堆肥发酵是目前资源化处理畜禽粪便的一种重要技术，而在堆肥发酵过程中接种外源微生物也逐渐成为国内外学者的研究热点(沈根祥等，2009).例如，黄懿梅等(2002)通过向鸡粪中添加微生物菌剂与自然堆肥进行比较，结果表明，在堆肥中添加一定量的微生物菌剂，对堆肥温度具有明显的促进作用，能加速堆肥进程.周丽娜等(2012)通过向鸡粪中接种微生物菌剂研究微生物菌剂对堆肥养分组成变化的影响，结果发现，添加微生物菌剂组氮素含量、有效磷含量均有所提高，速效钾含量无明显变化.同时，在堆肥过程中添加微生物菌剂还能够减少氨气、硫化氢等刺激性气体的挥发.随着微生物菌剂优势的不断显现，微生物菌剂的种类也日益增加，据报道，我国生产微生物菌剂的厂家已超过2000家(辛世杰等，2011).而北方地区低温期较长，中温微生物在低于5 ℃时不能代谢外源物质(韩晓云等，2003)，因而常温和高温微生物菌剂不能充分发挥其功效.如何处理北方地区低温下的畜禽粪便污染已成为亟待解决的问题.

因此，本试验采用低温复合菌剂接种牛粪堆肥，并与常温微生物菌剂和自然堆肥进行对比，对堆肥温度、含水率、pH、C/N、全磷、硝态氮、铵态氮及种子发芽指数进行分析，以揭示低温条件下接种低温复合菌剂的可行性与优越性，同时探索低温复合菌剂与普通菌剂在发酵过程中的差异.

牛粪为采自吉林农业大学牛场的新鲜粪便，秸秆采自吉林农业大学试验田，粉碎为3 cm左右.微生物菌剂：低温复合菌剂由课题组所筛选的低温菌种进行组配，包括酵母菌、枯草芽孢杆菌、青霉菌、花斑曲霉、短波假单胞菌(5株均为耐冷菌株，生长温度范围为0~30 ℃，在低温下可以正常生长并分泌纤维素酶(酵母菌除外))，有效活菌数调制为≥10⁸个· mL^-1.常温微生物菌剂购于河南省鹤壁市人元生物技术发展有限公司.

堆肥装置：聚乙烯塑料桶(有保温功能)桶高1.2 m，直径80 cm，桶身上中下相对位置打孔，插入带有一排孔洞的PVR管(通风供氧).

试验设计共3组，分别为实验组、对照组、空白组(每组3个重复).每组均用新鲜牛粪与玉米秸秆按体积比6 ∶ 4进行配比，使水分控制在55%左右.其中，实验组接种1‰的低温微生物菌剂，对照组接种1‰的常温微生物菌剂，空白组接种1‰的无菌水.充分混匀后分别装入堆肥装置中.试验时间为2012年2月10—4月10日，实验地点为吉林农业大学动物科学技术学院实验棚，试验期间每3 d翻堆(用小铁锹上下搅拌)1次，实验后期适当补水.供试堆肥材料的理化性质见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 供试堆肥材料的理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the tested material

表 1 供试堆肥材料的理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the tested material 原料 C/N pH 含水量 全氮 全磷 鲜牛粪 25.17 7.38 69.51% 1.75% 0.94% 秸秆 39.64 - 29.13% 0.45% -

堆肥样品的采取：每3 d取样1次，在上、中、下3点随机取样，并用四分法混合均匀，每点取样100 g左右，分成2份.其中一份于4 ℃冰箱中保存，制取堆肥水浸提液，测定pH和种子发芽指数；另一份风干后粉碎过40目筛，用于全氮、有机碳、铵态氮、硝态氮、全磷的测定.

温度测定：温度计插入距离堆体顶部50 cm处测量温度，上、下午各测1次(上午9：00和下午4:00)，两次测量的平均值作为堆体的温度，同时记录周围环境的温度.pH测定：鲜样品和去离子水按固液比为1 ∶ 10(g/mL)在摇床振荡浸提1 h，然后在4000 r·min^-1下离心10 min得到堆肥水浸提液，用pH计测定并记录.氮的测定采用凯氏定氮法，有机碳的测定采用重铬酸钾外浴加热法，铵态氮测定采用奈氏比色法，硝态氮测定采用KCl 浸提紫外分光光度法，磷的测定采用钒钼酸铵比色法.

种子发芽指数(GI)的测定参考文献(李玉红等，2006)方法，并做适当改进：把一张大小合适的滤纸放入干净无菌的培养皿中，均匀放入10粒黄豆种子，吸取10 mL的浸提液于培养皿中，以蒸馏水作对照，每个处理3次重复，在30 ℃的恒温培养箱中培养48 h，测定种子发芽率和根长，然后按以下公式计算种子的发芽指数GI：

式中，G_T、G_CK分别为处理组和对照组的平均发芽率，L_T、L_CK分别为处理组和对照组的平均根长.

发酵过程温度的变化如图 1所示，堆肥开始时，外界环境温度为-13 ℃，堆体温度为-8 ℃左右，实验组第3 d温度升到0 ℃以上，堆肥第11 d进入高温期，温度在50 ℃以上维持了9 d，最高温度达到62 ℃，第51 d堆肥基本完全结束，温度比环境温度略高；对照组第12 d时温度升到0 ℃以上(外界环境温度已接近0 ℃)，在第25 d进入高温期，最高温度为63 ℃，高温期维持了9 d，第60 d堆肥结束；而空白组一直未进入高温期，堆体温度更接近环境温度.根据国家卫生合格标准(GB7959—2012)，堆体温度在55 ℃条件下保持3 d以上(或50 ℃以上保持5~7 d)，是杀灭粪便中致病菌和寄生虫卵的重要条件.本研究结果显示，实验组和对照组均达到无害化腐熟标准.

图 1(Fig. 1)

图 1 堆肥过程中温度的变化 Fig. 1 Changes in temperature during the composting process

由图 2可知，3个处理组的初始pH值分别为7.38、7.41、7.35.堆肥发酵初期，实验组pH在第9 d降到7.15，对照组在第15 d降到7.11，而空白组无明显变化趋势，实验组和对照组pH下降时间均是在进入高温期的前期.随着堆肥的进行，实验组pH在堆肥第27 d达到最高值8.35，对照组pH在第39 d达到最高值8.44.当堆肥进入发酵后期时，实验组和对照组pH均降到初始水平左右，分别为7.51、7.48.

图 2(Fig. 2)

图 2 堆肥过程中pH的变化 Fig. 2 Changes in pH during the composting process

由图 3可知，实验组、对照组和空白组的初始C/N值分别为31.48、31.36、30.98，高于理想范围16~20.随着堆肥的进行，实验组C/N从第12 d开始下降，对照组从第18 d开始下降，而空白组变化不大.在堆肥后期，实验组和对照组的C/N分别在第30 d和第36 d降到20以下，分别为15.8和15.2，因此，可以认为实验组和对照组堆肥已经腐熟.而空白组至堆肥结束时C/N仍为27.2，与初始值相比变化不大.

图 3(Fig. 3)

图 3 堆肥过程中C/N的变化 Fig. 3 Changes in C/N during the composting process

如图 4所示，堆肥开始时实验组、对照组、空白组的全磷含量分别为1.01%、1.08%、1.11%，在整个堆肥过程中全磷含量均呈现上升趋势，至堆肥结束时实验组全磷含量为2.49%，对照组全磷含量为2.35%，空白组全磷含量为1.24%.整体来说，全磷的绝对含量有所增加，但增长幅度较小.

图 4(Fig. 4)

图 4 堆肥过程中全磷含量的变化 Fig. 4 Changes in Total P content during the composting process

由图 5可知，实验组铵态氮(NH⁺₄-N)在第18 d达到峰值2734 mg·kg^-1，对照组在第24 d达到峰值2644 mg·kg^-1，空白组在堆肥后期出现了一些波动，并无太大变化.实验组和对照组的峰值均出现在堆肥高温期之后，且实验组比对照组提前6 d.堆肥结束时，实验组、对照组和空白组铵态氮含量分别为670、450和1500 mg·kg^-1.

图 5(Fig. 5)

图 5 堆肥过程中铵态氮含量的变化 Fig. 5 Changes in NH+4-N content during the composting process

由图 6可知，堆肥过程中硝态氮(NO^-₃-N)含量一直呈上升趋势，堆肥后期略有下降.实验组和对照组硝态氮含量均在堆肥的第42 d达到最高值，分别为1370、1300 mg·kg^-1.随着堆肥的进行，在硝化细菌作用下，部分NH⁺₄-N转化为NO^-₃-N，以致于堆肥后期NO^-₃-N呈现升高的趋势，而NH⁺₄-N稳步减少.至堆肥后期，实验组、对照组、空白组硝态氮含量均有所提高，其中，实验组和对照组提高较多.

图 6(Fig. 6)

图 6 堆肥过程中硝态氮含量的变化 Fig. 6 Changes in NO-3-N content during the composting process

由图 7可知，堆肥初期，实验组、对照组、空白组的种子发芽指数变化(GI)都不大.实验组种子发芽指数在第24 d达到50%，对照组在第30 d才达到50%以上，空白组一直没有达到50%.随着堆肥的进行，种子发芽指数逐渐上升，实验组上升幅度较大，至堆肥结束时，实验组的种子发芽指数为92%，对照组为85%，空白组为46.4%.研究表明，当发芽指数达到80%~85%时，可以认为堆肥已经达到腐熟并且没有植物毒性(Zucconi et al., 1981).依照此标准，实验组和对照组均已经达到腐熟.

图 7(Fig. 7)

图 7 堆肥过程中种子发芽指数的变化 Fig. 7 Changes in GI during the composting process

温度是影响堆体内微生物活性的重要因素，也是堆肥进程的宏观反映(李承强等，1999).堆肥发酵最关键的问题是起温，目前市面上的中高温菌剂在低温下难以发挥作用，因此，低温微生物的开发与应用成为解决问题的关键.籍宝霞等(2009)通过向微生物菌剂中添加部分低温菌来处理鸡粪，在日平均气温5~8 ℃下，48 h启动发酵，10~12 d进入高温期，最高温度为70 ℃.何惠霞等(2007)在0 ℃以下通过接种复合发酵剂进行牛粪堆肥发酵，结果显示，接种复合发酵剂组48 h后堆体温度达到55.8 ℃，发酵周期缩短12 d.本试验利用自制的低温复合发酵剂在-13 ℃下接种牛粪进行堆肥发酵，结果显示，堆体48 h起温，第11 d进入高温期，最高温度达到62 ℃，高温期维持了9 d.再通过与常温菌剂组对比发现，低温菌接种堆肥可以在较低温度下启动发酵，加速堆肥进程.在本试验堆肥的降温阶段，实验组较对照组降温缓慢，分析原因可能是堆肥后期堆体温度大幅度降低，高温阶段后尚存活的低温菌再次生长产生部分热量维持了堆体温度；同时，菌剂中的低温纤维素分解菌又可以进一步分解未降解完全的纤维素等大分子物质.由此说明低温复合发酵剂不仅在起温阶段发挥着功效，对堆体后期进一步腐熟也贡献了一定的力量.

pH值不仅影响有机物质、矿物质的分解及微生物生命活动的强度，而且直接影响酶参与的生化反应速度(王川等，2011).堆料中的pH过高或过低都会影响到整个堆肥的进程和最后堆肥产品的品质.一般堆肥发酵的pH在中性和弱碱性时，可获得最大的堆肥效率.本试验各处理的 pH 均呈现先下降后上升再下降的趋势.添加菌剂组的pH下降时间均是在进入高温期的前期，分析原因可能是接种微生物菌剂，使大量微生物增殖分解有机物产生有机酸所致.随着堆肥的进行，由于温度升高促使小分子有机酸挥发，同时，含氮有机物质分解产生的氨使堆料的pH迅速升高.当堆肥进入发酵后期时，随着氨的挥发、蛋白质等含氮物质的降解、硝化作用及有机酸的产生，使pH再次降低(Eklind et al., 2000)，至堆肥结束时实验组和对照组pH均降到稍高于初始pH的水平，这与魏彦红等(2012)的研究结果相吻合.

堆肥发酵的另一个目的是把废弃物转变为无污染、无植物毒性的有机肥料.刘克锋等(2003)以微生物菌剂接种猪粪堆肥来研究微生物菌剂对堆肥质量的影响，结果表明，接入菌剂不仅能降低堆肥物质的生物毒性和重金属含量，而且有利于保存和矿化猪粪堆肥中的养分.贾聪俊等(2011)通过向猪粪中接种微生物混合菌剂来研究微生物菌剂对猪粪堆肥效果的影响，结果表明，接种微生物混合剂能显著增加肥料氮素含量，并保持磷素不损失.本试验结果显示，堆肥结束时硝态氮含量大幅度上升，种子发芽指数明显提高.但在氮磷含量提高的幅度上看，与以上报道还稍有差距，可以通过添加固氮菌和解磷菌来改善肥效.

1)实验组能够在堆肥前期温度较低的情况下启动发酵，接种常温菌剂的堆体在0 ℃以上才开始发酵，而自然堆肥组一直未进入高温期，说明低温发酵剂能够在低温下使堆体迅速升温，加速堆肥进程.

2)至堆肥结束时，添加菌剂组铵态氮含量明显降低，硝态氮含量增高，说明微生物菌剂在堆肥前期能加速有机物的降解，而且能够促进堆肥后期的腐熟.

3)实验组的种子发芽指数为92%，对照组为85%，空白组为46.4%，说明添加低温复合菌剂的堆肥腐熟度更高，植物毒性更小.

4)通过本试验还发现，牛粪性冷，不易起温，应适当扩大堆体体积，以有利于堆体保温；低温复合发酵剂中大部分为低温菌，在高温期作用不明显，应适当筛选高温菌进行组合.