菜粕堆肥过程中理化性质变化及腐熟度评价

谭 美，刘 文，戴美玲，江 涛，向铁军

（湖南金叶众望科技股份有限公司，湖南 临湘 414300）

菜粕又名菜籽粕，是油菜籽榨油后的副产物。菜粕富含有机质、赖氨酸、含硫氨基酸以及钙、硒、铁、镁、锰、锌等中微量元素。合理施用菜籽饼肥，可以增加土壤微生物活性，提高土壤有机质含量，长期施用能达到培肥改土的效果，同时还能提高一些作物的产量和品质［1］。

菜粕作为肥料使用前必须经过堆肥发酵，只有经过微生物降解，完全腐熟后才能降低菜粕中含有的植物毒性物质含量，同时产生促进种子萌发和植物生长的物质［1］。生物质堆肥过程复杂，周期较长，且机制尚不明确。目前，国内外学者对于堆肥过程中物质转化［2-3］、微生物群落及功能微生物筛选［4-6］、氮素损失与控制［7-8］、有害气体排放和有毒物去除［9-11］等方面进行了大量研究，对于菜粕堆肥的研究主要集中在对作物产量和品质的影响［12］以及物质转化［13］，而对于菜粕堆肥过程中理化性质变化和腐熟度评价的研究极少，仅陈裕新等［1］运用豆科植物种子对菜粕堆肥腐熟度进行了研究。本研究以菜粕为研究对象，进行好氧堆肥，运用模糊综合评价法判别堆肥腐熟度，研究不同发酵时间堆肥的理化性质和腐熟程度的差异以及添加竹屑和有机辅料对堆肥过程的影响，探讨菜粕发酵的最佳时间，以期为菜粕资源化利用和无害化处理提供理论和生产指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

供试菜粕采购于成都市深迪粮油有限公司，竹屑来自岳华粮油供应站，有机辅料腐植酸来自临湘市盈信农资有限公司。堆肥物料主要性质见表1。

表1 堆肥物料主要性质

试验于2019 年5 月10 日在湖南金叶众望科技股份有限公司的发酵车间进行。试验设计3 个处理，处理1（CK），菜粕单独发酵；处理2，菜粕与竹屑按质量比3∶2进行混合发酵；处理3，菜粕和有机辅料腐植酸按质量比1∶1进行混合发酵。3个处理物料初始w（H2O）控制在45%左右，堆置成宽3.0 m、高1.5 m 的长方体。堆体每天翻抛1 次，并在翻堆前按照5点取样法在各处理表层（沿切面（≤20 cm）、中层（20 ～40 cm）、深层（≥40 cm））分别取样品500 g，混匀，带回实验室备用。3 个处理堆肥过程中其他条件保持一致。

1.2 测定指标与方法

试验期间，每天上午9：00 测定堆体东南西北中5 个方位的物料温度（温度计插入堆体约20 cm），取平均值记为当天堆肥温度（t），并记录当天发酵车间室内温度（tE）。

采用105 ℃烘干法测定物料水含量，重铬酸钾容量法测定有机质（OM），凯氏定氮法测定总氮（TN），Mettler Toledo FE30k台式电导率仪测定电导率，Mettler Toledo FE20实验室pH计测定pH值。

用于判别堆肥腐熟度的主要指标为发芽指数、碳氮比降解率（η（C/N））、平均耗氧速率和微生物量-活菌计数。堆肥腐熟度分级指标见表2。

表2 堆肥腐熟度的分级指标

1.2.1 发芽指数

发芽指数（GI）的测定：称取堆肥鲜样5 g 加入100 mL 蒸馏水中，用回旋振荡器以200次/min的频率振荡2 h，倒入离心管中，以3 000 r/min 的转速离心10 min 后取上清液过滤，取滤液5 mL 加入铺有滤纸的9 cm 培养皿中，在培养皿中均匀放入10 颗饱满的黄瓜种子，在25 ℃恒温培养箱中暗培养24 h，测定发芽率和根长，以蒸馏水作为对照，重复3次。发芽指数计算公式如下：

1.2.2 碳氮比降解率

碳氮质量比指固相中总碳和总氮质量的比值，理论上腐熟的堆肥碳氮质量比趋向于微生物菌体本身的碳氮比［14］（约16 ∶1），但有专家提出，当堆肥碳氮质量比由最初的30 ∶1降低至15 ∶1时，可认为堆肥已腐熟。本试验采用碳氮比降解率（η（C/N））来表示堆肥的腐熟程度，计算公式如下：

1.2.3 平均耗氧速率

耗氧速率的高低表明耗氧堆肥的进程，其实质是微生物繁衍和抑制的外部表现，但实测反应的耗氧速率存在一定技术难度。国内外许多学者［15］通过实验证明耗氧速率不仅表示微生物活动的强弱，而且表示堆肥中有机物的分解速度，即耗氧速率与堆肥物料中有机物含量有一定的关联。因此，本试验用BOD 测定仪来测定堆肥一定时间内的生物耗氧量，取其与时间的比值来间接表示平均耗氧速率（BOD2）。

1.2.4 微生物量-活菌计数

特定的微生物量及种群的变化也是反映堆肥情况的依据［16］，活菌计数和生物量的测定是反映微生物量变化的方式之一，一般认为腐熟的堆肥，其每克干物质中好氧菌数量为108～1010个，真菌（霉菌或酵母菌）数量为103～104个。

1.3 数据处理

采用Excel 2013 和Spss18.0 等软件进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中物料温度的变化

发酵温度是判断堆肥中有机物料是否正常发酵的标准之一，是决定有机肥发酵效果和品质的关键因素［17］。堆肥过程中微生物剧烈代谢活动产生的高温可以杀灭致病菌，同时，温度的变化又影响着微生物多样性和酶活性［18］。高温是影响堆肥过程物质代谢的关键因素，也是反映堆肥进程的重要指标［19］。本试验菜粕堆肥过程中温度变化情况如图1所示。

图1 堆肥过程中温度随时间变化情况

堆肥发酵一般经历升温期（0 ～3 d）—高温期（4 ～12 d） —降温期 （13 ～ 25 d） —陈化腐熟期（26 ～60 d）。由图1 可知，菜粕发酵升温较快，在第3天均升温至60 ℃以上，处理2升温速率高于处理1，这是因为竹屑空隙多，增加了堆肥通透性，氧气充足，微生物活动加剧，堆肥中有机物料分解快，物料迅速升温。堆肥中有机物质的持续分解使堆肥保持在高温阶段，待易分解的有机物质减少，微生物活动逐渐减弱，物料温度缓慢降低，进入堆肥降温期。处理2 堆肥通透性最高，温度降低最快，处理3 温度下降速度最慢，是由于添加有机辅料（主要为褐煤腐植酸）导致堆肥空隙小，散热速度慢。

2.2 堆肥过程中水含量与pH值的变化

适宜的水含量有利于微生物生存［20］，是堆肥顺利进行的必要条件。菜粕堆肥过程中物料水含量变化如图2 所示，3 个处理水含量变化趋势一致，下降速度均先慢后快再平缓。发酵初期水含量下降缓慢的原因是微生物活动剧烈，其新陈代谢产生的H2O 较多，补充了部分蒸发的水分；后期随着发酵时间延长，微生物活动所产生的水分逐渐减少，堆肥持续高温，水分蒸发快；随着堆肥温度的降低，水分蒸发减慢，堆肥水含量趋于稳定。处理2 水含量降低最快，发酵20 d后堆肥水含量最低，说明菜粕添加竹屑发酵不利于堆肥水分的保持。

图2 堆肥过程中w（H2O）的变化

适宜的pH 值可使微生物有效地发挥作用，使堆肥发酵顺利进行，pH 值过高和过低都会严重抑制堆肥反应的进行，一般认为pH 值在7.5 ～8.5 时，可以获得最大堆肥效率［20］。菜粕堆肥过程中pH随着发酵时间延长而逐渐降低（见图3）。这是因为堆肥物料中氧气充足区域含氮有机物经过氨化作用产生NH4+，然后被微生物利用或以NH3的形式挥发，加上含碳有机物降解产生有机酸，导致pH 值下降；而堆肥深层部位空气流通受阻，形成厌氧区，产生乳酸等物质致使pH 值下降［21］。堆肥过程中处理2 和处理3 pH 值略高于处理1，说明添加竹屑或有机辅料对菜粕堆肥的pH 值产生一定影响。

图3 堆肥过程中pH的变化

2.3 堆肥腐熟度评价

模糊综合评价法是对受多种因素影响的事物做出全面评价的一种有效的多因素决策方法，此方法可极大减少人为主观判断的影响，评价结果更科学［22-23］。 对 不同处理堆肥的发芽指数、η（C/N）、BOD2、芽孢杆菌计数和霉菌计数5 个指标进行检测，建立模糊数学综合评价，即因素集U={u1，u2，u3，u4}，其中u1、u2、u3和u4分别为发芽指数、η（C/N）、BOD2、微生物量4个指标对评语的隶属度函数；评语集（分数）V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表完全腐熟、比较腐熟、基本腐熟和未腐熟4 个评价等级。用模糊综合评价法对不同处理堆肥腐熟度进行评价，以发芽指数为例，根据表2 中堆肥腐熟度的分级指标建立4 个级别的隶属度函数。

u1为发芽指数对各评语的隶属度函数。由于发芽指数是分段表示的，适合用梯形隶属度函数。发芽指数对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的隶属度函数分别如下：

同理，其他各项指标可按同样的方法求出隶属度函数。不同处理不同发酵时间下的堆肥腐熟度评级指标实测值见表3。将表3 中不同处理不同发酵时间下的发芽指数实测值代入其隶属度函数中，结果见表4。

表3 堆肥腐熟度评级指标实测值

表4 不同处理堆肥发芽指数隶属度

对于碳氮比降解率（η（C/N））等其他因子，同样也可以得到相应的隶属度。相同发酵时间，同一处理的堆肥各项因子的隶属度依次排列成一个4×4 的模糊矩阵，用Aij（i表示不同发酵处理；j表示不同发酵时间）表示。建立的9个模糊矩阵如下：

运用定量统计法计算权重，权重矩阵W=（0.222 0.304 0.230 0.244），为了兼顾各个因素，采用M（·，+）算子（加权平均型）计算总评价，Bij=W×Aij（i表示不同发酵处理；j表示不同发酵时间），并对B进行归一化处理。得到综合评价结果如下：

根据最大隶属度原则，对综合评价结果进行评级，结果见表5。由表5可知，处理1与处理3相差不大，说明添加有机辅料对堆肥腐熟速度没有明显的影响；而处理2 腐熟程度明显高于处理1，说明添加竹屑能有效加快菜粕堆肥腐熟速度。在发酵15 d 时，处理2 比较腐熟，而处理1 和处理3 基本腐熟，即菜粕发酵15 d后，堆肥中的毒害物质基本已消灭，可投入生产。

表5 不同处理堆肥腐熟度等级评价

3 结论

使用菜粕进行堆肥，对比研究了添加竹屑和有机辅料对堆肥理化性质的影响，并运用模糊综合评价法对不同发酵时间不同处理的腐熟度进行分析。结果表明，3 个处理堆肥都经过升温、高温和降温阶段，55 ℃以上持续7 ～10 d。添加竹屑（处理2）堆肥升温快、降温快，添加有机辅料（处理3）升温慢、降温慢，说明添加竹屑有利于菜粕堆肥发酵的顺利进行。

适宜的水分和pH 是堆肥发酵的必要条件，堆肥添加竹屑处理水分蒸发较单纯菜粕发酵处理快，但添加竹屑处理、添加有机辅料处理以及单存菜粕发酵处理三者差异不明显，说明添加竹屑或有机辅料对菜粕堆肥中水分变化的影响不大。处理2 和处理3 的pH 略高于处理1，说明添加竹屑或有机辅料对菜粕堆肥的pH值产生一定影响。

综合发芽指数、碳氮比降解率、平均耗氧速率和微生物量等堆肥腐熟度的几个主要评价因子，对其进行模糊综合评价，结果表明，添加有机辅料对菜粕堆肥腐熟速度影响不大，而添加竹屑可以加快堆肥腐熟，降低植物毒性，发酵15 d后堆肥基本腐熟，其植物毒性已达到植物可接受的范围。因此，在实际生产过程中，菜粕发酵15 d 后可转为陈化，待温度降低后使用。