菌劑作用下牛床墊料發酵過程可溶性碳氮變化

鐘珍梅，陸 蒸，林忠寧，應朝陽

（1. 福建省農業科學院 農業生態研究所, 福建 福州 350013；2. 福建省草業工程技術研究中心, 福建 福州 350003）

0 引言

【研究意義】堆肥發酵是在微生物作用下將不可溶的大分子有機物礦質化、腐殖化和無害化的復雜化學過程。在這個過程中碳和氮是最重要的兩種元素，是微生物生長和繁殖的主要物質和能量來源，是保障堆肥發酵順利進行的關鍵[1]。堆肥過程中，在微生物作用下大分子有機氮和碳經過一系列復雜的生化反應，分解成小分子的溶解性有機氮和碳，這些小分子碳和氮被微生物吸收利用，再經過微生物作用完成腐殖化過程[1-6]。因此，可溶性有機碳和氮既是堆肥過程的中間產物，又是最終能被作物吸收利用的組分，其含量在一定程度上反映了大分子有機碳氮的降解效率，也間接反映了微生物的活躍程度和堆肥發酵的腐熟速率及程度，研究可溶性碳和氮含量的變化對揭示堆肥過程物料的物質轉化規律具有重要的意義。【前人研究進展】堆肥過程中圍繞碳氮變化的研究表明，硝態氮則呈逐漸增加趨勢[6-8]；而全氮、總有機氮[8]、銨態氮[6,7,9]、總有機碳[10]、可溶性有機碳[5,10]呈逐漸降低趨勢，氮素形態由有機態向無機態轉化、穩定態向有效態轉化、銨態向硝態轉化[8]，碳素形態則由大分子有機態向小分子有機碳轉化[3]。添加外源菌劑是商品化生產有機肥的常用方式之一。研究表明，添加外源微生物菌劑能提高發酵效果、縮短發酵周期、提高堆肥品質[11-13]。高云航等[8]研究發現，添加低溫復合菌使堆肥物料中的銨態氮含量明顯降低，硝態氮含量增高，促進氮的轉化。王義祥等[10]研究發現，添加EM 菌劑的堆肥處理比未添加EM 菌劑處理的碳素損失高，添加EM 菌劑可以加速有機質的礦化分解和提高腐殖質化指數。單德鑫等研究表明，添加外源微生物會降低牛糞堆肥前期全氮和酸水解氮的含量，加速有機態氮礦化[2]。王守紅等[9]研究認為，菌劑添加不當會增加堆肥過程氮的損失。可見不同的菌劑產生的效果不盡相同。【本研究切入點】奶牛是家畜中糞尿排放量最多的動物，一頭600 kg體重、日產奶量20 kg的成年奶牛，一晝夜排糞量和尿量分別可達30 kg和22 kg[14]。目前，關于牛糞堆肥研究主要集中在工藝條件、影響因素以及外源菌劑對堆肥效果的影響等方面[6-9]，但對半發酵的牛床墊料堆肥研究得還遠遠不夠。目前市場上商品化的微生物菌劑種類繁多，其作用也不盡相同。【本研究切入點】本研究以使用3年的奶牛場牛床墊料為原料，隨機選了市面上常用的4種微生物菌劑作為發酵添加劑，研究不同菌劑作用下半發酵牛床墊料發酵過程可溶性氮和碳含量的變化，通過可溶性氮、碳含量的動態變化揭示其降解效率和轉化規律，為發酵床墊料的肥料化應用提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用堆肥原料主料來自于福建省南平市長富第15牧場，為該牧場使用了3年的牛床墊料，墊料使用過程未添加外源菌劑。試驗材料為牛床墊料、豬糞、甘蔗渣按7∶2∶1的比例配合而成，其主要養分含量如表1所示。本試驗所用菌劑共4種，介紹如下：菌劑1：EM原露，由乳酸菌、酵母菌、放線菌、絲狀菌、光合細菌等5大菌群80種以上的微生物組合，適用于動植物廢棄物的發酵；菌劑2：百豐畜禽寶菌劑，以乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌、醋酸菌和放線菌等為主，適用于畜禽糞便發酵和除臭；菌劑3：豐力凈菌劑，主要由放線菌、酵母菌、乳酸菌和絲狀真菌等復合菌組成，適用于畜禽糞便發酵和除臭；菌劑4：國龍生物床菌劑，主要由芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌、納豆菌等多種發酵床專用菌及生物活性酶制劑復配而成，主要應用于微生物原位和異位發酵床。所有菌劑的有效活菌數均大于80億cuf·g-1，除EM菌劑外，其他3種菌劑均為粉劑。

表1 堆肥原料的基本組分Table 1 Major physiochemical properties of compost materials

1.2 試驗設計

本試驗在南平市順元農業發展有限公司的有機肥廠進行。堆肥處為有頂棚但四周無墻體的空曠場地，地表為水泥地。在堆肥處堆5個圓錐形堆垛，每堆原料約為10 t，加入微生物菌劑50 kg，比例為原料的0.5%，原料和菌劑的添加為一層料一層菌劑，最后再用鏟車翻堆直至菌劑與原料混合均勻，進行堆垛發酵。試驗設置5個處理，處理1：EM菌劑，記為EM；處理2：百豐畜禽寶菌劑，記為BF；處理3：豐力凈菌劑，記為FLJ；處理4：國龍生物床菌劑，記為GR；處理5：不加菌劑，對照(CK)。發酵過程中每隔5 d翻堆原料，10 、20 、30 、40 和50 d分別取樣，鮮樣取回后置于4 ℃冰箱保存，1周內測完所有指標。

1.3 試驗方法

稱取過1 mm篩的鮮土10 g，加入2M KCl提取液提取土壤溶液，參照魯如坤[15]《土壤農業化學分析方法》采用比色法測定和含量；采用TOC分析儀測定提取液的可溶性全氮（STN）、可溶性全碳（STC）和可溶性有機碳（SOC）含量，可溶性有機氮，SOC+SIC=STC。

1.4 數據處理

數據采用Excel 2016整理，用統計分析軟件SPSS 12.0進行統計分析，處理間數據采用單因素方差分析法進行方差分析，用Duncan新復極差法進行多樣本比較。數據用“平均值±標準差”表示，差異顯著性水平p＜ 0.05。

2 結果與分析

2.1 雙因素方差分析

表2 雙因素方差分析結果Table 2 Results of two-way analysis variance

2.2 菌劑對牛糞污墊料發酵過程可溶性氮的影響

菌劑對牛糞污墊料發酵過程可溶性氮含量的影響如圖1和表3所示。與CK相比，添加4種菌劑顯著提高了牛糞污發酵過程的和SON含量，表明添加4種菌劑后促進大分子氮的降解，增加了和SON含量，但有增加氨揮發的風險。其中GR處理的和SON含量最高，顯著高于其他3種菌劑處理，表明GR對墊料的降解能力最強，但在降解墊料的過程中生成的銨態氮含量也最高，氨揮發的風險也最大，這可能與該菌劑中含產氨菌有關。從各時期來看，發酵10～20 d，EM處理含量較CK顯著降低，而發酵50 d則顯著提高；發酵10 、30 和50 d，BF處理含量較CK顯著提高；整個發酵期，FLJ處理含量與CK相比差異不顯著；發酵10～50 d，GR處理的牛糞污墊料含量較CK顯著提高（圖1-A）。發酵40～50 d，EM處理SON含量較CK顯著提高；發酵30～50 d，BF、FLJ和GR處理SON含量也較CK顯著提高（圖1-C）。添加菌劑顯著降低了牛糞污發酵過程含量，其中BF處理的含量最低。從各時期來看，發酵30～40d，EM、BF、FLJ和GR處理含量較CK顯著降低，而發酵50 d EM處理

含量則較CK顯著增加（圖1-B）。

圖1 不同處理樣品可溶性氮的含量Fig. 1 Soluble nitrogen in treatment samples

2.3 菌劑對墊料發酵過程可溶性碳含量的影響

菌劑對牛糞污墊料發酵過程STC和SOC含量的影響如圖2和表3所示。添加菌劑對牛糞污發酵過程STC含量有增加作用，其中GR處理達到顯著水平，較CK顯著提高；而SOC含量的變化則無明顯的規律性，其中BF和FLJ 2種菌劑處理牛糞污發酵過程SOC含量較CK顯著增加，而EM和GR處理效果相反，較CK顯著降低。從各時期來看，與CK相比，發酵10 d，BF和FLJ處理顯著提高了牛糞污墊料的STC含量，發酵20 d，EM、FLJ和GR 3種菌劑處理的STC含量顯著提高；發酵30 d，4種菌劑處理均顯著提高了STC含量；而發酵40 d和50 d，菌劑處理后牛糞污墊料的STC含量有一個降低趨勢（圖 2-A）。表明在發酵前半段，菌劑處理有利于促進堆料中碳水化合物的分解，提高牛STC含量，后期隨可溶性碳含量的提高，其在堆料中含量達到飽和，因此腐殖化作用強于分解作用，可溶性碳被微生物吸收利用轉化為相對復雜的含碳化合物[10]，后半段則表現為降低STC含量。對SOC而言，與CK相比，4種菌劑處理對牛糞污墊料發酵過程SOC含量有增加作用，且在發酵10、20、30和50 d，EM、FB、FLJ菌劑處理牛糞污墊料的SOC含量較CK顯著提高，發酵40 d，4種菌劑處理均顯著提高了牛糞污墊料的SOC含量（圖 2-B），表明添加菌劑后能促進大分子有機氮的分解，產生更多的SOC。

圖2 不同處理樣品STC和SOC的含量Fig. 2 Soluble carbon in treatment samples

表3 不同處理樣品SON、STC和SOC含量Table 3 Contents of , SON, STC, and SOC in treatment samples

表3 不同處理樣品SON、STC和SOC含量Table 3 Contents of , SON, STC, and SOC in treatment samples

注：表中同列數字后不同小寫字母表示差異顯著（P＜0.05），下同。表中不同菌劑處理可溶性氮和碳的含量為5次取樣的平均值。Note: Data with different lowercase letters on same column mean significant difference at p＜0.05. Contents of soluble nitrogen and carbon are average of 5 replicates.

項目Item NH4+-N NO3--N SON STC SOC CK 0.810±0.132 d 0.837±0.123 a 1.309±0.165 d 11.301±0.440 bc 11.104±0.484 b EM 1.101±0.155 cd 0.601±0.088 b 1.879±0.203 c 10.606±0.794 c 8.968±0.433 c BF 1.592±0.200 b 0.491±0.044 b 2.124±0.164 bc 12.259±0.502 b 12.692±0.405 a FLJ 1.379±0.179 bc 0.589±0.063 b 2.257±0.227 b 12.534±0.642 b 13.743±0.772 a GR 2.094±0.322 a 0.591±0.083 b 2.825±0.319 a 14.135±0.736 a 8.394±0.440 c

2.4 不同形態氮和碳隨發酵時間變化的回歸方程

表4 不同取樣時間、SON、STC和SOC含量Table 4 Contents of , SON, STC, and SOC in samples at different sampling times

表4 不同取樣時間、SON、STC和SOC含量Table 4 Contents of , SON, STC, and SOC in samples at different sampling times

注：表中不同取樣時間可溶性氮和碳的含量為所有處理在該時間的平均值。Note: Contents of soluble nitrogen and carbon at different sampling times are average of all treatments.

取樣時間 Sampling time/d NH4+-N NO3--N SON STC SOC 100.841±0.120 c 0.295±0.042 c 0.891±0.156 d 10.647±0.472 b 12.748±0.427 a 203.387±0.121 a 0.352±0.042 c 1.651±0.154 c 15.494±0.466 a 11.100±0.427 b 301.844±0.120 b 0.393±0.042 c 2.022±0.158 b 14.235±0.466 a 11.173±0.427 b 400.818±0.120 c 0.810±0.042 b 2.176±0.165 b 9.098±0.466 c 9.754±0.444 c 500.087±0.120 d 1.258±0.042 a 3.654±0.154 a 11.36±0.466 b 9.86±0.427 c

不同發酵時間對墊料發酵過程銨態氮表5所示。銨態氮、硝態氮、SON、STC和SOC含量與發酵時間的關系能用3次函數方程擬合，R2分別為0.583、0.401、0.347、0.285和0.611，且p=0.000＜0.05，表明回歸方程有統計學意義。

表5 不同形態氮和碳隨發酵時間變化的回歸方程Table 5 Regression equation for dynamic changes of different forms of nitrogen and carbon at various fermentation times

3 討論

碳是堆肥過程中關鍵的元素，其形態和含量的變化能反應堆肥的進程及腐熟化程度。菌劑能促進堆肥過程中有機碳的降解，改變堆肥中的碳素形態[16]。本研究發現，添加菌劑促進了可溶性總碳含量的提高，由于菌劑使用能減少總碳的消耗[16]，這可能是導致可溶性總碳含量提高的原因。本研究還發現，隨著發酵時間的延長，可溶性總碳呈先增后降的變化趨勢，這與王義祥等[10]的研究結果一致，他們的研究認為添加EM 菌劑可加速有機質的礦化分解和提高腐殖質化指數。不添加任何輔料時，牛糞自身進行發酵過程中有機碳降解不徹底，而菌劑作用可以促進有機碳的降解，提高堆肥中可溶性碳的含量，有機碳含量的提高也可能意味著以其它形式損耗的碳減少。在4種菌劑中，國龍生物床菌劑的效果最明顯，其作用后堆肥中可溶性總碳的含量最高。本研究還發現，不同的菌劑對可溶性有機碳的影響無明顯的規律性。李杰等研究表明，添加不同菌劑對有機碳降解的效果不盡相同[16]，這與本研究的結果一致。

氮素是堆肥過程中變化最大的元素之一，其變化包括氮的分解和固定。堆肥發酵過程中大分子有機氮被微生物降解和轉化，產生小分子有機氮、無機氮和氣態氮，再經過微生物固定繼續參與氮循環，因此微生物是影響堆肥氮含量的最重要因素[17]。本研究結果表明，添加菌劑后顯著增加了銨態氮含量，降低了硝態氮含量，這與高云航等[8]研究的結果一致。馬麗紅等[18]研究表明，堆肥中氨化細菌數量變化與堆肥中氨氣揮發和氨態氮含量都極顯著正相關關系，表明添加菌劑可能促進氨化細菌數量增加，進而導致銨態氮含量增加，但也存在增加氨揮發的風險。本研究還發現，牛糞污墊料發酵過程銨態氮呈先降低趨勢，而硝態氮則呈增加趨勢，這與劉超等[6]研究的結果一致。堆肥高溫期氨化細菌數據大幅度增加，而降溫期硝化細菌數量增加幅度較大[18]，這是導致發酵過程銨態氮含量降低和硝態氮含量增加的主要原因。本研究的結果表明，添加菌劑后顯著增加了可溶性有機氮的含量，且可溶性有機氮隨著發酵時間延長呈增加趨勢。可溶性有機氮含量的變化反映了大分子有機氮到小分子氮的轉化過程和降解程度[19]，菌劑使用后增加了可溶性有機氮含量，表明添加菌劑促進了墊料氮的降解和轉化。

菌劑是影響畜禽糞便發酵的重要因素之一，目前市場上發酵菌劑種類繁多，效果不盡相同[9]。本研究選用的4種菌劑對牛糞墊料發酵過程的可溶性氮和碳含量都有顯著影響，表明添加菌劑對大分子氮和碳的降解均產生顯著影響。生物床菌劑（GR）主要應用于原位發酵床，在本研究中將其用于堆肥后，NH4+-N、SON、和STC的含量均最高，表明該菌劑降解牛糞墊料的能力最強，氨氮揮發的風險最大；而BF和FLJ兩種菌劑作用后堆肥墊料NH4+-N、SON、和STC的含量次之，且SOC含量最高，表明這2種菌劑降解牛糞墊料的能力也很強，但NH4+-N較GR處理顯著降低，這可能與BF和FLJ兩種菌劑添加了除臭組分有關。而在本研究中EM菌對可溶性氮和碳的影響效果最差。因此，選擇堆肥發酵菌劑時，應綜合考慮降解能力和減少氨氣的產生。