不同菌剂处理对鸡粪堆肥发酵效率及成品有机肥质量的影响

Effects of Different Microbial Agent Treatments on the Fermentation Efficiency of Chicken Manure Compost and the Quality of Finished Organic Fertilizers

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2025.01.007

胡斌 Bin HU , 周桐 Tong ZHOU , 漆奕辉 Yihui QI , 李爽 Shuang LI , 孙可心 Kexin SUN , 赵冰 Bing ZHAO , 孔凡美 Fanmei KONG , 张小村 Xiaocun ZHANG

1 山东省农业技术推广中心山东济南 250000 Shandong Agricultural Technology Extension Center, Jinan, Shandong 250000, China 2 山东农业大学资源与环境学院山东泰安 271000 College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Tai′an, Shandong 271000, China 3 山东省农业广播电视学校山东济南 250000 Shandong Agricultural Radio and Television School, Jinan, Shandong 250000, China

Author notes:

Correspondence to: 张小村(1978—)，男，博士，副教授，主要从事植物营养机理与调控工作；xczhang@sdau.edu.cn

摘要：

为考察外源菌剂对鸡粪堆肥好氧发酵效率及有机肥产品质量的影响，以鸡粪、金针菇菌渣为原料，设置无菌剂处理(CK)、有机肥发酵菌剂(MB)、广适菌剂(BA)、鸡粪发酵专用菌剂(CM)等4个处理进行试验研究。结果表明：鸡粪堆肥发酵过程中添加外源菌剂能显著提高堆肥发酵效率，促进发酵腐熟进程，与CK处理相比，添加外源菌剂的处理可提前3 d完成发酵；添加外源菌剂的有机肥产品质量均能满足行业标准《有机肥料》(NY/T 525—2021)的要求，其中BA处理的有机肥产品总养分w(N+P₂O₅+K₂O)为5.18%，w(有机质)为45.94%，种子发芽指数为97.06，pH为7.72。

关键词：

有机肥; 菌剂; 堆肥; 好氧发酵; 鸡粪; 金针菇菌渣;

Abstract：

In order to investigate the effects of exogenous microbial agents on aerobic fermentation efficiency of chicken manure compost and the quality of organic fertilizer products, a experimental study is carried out. Using chicken manure and flammulina velutipes residue as raw materials, four treatments are set up, including no microbial agent treatment (CK), organic fertilizer fermentation microbial agent (MB), widely applicable microbial agent (BA) and special microbial agent for chicken manure fermentation (CM). The results show that the addition of exogenous microbial agents during chicken manure compost fermentation can significantly improve the fermentation efficiency and promote the fermentation process. Compared with CK treatment, the treatment with exogenous microbial agents can complete the fermentation 3 days in advance; the quality of all organic fertilizer products added with exogenous microbial agents can meet the requirements of the industrial standard "Organic Fertilizer" (NY/T 525-2021). The total nutrient w(N+P₂O₅+K₂O) of organic fertilizer treated with BA is 5.18%, w(organic matter) is 45.94%, seed germination index is 97.06, and pH is 7.72.

Keyword：

organic fertilizer; microbial agent; compost; aerobic fermentation; chicken manure; flammulina velutipes residue;

0 前言

我国每年鸡出栏量约48亿只，鸡粪污产生总量约12亿t^[1]。由于鸡的肠道较短，肠道中的饲料无法充分利用，大量的有机物和氮、磷、钾等营养元素及饲料中未被利用的微量元素和抗生素会随鸡粪一起排出。若未对鸡粪进行恰当的处理，易造成土壤重金属及抗生素含量超标等环境污染；同时，鸡粪中含有的寄生虫和大肠杆菌等病原微生物也会严重影响土壤健康。对鸡粪进行堆肥发酵是解决上述问题的重要途径。

好氧堆肥是在有氧的条件下，控制微生物对原料的生物降解及将原料转化合成为腐殖质的过程^[2]。生物降解过程会释放大量的热量，能够有效减少或去除粪污中的病原微生物，从而达到粪污无害化处理的目的^[3]。好氧堆肥处理可以有效减少鸡粪对生态环境的影响，实现鸡粪的资源化利用^[4]。传统好氧堆肥一般不额外添加菌剂，存在堆肥周期长、有机物分解慢、养分保留率低、腐殖化程度低、腐熟程度差等问题^[5-6]。添加外源微生物菌剂是提高发酵效率和有机肥品质的重要技术措施之一。

在好氧堆肥的原料降解和腐熟的生化过程中，微生物起着关键作用^[7-8]，特别是有机物的转化和发酵腐熟过程中的腐熟程度较依赖于微生物的作用^[9]。添加外源微生物菌剂对畜禽粪污堆肥发酵处理的影响已有较多文献^[10-12]，但这些研究在外源微生物菌剂对好氧堆肥发酵过程及有机肥产品质量等方面的结果仍存在争议。菌剂、发酵物料及配比的不同，均会显著影响有机肥的发酵进程及最终的有机肥质量。不同发酵原料及新型微生物菌剂在有机肥生产中的应用，均需要大量试验结果提供必要的参考。本文以鸡粪、金针菇菌渣为原料，设置无菌剂、有机肥发酵菌剂、广适菌剂、鸡粪专用菌剂等4个处理，探讨外源菌剂对鸡粪堆肥发酵过程及其有机肥产品质量的影响。

1 材料与方法

1.1 堆肥材料与装置

发酵原料：干鸡粪[w(有机质)为41.61%，w(全氮)为3.13%]、金针菇菌渣[主要成分包括麸皮、豆粕、玉米芯、米糠，w(有机质)为57.58%，w(全氮)为1.31%]，泰安奥康牧业有限公司；尿素[w(N)为45%]，山东联盟化工有限公司；广适菌剂、鸡粪发酵专用菌剂，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所；有机肥发酵菌剂，市售。

发酵装置：圆柱形发酵桶，长835 mm，直径480 mm；顶部有一个直径250 mm的圆形加料取样口，侧向底部有一个排水通风口。发酵装置结构示意见图 1。

图 1

发酵装置结构示意

1.2 试验设计

试验于2021年5月6日—6月20日在山东省泰安市山东农业大学南校区资源与环境学院实验站进行，共设置4个处理：CK处理，不加菌剂；MB处理，添加有机肥发酵菌剂；BA处理，添加广适菌剂；CM处理，添加鸡粪发酵专用菌剂。每个处理3次重复，采用滚筒法每隔3 d滚动翻堆一次。鸡粪与金针菇菌渣的质量比为1∶1，添加尿素调节碳与氮的质量比约为30∶1。单次发酵物料总质量为38 kg，添加水分至物料总质量的70%，陈化12 h后，按1 kg/t添加菌剂，混合均匀。将通气管(上有孔径为1 cm均匀分布的小孔若干)由底部的排水通风口横向插入发酵桶底部，每日好氧充气处理5 min(2.5 m³/min)。记录每日的堆体温度；采用三点取样法每5 d进行一次固体样品的采集，在发酵桶横向20、40、60 cm处分别布置3个采样点，每点采集3个样品(采集深度分别为10、20、30 cm)，将样品混合得到该样点的混合样，3个样点的混合样再次混合得到该发酵罐的样品。如采样时间与翻堆时间重合，则先采样后翻堆。

1.3 测定项目及分析方法

1.3.1 测定项目

温度：采用RC-4HC型温度计自动记录仪记录温度。

含水率：采用《复混肥料中游离水含量的测定真空烘箱法》(GB/T 8576—2010)^[13]中的方法进行测定。

pH、电导率(EC)：采集堆体鲜样，按照m(鲜样)∶m(水)=1∶10，在浸提瓶中振荡30 min，以转速4 500 r/min离心20 min，过滤，滤液的pH采用行业标准《土壤检测第2部分：土壤pH的测定》(NY/T 1121.2—2006)^[14]中的酸度计法测定，滤液的EC值采用电导率法测定。

有机质含量：采用行业标准《有机肥料》(NY/T 525—2021)^[15]中的重铬酸钾外加热法测定。

总养分(N+P₂O₅+K₂O)含量：样品用H₂SO₄-H₂O₂消解，采用凯氏定氮法测定N含量，采用紫外分光光度法测定P₂O₅含量，采用火焰光度法测定K₂O含量。

种子发芽指数(GI)：取鲜样，加水(固液质量体积比为1∶10)，浸提1 h，取10 mL浸提液于25 ℃黑暗条件下培养黄瓜种子，48 h后记录种子萌发数量并测定种子芽长。

1.3.2 数据处理

相关性分析采用SPSS Statistics 17.0软件，统计分析及制图采用Excel 2019、GraphPad Pirsm 9软件。

2 结果与分析

2.1 不同处理的堆体温度在堆肥发酵过程中的变化

不同处理的堆体温度在堆肥发酵过程中的变化见图 2。

图 2

不同处理的堆体温度在堆肥发酵过程中的变化

从图 2可看出：CM处理的堆体在第8天进入高温阶段，第10天堆体温度最高(59.70 ℃)，堆体温度在50 ℃以上可持续10 d；MB处理的堆体升温速率快，第6天堆体即可进入高温阶段，第7天达到最高温度(59.52 ℃)，堆体温度在50 ℃以上可持续8 d；BA处理的堆体在第7天进入高温阶段，并在同一天达到最高温度(56.30 ℃)，堆体温度在50 ℃以上可持续5 d；CK处理的堆体在第7天进入高温阶段，第10天达到最高温度(55.63 ℃)，堆体温度在50 ℃以上的时长为5 d；CM、MB、BA、CK处理的堆体温度均于第22天降至35 ℃左右，此后堆体温度相对稳定，与环境温度变化基本保持一致。温度是有机物料发酵进程的重要参考指标，高温阶段结束并逐步降温至35 ℃且保持恒定后，有机物料的发酵进入尾声。

2.2 不同处理的堆体含水质量分数在堆肥发酵过程中的变化

不同处理的堆体含水质量分数在堆肥发酵过程中的变化见图 3。

图 3

不同处理的堆体含水质量分数在堆肥发酵过程中的变化

从图 3可知：MB、CM、BA和CK处理的堆体含水质量分数均呈逐渐降低的趋势；MB处理的含水质量分数下降速率最快，其次为CM、BA、CK处理的；MB、CM、BA、CK处理分别在堆肥发酵第18天、第24天、第25天和第27天可满足NY/T 525—2021中有机肥料水分(鲜样)的质量分数≤30%的指标要求。

2.3 不同处理的堆体pH、EC值在堆肥发酵过程中的变化

不同处理的堆体pH、EC值在堆肥发酵过程中的变化见图 4、图 5。

图 4

不同处理的堆体pH在堆肥发酵过程中的变化

图 5

不同处理的堆体EC值及EC值增长率在堆肥发酵过程中的变化

由图 4(a)可知：堆肥发酵前24 d，不同处理的堆体pH均出现上升趋势；堆肥发酵第24天，CM、MB、BA、CK处理的堆体pH差异不明显，分别为7.98、7.57、7.52、7.06；堆肥发酵24~40 d，不同处理的堆体pH相对稳定。由图 4(b)可知：堆肥发酵第45天，CM、MB处理的堆体pH分别为7.82、7.78，均显著高于CK处理的7.36。图 4(b)中不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05)，下同。

由图 5(a)可知：堆肥发酵前30天，CM、MB、BA、CK处理的EC值均呈缓慢上升的趋势；堆肥发酵至第45天，CM、MB、BA、CK处理的堆体EC值分别为0.58、0.56、0.61、0.66 mS/cm，其中CK处理的堆体EC值比CM、MB、BA处理的分别提高13.79%、17.86%、8.20%。由图 5(b)可知，堆肥发酵第45天，CM、MB、BA、CK处理的堆体EC值分别比堆肥发酵初期的提高18.4%、9.9%、18.0%、31.5%。

2.4 不同处理的堆体有机质含量在堆肥发酵过程中的变化

不同处理的堆体有机质含量在堆肥发酵过程中的变化见图 6。

图 6

不同处理的堆体有机质含量在堆肥发酵过程中的变化

由图 6(a)可知：CM、MB、BA、CK处理的堆体有机质含量随堆肥发酵时间延长均呈逐渐下降的趋势；堆肥发酵第45天，CM、MB、BA、CK处理的堆体有机质质量分数分别为42.9%、43.4%、41.3%、42.5%。

由图 6(b)可知，与堆肥发酵初始的有机质含量相比，堆肥发酵第45天，CM、MB、BA、CK处理的堆体有机质降解率分别为23.9%、20.9%、25.9%、20.5%，其中BA处理的堆体有机质降解率显著高于MB、CK处理的。

2.5 不同处理的堆体各养分含量在堆肥发酵过程中的变化

不同处理的堆体各养分含量在堆肥发酵过程中的变化见图 7。

图 7

不同处理的堆体各养分含量在堆肥发酵过程中的变化

由图 7(a)可知：在堆肥发酵过程中，CM、MB、BA、CK处理的堆体总氮含量均呈先下降、后上升、再逐渐稳定的变化趋势；堆肥发酵第45天，CM、MB、BA、CK处理的堆体全氮质量分数分别为1.94%、1.84%、1.93%、1.87%，处理间差异不明显。

由图 7(b)可知：CM、MB、BA、CK处理的堆体P₂O₅含量在堆肥发酵过程中均呈先升高、然后逐渐平稳的趋势；堆肥发酵第45天，CM、MB、BA、CK处理的堆体P₂O₅质量分数分别为0.64%、0.59%、0.82%、0.81%，其中MB处理的堆体P₂O₅质量分数最低。

由图 7(c)可知：各处理的堆体K₂O含量在堆肥发酵过程中均呈先升高、然后逐渐平稳的趋势；堆肥发酵第45天，CM、MB、BA、CK处理的堆体K₂O质量分数分别为2.61%、2.54%、2.64%、2.90%，处理间差异不明显。

由图 7(d)可知：各处理的堆体总养分(N+P₂O₅+K₂O)质量分数在堆肥发酵过程中呈逐步上升的趋势；堆肥发酵第45天，CM、MB、BA、CK处理的堆体总养分质量分数分别为5.20%、4.96%、5.40%、5.58%，其中MB处理的总养分质量分数最低。

2.6 堆肥终点判断及有机肥成品质量

根据国家标准《粪便无害化卫生要求》(GB 7959—2012)^[16]中的规定，高温发酵要求堆体温度≥50 ℃，持续10 d。根据山东省地方标准《有机肥料腐熟度识别技术规范》(DB37/T 4110—2020)中的规定，堆体温度由高温阶段缓慢下降至35 ℃以下并保持连续2 d温差不超过±2 ℃；堆肥颜色呈暗褐色或深褐色，团粒疏松无结块，无明显臭味，无机械杂质，风干易破碎；水分(鲜样)质量分数不高于30%，pH为5.5~8.5，发芽指数＞50%，即可认为有机肥腐熟。对照上述指标，CM、MB、BA处理堆肥发酵24 d基本达到腐熟标准，CK处理堆肥发酵27 d可达到腐熟标准。

腐熟达标时的产品主要质量性状见表 1。CM、MB、BA、CK处理的有机肥GI值分别为85.88%、69.22%、97.06%、84.61%；除MB处理外，其余处理的GI值均高于NY/T 525—2021中的要求(GI值不低于70%)。CM、MB、BA、CK处理的有机肥总养分质量分数分别为5.03%、5.66%、5.18%、5.47%；MB处理的有机肥总养分质量分数最高，比CM处理的提高12.5%。所有处理的有机肥重金属(As、Pb、Cd、Cr、Hg)质量分数均低于NY/T 525—2021的限量要求，且处理间差异不显著。各处理有机肥的养分指标满足NY/T 525—2021的要求，可见CM、BA处理堆肥发酵24 d，CK处理堆肥发酵27 d生产的有机肥可达到有机肥行业标准的要求。

表 1

不同处理的鸡粪堆肥发酵有机肥产品质量性状

指标	CK	CM	MB	BA
w(有机质)/%	47.12 a	45.89 b	45.51 b	45.94 b
w(全氮)/%	1.92 b	1.83 c	2.08 a	1.78 d
w(全磷)/%	0.68 ab	0.63 b	0.77 a	0.78 a
w(全钾)/%	2.87 a	2.57 c	2.81 ab	2.62 bc
pH	7.84 a	7.68 a	7.15 b	7.72 a
EC值/(mS·cm^-1)	0.60 a	0.57 a	0.58 a	0.60 a
GI值/%	84.61 b	85.88 b	69.22 c	97.06 a
w(总养分)/%	5.47 ab	5.03 b	5.66 a	5.18 ab
w(As)/(mg·kg^-1)	2.83 a	2.37 a	1.76 a	2.71 a
w(Pb)/(mg·kg^-1)	2.43 a	2.09 a	3.39 a	2.11 a
w(Cd)/(mg·kg^-1)	0.40 a	0.32 a	0.28 a	0.48 a
w(Cr)/(mg·kg^-1)	14.85 a	13.82 a	15.28 a	16.23 a
w(Hg)/(mg·kg^-1)	0.04 a	0.07 a	0.05 a	0.03 a
注：1)同行数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05)

3 讨论

温度是堆肥进程的关键参数之一，温度及维持高温的时间均可影响发酵过程中堆体的腐熟程度。要保证堆肥产品无害化，首要考虑的是堆体温度，一般要求堆体温度维持50 ℃以上5 d即可达到有机肥卫生标准^[17]。试验研究结果表明，所有处理高温阶段均持续5 d以上。已有研究表明，高温阶段持续5 d以上可有效消灭堆体物料内的病原菌，满足无害化堆肥的要求^[18]。CM、MB、BA、CK处理的最高温度分别为59.70、59.52、56.30、55.63 ℃，高温持续时间分别为10、8、5、5 d；与CK处理相比，CM处理可提高堆体温度峰值，延长高温持续时间^[19]。这与李尚民等^[20]、Liu等^[21]以微生物菌剂、生物炭作为鸡粪堆肥发酵添加剂的研究结果一致。

EC值可直接反映堆体腐熟物料的盐离子含量，在一定程度上可以作为评估最终产品能否引起植物毒性、抑制植物生长的指标^[22]，且与堆肥产品的稳定性呈显著负相关关系^[23]。有研究表明，菌剂本身的结构也可在一定程度上降低发酵物的盐离子含量^[24]。试验堆肥发酵第45天时，CM、MB、BA、CK处理的堆体EC值分别为0.58、0.56、0.61、0.66 mS/cm；CM、MB、BA、CK处理的堆肥达到腐熟标准时的EC值分别为0.57、0.58、0.60、0.60 mS/cm，各处理间无显著性差异，且与堆肥发酵第45天时的无显著性差异。这表明添加外源菌剂在降低有机肥含盐量的效果上仍不明确，还需进一步研究确定。

种子活性可以证明堆肥产品的安全性，被认为是可靠的堆肥腐熟评价指标^[25]，因此GI值可直接反映堆肥的腐熟程度^[26]，NY/T 525—2021规定有机肥产品GI值要达到并超过70%。试验采用黄瓜种子，对CM、BA处理在堆肥发酵24 d后的有机肥产品的GI值进行检测，分别为85.88%和97.06%，达到标准要求；CK处理堆肥发酵27 d的GI值为84.61%，CM、BA处理的GI值高于CK处理的，且BA处理的GI值显著高于CK处理的。研究表明，添加外源菌剂有利于物料降解，降低了产品的EC值^[27]，从而降低了有机肥产品对作物的毒性，这可能是发芽率提高的重要原因。但试验中所有处理的EC值与CK处理的并无显著性差异，因此添加外源菌剂影响种子发芽率的原因仍有待进一步探讨。

4 结语

添加外源菌剂可缩短鸡粪堆肥发酵时间，比CK处理提前3 d完成发酵。CM、MB、BA和CK处理的堆体高温阶段持续时间分别为10、8、5、5 d，鸡粪发酵专用菌剂处理的堆体高温阶段维持时间最长。不论添加菌剂处理还是无菌剂处理，鸡粪堆肥产品质量无显著性差异。

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