复合微生态制剂对牛粪有机肥堆肥效果的影响研究

季 彬,彭轶楠,董妙音,杜津昊,叶 泽,王曙阳*,王治业*

(1. 甘肃省科学院生物研究所,甘肃 兰州 730030;2. 甘肃省微生物资源开发利用重点实验室,甘肃 兰州 730030;3. 中国科学院近代物理研究所,甘肃 兰州 730030)

随着我国畜禽养殖产业的规模化快速发展,畜禽粪便集中产生量不断增加。目前,我国大部分规模化养殖场的粪污治理措施落后或技术不合理,导致大量畜禽粪便无法得到有效利用,且对环境产生污染,对生态系统产生危害[1-3]。生物有机肥是利用特定功能微生物将动植物残体(如畜禽粪便、农作物秸秆等)无害化处理、腐熟后复合而成的一类同时具有微生物效应和有机肥效应的新型肥料[4-6]。生物有机肥的应用成为当前实现畜禽粪便无害化、资源化的一种快速、经济、简单、有效的新型处理措施,对绿色健康畜牧业和生态环境可持续发展产生重要的推动作用[7-8]。芽孢杆菌作为有机肥的发酵菌株,具有发酵时间短、水分散发快、温度高、加速物料腐解进程、抑制枯萎病病原菌生长、有效杀病原微生物和杂草种子、降解生物毒性物质等诸多优点,有望成为粪便高温发酵过程中添加微生物菌肥的最有效菌种之一[9-11]。鉴于此,本研究将从环境温度为-23 ℃的禽畜养殖场粪土堆底部土壤中分离鉴定的特基拉芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、贝莱斯芽孢杆菌组成复合微生态制剂,探讨复合微生态制剂不同添加剂量对牛粪有机肥堆肥效果的影响,旨在全面掌握复合微生态制剂在牛粪有机肥堆肥中的应用效果,确定最适临床添加剂量,为复合微生态制剂在牛粪有机肥中的合理应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 牛粪与玉米秸秆

牛粪由甘肃华瑞农业股份有限公司奶牛养殖场提供;玉米秸秆由甘肃华瑞农业股份有限公司饲料加工厂提供,将玉米秸秆粉碎至1～1.5 cm均匀小段。将牛粪与玉米秸秆以7:3的比例混合均匀制成牛粪有机肥堆肥原料。

1.2 复合微生态制剂

特基拉芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、贝莱斯芽孢杆菌均由本实验室分离培养,将特基拉芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、贝莱斯芽孢杆菌以1∶1∶1∶1混合制成复合微生态制剂,其活菌总数≥1.0×109cfu/g。

1.3 试验设计

试验设计4个处理组(对照组、复合微生态制剂Ⅰ组、复合微生态制剂Ⅱ组、复合微生态制剂Ⅲ组),每个处理组包含3个重复,每个重复包含5个堆体。对照组、复合微生态制剂Ⅰ组、复合微生态制剂Ⅱ组、复合微生态制剂Ⅲ组分别在牛粪有机肥堆肥原料添加0%、0.05%、0.1%、0.2%的复合微生态制剂。4个处理组均进行条垛式堆肥,每个堆体的长、宽、高分别为2 m、1 m、1 m,不同堆体之间间隔2.5 m。堆肥期为21 d,每7 d人工翻堆体1次,分别在堆肥开始的1 d、5 d、9 d、13 d、17 d、21 d取样。

1.4 温度的测定

利用数字电子温度计测定不同处理组的堆体内温度,每日上下午各测1次,平均值即为当天的堆体温度。

1.5 pH的测定

利用酸度计测定不同处理组1 d、5 d、9 d、13 d、17 d、21 d所取样品的pH。

1.6 含水率的测定

采用105 ℃烘干法测定含水率,即含水率=(W1-W2)/(W2-W)×100%,其中W为空容器重量,W1为105 ℃烘干前空容器和样品的总重量,W2为105 ℃烘干后空容器和样品的总重量。

1.7 C/N值的测定

参照国家农业标准NY525-2011[12]测定不同处理组的C/N值。

1.8 种子发芽指数的测定

参照魏彦红等[13]的方法测定不同处理组的种子发芽指数。

1.9 数据统计与分析

采用SPSS 17.0软件对试验数据进行统计分析,P<0.05为显著性差异标准。

2 结果与分析

2.1 温度的测定结果

4个处理组的温度测定结果见图1。如图1所示,在堆肥的第3天,4个处理组均进入高温阶段(堆体内温度>50 ℃),且3个复合微生态制剂添加组的堆体内温度较对照组均显著升高(P<0.05)。在堆肥的第6天,复合微生态制剂Ⅲ组的堆体内温度达到峰值(63.96 ℃)。在堆肥的第7天,复合微生态制剂Ⅰ组和Ⅱ组的堆体内温度达到峰值(61.66 ℃和63.58 ℃)。在堆肥的第8天,对照组的堆体内温度达到峰值(60.89 ℃)。4个处理组的高温(堆体内温度>50 ℃)时间分别持续至堆肥后第12天、第13天、第14天、第14天,即4个处理组维持高温阶段的时间分别为10 d、11 d、12 d、12 d。表明牛粪有机肥中添加不同剂量的复合微生态制剂均能缩短堆体内温度达到峰值所需时间,且延长堆体内温度维持高温阶段时间,以0.2%添加剂量的作用效果最好。

2.2 pH的测定结果

4个处理组的pH测定结果见图2。如图2所示,在堆肥的第9天,4个处理组的堆体内pH均达到峰值,且pH均呈现出先升高后下降的变化趋势。在堆肥的第9～17天,3个复合微生态制剂添加组的堆体内pH均高于对照组(P>0.05)。表明牛粪有机肥中添加不同剂量复合微生态制剂均具有提高堆体内pH的趋势。

图2 pH的测定结果Fig.2 Determination results of pH

2.3 含水率的测定结果

4个处理组的含水率测定结果见图3。如图3所示,4个处理组的含水率均呈现出总体下降趋势。在堆肥的第9天,复合微生态制剂Ⅱ组(30.74%)、Ⅲ组(30.21%)均显著低于对照组(34.24%)(P<0.05)。表明牛粪有机肥中添加0.1%和0.2%的复合微生态制剂均能加快堆体内水分散失。

2.4 C/N值的测定结果

4个处理组的C/N值测定结果见图4。如图4所示,4个处理组的C/N值均呈现出总体下降趋势。在堆肥的第9天,复合微生态制剂Ⅲ组(22.05%)显著低于对照组(23.31%)(P<0.05)。表明牛粪有机肥中添加0.2%的复合微生态制剂均能改善堆体内C/N值。

2.5 种子发芽指数的测定结果

4个处理组的种子发芽指数测定结果见图5。如图5所示,4个处理组的种子发芽指数均呈现出总体逐步上升趋势。在堆肥的第13天,复合微生态制剂Ⅱ组(72.25%)、Ⅲ组(73.74%)均显著高于对照组(66.54%)(P<0.05)。在堆肥的第17天,复合微生态制剂Ⅲ组(80.54%)显著高于对照组(71.41%)(P<0.05)。表明牛粪有机肥中添加0.1%和0.2%的复合微生态制剂均能提高堆体内的种子发芽指数,以0.2%添加剂量的作用效果最好。

图3 含水率的测定结果Fig.3 Determination results of water content

图4 C/N值的测定结果Fig.4 Determination results of C/N

图5 种子发芽指数的测定结果Fig.5 Determination results of seed germination index

3 讨 论

3.1 对牛粪有机肥堆体内温度的影响

温度是衡量堆体腐熟质量和腐熟程度的重要指标,是直接影响各种病原微生物生长活动的显著因子,堆肥过程中堆体温度过低或高温持续时间过短,均不能有效地杀死堆体内的病虫卵,一般要求堆肥过程中最高堆肥温度应达50 ℃以上[14]。在本研究中,各处理组的整个堆肥发酵过程都经历了升温、高温持续和降温3个阶段,4个处理组保持高温阶段(堆体内温度>50 ℃)的时间分别为10 d、11 d、12 d、12 d,在高温持续方面均达到堆肥卫生标准,其中复合微生态制剂Ⅱ组和Ⅲ组保持高温阶段时间比对照组多持续2 d,且复合微生态制剂Ⅱ组和Ⅲ组在堆肥的第6天堆体内温度达到峰值,比对照组(第8天)早2 d,由此可见,复合微生态制剂对堆肥发酵过程中的起温作用和高温持续作用均非常明显。

3.2 对牛粪有机肥堆体内pH的影响

pH的变化能够反映出堆肥过程中微生物活动的剧烈程度,进而体现出堆体发酵速度的快慢[15]。在本研究中,4个处理组的堆体内pH均呈现出升高、下降的变化趋势,在堆肥的第9天各处理组的堆体内pH均达到峰值,随后开始逐步降低。在堆肥前期,由于微生物大量繁殖,活动剧烈,对有机氮的分解能力强,产生大量氨气,引起pH上升;在堆肥后期,由于微生物活动产生的有机酸和硝态氮含量,导致pH降低。本研究中,在堆肥第9天3个复合微生态制剂添加组的堆体内pH较对照组均显著升高,说明复合微生态制剂能够促进微生物的繁殖速度,加快堆体发酵速度。

3.3 对牛粪有机肥堆体内含水率的影响

含水量是影响堆肥效果的重要参数,在本研究中,添加复合微生态制剂堆体的含水率下降值要比对照组快,说明复合微生态制剂促进了微生物的新陈代谢,产生大量的热,使堆体内温度升高,水分蒸发作用增强。至堆肥的第9天,0.1%和0.2%复合微生态制剂添加组的含水率较对照组和0.05%复合微生态制剂添加组显著降低,在一定程度上体现了添加0.1%和0.2%复合微生态制剂的堆肥效果相对较好。自堆肥的第13天开始,各处理组含水率下降幅度趋于平稳,至堆肥结束后,各处理组含水率均达到27%左右。李琬等[16]研究表明,堆肥腐熟后含水率为29.6%,张建华等[17]研究表明堆肥腐熟后含水率为20.76%,本研究结果与李琬等[16]、张建华等[17]的研究结果表现出一致性。

3.4 对牛粪有机肥堆体内C/N值的影响

碳和氮的变化是堆肥过程中微生物发生生长代谢的基本特征之一,因此C/N值成为评价堆肥腐熟度的重要参数[18]。在本研究中,至堆肥的第5天,0.1%和0.2%复合微生态制剂添加组的C/N值较对照组显著降低,在一定程度上体现出添加0.1%和0.2%复合微生态制剂能够调节微生物生长代谢,加速牛粪的腐熟过程。至堆肥结束后,添加0.2%复合微生态制剂组的C/N值较对照组显著降低,表明添加0.2%复合微生态制剂使堆肥腐熟更加完全。

3.5 对牛粪有机肥堆体内种子发芽指数的影响

堆肥材料在未腐熟前含有大量毒性物质,对植物生长和种子发芽产生抑制作用;当堆肥材料腐熟后,毒性物质大量减少以及消失,甚至还会出现促进植物生长和种子发芽的活性物质。种子发芽指数被认为是最敏感、最直接、最简单、最快速、最准确的堆肥腐熟度检测指标[19]。一般种子发芽指数>50%可认为堆肥对植物生长基本没有毒性,>80%可认为堆肥已经达到完全腐熟[20-21]。李杰等[22]比较分析了3种不同微生物菌剂牛粪好氧堆肥对种子发芽指数的影响,结果表明菌剂3和菌剂2分别需要20 d和30 d达到堆肥无害化腐熟标准,而菌剂1处理和对照组均需40 d。在本研究中,至堆肥的第13天,添加0.1%和0.2%复合微生态制剂的堆体中种子发芽指数>80%,而对照组在堆肥第17天才>80%,添加0.1%和0.2%复合微生态制剂可使堆肥提前4天进入完全腐熟状态。本研究结果与李杰等[22]的研究结果具有一定的相似性。同时,本研究中堆肥结束后,添加0.2%复合微生态制剂组的种子发芽指数显著高于其它组,表明添加0.2%复合微生态制剂使堆肥材料对种子发芽的毒害作用降低。总之,添加0.2%复合微生态制剂可缩短堆肥腐熟时间,使粪便提前进入腐熟状态,且能够使堆肥腐熟更加完全,促腐作用效果最为显著。

4 结 论

添加0.2%复合微生态制剂能够增加牛粪有机肥堆体内高温期持续的时间,提高堆体内pH的峰值,加快堆体内水分的蒸发,改善堆体内C/N值,提高堆肥物料种子发芽指数,提高牛粪有机肥的堆肥效果。