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(chǎn)物。菜粕富含有機(jī)質(zhì)、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(jī)質(zhì)含量，長(zhǎng)期施用能達(dá)到培肥改土的效果，同時(shí)還能提高一些作物的產(chǎn)量和品質(zhì)［1］。

菜粕作為肥料使用前必須經(jīng)過(guò)堆肥發(fā)酵，只有經(jīng)過(guò)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(zhì)含量，同時(shí)產(chǎn)生促進(jìn)種子萌發(fā)和植物生長(zhǎng)的物質(zhì)［1］。生物質(zhì)堆肥過(guò)程復(fù)雜，周期較長(zhǎng)，且機(jī)制尚不明確。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于堆肥過(guò)程中物質(zhì)轉(zhuǎn)化［2-3］、微生物群落及功能微生物篩選［4-6］、氮素?fù)p失與控制［7-8］、有害氣體排放和有毒物去除［9-11］等方面進(jìn)行了大量研究，對(duì)于菜粕堆肥的研究主要集中在對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響［12］以及物質(zhì)轉(zhuǎn)化［13］，而對(duì)于菜粕堆肥過(guò)程中理化性質(zhì)變化和腐熟度評(píng)價(jià)的研究極少，僅陳裕新等［1］運(yùn)用豆科植物種子對(duì)菜粕堆肥腐熟度進(jìn)行了研究。本研究以菜粕為研究對(duì)象，進(jìn)行好氧堆肥，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法判別堆肥腐熟度，研究不同發(fā)酵時(shí)間堆肥的理化性質(zhì)和腐熟程度的差異以及添加竹屑和有機(jī)輔料對(duì)堆肥過(guò)程的影響，探討菜粕發(fā)酵的最佳時(shí)間，以期為菜粕資源化利用和無(wú)害化處理提供理論和生產(chǎn)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

供試菜粕采購(gòu)于成都市深迪糧油有限公司，竹屑來(lái)自岳華糧油供應(yīng)站，有機(jī)輔料腐植酸來(lái)自臨湘市盈信農(nóng)資有限公司。堆肥物料主要性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 堆肥物料主要性質(zhì)

試驗(yàn)于2019 年5 月10 日在湖南金葉眾望科技股份有限公司的發(fā)酵車間進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)計(jì)3 個(gè)處理，處理1（CK），菜粕單獨(dú)發(fā)酵；處理2，菜粕與竹屑按質(zhì)量比3∶2進(jìn)行混合發(fā)酵；處理3，菜粕和有機(jī)輔料腐植酸按質(zhì)量比1∶1進(jìn)行混合發(fā)酵。3個(gè)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(zhǎng)方體。堆體每天翻拋1 次，并在翻堆前按照5點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室備用。3 個(gè)處理堆肥過(guò)程中其他條件保持一致。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

試驗(yàn)期間，每天上午9：00 測(cè)定堆體東南西北中5 個(gè)方位的物料溫度（溫度計(jì)插入堆體約20 cm），取平均值記為當(dāng)天堆肥溫度（t），并記錄當(dāng)天發(fā)酵車間室內(nèi)溫度（tE）。

采用105 ℃烘干法測(cè)定物料水含量，重鉻酸鉀容量法測(cè)定有機(jī)質(zhì)（OM），凱氏定氮法測(cè)定總氮（TN），Mettler Toledo FE30k臺(tái)式電導(dǎo)率儀測(cè)定電導(dǎo)率，Mettler Toledo FE20實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)測(cè)定pH值。

用于判別堆肥腐熟度的主要指標(biāo)為發(fā)芽指數(shù)、碳氮比降解率（η（C/N））、平均耗氧速率和微生物量-活菌計(jì)數(shù)。堆肥腐熟度分級(jí)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 堆肥腐熟度的分級(jí)指標(biāo)

1.2.1 發(fā)芽指數(shù)

發(fā)芽指數(shù)（GI）的測(cè)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(zhuǎn)速離心10 min 后取上清液過(guò)濾，取濾液5 mL 加入鋪有濾紙的9 cm 培養(yǎng)皿中，在培養(yǎng)皿中均勻放入10 顆飽滿的黃瓜種子，在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)24 h，測(cè)定發(fā)芽率和根長(zhǎng)，以蒸餾水作為對(duì)照，重復(fù)3次。發(fā)芽指數(shù)計(jì)算公式如下：

1.2.2 碳氮比降解率

碳氮質(zhì)量比指固相中總碳和總氮質(zhì)量的比值，理論上腐熟的堆肥碳氮質(zhì)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(dāng)堆肥碳氮質(zhì)量比由最初的30 ∶1降低至15 ∶1時(shí)，可認(rèn)為堆肥已腐熟。本試驗(yàn)采用碳氮比降解率（η（C/N））來(lái)表示堆肥的腐熟程度，計(jì)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(jìn)程，其實(shí)質(zhì)是微生物繁衍和抑制的外部表現(xiàn)，但實(shí)測(cè)反應(yīng)的耗氧速率存在一定技術(shù)難度。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者［15］通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明耗氧速率不僅表示微生物活動(dòng)的強(qiáng)弱，而且表示堆肥中有機(jī)物的分解速度，即耗氧速率與堆肥物料中有機(jī)物含量有一定的關(guān)聯(lián)。因此，本試驗(yàn)用BOD 測(cè)定儀來(lái)測(cè)定堆肥一定時(shí)間內(nèi)的生物耗氧量，取其與時(shí)間的比值來(lái)間接表示平均耗氧速率（BOD2）。

1.2.4 微生物量-活菌計(jì)數(shù)

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

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013 和Spss18.0 等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過(guò)程中物料溫度的變化

發(fā)酵溫度是判斷堆肥中有機(jī)物料是否正常發(fā)酵的標(biāo)準(zhǔn)之一，是決定有機(jī)肥發(fā)酵效果和品質(zhì)的關(guān)鍵因素［17］。堆肥過(guò)程中微生物劇烈代謝活動(dòng)產(chǎn)生的高溫可以殺滅致病菌，同時(shí)，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(guò)程物質(zhì)代謝的關(guān)鍵因素，也是反映堆肥進(jìn)程的重要指標(biāo)［19］。本試驗(yàn)菜粕堆肥過(guò)程中溫度變化情況如圖1所示。

圖1 堆肥過(guò)程中溫度隨時(shí)間變化情況

堆肥發(fā)酵一般經(jīng)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(fā)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?yàn)橹裥伎障抖?，增加了堆肥通透性，氧氣充足，微生物活?dòng)加劇，堆肥中有機(jī)物料分解快，物料迅速升溫。堆肥中有機(jī)物質(zhì)的持續(xù)分解使堆肥保持在高溫階段，待易分解的有機(jī)物質(zhì)減少，微生物活動(dòng)逐漸減弱，物料溫度緩慢降低，進(jìn)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(jī)輔料（主要為褐煤腐植酸）導(dǎo)致堆肥空隙小，散熱速度慢。

2.2 堆肥過(guò)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(jìn)行的必要條件。菜粕堆肥過(guò)程中物料水含量變化如圖2 所示，3 個(gè)處理水含量變化趨勢(shì)一致，下降速度均先慢后快再平緩。發(fā)酵初期水含量下降緩慢的原因是微生物活動(dòng)劇烈，其新陳代謝產(chǎn)生的H2O 較多，補(bǔ)充了部分蒸發(fā)的水分；后期隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)，微生物活動(dòng)所產(chǎn)生的水分逐漸減少，堆肥持續(xù)高溫，水分蒸發(fā)快；隨著堆肥溫度的降低，水分蒸發(fā)減慢，堆肥水含量趨于穩(wěn)定。處理2 水含量降低最快，發(fā)酵20 d后堆肥水含量最低，說(shuō)明菜粕添加竹屑發(fā)酵不利于堆肥水分的保持。

圖2 堆肥過(guò)程中w（H2O）的變化

適宜的pH 值可使微生物有效地發(fā)揮作用，使堆肥發(fā)酵順利進(jìn)行，pH 值過(guò)高和過(guò)低都會(huì)嚴(yán)重抑制堆肥反應(yīng)的進(jìn)行，一般認(rèn)為pH 值在7.5 ～8.5 時(shí)，可以獲得最大堆肥效率［20］。菜粕堆肥過(guò)程中pH隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸降低（見(jiàn)圖3）。這是因?yàn)槎逊饰锪现醒鯕獬渥銋^(qū)域含氮有機(jī)物經(jīng)過(guò)氨化作用產(chǎn)生NH4+，然后被微生物利用或以NH3的形式揮發(fā)，加上含碳有機(jī)物降解產(chǎn)生有機(jī)酸，導(dǎo)致pH 值下降；而堆肥深層部位空氣流通受阻，形成厭氧區(qū)，產(chǎn)生乳酸等物質(zhì)致使pH 值下降［21］。堆肥過(guò)程中處理2 和處理3 pH 值略高于處理1，說(shuō)明添加竹屑或有機(jī)輔料對(duì)菜粕堆肥的pH 值產(chǎn)生一定影響。

圖3 堆肥過(guò)程中pH的變化

2.3 堆肥腐熟度評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)法是對(duì)受多種因素影響的事物做出全面評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)結(jié)果更科學(xué)［22-23］。 對(duì) 不同處理堆肥的發(fā)芽指數(shù)、η（C/N）、BOD2、芽孢桿菌計(jì)數(shù)和霉菌計(jì)數(shù)5 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，建立模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)，即因素集U={u1，u2，u3，u4}，其中u1、u2、u3和u4分別為發(fā)芽指數(shù)、η（C/N）、BOD2、微生物量4個(gè)指標(biāo)對(duì)評(píng)語(yǔ)的隸屬度函數(shù)；評(píng)語(yǔ)集（分?jǐn)?shù)）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(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)不同處理堆肥腐熟度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以發(fā)芽指數(shù)為例，根據(jù)表2 中堆肥腐熟度的分級(jí)指標(biāo)建立4 個(gè)級(jí)別的隸屬度函數(shù)。

u1為發(fā)芽指數(shù)對(duì)各評(píng)語(yǔ)的隸屬度函數(shù)。由于發(fā)芽指數(shù)是分段表示的，適合用梯形隸屬度函數(shù)。發(fā)芽指數(shù)對(duì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的隸屬度函數(shù)分別如下：

同理，其他各項(xiàng)指標(biāo)可按同樣的方法求出隸屬度函數(shù)。不同處理不同發(fā)酵時(shí)間下的堆肥腐熟度評(píng)級(jí)指標(biāo)實(shí)測(cè)值見(jiàn)表3。將表3 中不同處理不同發(fā)酵時(shí)間下的發(fā)芽指數(shù)實(shí)測(cè)值代入其隸屬度函數(shù)中，結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 堆肥腐熟度評(píng)級(jí)指標(biāo)實(shí)測(cè)值

表4 不同處理堆肥發(fā)芽指數(shù)隸屬度

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

運(yùn)用定量統(tǒng)計(jì)法計(jì)算權(quán)重，權(quán)重矩陣W=（0.222 0.304 0.230 0.244），為了兼顧各個(gè)因素，采用M（·，+）算子（加權(quán)平均型）計(jì)算總評(píng)價(jià)，Bij=W×Aij（i表示不同發(fā)酵處理；j表示不同發(fā)酵時(shí)間），并對(duì)B進(jìn)行歸一化處理。得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如下：

根據(jù)最大隸屬度原則，對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，處理1與處理3相差不大，說(shuō)明添加有機(jī)輔料對(duì)堆肥腐熟速度沒(méi)有明顯的影響；而處理2 腐熟程度明顯高于處理1，說(shuō)明添加竹屑能有效加快菜粕堆肥腐熟速度。在發(fā)酵15 d 時(shí)，處理2 比較腐熟，而處理1 和處理3 基本腐熟，即菜粕發(fā)酵15 d后，堆肥中的毒害物質(zhì)基本已消滅，可投入生產(chǎn)。

表5 不同處理堆肥腐熟度等級(jí)評(píng)價(jià)

3 結(jié)論

使用菜粕進(jìn)行堆肥，對(duì)比研究了添加竹屑和有機(jī)輔料對(duì)堆肥理化性質(zhì)的影響，并運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)不同發(fā)酵時(shí)間不同處理的腐熟度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，3 個(gè)處理堆肥都經(jīng)過(guò)升溫、高溫和降溫階段，55 ℃以上持續(xù)7 ～10 d。添加竹屑（處理2）堆肥升溫快、降溫快，添加有機(jī)輔料（處理3）升溫慢、降溫慢，說(shuō)明添加竹屑有利于菜粕堆肥發(fā)酵的順利進(jìn)行。

適宜的水分和pH 是堆肥發(fā)酵的必要條件，堆肥添加竹屑處理水分蒸發(fā)較單純菜粕發(fā)酵處理快，但添加竹屑處理、添加有機(jī)輔料處理以及單存菜粕發(fā)酵處理三者差異不明顯，說(shuō)明添加竹屑或有機(jī)輔料對(duì)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(shuō)明添加竹屑或有機(jī)輔料對(duì)菜粕堆肥的pH值產(chǎn)生一定影響。

綜合發(fā)芽指數(shù)、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(gè)主要評(píng)價(jià)因子，對(duì)其進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，添加有機(jī)輔料對(duì)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(fā)酵15 d后堆肥基本腐熟，其植物毒性已達(dá)到植物可接受的范圍。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，菜粕發(fā)酵15 d 后可轉(zhuǎn)為陳化，待溫度降低后使用。