微生物菌剂在粪便与秸秆混合堆肥中的应用研究(编辑修改稿)

微生物菌剂在粪便与秸秆混合堆肥中的应用研究(编辑修改稿)内容摘要：

每头猪日常排放的粪便沼气产生量可达 150200 L。 由此可见，粪便燃料资源化的经济及社会效益十分可观。 秸秆的综合利用现状 秸秆的性质特点 南京林业大学本科生毕业论文 3 秸秆是指在生产过程中，收获了农作物后，剩余的不能食用的茎、叶、根等副产品，是 主要的农业副产物之一。 由于农作物秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成，还有少量的粗蛋白，自然状态下难以被微生物分解，所以秸秆直接还田后在土壤中被微生物分解转化的周期长，难以作为当季作物的肥源。 但其含有大量有机质、氮、磷、钾和微量元素，分析得出，每 100 kg 鲜秸秆中含氮 kg，磷 kg，钾 kg，相当于 kg 氮肥， kg 磷肥， kg 钾肥。 表 2 小麦秸秆的营养成分（ %） 成分 粗蛋白 纤维素 半纤维素 木质素 钙 磷 小麦秸秆 15． 3 焚烧秸秆的危害 据农业部 2020 年农作物秸秆资源专项调查报告显示，理论资源量已达 亿吨，其中可收集资源量达到 亿吨，为世界第一秸秆大国。 近年来，由于我国农民生产生活方式的转变，农村能源结构的改善，以及秸秆收集、整理及运输成本升高等因素，使得农村秸秆大量剩余，秸秆综合利用率低， 50%左右的秸秆被废弃或露天焚烧。 废弃及焚烧秸秆给社会和环境造成了诸多负面影响，如：污染空气，危害人体健康；产生雾霾天气，影响交通运输；引发火灾，存在安全隐患；破坏土壤结构，损 害土地质量；有碍环境卫生，影响环境质量；堆弃液渗透，污染地下水等。 秸秆的资源化利用 随着循环农业的大力发展以及人们意识的增强，农业废弃物资源化和规模化利用技术开始被研究，成为发展可持续农业的一条重要途径。 （ 1）牲畜饲料。 虽然秸秆中有很高的纤维素含量和大量的营养成分，但是其中粗纤维含量过高，导致牲畜不能被直接消化吸收，使用氨化法对其进行加工后，既可以降低纤维素的分子量，还可以给瘤胃微生物提供比较适宜的生长环境，这样可使牲畜对其的吸收和消化作用提高 20%，而且能提高饲料中粗蛋白含量 倍。 （ 2）能源化利用。 最为直接的利用方式是晒干后焚烧用于取暖或者烹饪。 虽然直接焚烧在一定时期内可以 解决广大农村居民的生活能源问题，缓解植被的被伐速度，但是焚烧会污染环境。 所以大部分地区开始用秸秆气化及厌氧发酵产生沼气，使其被充分利用，且更环保、经济、高效。 南京林业大学本科生毕业论文 4 （ 3）秸秆还田。 秸秆还田分为直接还田和间接还田，直接还田包括翻压还田、覆盖还田以及留茬三种方式，间接还田主要包括过腹还田、堆沤还田、沼肥还田等技术。 [5]秸秆还田是一种科学的秸秆资源化利用方式。 农作物秸秆中含有丰富的营养元素和较高的有机质，长期还田可以 有效提高土壤中有机质和氮素营养含量，改善土壤结构，提高土壤肥力，增加作物产量。 [6] （ 4）工业加工。 作物秸秆经过预处理成为造纸的原料草浆，代替木材和塑料，制造出可纤维降解的高分子材料，如纤维板、包装箱等，可缓解植被压力。 降解之后的秸秆还可制造化工业原料，如乙醇、淀粉。 堆肥机理及影响因素 禽畜粪便好氧堆肥是使禽畜粪便在有氧条件下利用好氧微生物的作用使有机物分解，形成腐殖质同时灭活病原微生物，将禽畜粪便转变为有利于土壤性状改良并对作物生长有益且容易吸收利用的有机肥的方法。 堆肥原理 堆 肥的原理主要是利用微生物对有机物的降解，以使有机物转化为无机物，此过程中微生物自身也得到增殖。 堆料中的可溶性有机物通过微生物细胞壁和细胞膜，然后被微生物分解；固体和胶体的有机物质，先在微生物细胞体外依附，由胞外酶水解，形成可溶性有机物再进入细胞。 同时，微生物在自身的新陈代谢活动过程中，同化一部分有机物用于合成新的细胞物质，把另一部分有机物氧化为无机物，释放出能量供生长、活动。 微生物在此过程中进行了物理、化学和生物等转化，逐渐趋于稳定化、腐殖化形成良好的有机肥料。 图 1 堆肥化过程 南京林业大学本科生毕业论文 5 堆肥过程 堆肥 过程按照堆肥温度的变化可分为升温、高温、降温和腐熟四个阶段。 因为每个阶段分别有细菌、真菌、放线菌等不同的优势微生物起作用，所以产生复杂的物理化学生物变化。 （ 1）升温阶段。 堆肥初期，嗜温菌和丝状真菌利用堆料中的有机物快速繁殖，分解迅速有机质，同时释放出大量热量，由于堆料具有良好的保温作用，使堆体温度进一步上升。 升温阶段温度一般为 4045℃。 [7] （ 2）高温阶段。 当堆体温度升高到 60℃以上时进入高温阶段，中温微生物活性受到抑制，好热真菌起主导作用，胶质、木质素、纤维素等一些较难水解的有机物的被快速分解。 由于温度过高，大部分微生物的活性受到抑制，酶活性降低，温度上升速度变慢，最终达到最高温度，维持一段时间之后，进行腐殖化，形成腐殖质，堆肥物质基本稳定 （ 3）降温阶段。 高温阶段过后，微生物的生命活动减弱，产生热量不断减少，温度也逐渐下降。 当温度下降到 40℃以下时，嗜温菌代替嗜热菌成为优势菌种，但由于堆料中的纤维素、半纤维素、果胶物质大部分已经分解，剩下较难分解的复杂成分和形成的腐殖质，致使微生物的代谢活动减弱，堆体温度不能升高。 （ 4）腐熟阶段。 堆体中大部分有机物完成矿质化和腐殖化，堆温下降至略高于气温，微 生物代谢活动大为减弱，堆肥物质逐步稳定化，各项理化指标基本达到稳定状态。 表 3 堆肥成熟特性 堆肥发酵的影响因素 堆肥中微生物生长的活动会对堆肥过程和最终产品的质量产生影响，影响堆肥过程的主要因素有温度、碳氮比（ C/N）、 pH、水分、氧含量和有机质含量等。 （ 1）温度。 堆肥是温度逐渐升高，维持高温期后逐渐降低的过程，堆温是反应整个堆肥过程进程是否顺利完 成的重要指标，并影响微生物代谢活动的重要因素。 [8]据研究发现，对有机物的分解效率，耐高温微生物要高于中温微生物。 正常温度变化是确保堆体无害化、腐熟化的重要保证。 堆肥初期，堆体的堆温与外界环境温度相差不大，随着堆肥过项目 C/N 水分 /% pH 颜色 气味 GI/% 温度 有机质 /% 指标 20 30 89 黑褐色 泥土味 50 环境温度 ≥ 30 南京林业大学本科生毕业论文 6 程的进行，中温微生物的代谢活动使堆温上升，当堆体温度达到 5565℃时，高温微生物占据主导优势，持续的高温期可以使堆体中大部分的有害菌和寄生虫卵死亡，实现无害化。 如果温度过低，会使堆肥达到腐熟的时间增长，生产效率下降。 当温度过高时，堆体中的促进堆肥过程的高温微生物也会受到抑制，同样不利于堆肥的进 行，要及时进行翻堆通风减少热量积累。 （ 2）碳氮比。 C/N 是指混合料的总有机碳和总氮的比值。 碳素是堆肥微生物的基本能量来源，氮素用来构建自身细胞体，而且是细胞中蛋白质、核酸和酶等的重要成分。 一般情况下，微生物每消耗 25 g 有机碳需要吸收 1 g 氮素。 [9]C/N 是堆肥腐熟的重要判定指标，一般情况下 C/N 达到 20 则判定为基本腐熟较，较为适宜的 C/N 为 25。 [10]C/N 过高，微生物所需氮素相对缺乏，微生物代谢缓慢，造成堆肥时间过长，腐殖化程度降低，且堆肥产品 C/N 也过高，土壤缺氮，影响植物的生长。 C/N 过低， 在堆肥过程中有机质含量较低，微生物活动所需碳源不足，堆体温度升高所需时间延长，氮素过剩，并以氨气的形式散发，降低了肥效，用于蔬菜栽培时会导致作物生长不良。 （ 3） pH。 pH 是影响微生物生长繁殖的重要因素，堆肥过程 pH 随着时间和温度变化，pH 值可以作为堆肥腐熟度评价的指标。 一般微生物最适合的 pH 值是中性或弱碱性，在中性或弱碱性时，微生物增长速度和蛋白质分解速度最佳，微生物可以快速有效地发挥作用，同时可以减少氮的损失，从而获得最大堆肥效率和质量较高的堆肥。 通常堆体有足够的缓冲作用，使 pH 值稳定在满足堆肥微生 物的酸碱度水平。 美国环保局有规定，堆肥混合物的 pH 值应当在 6～ 9 之间。 [11]堆料 pH 值过低，可向堆料中加入适量的消石灰或碳酸钙，调节原料的 pH 到中性或弱碱性；若堆料 pH 值过高，可加入新鲜绿肥、青草，它们分解产生有机酸，可以将 pH 值调节至合适水平。 （ 4）水分。 水分是影响堆肥过程的另一重要因素，堆肥过程中水分的作用主要是溶解有机物，有利于微生物的吸收利用，水分蒸发时能带走的一部分热量调节堆肥温度，堆肥原料水分含量的多少直接影响好氧堆肥反应进程，影响堆肥产品的质量，甚至关系到好氧堆肥的成败。 适宜的含水率有利于 微生物分解有机物质，水分在堆肥系统中迁移时可以带动菌体移动，使堆肥腐解均匀。 水分不足则会限制微生物活动，影响堆肥进程，堆体温度难以上升；水分低于 40%不能满足微生物生长正常需求，有机物难以被分解利用；若水分含量低于 10%，细菌的代谢活动就会普遍停止。 水分过多会影响通气，造成堆体厌氧，降低有机物的降解速度，减缓堆肥进程，延长堆制时间。 [12]因此，堆肥过程中水分的控制南京林业大学本科生毕业论文 7 十分重要，通常堆肥的起始含水率调节为 5060%，堆肥过程中的含水率控制在 6070%，堆肥结束时含水率应小于 40%。 [13] （ 5）氧含量。 堆肥是 好氧微生物在有氧状态下对有机质进行快速降解的过程。 堆体内的氧含量直接影响到有机质的分解速度。 堆肥供氧有三种方式：翻堆供氧、表面扩散供氧和机械通气。 [14]通气有三个方面的作用：第一，保证堆肥中有充足的空气为堆体内微生物的繁殖和活动提供氧气，促使有机物的分解。 第二，供氧可以调节堆温。 第三，通过空气流动促进水分的散失。 实践中通过原料配比、堆积的松紧程度和堆体含水量来调节堆体内的氧气含量。 大量研究表明堆体中适宜的氧含量为 515%。 [15]氧含量低于 5%会造成堆体厌氧而产生恶臭，氧含量高于 15%则会使堆温降低不能杀死 病原菌。 堆料中氧含量为 10%时，已能满足微生物代谢的需求。 在供氧充分而且其他条件也适宜时，微生物迅速分解有机物，产生大量能量，如果不能将多余的热量及时的散失，温度升高超过微生物生长的适宜范围，就会减弱有机物的生物降解、延长堆肥时间，并且产生难闻的气味。 因此控制堆体内适宜的氧含量具有重要意义。 （ 6）有机质含量。 有机物是微生物生存和繁殖的基础营养，有机物含量的多少和形态的变化对堆肥过程都会产生一定的影响，众多学者通过对堆肥过程中有机质的降解效果进行研究，来判断堆肥的腐熟度 [16]。 堆肥原料有机质含量低，在堆肥过 程产生的热量不能维持堆肥所需温度，限制和降低嗜热菌的活性，堆肥难以完成；有机质含量过高，微生物对氧气的需求大，使堆肥厌氧也不能使堆肥顺利进行。 大量研究表明，适合高温堆肥的有机物含量范围为 2080%。 堆肥过程中 可溶性的易分解有机物质被首先降解，最终成品有机肥的有机质含量要求在 30%以上。 [17]在堆肥系统中，可溶性的糖类物质降解较充分，而纤维素的降解需分步完成 表 4 堆肥化过程最适条件 过程参数 值 C/N 比 25： 130： 1 颗粒大小 1015mm 水分含量 50%60% 通气流量 氧气浓 度 10%18% 温度 55℃ 搅动 阶段性翻动 南京林业大学本科生毕业论文 8 腐熟指标 表 5 堆肥腐熟度的评价项目指标 方法类型 检测项目、指标 物理方法 温度、颜色、气味、密度、荧光性、含水率 化学方法 碳氮比、氮的化合物、阳离子交换量、有机化学物、腐殖质 生物活性 呼吸作用、微生物量、酶学分析 植物安全性检测 GI 发芽率 堆肥在腐熟不完全时，不仅不能完全杀灭畜禽粪便中的病原菌和寄生虫卵从而污染环境，而且还会产生一些植物毒性物质，影响农作物的生长发育；如果堆肥发酵时间过长，则会导致营养物质过多的损耗，影响 肥效。 腐熟度的判定方法主要分为物理指标、化学指标和生物指标。 物理指标包括温度、颜色、气味、 pH 值等。 但是物理指标只能初步的判断堆肥的腐熟度，并不能定量分析，必须借助其他指标。 成熟的堆肥，温度下降后并稳定，褐色，无臭味且有腐殖质气味， pH 值 58。 化学指标包括 C/N、水溶性碳、铵态氮浓度等。 杨毓峰（ 1999）等在采用静态强制通风发酵鸡粪和牛粪试验中，认为铵态氮浓度小于 g/kg，固相 C/N 小于 20 时，堆肥腐熟。 汤江武（ 2020）等将铵态氮含量作为禽畜粪便堆肥的化学指标。 腐熟堆肥的铵态氮含量为 mg/ g 时堆肥腐熟，并且认为铵态氮含量与种子发芽率呈负相关。 吴银宝（ 2020）等认为禽畜粪便堆肥中，当固相 CIN 降至 20： 1 以下，铵态氮含量小于 20 mg/kg 时，可判定堆肥腐熟。 黄国锋（ 2020）等认为不同堆肥原料 C/N 差异较大，限制了 C/N 作为判定堆肥腐熟标准的应用，所以使用堆肥的终点碳氮比与起始碳氮比的比值 T 来评价堆肥腐熟度，当 T 值小于 时堆肥达到腐熟。 除此以外，国外还采取 13C核磁共振、红外光谱等方法，从物质结构的角度来研究堆肥的过程及堆肥的腐熟度。 生物学指标主要为种子发芽率（ GI）。 Zucconit（ 198lb）认为，用生物学的方法测定堆肥的毒性，是检验正在堆肥的有机质腐熟度的一种非常直接而有效的方法。 理论上讲，GI100%，就判断堆肥还有植物毒性，但 Zucconi（ 198la）等认为，当 GI50%时，堆肥对植物已基本没有毒性，堆肥已基本腐熟，而当 GI80%时可认为堆。