发酵床养殖是一种将稻壳、木屑、菌糠以及酒糟等按一定比例混合，均匀铺设于畜禽舍底部，再接种益生菌来分解畜禽粪尿，从而减少畜禽粪尿向环境排放的一种养殖方式^[1,2]。该技术最早出现在日本^[3]，发酵床的使用有时采用常年不清理模式，其使用年限与垫料厚度和日常管理有关，日本发酵床使用年限可达10～20 a^[4]。若日常管理不当或使用含高剂量抗生素和重金属的饲料，会显著降低发酵床的使用年限。在每个饲养周期结束时，将表层垫料在舍内或移出猪舍堆积进行一次高温发酵，空闲 7～10 d，舍内清洗消毒，同时上层补充新垫料，可延长使用年限^[5]。本课题组研究发酵床养殖重金属累积情况时发现，随着垫料使用时间的延长，垫料中重金属含量有明显的增加趋势^[6]。因此，垫料的科学管理及垫料组成对于发酵床垫料的选择，显得尤为重要。现阶段，对堆肥过程中有机质的降解情况已有较多研究，且大多集中在微生物对有机质降解的影响等方面。郭春铭^[7]、韩永亮^[8] 等对堆肥过程中加入微生物菌剂，研究微生物菌剂对生猪养殖垫料发酵效果的影响进行了研究；康军等^[9]对污泥好氧堆肥过程中有机质含量的变化做了相关研究；席北斗等^[10]对堆肥中利用微生物分解木质素和纤维素的降解机理进行了探讨。但对发酵床垫料使用过程中有机质的降解情况则鲜有报道。纤维素、半纤维素及木质素是垫料有机质的重要成分，也是难降解物质，研究垫料中纤维素、半纤维素和木质素的降解及其影响因素，对于指导发酵床垫料的选择和管理具有重要意义。

本试验以发酵床养猪为例，研究发酵床养猪过程中不同原料的垫料有机质、纤维素、半纤维素及木质素在4个月使用时间内的降解情况，并对其可能的影响因素进行了分析，旨在为发酵床垫料的选择、后期的资源化利用以及养殖过程中垫料的科学管理提供参考。 1 材料与方法 1.1 试验设计

试验于南京六合发酵床试验基地的3栋发酵床中进行，试验用发酵床猪舍已使用2 a，不同栋之间使用不同原料的垫料，每栋分4栏，栏与栏之间用挡板隔开，每栏中垫料的原料相同但配比不同。从正在使用且经前期试验证明原料配比效果最适宜猪生长的一栏选取了三种不同垫料（具体原料及配比见表 1）为研究对象，每栏面积50 m2，垫料深度约40 cm，栏内水泥地面积10 m2，每栏养殖生猪15头，生猪养殖周期150 d。

表 1 发酵床垫料基本性质 Table 1 Basic characteristics of pig bio-bed litters

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分别于2013年6月8日（0 d）、7月19日（41 d）、8月6日（59 d）、9月3日（87 d）和10月3日（117 d）采集发酵床0~20 cm和20~40 cm层垫料样品，在同一栏内每种垫料取3个样品作为3个重复，每个样品均采自3个采样点并充分混合均匀。置于室温、通风处，待风干后分两份，用木棒碾碎、球磨仪打磨，分别过30、100目筛，储存备用。 1.3 测定方法及数据处理

总有机碳用重铬酸钾容量法^[11]；总氮用半微量凯氏定氮法^[11]；纤维素、半纤维素、木质素采用熊素敏等^[12]在王玉万方法的基础上经过改进的方法测定。

采用Excel 2010进行数据分析（以平均值±标准误表示）。SPSS18.0进行统计分析，Pearson相关分析法分析有机质与纤维素、半纤维素、木质素的相关性，单因素方差分析（One-way ANOVA），Duncan检验法分析显著性差异。采用Origin8.5绘图。 2 结果与分析 2.1 有机质及其组成成分降解情况

由图 1可以看出，从试验开始到第41 d时，垫料0~20 cm和20~40 cm层纤维素的降解缓慢，其降解速率都在41~59 d达到最大值，且随时间的进一步延长，不同处理和不同深度垫料纤维素降解表现出较大的差异；在试验周期内尽管垫料Ⅱ的0~20 cm层纤维素含量变化呈一定的波动，但三种垫料的纤维素含量整体均呈下降趋势。如图 2所示，在0~20 cm层，垫料Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的半纤维素含量在0~41 d都有缓慢升高的趋势，41~117 d呈下降趋势，但整体呈下降趋势，降解幅度分别为8.86%、41.40%、60.67%；在20~40 cm层，三种垫料的半纤维素含量均呈下降趋势，其降幅分别为41.36%、54.93%、52.53%。

图 1 纤维素随时间的变化趋势 Figure 1 Changes of cellulose content over time

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图 2 半纤维素随时间的变化趋势 Figure 2 Changes of hemicellulose content over time

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如图 3所示，在0~40 cm层，不同垫料的木质素含量在试验期内整体呈下降趋势；垫料Ⅲ的20~40 cm层在87~117 d木质素含量略微上升；垫料Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ经117 d的使用，木质素含量在0~20 cm层降幅分别达11.87%、 23.15%、48.67%，20~40 cm层降幅分别为24.83%、40.17%、16.71%。垫料Ⅰ、Ⅱ的20~40 cm层下降幅度明显高于0~20 cm层，而垫料Ⅲ的0~20 cm层下降幅度明显高于20~40 cm层。由图 4可以看出，随着垫料的使用，垫料有机质含量都呈下降趋势；经过117 d后，垫料Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的0~20 cm层有机质降幅分别为29.44%、34.21%、40.47%，20~40 cm层的降幅分别为28.51%、42.45%、44.46%；垫料Ⅰ的0~20 cm和20~40 cm层的下降趋势存在差异，但总体降幅差异不大，垫料Ⅱ、Ⅲ的0~40 cm层有机质下降趋势接近，但20~40 cm层降幅均高于0~20 cm。

图 3 木质素随时间的变化趋势 Figure 3 Changes of lignin content over time

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图 4 有机质随时间的变化趋势 Figure 4 Changes of organic matter content over

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由表 2可见，垫料Ⅰ有机质与纤维素、半纤维素在0~20 cm层的相关性不大，与木质素的相关性则达到了极显著水平（P<0.01）；在20~40 cm层，有机质与纤维素和半纤维素的相关性达到显著水平（P<0.05），与木质素的相关性则不显著。垫料Ⅱ在0~20 cm层的有机质与纤维素、半纤维素和木质素都达到了显著相关水平（P<0.05）；在20~40 cm层均达到了极显著水平（P<0.01）。垫料Ⅲ在0~20 cm层的有机质与纤维素和木质素达到了显著相关（P<0.05），与半纤维素的相关性则不显著；在20~40 cm层，有机质与纤维素、半纤维素和木质素都达到了显著相关水平（P<0.05）。

表 2 垫料有机质与纤维素、 半纤维素、 木质素相关性分析 Table 2 Correlation of organic matter with cellulose， hemicellulose，and lignin in bio-bed litter

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垫料碳氮比通过影响微生物的活动来反映垫料酶活性的大小，微生物生长适宜的C/N约为25^[13]。由表 3可知，随着时间的推移，垫料的C/N呈下降趋势，部分批次间差异显著（P<0.05）。垫料Ⅰ在0~20 cm层，87 d之前C/N都保持在25以上，而20~40 cm层中C/N降低至25时大致需要117 d，尽管垫料Ⅰ的20~40 cm层中C/N在59 d前要略高于原始垫料，但与原始C/N之间不存在显著性差异。垫料Ⅱ和垫料Ⅲ的0~20 cm层在59 d之前C/N就已经降到25以下；在20~40 cm层，垫料Ⅱ的C/N用了87 d降至25，而垫料Ⅲ在59 d时C/N也接近25。此外可以发现，在不同层次，垫料Ⅱ和垫料Ⅲ的C/N降至25所用的时间均要少于垫料Ⅰ。

表 3 垫料碳氮比 Table 3 Ratios of C/N in bio-bed litters

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发酵床垫料含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，其中木质素分子结构复杂而不规则，是目前公认的难降解芳香族化合物之一^[14]。在细胞壁中，由于木质素保护着纤维素，纤维素的降解受到限制^[15,16]。秦莉等^[7,8,17] 研究发现，添加微生物菌剂能明显促进生猪养殖垫料中纤维素、半纤维素、木质素的降解。本研究中，0~40 cm层垫料Ⅱ、Ⅲ纤维素降幅达48.38% 和49.42%，明显高于垫料Ⅰ的36.12%。因为垫料Ⅱ、Ⅲ比垫料Ⅰ增添了酒糟、菌糠等原料，这些原料中含有大量微生物^[18,19]，加快了垫料纤维素、半纤维素及木质素的降解，与前人研究结论相符^[7,8,17]。由于pH值也是影响微生物活动的重要指标，由表 1比较发现垫料Ⅰ的pH值高于垫料Ⅱ、Ⅲ，不太利于微生物活动，可能导致垫料降解受阻。不同垫料的含水率、容重间差异均不大，在本试验中垫料水分不是影响其降解的主要因素，不过仍要注意垫料中局部水分含量过高导致发酵终止的现象。垫料Ⅱ、Ⅲ有机物质的降解速率明显大于垫料Ⅰ，也反映出添加酒糟、菌糠对垫料及猪粪尿分解的促进作用。由图 1（a）还发现，试验初期垫料Ⅰ中不同层次之间纤维素含量存在显著差异，笔者认为这和垫料中没有添加酒糟、菌糠等能促进产生微生物的辅料有关。由于0~20 cm和20~40 cm垫料层通气情况存在差异，且垫料中微生物活性较弱，使得不同层次降解情况存在差异，而在降解过程中活动旺盛的微生物发挥的作用，减少了垫料Ⅱ、Ⅲ间差异的发生。

垫料中适宜微生物生长的C/N约为25，当C/N大于等于25时微生物对碳源的利用率高，低于25时不利于微生物对有机物质的降解^[13]。随使用时间的推移，垫料C/N呈下降趋势，三种不同垫料中都是0~20 cm的表层垫料先降低至微生物活动的最适宜C/N值。这可能是因为木屑、稻壳等原料属于多孔结构，导致表层垫料进行好氧发酵，下层垫料厌氧发酵，而好氧发酵对碳源的利用率要高于厌氧发酵。另外不管在哪个层次，垫料Ⅱ和垫料Ⅲ的C/N的降低速率都快于垫料Ⅰ，同样是由于酒糟、菌糠中含有大量微生物，加快了碳源的消耗，导致C/N降低加快。有学者研究指出，垫料中纤维素酶、木聚糖酶、过氧化物酶、多酚氧化酶活性随垫料使用时间的延长而显著增加^[20]，而纤维素、半纤维素、木质素的分解与酶活性关系密切，本研究也表明垫料中纤维素酶活性随着垫料使用时间的延长而增大^[21]。本研究结果显示垫料中纤维素、半纤维素、木质素等有机物质的降解速率在41~59 d时达到最高，且绝大多数达到显著性差异。这可能是在酶活性与C/N的双重作用下导致：一方面垫料酶活性的升高导致纤维素、半纤维素、木质素的降解速率加快，这时尽管 C/N不断下降，但仍能满足微生物的正常活动；另一方面，纤维素、半纤维素、木质素作为微生物的碳源，当C/N下降到一定程度（25以下），微生物活动受阻，使得垫料中有机物质降解速率随之下降。另外由于垫料的降解一直在进行，在试验的后期已经发现垫料层部分板结，发酵受阻的现象也越来越严重，对此笔者认为，应当及时补充新鲜垫料加以混合、堆翻，以满足发酵所需条件，防止“死床”发生，提高垫料的利用效率。

对有机质与纤维素、半纤维素和木质素的相关性分析发现，有机质与纤维素、半纤维素和木质素的降解趋势呈显著或极显著的正相关。对纤维素、半纤维素和木质素占有机质百分比的研究发现，除垫料Ⅰ半纤维素略微升高外，纤维素、半纤维素占有机质的百分比均随时间的推移逐渐下降，而木质素占有机质的百分比上升。这可能是因为木质素较纤维素和半纤维素以及垫料中其他有机成分更难被降解所致。纤维素、半纤维素及木质素是垫料有机质的主要成分，最高可达垫料有机质的90%以上，纤维素、半纤维素和木质素的分解可以直观反映垫料有机物质的分解情况。

发酵床垫料的选取原则是吸水性强、在阳光下易干燥以及来源经济。发酵床垫料多选用惰性、清新干燥、无霉变的垫料，最好选用锯末、稻壳^[22]。对本试验所选三种垫料的对比发现，在0~40 cm垫料层，垫料Ⅰ有机质、纤维素、半纤维素及木质素在4个月的使用过程中降幅分别为28.97%、36.12%、25.12%和18.35%；垫料Ⅱ的降幅分别为38.32%、48.37%、48.16%和31.66%；垫料Ⅲ的降幅分别为42.47%、49.42%、56.6%和32.69%。可以看出，如果需要垫料的使用周期长，垫料Ⅰ的原料优于垫料Ⅱ、Ⅲ；而若考虑在养殖一批生猪后将垫料清出以进行资源化利用，垫料Ⅱ、Ⅲ更为合适，其充分利用了养殖业的废弃资源，还有促进猪粪尿分解的优点。 4 结论

使用117 d的不同垫料C/N和有机质、纤维素、半纤维素、木质素含量变化的试验结果表明：

（1）C/N受垫料组成成分的影响，以稻壳和木屑为原料的垫料中分别添加酒糟、菌糠，其C/N下降至微生物活动最旺盛的值（C/N=25）均要快于只含稻壳和木屑的垫料。

（2）以稻壳和木屑为原料的垫料纤维素、半纤维素、木质素含量的下降幅度都小于添加酒糟、菌糠的垫料。

（3）三种不同垫料的纤维素占有机质的百分比均呈下降趋势，而木质素所占的百分比都升高；在由稻壳和木屑组成的垫料中，其半纤维素所占的比例略微升高，而添加酒糟、菌糠的垫料的半纤维素在有机质中的比例下降。