菜粕堆肥過程中理化性質變化及腐熟度評價

譚 美，劉 文，戴美玲，江 濤，向鐵軍

（湖南金葉眾望科技股份有限公司，湖南 臨湘 414300）

菜粕又名菜籽粕，是油菜籽榨油后的副產物。菜粕富含有機質、賴氨酸、含硫氨基酸以及鈣、硒、鐵、鎂、錳、鋅等中微量元素。合理施用菜籽餅肥，可以增加土壤微生物活性，提高土壤有機質含量，長期施用能達到培肥改土的效果，同時還能提高一些作物的產量和品質［1］。

菜粕作為肥料使用前必須經過堆肥發酵，只有經過微生物降解，完全腐熟后才能降低菜粕中含有的植物毒性物質含量，同時產生促進種子萌發和植物生長的物質［1］。生物質堆肥過程復雜，周期較長，且機制尚不明確。目前，國內外學者對于堆肥過程中物質轉化［2-3］、微生物群落及功能微生物篩選［4-6］、氮素損失與控制［7-8］、有害氣體排放和有毒物去除［9-11］等方面進行了大量研究，對于菜粕堆肥的研究主要集中在對作物產量和品質的影響［12］以及物質轉化［13］，而對于菜粕堆肥過程中理化性質變化和腐熟度評價的研究極少，僅陳裕新等［1］運用豆科植物種子對菜粕堆肥腐熟度進行了研究。本研究以菜粕為研究對象，進行好氧堆肥，運用模糊綜合評價法判別堆肥腐熟度，研究不同發酵時間堆肥的理化性質和腐熟程度的差異以及添加竹屑和有機輔料對堆肥過程的影響，探討菜粕發酵的最佳時間，以期為菜粕資源化利用和無害化處理提供理論和生產指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

供試菜粕采購于成都市深迪糧油有限公司，竹屑來自岳華糧油供應站，有機輔料腐植酸來自臨湘市盈信農資有限公司。堆肥物料主要性質見表1。

表1 堆肥物料主要性質

試驗于2019 年5 月10 日在湖南金葉眾望科技股份有限公司的發酵車間進行。試驗設計3 個處理，處理1（CK），菜粕單獨發酵；處理2，菜粕與竹屑按質量比3∶2進行混合發酵；處理3，菜粕和有機輔料腐植酸按質量比1∶1進行混合發酵。3個處理物料初始w（H2O）控制在45%左右，堆置成寬3.0 m、高1.5 m 的長方體。堆體每天翻拋1 次，并在翻堆前按照5點取樣法在各處理表層（沿切面（≤20 cm）、中層（20 ～40 cm）、深層（≥40 cm））分別取樣品500 g，混勻，帶回實驗室備用。3 個處理堆肥過程中其他條件保持一致。

1.2 測定指標與方法

試驗期間，每天上午9：00 測定堆體東南西北中5 個方位的物料溫度（溫度計插入堆體約20 cm），取平均值記為當天堆肥溫度（t），并記錄當天發酵車間室內溫度（tE）。

采用105 ℃烘干法測定物料水含量，重鉻酸鉀容量法測定有機質（OM），凱氏定氮法測定總氮（TN），Mettler Toledo FE30k臺式電導率儀測定電導率，Mettler Toledo FE20實驗室pH計測定pH值。

用于判別堆肥腐熟度的主要指標為發芽指數、碳氮比降解率（η（C/N））、平均耗氧速率和微生物量-活菌計數。堆肥腐熟度分級指標見表2。

表2 堆肥腐熟度的分級指標

1.2.1 發芽指數

發芽指數（GI）的測定：稱取堆肥鮮樣5 g 加入100 mL 蒸餾水中，用回旋振蕩器以200次/min的頻率振蕩2 h，倒入離心管中，以3 000 r/min 的轉速離心10 min 后取上清液過濾，取濾液5 mL 加入鋪有濾紙的9 cm 培養皿中，在培養皿中均勻放入10 顆飽滿的黃瓜種子，在25 ℃恒溫培養箱中暗培養24 h，測定發芽率和根長，以蒸餾水作為對照，重復3次。發芽指數計算公式如下：

1.2.2 碳氮比降解率

碳氮質量比指固相中總碳和總氮質量的比值，理論上腐熟的堆肥碳氮質量比趨向于微生物菌體本身的碳氮比［14］（約16 ∶1），但有專家提出，當堆肥碳氮質量比由最初的30 ∶1降低至15 ∶1時，可認為堆肥已腐熟。本試驗采用碳氮比降解率（η（C/N））來表示堆肥的腐熟程度，計算公式如下：

1.2.3 平均耗氧速率

耗氧速率的高低表明耗氧堆肥的進程，其實質是微生物繁衍和抑制的外部表現，但實測反應的耗氧速率存在一定技術難度。國內外許多學者［15］通過實驗證明耗氧速率不僅表示微生物活動的強弱，而且表示堆肥中有機物的分解速度，即耗氧速率與堆肥物料中有機物含量有一定的關聯。因此，本試驗用BOD 測定儀來測定堆肥一定時間內的生物耗氧量，取其與時間的比值來間接表示平均耗氧速率（BOD2）。

1.2.4 微生物量-活菌計數

特定的微生物量及種群的變化也是反映堆肥情況的依據［16］，活菌計數和生物量的測定是反映微生物量變化的方式之一，一般認為腐熟的堆肥，其每克干物質中好氧菌數量為108～1010個，真菌（霉菌或酵母菌）數量為103～104個。

1.3 數據處理

采用Excel 2013 和Spss18.0 等軟件進行數據統計與分析。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中物料溫度的變化

發酵溫度是判斷堆肥中有機物料是否正常發酵的標準之一，是決定有機肥發酵效果和品質的關鍵因素［17］。堆肥過程中微生物劇烈代謝活動產生的高溫可以殺滅致病菌，同時，溫度的變化又影響著微生物多樣性和酶活性［18］。高溫是影響堆肥過程物質代謝的關鍵因素，也是反映堆肥進程的重要指標［19］。本試驗菜粕堆肥過程中溫度變化情況如圖1所示。

圖1 堆肥過程中溫度隨時間變化情況

堆肥發酵一般經歷升溫期（0 ～3 d）—高溫期（4 ～12 d） —降溫期 （13 ～ 25 d） —陳化腐熟期（26 ～60 d）。由圖1 可知，菜粕發酵升溫較快，在第3天均升溫至60 ℃以上，處理2升溫速率高于處理1，這是因為竹屑空隙多，增加了堆肥通透性，氧氣充足，微生物活動加劇，堆肥中有機物料分解快，物料迅速升溫。堆肥中有機物質的持續分解使堆肥保持在高溫階段，待易分解的有機物質減少，微生物活動逐漸減弱，物料溫度緩慢降低，進入堆肥降溫期。處理2 堆肥通透性最高，溫度降低最快，處理3 溫度下降速度最慢，是由于添加有機輔料（主要為褐煤腐植酸）導致堆肥空隙小，散熱速度慢。

2.2 堆肥過程中水含量與pH值的變化

適宜的水含量有利于微生物生存［20］，是堆肥順利進行的必要條件。菜粕堆肥過程中物料水含量變化如圖2 所示，3 個處理水含量變化趨勢一致，下降速度均先慢后快再平緩。發酵初期水含量下降緩慢的原因是微生物活動劇烈，其新陳代謝產生的H2O 較多，補充了部分蒸發的水分；后期隨著發酵時間延長，微生物活動所產生的水分逐漸減少，堆肥持續高溫，水分蒸發快；隨著堆肥溫度的降低，水分蒸發減慢，堆肥水含量趨于穩定。處理2 水含量降低最快，發酵20 d后堆肥水含量最低，說明菜粕添加竹屑發酵不利于堆肥水分的保持。

圖2 堆肥過程中w（H2O）的變化

適宜的pH 值可使微生物有效地發揮作用，使堆肥發酵順利進行，pH 值過高和過低都會嚴重抑制堆肥反應的進行，一般認為pH 值在7.5 ～8.5 時，可以獲得最大堆肥效率［20］。菜粕堆肥過程中pH隨著發酵時間延長而逐漸降低（見圖3）。這是因為堆肥物料中氧氣充足區域含氮有機物經過氨化作用產生NH4+，然后被微生物利用或以NH3的形式揮發，加上含碳有機物降解產生有機酸，導致pH 值下降；而堆肥深層部位空氣流通受阻，形成厭氧區，產生乳酸等物質致使pH 值下降［21］。堆肥過程中處理2 和處理3 pH 值略高于處理1，說明添加竹屑或有機輔料對菜粕堆肥的pH 值產生一定影響。

圖3 堆肥過程中pH的變化

2.3 堆肥腐熟度評價

模糊綜合評價法是對受多種因素影響的事物做出全面評價的一種有效的多因素決策方法，此方法可極大減少人為主觀判斷的影響，評價結果更科學［22-23］。 對 不同處理堆肥的發芽指數、η（C/N）、BOD2、芽孢桿菌計數和霉菌計數5 個指標進行檢測，建立模糊數學綜合評價，即因素集U={u1，u2，u3，u4}，其中u1、u2、u3和u4分別為發芽指數、η（C/N）、BOD2、微生物量4個指標對評語的隸屬度函數；評語集（分數）V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表完全腐熟、比較腐熟、基本腐熟和未腐熟4 個評價等級。用模糊綜合評價法對不同處理堆肥腐熟度進行評價，以發芽指數為例，根據表2 中堆肥腐熟度的分級指標建立4 個級別的隸屬度函數。

u1為發芽指數對各評語的隸屬度函數。由于發芽指數是分段表示的，適合用梯形隸屬度函數。發芽指數對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的隸屬度函數分別如下：

同理，其他各項指標可按同樣的方法求出隸屬度函數。不同處理不同發酵時間下的堆肥腐熟度評級指標實測值見表3。將表3 中不同處理不同發酵時間下的發芽指數實測值代入其隸屬度函數中，結果見表4。

表3 堆肥腐熟度評級指標實測值

表4 不同處理堆肥發芽指數隸屬度

對于碳氮比降解率（η（C/N））等其他因子，同樣也可以得到相應的隸屬度。相同發酵時間，同一處理的堆肥各項因子的隸屬度依次排列成一個4×4 的模糊矩陣，用Aij（i表示不同發酵處理；j表示不同發酵時間）表示。建立的9個模糊矩陣如下：

運用定量統計法計算權重，權重矩陣W=（0.222 0.304 0.230 0.244），為了兼顧各個因素，采用M（·，+）算子（加權平均型）計算總評價，Bij=W×Aij（i表示不同發酵處理；j表示不同發酵時間），并對B進行歸一化處理。得到綜合評價結果如下：

根據最大隸屬度原則，對綜合評價結果進行評級，結果見表5。由表5可知，處理1與處理3相差不大，說明添加有機輔料對堆肥腐熟速度沒有明顯的影響；而處理2 腐熟程度明顯高于處理1，說明添加竹屑能有效加快菜粕堆肥腐熟速度。在發酵15 d 時，處理2 比較腐熟，而處理1 和處理3 基本腐熟，即菜粕發酵15 d后，堆肥中的毒害物質基本已消滅，可投入生產。

表5 不同處理堆肥腐熟度等級評價

3 結論

使用菜粕進行堆肥，對比研究了添加竹屑和有機輔料對堆肥理化性質的影響，并運用模糊綜合評價法對不同發酵時間不同處理的腐熟度進行分析。結果表明，3 個處理堆肥都經過升溫、高溫和降溫階段，55 ℃以上持續7 ～10 d。添加竹屑（處理2）堆肥升溫快、降溫快，添加有機輔料（處理3）升溫慢、降溫慢，說明添加竹屑有利于菜粕堆肥發酵的順利進行。

適宜的水分和pH 是堆肥發酵的必要條件，堆肥添加竹屑處理水分蒸發較單純菜粕發酵處理快，但添加竹屑處理、添加有機輔料處理以及單存菜粕發酵處理三者差異不明顯，說明添加竹屑或有機輔料對菜粕堆肥中水分變化的影響不大。處理2 和處理3 的pH 略高于處理1，說明添加竹屑或有機輔料對菜粕堆肥的pH值產生一定影響。

綜合發芽指數、碳氮比降解率、平均耗氧速率和微生物量等堆肥腐熟度的幾個主要評價因子，對其進行模糊綜合評價，結果表明，添加有機輔料對菜粕堆肥腐熟速度影響不大，而添加竹屑可以加快堆肥腐熟，降低植物毒性，發酵15 d后堆肥基本腐熟，其植物毒性已達到植物可接受的范圍。因此，在實際生產過程中，菜粕發酵15 d 后可轉為陳化，待溫度降低后使用。