曾 祥，江友峰，楊明開，程利芳羽，蔡江波，鄭博文，冉雪松，王 巖，胡曉娜

（1.貴州茅臺酒廠（集團）循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)投資開發(fā)有限公司，貴州 遵義 563100；2.貴州省白酒制造業(yè)創(chuàng)新中心，貴州 仁懷 564500；3.鄭州大學 生態(tài)與環(huán)境學院，河南 鄭州 450002）

我國每年白酒酒糟產(chǎn)排量在2 000 萬～3 000萬t[1]。酒糟具有含水率高、酸度高、有機物含量高、易腐敗等特點，若未得到適當處理將會嚴重污染環(huán)境。酒糟含有脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素、維生素、微量元素等豐富的營養(yǎng)成分，因此，該類有機固體廢棄物具有極大的資源化潛力[2]。

目前，對白酒酒糟進行資源化利用的方式主要為飼料化、肥料化、基質(zhì)化、能源化和原料化等[3]。其中，高溫好氧堆肥能在好氧條件下利用微生物將有機物降解和轉(zhuǎn)化，形成穩(wěn)定的堆肥用于改良土壤和提高作物產(chǎn)量。該技術(shù)不僅可實現(xiàn)酒糟的減量化、無害化和資源化，而且可促進原料生產(chǎn)與白酒釀造之間的營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，是實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的有效途徑，但目前針對如何提高白酒酒糟堆肥腐熟度的研究仍不夠深入。

堆肥微生物的繁殖和活性需要適宜的環(huán)境條件，如適宜的pH 值、氧氣含量等。酒糟pH 值通常在3.4～4.0，不利于微生物生長。此外，酒糟黏性較強，不利于氧氣擴散，從而限制了好氧堆肥微生物的活性?？傊?，酒糟的特性不利于酒糟堆肥高效進行及堆肥快速腐熟[4]。WANG 等[5]通過添加堿性物質(zhì)如氧化鈣等提高酒糟原料的pH 值，促進了堆肥快速啟動和進行。張林利等[6]、王強義等[7]通過向酒糟中添加秸稈、鋸末等農(nóng)業(yè)廢棄物，增加堆肥原料的孔隙度，為微生物提供充足的氧氣促進好氧代謝。在適宜的堆肥條件下，添加外源菌劑是加快堆肥進程和提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段。多數(shù)關(guān)于堆肥菌劑的研究主要針對農(nóng)林廢棄物、禽畜糞便等，針對酒糟的研究較少[8-9]。吳耀領(lǐng)等[10]從酒糟中篩選出3 株高效的纖維素降解菌，有效提高了酒糟堆肥的纖維素降解性能。楊新等[11]向白酒酒糟中添加復合菌劑，在50 ℃下進行試驗，經(jīng)7 d 培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，菌劑添加使種子發(fā)芽指數(shù)提高到了70%以上，但該菌劑在長期酒糟堆肥過程中的作用未得到驗證。菌劑添加對酒糟堆肥腐熟度影響的研究尚不充分，因此，需要進一步研究菌劑尤其是復合菌劑添加效果以提高酒糟堆肥產(chǎn)品的性能。鑒于此，擬以茅臺酒廠酒糟為主要原料，通過添加鈣鎂磷肥調(diào)節(jié)pH 值、添加曲草調(diào)節(jié)通氣性，研究復合菌劑添加對堆肥過程和腐熟度的影響，以期為白酒酒糟資源化利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

堆肥主要原料為醬香型白酒酒糟、曲草和鈣鎂磷肥。酒糟和曲草均取自貴州茅臺酒股份有限公司。酒糟的基本理化性質(zhì)如表1 所示；曲草為制曲后的風干廢棄稻草，含全氮14.32 g/kg、有機碳228.27 g/kg，粉碎至2～3 cm 后使用。鈣鎂磷肥從湖北禹輝華龍有限公司購得，pH 值11.02，含P2O515%。

表1 白酒酒糟的理化性質(zhì)Tab.1 Physicochemical characteristics of distiller’s grains

構(gòu)建促進酒糟堆肥腐熟的復合菌劑所用的微生物包括耐酸且具有機物降解功能的釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）及耐堆肥高溫的枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）[12-13]。上述3 種微生物菌劑均為粉末狀，購自安琪酵母股份有限公司和山東益昊生物科技有限公司。3 種微生物菌劑的菌落形成單位數(shù)量分別為2×1010、1×1010、1×1010cfu/g，按1∶1∶1 將其混合后配制復合菌劑，以鮮酒糟質(zhì)量的0.1%添加到堆體中。

1.2 試驗設(shè)計與樣品采集

設(shè)置2 組處理，分別為對照組（CK）和復合菌劑組（M），每組包括3 次重復。CK：每個堆體含有400 kg 新鮮酒糟，添加10 kg 曲草調(diào)節(jié)通氣性，同時添加20 kg鈣鎂磷肥調(diào)節(jié)pH 值；M：在CK 的基礎(chǔ)上，添加配制的復合菌劑。

采用人工堆積、自然通風的方法[10]，將物料充分混合均勻后堆置成錐體形狀。堆置期間每天上午10：00 測定堆體溫度，每3 d 人工翻堆一次，監(jiān)測水分含量變化進行補水以維持在45%左右。攪拌均勻后進行多點取樣以提高樣品的代表性和同質(zhì)性。所取樣品一部分于4 ℃保存，另一部分風干、粉碎、過0.2 mm 篩后備用。每3 d 測定一次pH 值和電導率值，每6 d 測定一次銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮和種子發(fā)芽指數(shù)。

1.3 堆肥理化性質(zhì)和種子發(fā)芽指數(shù)測定

溫度采用電子溫度計測定，并計算多點溫度的平均值。取鮮樣于鼓風干燥機中105 ℃烘干，根據(jù)烘干前后物料質(zhì)量差計算堆肥樣品含水率。按照樣品干質(zhì)量與水1∶10對堆肥樣品進行浸提液制備，利用浸提液測定pH 值、電導率值等指標，并進行蘿卜種子發(fā)芽培養(yǎng)，48 h 后測定種子發(fā)芽指數(shù)[14-15]。全氮含量采用H2SO4-H2O2消煮—凱氏定氮法測定[14]，采用納氏試劑分光光度法測定銨態(tài)氮含量，采用酚二磺酸分光光度法測定硝態(tài)氮含量[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016和Origin 2020對數(shù)據(jù)進行處理和分析。在Origin 2020 中采用配對Wilcoxon 符號秩檢驗分析指標之間的差異，顯著水平為0.05。在RStudio 1.4.1717 軟件中利用LinkET 包和Psych 包分析Spearman相關(guān)系數(shù)及其顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 微生物復合菌劑添加對白酒酒糟堆肥溫度的影響

由圖1 可知，酒糟堆肥過程中環(huán)境溫度為24～34 ℃。CK 和M 處理的溫度變化趨勢相似，堆肥過程經(jīng)歷了升溫期、高溫期和降溫期3個階段，符合高溫好氧堆肥的溫度變化特征。堆肥開始后堆體初始溫度為45 ℃，CK 和M 處理的溫度均快速升高，1 d 后分別達到52.7、53.0 ℃，隨后進入高溫期（＞50 ℃）。堆肥1～19 d M 處理堆體溫度顯著（P＜0.05）高于CK，平均升溫速度提高了0.16 ℃/d，表明添加復合菌劑促進了酒糟堆體溫度的升高，有利于加快堆肥腐熟。2 組堆肥均在第25 天達到最高溫度，CK 和M 處理堆體溫度分別為76.3、76.7 ℃。第26天后堆體溫度開始下降，降溫過程持續(xù)至堆肥試驗結(jié)束，該過程中M 處理堆體溫度顯著（P＜0.05）低于CK。

圖1 不同處理白酒酒糟堆肥過程中溫度的變化Fig.1 Temperature changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.2 微生物復合菌劑添加對白酒酒糟堆肥pH值的影響

圖2 為酒糟pH 值隨堆肥時間推移而變化的過程。酒糟的初始pH值為4.20，具有較強的酸性。堆肥過程中2 組堆肥的pH 值均呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢。CK 和M 處理的pH 值在堆肥3 d 后分別快速升高至5.86、6.06，9 d 后分別升高至6.73、7.08。接種復合菌劑顯著（P＜0.05）加快提升了酒糟堆肥1～9 d 的pH 值，pH 值平均增速提高了0.04/d，使堆肥更快達到中性環(huán)境，有利于堆肥微生物繁殖。隨著堆肥進程推移，2 組堆肥堆體的pH 值逐漸升高，均在第27 天達到最高，CK 和M 處理分別為8.33、8.36。之后pH 值開始降低，堆肥結(jié)束時CK 和M 處理堆體pH值分別為8.11、8.09。

圖2 不同處理白酒酒糟堆肥過程中pH值的變化Fig.2 pH value changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.3 微生物復合菌劑添加對白酒酒糟堆肥電導率值的影響

電導率值反映了堆肥過程中可溶性鹽（有機、無機）含量。由圖3 可以看出，2 組堆肥電導率值均表現(xiàn)出先上升后下降、再上升再下降的趨勢。CK和M 處理的電導率值分別在第18、12 天達到最高值，分別為3.97、4.14 mS/cm。堆肥結(jié)束時CK 和M處理的電導率值分別降至2.64、2.40 mS/cm。堆肥3～12 d CK 的電導率值顯著（P＜0.05）低于M 處理，而18～24、30～36 d M 處理的電導率值比CK 低了0.15～0.30 mS/cm，且差異顯著（P＜0.05）。以上表明，添加復合菌劑有利于降低酒糟堆肥后期的電導率值。

圖3 不同處理白酒酒糟堆肥過程中電導率值的變化Fig.3 Electrical conductivity changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.4 微生物復合菌劑添加對白酒酒糟堆肥氮含量的影響

2.4.1 銨態(tài)氮含量的變化 由圖4可知，CK 和M 處理的銨態(tài)氮含量變化均呈現(xiàn)先上升后下降再升高的趨勢。隨著有機氮化合物的分解，2 組處理的銨態(tài)氮含量均在第12 天達到最高值，CK 和M 處理分別為3.30、2.62 g/kg。隨后2組堆肥的銨態(tài)氮含量逐漸下降，并在第30、36 天趨于穩(wěn)定。堆肥12～36 d，M 處理的銨態(tài)氮含量比CK 低了20.81%～33.23%，差異顯著（P＜0.05）。以上表明，添加復合菌劑降低了酒糟堆肥中銨態(tài)氮的積累。

圖4 不同處理白酒酒糟堆肥過程中銨態(tài)氮含量的變化Fig.4 Ammonium nitrogen content changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.4.2 硝態(tài)氮含量的變化 由圖5 可知，酒糟堆肥過程中硝態(tài)氮含量整體上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。CK 的硝態(tài)氮含量在第36 天達到最低值（0.026 g/kg）；M 處理的硝態(tài)氮含量在第24 天達到最低值（0.022 g/kg），隨后略有上升，堆肥結(jié)束時為0.034 g/kg，略高于CK。硝態(tài)氮是微生物硝化作用的產(chǎn)物，以上表明，酒糟堆肥過程中硝化作用較弱，復合菌劑添加對硝化作用的影響較小。

圖5 不同處理白酒酒糟堆肥過程中硝態(tài)氮含量的變化Fig.5 Nitrate nitrogen content changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.4.3 全氮含量的變化 由圖6可知，CK 和M 處理的全氮含量變化趨勢不同。初始全氮含量為37.70 g/kg，隨著堆肥進程推移，2 組堆肥全氮含量在前12 d 逐漸降低。隨后CK 全氮含量上升并趨于平穩(wěn)，堆肥結(jié)束時為36.82 g/kg；M 處理的全氮含量呈現(xiàn)波動，最終為34.13 g/kg。與初始全氮含量相比，CK和M處理的全氮含量分別降低了2.34%、9.47%。

圖6 不同處理白酒酒糟堆肥過程中全氮含量的變化Fig.6 Total nitrogen content changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.5 微生物復合菌劑添加對白酒酒糟堆肥種子發(fā)芽指數(shù)的影響

種子發(fā)芽指數(shù)是反映堆肥腐熟度的重要指標。由圖7可知，CK 和M 處理的發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)相似的變化趨勢。在堆肥的前18 d，2 組堆肥的種子發(fā)芽指數(shù)均在1%以下，表明酒糟對種子發(fā)芽有較強的抑制作用。堆肥24～36 d，2 組堆肥的發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢，且M 處理的發(fā)芽指數(shù)顯著（P＜0.05）高于CK。添加復合菌劑后酒糟堆肥的發(fā)芽指數(shù)于第30天達到70.85%。相比之下，CK 的發(fā)芽指數(shù)較低，在第30 天僅達到47.21%。以上表明，添加復合菌劑顯著（P＜0.05）促進了堆肥腐熟，縮短了堆肥時間。

圖7 不同處理白酒酒糟堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化Fig.7 Germination index changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.6 微生物菌劑添加后白酒酒糟堆肥理化指標與發(fā)芽指數(shù)間的相關(guān)性

利用Spearman 相關(guān)性進一步分析堆肥過程中各理化指標（pH 值、電導率值、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和全氮含量）與種子發(fā)芽指數(shù)間的關(guān)系，結(jié)果如圖8 所示。種子發(fā)芽指數(shù)與電導率值、銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量分別在0.001、0.05和0.01水平上負相關(guān)，與pH 值和全氮含量無顯著相關(guān)性。對電導率值與其他理化指標間的相關(guān)性進行分析發(fā)現(xiàn)，僅銨態(tài)氮含量與電導率值顯著（P＜0.01）正相關(guān)，說明酒糟堆肥樣品中的電導率值受銨態(tài)氮含量的影響較大。電導率值和銨態(tài)氮含量均與硝態(tài)氮含量正相關(guān)，但不顯著，說明堆肥過程中硝態(tài)氮含量的變化趨勢與其他2個指標具有一定相似性。

圖8 白酒酒糟堆肥過程中理化指標與種子發(fā)芽指數(shù)間的相關(guān)性Fig.8 Correlations between physicochemical parameters and germination index during the composting of distiller’s grains

3 結(jié)論與討論

白酒酒糟作為堆肥原料，其特性不同于常見的農(nóng)業(yè)廢棄物。酒糟的高有機酸濃度、高黏度等特性不利于堆肥過程的高效進行，影響堆肥的腐熟速度。未腐熟的堆肥產(chǎn)品含有大量有機物如脂肪酸、苯酚等，可抑制種子萌發(fā)或植物生長，降低酒糟有機肥在農(nóng)業(yè)種植中的應(yīng)用價值[16]。菌劑能提高堆肥效果，但單一菌劑通常功能有限，而復合菌劑能利用不同功能微生物的協(xié)同作用，對組成復雜的堆肥原料具有更優(yōu)的效果[17]。研究表明，添加復合菌劑能夠有效提高堆肥溫度、縮短堆肥周期、提高腐熟度等[17-18]。針對白酒酒糟堆肥腐熟強化措施較少的現(xiàn)狀，本研究分析了復合菌劑添加對白酒酒糟堆肥過程中的理化指標和種子發(fā)芽指數(shù)的影響，指出了影響腐熟度的關(guān)鍵因素。

溫度是反映堆肥進程和微生物活性的重要指標[19-27]。CK 和M 處理的高溫期均維持了30 d，均達到了堆肥無害化處理要求[28]。復合菌劑添加在酒糟堆肥前期促進了溫度快速提升，在酒糟堆肥后期促進了溫度快速下降，表明前期堆肥微生物活性增強，強化了有機物的降解和轉(zhuǎn)化，堆肥過程加快[29]。白酒酒糟中含有的大量有機酸，如乳酸、乙酸等，導致酒糟pH 值較低[5]。在堆肥前期微生物可降解和轉(zhuǎn)化有機酸，同時分解含氮有機物釋放氨，導致pH值升高[30]。在堆肥后期，由于氨揮發(fā)及硝化作用pH值開始降低。復合菌劑添加顯著加快了酒糟酸性條件的改善，有利于堆肥微生物的生長和代謝，從而加速堆肥進程。堆肥初期電導率值升高可能是由于有機物在微生物的作用下逐漸分解，形成了小分子有機物和無機物（如銨根、碳酸氫根）[31]。堆肥中后期電導率值降低的原因可能是可降解有機物的減少及大分子腐植酸的形成[32]。添加復合菌劑可能通過促進小分子轉(zhuǎn)化和大分子合成加快了后期電導率值的降低。

氮轉(zhuǎn)化不僅與堆肥進程相關(guān)，也影響堆肥腐熟度[16]。酒糟中含氮有機物的分解造成銨態(tài)氮的積累，2 組堆肥間銨態(tài)氮含量的差異表明復合菌劑的添加顯著改變了酒糟的氮轉(zhuǎn)化過程。堆肥過程中硝化作用較弱，可能是由于高溫期較長抑制了硝化細菌的活性[33]。堆肥過程中氮可能以氮氣、氨氣等形式逸散到空氣中，從而造成氮損失[34]。本研究中2組堆肥的氮損失較低，有效保留了氮。

本研究中，種子發(fā)芽在酒糟堆肥前期受到抑制，在后期逐漸提升，表明對植物有毒害作用的物質(zhì)逐漸減少，這與BAO 等[35]報道的種子發(fā)芽指數(shù)變化趨勢一致。M 處理的種子發(fā)芽指數(shù)于第30 天達到行業(yè)標準《有機肥料》（NY/T 525—2021）[14]的要求（不低于70%），而CK 尚未達到該要求，表明復合菌劑添加加快了堆肥腐熟速度。銨態(tài)氮含量變化及相關(guān)性分析結(jié)果表明，銨態(tài)氮含量增加會抑制種子發(fā)芽，這與王國英等[36]的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果還表明，電導率值升高不利于種子發(fā)芽，這與胡永恒等[37]的研究結(jié)果一致。復合菌劑添加可能在后期通過增加銨態(tài)氮含量和降低電導率值實現(xiàn)種子發(fā)芽指數(shù)的快速提高。SHAN 等[38]的研究結(jié)果表明，硝態(tài)氮含量提高有利于種子發(fā)芽。本研究中，堆肥過程中硝態(tài)氮含量較低，硝態(tài)氮對種子發(fā)芽造成抑制作用的可能性較低[39]，硝態(tài)氮與種子發(fā)芽指數(shù)呈負相關(guān)可能是由硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、電導率三者在堆肥過程中相似的變化趨勢共同造成的。

綜上，本研究中，酒糟堆體溫度在第2天進入高溫期并維持30 d 開始降溫，達到了高溫堆肥無害化處理的要求。在堆肥的第30 天M 處理的種子發(fā)芽指數(shù)已經(jīng)達到70.85%，比CK 提前6 d 滿足腐熟要求。結(jié)合各理化指標變化，向酒糟堆肥中添加復合菌劑可加快有機物降解和轉(zhuǎn)化速率，顯著提高種子發(fā)芽指數(shù)，縮短堆肥生產(chǎn)周期，這對白酒酒糟減量化和資源化具有重要意義。但是否存在更佳的菌劑添加量組合，能顯著提升種子發(fā)芽指數(shù)、提升堆肥產(chǎn)品品質(zhì)等，有待進一步研究探討。