微生物菌劑加速廢棄物堆腐的效應(yīng)

周新偉++沈明星++王海候++施林林++陸長嬰++金梅娟

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.126

摘要：研究了微生物菌劑對農(nóng)業(yè)廢棄物堆腐效率、基質(zhì)育秧質(zhì)量及基質(zhì)生產(chǎn)經(jīng)濟效益的影響。采用金針菇菇渣、酒糟等廢棄物組成的高溫好氧堆體，研究了微生物菌劑芽孢桿菌添加與否對水稻育秧基質(zhì)堆腐效率、理化性質(zhì)、基質(zhì)育秧質(zhì)量、經(jīng)濟效益的影響。結(jié)果表明，添加微生物菌劑較不添加微生物菌劑提早腐熟8 d。二者的基質(zhì)理化性狀、育秧質(zhì)量這2種主要指標(biāo)沒有顯著差異（P<0.05）且均達(dá)國家農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1534—2007《水稻工廠化育秧技術(shù)要求》中的壯秧標(biāo)準(zhǔn)，在金針菇菇渣、酒糟等廢棄物組成的高溫好氧堆體中添加芽孢桿菌0.33 kg/m3，在1個面積為 3 432 m2 的基質(zhì)生產(chǎn)車間，每年可因縮短堆腐時間而增產(chǎn)21.5%，新增利潤57 084.5 元。

關(guān)鍵詞：堆肥；微生物菌劑；農(nóng)業(yè)廢棄物；水稻育秧基質(zhì)；經(jīng)濟效益

中圖分類號： S141.4；X71文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0434-04

收稿日期：2015-08-04

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAD14B12-03）；江蘇省科技支撐計劃（編號：BE2013334）；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（14）2105]；江蘇省蘇州市科技支撐計劃 （編號：SNG201349）。

作者簡介：周新偉（1971—），男，江蘇蘇州人，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究。E-mail：zxw0512@163.com。

通信作者：沈明星，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)研究。E-mail：smxwwj@163.com。好氧堆腐（堆肥）是一種處理固體有機廢棄物并實現(xiàn)廢棄物無害化、資源化的有效方法，廣泛應(yīng)用于有機肥、基質(zhì)等生產(chǎn)中。傳統(tǒng)的堆肥法堆肥腐熟的時間常需2個月，堆制過程中周圍惡臭難聞，污水流淌，蚊蠅滋生，成為農(nóng)業(yè)環(huán)境中重要的污染源。因此如何縮短堆制時間，使新鮮固體有機廢棄物快速腐熟，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中急待解決的問題。由于傳統(tǒng)堆肥腐熟過程主要是一個由自然微生物參與的生理生化過程，因而有可能利用添加外源微生物來加速該過程。接種微生物促進堆肥腐熟的機理有：（1）提高堆肥初期微生物的群體，增強微生物的降解活性；（2）縮短達(dá)到高溫期的時間；（3）接種分解有機物質(zhì)能力強的微生物[1]。但是，在生產(chǎn)實踐中縮短堆制天數(shù)的差異極大，有縮短2～3 d的，也有縮短28 d的[1]，另一方面，由于微生物菌劑等成本的增加，有的經(jīng)濟效益提高，有的卻反而下降[2]。機插水稻是江蘇省目前采用的主要栽培技術(shù)，目前的機插水稻育秧主要采用營養(yǎng)土育秧與非土育秧的方式，后者由于節(jié)省勞力、防止破壞土層、秧盤輕便、利于工廠化培養(yǎng)等優(yōu)點而發(fā)展更快，筆者采用金針菇菇渣、酒糟等農(nóng)業(yè)固體廢棄物為原料，研究了微生物菌劑添加對縮短基質(zhì)堆制天數(shù)、堆體理化性質(zhì)變化及育秧質(zhì)量的影響，并分析了添加生物菌劑對基質(zhì)生產(chǎn)效率及經(jīng)濟效益的影響，為農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

金針菇菇渣取自江蘇省太倉市食用菌生產(chǎn)企業(yè)，酒糟取自太倉新太酒精有限公司，系木薯發(fā)酵的下腳料，細(xì)沙取自太倉市食品生產(chǎn)企業(yè)，系清洗土豆的殘余物，基質(zhì)原料的基本情況見表1。微生物菌劑芽孢桿菌采購自中國科學(xué)院微生物研究所，系固體粉劑，含有效活菌數(shù)≥0.5×108個/g。堆肥箱是2個專門設(shè)計的正方體塑料箱，箱體長寬高均為1 m，底板密布直徑2 cm氣孔，呈蜂窩狀分布，并設(shè)有鼓風(fēng)用的通風(fēng)口，側(cè)面設(shè)有取樣孔，頂面設(shè)一活動箱蓋。鼓風(fēng)機是韓松牌HS-550S型高壓旋渦氣泵，供試水稻品種為中熟晚粳的南粳46，水稻播種機采用云馬自牌流水線播種機，壯秧劑采購自江蘇無錫坊前杰偉壯秧劑有限公司，含活性物丙酮-乙醇溶解物0.5%～2.0%及氮、磷、鉀（N≥9%、P2O5≥6%、K2O≥4%），育秧盤為塑料硬盤，規(guī)格58 cm×28 cm。

1.2試驗設(shè)計

1.2.1育秧基質(zhì)堆腐試驗試驗于2014年7—10月在江蘇省蘇州市太倉綠豐生物肥料有限公司內(nèi)進行，堆腐原料為金針菇菇渣、酒糟、細(xì)沙的混合物，按體積比1 ∶7 ∶2混合，試驗設(shè)添加微生物菌劑與不添加微生物菌劑（CK）2 種處理，每處理各3個重復(fù)（堆肥箱），微生物菌劑加入方法為1 m3堆體原料中加入芽孢桿菌固體粉劑0.333 kg，在堆腐前混料時均勻加入，堆腐時間從2014 年7 月29 日至2014 年9 月22 日，共56 d。通過底部鼓風(fēng)的方法增加氧氣，每天開啟鼓風(fēng)機0.5 h進行增氧。各處理在堆腐8 d加水20 kg/m3，堆腐15 d進行1次翻堆。堆體初始含水率為60%～65%。

1.2.2育秧試驗試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，采用“1.2.1”方法生產(chǎn)的育秧基質(zhì)，設(shè)添加壯秧劑及不加壯秧劑（CK）2種處理，每處理為3個育秧盤，壯秧劑添加方法為每 1 m3 基質(zhì)中加入壯秧劑2 kg拌勻。育秧在太倉市城廂鎮(zhèn)萬豐村海豐農(nóng)場育秧大棚內(nèi)的秧架上進行，采用工廠化生產(chǎn)方式，育秧時間為2014 年5 月28 日至2014 年6 月10 日，共 14 d，播種量為芽谷150 g/盤，采用云馬自牌自動流水線播種機播種，播種后采用與當(dāng)?shù)毓S化育秧相同的栽培管理方法。

1.3采樣及測定

1.3.1采樣方法在基質(zhì)原料堆腐后0、7、14、21、28、35、42、49、56 d各采樣1次。在翻堆充分拌勻后，在堆肥箱內(nèi)按5點采樣法采樣。育秧結(jié)束后進行秧苗素質(zhì)考察，每盤取3個具有代表性的8 cm×8 cm方塊，清點成苗數(shù)；每盤取20株代表性秧苗，觀察葉齡、葉數(shù)、苗高、莖基粗、根系長度、根系直徑、根表面積、根體積、根尖數(shù)、葉綠素SPAD值、單株葉面積；每盤取100株烘干后稱質(zhì)量，計算根冠比；每盤秧測定 5處不同點的根系盤結(jié)力。

1.3.2堆體理化、生物指標(biāo)測定溫度測定：每天上午 09：00 用溫度計測定堆體上、中、下3處溫度后取平均值。含水率測定：樣品置于105 ℃烘箱烘24 h，烘干水分至恒質(zhì)量，計算水分含量；含碳量采用重鉻酸鉀-濃硫酸法測定；N、P含量采用硫酸-雙氧水消煮法測定；銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用2 mol/L CaCl2溶液1 ∶5浸提，再用流動分析儀測定；EC值：去離子水1 ∶5浸提（體積比），電導(dǎo)儀法測定；pH值：去離子水1 ∶5浸提（體積比），pH值計測定；灰分采用馬弗爐法測定。種子發(fā)芽指數(shù)測定：將新鮮堆肥樣品與水按體積比10 ∶1比例混合振蕩0.5 h，上清液經(jīng)濾紙過濾后待用；把1張濾紙放入干凈無菌的9 cm培養(yǎng)皿中，濾紙上整齊擺放20粒小白菜（蘇州青）種子；吸取3 mL濾液于培養(yǎng)皿中，在25 ℃、黑暗條件下的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，測定種子的發(fā)芽率和根長，同時用去離子水作空白對照。發(fā)芽指數(shù)計算公式為：GI=（堆肥處理的種子發(fā)芽率×種子根長）/（對照的種子發(fā)芽率×種子根長）×100%。

1.3.3秧苗素質(zhì)測定育秧14 d后測定各處理秧苗單位面積成苗率、葉齡、苗高、莖基粗、地上及地下部干物質(zhì)質(zhì)量、根系盤結(jié)力、根系長度、根系直徑、根表面積、根體積、根尖數(shù)（采用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)測定）、根系活力（TTC法）、單株葉面積、葉綠素SPAD值。

2結(jié)果與分析

2.1基質(zhì)堆腐過程中的溫度變化

溫度是堆肥穩(wěn)定度評價最簡便快捷的物理指標(biāo)，當(dāng)其趨于環(huán)境溫度時，表明堆肥已穩(wěn)定[3]。基質(zhì)堆肥過程中溫度的動態(tài)變化曲線如圖1所示，在堆肥起始階段，堆體溫度快速上升，堆腐1 d即分別達(dá)到49 ℃及51.2 ℃，添加微生物菌劑處理與對照均出現(xiàn)了2輪高溫期，添加微生物菌劑處理的2輪連續(xù)50 ℃高溫期累計達(dá)22 d，而對照達(dá)23 d，二者差別不大。前37 d內(nèi)對照比添加微生物菌劑處理的平均溫度高 1.16 ℃，而后37 d添加微生物菌劑的平均溫度高于對照105 ℃。根據(jù)GB 7959—1987《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，高溫堆肥的高溫期為溫度達(dá)50～55 ℃，持續(xù)5～7 d[4]。本研究堆體均達(dá)到無害化要求。

2.2發(fā)芽指數(shù)的變化

目前較為公認(rèn)的評價有機固體廢棄物腐熟度的指標(biāo)為種子發(fā)芽指數(shù)（GI），GI值可綜合體現(xiàn)堆肥樣品的低毒性（影響根長）或高毒性（影響發(fā)芽），被認(rèn)為是最敏感、可靠、有效和最能反映堆肥產(chǎn)品植物毒性、堆肥無害化和腐熟度參數(shù)的指標(biāo)。Zucconi等認(rèn)為，當(dāng)GI值>80%時，堆腐完全腐熟[5]。圖2表明，發(fā)芽指數(shù)均呈倒拋物線分布，即先在高位，而后下降到谷底，再上升，這可能是因為堆腐原料大分子在起初未被分解，但仍不穩(wěn)定，隨后在微生物作用下分解并釋放有機酸等有害物質(zhì)，最后進一步分解成腐殖質(zhì)為主的無害物質(zhì)。分析表明，添加微生物菌劑完全腐熟需37.3 d（GI值>80%），未添加微生物菌劑（CK）需45.3 d，添加微生物菌劑較不用微生物菌劑提早腐熟8.0 d。

2.3堆體的理化指標(biāo)

2種處理的理化性狀變化見圖3，含水率隨時間變化不大，均在60%左右，但由于添加微生物菌劑的初始含水率高于對照，因此其含水率堆腐期間一直高于對照；微生物菌劑對堆腐的pH值影響不大，二者基本保持同步，直到堆腐結(jié)束時穩(wěn)定在72左右；2種處理的EC值均由堆前的0.64、0.75 mS/cm 先升高到14 d的0.8 mS/cm左右，然后逐漸下降到0.5 mS/cm左右，二者變化趨勢相同，最終差異不顯著（P<0.05），EC值表示堆肥中可溶性鹽的高低，表明隨著堆肥的進程，在微生物的作用下大量有機物降解為可溶性鹽類或腐殖質(zhì)。堆體的起始C/N值為24左右，隨后均不斷下降，49 d時穩(wěn)定在20左右，2個處理間在各階段基本沒有顯著差異（P<0.05）。C/N是最常用的堆肥腐熟度評價方法之一。一些研究者認(rèn)為，堆體的C/N從最初的25～30降低到20以下時，即可認(rèn)為堆肥已基本腐熟[6]。添加微生物菌劑與對照的NH4+-N/NO3--N從堆肥前的329.0、370.5，在7 d內(nèi)迅速下降，添加微生物菌劑的在21 d時下降到0.1以下，對照在35 d下降到0.1以下，可見添加微生物菌劑的NH4+-N/NO3--N下降速度快于對照。這是由于堆體初始時的 NO3--N 含量低，導(dǎo)致堆料中NH4+-N/NO3--N值較高，隨著堆腐的進行，NO3--N含量逐漸增加，NH4+-N含量降低，使NH4+-N/NO3--N迅速下降。Bernai等研究認(rèn)為堆肥中NH4+-N/NO3--N小于0.16可以認(rèn)為已達(dá)腐熟[7]。

2.4基質(zhì)育秧對秧苗地上及地下部分生長的影響

對添加及未添加微生物菌劑（對照）的育秧基質(zhì)的基本理化分析結(jié)果（表2）表明，二者影響基質(zhì)應(yīng)用的主要性狀差異均不顯著，并均在合理范圍內(nèi)，表明添加微生物菌劑與否沒有明顯影響基質(zhì)的基本理化性狀。采用2種育秧基質(zhì)在工廠化育秧大棚中進行育秧，14 d后考察秧苗生長狀況，處理間的單位面積成苗數(shù)、葉齡、莖基粗、單株鮮質(zhì)量、單株干質(zhì)量、單株葉面積、葉片SPAD值均無顯著差異（P<0.05），對照國家農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水稻工廠化育秧技術(shù)要求》（NYT 1534—2007）中壯秧標(biāo)準(zhǔn)（小苗）[8]，除了葉齡略低外，2種處理的其他指標(biāo)均達(dá)壯秧標(biāo)準(zhǔn)，葉齡較小可能與本試驗育秧時間較短有關(guān)（表3）。

對2種處理的根系生長指標(biāo)及生理活性測定結(jié)果表明，單株的根系長度、根系直徑、根表面積、根體積、根尖數(shù)、根系盤結(jié)力均無顯著差異（P<0.05）（表4）。

2.5添加生物菌劑對基質(zhì)生產(chǎn)效率及經(jīng)濟效益的影響分析

按蘇州市太倉綠豐生物肥料有限公司運行的1個面積為3 432 m2的基質(zhì)生產(chǎn)車間（車間長78 m，寬44 m）計算，基質(zhì)采用條垛式高溫堆肥方式生產(chǎn)，其中1/4面積用作后熟，1/4用作原料貯存，其余1/2面積用于條垛式高溫堆肥，基質(zhì)條垛高1.1 m，基部寬2.8 m，1個車間1個堆制周期內(nèi)同時可堆制5個條垛，共計975 m3。對比2種堆腐方法，添加微生物菌劑的條垛周期為37.3 d，不加微生物菌劑的條垛周期為 45.3 d，每年該車間通過縮短堆腐周期可以增產(chǎn)1 686.8 m3，較不加微生物菌劑增產(chǎn)21.5%（表5）。按本試驗使用芽孢桿菌0.33 kg/m3，市場價12 元/kg計，則每1 m3增加微生物菌劑成本3.96 元。該車間1年可因縮短堆腐周期增產(chǎn)而增加毛利潤63 768 元，去除新增加微生物菌劑成本6 680.5 元，使用此項技術(shù)每個車間可新增利潤57 084.5 元。

3結(jié)論

在堆肥的初期加入微生物菌劑可以促進堆肥腐熟，縮短堆制周期，這一點已被大多數(shù)學(xué)者證實[1]，然而在此問題上一直存在爭議，一種觀點認(rèn)為堆肥原料中本身含有大量的微生物種類和數(shù)量，只要環(huán)境條件適宜，就會快速增長，而且添加的微生物又會增加堆肥成本和降低堆肥的營養(yǎng)成分；而另一種觀點認(rèn)為向堆肥中添加微生物菌劑可以增加堆肥中有效的微生物數(shù)量，延長堆肥高溫持續(xù)時間，加快堆肥中的有機物的分解，從而縮短堆肥進程[9]。沈根祥等通過牛糞與秸稈高溫好氧堆肥，對添加微生物菌劑的堆肥處理與不添加微生物菌劑的常規(guī)堆肥處理進行比較后認(rèn)為，添加微生物菌劑后，雖然堆肥產(chǎn)品年產(chǎn)量增加了20%，但是由于在目前微生物菌劑和堆肥產(chǎn)品的價格體系下，堆肥生產(chǎn)的經(jīng)濟效益并沒有隨之提高，導(dǎo)致其利潤反而降低了28%[2]。本試驗研究了微生物菌劑對農(nóng)業(yè)廢棄物堆腐效率、基質(zhì)育秧質(zhì)量及基質(zhì)生產(chǎn)經(jīng)濟效益的影響。結(jié)果表明，在金針菇菇渣、酒糟等廢棄物組成的高溫好氧堆體中，添加微生物菌劑芽孢桿菌較不添加微生物菌劑提早腐熟8 d，每個基質(zhì)生產(chǎn)車間因提高堆腐效率而增產(chǎn)21.5%，扣除微生物菌劑成本后每個車間可新增利潤 57 084.5元/年，并且水稻基質(zhì)育秧的主要質(zhì)量指標(biāo)達(dá)國家農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1534—2007《水稻工廠化育秧技術(shù)要求》中的壯秧標(biāo)準(zhǔn)（小苗）。在金針菇菇渣、酒糟等廢棄物組成的高溫好氧堆體中添加芽孢桿菌0.33 kg/m3，在1個面積為3 432 m2的基質(zhì)生產(chǎn)車間，每年可因縮短堆腐時間而增產(chǎn)21.5%，新增利潤57 084.5 元。

參考文獻：

[1]李國學(xué)，李玉春，李彥富，等. 固體廢物堆肥化及堆肥添加劑研究進展[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2003，22（2）：252-25.

[2]沈根祥，尉良，錢曉雍，等. 微生物菌劑對農(nóng)牧業(yè)廢棄物堆肥快速腐熟的效果及其經(jīng)濟性評價[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2009，28（5）：1048-1052.

[3]鮑艷宇，陳佳廣，顏麗，等. 堆肥過程中基本條件的控制[J]. 土壤通報，2006，37（1）：164-168.

[4]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB 7959—1987糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1987.

[5]Zucconi F，Monaco A，F(xiàn)orte M，et a1.Phytotoxins during the stabilization of organic matter[J]. Plos One，2014，9（11）：e112085.

[6]廖新悌，吳銀寶，汪植三，等. 堆體大小對豬糞堆肥影響和袋裝堆肥的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19（4）：287-290.

[7]Bernai M P，Paredes C，Snchez-Monedero M A，et al.Maturity and stability parameters of composts prepared with a wide range of organic wastes[J]. Bioresource Technology，1998，63（1）：91-99.

[8]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.NYT 1534—2007水稻工廠化育秧技術(shù)要求[S]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2008.

[9]王偉東，劉建斌，牛俊玲，等. 堆肥化過程中微生物群落的動態(tài)及接菌劑的應(yīng)用效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22（4）：148-152.