不同处理方式对牛粪和蚕沙混合堆肥效果的影响

吕 南,张小勤,张业怀

1.玉林市蚕业技术推广站,广西 玉林 537000 2.广西农业职业技术大学,广西 南宁 530007

0 引言

随着我国经济不断发展,在国家多项政策推动下,广西壮族自治区的蚕桑产业也得到快速发展。“十三五”期间,广西采取多种措施继续推进蚕桑产业纵向延伸和横向拓展,在养殖规模、经济效益方面都取得了很好的效果,为广西乡村振兴做出了特别贡献。

2020年,广西桑树种植面积、蚕种养殖数量及蚕茧产量都创历史新高,继续位居全国第一;蚕桑产业覆盖71个县,桑园面积298.21万亩(1亩≈666.67 m2),蚕茧产量37.65万t,涌现出一批蚕桑新村和种养大户,蚕桑产业成为了当地农村重要且具有特色的优势产业[1]。

目前,广西蚕桑产业虽然取得了显著成绩,但仍存在蚕沙废弃物处理问题。农村地区大部分蚕沙废弃物随意堆放,不经安全处理便直接施到果园、倒进河流或放鱼塘喂鱼。一方面会导致病原扩散。蚕沙废弃物可能存在着能诱发蚕病的多种病原微生物,随意堆放有污染蚕区环境的风险,可导致蚕区蚕病的暴发流行,给蚕农带来经济损失。另一方面会破坏土地资源。在养蚕过程中,为降低蚕发病率常常用石灰进行消毒,故蚕沙废弃物中含有较多的石灰,长期使用或过量施用会改变土壤结构,导致作物减产。

随着广西蚕桑产业发展,养蚕所产出的蚕沙数量非常大。因此必须重视蚕沙安全处置。到目前为止,蚕沙的堆肥处理研究也比较多,但由于桑蚕在养殖过程中使用了石灰等消毒药品,堆肥处理效果不佳。针对上述问题,试验通过设计牛粪和蚕沙混合堆肥,以减轻石灰等消毒药品对堆肥过程的影响。从市场购进发酵菌剂投加到牛粪和蚕沙混合堆肥中进行堆肥试验,评价其堆肥效果,为广西蚕沙废弃物的资源化利用提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 堆体物料来源

天等县养牛合作社提供牛粪;从南宁市周边的农户中收集5龄蚕沙废弃物。牛粪和蚕沙按1：1均匀混合。

1.1.2 发酵菌剂来源

本试验使用的发酵菌剂购自山东君德生物科技有限公司,发酵菌剂含有放线菌、酵母菌、木霉菌等多种高效微生物,有效活菌数不小于100亿/mL。

1.2 方法

试验设计2个处理,处理1为对照组,不加菌剂,自然堆肥;处理2为试验组添加100 mL/m3发酵菌剂。每个处理按150 kg牛粪和蚕沙混合物与1 kg玉米粉比例混合;调整含水率在50%～55%,堆成高为80 cm锥状体,盖上防雨膜,以防止雨水冲涮。每个处理3个重复,堆肥处理30 d。

1.3 堆肥的腐熟度评价指标及测定方法

选择堆体物理指标(颜色、气味、堆温)、化学指标(pH值)和生物指标(种子发芽率)作为堆肥腐熟度评价指标。堆体物料颜色指标采用目测法测定。堆体物料气味采用鼻嗅法进行测定。

堆体物料温度测定方法:采用有机肥发酵电子温度表以堆体顶上中心往下20 cm处为测量点,每天10:00和16:30测定温度,取两者平均值作为堆肥当天温度。同时测定环境温度并做好记录。

pH值测定方法:以土壤采样器从上述测温处采样,采样约200 g备用,按1：10(质量浓度)比例,用蒸馏水将样品混合制成悬浊液,室温170 r/min振荡1 h后静置,用雷磁pH计S-25型测定上清液pH值。

发芽指数的测定方法:参照陈晓萍 等[2]的方法,具体按以下步骤操作。①取10 g新鲜样品,加入100 mL纯水,振荡30 min,室温下浸提1 d,取上清液用快速滤纸过滤,滤液备用。②在直径90 mm培养皿内放入相应大小的1张滤纸并铺平,均匀地撒入20粒均匀度一致的小白菜种子,用移液器取5.0 mL堆肥滤液加入培养皿中。并置于(25±1)℃、80%湿度培养箱中培养24 h。观察结果,测种子发芽率和根长,并计算种子发芽指数(GI)。GI=(堆肥浸提液处理的种子发芽率×堆肥浸提液处理的种子根长)/(蒸馏水处理的种子发芽率×蒸馏水处理的种子根长)×100%。每隔5 d取样调查GI。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程物理指标变化

堆肥初始时颜色以墨绿色为主,随着堆肥过程时间的增加颜色逐渐加深,至结束时呈深褐色和黑色。试验组和对照组的堆体体积在堆肥前后都有所下降,其中试验组堆体体积减少约25%,对照组堆体体积减少约10%。

试验组的堆体外观比较干爽,质地比较松散、且由于有较多真菌的生长呈现灰白色;而对照组堆体则相对潮湿,呈灰黑色。在堆肥初期,试验组和对照组堆体都有臭味产生,但随着堆肥的腐熟进程,试验组堆体散发的臭味逐渐减轻并消失,后期有泥土气息;而对照组堆体则在堆肥过程中一直存在臭味,只是略有减轻。

2.2 堆肥过程温度变化

检验堆肥是否正常发酵最直接的一个指标是温度,它的变化直接反映堆体内微生物活力的变化及有机物的腐熟情况。在适宜条件下微生物大量繁殖、强烈分解有机质的同时产生大量的热量,促进堆体温上升高。

图1显示,试验组和对照组的堆体温度都呈现先上升后下降的趋势,试验组在堆肥4 d时达到56 ℃,且持续50 ℃以上13 d。在第4天对照组堆体升温至47 ℃,持续50 ℃以上8 d,且最高温度只有52 ℃。试验组最高温度比对照组高出9 ℃。由此说明了加入菌剂后,可加速堆体内有机物质的分解,产生更多热量,从而引起堆体温度快速升高,而在高温阶段,嗜高温微生物大量繁殖使更多的有机物被分解和利用,使高温阶段持续时间更长,达到堆肥的完全腐熟。

图1 牛粪和蚕沙混合堆肥过程中的温度变化

2.3 堆肥过程中化学指标(pH值)变化

在堆肥过程中,随着堆体物料中的有机质被微生物降解和利用,在此过程中产生的有机酸和含氮有机物也会发生改变,堆体物料的pH值也随之变化。在本试验中,pH值随时间和温度的变化而变化,试验组和对照组变化趋势基本一致。从图2可以看出,试验组和对照组堆体的pH值均呈现先下降后上升,接着再下降至平稳的趋势。引起这种变化的原因可能是开始堆肥水分含量高,在缺氧状态下厌氧菌活力增强,产生更多的有机酸,造成pH值下降;随着有机酸的增多,嗜酸微生物大量增殖,含氮有机物分解产生的氨气使得堆体pH值上升;在后期由于嗜高温微生物大量繁殖需要氨气被利用或其代谢产物的增加而产生大量酸,堆体pH值再一次回落至稳定,堆肥结束时,堆体内环境的pH值维持在8～9。因此,投加菌剂后对pH值影响不大,维持在8～9,在多数微生物适宜生长环境需求的pH值范围内。

图2 牛粪和蚕沙混合堆肥过程中的pH值变化

2.4 堆肥过程中生物学指标(GI)变化

测定堆肥发酵后的产物能否适合于回田利用,最直接最有效的方法之一是测定GI。如果其GI大于50%,表示堆肥已没有毒性,堆肥基本腐熟;大于80%,堆肥完全腐熟[3]。从图3可以看出,试验组第20天的堆肥处理种子,其GI已经达到75%,说明堆肥物料基本腐熟状态,而同期的对照组其GI仅为55%;试验组第30天GI达到98%,而对照组只达70%,这也说明了投加菌剂后能够加快堆肥腐熟进程。

图3 牛粪和蚕沙混合堆肥对种子发芽指数的影响

3 结束语

本试验将发酵菌剂投加到牛粪和蚕沙混合堆肥中,结果表明,投加菌剂试验组堆体温度可达到61 ℃,持续50 ℃以上13 d。试验组与对照组相比,在堆肥前期温度上升较快,说明投加的菌剂在堆肥初期能够很快适应堆体内环境并较快增殖,增加了堆体内微生物总量,能快速提前启动纤维素降解程序,产生更多的热量,更有利于堆肥腐熟。投加菌剂处理养殖固体废弃物,可加快堆体温度升温,缩短堆肥过程,提高肥效。杨萍萍 等[4]研究结果显示,堆肥过程接种外源菌种能提高堆体中微生物群落的丰度,提高在高温堆肥阶段高温期优势菌的所占比例。黄翠 等[5]采集农业堆肥高温期的样品筛选得到15株嗜热纤维素分解菌,发现添加筛选菌不但能提高堆肥温度、延长高温期并显著地降低堆肥产品的C/N和有机质含量,并能显著降低纤维素和半纤维素含量,但对堆肥pH值变化无显著影响。

本试验中菌剂试验组在堆肥25 d时GI为85%,提前达到完全腐熟状态,其原因可能是投加菌剂中各类微生物在适宜的环境下生长良好,可更好地降解堆体中的物料,并和堆体中其他微生物发挥协同作用将有害物质快速转化,从而提高种子的萌发率,提高生长性能。未达到腐熟状态的堆肥中含有大量有机酸及多酚等对植物产生毒害作用的物质,这些物质会抑制植物生长。而这些影响植物生长的物质随着堆肥逐渐腐熟而逐渐地被削弱,因此,在实践中人们常以堆肥水浸提液对植物种子的毒性实验来检验腐熟度,即测定GI。李杰 等[6]研究发现,菌剂3处理堆肥效果好,堆肥提前20 d符合完全腐熟堆肥标准。本研究结果与李杰等研究相似。

近年来,在堆肥上投加发酵菌剂的研究逐渐从有单一发酵菌剂转向复合发酵菌剂。复合发酵菌剂菌种多样,不仅能增加堆体内功能菌株的数量和种类,丰富堆肥中微生物的群落的构成,而且能通过种菌株间代谢产物互相利用及促进作用,使堆肥腐熟提前并提高腐熟度。今后的研究应在本研究的基础上增加对物料预处理环节,调节堆体物料的pH值,使其适合多数微生物生长;同时寻找多株环境适应性强、适合牛粪和蚕沙混合堆肥的中高温降解菌并进行拮抗、协同作用试验,构建高效组合发酵菌剂,为广西蚕桑生产产生的蚕沙废弃物的无害化处理提供更简易、有效的方法。