不同組合微生物菌劑對牛糞堆肥效果的影響

張業懷 凌丁* 王天想 呂貴律 黃安定

（1.廣西農業職業技術大學，廣西 南寧 530007；2.廣西崇左市天等縣馱堪鄉水產畜牧獸醫站，廣西 崇左 532806）

廣西桂西山區農村，多數農戶以養牛和種植玉米作物作為家庭主要的經濟來源。牛糞和廢棄農作物秸稈成為了農村主要的農業固體廢棄物［1］。牛糞的隨意堆放及農作物秸稈燃燒產有害氣體已經對當地環境造成了污染［2］。隨著養殖的發展，農業廢棄物造成的環境污染問題日益突出，人們循環利用意識逐漸增強，作為生物質能源的農作物秸稈和畜禽糞便的無害化處理和資源化利用越來越受到人們的重視。因此，廢棄農作物秸稈和養殖糞污合理處置，已成為鄉村振興以及農村生態環境治理工作重中之重。

目前，將牛糞和廢棄的農作物秸稈混合后投加一定的微生物菌劑進行好氧堆肥，是農村處理畜禽養殖糞污和作物秸稈等農業廢棄物的主要手段［3］。

好氧堆肥是指在充分供氧條件下，主要利用堆體內好氧微生物對物料進行發酵腐化的過程。在堆肥過程中微生物菌群最終把一部分有機物氧化成簡單小分子的無機物，并釋放出能量，把另一部分有機物轉化合成自身物質，供微生物群增殖所需。

發酵腐熟后的有機肥回用于農田中可增加土壤有機質含量，實現農業廢棄物的資源化利用的同時，保護了山清水秀鄉村生態環境。前人大量研究證明，促進好氧堆肥快速發酵腐熟的有效途徑是在堆體物料中投加外源微生物菌劑。外源微生物依據合適的生長溫度可分為低溫、中溫和高溫微生物。低溫外源微生物和堆肥中的原位微生物協同作用可加速堆肥初期有機物質的分解，一些高溫微生物在堆肥的高溫期促進堆體快速升溫，同時也能分泌多種纖維素酶類促進難降解的木質纖維素的降解，因而能縮短整個堆肥周期［4］。

盧洋洋等（2021）研究表明，在堆肥過程中，添加外源性菌劑能夠增加堆體高溫期持續的時間，有效地促進堆體內了有機物的降解，加快了堆肥的腐熟進程［5］。金香琴等研究了投加由不同比例組成的不同微生物菌劑對牛糞好氧堆肥過程的影響，研究結果證實了投加復合微生物菌劑對畜禽糞便堆肥資源化利用具有明顯的促進效果［6］。

目前，研究投加外源性微生物菌劑能加快完成堆肥好氧發酵過程報道比較多，而且現在市場上流通的微生物菌劑品種多樣，比如具有廣譜性腐熟劑的菌種則達40 多種，各類質量也參差不齊，使用者難以鑒別，而且不同地域養殖糞污中原位微生物種類、秸稈種類及堆肥環境也差別較大。

因此，有必要篩選出合適廣西桂西山區地域牛糞堆肥的微生物菌劑，以促進堆肥發酵，提高堆肥質量。

針對上述存在的問題，課題研究團隊自我設計了由黑曲霉、煎盤梭菌、普通高溫放線菌、熱纖梭菌組成的3 種不同的微生物菌劑，通過設計堆肥投加菌劑和不投加菌劑處理，探討不同的微生物菌劑對牛糞好氧堆肥發酵效果影響，以期篩選出適合廣西桂西山區地域當地牛糞堆肥發酵的菌劑。

1 材料與方法

1.1 試驗場所概況

試驗于2022 年5 月2 日至6 月2 日在天等縣尚智養殖專業合作社養殖生產基地進行，試驗區當年當月日平均最低23℃，最高日平均氣溫31℃。

1.2 試驗材料

牛糞：肉?；旌霞S便。玉米秸稈：從周邊農戶提供。微生物菌劑：試驗供試微生物菌劑有3 種，分別是菌劑A、菌劑B、菌劑C，其中菌劑A 主要由黑曲霉、煎盤梭菌、普通高溫放線菌等組成；菌劑B 主要由黑曲霉、煎盤梭菌、熱纖梭菌等組成；菌劑C 主要由黑曲霉、煎盤梭菌等組成。菌劑中有效活菌數＞80 億cuf/g。所有菌種由中國微生物菌種保藏管理中心提供，菌劑由廣西農業職業技術大學微生物實驗室自制。堆肥物料的營養成份及pH值見表1。

表1 堆肥物料的營養成份及pH 值

1.3 試驗方法

參照李季等［7］報道，研究將堆肥發酵條件調整為C/N 為28.75∶1，含水量為60%，pH 值為7.22。試驗設四個處理，分別投加菌劑A、B、C 和不投加菌劑自然發酵，分別記為：菌劑A、菌劑B、菌劑C 和對照組。根據玉米秸稈和牛糞的營養物質含量，將牛糞與玉米秸稈切碎混合并調整物料C/N 值為25~30，按物料總量添加1%玉米粉作為輔料，調節含水量至60%，混合物料初始碳氮比為28.75∶1，含水量為60%，pH 值7.22。添加微生物菌劑量為0.05%（W/W），充分拌勻后堆置。不同處理組的物料配比見表2。

表2 不同處理組的物料配比

每日于10：00~10：30 和16：00~16：30，用土壤溫度計測定堆體頂尖表層下30 cm 處溫度，同時記錄當天的環境溫度。每10 d人工翻堆1次，第1、5、15、25、30、31 d從垂直高度1/2 處的堆體外側表面由外向內不同深度分4 點取樣，充分混合后，檢測樣品的pH 值、有機質含量、全氮含量及種子發芽指數等指標。

1.3.1 pH 值測定

將樣品與超純水按1∶10（質量濃度）比例混合，室溫下按180 r/min 振蕩1 h 后，取上清液用pH 計測定。

1.3.2 有機質含量的測定

采用干燥加熱法，即將樣品干燥至恒重，然后放入電熱恒溫干燥箱中烘干，再稱重計算出有機質含量。全氮含量采用硫酸-過氧化氫消煮、堿化后用蒸餾定氮的方法測定。

1.3.3 種子發芽指數測定

采用種子發芽實驗法。取10 g 新鮮樣品，加入100 mL 純水，振蕩30 min，室溫下浸提1 晝夜，取上清液用快速濾紙過濾，濾液備用。在直徑90 mm培養皿內放入相應大小的一張濾紙并鋪平，均勻的撒入20 粒均勻度一致的小白菜種子，用移液器取5.0 mL 堆肥濾液加入培養皿中。并置于（25±1）℃、80%濕度培養箱中培養24 h。觀察結果，測種子發芽率和根長，并計算種子發芽指數GI。種子發芽指數（GI）=（堆肥濾液處理的種子發芽率×堆肥濾液處理的種子根長）/（純水處理的種子發芽率×純水處理的種子根長）×100%。

1.4 數據處理

試驗數據通過Excel2003 進行處理，且采用DPS 進行方差分析，運用Duncan’s 法進行多重比較，p ＜0.05 表示組間差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同組合菌劑處理對堆體發酵溫度影響

不同組合菌劑處理對堆體發酵溫度影響不同。由表3 可以看出，在整個堆肥期間，環境溫度的變化幅度在23.0~31.0℃之間。菌劑A、菌劑B、菌劑C 處理的堆肥溫度上升快，只需1 d 可升至50℃，不加菌劑的對照組需5 d 才進入50℃階段。不同組合菌劑處理的堆體高溫階段持續時間均比不加菌劑的對照組長，其中菌劑A 高溫持續時間15 d，菌劑B 為14 d。對照組高溫階段持續時間最短，僅為2 d，且最高溫度僅為50.0℃。在本實驗條件下從堆肥溫度變化結果可以看出，菌劑A、菌劑B 處理結果較為理想。堆體溫度上升是由于堆體內微生物分解有機物和合成自身物質過程產熱積累的結果。各處理組使用的菌劑不同，因而溫度上升的快慢及維持高溫時間也不相同。

表3 不同組合菌劑處理對堆體發酵溫度影響

2.2 不同組合菌劑對堆肥pH 值的影響

在有機肥堆肥發酵過程中，pH 值隨著時間和溫度的變化而變化。pH 值增高主要是堆體物料在微生物作用下將有機氮分解產生大量的NH4+-N而引起的；pH 值降低是堆體內原位及投加的產酸微生物對環境底物利用后其代謝產酸而導致的。從表4 可以看出，各組pH 值均表現為先下降、再上升、下降至穩定的趨勢，試驗組pH 值基本低于對照組。發酵至第5 d 時以菌劑B 組pH 值為最高且整個發酵期間pH 值變化幅度最大，其次為菌劑A、菌劑D 變化最小。

表4 不同組合菌劑處理對堆肥pH 值的影響

2.3 對堆體全氮含量影響

不同菌劑處理堆體前后全氮含量有差異。由表5可知，發酵5天后3個試驗組氮含量均低于對照組；15 d 氮含量最高為菌劑C 組，25 d 最高為菌劑A 組，至30 d 時最高為菌劑B 組。到堆肥結束時所有組別全氮含量均高于堆肥前，增幅在11.01%~33.94%之間且試驗組均高于對照組。初步說明，投加菌劑能促進堆體內氮的轉化，不同菌劑對氮轉化能力也不一樣，菌劑B 較處理前全氮量增加最多。

表5 不同組合菌劑處理堆肥前后全氮含量變化

2.4 對堆體有機質含量的影響

堆體中的有機質是微生物生命活動所需要的養分和能量的主要來源，有機質含量下降反映了微生物分解物料中纖維素、木質素的能力。表6 顯示，堆肥發酵至30 天后，3 個試驗組有機質含量均低于對照組，以菌劑B 組含量最低。與堆肥發酵前相比，4 個組有機質含量均下降，對照組和菌劑A、菌劑B、菌劑C 組分別下降12.34%、26.14%、31.55%、19.88%?？梢?，堆體物料中投加菌劑有利于有機物質分解和轉化。3 個試驗組以菌劑B 組發酵最徹底。

表6 不同組合菌劑處理對堆體有機質含量的影響 %

2.5 堆肥種子發芽試驗

種子發芽指數（GI）是判斷堆肥的生物安全性和腐熟度的重要參數。從表7 可以看出，菌劑B 組小白菜種子發芽指數（GI）均值為97.73%，生物安全性和腐熟程度最好；其次為菌劑A 組96.53%；菌劑D 組最低，僅為49.17%。說明堆肥沒有腐熟完全，施入土壤后未充分發酵的有機肥也會再次發酵，對植物生長不利。試驗組發芽指數（GI）顯著高于對照組（P ＜0.05），3 個試驗組發芽指數平均值顯著高于對照組，菌劑A、菌劑B、菌劑C 組比對照組提高的百分比分別為96.31%、98.76%、51.78%，說明投加菌劑處理的堆肥的生物安全性和腐熟度比不投加的高。

表7 堆肥30 d 種子發芽指數測定結果

3 討論

堆肥主要是通過微生物的作用將廢棄物無害化、資源化的過程。微生物通過自身分解和種間的相互作用將堆體物料中的有機物轉化為熱量、CO2、氫及生物量和腐殖質。因此，在堆肥中加入降解能力強及代謝產物能互相利用的外源微生物能促進腐熟、提高發酵效果。本試驗采用由黑曲霉、煎盤梭菌、普通高溫放線菌及熱纖梭菌不同菌種構成的菌劑作為牛糞堆肥的添加菌劑，這些菌株各具有不同功能。黑曲霉在堆肥早期對升溫有明顯作用，能加快堆肥進程［7］，黑曲霉發酵后產生大量的廢棄菌絲體，附加值高［8］；煎盤梭菌抗逆性強，有碳水化全物存在時生長旺盛，能利用黑曲霉酶系對物料分解后的產物如葡萄糖、半纖維素等多種碳水化合物，最后產生大量醋酸和丁酸，酸性環境有利于堆肥中嗜酸微生物生長，讓堆肥發酵更徹底；普通高溫放線菌，最適生長溫度60℃，堆肥高溫階段促進堆體物料進一步降解。熱纖梭菌能夠在堆肥高溫環境下以纖維素及其降解產物纖維二糖與纖維糊精為碳源，將底物發酵。而且，熱纖梭菌分泌的多種纖維素酶、半纖維素酶能形成多酶復合體（纖維小體），多酶復合體（纖維小體）降解纖維素能力優于單一纖維素酶，具有高效快速降解纖維素能力［9］。

試驗結果表明，由不同菌種構成的菌劑堆肥效果是不相同。全氮含量和種子發芽指數（GI）是檢驗堆肥質量和腐熟度的重要指標。

本研究中，堆肥30 d 時各處理全氮含量大于堆肥的初始0 d 時，B 組全氮含量最高，較處理前增幅高達33.94%。

種子發芽指數（GI）被業界認為是最可靠的堆肥腐熟度評價指標之一。李季等［10］報道，堆肥基本腐熟時對種子基本無毒性，其種子發芽指數大于50%；堆肥完全腐熟時無毒性，其種子發芽指數大于85%。生產上完全腐熟的堆肥才能安全使用，可提高作物產量。未完全腐熟的養殖糞污堆肥施用后對農作物會造成很大傷害，造成農作物燒苗現象，未被滅活的病原微生物亦可通過土壤傳播擴散等。劉克鋒等研究表明，加入菌劑能促進堆肥腐熟，提高堆體物料發酵產物質量，提高種子發芽指數［11］。本研究中菌劑A、菌劑B 組種子發芽指數（GI）均在96.53%以上，實現完全腐熟，種子發芽指數（GI）B 優于A。

以上結果表明，菌劑B 組處理堆肥效果較菌劑A、菌劑C 組好，主要原因之一或許是菌劑B 中含有熱纖梭菌菌種，熱纖梭菌除了具有的高效快速降解結晶纖維素能力外，在生長穩定期還會釋放出多酶復合體纖維小體，使游離酶的表達量進一步增加，有利于熱纖梭菌不斷從周圍資源中消化降解更多纖維素，產生更多的可溶性糖類。當堆肥后期堆溫下降45℃至37℃時（溫度合適煎盤梭菌生長），在大量可溶性糖類環境下，煎盤梭菌再一次恢復活力，生長代謝旺盛，將前期發酵階段未分解完全的有機物再次分解利用，使堆體物料進一步降解，讓發酵更徹底，達到最佳腐熟狀態。原因之二或許是堆肥中原位微生物與投加微生物之間存在競爭，投加菌劑B 比菌劑A、菌劑C 更有竟爭力［12］。

4 結論

在堆肥過程中，添加外源性微生物菌劑能夠提高堆肥溫度，明顯縮短升溫時間，延長高溫期，有效地促進堆體物料腐熟，顯著提高堆肥產物全氮含量和種子發芽指數，通過分析堆肥產物中各指標變化，本研究中加入菌劑B 堆肥效果最好，此菌劑中菌種間協同作用達到最佳狀態，因而促進堆肥腐熟，提高肥效，適合推廣應用。

通過本研究還發現，自然堆肥不易起溫。雖然添加普通高溫放線菌達到最高溫度，但堆肥中氮含量明顯降低，影響肥效；因此在以后同類研究中，須進一步探索既可延長高溫持續時間又不影響有機肥氮含量的菌劑菌種構成及配比，以達到最佳的堆肥效果，確保堆肥質量，促進農業增收，助推鄉村振興。