3种外源菌剂对牛粪堆肥中微生物群落的影响_任静

２０１３年１２月甘　肃　农　业　大　学　学　报第４　８卷第６期５９～６３ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＧＡＮＳＵ　ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ双月刊３种外源菌剂对牛粪堆肥中微生物群落的影响任静，王丽君，胡琳莉，周德霞，郁继华，张国斌，李雯琳（甘肃农业大学农学院，甘肃兰州　７３００７０）摘要：在牛粪堆肥中接种３种外源生物菌剂，通过测定堆肥腐熟过程中温度和细菌、真菌、放线菌数量的动态变化过程及其相关性，分析不同外源菌剂对堆肥微生物群落的影响．结果表明：３种外源菌剂均对堆体快速升温及延长高温期有显著作用；菌剂３可有效提高堆肥中的细菌数量，其中第１４天达到４．８５×１０１１个／ｇ；菌剂２可提高堆肥中放线菌的数量，其中第１４天达到１．９５×１０７个／ｇ；３种菌剂对堆肥中真菌数量的变化无显著影响；添加菌剂后微生物数量与堆肥温度间表现出负相关性，但均未达到显著水平；菌剂３对牛粪堆肥腐熟过程的影响较为显著．关键词：牛粪堆肥；外源菌剂；微生物数量中图分类号：Ｓ　１４４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３－４３１５（２０１３）０６－００５９－０５

第一作者：任静（１９８４－），女，硕士研究生，主要从事设施蔬菜栽培生理与生长调控方向研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｉｌｒｅｎｊｉｎｇ＠１６３．ｃｏｍ通信作者：郁继华，男，教授，博导，主要从事设施作物栽培方面的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｊｉｈｕａ＠ｇｓａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ基金项目：农业部行业专项“西北非耕地园艺作物栽培基质优化配制技术与产业示范（２０１２０３００１）”；农业产业技术体系建设资金项目“国家大宗蔬菜产业体系”（ＣＡＲＳ－２５－Ｃ－０７）；甘肃省级重大专项“玉米秸杆基质循环利用技术研究与示范”（１００２ＦＫＤＡ０３８）．收稿日期：２０１２－１２－２０；修回日期：２０１３－０４－１２Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｅｘｏｇｅｎｏｕｓ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ａｇｅｎｔｓ　ｏｎ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｙ　ｉｎ　ｃｏｗ　ｍａｎｕｒｅ　ｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇＲＥＮ　Ｊｉｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｌｉ－ｊｕｎ，ＨＵ　Ｌｉｎ－ｌｉ，ＺＨＯＵ　Ｄｅ－ｘｉａ，ＹＵ　Ｊｉ－ｈｕａ，ＺＨＡＮＧ　Ｇｕｏ－ｂｉｎ，ＬＩ　Ｗｅｎ－ｌｉｎ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｇｒｏｎｏｍｙ，Ｇａｎｓｕ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００７０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｘｏｇｅｎｏｕｓ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ａｇｅｎｔｓ　ｏｎ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ，ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｓｔ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ｂｙ　ａｄｄｉｎｇ　ｔｈｒｅｅ　ｅｘｏｇｅｎｏｕｓ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ａｇｅｎｔｓ　ｔｏ　ｃｏｗ　ｍａｎｕｒｅ　ｃｏｍｐｏｓｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｅｘｏｇｅｎｏｕｓ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ａｇｅｎｔｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ａｎｄ　ｐｒｏｌｏｎｇｅｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｐｅｒｉｏｄ．Ａｇｅｎｔ　３，ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｏｆ　ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　ｂａｃｔｅｒｉｕｍ　ｎｕｍｂｅｒ　ｉｎ　ｃｏｗ　ｍａｎｕｒｅ　ｃｏｍｐｏｓｔ，ａｎｄ　ｔｈｅｒｅ　ｗａｓ　４．８５×１０１１　ｃｆｕ／ｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｆｏｕｒｔｅｅｎ　ｄａｙ．Ａｇｅｎｔ　２，ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｏｆ　ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　ａｃｔｉｎｏｍｙｃｅ－ｔｅｓ　ｎｕｍｂｅｒ　ｉｎ　ｃｏｗ　ｍａｎｕｒｅ　ｃｏｍｐｏｓｔ，ａｎｄ　ｔｈｅｒｅ　ｗａｓ　１．９５×１０７　ｃｆｕ／ｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｆｏｕｒｔｅｅｎ　ｄａｙ．Ａｌｌ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｅｘｏｇ－ｅｎｏｕｓ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ａｇｅｎｔｓ　ｄｉｄｎ＇ｔ　ｃｈａｎｇｅ　ｆｕｎｇｕｓ　ｎｕｍｂｅｒ．Ｔｈｅｒｅ　ｗｅｒｅ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌｎｕｍｂｅｒ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｆｔｅｒ　ａｄｄｉｎｇ　ｅｘｏｇｅｎｏｕｓ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ａｇｅｎｔｓ，ｂｕｔ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅｍ　ｗｅｒｅ　ｎｏｔ　ｓｉｇｎｉｆｉ－ｃａｎｔ．Ａｇｅｎｔ　３ｈａｄ　ｇｒｅａｔ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｔ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏｗ　ｍａｎｕｒｅ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｗ　ｍａｎｕｒｅ　ｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇ；ｅｘｏｇｅｎｏｕｓ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ａｇｅｎｔ；ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｎｕｍｂｅｒ 堆肥化处理是依靠自然界广泛存在的细菌、真菌、放线菌等三大区系的微生物，对有机物质进行有控制地生物降解，使之转化成腐殖质的生物化学处理技术［１］．随着堆肥的产业化发展，接种外源微生物菌剂已成为一种高效堆肥技术被广泛应用．国外相关研究主要以污泥、稻草为原料，而对畜禽废弃物堆甘肃农业大学学报２０１３年肥的研究较少［２－６］．堆肥物料的不同，使得微生物群落复杂性与群落结构演替速度的差异性也较大．目前，我国北方以牛粪为原料的堆肥生产较为常见，但利用合适的外源微生物菌剂来提高堆肥质量尚是一个技术难点．微生物接种剂利用功能微生物种群，以高温堆肥为基础，代替废弃物中的原有微生物来加快堆肥腐熟速度，提高堆肥品质，是真正意义上的生物有机肥生产［７－８］．本研究拟通过在牛粪堆肥过程中添加３种外源微生物菌剂，动态测定不同微生物群落的变化过程及对腐熟进程的影响，探讨菌剂与微生物群落指标之间的关系，以期为高效利用微生物菌剂加快牛粪堆肥腐熟进程提供理论依据．１　材料与方法１．１　试验材料堆肥：本试验堆肥原料为新鲜牛粪，取自甘肃农业大学动物与科学技术学院奶牛养殖场，原料的基本理化性状见表１．表１　堆肥原料的基本理化性状Ｔａｂ．１　Ｍａｊｏｒ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ原料全氮／％有机碳／％碳氮比含水率／％牛粪１．６４　４２．３０　２５．７９　６０．６８ 菌剂：本试验所选取的菌剂，分别为菌剂１（山东农业科学院提供），由枯草芽孢杆菌、唐德链霉菌、白浅灰链霉菌、黑曲霉、里氏木霉等复合菌种组成；菌剂２（南京农业大学提供），由８种纤维素分解细菌、真菌、放线菌组成；菌剂３（甘肃科学院生物所提供），有效活菌数＞８０亿ｃｕｆ／ｇ．菌剂１、菌剂２均为固体状，菌剂３为液态状．１．２　试验方法堆肥试验于甘肃农业大学温室外进行，采用人工翻堆，每４ｄ翻１次．试验设４个处理，不接种菌剂的对照及分别接种菌剂１、菌剂２、菌剂３的处理，菌剂接种量按各菌剂的使用方法进行．每个处理堆体约１．５ｍ３，堆制成高１ｍ的锥体，设３次重复．堆肥第０、１、３、７、１４、２１、２８、３５、４２、４９ｄ时，于堆体表层１０ｃｍ深处、采用５点法取样，每个样品取１ｋｇ左右．将５点样品充分混匀，装入灭菌的自封带内，带回实验室进行微生物培养．堆肥开始后，每天测堆体温度（１７∶００～１８∶００），同时进行环境温度的测定．活菌数的测定用平板菌落计数法．细菌培养采用牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌培养采用高氏一号培养基，真菌培养采用马丁培养基［９］．１．３　数据处理试验数据用ＳＰＳＳ　１７．０和Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｅｘｃｅｌ进行统计分析．２　结果与分析２．１　不同菌剂堆肥的温度变化温度是判断堆肥微生物活动强度的最好参数，温度高低和高温期持续的时间决定着堆肥腐熟的效果［１０］．同时，温度的高低也会直接影响微生物群落的结构．由图１可知，菌剂的添加不但提高了物料升温的速度，而且最高温度较对照高出６．８℃．添加３种菌剂的处理，在堆制第１ｄ即进入了高温阶段，菌剂３的处理高温值达到７０．４℃，直至１４ｄ时高温期结束．菌剂１和菌剂２的最高温度分别为６６．４℃和６９．６℃，但高温期持续时间比菌剂３多８～９ｄ．接种菌剂３的处理在后期降温速度较其他２个菌剂的处理要快．对照处理于第４ｄ升温至最高温度６３．６℃后出现下降趋势，５５℃以上仅维持了４ｄ，随即进入降温阶段．研究结果表明，３种菌剂的添加，可以快速提高堆体的温度．菌剂１、菌剂２处理的高温阶段延长，有机物被分解的程度更加剧烈、充分，从而促使物料腐殖化增加，进一步提高了无害化程度．２．２　不同菌剂堆肥的微生物数量变化２．２．１　细菌的数量　整个堆肥过程中，细菌数量随着温度的骤然上升而呈现下降趋势（图２）．第７～２８ｄ是堆肥的高温时期，细菌数量在此期间出现了回升，菌剂３处理的细菌数量达到最高值４．８５×１０１１个／ｇ，但仍然低于堆肥初期，说明有机物质的大量分解为嗜热细菌的繁殖提供了物质与能量，嗜热细菌成为堆肥高温阶段的优势种群，而中温细菌以及其它一些适应不了此环境的细菌种群或处于休眠或大量死亡．降温期细菌数量保持稳定下降．堆肥结束时，不接种的对照细菌数量为１．１６×１０１１个／ｇ，菌０６第６期任静等：３种外源菌剂对牛粪堆肥中微生物群落的影响图１　不同处理堆肥温度的变化Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ图２　不同处理细菌数量变化Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｂａｃｔｅｒｉｕｍ　ｎｕｍｂｅｒ　ｄｕｒｉｎｇｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ剂１、菌剂２、菌剂３分别为１．６２×１０１１、０．９１×１０１１、１．６８×１０１１个／ｇ，且菌剂２、菌剂３的细菌数量与对照差异显著．堆肥过程中，菌剂３处理的细菌数量一直较对照高，说明接种菌剂３可有效地提高堆肥各阶段细菌的数量．２．２．２　放线菌的数量　从图３可以看出，堆肥过程中放线菌的数量变化与细菌数量的变化大致相似，显现出先降后升而后下降直至平稳的趋势（图３）．菌剂２的处理在第１４ｄ时放线菌的数量急剧回升，达到１．９５×１０７个／ｇ，与对照差异极显著．而菌剂１、菌剂３的处理也表现出了与对照差异显著，且菌剂３处理的放线菌数量低于菌剂２与菌剂１．至降温期图３　不同处理放线菌数量变化Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ａｃｔｉｎｏｍｙｃｅｔｅｓ　ｎｕｍｂｅｒｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ时，菌剂２处理的放线菌数量下降较快，低于对照．整个堆肥过程中，接种菌剂２后堆肥的升温期及高温期放线菌总数高于对照．可见，接种菌剂２有利于堆肥放线菌数量的增加．２．２．３　真菌的数量　堆肥温度的升高与下降都对真菌数量的变化起到决定性的作用．由图４可以看出，４个处理的真菌数量变化趋势较为一致，堆肥前７ｄ随温度的上升而急剧下降，第７～２１ｄ真菌数量变为０，说明在４个处理中，没有能耐受６０℃以上高温的真菌菌种存在．直至降温阶段，真菌数量才出现略微上升趋势．表明接种菌剂只能增加堆肥开始１６甘肃农业大学学报２０１３年图４　不同处理真菌数量变化Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｆｕｎｇｕｓ　ｎｕｍｂｅｒ　ｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ时的真菌数量，并不能在整个堆肥过程中起作用，对堆肥真菌数量的变化几乎没有影响．２．３　堆肥温度与微生物数量的相关性分析温度对微生物的影响是广泛的，温度的改变必然会引起微生物体内多种生物化学反应的改变．适宜的温度能刺激微生物生长，而不适的温度则会影响微生物代谢、形态及毒力等，甚至死亡［１１］．由表２可知，各微生物类群的数量变化与温度之间表现出一定的相关性，但并未达到显著水平（Ｐ＞０．０５）．各处理的真菌数量与温度之间均为负相关关系，放线菌大多数处理也呈负相关．其中，菌剂１细菌数量与温度的相关性系数为－０．２９７，真菌与温度相关性系数为－０．４７７．由温度与堆肥中微生物数量的负相关性可以说明，高温可以抑制细菌、真菌和放线菌的种类与数量，尤其是对真菌的作用最显著．堆体温度的上升是微生物代谢产热积累的结果，反映了微生物代谢强度和堆肥物质的转化速度［１２］．因此，堆体温度体现了微生物生命活动的剧烈程度．过低的温度会使有机物分解速度下降，但过高的温度会导致一些主要分解纤维素、木质素的中温微生物死亡，堆肥温度的高低直接影响堆肥进程的速度．表２　微生物数量与温度之间的相关系数Ｔａｂ．２　Ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ处理细菌真菌放线菌菌剂１－０．２９７－０．４７７－０．０２７菌剂２　０．２４３－０．４０９　０．０５８菌剂３　０．２１９－０．３０７－０．１５１对照０．１１３－０．１２８　０．２７６３　讨论与结论由于定期翻堆，使整个温度变化过程中出现了几次较低值，但物料温度很快回升，并无影响到堆制高温的持续进行．经过高温阶段微生物对有机物的分解，堆肥腐熟后期有机物的量大大减少，微生物在分解过程中无法产生足够的热量，使温度呈连续下降趋势，直至堆肥结束．堆肥腐熟时间过长仍是堆肥生产所面临的问题，吴银宝等研究了在合适的堆肥条件下，加速堆肥腐熟的重点应放在降温腐熟期，可考虑在降温腐熟期加入菌剂，避免堆肥高温期对其不利影响，加快对已分解堆肥基质的利用，达到快速腐熟的目的［１３］．本试验所添加的３种复合菌剂，在堆肥中均表现出了升温速度快、高温持续时间长的作用，但降温期也维持了２０ｄ左右的时间，将堆肥腐熟时间延长了近一半；而在相同的条件下，即便未加入菌剂的对照，堆体也可升温至５５℃以上，并持续了３～４ｄ，同样达到了堆肥无害化的标准．因此，添加此３种菌剂在缩短堆肥时间的问题上还有待于进一步的研究．细菌的数量在前期、中期远大于后期．堆肥开始后，由于温度的迅速上升，中温细菌大量死亡或休眠，以至细菌总量出现了暂时的降低．进入高温期后，嗜热细菌得到了生存与繁衍的环境，细菌数量快速增加．后期中温细菌的再次出现，使细菌总量趋于稳定．本试验中，菌剂２、菌剂３的添加都对堆肥细菌数量的变化起到较大影响，且差异显著．放线菌在堆肥高温期是分解木质素、纤维素的优势菌群［１４］．因此，较高的放线菌数量有利于牛粪中木质素的分解与转化．本试验表明，接种菌剂１、菌剂２处理的放线菌数量都高于不接种的对照，说明外源菌剂可以提高放线菌数量，使其在堆肥过程中起到较快分解木质素的作用．真菌数量在高温期降到０，充分说明添加３种菌剂并未在堆肥高温期对真菌数量起到影响．从整个堆肥进程来看，真菌总数相当低，其原因是高温堆肥过程中的大部分时间，温度对真菌的生存造成较大影响，导致大部分真菌种群处于休眠状态或死亡．在整个堆肥过程中温度的变化是波动的，其变化的不稳定致使好氧微生物数量有２次较小的增２６