添加不同量促腐熟菌剂对木屑和黄浆水堆肥的影响

Effects of different amounts of bacterial decomposing promoter on the compost of sawdust and yellow pulp water

摘要

目的 以木屑和黄浆水为原料，探讨促腐熟菌剂不同添加量对堆肥进程的影响。 方法 采用好氧发酵罐堆肥试验，设置不加促腐熟菌剂（T₀）、加促腐熟菌剂质量分数0.1%（T₁）、0.3%（T₂）、0.9%（T₃）共4个处理，以堆肥温度、pH值、种子发芽指数、养分质量分数作为评价指标。采用主成分分析，研究促腐熟菌剂添加量对物料发酵进程和腐熟度的影响，明确最佳添加量。 结果 与T₀比较，添加促腐熟菌剂处理提前2 d进入高温期。发酵结束后，各处理的堆肥pH值介于7.46~7.74。添加不同质量分数的促腐熟菌剂可以不同程度地降低堆肥物料的碳、氮损失。与T₀相比，T₁、T₂、T₃氮损失分别降低9.41%、14.12%和4.71%，碳损失分别降低3.06%、7.97%和5.89%，其中T₂的氮、碳损失最低，分别为75.26%和7.82%。添加促腐熟菌剂的堆肥腐熟度比T₀提高3.64%~9.09%，T₂最先达到腐熟。 结论 综上所述，在木屑和黄浆水堆肥中添加质量分数0.3%的促腐熟菌剂，能显著促进物料腐熟，有利于降低氮、碳损失，提高堆肥质量，为木屑和黄浆水的肥料化利用提供了依据。

Abstract

Objective Using sawdust and yellow pulp water as fermentation materials，the effects of different dosages of bacterial decomposing promoter were investigated on the process of composting. Method The aerobic fermentation tank composting experiment was set up，and four treatments were carried out，namely，no addition of T₀，the additions of decomposing promoter with mass fraction of 0.1% (T₁)，0.3 % (T₂)，and 0.9 % (T₃).The composting temperature，pH，GI，and nutrient mass fraction were used as the indexes of evaluation.The effect of the amount of adding decomposing promoter on fermentation process and maturity was determined by using the principal component analysis，followed by determining the optimum adding amount. Result Compared with T₀，the treatment with decomposing promoter entered the period of high temperature 2 days earlier.After fermentation，the pH values of each treatment were between 7.46 and 7.74.Adding different mass fractions of decomposing promoter could reduce the carbon and nitrogen losses of compost materials to varying degrees.Compared with T₀，the nitrogen loss of T₁，T₂ and T₃ decreased by 9.41%，14.12% and 4.71%，respectively，and the carbon loss decreased by 3.06%，7.97% and 5.89%，respectively.The nitrogen and carbon loss of T₂ were the lowest，which were 75.26% and 7.82%，respectively.For all treatments，the maturity of compost increased by 3.64%~9.09% compared with T₀，among which T₂ reached the maturity first. Conclusion In summary，the addition of decomposing promoter with mass fraction of 0.3% in the compost of sawdust and yellow pulp water could significantly promote the maturity of materials，reduce nitrogen and carbon losses，and improve the quality of compost，laying a basis for the fertilizer utilization of sawdust and yellow pulp water.

Graphical abstract

关键词

木屑 / 促腐熟菌剂 / 黄浆水 / 堆肥发酵

Key words

sawdust / preservative-promoting agents / yellow pulp water / composting fermentation

Author summay

杨娜，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

我国农林业每年都会产生大量的园林枝条废弃物^［1］。这些园林枝条或被堆积，或被抛弃，或被焚烧，不仅造成资源浪费，而且产生的温室气体会增加生态环境压力。目前，园林枝条的资源化利用有多种方式，如作为食用菌的栽培原料^［2］，被制成燃烧颗粒^［3］，用于提炼化学制品^［4］，或利用堆肥技术将其转化为农业生产所需的有机肥料等^［5］。黄浆水是豆制品生产过程中排放的废水^［6］，含有大量水溶性营养物质，如氮素、维生素、低聚糖、大豆异黄酮等，易变质并释放出大量挥发性化合物^［7］。按照“谁产生，谁负责”的环境污染治理原则，相关企业必须投资建设与生产规模匹配的污水处理系统才能解决该问题^［8］。为了有效减少环境污染，降低废弃物处理成本，实现有机废弃物资源化利用并产生较高的附加值，成为当地经济发展和企业生存的迫切需求。

当前，我国绿色健康农业发展态势良好，对优质有机肥料的需求极为强烈。另一方面，好氧堆肥生产工艺具有运行费用低、技术难度小、二次污染少等特点^［9］，被有机肥生产企业广泛采用。但是，有机废弃物种类繁杂，其组成特点、来源、加工难度及生产投入等具有很大的差异性。因此，有机废弃物堆肥发酵应考虑以下因素：1） 物料来源。利用当地农林废弃物、食品加工业废弃物等，既实现资源物质就地转化，减少运输成本，又解决当地环境污染问题^［10］。2） 物料组分。堆肥物料通常含有大量有机物，通过添加纤维类物质或尿素，合理配比使初始物料的碳氮比在（25~30）∶1的范围内，有利于堆肥发酵生产^［11］；同时，固态物料需加工至适宜的粒径，才能促进堆肥快速升温^［12］。3） 添加促腐熟菌剂。利用纤维素降解菌、木质素降解菌等功能微生物可有效促进好氧堆肥发酵进程，减少物料在发酵过程中的养分损失，缩短生产周期^［13］。但是，促腐熟菌剂的添加比例并非越多越好^［14］，应该根据物料种类、组分和发酵环境条件，结合发酵进程和物料转化速率等因素确定最适用量^［15］。4） 其他辅助装备。为了给好氧堆肥提供最佳发酵环境，可依据物料特性利用不同的发酵装备提高生产效能^［16］。

宁夏青铜峡地区是当地葡萄连片重点产区之一，每年修剪产生废弃枝条约5.64万t^［17］。当地木材加工厂年产废弃木屑数千吨。青铜峡豆制品加工厂年产黄浆水数万吨。木屑和葡萄枝条粉含有大量纤维素、木质素和果胶质等，碳氮比高达（60~142）∶1^［18］。黄浆水含水量高达85%，富含氮化合物，碳氮比仅为（10~15）∶1^［19］。两类物质适当配比，可有效降低成本实现物料最佳碳氮比，并且节约生产用水，实现有机废物的就地资源化利用。课题组前期针对纤维类物质降解构建了促腐熟菌剂。本试验以木屑和黄浆水为堆肥物料，通过研究添加不同比例的促腐熟菌剂研究其对物料发酵进程、养分转化及腐熟度的影响，为木屑与黄浆水好氧堆肥加工工艺提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

木屑粉是由杨木屑和葡萄枝条粉按1∶1（M∶M）构成的混合物，粒径及占比如表1。黄浆水来自宁夏青铜峡豆制品公司，当日取样并用于试验。促腐熟菌剂含纤维素降解菌，活菌数量1×10⁹ CFU/g。堆肥物料的基本理化性质如表2。

1.1.2 主要仪器

PL602E电子分析天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；LRH-500F生化培养箱，上海一恒科技有限公司；KDY-9820 凯氏定氮仪器，北京市通润源机电技术有限责任公司；LWY848控温式远红外消煮炉，四平电子技术研究所；6400A火焰光度计，上海仪电分析仪器有限公司制造；752N可见光分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司；SX4-10马弗炉，上海树立仪器仪表有限公司；RC-4HA温湿度记录仪，江苏省精创电气股份有限公司。

1.2 试验方法

试验发酵装置仿李雯等^［20］，如图1。并置于55 ℃的生化恒温培养箱内。试验有4个处理，用黄浆水调节木屑粉C/N为25∶1，再分别添加质量分数0.1%（T₁）、0.3%（T₂）、0.9%（T₃）的促腐熟菌剂，调节含水率至60.0%，以不加促腐熟菌剂的处理为对照（T₀）。试验期间根据水分散失情况补充水分，使物料含水率约60.0%。每隔2 d翻堆一次，使物料均匀发酵。分别在堆肥升温期（第2天）、高温期（第10天）、降温后熟期（第23天）和腐熟期（第57天）经充分混样后四分法取样。样品经风干、粉碎，用于指标检测。每处理3个重复。

1.3 测定指标及方法

堆肥过程中，每隔12 h测量堆体温度。物料全碳、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾、铵态氮、硝态氮质量分数和pH值、种子发芽指数（germination index，GI）的检测方法同标准《NY/T 525-2021 有机肥料》 ^［21］。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2019进行数据处理和图表制作；采用SPSS 21.0 数据处理软件做方差分析；采用Duncan法在P<0.05水平上检测差异性。

2 结果与分析

2.1 促腐熟菌剂添加量对堆肥温度的影响

如图2所示，堆肥温度变化整体趋势呈先上升后下降。发酵初期，堆体温度快速升高。堆肥24 h后，除T₀外，添加促腐熟菌剂各处理的物料温度都达到或超过60.0 ℃，较T₀的温度高1.17~5.53 ℃，说明促腐熟菌剂能快速提高物料温度。堆肥至第3天，T₁、T₂和T₃的堆温达到65 ℃及以上，较T₀分别增加0.91%、0.91%和1.73%。此后，堆肥进入高温期。至第18天，物料温度开始下降。至第34天时堆温接近环境温度。堆肥过程中，添加促腐熟菌剂的各处理均在第3天进入高温期并持续17 d，其中T₂和T₃的温度处于较高水平，T₀的高温期仅持续16 d。

2.2 促腐熟菌剂添加量对堆肥pH值的影响

如图3所示，在物料中加入不同比例的促腐熟菌剂，堆肥pH值呈先升高后降低的趋势。升温期，各处理的pH值为6.81~6.85。高温期，物料pH值较升温期显著上升，增幅范围为26.86%~27.51%。至降温后熟期，T₀、T₁、T₂、T₃处理的pH值分别为8.56、8.46、8.50、8.49，与升温期相比，增幅在24.22%~24.90%之间，其中T₂降幅最大，且添加促腐熟菌剂的处理均低于T₀。随着发酵进程，物料pH值继续下降。至腐熟期，各处理的pH值为7.46~7.74，较升温期降低9.50%~12.99%。T₂、T₃处理的pH值显著低于T₀，且T₂的pH值下降最快。

2.3 促腐熟菌剂添加量对堆肥全量养分的影响

堆肥物料全碳质量分数随发酵进程呈下降趋势，见图4-A。升温期，物料全碳质量分数为4.70 g/kg。高温期，T₀、T₁、T₂和T₃的全碳质量分数分别较升温期降低了2.43%、3.05%、3.32%和3.24%。添加促腐熟菌剂的T₁、T₂和T₃均低于T₀。随着堆肥进行，降温后熟期的全碳质量分数继续下降。至腐熟期，各处理在该指标上具有显著差异，T₁、T₂、T₃的全碳质量分数分别较T₀增加0.28%、0.74%、0.55%，其中T₂处理最高。对发酵全过程进行碳损失计算可知，T₀、T₁、T₂和T₃的碳损失分别为8.50%、8.24%、7.82%、8.00%。与T₀相比，T₁、T₂和T₃碳损失分别降低3.06%、7.97%和5.89%。因此，各处理的保碳能力由高到低分别为T₂、T₃、T₁、T₀。

如图4-B所示，加入促腐熟菌剂对木屑和黄浆水堆肥的氮素含量有一定影响。随着堆肥进行，物料全氮质量分数呈下降趋势。升温期，物料全氮质量分数为0.27 g/kg。高温期，氮含量已降至0.16~0.20 g/kg，降幅达25.00%~41.67%，其中T₂的降幅最大。在降温后熟期，各处理的全氮质量分数下降速度趋于缓慢，T₁、T₂、T₃分别较T₀低33.33%、16.67%、16.67%。至腐熟期氮损失范围75.26%~87.63%，与T₀相比，T₁、T₂、T₃氮损失分别降低9.41%、14.12%和4.71%，T₂损失最低，达到显著水平。表明添加0.3%促腐熟菌剂可显著降低堆肥过程中的全氮损失。

物料的全磷、全钾质量分数随堆肥进程呈持续增加趋势，见图4-C。物料初始全磷质量分数为0.52 g/kg。高温期，各处理全磷含量分数较初始增加了31.39%~109.20%，其中T₃增幅最高。降温后熟期各处理的全磷质量分数继续增加。至腐熟期，T₀、T₁、T₂、T₃的该指标较初始值增加了162.81%~193.80%，添加促腐熟菌剂的增幅有高于T₀的趋势。堆肥中全钾质量分数变化趋势与全磷相似，见图4-D。全钾质量分数初始值为0.90 g/kg。随着发酵进程，各处理的该指标均持续增加。至腐熟期，T₀、T₁、T₂、T₃的全磷含量分数分别较初始值增加96.23%~121.26%，T₂较对照有显著性差异。

2.4 促腐熟菌剂添加量对堆肥速效养分的影响

堆肥中的氮损失主要与氨挥发有关。氨由铵态氮转化生成。如图5-A所示，不同处理的铵态氮质量分数变化均呈先上升后下降趋势。升温期的铵态氮质量分数为18.73 mg/kg。至高温期，各处理的该指标均显著上升，增幅达到30.53%~47.12%，加入促腐熟菌剂的处理较T₀分别降低6.39%、11.27%和9.62%，其中T₂水平最低。降温后熟期，该指标继续下降至21.44~22.39 mg/kg，各处理间无显著差异。至腐熟期，添加促腐熟菌剂的处理较T₀高0.84%~4.68%，且比初始值增加13.00%~18.28%，其中T₂增幅最高。

物料氮素转化的另一个重要产物是硝态氮。硝态氮的硝化和反硝化作用直接影响物料的氮素质量分数。如图5-B所示，堆肥的硝态氮质量分数整体呈升高趋势。物料初期的硝态氮质量分数为8.60 mg/kg。高温期，该指标小幅上升，添加促腐熟菌剂的处理均显著高于T₀。进入降温后熟期，硝态氮质量分数快速增加，增幅达51.81%~62.84%，添加促腐熟菌剂的处理的增幅显著高于T₀，其中T₂和T₃处于最高水平。至腐熟期，T₀、T₁、T₂、T₃的硝态氮质量分数持续增加，较初始物料分别增加了71.19%、73.94%、79.38%、77.33%，其中T₂的增幅显著高于其他处理。

如图5-C所示，堆肥过程中各处理速效磷质量分数呈上升趋势。物料初始的速效磷质量分数为121.67 mg/kg。高温期的各处理速效磷质量分数已大幅上升，增幅达166.66%~408.66%，其中T₂增幅最大。至腐熟期，各处理的速效磷质量分数较初始值增加326.47%~625.55%，其中T₂处于最高水平，为882.78 mg/kg，较同期T₀处理高95.21%。因此，各处理速效磷质量分数增幅依次为T₂>T₃>T₁>T₀。速效钾质量分数随堆肥进程而增加，见图5-D。初始物料的速效钾质量分数为184.95 mg/kg。进入高温期，T₀、T₁、T₂、T₃的该指标较升温期分别增加2.79%、3.49%、9.77%和12.56%。降温后熟期，速效钾含量继续增加。至腐熟期，各处理的速效钾质量分数较发酵初期增加21.63%~29.31%，T₂增幅最大，其次是T₃，均显著高于同时期T₀，增幅分别为35.48%和19.35%。

2.5 促腐熟菌剂添加量对堆肥腐熟度的影响

图6表明，物料对种子的发芽抑制作用随腐熟程度不同而改变。堆肥至降温后熟期（第23天），除T₂处理的GI（76.82%）最接近腐熟完成时的GI（80%），其他处理均显著低于T₂，在43.98%~65.27%之间，未达到腐熟标准。发酵至腐熟期，各处理物料均已达到腐熟标准。其中T₀的GI为87.56%，添加促腐熟菌剂的处理为90.75%~92.34%，比T₀提高3.64%~9.09%，其中T₂处理的GI为最高水平，达到95.52%，说明其最快完成腐熟。

2.6 主成分分析

2.6.1 主成分分析的适宜性检验

对无量纲标准化数据进行KMO检验和Bartlett球度检验，结果表明，KMO值为0.672。当KMO取值大于0.6时，适合因子分析。Bartlett球度检验得出的相伴概率为0.000，小于显著水平（0.05），因此拒绝Bartlett球度检验的零假设，认为适合主成分分析。

2.6.2 综合评价

对4个处理的堆肥物料pH值、全氮、全磷、全碳、全钾、速效钾、速效磷、铵态氮和硝态氮9个指标进行无量纲标准化处理后，进行主成分分析，计算主成分特征值及方差累计贡献率。如表3，主成分PC1特征值为5.539，方差贡献率为61.540%，主成分PC2特征值是1.959，方差贡献率是21.771%，符合主成分分析法贡献率累加和>80%的要求。由表4可知，pH值、全氮、全磷、全碳、全钾和速效钾是影响主成分PC1的主要特征向量，主要反映堆肥物料的全量养分；铵态氮、硝态氮、速效磷是影响主成分PC2的主要特征向量，主要反映堆肥物料的速效养分。

根据堆肥物料指标相关矩阵的特征向量，写出3个表达式：

F₁=-0.223X₁-0.113X₂+0.115X₃+0.191X₄+0.085X₅+0.204X₆+0.211X₇-0.029X₈+0.186X₉

F₂=0.114X₁+0.416X₂+0.146X₃-0.047X₄-0.380X₅-0.062X₆-0.058X₇+0.298X₈+0.015 X₉

F= 0.65F₁+0.35F₂

式中：X₁~X₉分别表示pH值、全氮、全磷、全碳、全钾、速效钾、速效磷、铵态氮和硝态氮。由公式计算获得2个主成分得分，经计算F综合得分并排序，如表5。比较结果表明，最佳处理为促腐熟菌剂添加量0.3%的处理。

3 讨论

温度是判断堆肥进程的重要指标^［22］。好氧堆肥是以微生物作用为核心的生物发酵过程。微生物的代谢与繁殖在物料降解中占主导地位，其数量及活性与堆肥腐熟速度紧密相关^［23］。因此，添加促腐熟菌剂能快速提高堆体温度，有利于物料中微生物的生长繁殖与代谢，从而显著促进该发酵过程^［24］。本研究中，添加促腐熟菌剂的处理较对照T₀提前2 d进入高温期，且添加0.3%（T₂）和0.9%（T₃）处理的堆温高于其他处理，说明添加一定量的促腐熟菌剂，可以增加物料中微生物的数量，从而促进堆肥发酵。

物料pH值是堆肥腐熟程度的参照指标之一。一般认为，腐熟物料的pH值大多在7.50~8.50之间^［25］。但是，发酵物料不同，该指标往往具有差异。徐瑞蔓^［26］以菌糠和猪粪为原料堆肥，最终腐熟物料pH值在7.81~7.85之间，李金津^［27］研究不同浓度四环素对畜禽粪便好氧堆肥过程的影响，得出腐熟物料pH值介于7.34~8.37。本研究中，菌剂不同添加量下腐熟期物料pH值为7.46~7.74，接近中性，基本符合堆肥腐熟的pH值特征。在堆肥进程中pH值大多表现为先上升后下降的变化趋势。本研究结果符合该规律。堆肥至高温期，微生物分解有机质产生大量NH₃，导致物料pH值不断升高。随着有机质的消耗，NH₃的产量下降，加之堆肥后期，硝化细菌利用淀粉等糖类物质分解氨氮产生有机酸，均致使pH值下降^［28］。

堆肥过程中，微生物要消耗大量有机质，一方面满足自身新陈代谢所需，另一方面促进堆肥物料中碳素的转化。因此，物料碳含量会随着腐解进程逐渐减少^［29］。本研究获得相同的结论。堆肥物料中的全碳含量随发酵而显著下降，且不同处理的降幅不同。堆肥腐熟期，T₀处理的全碳损失最高（8.50%），添加促腐熟菌剂各处理的全碳损失较低（7.82%~8.24%），表明促腐熟菌剂能够加快物料分解，缩短腐熟时间的同时有助于减少碳损失^［20］。但是，全碳质量分数最高的处理为T₂（0.3%添加量），并非更多（T₃）或更少（T₁）的菌剂添加处理。研究表明，堆肥材料自身含有大量微生物，其类群、丰度及降解作用强度随着堆肥进程而变化^［30］。如果促腐熟菌剂的添加量过低，少量外来菌在与土著菌竞争中处于劣势，难以对堆肥碳损失造成影响^［31］。如果促腐熟菌剂添加量过大，快速提高的微生物数量将导致有机质的大量消耗，加速物料矿化的同时释放出更多的CO₂^［32］，使堆肥碳损失较高。因此，添加适量促腐熟菌剂使堆肥物料中的微生物类群竞争和代谢过程达到某种平衡，才能降低堆肥物料的碳损失^［33］。

堆肥氮素损失主要与两方面有关，一是氨气的挥发，二是硝态氮的反硝化作用。随着堆温升高，微生物代谢速率加快，有机氮的转化随之加快。较高的堆温进一步加速堆肥气态氮损失，导致物料氮含量显著降低^［34］。本试验获得相似结论，自堆肥初期到结束，物料全氮质量分数呈下降趋势。研究表明，利用猪粪、砻糠进行好氧堆肥，物料的铵态氮含量随堆肥进程逐渐降低，最后趋于稳定^［35］。鸡粪和锯末堆肥时，其铵态氮含量随发酵进程呈现先增后降的趋势^［36］。本试验结果与后者相似。可能是因为黄浆水含有丰富的有机氮，在高温期被微生物分解生成大量铵态氮，导致堆肥铵态氮含量增加；随着氨气挥发，至堆肥后期，微生物将NH₄⁺、NH₃等还原态氮转化成NO₂^-或NO₃^-等氧化态氮，均导致物料铵态氮含量减少。本试验中，腐熟期的加菌剂处理铵态氮质量分数都高于T₀，说明菌剂能在一定程度上减少氨损失，且添加质量分数0.3%的处理含量最高，表明添加促腐熟菌剂加快了堆肥碳素的腐殖化，提高了堆肥中铵态氮的相对含量^［37］。随着堆肥进程的发展，物料的硝态氮质量分数呈增加趋势。这是由于促腐熟菌剂能够促进硝化作用，减少氮素的损失^［38］。但是，本试验中硝态氮质量分数最高的处理为T₂（0.3%添加量），并非添加量最大的T₃。环境中可利用碳的含量较低可抑制微生物的硝化作用^［39］。此特征与堆肥各处理的全碳含量变化具有对应关系。

GI是判断堆肥物料生物毒性水平的重要参数，常用于堆肥腐熟度评价^［40］。一般认为，GI≥80%时，堆肥样品有毒物质含量已降低至生物安全水平，或物料已经腐熟。许多研究都表明，堆肥中添加菌剂可以促进物料的转化和腐熟^［41］。添加促腐熟菌剂可使牛粪与秸秆堆肥较对照提前10 d达到腐熟^［42］。本试验得到相似结论。发酵至第57天，添加菌剂处理的GI均高于T₀，说明促腐熟菌剂能加快木屑和黄浆水堆肥的腐熟。值得注意的是，GI值最高的处理并非菌剂添加量最多的T₃，而是添加菌剂质量分数0.3%的T₂。研究表明，促腐熟菌剂添加量过多，使堆肥中微生物数量骤增，导致物料中易降解的有机物在短期内大量消耗，抑制了微生物的快速代谢与增殖，不利于堆肥的后期发酵^［43］。采用适量的促腐熟菌剂，既能使物料中的微生物保持活跃状态，又能促进物料的腐解，提高堆肥产物的品质。因此，适量添加促腐熟菌剂对堆肥进程和物料腐熟度较为重要。

综上所述，促腐熟菌剂添加量0.3%是木屑和黄浆水堆肥的最适用量，为木屑黄浆水肥料化生产工艺优化提供了依据。后期还应针对该堆肥的其他发酵条件开展深入研究，进一步提高农林废弃物的资源化利用水平。

4 结论

以黄浆水和木屑为堆肥物料，添加促腐熟菌剂能够快速提高堆体温度，提高堆肥产物品质。促腐熟菌剂添加质量分数0.3%最有利于黄浆水和木屑好氧堆肥。

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基金资助

宁夏自治区重点研发项目(2018BBF02004)

宁夏自治区重点研发项目(2019BFF02002)