约3 cm木棍从堆体顶端向堆体底部及从堆体四周向堆体中央打孔，满足堆体发酵时对氧气的需求。堆体建成后，四周覆盖塑料薄膜以利堆体保温。堆体自然发酵腐熟。发酵过程中，每日测量堆体温度，并在测温时完全掀开塑料薄膜半小时进行透气，以满足有机肥发酵过程中对氧气的需求。每天记录各堆体的发酵温度等情况，并以发酵温度为主要指标，比较观察各处理及各堆体的升温期、高温期等的发酵温度、时间长短等情况，分析探讨酵母浆对各堆体发酵腐熟进程的影响情况及规律；其中，堆体高温期以文献［ 9-10 ］为参照，以发酵温度达到约55℃为进入发酵高温期，以堆体发酵温度接近环境温度、堆体黑褐色、无恶臭并继续自然堆放10 d、具有特殊清香味为堆肥腐熟。各堆体腐熟后，分别测定各处理及各堆体的种子发芽率，以种子发芽率为主要指标，比较总结酵母浆等各处理对堆肥腐熟程度的影响情况及规律［ 9-10 ］；分别测定各处理及各堆体的氮、磷、钾等主要养分含量以及有机质含量等情况，比较分析酵母浆各处理对堆肥氮、磷、钾等主要养分及有机质含量的影响情况及规律。进一步分别测定各处理及各堆体的堆肥原料及腐熟后的堆肥有机质及氮素含量情况，比较分析各处理发酵微生物对原料有机质的利用、生长繁殖、呼吸消耗、代谢、转化及氮素损失等情况，总结探讨酵母浆等各处理对堆肥原料的有机质转化、腐殖质形成、有机质及氮素损失等的影响途径及规律，进而全面探索和总结酵母浆对堆肥进程、腐熟程度、肥力状况、堆肥品质等的影响情况、作用机制及规律，确定酵母浆适宜加入量及比例。

1.3    测定项目及测定方法

各堆体发酵温度的测定于每日上午9至11时，以温度计插入堆体内约30 cm处进行测定［ 10 ］。堆肥前各原料及堆肥腐熟后，测定其有机质及氮磷钾主要养分含量分别以标准NY/T 525-2021［ 11 ］、NY/T 2541-2014［ 12 ］、NY/T 2540-2014［ 13 ］所述方法进行；堆肥导致的有机质及氮素损失量，以堆肥前后的有机质或氮素的质量差值，经过计算换算为百分比确定。其中，堆肥前的有机质及氮素质量，以各原料有机质或氮素含量乘以各原料质量确定，腐熟后的堆肥有机质及氮素质量以测定的堆肥有机质或氮素含量乘以堆肥质量确定。测定堆肥种子发芽率，以标准NY/T 525-2021所述方法，以1：10堆肥水浸液，于25℃萌发萝卜种子进行测定［ 11 ］。取各处理的数据平均值，进行比较和分析，以总结和探索酵母浆替代尿素进行有机肥生产的情况及规律。

2    结果与分析

2.1    酵母浆对堆肥发酵进程的影响

酵母浆各处理及尿素各处理对堆肥发酵进程的影响见表2。

从表2可以看出，不同碳氮比的酵母浆处理及尿素处理均表现出较明显差异，但总体表现出酵母浆各处理的升温期天数、高温期天数、发酵最高温度等发酵进程的各项指标明显或较明显优于相应尿素对照处理。其中，酵母浆处理2及处理3的升温期天数、高温期天数、最高温度明显较好，说明在碳氮比20：1及30：1的酵母浆加入量依次表现出了良好的促进发酵升温及高温发酵等性能，并明显优于尿素。这显然是由于酵母浆氮素主要是蛋白质、氨基酸类有机物质，易于细菌、放线菌、霉菌等各类微生物利用，并在一定碳氮比条件下有利于发酵微生物平衡吸收、利用和代谢［ 14 ］，以及尿素氮微生物吸收利用复杂、不易于微生物迅速利用、易生成氨气可抑制微生物生长［ 15-16 ］等所致。其中酵母浆处理2的氮素较高于处理3，增加了一定量的蛋白质类氮素供给，促进了易利用蛋白类物质的细菌等菌系生长，相关发酵微生物生长繁殖、代谢及产热更旺盛，使其高温性能增强［ 16 ］。尿素处理3、处理2、处理1的尿素量依次增加，抑制作用增强，高温性能减弱，说明尿素氮过多不利于发酵进程。实验中处理1发酵高温性能明显较弱，说明碳氮比过低、氮素过多不利于发酵进程。其酵母浆处理1发酵升温性能明显好于对照处理1，可能是大量酵母浆蛋白质类物质适合于细菌等喜蛋白质类微生物生长所致［ 17 ］。

2.2    酵母浆对堆肥氮素损失及有机质损失的影响

酵母浆各处理及尿素各处理在堆肥前后的氮素质量及在堆肥过程中的氮素损失情况见图1。

氮素是堆肥主要养分元素之一。从图1可以看出，酵母浆处理及尿素处理均可造成堆肥氮素损失且不同处理差异明显（除酵母浆处理2、处理3外，其它各处理差异显著，P ＜ 0.05），但酵母浆各处理的氮素损失均显著低于各尿素处理（P ＜ 0.05），并明显表现出尽管碳氮比降低、酵母浆加入量增加但氮素损失较尿素明显减少的特点。其处理1、处理2、处理3、处理4的氮素损失率仅为相应尿素处理的49.28%、55.78%、64.93%、72.92%，显然是由于酵母浆有机氮更易于被发酵微生物利用并进行物质转化，而尿素氮更易于生成氨气而挥发损失，尤其尿素氮在碳氮比较低、尿素较多、尿素氮不能被发酵微生物充分迅速利用并转化而更易挥发所致［ 18-21 ］。尿素处理1、处理2乃至处理3尿素较多，及发酵产热加快尿素氮挥发，其氮素损失高达72.49～42.57%，而相应的酵母浆处理氮素损失仅约为35.72～27.64%。说明以酵母浆作为氮源提高了氮素利用率，提高了氮源效率。

同时，酵母浆各处理及尿素各处理在堆肥过程中因微生物呼吸等原因造成有机质损失，各处理的有机质损失及损失率情况见图2。

从图2可以明显看出，不同酵母浆处理及尿素处理均对堆肥有机质损耗造成较大影响，其处理2、处理3有机质损耗均明显较多；同时除处理4外，酵母浆各处理的有机质损耗均大于或略大于尿素处理。显然是由于酵母浆氮素更易于被发酵微生物利用，其相关微生物活动更旺盛从而促进了堆肥发酵及物质转化所致。一定碳氮比有利于堆肥腐殖质的形成，碳氮比过高或过低可影响发酵微生物菌系的形成和组成、生长、呼吸等物质与能量代谢［ 16-18 ］。酵母浆处理4碳氮比高、碳素较多，但酵母浆易于微生物利用和形成腐殖质，因而碳素等有机质较尿素处理能更多形成腐殖质，代谢消耗相对较少，物质转化更充分［ 14 ］；处理1碳氮比较低，氮素不能大量参与形成腐殖质而形成胺类等物质，降低堆肥品质［ 19-22 ］，以及尿素大量生成氨气等原因，酵母浆处理1尤其是尿素处理1腐熟度明显较低。说明酵母浆作为氮源，加快了发酵微生物生命活动及对堆肥物质的转化，提高了堆肥质量及品质。

2.3    酵母浆对堆肥腐熟程度的影响

种子发芽率是堆肥物质转化及腐熟程度的重要指标。酵母浆各处理及尿素各处理堆肥的种子发芽率情况见图3。

从图3可看出，酵母浆不同处理及尿素不同处理均对堆肥的种子发芽率造成明显影响，以碳氮比约30 ∶ 1为最优，其它碳氮比处理差异明显。酵母浆各处理，以处理3最高为91.6%，处理2、处理4次之，处理1最低仅为73.1%，但均高于各尿素处理。说明以酵母浆作氮源对促进堆肥物质转化、减少有害物质生成的性能明显优于尿素。结合表2，可推测在适宜碳氮比条件下，由于酵母浆蛋白质等成分发酵微生物容易吸收利用，因此在升温期等堆肥早期酵母浆蛋白质等氮素被迅速利用，激发相关微生物生长及代谢，使酵母浆成分充分参与了物质代谢和原料初步转化，从而保证和促进了堆肥原料在高温期等中后期发酵阶段进行进一步充分转化和形成稳定的腐熟殖，较好实现堆肥腐熟和无害化［ 10，18-19 ］。其中酵母浆处理2腐熟度相对较低，可能是其高温期过长、温度较高导致中常温菌受到抑制致降温期中常温菌数量较少及不同碳氮比形成的腐熟腐殖质成分存在差异所致。

2.4    酵母浆对堆肥主要养分及有机质含量情况的影响

酵母浆各处理及尿素各处理对堆肥氮磷钾主要养分含量及有机质含量的影响情况分别见图4和图5。从图4可以看出，酵母浆各处理的氮磷钾含量情况均不同程度高于相应对照处理，尤其处理1、处理2、处理3的氮素含量明显高于或较高于尿素对照处理（P ＜ 0.05），进一步说明酵母浆具有良好的补充氮素养分性能。一方面这是由于酵母浆含有较充足的氮素养分，同时也含有磷钾等多种生命元素及成分，经发酵微生物充分代谢、转化形成堆肥腐殖质等成分而保蓄，增加了堆肥氮磷钾等元素的含量；另一方面，由于尿素氮易形成氨而挥发，造成氮素大量损失所致。说明使用酵母浆代替尿素作为氮源在促进堆体彻底腐熟及加快腐熟进程的同时，也明显提高了堆肥氮磷鉀等主要养分的含量，提高堆肥的肥力性能。

堆肥腐熟后的有机质含量是堆肥及有机肥的重要性能指标。从图5可以看出，酵母浆各处理的堆肥有机质含量均较高，其中处理2、处理3虽有一定下降，但均显著超过有机肥标准［ 11 ］，也由于酵母浆富含蛋白质及易于微生物代谢等特性，提高了堆肥腐殖质品质，提高堆肥有机质性能。

2.5    效果及作用机制分析

堆肥包括升温期、高温期、降温期等几个阶段，实质是堆肥发酵微生物利用堆体部分有机质碳素、氮素等物质进行大量生长进而将堆体有机质碳素、氮素等原料转化为堆肥腐殖质的过程［ 9-10 ］。堆体氮素原料既是发酵微生物自身生长繁殖及代谢的氮源，也是堆肥腐熟后的堆肥氮素养分源泉。显然适宜的碳源、氮源及其比例有利于发酵微生物生长、代谢、转化和形成堆肥腐殖质［ 16-17 ］。可推测实验中的处理3、处理2碳氮比较为适宜。实验中酵母浆各处理表现出发酵升温快、高温期较长、腐熟更彻底、氮素等主要养分更高等特性，显然与酵母浆的成分、性质等有关。酵母浆是人工培养的天然生命物质，主要成分为蛋白质、氨基酸等生命物质，易于被细菌等广泛微生物迅速利用代谢，将酵母浆加入到堆肥原料中显然可迅速促进多种发酵微生物快速生长，进而大量激活和促进堆体中细菌、放线菌、霉菌等大量利用堆体有机质进行充分生长，更易于对堆体原料进行代谢和转化［ 17-19 ］，因而在各碳氮比处理中均提高了氮素性能及转化能力，发酵及腐熟性能更优。其中碳氮比30：1腐熟性能更好、20：1发酵高温性能更好，可能与适当较高氮素有利于发酵微生物生长繁殖、较低氮素有利于氮素充分形成腐殖质有關所致［ 16-17 ］。同时，由于酵母浆氮素主要是有机氮，不仅有利于参与微生物代谢及其物质转化，还因其一定酸性而减少氨气形成等导致的氮素损失，增强堆肥养分水平［ 23-24 ］。实验中，酵母浆各处理尽管由于加入酵母浆物质而呈一定酸性，但酸性并不强，因而未对发酵微生物生长及发酵进程产生明显影响。

3    结论与讨论

实验结果表明，以酵母浆代替尿素作为氮源，堆肥发酵升温快、高温期长，物质转化更充分迅速，腐熟更彻底，氮素损失明显较少，氮磷钾等主要养分含量明显提高，表现出良好的氮源及提高堆肥品质等性能。酵母浆氮源以碳氮比20：1、30：1进行堆肥的发酵及腐熟性能明显较其它碳氮比更优，并表现出碳氮比较低有利于发酵升温、较高有利于腐熟趋势，可能与较高氮素比有利于发酵微生物生长发酵、较低氮素比有利于氮素充分转化有关［ 16-17 ］。

随着酵母浆加入量增加，氮磷钾等主要养分也可随之较明显增加，但氮素损失也较明显增加，因此酵母浆加入量不宜超过碳氮比20：1。综合发酵升温、腐熟品质、氮素损失、主要养分含量、酵母浆用量等因素考虑，酵母浆加入量以碳氮比30：1～20：1为宜，并根据情况可在适宜范围内进行选择，以针对性提高有机肥肥力水平或腐熟性能。

谷思玉［ 25 ］等证实鸡粪堆肥最佳碳氮比为20：1，升温快、温度高、高温期长，腐熟及卫生无害化性能最佳；赵珮［ 26 ］等以尿素及果桑枝条进行堆肥证实碳氮比为30：1腐熟效果最好、堆腐效率最高；梁天［ 27 ］等以牛粪及秸秆并加入促进秸秆降解的菌酶制剂后进行堆肥，证实腐熟效果以碳氮比35：1优于30：1、25：1。这些实验结果与本研究结果基本一致的同时，也存在一定差异，可能为不同氮源及本实验对作物秸秆进行了粉碎，促进了有机质的转化和腐熟所致。

此外，生产实践中人们为了努力提高堆肥等有机肥产品中的氮素等主要养分含量，通常采取过量加入尿素氮源等方法，然而不仅氮素挥发等损失可显著增加，腐熟度还可能明显下降，不利于提高有机肥产品性能和质量。本实验酵母浆处理1酵母浆加入较多，但由于其酸性特性可充分减少氮素挥发等氮素损失，不仅较对照组显著提高了堆肥产品的氮素等养分含量，且腐熟度仍可达到约70%以上，符合有机肥腐熟标准，提示堆肥等有机肥生产实践中可以通过适当提高酵母浆加入量以生产氮素养分等明显提高的有机肥产品。

酵母浆还可能因酵母细胞浓度更高等原因导致酸性更强，而钙镁磷肥、磷矿粉等枸溶性或难溶性磷肥易溶于一定酸性物质，本项目拟在堆肥加入酵母浆的基础上进一步加入钙镁磷肥或磷矿粉，以对其堆肥性能及效果进行进一步研究和探索。

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Research on the Effect and Mechanism of Yeast

Pulp in Straw Composting

FANG Huazhou， HU Liping， MO Shasha， HUANG Xiaomei， GONG Yujie， XIA Ziyue

（Faculty of Bioscience Engineering， Jingchu University of Technology， Jingmen 448000， China）

Abstract：In order to study the application effect of yeast culture in the production of organic fertilizer， the crop straw composting experiments were carried out with different carbon-nitrogen （C/N） ratios， using urea as the control and yeast pulp instead of urea as the nitrogen source ， respectively. The results showed that the fermentation temperature， main nutrients and organic matter content， seed germination rate of the experiments with C/N ratio of 10：1， 20：1， 30：1， 40：1 using yeast pulp as nitrogen source were higher than those of the control using urea as nitrogen source. The experiments with C/N ratio of 20：1 and 30：1 using yeast pulp as nitrogen source were the most obvious， which the former showed better fermentation temperature， and the latter showed higher germination rate. In conclusion， the application of yeast pulp instead of urea in the production of organic fertilizer such as straw compost is more effective， and it is appropriate to take the C/N of 30∶1～20∶1.

Key words：yeast pulp；crop straw；aerobic composting；nitrogen source

［責任编辑：许立群］