菌糠对猪粪好氧堆肥的腐熟度指标影响及评价分析

李 安，候玉勇，周 岭

(1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔 843300；2.自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔 843300)

0 引 言

【研究意义】近年来畜禽养殖业、食用菌等产业得到了快速发展，采取合理的处理技术不仅可以降低其对环境的污染，实现废弃物资源化再利用。好氧堆肥一直是处理农业废弃物有效技术之一，研究菌糠混合畜禽粪污对好氧堆肥具有重要的现实意义。【前人研究进展】雷琬莹等[1]利用黑木耳菌糠与牛粪不同配比对堆肥养分性状及发芽指数的变化，筛选物料的最佳配比发现7∶3的比例堆肥优势明显。张邦喜等[2]探究添加菌糠对鸡粪-烟末堆肥腐熟度和污染气体排放的影响，结果表明添加菌糠作为膨松剂能够提升堆肥腐熟度并减少污染气体排放。王艮梅等[3]以菌渣、鸡粪和豆渣为原料，通过高温好氧堆肥方式研究堆肥过程中相关腐熟度指标及红外光谱的动态变化。周江明等[4]通过改变猪粪与菌渣(金针茹菌渣)质量比进行试验得出随着菌渣比例的提高，发酵时间越来越长，猪粪菌渣比例以9∶1或8∶2较为适宜。【本研究切入点】目前研究主要集中在物料配比、堆肥理化指标的研究，菌糠对猪粪堆肥的腐熟度指标影响及评价分析方法却很少。研究以新鲜猪粪为研究对象，将不同比例菌糠添加到猪粪中进行好氧堆肥的方式试验[5]。菌糠混合猪粪好氧堆肥，不仅减少其对环境污染，同时实现废弃物资源化再利用。需观测及取样分析堆肥过程各阶段。【拟解决的关键问题】研究不同比例菌糠的添加对猪粪好氧堆肥过程中理化性质的影响规律，利用红外光谱检测其腐熟物光谱特性，分析有机物结构的变化特征，基于常规腐熟度评价指标，采取模糊综合评价法和灰色关联度法分析比较腐熟度评价方法，为农业废弃物资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

新鲜猪粪取自阿拉尔市某大型养猪场；秸秆取自塔里木大学实训基地养牛场，将秸秆粉碎至2 cm左右；菌糠取自阿克苏地区乌什县黑木耳种植基地废弃的黑木耳菌棒，制备黑木耳菌棒其中首要原辅材料有：豆粕2%、石膏1%、棉籽壳10%、麸皮10%、石灰0.5%～1%、其他木屑(多为杨树木)[5]。表1

表1 堆肥物料基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of composting materials

GZX-9140MBE型电热鼓风干燥箱、智能化农业环境监测仪TFW-VⅢ、电导率仪DDS-11A、HY-4A数显调速多用振荡器、好氧堆肥发酵罐、近红外(FT-NIR)光谱仪、电子天平、离子酸度计PHS-3C、移液枪、烧杯、锥型瓶、离心管、JF-2000型智能马弗炉、坩埚。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

以猪粪为原料，菌糠敲碎成小颗粒添加，添加秸秆调节物料碳氮比，将C/N控制至25～30，控制堆肥初始条件中的含水率为65%左右。共设置4个试验组，3个处理组添加菌糠，1个对照组不添加菌糠。按质量占比5%、10%、15%的梯度添加处理好的菌糠并将所有物料充分搅拌混匀，然后将混合完成的物料分别放入自制的堆肥反应装置中。5 d翻堆1次，堆肥持续50 d，当堆体温度超过60℃时，使用鼓风机强制通风30 min。表2

堆肥过程及取样：堆肥采用多点取样法，每隔7 d采集堆体的上、中、下三层的实验样本，均匀混合成一个样本，每个样本重量不少400 g。将采集到的每一类样本平均分成2份，1份鲜样装入自封袋中用于测定pH值、电导率等理化指标，另1份在自然条件下风干，研磨并过60目筛，置于4℃下保存备用，用于测定全氮、全磷、全钾以及堆肥腐熟物红外光谱分析等。表2

表2 堆肥试验设计Table 2 Experimental design of composting

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 温度

每天16:00用温度传感器对堆体上、中、下层的物料温度进行测温，取3次测量的平均值作为当天堆体的实际温度，并测定堆肥装置的周围的环境温度[6]。

1.2.2.2 pH值和电导率

用电子天平称取10 g左右堆肥样品将其放入锥形瓶中，再量取100 mL蒸馏水倒入锥形瓶中，将融合后的锥形瓶放置于振荡器内，匀速震荡30 min左右，将锥形瓶放置在实验台上静置30 min后，提取上清液用pH计和电导率仪分别测定并记录数据。

1.2.2.3 有机质

先将坩埚进行全面清洗、灼烧烘干称重记为M1，然后准确取5 g烘干后的样品放置在坩埚内，将样品和坩埚一起称重记为M2。将坩埚放置于马弗炉中，升温至550℃灼烧4 h后取出，冷却后称重，记为M3，利用有机质含量计算公式得出。

(1)

式中：η1为有机质含量(%)，M1为坩埚质量(g)，M2为烘干样品加坩埚质量(g)，M3为灰分加坩埚质量(g)。

1.2.2.4 样品

用浓H2SO4-H2O2进行消煮后用自动定氮仪测定全氮，全磷采用《土壤农化分析》第三版中H2SO4-H2O2消煮-钒钼黄比色法测定。全钾采用《土壤农化分析》第三版中H2SO4-H2O2消煮-火焰光度法测定。

1.2.2.5 种子发芽指数

称取5 g新鲜堆肥样品，用量筒量取50 mL蒸馏水，将样品与蒸馏水充分混合后倒入锥形瓶中，在20℃下恒温振荡1 h，将振荡后的溶液经滤纸过滤后，用移液枪将过滤后的溶液加到铺有2张滤纸的培养皿中。选取20粒饱满、大小相似的小白菜种子均匀放置在培养皿中，在恒温(25±2)℃的培养箱中避光培养48 h，取出测定种子发芽率、种子平均根长，将其代入公式计算种子发芽指数[7-8]。每个样品处理设置3个重复，蒸馏水作为对照组，种子发芽指数计算公式如下：

(2)

1.2.2.6 堆肥样品红外光谱

将堆肥样品在105℃的条件下烘干，粉碎过100目筛，在红外干燥灯下与KBr混合研磨，制成溴化钾压片,并保证其表面光滑[3]。采用红外光谱仪对制成的压片进行红外光谱扫描，扫描光谱范围为400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，透射模式扫描32次。

1.2.2.7 腐熟度

选取含水率、pH值、有机质、种子发芽指数、全氮为堆肥腐熟度评价指标，5个评价指标体现堆肥过程中物理变化、化学变化及生物变化的影响。采用Matlab软件进行堆肥腐熟度的模糊综合评价法的计算，各指标参数在计算时取倒数，使伴随数值下降，腐熟程度上升，对8次采样结果进行分析，各影响因素的权重均等。灰色关联度分析是对两系统间的因素，其随时间或不同对象而变化的关联性大小的量度，称为关联度[9]。在系统发展过程中，若2个因素变化的趋势具有一致性，即同步变化程度较高，即可谓二者关联程度较高；反之则较低，根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，作为衡量因素间关联程度的方法，对数据进行灰色关联度分析，得到各阶段不同分组与腐熟度的相关性。表3

表3 各评价指标定义标准Table 3 Definition standard of each evaluation index

2 结果与分析

2.1 菌糠对猪粪好氧堆肥理化特性的影响

2.1.1 菌糠对猪粪堆肥过程温度、pH、电导率值和有机质变化的影响

研究表明，各处理组的温度变化虽存在差异但总体变化趋势相似，4个处理组的温度均上升到50℃以上过，高温持续时间均在5 d以上。其中T3处理组的温度变化趋势较快，在第5 d温度达到52.1℃，进入高温期，最高温度可达到62.1℃。对照组温度上升较慢，高温持续时间较短，但也持续了5 d以上。T1、T2、T3和CK处理组高温持续时间分别为9、11、12和6 d。各处理组的温度逐渐下降最终与环境温度相保持一致，达到相对稳定状态。图1

图1 不同处理堆体温度与环境温度变化Fig.1 Variation of reactor temperature and ambient temperature under different treatments

堆肥前期至第36 d，pH值波动幅度较大，呈现出先下降后上升再下降的趋势。到堆肥结束时各处理组和对照组pH值都稳定在7.0～8.5的偏碱性范围内，达到腐熟条件。图2

图2 不同处理堆体pH值变化Fig.2 pH value variation of different treatment reactors

在堆肥初期，对照组和添加了菌糠的处理组电导率都处在不断上升的阶段，T3处理组电导率和对照组相比要高，在第29 d时处理组和对照组电导率出现下降趋势。到堆肥结束时，T1、T2、T3、CK处理的电导率分别为2.7、2.8、2.6和2.5 ms/cm。图3

图3 不同处理堆体电导率变化Fig.3 Conductivity change diagram of different treatment reactors

各处理组和对照组有机质含量都呈现出逐步下降的态势，堆肥前期，T3处理组有机质下降速度较快，不同处理组和对照组中有机质含量下降范围都在12%～17%。图4

图4 不同处理堆体有机质变化Fig.4 Variation of organic matter in different treatments

2.1.2 菌糠对猪粪堆肥过程全氮、全磷和全钾变化的影响

研究表明，各试验组中全氮含量的变化趋势相对统一，表现为先下降后增高的曲线走势。堆肥前期，全氮含量迅速下降，堆肥进行到第15 d时，各试验组全氮含量下降至最低。到堆肥后期，各试验组全氮含量又持续出现递增，到堆肥后期，T1、T2、T3处理组的全氮含量与对照组进行比较分别高了13.3%、27.6%、34.8%。添加菌糠到猪粪堆肥过程中能够降低氮元素的损失，增加堆肥腐熟物的全氮含量，而且T3处理组较对照组全氮含量高了34.8%，菌糠的添加量越大，堆体中全氮含量的递增幅度越大。图5

图5 不同堆体全氮变化Fig.5 Total nitrogen variation of different reactors

不同处理组和对照组的全磷含量都呈上升趋势。堆肥初期，各处理组全磷含量明显高于对照组，菌糠的添加提高了物料中全磷的含量。堆肥前15 d，各试验组全磷含量出现缓慢增加。堆肥中后期，T3处理组全磷含量增加较快，但总体趋势呈增长的状态。T1、T2、T3处理组的全磷含量分别比对照组高了3.4%、18%、24.7%。在猪粪堆肥物料中添加菌糠，促进了微生物加快降解有机物质，使得堆肥物料中全磷的相对含量明显增加。图6

图6 不同堆体全磷变化Fig.6 Total phosphorus variation of different reactors

堆肥前中期，由于物料整体升温速率较快，反应产生的NH3等挥发性气体损失，微生物不断对有机物质进行降解，使全钾含量相对增加。堆肥后期，温度下降阶段，微生物活性逐渐减弱，物料中有机物质的降解速率趋于平缓，全钾含量的增加也趋于缓慢状态。T1、T2、T3处理组的全钾含量分别比对照组高了6.7%、8.3%、21.1%。T3处理组的全钾含量相对较高，添加菌糠有助于物料中全钾含量的不断积累。图7

图7 不同堆体全钾变化Fig.7 Variation of total potassium in different reactors

2.1.3 菌糠对猪粪堆肥过程种子发芽指数影响

研究表明，堆肥过程中各试验组种子发芽指数都呈上升趋势，初始GI均在15%～25%，堆肥第29 d时，各处理组和对照组GI都高于50%，堆肥的毒性在植物生长的可承受范围之内，其中T3处理组的GI较高，为63%，此时对照组的GI为58%，加入菌糠的堆肥，可以促进微生物对有机物质的降解速率。T1、T2、T3、CK的GI分别为86%、89%、95%、85%，各试验组GI都高于80%，堆肥已完全达到腐熟条件。图8

图8 不同处理堆体种子发芽指数变化Fig.8 Change of seed germination index of different treatment heaps

2.2 菌糠对猪粪好氧堆肥腐熟度的评价

2.2.1 腐熟物光谱特性

研究表明，堆肥过程中在3 330 cm-1～3 370 cm-1、2 924 cm-1、1 650 cm-1、1 554 cm-1、1 410 cm-1、1 050 cm-1～1 080 cm-1处均存在吸收峰。由此可知，在堆肥过程中其对应存在的基团有酚类化合物、羟基官能团、脂肪类化合物、氨基化合物、羧酸氨基化合物以及多糖类物质。不同堆体处理含有的主要官能团存在相似之处，但变化趋势不同。到堆肥末期，样品在3 330 cm-1～3 370 cm-1处的吸收峰为O-H的伸缩振动，其强度表现为增加的趋势，物料中原有的有机物质被大量微生物不断分解为小分子物质。2924 cm-1其吸收峰强度表现为先上升后下降的趋势，在堆肥过程中，脂肪族化合物的含量也是先上升后下降的趋势。末期出现的877.48 cm-1～897.13 cm-1处的吸收峰是由纤维素及多糖中的环振动所产生的，后期微生物继续降解比较难被降解的木质素、纤维素类物质，腐殖类物质逐渐形成。图9～12

图9 CK组堆肥初期(左)与末期(右)红外光谱Fig.9 Infrared spectra of early (left) and late (right) composting of CK group

图10 T1处理组堆肥初期(左)与末期(右)红外光谱Fig.10 Infrared spectra of T1 treatment group at the beginning (left) and end (right) of composting

图11 T2处理组堆肥初期(左)与末期(右)红外光谱Fig.11 Infrared spectrum of the initial (left) and the end (right) of composting in T2 treatment group

图12 T3处理组堆肥初期(左)与末期(右)红外光谱Fig.12 Infrared spectrum of T3 treatment group at the beginning (left) and end (right) of composting

2.2.2 腐熟度评价指标

研究表明，完全腐熟的隶属度比值为T3>T2>T1>CK，但由于T3、T2和T1组的未腐熟隶属度都大于完全腐熟的隶属度，得出所有处理组均处在未腐熟等级。CK、T1、T2、T3试验组的最大隶属度分别为0.799 9、0.967 4、0.984、0.985 6，又根据隶属度所在腐熟等级可得到CK、T1、T2、T3试验组分别属于较好腐熟、完全腐熟、完全腐熟、完全腐熟。2种评价方法的计算结果存在较大差异。表4，表5

表4 模糊综合评价结果Table 4 Fuzzy comprehensive evaluation results

表5 灰色关联度评价Table 5 Evaluation results of grey correlation degree

3 讨 论

3.1随着堆肥不断进行，有害物质逐渐被微生物所降解和转化，对植物生长的抑制作用减弱，堆肥中含有的营养物质被植物加以吸收和利用，对植物生长的促进作用被加强[10]。堆肥样品的FTIR谱图能够直观的反映出不同处理组中堆肥前后物质结构的变化[3]。通过对比各试验组堆肥前后的红外光谱谱图，从吸收峰的峰形以及强度的变化能够判断出堆肥物料中有机物质特征官能团的变化差异。

3.2在2 924 cm-1处的吸收峰为C-H键反对称伸缩振动和C-H键对称伸缩振动[11]，用Matlab软件得到模糊综合评价法和灰色关联度分析法的评价结果[12]。以不同比例的菌糠添加到猪粪中进行好氧堆肥，经过试验，加入15%的菌糠堆肥效果最好，与周江明等[4]的研究成果相差不大，可能是堆肥试验中添加菌糠的比例梯度较少。添加菌糠可以使猪粪堆肥提前进入高温期以及加入菌糠试验组的种子发芽指数都高于未添加菌糠的，一方面可能与废弃菌糠中存在的微生物加快了对有机物的降解速度，促进堆肥腐熟速率，另一方面可能是菌糠颗粒松散增大物料间孔隙度，提高了堆体的透气性和持水性，与王艮梅等[3]和周江明等[4]的研究结果相似。有机物在微生物作用下不断分解并以CO2、H2O、NH3等形式挥发掉[13]，造成氮元素和C元素的绝对量及总干物质质量随着堆肥进程逐渐减少，Guo等[14]也得到了相同的结果。磷和钾元素不可能通过挥发等形式损失，全磷、全钾绝对含量不会有太大的变化[15]。试验中各处理因菌渣比例不同和微生物分解速率不同，堆肥中N、P、K总养分相对含量变化有明显的区别，磷和钾元素会随着堆肥产生的“浓缩效应”使全磷和全钾含量不断增加。由红外光谱分析的不同吸收峰显示，物料中原有的有机物质被大量微生物不断分解为小分子物质，与王艮梅等[3]的结论一致，但是图谱显示的吸收峰位置和强度略有不同。

3.32种方法在评价堆肥腐熟度的过程中结果不同，其主要原因是：模糊综合评价法主要在权重的计算方法上，其权重的计算值主要是根据实际测量的数据得到的，而试验过程中所检测的各指标实测值和各级腐熟等级标准中所占比例不同，所以，腐熟等级与各评价指标的权重不匹配。而灰色关联度分析对层次较少，权重未确定的数据，相比较而言分析结果更为精确，实测值与不同腐熟等级的相关性已经量化，不再是实测值在不同分级指标中所占概率[15]。

4 结 论

4.1与对照组相比，菌糠的加入能够加快堆肥进入高温期的时间，且高温持续时间达到12 d，能够加快腐熟，且加入15%的菌糠堆肥效果最好。堆肥末期pH值在7.0～8.5的偏碱性值范围内，电导率均小于4 ms/cm。有机质含量随时间呈下降趋势，处理组和对照组下降范围都控制在12%～17%。全氮等营养元素含量由于堆体的“浓缩效应”都呈现出先下降后上升的趋势。种子发芽指数均超出80%，堆肥已完全达到腐熟条件。

4.2堆肥过程中在3 330 cm-1～3 370 cm-1、2 924 cm-1、1 650 cm-1、1 554 cm-1、1 410 cm-1、1 050 cm-1～1 080 cm-1处均存在吸收峰。其主要存在的基团有酚类化合物、羟基官能团、脂肪类化合物、氨基化合物、羧酸氨基化合物以及多糖类物质。相比于对照组，处理组其特征峰强度增幅均大于对照组，菌糠的添加对堆肥起到一定的促进作用。

4.3灰色关联度分析对层次较少，权重未确定的数据，分析结果更为准确，而模糊综合评价法更适用于模糊难以量化，且有较多级别评价因素的问题，灰色关联度分析法更适用于堆肥腐熟特性的评价。