添加菌剂YX-3对猪粪堆肥氮素转化的影响

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　　摘 要：为了减轻堆肥过程中氨气释放的污染及氮素损失，以猪粪和稻草为原料进行了模拟堆肥试验，研究添加菌剂YX-3对猪粪堆肥处理过程中氮素转化的影响。结果显示：添加菌剂YX-3对堆体的温度无显著影响，均可达到堆肥高温无害化的要求，但可以降低堆体的pH值，加速堆肥腐熟。与对照相比，添加功能菌剂YX-3，可以显著降低堆体的铵态氮含量，减少氨气的挥发量;堆肥结束时，硝态氮、全氮含量较对照分别提高37%和11.7%。表明菌剂YX-3在猪粪堆肥过程中具有较好的降氨除臭和保氮的效果。
　　关键词：猪粪堆肥;菌剂YX-3;氮素变化;除臭保氮
　　中图分类号：S141.4 文献标识码：A 文章编号：1006-060X（2020）03-0057-04
　　Abstract： In order to reduce the pollution of NH3 emisson and nitrogen loss during pig manure composting， a simulated composting experiment was performed using pig manure and rice straw as raw materials， and the effect of adding microbial inoculum YX-3 on nitrogen transformation during the composting process was studied. The results showed that the microbial inoculum YX-3 had no significant effect on the temperature of the compost， meeting the requirement of high-temperature harmlessness of the compost; at the same time， YX-3 reduced the pH value of the compost and accelerated the compost decomposition. Compared with the control， the addition of functional microbial inoculum YX-3 significantly reduced ammonium nitrogen content of the compost and reduced the volatilization of ammonia; at the end of composting， nitrate nitrogen and total nitrogen contents of the compost increased by 37% and 11.7% respectively. It demonstrated that microbial inoculum YX-3 had good effects on reducing ammonia emission， deodorizing and nitrogen conservation in the process of pig manure composting.
　　Key words： pig manure composting; microbial inoculum YX-3; nitrogen transformation; nitrogen preserving and deodorizing
　　堆肥作為一种有机固体废弃物资源化、无害化的有效处理技术，广泛运用于畜禽粪便的处理。畜禽粪便堆肥产品可提高土壤有机质含量，提高作物的产量，提升农作物的品质。但是在畜禽粪便堆肥过程中，会产生大量的恶臭气体，如氨气、挥发性含硫化合物和其他挥发性有机污染物（VOCs）等[1-4]，严重影响人类的生存健康。伴随人类对有机食品需求量的增加，有机肥的需求量也随之增加，堆肥带来的恶臭污染问题急需解决。
　　NH3是堆肥臭气中最主要的成分之一，不但污染空气，其释放还降低了堆肥产品中氮素的含量。研究表明，在堆肥过程中主要通过微生物的氨化作用产生氨气，产生量最多的时期是升温期和高温期，该阶段的氨气挥发量占总氨气挥发量的50%～70%[5，6]。堆肥降氨除臭保氮的方法很多，其中微生物添加法是目前治理臭气的一种有效方法[7]。微生物添加法是指在堆肥中添加除臭功能菌剂，利用微生物的代谢，减少臭气成分的产生和释放。微生物添加法可兼顾除臭和保氮两方面的要求，是较佳的除臭保氮方法。目前，日本、德国、荷兰等国家在微生物除臭方面取得了较好的成果[8]，我国近年来在微生物除臭菌株的筛选及除臭工艺的研发方面开展了较多的工作[9-11]。在前期研究中，从实验室分离筛选到1株在模拟实验条件下降氨效果较好的暹罗芽孢杆菌YX-3[12]，笔者进一步分析了该菌株在猪粪堆肥过程中各种氮素形态的含量变化，旨在为规模化猪粪堆肥过程中NH3的控制和氮素营养的保留提供理论依据和技术指导。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料
　　堆肥原料：猪粪，水稻秸秆（切割成3～5 cm小段）。堆肥添加菌剂：湖南省微生物研究所微生物资源利用室发酵生产的菌剂YX-3（发酵液的活菌数约为3.0×109CFU/mL）。
　　1.2 试验设计
　　试验于2018年4—5月进行，共进行30 d。将猪粪和水稻秸秆按3∶1（鲜重质量比）比例进行混合，调节堆体的C/N约为25∶1，含水量约为60%，采用条垛式堆肥，长、宽、高分别约为1.5 m。试验设2个处理，（1）对照组：猪粪+水稻秸秆;（2）实验组：猪粪+水稻秸秆+3‰降氨菌剂YX-3（3 L/kg）。每个处理设重复3次，根据堆温变化进行人工翻堆，分别于堆肥的开始、第3、6、9、12、15、20、25、30 d在堆体的四角和中心5个点，深约30 cm左右取样，混合均匀，各处理每次取样约500 g。 　　1.3 测定项目与方法
　　1.3.1 温 度 每天11：00用水银温度计从堆体顶部至30 cm深处测定堆肥温度，同时测定环境温度。
　　1.3.2 pH值及全氮（TN）含量 参照我国有机肥料农业行业标准《NY 525—2012》中的方法测定。
　　1.3.3 堆肥样品铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）含量 分别采用靛酚蓝比色法和紫外分光光度法测定[13]。
　　1.3.4 NH3的收集与测定 参照张生伟[9]的方法进行，即采用大气采集仪采集空气中的NH3，在大型气泡吸收管里装入10 mL硫酸吸收液，以0.5 L/min的流量采气5L，采样后室温保存，于24 h内采用纳氏试剂比色法测定NH3含量。
　　1.3.5 种子发芽指数（GI） 取10 g堆肥样加入100 mL蒸馏水，150 r/min振荡1 h后过滤。 吸取5 mL滤液，加入到铺有双层滤纸的9 cm培养皿中，每个培养皿均匀摆放20粒萝卜种子，在培养箱中25 ℃暗培养48 h，统计发芽率并利用游标卡尺测定种子根长，以蒸馏水作为对照。
　　种子发芽指数（GI）=（堆肥处理的种子发芽率×种子根长）/（对照的种子发芽率×种子根长）×100%。
　　1.4 数据处理
　　利用Microsoft Excel 2003软件对试验数据进行处理和绘图，使用SPSS 18.0软件进行各处理间显著性差异分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 堆肥温度和pH值的变化
　　由图1可见，处理组和试验组的堆体温度变化趋势基本一致，主要有4个阶段，分別为升温期、高温期、降温期和稳定期。对照组和添加了降氨菌剂YX-3的试验组分别在堆肥的第5 d、第4 d达到高温期（≥50℃），堆体高温（≥50℃）维持时间均>13 d，达到高温堆肥的无害化要求（GB 7959—2012）。在高温期，各堆体温度出现反复波动起伏，是由于翻堆造成热量散失所致。但是，接种菌剂YX-3的处理与对照相比，温度差异不明显，可能是由于猪粪自身含有的微生物在生长繁殖过程中产生了大量的热量，可以维持堆体的高温。
　　猪粪堆肥pH值随时间的变化如图2所示，各组的初始pH值在7.30左右，且均呈现出先上升后下降，然后趋于稳定的趋势。在堆肥前期，由于微生物分解有机氮产生了大量的铵态氨并积累在物料中，使得pH值迅速增大，对照组和试验组的pH最大值分别出现在第9 d和第12 d，分别为8.45和8.03。此后，由于堆体温度的降低、堆体中有机氮氨化作用的减弱及硝化作用的增强，堆体的pH值逐渐降低。堆肥结束时，对照组和试验组的pH值分别为7.68和6.71，说明菌剂YX-3的添加可显著降低最终堆肥产品的pH值（P<0.05）。
　　2.2 堆肥过程中铵态氮和硝态氮含量变化
　　研究表明，铵态氮含量（NH4+-N）与氨气的释放量呈显著正相关[14]。铵态氮含量的变化如图3所示，菌剂添加组和对照组的铵态氮含量均呈先上升后下降的趋势。在堆肥初期，堆体中氨化微生物的代谢活跃，铵态氮含量快速升高，对照组和试验组的最大值分别为1 773.8 mg/kg 和1 434.5 mg/kg。此后随着氨气挥发以及堆体中有机氮含量的减少，各堆体的铵态氮含量均呈下降趋势。堆肥结束时，试验组的铵态氮含量（497.4 mg/kg）显著低于对照组（665.8 mg/kg） （P<0.05），说明猪粪堆肥中添加一定量的菌剂YX-3可以降低堆体的铵态氮含量，有利于减少氨气的释放。
　　如图4所示，堆肥前6 d，堆体中的氨化细菌代谢活跃，有机氮在微生物的作用下主要分解为铵态氮，两组堆体的NO3--N含量均保持在较低水平;之后，堆体的氨化作用减弱，硝化作用加强，硝态氮含量大量增加。堆肥结束时，对照组和实验组的NO3--N含量比堆肥初期分别增加了238%和351%，试验组较对照提高了37%，增加幅度明显大于对照。
　　2.3 堆肥中全氮（TN）含量变化
　　各处理的全氮含量在堆肥前期快速降低，后期略有升高，都有不同程度的氮素损失（图5）。堆肥结束时，对照组和试验组的全氮含量比堆肥初期分别降低了24.5%和17.6%，添加菌剂YX-3的全氮含量比对照处理高11.7%。可见，添加一定量的菌剂YX-3，可以减少氮素的流失，有利于提高堆肥的氮素营养含量。
　　2.4 堆肥过程中挥发性氨的变化
　　如图6所示，堆肥过程中各处理的氨气的释放速率均呈先上升后降低的趋势。在堆肥初始阶段，由于堆体的氨化作用强烈和堆温快速升高，氨气的释放速率快速上升;对照组和添加YX-3的试验组的氨气释放速率均在堆肥的高温期达到最大值，分别为7.89 mg/kg和6.27 mg/kg ，与铵态氮含量的峰值出现基本在同一时间。此后，随着有机氮的消耗，氨气释放速率逐渐减小。与对照相比，添加菌剂YX-3的处理降低了氨气释放速率的最大值，有利于堆肥的除臭保氮。
　　2.5 菌剂添加对堆肥腐熟度的影响
　　根据堆肥无害化要求，堆肥产品的种子发芽指数≥80%时，堆肥产品不会对植物产生毒害作用，完全达到腐熟。在堆肥第15 d时，对照组和菌剂添加组的GI分别为76.4%和91.2%，两者差异显著。随着堆肥时间的延长，种子发芽指数逐步增大，堆肥结束时，各处理产品种子发芽指数均在160%以上，已完全腐熟。这说明，在堆肥中加入适当量的菌剂YX-3可缩短腐熟时间，促进堆肥腐熟。
　　3 小结与讨论
　　添加外源微生物菌剂，可调节堆体中的菌群组成结构，改变堆肥中含氮物质的代谢途径，有利于减少堆肥氨气的释放和氮素营养的保留[14]。以猪粪和稻草为原料进行好氧堆肥，在30 d的模拟堆肥试验中，添加菌剂YX-3对堆体的温度变化无显著影响，但可以降低堆体的pH值，促进堆肥的快速腐熟（提高同时期堆肥产品的GI值）。与对照相比，添加功能菌剂YX-3，可以显著降低堆体的铵态氮含量，减少氨气的挥发量;堆肥结束时，硝态氮、全氮含量较对照分别提高37%和11.7%。综合各项指标来看，菌剂YX-3在猪粪堆肥过程中具有较好的降氨除臭和保氮效果，在堆肥工程中具有一定的实用价值。 　　堆体的氮素形态主要包括有机氮、硝态氮、铵态氮和氨气等，各种形态的氮素在微生物的作用下发生复杂的转化，主要包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、固氮作用等。堆肥中氮素的损失主要由升温期和高温期的大量氨气挥发导致，而氨气的挥发量主要与堆体的温度、pH值、铵态氮浓度等有关。此试验中，氨气的释放量与氨态氮含量、pH值呈正相关，菌剂YX-3的添加可以显著降低堆肥的铵态氮含量和pH值，有利于改善堆肥的降氨除臭保氮功能。菌剂YX-3能够降低铵态氮的含量可能有以下两方面原因：（1）菌株YX-3通过氮素竞争利用机制抑制有机氮向铵态氮的转化;（2）菌株YX-3可抑制堆体中其他土著氨化细菌的生长，从而抑制了氨化作用的强度，具体的机制有待后续进一步的研究。
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　　（责任编辑：张焕裕）
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