全 文 ：葡萄籽对猪粪秸秆高温堆肥中微生物群落
与碳氮含量的影响*
黄懿梅**摇 刘学玲摇 姜继韶摇 黄摇 华摇 刘摇 栋
(西北农林科技大学资源环境学院 /农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 以猪粪与秸秆(鲜质量 10. 5 颐 1)为基础,在自制的强制通风静态堆肥反应箱中进行
堆肥化试验,研究添加 8%葡萄籽对猪粪秸秆高温堆肥中微生物群落演替和碳氮转化的影响.
在堆肥化的 30 d里,分 7 次采集不同时期的堆肥样品,测定堆肥中微生物区系、微生物生理群
的数量及堆肥碳氮含量.结果表明:添加葡萄籽使堆肥中细菌数量略高、放线菌数量显著增
加、真菌数量明显降低,细菌 /放线菌下降;氨化细菌和反硝化细菌数量降低;而硝化细菌、固
氮菌和纤维素分解菌数量增多;铵态氮和有机碳含量下降,而硝态氮含量明显提高.堆肥中硝
态氮含量与放线菌数量呈极显著正相关关系.添加葡萄籽使堆体升温快且高温期稳定,堆肥
含水率波动较小,从而使堆肥高温期放线菌和亚硝化细菌的波动较小,数量较高,有利于堆肥
中硝态氮含量的增加.
关键词摇 葡萄籽摇 猪粪摇 堆肥摇 微生物区系摇 微生物生理群
文章编号摇 1001-9332(2012)08-2069-08摇 中图分类号摇 X705摇 文献标识码摇 A
Effects of grape seed addition in swine manure鄄wheat straw composting on the compost mi鄄
crobial community and carbon and nitrogen contents. HUANG Yi鄄mei, LIU Xue鄄ling, JIANG
Ji鄄shao, HUANG Hua, LIU Dong (Ministry of Agriculture Key Laboratory of Plant Nutrition and
the Agri鄄Environment in Northwest China, College of Resources and Environment, Northwest A & F
University, Yangling 712100, Shaanxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(8): 2069-2076.
Abstract: Taking substrates swine manure and wheat straw (fresh mass ratio 10. 5:1) as the con鄄
trol (PMW), a composting experiment was conducted in a self鄄made aerated static composting bin
to study the effects of adding 8% grape seed ( treatment PMW+G) on the succession of microbial
community and the transformation of carbon and nitrogen in the substrates during the composting.
Seven samples were collected from each treatment, according to the temperature of the compost dur鄄
ing the 30 d composting period. The microbial population and physiological groups were deter鄄
mined, and the NH4 + 鄄N, NO3 - 鄄N, organic N, and organic C concentrations in the compost were
measured. Grape seed addition induced a slight increase of bacterial count and a significant
increase of actinomycetes count, but decreased the fungal count significantly. Grape seed addition
also decreased the ratio of bacteria to actinomycetes and the counts of ammonifiers and denitrifiers,
but increased the counts of nitrifiers, N鄄fixing bacteria, and cellulose鄄decomposing microorganisms.
The contents of NH4 + 鄄N and organic C decreased, while that of NO3 - 鄄N increased obviously. The
NO3 - 鄄N content in the compost was positively correlated with the actinomycetes count. During com鄄
posting, the compost temperature in treatment PMW +G increased more rapidly, and remained
steady in thermophilic phase, while the water content changed little, which provided a stable and
higher population of actinomycetes and nitrifiers in thermophilic phase, being beneficial to the
increase of compost nitrate N.
Key words: grape seed; swine manure; composting; microflora; microbial physiological group.
*陕西省社会发展科技攻关项目(2010K11鄄02鄄09)资助.
**通讯作者. E鄄mail: ymhuang1971@ nwsuaf. edu. cn
2011鄄12鄄01 收稿,2012鄄05鄄22 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 8 月摇 第 23 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2012,23(8): 2069-2076
摇 摇 堆肥实质上是微生物在适宜条件下对底料的代
谢作用[1],是一个由大量不同的嗜中温、耐热和嗜
热的好氧微生物群落不断演替的生物氧化过
程[2-4] . 堆肥中的微生物区系主要包括细菌、放线
菌、真菌等.微生物生理群是指相同或不同形态执行
着同一功能的一类微生物,如氨化细菌、硝化细菌、
反硝化细菌、纤维素分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分
解菌、磷细菌等,这些微生物在堆肥物质转化过程中
起着非常重要的作用[5-6] .在堆肥过程中,不同温度
条件下出现的微生物种群和数量截然不同[7],并且
对不同物质的分解能力和分解速率也是不同的,因
此研究堆肥中微生物区系及微生物生理群的变化对
于解释整个堆肥中物质转化规律、腐熟进程至关重
要.葡萄籽主要来源于葡萄酒厂的下脚料,含有丰富
的蛋白质、粗脂肪、各种氨基酸、维生素及矿质元素
等,且质量占整粒葡萄的 5%~7% ,具有较高潜在利
用价值[8],而国内尚未有对葡萄籽进行加工利用的
良好方法[9] . 本试验以猪粪和小麦秸秆为堆肥原
料,以葡萄籽为添加剂,研究添加葡萄籽对高温堆肥
化过程中微生物区系及微生物生理群的动态变化和
菌群结构的影响,旨在为葡萄籽的资源化利用和阐
明堆肥的微生物学机理提供理论依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 堆制材料与装置
新鲜猪粪采自于西北农林科技大学生态养殖
场,秸秆为小麦秸秆,破碎至 3 ~ 5 cm 左右;葡萄籽
取自西北农林科技大学葡萄酒学院. 各原料的基本
性状见表 1.
摇 摇 堆肥装置为自制的强制通风静态堆肥反应箱
(图 1),由密闭反应箱、保温层、筛板、支架、空气泵、
通气管、缓冲瓶和温度检测仪等组成,反应箱容积约
为 90 L,紧贴在反应箱外的是 8 cm厚的塑料泡沫保
温层,夜晚环境温度低时, 将电热毯(30 ~ 40 益)敷
盖在保温层外侧,二者共同防止堆体热量散失.
表 1摇 堆肥原材料基本性状
Table 1摇 Properties of composting materials
原料
Material
有机碳
Organic carbon
(g·kg-1)
全氮
Total
nitrogen
(g·kg-1)
含水率
Moisture
(% )
C / N
猪粪 Pig manure 359郾 0依0郾 7 27郾 9依0郾 7 70郾 9 12郾 8
秸秆 Wheat straw 419郾 6依0郾 5 5郾 0依0郾 6 14郾 5 83郾 3
葡萄籽 Grape seeds 413郾 1依9郾 3 11郾 0依0郾 3 8郾 3 37郾 7
图 1摇 自制强制通风静态堆肥反应箱示意图
Fig. 1摇 Sketch of the automatic aerobic compost device.
1郾 2摇 试验设计
试验设置 2 个处理:1)猪粪+秸秆(PMW),猪粪
21 kg和秸秆 2 kg;2)添加 8%的葡萄籽(PMW+G),
在 1)的基础上,按物料干质量添加 8%的葡萄籽.控
制物料的水分在 65%左右,混合均匀后逐层堆放在
反应箱的筛板上,装满但不压实,进行堆制.
堆制期间每天 9:30、15:00 用 XMT616 智能 ID
温度测定仪测定堆体中部温度, 取平均值作为当天
的堆温, 同时测定环境温度.并以约 60 L·min-1的
流量从底部筛板向堆体均匀充气, 通风时间根据堆
温调节,一般情况下每天上、下午各通 30 min,当堆
温超过 65 益时, 加大通风量.从 2011 年 3 月 25 日
到 2011 年 4 月 24 日, 共堆制 30 d.
根据温度变化分别于 0、5、9、13、18、24、30 d 取
样, 取样前先将堆体混匀, 然后取样,并称取样品
质量和反应箱总质量, 样品总量控制在 500 g左右,
其中 200 g 用于水浸提液提取及其微生物数量测
定,其余风干粉碎后, 过 1 mm筛存储备用.
1郾 3摇 测定项目与方法
堆肥水浸提液制备: 按鲜样 颐 蒸馏水 1 颐 10 的
体积比振荡 30 min后, 12000 r·min-1离心 10 min,
过 0郾 45 滋m 滤膜, 滤液 4 益贮存备用. pH 用 Del鄄
ta320 pH 计测定. 水溶性铵态氮用纳氏试剂比色
法[10], 硝态氮用紫外分光光度法[11], 凯氏氮用
H2SO4 鄄H2O2 消解蒸馏滴定法, 有机碳用重铬酸钾
外加热法[12]测定.
微生物区系(细菌、放线菌、真菌)数量采用稀
释平板法[13] 测定. 准确称取待测新鲜堆肥样品
10 g, 放入装有 90 mL无菌水的 250 mL 三角瓶中,
置摇床上振荡 30 min,静置 5 min, 即成 10-1稀释
液,再用灭菌移液管吸取上清液 1 mL 放入 9 mL 无
菌水中, 稀释成 10-2稀释液,如此依次稀释到 10-3、
10-10稀释液, 混合均匀备用. 每个平板上涂 70 滋L
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菌液, 在培养箱中倒置培养后计数测定.其中细菌、
放线菌、真菌所用培养基分别为牛肉膏蛋白胨培养
基、高氏 1 号培养基、察贝克氏培养基,稀释度分别
为10-6 ~ 10-10、10-3 ~ 10-6、10-1 ~ 10-3,每个稀释度
重复 3 次.
微生物生理群数量采用最大可能计数法
(MPN) [13]测定,样品稀释过程同上,最大稀释度
10-14 .各稀释度样品混合均匀后接入相对应的灭菌
液体培养液中,每个样品 3 个重复,根据检测结果,
查 MPN表,采用“最大或然数冶理论,计算单位体积
样品中细菌的近似值[13-14] . 其中氨化细菌、亚硝化
细菌、反硝化细菌、固氮菌和纤维素分解菌所用培养
基分别为牛肉膏氨化培养基、铵盐培养基、反硝化细
菌培养基、阿须贝无氮培养基和赫奇逊噬纤维培养
基,稀释度分别为 10-7 ~ 10-14、10-3 ~ 10-9、10-2 ~
10-7、10-1 ~ 10-6和 10-1 ~ 10-7 .
为了反映堆肥温度环境中微生物的真实情况,
上述菌群测定中第 5、9 天两处理及第 13 天 PMG+G
均在 50 益高温下培养测定,其他时间样品均在
30 益培养测定.
1郾 4摇 数据处理
采用 Excel 2003 对数据进行计算、作图;采用
SAS软件对数据进行显著性检验(琢 = 0郾 05)和相关
性分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 堆肥基本性质的变化
从图 2 可以看出,堆制初期堆温上升很快,
PMW处理出现 2 个高温阶段(50 益以上):分别是
3 ~ 8 d和 18 ~ 23 d,第 3 天出现最高温 61郾 5 益,在
第 9 天温度急剧下降到 30郾 4 益 . 24 d后堆温缓慢下
降,并于第 30 天降至环境温度;PMW+G 处理的温
度从堆制第 2 天开始进入高温阶段,第 13 天出现最
高温度 63 益,第 18 天堆体开始进入降温腐熟阶段.
两处理高温期持续时间相差不大,但是加入葡萄籽
后,堆制期间的总积温提高了 203 益,提前进入降温
期,且高温期的温度波动较小.
两处理 pH 大部分时间均在 8 ~ 9 间波动(图
2).其中,在 0 ~ 5 d快速上升,5 ~ 13 d变化不大,都
在第 13 天达到最大值;13 ~ 30 d 不断下降,期间
PMW+G处理到第 18 天后有所回升;堆肥结束时
PMW和 PMW+G 处理的 pH 分别为 7郾 57、8郾 93,分
别比堆制初期增加 0郾 24、1郾 58,且 PMW+G 处理的
pH平均值显著高于 PMW(P<0郾 05).
图 2摇 堆肥过程中温度、pH和含水率的变化
Fig. 2 摇 Changes of temperature, pH and water content during
composting郾
AT: 室温 Air temperature; wc: 含水率 Water content郾
摇 摇 堆肥化过程中,PMW 的含水率波动相对较大
(图 2),堆制期间总体下降幅度为 10郾 5% ;而 PMW+
G的含水率基本保持在 60% ~ 66% ,只在高温期稍
有下降,总体变化幅度不大,堆制期间总体下降幅度
为 3郾 4% .两处理堆肥过程中水分总体上损失较少,
这可能与堆肥箱为密闭系统、水分难以散失有关.而
葡萄籽的加入使水分损失更少,说明它具有一定的
保水性.
2郾 2摇 堆肥中微生物区系的动态变化
PMW和 PMW+G堆肥中细菌、放线菌和真菌的
数量变化如图 3 所示. 两处理的细菌数量变化趋势
一致,都在高温初期(第 5 天,55 益)降到最低值,在
中温期出现峰值 ( PMW 在第 9 天达 4郾 3 伊 1010
CFU·g-1; PMW + G 在 第 18 天 达 1郾 35 伊 1010
CFU·g-1),在降温腐熟期又有所上升. 在堆制期
间,PMW和 PMW+G中的细菌总数分别为 6郾 73伊1010
和 4郾 06伊1010 CFU·g-1,堆制期间分别增加了 2郾 53 和
1郾 36倍.加入葡萄籽后,细菌数量的波动较小.
摇 摇 堆肥中放线菌总数比细菌总数低 2 ~ 3 个数量
级,两处理放线菌的数量总体上随着堆肥时间的延
长而增加,堆制结束时,PMW 和 PMW+G 中的放线
菌数量比初始值分别增加了114和177倍 . 只是在
17028 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 黄懿梅等: 葡萄籽对猪粪秸秆高温堆肥中微生物群落与碳氮含量的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 堆肥中微生物区系的变化
Fig. 3摇 Dynamics of microflora number during composting郾
a)PMW; b)PMW+G郾 下同 The same below郾 玉:细菌 Bacterial; 域:放
线菌 Actinomycete; 芋:真菌 Fungi郾
PMW第 13 天的样品中,检出放线菌数量为 0;而
PMW+G的放线菌数量只在高温期略有降低. 添加
葡萄籽使堆肥中放线菌的平均数量显著增加(由
3郾 55伊107 CFU·g-1增加至 3郾 56伊107 CFU·g-1).
两处理真菌数量的变化趋势差别较大,但均随
堆温的变化而变化,总体上表现为高温期下降,降温
腐熟期增加. PMW 真菌数量在高温初期下降,在第
9 天堆温下降后增加,在第 2 个高温(第 19 天,温度
约 60 益)时骤降到 0,于第 24 天进入腐熟降温期后
逐步增加;PMW+G 中的真菌数量则随着堆体进入
高温期而下降,并在堆制第 13 天堆体出现 64 益最
高温时降到 0,于第 18 天进入腐熟降温期时逐渐增
加.堆制结束时,PMW 和 PMW+G 中的真菌数分别
由初始的 3郾 78 伊104和 2郾 75 伊104 CFU·g-1降低到
2郾 57伊103和 1郾 8伊102 CFU·g-1,分别降低了 93郾 2 和
99郾 3 倍.添加葡萄籽使堆肥后期真菌数量减少较
多,且堆肥期间真菌数量的平均值也明显降低(由
1郾 19伊105 CFU·g-1降至 4郾 06伊103 CFU·g-1).
2郾 3摇 堆肥中微生物生理群的动态变化
PMW和 PMW+G 堆肥中氨化细菌、亚硝化细
菌、反硝化细菌、自生固氮菌和纤维素分解菌的变化
情况如图 4 所示.
图 4摇 堆肥中微生物生理群的数量变化
Fig. 4 摇 Dynamics of microbiological physiology groups number
during composting郾
玉:氨化细菌 Ammonifier;域:亚硝化细菌 Nitrifier; 芋:反硝化细菌
Denitrifier; 郁:固氮细菌 Azotobacter;吁:纤维素分解菌 Cellulose de鄄
composition bacteria郾
摇 摇 两处理中氨化细菌数量总体上随着堆肥温度的
升高而增加,最大值均出现在高温期:PMW 分别出
现在第 5 和 18 天;PMW+G 出现在第 13 天,都为
9郾 5伊1013 CFU·g-1,降温腐熟期略有降低,30 d 时
又略微增加. PMW和 PMW+G中氨化细菌数量在堆
肥结束时分别比初始值高 999 和 474 倍,堆制期间
的平均数量分别为 3郾 86 伊 1013 和 1郾 58 伊 1013
CFU·g-1 .可见,氨化细菌的耐热性较大,且添加葡
萄籽后,氨化细菌的平均值和增加率降低.
摇 摇 亚硝化细菌数量在 PMW 中基本上是随着温度
的升高而降低,在第 5 天最高温时降低,然后因为温
度降低而升高,在第 13 天达峰值 45伊108 CFU·g-1,
在第 18 天二次高温时,降至最低,进入降温腐熟期
又开始增加;而 PMW+G在 0 ~ 5 d 随着温度上升呈
上升趋势,最大值 25伊108 CFU·g-1出现在第 9 天,
然后逐渐下降,直到 24 d 后才开始增加. 表明加入
葡萄籽对于亚硝化细菌的影响较大. PMW+G中亚硝
化细菌的平均数量(7郾 18伊108 CFU·g-1)高于 PMW
(7郾 15伊108 CFU·g-1),PMW和 PMW+G中亚硝化细
菌数量在堆肥结束时分别比初始值高 124和 2倍.
反硝化细菌数量在两个处理中均在堆制初期
(0 ~ 5 d)降低,在 9 d 后升高,于第 13 天温度较低
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时出现较大值 95伊105 CFU·g-1,18 d 时再次降低,
然后增加,至堆肥结束时达峰值,数量与初始值接
近,在第 5、9、18 天温度较高时均为 0,说明反硝化
细菌属于中温性菌群. 堆制结束两处理的反硝化细
菌数量都与初始值接近. 整体上,PMW 反硝化细菌
的平均数量(85伊105 CFU·g-1)高于 PMW+G 处理
(3郾 03伊105 CFU·g-1).
固氮菌数量在两处理的 0 ~ 5 d 都随着温度升
高明显降低,9 ~ 13 d升高,第 13 天达一较高值后降
低,然后又升高,不同的是 PMW在第 9 和 18 天出现
最小值,24 d 后又下降;而 PMW+G 处理在第 5 ~ 9
天和 24 天的值都处于最小,24 d 后增加.固氮菌数
量在堆制期间总体下降,堆肥结束时, PMW 和
PMW+G分别比初始降低 98郾 5%和 87郾 3% . PMW+G
固氮菌的平均数量(13郾 6伊102 CFU·g-1)高于 PMW
(6郾 23伊102 CFU·g-1).
纤维素分解菌数量在两处理中的变化相同:0 ~
5 d明显降低,至第 13 天达最小值,然后逐渐增加,
到第 30 天时达峰值,其中,24 ~ 30 d 的增加速率较
大.堆制结束,PMW 的纤维素分解菌数量较初始值
增加了 332 倍;而 PMW+G与初始值差别不大.但是
添加葡萄籽后,堆肥过程中纤维素分解菌的平均数
量(1郾 29伊107 CFU·g-1)明显高于 PMW(3郾 58伊106
CFU·g-1).纤维素分解菌数量在高温期数量较低,
说明嗜热的纤维素菌较少.
2郾 4摇 堆肥中碳氮含量的变化
堆肥中铵态氮和硝态氮的含量变化如图 5 所
示,两处理中铵态氮含量在堆制过程中总体上表现
为下降趋势,PMW和 PMW+G中铵氮浓度在堆肥结
束时分别比堆制初始下降了 66郾 1%和 57% .不同之
处在于 PMW 在堆肥初始(0 ~ 5 d)略有下降,然后
升高,在第 13 天达到峰值,之后快速减少;而 PMW+
G则在 0 ~ 5 d快速升高,然后逐渐下降,其中,降低
速率较快的时期在 5 ~ 13 d,为温度较高的时期.两
处理中铵态氮的平均含量差别不大.
摇 摇 堆肥中硝态氮的变化趋势与铵态氮相反,总体
上在 0 ~ 13 d 下降,然后逐渐增加,到第 30 天时达
峰值.堆肥结束时,PMW 和 PMW+G 中硝氮含量分
别比堆肥初期增加了 18郾 3%和 33郾 0% ,且 PMW+G
中硝态氮的平均含量极显著高于 PMW(P<0郾 01).
堆肥有机氮含量在两个处理中都表现为堆制初
始(0 ~ 5 d)直线下降,然后逐渐上升,到 30 d 时到
达峰值,PMW和 PMW+G中有机氮含量分别比堆肥
初期增加了42郾 9%和30郾 4% .不同之处在于,PMW
图 5摇 堆肥中铵态氮、硝态氮、有机氮与有机碳的变化
Fig. 5摇 Changes of ammonium, nitrate, organic nitrogen and or鄄
gannic carbon during composting.
玉: 铵态氮 Ammonium nitrogen; 域:硝态氮 Nitrate nitrogen; 芋:有机
氮 Organic nitrogen; 郁: 有机碳 Organic carbon郾
在第 9 天略有增加,而后减少,在第 13 天达最小值,
然后快速增加;而 PMW+G 快速增加的时间为 9 ~
24 d,然后趋慢. PMW+G 有机氮的平均含量略高于
PMW.
堆肥中有机碳的变化几乎与有机氮相反,两处
理都随堆肥时间的延长而下降. PMW和 PMW+G有
机碳含量分别比堆肥初期降低了 22郾 8%和 19郾 7% .
不同之处在于,PMW+G 在整个堆肥时期的降解速
率较一致,而 PMW则在 13 ~ 18 d 和 24 ~ 30 d 快速
下降,在前期降解较慢. PMW+G 有机碳的平均含量
显著低于 PMW(P<0郾 05).
2郾 5摇 微生物菌群与堆肥基本性质和碳氮含量的相
关性
将堆肥中微生物菌群数量和其他主要理化性质
进行相关性分析 ( n = 13, r0郾 05 = 0郾 5321, r0郾 01 =
0郾 6612),结果如表 2 所示.氨化细菌数量与铵态氮
含量显著正相关,与堆温显著负相关;纤维素分解菌
数量与铵态氮含量、有机碳含量、堆温和 pH 值都呈
显著负相关关;放线菌数量与硝态氮含量呈极显著
正相关关系,与有机氮含量显著正相关,而与铵态氮
含量呈显著负相关;真菌数量与堆温呈极显著负相
关关系,与硝态氮含量显著负相关,而与有机碳含量
显著正相关 . 其他菌群虽然与相关指标具有一定
37028 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 黄懿梅等: 葡萄籽对猪粪秸秆高温堆肥中微生物群落与碳氮含量的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 堆肥微生物与环境因子的相关系数
Table 2摇 Correlation coefficients of microflora number and environmental factors
氨化细菌
Ammonifiers
亚硝化
细菌
Nitrifiers
反硝化
细菌
Denitrifiers
自生固氮菌
Nitrogen鄄fixing
bacteria
纤维素分解菌
Cellulose鄄
decomposition
bacteria
细菌
Bacteria
放线菌
Actinomyces
真菌
Fungi
铵态氮 Ammonium nitrogen 0郾 5355* -0郾 2849 -0郾 3059 -0郾 0014 -0郾 5320* -0郾 0878 -0郾 6363** 0郾 4390
硝态氮 Nitrate nitrogen -0郾 1125 0郾 2274 0郾 2653 0郾 0026 0郾 4322 0郾 0773 0郾 7150** -0郾 6276*
有机氮 Organic nitrogen 0郾 0175 -0郾 3028 0郾 5283 0郾 1684 0郾 4180 0郾 0250 0郾 5737* -0郾 4015
有机碳 Organic carbon -0郾 3769 0郾 2409 0郾 2409 0郾 1964 -0郾 5686* -0郾 2439 -0郾 4984 0郾 5624*
堆温 Temperature -0郾 6025* -0郾 3155 -0郾 3155 -0郾 5204 -0郾 5913* -0郾 1595 -0郾 3141 -0郾 7741**
pH 0郾 4413 0郾 3016 0郾 3016 -0郾 4617 -0郾 6612** 0郾 2774 -0郾 2458 -0郾 0901
含水率 Moisture content -0郾 3948 0郾 1251 0郾 1251 0郾 5123 0郾 0169 0郾 0998 -0郾 5076 0郾 1673
*P<0郾 05; **P<0郾 01郾
相关性,但都未达到显著水平. 可以看出,堆温对真
菌的影响很大,其次是氨化细菌和纤维素分解菌,对
固氮菌数量也有一定影响;而含水率对放线菌数量
有负效应,对自生固氮菌数量有正效应,但影响不显
著;pH 值对纤维素分解菌的数量有显著的负效应,
对自生固氮菌数量也有负效应,对氨化细菌数量有
正效应,但是后两者的影响都不显著.堆肥中的铵态
氮含量与氨化细菌数量正相关,而与放线菌数量显
著负相关,与纤维素分解菌显著负相关,与真菌数量
有正相关关系,但不显著;硝态氮含量与放线菌数量
极显著正相关,与真菌显著负相关,与纤维素分解菌
有正相关关系,但不显著;有机氮含量与放线菌数量
显著正相关,而与反硝化细菌有正相关关系,但不显
著;有机碳含量与纤维素分解菌数量显著负相关,而
与真菌数量显著正相关,与放线菌数量有负相关关
系,但不显著.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 添加葡萄籽对堆肥微生物区系的影响
了解微生物区系的变化对于揭示整个堆肥过程
中的物质转化规律、腐熟度进程等非常重要,但受堆
肥原料和研究方法的影响,研究结果却不尽相
同[15-18] .本次猪粪秸秆堆肥中细菌、放线菌和真菌
数量在堆制期间的平均值分别为 9郾 61伊109、3郾 55伊
107和 1郾 19伊105 CFU·g-1,与吴银宝等[15]的猪粪堆
肥相比,细菌数量相似,放线菌数量低 1 个数量级,
而真菌数量低 3 个数量级;变化趋势也略有不同;而
数值和变化趋势与顾文杰等[17]在牛粪堆肥中的结
果很相似;部分结果与王伟东等[16]和牛俊玲等[19]
接近.细菌 /真菌由堆肥初期的 837 颐 1 下降至堆肥
结束时的25郾 6 颐 1,随着堆肥的进行,放线菌的优势
逐渐加强[15] .研究表明,堆肥化中细菌数量最大,远
远高于真菌,且堆肥结束时高于初始值[20-21],尤其
在高温期处于优势地位,且在高温期和中温期的类
群不同[22] . 细菌具有较高的分解木质纤维素的能
力,在中前期,尤其是高温期,对木质纤维素等耐高
温物质的分解发挥重要的作用[16] .放线菌在堆肥的
腐熟过程中起重要作用,它们分解纤维素、木质素、
角质素和蛋白质等复杂有机物,是堆肥高温期分解
木质素的优势菌群,使成品堆肥散发出泥土气息,且
比真菌能够忍受更高的温度、pH[23],一般在堆肥后
期增加较多[18] .真菌能分泌胞外酶,水解有机物质,
对堆肥物料的分解和稳定,特别是对纤维素和木质
素分解起重要的作用.但由于真菌不耐高温,在高温
期数量较低,只能在堆肥化后期发挥较大作用[16] .
成品堆肥中较低的真菌数量可减少堆肥在施用过程
中真菌孢子对植物的污染,从而减少作物病害发生
率[24] .添加葡萄籽后,堆肥中细菌、放线菌和真菌数
量在堆制期间的平均值分别为 5郾 8 伊109、3郾 56伊107
和 4郾 06 伊 103 CFU·g-1,细菌和真菌分别减少了
39郾 6%和 96郾 6% ,而放线菌增加了 0郾 46% ;细菌 /真
菌由堆肥初期的 2910 颐 1 下降至堆肥结束时的
38郾 6 颐 1,变化率增大.
3郾 2摇 添加葡萄籽对堆肥微生物生理群的影响
氮素微生物生理群和纤维素分解菌分别对堆肥
中氮素转化和纤维素分解起着很重要的作用. 氨化
细菌是一类可将含氮有机物通过氧化、水解、还原作
用分解释放出氨气的菌群,对高温期氨的挥发有一
定促进作用.亚硝化细菌的作用是将 NH4 +鄄N氧化为
NO2 -鄄N,然后硝化细菌将 NO2 -鄄N氧化为 NO3 -鄄N[25],
对于堆肥中硝态氮的形成有一定作用.反硝化细菌将
硝酸盐或亚硝酸盐还原成 N2O或 N2,造成堆肥中氮
素的损失,但是也有部分好氧反硝化菌还具有硝化作
用[26],促进硝态氮的形成.自生固氮菌能在堆肥条件
下固氮.纤维素分解菌通过分泌纤维素酶对半纤维
素、纤维素、木质素进行降解,是堆肥腐熟的关键.
4702 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
本次猪粪秸秆堆肥中氨化细菌、亚硝化细菌、反
硝化细菌、自生固氮菌和纤维素分解菌数量在堆制
期间的平均值分别为 3郾 86 伊1013、7郾 15 伊108、8郾 5 伊
106、6郾 23伊102 和 3郾 58伊106 CFU·g-1 . 由于猪粪和
秸秆比例的变化,与马丽红等[27]试验结果相比,除
了反硝化菌变化不大、固氮菌显著降低外,其余各类
菌群数量都显著增加. 同样,除了固氮菌明显降低
外,其他 3 种氮素转化菌群数也显著高于牛粪堆肥.
而除了纤维素分解菌相差不大外,3 种氮素生理群
数量都高于奶牛粪堆肥[28] . 添加葡萄籽后,堆肥中
这 5 种菌在堆制期间的平均值分别为 1郾 58 伊1013、
7郾 18 伊 108、 3郾 03 伊 105、 1郾 36 伊 103 和 1郾 29 伊 107
CFU·g-1,氨化细菌和反硝化细菌分别降低了
59郾 1%和 96郾 4% ,可以减少氮素的损失;而硝化细
菌、固氮菌和纤维素分解菌分别增加了 0郾 51% 、
118%和 259% ,对促进堆肥中的硝化作用、增加有
机氮含量以及促进有机碳的降解有一定作用.
3郾 3摇 添加葡萄籽对堆肥碳氮转化的影响及其机理
探讨
本次猪粪秸秆堆肥过程中,有机碳和铵态氮分
别降低了 22郾 8%和 66郾 1% ,硝态氮和有机氮分别增
加了 18郾 3%和 42郾 9% . 添加葡萄籽后,有机碳和铵
态氮分别降低了 19郾 7%和 57% ,硝态氮和有机氮分
别增加了 33郾 0%和 30郾 4% . 可以看出,添加葡萄籽
后,铵态氮和有机碳的降低率下降,而硝态氮的含量
增加较多,有机氮的增加率降低.表明葡萄籽对于促
进猪粪秸秆堆肥中硝态氮的形成有明显作用,但是
对于有机碳的降解作用不大.这与堆肥的温度、水分
和 pH等变化有关.
工程上要求堆肥温度控制在微生物适宜活性范
围的上限:55 ~ 60 益,极限温度可达 70 益 . 而微生
物活动的最适范围为 35 ~ 50 益,在 49 ~ 55 益时微
生物多样性变化不大,而当温度大于 60 益时,微生
物多样性减少[29] . 添加葡萄籽后,堆体升温迅速且
高温期稳定,可能与葡萄籽是一种与稻壳相似的通
气材料,可保证堆肥中适宜的氧气有关,它与猪粪秸
秆混合后使得堆体的通气性较好,另外,葡萄籽中含
有大量的蛋白质(80 ~ 95 mg·g-1)、脂肪、纤维素和
碳水化合物,脂肪酸最高达 0郾 18 g·g-1 [7],从而为
分解有机物而释放出热量的微生物提供了丰富的氮
源和碳源,使得高温得以保持,从而使堆肥中真菌数
量明显下降、氨化细菌数量降低、纤维素分解菌在高
温期后明显增加,导致堆肥中铵态氮含量下降较多.
一般认为 pH 在 7郾 5 ~ 8郾 5 时最有利于微生物生
长[30] .添加葡萄籽后,堆肥中 pH 在降温腐熟期明
显上升,对堆肥后期纤维素分解菌和氨化细菌的生
长有一定影响.一般以猪粪为主体材料的堆肥化过
程中,要使堆肥出现 60 益以上的高温,水分应控制
在 45% ~65%范围内[31] .本试验 PMW+G的含水率
始终稳定在适宜范围内,可能与葡萄籽有一定的吸
水和保水性有关. 理论上认为,随着堆制进行,含水
率下降大,才有利于堆肥腐熟,但是当堆肥处理中微
生物能得到充足的氧气供应时,堆体材料的水分含
量越高对微生物的活动越有利[30] . 因此,添加葡萄
籽后,与堆肥含水率有一定的相关关系的放线菌和
自生固氮菌的数量明显高于 PMW,从而影响到堆肥
中硝态氮和有机氮的含量.可见,添加葡萄籽主要影
响了堆肥的通气性,从而影响到堆肥的温度和水分
含量,改变了堆肥中微生物的群落组成,并最终导致
堆肥产物的变化.
本试验发现,堆肥中硝态氮的含量与放线菌数
量呈极显著正相关关系,而 PMW+G 放线菌平均数
量的对数值比 PMW 增加了 15郾 6% ,硝态氮含量增
加率高出 14郾 7% .硝态氮含量的增加虽与亚硝化细
菌的增加有关,但与放线菌的关系仍不容忽视.
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作者简介摇 黄懿梅,女,1971 年生,博士,副教授. 主要从事
农业废弃物资源化和土壤微生物生态研究,发表论文 47 篇.
E鄄mail: ymhuang1971@ nwsuaf. edu. cn
责任编辑摇 肖摇 红
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