陳金峰　黃麗麗　何慧中　劉可星　孫映波　趙超藝　朱根發(fā)

摘 要 為能更科學合理地利用桉樹皮生產植物育苗基質，從物理化學和微生物學角度研究了添加活性微生物菌劑和氮源對桉樹皮堆肥過程的影響。結果表明：化學處理（氮源）和生物-化學聯合處理（氮源+菌劑）的pH先下降后上升，EC持續(xù)下降；氨氮質量分數先增加后降低，而硝態(tài)氮的質量分數在試驗期間總體上一直處于增加趨勢；全磷和全鉀的質量分數到試驗結束時均有所增加；纖維素和木質素降解迅速；細菌數量在最高溫出現之后迅速增殖，真菌數量呈現先增加后降低的趨勢。生物處理（菌劑）對桉樹皮堆肥作用有限。在化學處理基礎上添加菌劑，降低了堆肥材料的電導率和硝態(tài)氮的質量分數；促進了全鉀的積累；對桉樹皮纖維素和木質素的降解無明顯作用；促進了可培養(yǎng)細菌的增殖，但對可培養(yǎng)真菌有拮抗作用。

關鍵詞 桉樹皮；物理化學性質；纖維素；木質素；細菌；真菌

中圖分類號 S792.39 文獻標識碼 A

隨著以泥炭、珍珠巖、蛭石為原材料的傳統型輕型基質資源的日益枯竭，迫切需求可再生的替代原料。農林生物質是一種物美價廉的可再生資源，應用農林廢棄物生產輕型基質已成為目前科學研究的前沿，農林廢棄物開發(fā)利用的比例和應用范圍不斷擴大。堆肥是可持續(xù)利用農林廢棄物的重要方法，但目前研究相對較多的主要有稻殼、花生殼、蔗渣、椰糠、麥秸稈和玉米秸等，對桉樹皮堆肥的研究仍不多。

中國是桉樹（Eucalyptus spp.）種植大國，每年都會產出大量桉樹皮。據中國林學會桉樹專業(yè)委員會統計，截至2013年8月中國桉樹人工林的面積已達450萬hm2，遠遠超越了桉樹原產國澳大利亞（926 hm2）[1]。中國桉樹年采伐量約為10%，即年采伐量45萬hm2，每公頃產木材100～120 t，桉樹皮質量分數為12%～15%[2]，若按此估算，中國每年可產生桉樹皮540～810萬t。目前中國桉樹主要用來造紙、制纖維板、木片、膠合板和提煉桉樹油等[3]，期間產生的大量桉樹皮大多被隨地丟棄、任其腐爛，甚至放火燒掉，桉樹皮資源被大量浪費，不但污染了環(huán)境，還與目前的清潔生產和循環(huán)經濟的要求背道而馳。

利用桉樹皮堆肥生產植物育苗基質是合理利用桉樹資源、解決桉樹皮隨意丟棄所造成環(huán)境污染的重要措施之一。近年來已有關于利用桉樹皮生產育苗基質進行育苗的報道，張沛健等[4]對桉樹皮堆漚過程中容重、孔隙度、電導率、陽離子交換量等物理化學性質的研究；Hardy和Sivasithamparam[5]對桉樹皮堆漚過程中微生物、物理化學性質變化規(guī)律的研究。盡管如此，因不同研究采用的方法和目的不同，對于桉樹皮堆肥過程的研究仍需要進一步加強。本文研究了生物處理（生物活性菌劑）、化學處理（氮源）和生物-化學聯合處理（生物活性菌劑+氮源）對桉樹皮堆肥過程中氮磷鉀營養(yǎng)元素質量分數、木質素、纖維素降解和微生物群落數量的影響，旨在進一步為桉樹皮資源的科學合理應用提供基礎依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用桉樹皮來自惠州市橫瀝鎮(zhèn)，pH7.27，電導率（EC）為820 μs/cm，全碳質量分數為44.84%，全氮質量分數為0.43%，氨氮質量分數為6.24 mg/kg，硝態(tài)氮質量分數為244.51 mg/kg，全磷質量分數為0.51%，全鉀為0.41%。桉樹皮碳氮比為104.28。試驗中所用氮源為碳銨，添加菌劑為人工配制復合菌劑。

1.2 方法

1.2.1 復合菌劑配制 所有菌種均來自華南農業(yè)大學新肥料資源研究中心。其中綠色木霉菌（Trichoderma viride）、黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）、啤酒酵母（Saccharomyces revisiae）、假絲酵母（Candida tropicalis）、解朊假絲酵母（Candida famata）用PDA液體培養(yǎng)基培養(yǎng)；枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、巨大芽孢桿菌（Bacillus magaterium）、膠質芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus）用牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基培養(yǎng)；5406菌種用高氏1號液體培養(yǎng)基培養(yǎng)。挑取菌落，將各個菌種分別放入150 mL三角瓶中，加入50 mL液體培養(yǎng)基，在150 r/min，28 ℃條件下發(fā)酵72 h，制成單一菌劑，發(fā)酵完成時各菌體含量高于1×108 cfu/mL，然后等體積混入三角瓶中，制成復合菌劑。

1.2.2 試驗設計 試驗堆體大小為1 m3，共設3個處理，分別為：生物處理，即單純接種菌劑處理（T1）、化學處理，即單純添加氮源處理（T2）和生物-化學聯合處理，即菌劑與氮源聯合處理（T3），以桉樹皮原樣為對照（CK），每處理1個堆體。其中T1和T3處理的菌劑接種量為0.1%（質量比）。T2和T3處理加入1.8 kg碳銨，使T2和T3處理的碳氮比為30左右，加水使各處理水分質量分數在60%左右，試驗開始后根據堆體溫度情況分別在第8、15、22、28 d翻堆。

1.2.3 分析方法 堆肥共持續(xù)30 d，每天15 ： 00左右，從堆體上部插入溫度計至堆體內部中心，記錄堆體溫度。分別在第8、15、22、28天，在堆體中心下部20 cm處，四點采樣法取樣，充分混勻帶回實驗室，平均分成3份，分別測定理化指標。其中pH采用pH計測定，電導率（EC）采用電導率儀測定，物料 ∶ 水體積比為1 ∶ 6；銨態(tài)氮采用靛酚藍比色法；硝態(tài)氮用KCl浸提，后在220 nm和275 nm處進行比色分析；全磷和全鉀參照農業(yè)行業(yè)標準NY 525-2012《有機肥料》[6]，采用全氮磷鉀硫酸-過氧化氫消煮法測定；纖維素和木質素采用前人方法測定[7]；細菌和真菌數量用稀釋平板計數法測定。

1.3 數據分析

數據用IBM SPSS Statistics 19.0（IBM Corporation，Armonk，NY，United States）進行統計分析，采用p=0.05水平表征處理間差異的顯著與否。以Origin 8.5（OriginLab Corporation，Northampton，MA，United States）作圖。

2 結果與分析

2.1 桉樹皮堆肥過程中溫度變化

桉樹皮堆肥過程中各個處理的溫度變化見圖1。由圖1可以看出，在堆漚的前8 d，T2和T3的溫度不斷上升，至第8天時分別達到最大值55.2 ℃和54.3 ℃。翻堆后溫度有所下降，以后歷次翻堆2處理的溫度均有微略上升，然后再次下降。在最高溫之后，T2和T3處理的溫度一直處在32.9～51.7 ℃和32.5～50.7 ℃之間。T1處理溫度與對照相比無明顯變化。

2.2 桉樹皮堆肥過程中pH和EC變化

桉樹皮堆肥過程中pH和EC變化見圖2。從圖2可以看出，由于碳銨水溶液具有較強的堿性，T2和T3處理在加入碳銨后第8天的pH（8.94）仍顯著高于對照（p<0.05）。其后T2和T3處理的pH開始不斷下降，到第22天時已經顯著低于對照處理（p<0.05），至堆肥結束時，T2和T3處理的pH略有所上升（7.03）。T1處理的pH始終在7.5上下浮動，相對對照無大的變化。單純添加菌劑并不會引起堆體pH的變化，添加碳銨則會引起堆體pH大幅度變動，隨著堆體內微生物活動，T2和T3處理的pH在堆漚前后也發(fā)生了大幅度變化。

在第8天T2和T3處理的EC均遠遠高于對照，隨后T2和T3處理的EC值不斷下降。T3處理的EC值始終低于T2處理，從第15天開始兩處理之間EC出現顯著性差異（p<0.05）。T1處理的EC自始至終無明顯變化。

2.3 桉樹皮堆肥過程中氮磷鉀營養(yǎng)元素變化

桉樹皮堆肥過程中氮磷鉀營養(yǎng)元素變化見圖3。由圖3可以看出，從第8～13天，T2和T3處理的氨氮質量分數均呈現上升的趨勢，在此之后逐漸降低到210 mg/kg左右，T2和T3之間無顯著性差異（p>0.05）。T1處理因未添加碳銨，其氨氮質量分數在試驗期間變化不大。與此同時，T2和T3處理的硝態(tài)氮質量分數也整體上呈現增加的趨勢，到試驗結束時T2和T3處理的硝態(tài)氮質量分數已經遠遠多于第8天，T2和T3處理間也產生了顯著差異，T3處理的硝態(tài)氮水平顯著低于T2處理（p<0.05）。

T1、T2和T3處理的全磷質量分數均隨堆漚時間持續(xù)增加，到試驗結束時總磷質量分數分別為0.64%、0.64%和0.63%，3種處理的全磷均高于對照（0.59%），但未表現出統計學差異，說明這3種處理對總磷的質量分數影響不大。

T2和T3處理全鉀的質量分數不斷增加，至第30天時分別達到了0.51%和0.54%。T3處理全鉀的質量分數始終都高于T2處理，到試驗結束時T3處理全鉀質量分數已顯著大于T2處理（p<0.05），說明在有充足氮源條件下，接種功能微生物促進了基質中鉀元素的積累。

2.4 桉樹皮堆肥過程中纖維素和木質素變化

桉樹皮堆肥過程中纖維素和木質素變化見圖4。由圖4可以看出，桉樹皮原樣中纖維素的質量分數為42.4%，在堆肥進行至第8天時，各個處理的纖維素質量分數尚未發(fā)生明顯變化，但自此之后T2和T3處理的纖維素質量分數迅速下降，至試驗結束時已分別下降到18.4%和18.3%，相比對照分別減少了55.6%和55.8%，T2和T3處理、T1和對照之間在整個堆肥過程中均未表現出顯著性差異（p>0.05），說明接種處理并未對桉樹皮的纖維素降解產生效果，氮素缺乏限制了桉樹皮纖維素的降解。

同纖維素的降解規(guī)律一樣，在第8天時木質素尚未發(fā)生明顯的降解。之后，T2和T3處理的木質素質量分數迅速下降，分別從第8天的33.6%和33.2%降低至第30天的18.4%和18.8%，相比對照分別降低了45.9%和44.7%，T2和T3處理、T1和對照之間在整個堆肥過程中無顯著性差異（p>0.05），同樣說明接種的微生物未對桉樹皮的木質素降解產生效果。

2.5 桉樹皮堆肥過程中微生物群落變化

桉樹皮堆肥過程中微生物群落變化見圖5。由圖5可以看出，在堆肥第8天時T2和T3處理的細菌數量顯著低于對照（p<0.05），但是自此之后細菌的數量呈指數增加。到第22天時T2處理的細菌數量達到最大值1.14×1010 cfu/g，到第30天試驗結束時，略微下降；T3處理的細菌數量一直不斷增加，在第30天達到最大值（1.26×1010 cfu/g），此時T3處理細菌數量顯著大于T2處理（p<0.05）。T1處理的細菌數量除在第8天時比對照低以外，在其它時間內均大于對照處理，表明外接細菌在T1處理中還是有所增殖。

T1、T2和T3處理的真菌數量在第8天時就顯著高于對照（p<0.05），此后這3個處理的真菌數量均呈現出了先增加后減少的趨勢，盡管T2、T3處理與T1處理真菌的數量不在一個數量級上。T2和T3處理的真菌數量最大值均出現在第22天，分別為1.31×1011和1.37×1011 cfu/g。T2和T3處理的真菌數量在最大值出現之前無顯著差異（p>0.05），但在堆肥結束時T3處理的真菌數量出現了顯著低于T2處理的情況（p<0.05）。

3 討論與結論

3.1 討論

溫度是堆肥過程中的重要物理指標，溫度的高低反映微生物代謝的強弱，同時也對微生物種群起著選擇作用[8]。在堆肥初期，微生物活動旺盛，產生大量的熱量殺死病原微生物、蟲卵和雜草種子等，同時也使得堆肥基質中的微生物群落由嗜熱菌到嗜溫菌轉變。堆肥過程中，要使微生物達到最高的降解效率和維持最大的生物多樣性，堆體溫度最好處于30～45 ℃之間[10]。本試驗中，T2和T3處理的溫度大部分時間都處在這個溫度范圍內。

有機物料通常能在較寬的pH值（3～11）范圍內進行堆肥，最佳范圍在5.5～8.0[9]，盡管在處理前期T2和T3堆體的pH高于最適范圍，但在中后期均在最適范圍之內。T2、T3的pH先降后升，張沛健等[4]和Liu等[11]在分別堆漚桉樹皮、牛糞-稻殼混合物時，均發(fā)現了相似的pH變化現象，這可能是由于在堆漚前期微生物分解有機質產生大量小分子有機酸的緣故。

EC值反映堆肥物料中可溶性鹽的含量。T2、T3處理的EC值在整個堆肥過程中不斷降低，這可能是由堿性條件下氨氣揮發(fā)，微生物對無機氮素的同化作用及人為的加水稀釋作用共同造成的。單純添加菌劑不會引起堆體EC的變化，在有氮源補充的條件下添加菌劑降低了EC值，這可能跟T3處理的微生物消耗了更多的可溶性鹽有關。

T2和T3處理氨氮和硝態(tài)氮彼此消漲的現象與Liu等[10]在堆漚牛糞和稻殼混合物時所發(fā)現規(guī)律一致。在有機質堆肥的初期階段，微生物首先分解利用易降解的蛋白質和糖等產生游離銨，造成堆體中氨氮質量分數升高，隨后氨氮被硝化細菌有氧代謝成硝酸鹽，進而導致氨氮的質量分數不斷下降，硝態(tài)氮質量分數增加。在有機質堆肥過程中，微生物代謝活動產生大量的CO2釋放到大氣中，碳流失會導致堆體中磷素的濃縮效應，使得基質中全磷質量分數增加[11]。T2和T3全鉀含量的提高也是由于碳流失的濃縮效應造成。

纖維素的降解一般由真菌完成，也有細菌和放線菌，木質素的降解則主要由真菌完成[12]。在堆肥初期細菌、真菌和放線菌等微生物尚處在增殖初期，主要利用堆體中易被利用的蛋白質、氨基酸和糖類物質，尚未大規(guī)模利用纖維素和木質素作為碳源，從而造成在此階段纖維素和木質素降解速率緩慢，但是隨著微生物的大量繁殖、堆體溫度的升高和易被利用物質的消耗，微生物開始轉向氧化分解纖維素和木質素等較難降解的物質，造成纖維素和木質素的質量分數不斷下降。但添加菌劑并未對桉樹皮纖維素和木質素的降解產生明顯影響，說明纖維素和木質素的降解由桉樹皮攜帶的微生物完成。另外，纖維素一般較易被微生物降解，木質素則較難，本試驗中木質素降解程度低于纖維素說明了此問題。

碳氮比是影響真菌生長的一個重要因素，盡管某些真菌需要在較低氮源條件下生長，降解木質素，但是絕大多數真菌還是需要適宜的氮素水平[13]，低氮素水平往往不利于真菌對木質素的降解。T1處理盡管添加了菌劑，但是木質素降解效率低下，這是缺少氮源的緣故。在桉樹皮堆肥中，添加適量氮源是促進桉樹皮木質素降解的首要選擇。

在有機物料堆肥初期，細菌和真菌可利用有機物料中易降解的有機質大量繁殖，數量迅速增加，同時堆體溫度也不斷升高[12]。本試驗中最高溫度出現在第8天，而此時細菌、真菌的數量均很低，此后才呈現迅速增長的趨勢，這是由于在升溫過程中，大多數嗜溫菌死亡，僅剩下少數能耐受高溫的嗜熱菌造成的，隨著堆體溫度的降低嗜溫菌重新繁殖，致使其種群不斷擴大[14]。

大部分真菌屬于嗜溫真菌，其最適生長溫度在25～30 ℃之間[15]，高溫條件不利于真菌的生長，因此在堆肥的第8天真菌的數量較少。在第22天時堆體溫度仍然在真菌適宜生長的溫度范圍內，但由此開始T2和T3處理的真菌數量出現了下降。這種下降不可能是由溫度因素引起，在堆肥處理中微生物自身代謝產生的代謝產物也會對其生長產生影響，例如真菌分解木質纖維產生的葡萄糖過剩也會抑制真菌纖維素酶的活性[16]。本試驗中T2和T3處理的真菌降解纖維素和木質素旺盛，其終產物葡萄糖的過量積累有可能也影響到了真菌的生長。另外，不同微生物類群間的拮抗作用也會導致微生物種群的此消彼長。在試驗后期T3處理的真菌數量顯著低于T2處理（p<0.05），這可能與T3處理細菌群落大量繁殖有關，在底物有限的情況下真菌的繁殖受到了一定程度的抑制[12]。

3.2 結論

（1）單純添加菌劑處理，對桉樹皮堆體的理化性質和微生物特性影響不大，添加充足的氮源是桉樹皮堆肥的必要手段。

（2）在有充足氮源的情況下，添加活性菌劑能夠降低堆肥材料的電導率，促進全鉀積累，細菌增殖，但會降低硝態(tài)氮的形成，抑制真菌的繁殖。

（3）盡管添加菌劑在堆肥后期影響了真菌的繁殖使真菌的數量顯著下降，但并未對桉樹皮纖維素和木質素的降解效率產生影響。

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