微生物菌剂对玉米秸秆堆腐发酵过程的影响

摘要 采用槽式堆料发酵的方式，以玉米秸秆为研究对象，牛粪为氮源，探讨接种不同微生物菌剂对玉米秸秆堆腐发酵过程的影响。结果表明，接种微生物菌剂有利于促进玉米秸秆堆体温度的迅速升高，其中T1（有机肥发酵剂）和T2（菌剂A）处理的最高温度分别可达71.1和70.1 ℃;除对照T0（未使用菌剂）处理随时间推移pH呈逐渐增大的趋势，添加微生物菌剂的处理pH均呈先增大后减小的趋势;各处理EC值均呈先增大后降低的趋势，与初始值相比，在堆腐发酵60 d时，T1处理EC值降低最多，可达40.4%;各处理堆料的E4/E6值变化趋势较为一致，均呈先增大后降低的趋势，在堆腐60 d时，接种微生物菌剂的处理显著低于对照处理;不同处理的发芽指数（GI）均呈先逐渐增大后趋于稳定的趋势，在堆腐60 d时，T1和T2处理GI均超过90%，筛选出2个适宜宁夏地区玉米秸秆腐熟发酵的菌剂。

关键词 微生物菌剂;玉米秸秆;堆腐发酵

中图分类号 S141.4  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）11-0045-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.11.013

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of Microbial Agents on Corn Straw Composting Fermentation Process

ZHU Jin-xia1，ZHOU Wen-sheng2，QIAO Chang-sheng3，4 et al

（1.Institute of Forestry Sciences Agricultural Biotechnology Research Center，Ningxia Academy of Agricultural and Forestry Sciences，Yinchuan，Ningxia 750002;2. Ningxia Nuclear Industry Geological Prospecting Institute，Yinchuan，Ningxia 750021;3. Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457;4. Tianjin Beiyang Baichuan Biotechnology Co. Ltd.，Tianjin 300457）

Abstract Using the method of trough piling fermentation，taking corn straw as the research object and cow dung as the nitrogen source，the effect of inoculating different microbial agents on the composting and fermentation process of corn stalk was discussed.The results showed that the inoculation of microbial agents could promote the increase of temperature of corn straw，among them，the highest temperature of T1 （organic fertilizer starter） and T2 （bacterial agent A） could reach 71.1 and 70.1 ℃ respectively. Except for the control T0 （without using inoculum），the pH increased gradually over time，and the pH of the treatment with added microbial inoculum showed a trend of first increasing and then decreasing.The EC value of each treatment showed a trend of first increasing and then decreasing. Compared with the initial value，the EC value of the T1 treatment decreased the most，reaching 40.4%，when the compost fermentation was carried out for 60 days.The change trend of E4/E6 values of the piles in each treatment is relatively consistent，showing a trend of first increasing and then decreasing. At 60 days of composting，the treatment with microbial inoculum was significantly lower than that of the control treatment.The germination index （GI） of different treatments showed a trend of increasing at first and then tending to be stable. At 60 d of composting，the GI of T1 and T2 treatments were more than 90%，and two bacterial agents suitable for corn straw composting fermentation in Ningxia were screened.

Key words Microbial agents;Corn straw;Composting fermentation

农作物秸秆还田是当前世界上一项重要的农田管理措施[1]，它不仅能改善土壤结构，增加土壤有机质，还能为土壤提供丰富的N、P、K、Mg、Ca和S等营养元素。但秸秆直接还田后，存在自然腐解速度慢、土壤漏风跑墒、影响下茬作物播种、易发生病虫害、还田初期与作物争氮[2]等问题，这成为限制秸秆资源化利用的关键，而堆肥化处理是解决该问题的有效途径。但传统的堆腐发酵方法存在发酵周期长、养分易流失、质量不稳定、堆腐发酵产品无害化指标难以保证等问题。随着现代生物技术的蓬勃发展及高效化应用，添加微生物菌剂已成为堆肥发酵中的常用手段，可加快秸秆等有机物分解速度，提升堆体温度和延长高温时间[3-4]，还可促进有效态氮、磷、钾的释放[5]和腐殖质等高分子有机物的合成[6]，减少臭味物质产生[7]和提高肥效[8]等。

宁夏地区土壤瘠薄，大部分地区土壤有机质含量较低，再加上长期大水大肥及掠夺式种植方式，导致土壤有机碳极为匮乏。通过秸秆腐熟还田，可培肥地力和显著提升土壤质量。玉米为宁夏地区主栽作物之一，秸秆生物量大，收获后秸秆还田腐熟效率低下的问题尤为突出，针对此问题，近年来在玉米秸秆堆腐发酵方面开展了大量研究，主要集中于纤维素降解菌种的筛选与菌剂制备[9-11]、腐熟效果影响因子[12]、装置[13]等方面，但针对宁夏地区特殊水土条件下的玉米秸秆堆腐发酵过程的影响研究较少。该研究以宁夏地区的玉米秸秆、牛粪为试验材料，接种不同微生物菌剂进行堆腐发酵试验，明确发酵过程中各指标参数的变化规律，为我国北方地区开展工业化秸秆堆腐还田的应用提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用新鲜干玉米秸秆和牛粪为堆腐发酵材料。试验所用玉米秸秆购自银川市西夏区附近农场，使用前用碎机将玉米秸秆粉碎，并过长2 cm筛。牛粪购自银川市西夏区附近某肉牛养殖场。

玉米秸秆粉，全碳376.3 g/kg，全氮5.2 g/kg。牛粪粉末，全碳58.9 g/kg，全氮5.5 g/kg。

1.2 试验设计

堆体质量为370 kg（秸秆粉90.0 kg，牛粪280.0 kg），玉米秸秆堆料C/N比为25∶1～30∶1。该试验共设置5个处理：对照处理T0（CK），未使用菌剂;处理1（T1），有机肥发酵剂（购自洛阳欧科拜克生物技术有限公司）;处理2（T2），菌剂A（从天津科技大学乔长晟教授实验室引进）;处理3（T3），菌剂B（天津科技大学乔长晟教授实验室引进）;处理4（T4），纤维素降解专用复合菌剂（该试验自主分离）。每一处理重复3次，随机区组排列。

1.3 堆腐发酵方法

采用槽式堆料发酵的方式，发酵槽长、宽、高分别为2.1、1.5、1.2 m。试验于2021年4月12日—6月14日进行，共60 d，按照试验设计，将各处理的秸秆和牛粪混合均匀后移入发酵槽发酵。发酵槽上方搭设防雨棚，通风条件良好。T2、T3和T4为液体菌剂接种，接种量均为1.0%（ V/m ），T1为固体菌剂，接种量为推荐最佳使用量，翻堆时间为建堆后7、14、21、28 d。试验地点设置在宁夏农林科学院农业生物技术研究中心秸秆发酵试验基地。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 温度测定。

堆体的温度采用温度记录仪GSP-6（江苏省精创电器股份有限公司）进行测定和记录，试验开始时每个堆体共放置3个温度探头（埋置堆体东部、中部和西部，离堆顶50 cm处），每15 min测定1次，连续测定24 h共测定288个数据，取平均值即为1 d的堆体温度。连续监测60 d的温度，直到试验结束。大气温度测定时，3个温度探头放于2个发酵槽之间，置于空气中。

1.4.2 理化指标的测定方法。

（1）取样时间。从拌料堆肥发酵开始计时，分别在0、10、20、30、40、50、60 d采集样品1次，共采集样品7次。

（2）取样方法。从堆体东、中、西部离顶端50 cm处采集样品约500 g，将样品混合均匀后运回实验室，在4 ℃保存，待用。

（3）pH和电导率的测定方法。将堆料样品鲜样与蒸馏水按质量体积比1∶10混匀，180 r/min振荡30 min，取出后迅速用电导率仪测定电导率（EC），静置30 min后用pH计测定pH;E4/E6采用超声波法提取，利用Bio-radxMark酶标仪测定465和665 nm处吸光度，取两者之比值，每个样品重复3次。

1.4.3 种子发芽指数的测定。

测试种子为玉米种子，参照张玉凤等[14]报道的方法测定种子发芽指数（GI），计算公式为GI= Y×LT×D ×100%，式中， Y为处理的发芽率，L为处理的根长，T为对照的发芽率，D为对 照的根长。共测定3个平行样本，每个样本测量3次，结果取平均值。

1.5 数据统计及处理方法 采用Excel 2019进行数据统计和作图，利用SPSS 25.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同微生物菌剂对玉米秸秆堆体温度的影响

由图1可知，不同微生物菌剂对玉米秸秆堆体温度影响显著，各处理堆体温度均呈升温阶段（0～7 d）、高温阶段（8～28 d）和降温阶段（29～60 d）。在升温阶段（0～7 d），各处理堆体温度骤然上升，不同处理堆体温度差异显著，其最高温度由高到低依次为T1>T2>T3>T4>T0（CK），温度及出现高温时间分别为71.1 ℃（6 d）、70.1 ℃（6 d）、65.9 ℃（7 d）、65.1 ℃（7 d）、54.4 ℃（7 d），接种微生物菌剂的处理堆体温度显著高于未使用菌剂的T0（CK）处理，且T1和T2处理高温出现时间早于T0（CK）处理。在高温阶段（8～28 d），各处理堆体温度保持较高水平，处理间最高温度出现时间差异较大，除T0（CK）和T1处理在第13天时分别达最高温度59.6、70.5 ℃外，T2、T3和T4处理的最高温度均出现在第21天，分别为65.5、62.6和62.5 ℃。随着堆腐过程的推进，各处理堆体温度呈逐渐降低趋势，在堆腐28 d时，处理T0、T1、T2、T3、T4堆体温度分别降为52.3、55.9、46.8、48.2和41.1 ℃。在降温阶段（29～60 d），随着堆腐时间的进一步延长，各处理堆体温度均逐渐降低，在玉米秸秆堆腐60 d时，各处理堆体的温度相差不大，为34.0～35.9 ℃，略高于空气温度。在整个发酵周期内，T0、T1、T2、T3、T4堆体内部温度超过55.0 ℃的天数分别为4、13、10、9、9 d，接种微生物菌剂的处理高温维持时间显著高于对照处理。