不同工藝對菜粕發酵氣味及堆肥品質的影響

譚 美，劉 文，戴美玲，江 濤，何偉豪，向鐵軍

（湖南金葉眾望科技股份有限公司，湖南 臨湘 414300）

菜粕是油菜籽提取油料后形成的副產品，經過堆肥發酵，完全腐熟后能夠有效促進種子萌發和植物生長，是一款非常好的有機肥原料[1-2]。由于堆肥過程復雜，周期較長，其機理尚不明確，植物源堆肥或禽畜糞便堆肥過程中均會產生不同程度的臭味氣體，對環境及人類生活帶來居多不便。環境保護和可持續發展已經成為全世界人們的共同心聲和一致行動。目前，發酵堆肥污染問題已經提到了環境保護工作的議事日程上，如何在堆肥發酵過程中降低臭味氣體的產生和散發是堆肥發酵技術研究的重點。目前，國內外學者對于堆肥過程中物質轉化[3-4]、微生物群落及功能微生物篩選[5-7]、氮素損失與控制[8-9]、有害氣體排放和有毒物去除[10-12]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質量的影響[13]及物質轉化[14]等方面，菜粕發酵過程中不同添加物料對菜粕堆肥品質及腐熟度影響的研究相對較少。筆者以菜粕為原料進行好氧堆肥，研究不同輔料、不同氧化劑、不同工藝水及不同腐熟劑對菜粕堆肥過程中氣味、發酵特性及腐熟度的影響，探討菜粕發酵物料最佳配比，以期為菜粕發酵資源化、環?；盁o害化提供理論和生產指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

供試菜籽粕采購于成都市深迪糧油有限公司，供試輔料分別為有機輔料（輔料A）與竹屑（輔料B），有機輔料來自于臨湘市盈信農資有限公司，竹屑采購于岳陽市岳化糧油供應站；供試氧化劑分別為氧化鎂（氧化劑A）和生石灰（氧化劑B）；供試工藝用水分別為經過處理的工藝廢水（工藝水A）、自來水（工藝水B）和硫銨母液（工藝水C）；供試發酵菌劑分別為低溫發酵菌劑（腐熟劑A）和除臭菌劑（腐熟劑B）。

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7 個處理，T1：菜粕+氧化劑A+工藝水A+腐熟劑A；T2：菜粕+氧化劑B+工藝水A+腐熟劑A；T3：菜粕+輔料A+氧化劑A+工藝水A+腐熟劑A；T4：菜粕+輔料B+氧化劑A+工藝水A+腐熟劑A；T5：菜粕+氧化劑A+工藝水B+腐熟劑A；T6：菜粕+氧化劑A+工藝水C+腐熟劑A；T7：菜粕+氧化劑A+工藝水A+腐熟劑B。其中T1 為對照組（CK）。各處理初始水分控制在45%左右，堆置成寬3 m、高1.5 m 的長方體。堆體每天翻拋一次，每天在翻堆前按照五點取樣法在各處理沿切面（≤20 cm）、中層（20～40 cm）、深層（≥40 cm）取500 g 樣品，混勻，帶回實驗室備用。7 個處理堆置過程中其他條件保持一致。

1.2 測定指標與方法

1.2.1溫度監測于試驗期間每天上午9：00 用溫度計在堆體中東南西北中5個方位測定堆體物料溫度（溫度計插入堆體約20 cm 左右），取平均值記為當天溫度（T），并記錄當天發酵車間室內溫度（TE）。

1.2.2養分測定采用105℃烘干法測定物料含水率；采用重鉻酸鉀容量法測定有機質（OM，Organic matter）；采用凱氏定氮法測定全氮（TN，Total nitrogen）；采用磷鉬酸喹啉滴定分析方法測定全磷（TP，Total phosphorus），采用濃硫酸消煮-原子吸收分光光度法測定全鉀（TK，Total K）；采用Mettler Toledo FE30k 臺式電導率儀測定電導率；采用Mettler Toledo FE20 實驗室pH 計測定pH 值。

1.2.3發酵氣味辨析在發酵過程中按照10 分制（評分范圍2～10 分，5 個等級，2 代表物料堆帶酒香，無酸味或刺激性氣味；4 代表物料堆略帶酒香，同時略帶酸味，無刺激性氣味；6 代表物料堆無酒香，酸味較濃，無刺激性氣味；8 代表物料堆無酒香，有刺激性氣味；10 代表物料堆無酒香，有較濃的刺激性氣味）對各處理的氣味進行評定，每天15 人對各處理樣品進行氣味評分，其平均值表示物料堆當天氣味情況。

1.2.4種子發芽試驗在發酵第10 d 后對各處理堆肥進行發芽指數測定，稱取鮮樣5 g 加入100 mL 蒸餾水中，200 r/min 震蕩2 h，倒入離心管中，3 000 r/min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，25℃恒溫培養箱暗培養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：

種子發芽指數（GI）=（堆肥浸提液×種子根長）/ （蒸餾水的種子發芽率×種子根長）×100%

1.3 數據處理與分析

運用Excel 2010 和SPSS 18.0 進行數據處理及方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理菜粕堆肥發酵氣味變化情況

由圖1 可知，T2 比T1 氣味淡，并略帶有酒香，說明添加氧化劑B（生石灰）比添加氧化劑A（氧化鎂）對菜粕發酵的氣味改善效果更好；從不同工藝用水來看，T1 和T5 相比，氣味相差不大，T6 臭氣遠大于T1和T5，發酵第6 d，氣味分值一直持續在10 分，且 不隨著發酵時間延長而降低，說明工藝水A（工藝廢水）和工藝水B（自來水）對物料堆氣味影響不大，而 工藝水C（硫銨母液）對菜粕堆肥發酵氣味影響較大。

從不同輔料來看，T1、T3 和T4 氣味由濃至淡順序為T3 ＞T1 ＞T4，T3 發酵第6 d 開始，就出現濃重的氨味和惡臭，隨后氣味持續嗆鼻難聞（發酵氣味分值為10 分），且未隨發酵時間延長而變淡，說明添加輔料A（有機輔料）進行混合發酵氣味比菜粕單獨發酵氣味濃，輔料B（竹屑）則有利于改善菜粕發酵氣味（圖1）。

從不同發酵菌劑來看，T7 氣味比T1 好聞，說明發酵菌劑B 與發酵菌劑A 相比，能有效改善菜粕堆肥發酵的氣味情況（圖1）。

2.2 不同處理菜粕堆肥溫度變化情況

由圖2 可知，在發酵第1 d，T2 發酵堆溫度明顯低于其他處理，說明添加氧化劑B（生石灰）不利于菜粕堆肥溫度的上升；T3 和T4 溫度均高于T1，說明添加輔料能有效加快發酵對升溫，促進菜粕快速腐熟；T5 和T6 溫度高于T1，說明工藝水B 與工藝水C 較工藝水A 更有利于菜粕堆肥溫度上升；T7 溫度遠高于T1，說明腐熟劑B 較腐熟劑A 更有利于菜粕堆肥發酵溫度的升高，促進菜粕快速腐熟。

大腸埃希菌（Escherichia coli）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、無乳鏈球菌（Streptococcus agalactiae）、停乳鏈球菌（Streptococcus dysgalactiae）是引發奶牛乳房炎的主要致病菌。大腸埃希菌、金黃色葡萄球菌由內蒙古農業大學獸醫學院提供；無乳鏈球菌（CVCC3940）及停乳鏈球菌（CVCC3701）菌株從中國獸醫微生物菌種保藏管理中心購買。

有機肥堆肥發酵一般保持55℃以上5～6 d，50～ 65℃10 d 左右不僅能殺滅90%以上有害生物（原材料中的蛔蟲卵、大腸桿菌、沙門氏傷寒菌等），還能使雜草種子失去發芽能力，將有機肥無害化。由圖2可知，除T2 之外，其他各處理均達到55℃以上，使堆肥無害化。T2 堆肥55℃以上僅維持4 d，50℃以上僅6 d，從理論上來說，T2 菜粕堆肥中有害微生物未完全殺滅，無法實現堆肥無害化。

2.3 不同處理菜粕堆肥水分變化情況

菜粕堆肥含水率隨著發酵時間的延長而逐漸降低（圖3）。發酵10 d，T1 含水率降低11.33 %，T2 堆肥含水率最高，含水率降低4.26 %，說明氧化劑B（T2）較氧化劑A（T1）保水效果更強。T3 含水率高于T1，說明添加輔料A 使菜粕堆肥水分散失減少，鎖水能力強。T4、T6 和T7 堆肥含水率低于T1，說明添加輔料B、工藝水C 和腐熟劑B 均能加快菜粕堆肥水分的流失。

2.4 不同處理菜粕堆肥pH 值變化情況

有機肥堆肥發酵過程中，pH 值過高或過低都會嚴重抑制堆肥反映的進行，一般認為pH 值在7.5～8.5時，可以獲得最大堆肥效率。由表1 可知，堆肥發酵過程中pH 值隨著發酵時間而降低，T2 的pH 值明顯低于T1，其變化值在5.27～6.43，T1 均保持在中性和弱酸性（pH 值6.95～7.73），說明添加氧化劑A（氧化鎂）比添加生石灰（T2）更有利于菜粕堆肥發酵的進行。T3～T7 堆肥pH 值與T1 差異不明顯，說明輔料、工藝水與腐熟劑對菜粕堆肥pH 值影響不明顯。

表1 不同物料配比對菜粕堆肥pH 值的影響

2.5 不同輔料對菜粕堆肥有機質（OM）的影響

由圖4 可知，各處理菜粕堆肥有機質含量符合國家有機肥標準（有機質≥45 %），發酵10 d 后，堆肥降解率由大到小分別為T6 ＞T3 ＞T4 ＞T7 ＞T1 ＞T5 ＞T2，T3 和T4 有機質降解率大于T1，說明添加輔料進行混合發酵比菜粕單一發酵降解的有機物質更多。T2 堆肥有機質降解率顯著小于對照組T1，說明生石灰對菜粕堆肥有機物質降解的促進作用比氧化鎂弱。T6 有機質降解率遠高于其他處理，即添加硫銨母液對菜粕堆肥有機質降解影響極顯著。

2.6 不同輔料對菜粕堆肥電導率（EC）的影響

堆肥的電導率（EC）可以反映堆肥中可溶性鹽含量的高低，由圖5 可知，隨著堆肥時間的延長，EC值呈現上升的趨勢，但不同處理上升幅度存在差異，發酵10 d 后，T1～T7 堆肥電導率分別上升39.00%、35.44 %、89.22 %、46.51 %、62.62 %、96.40 % 和47.97 %，上升幅度順序為T6 ＞T3 ＞T5 ＞T7 ＞T4＞T1 ＞T2。T2 堆肥EC 值上升幅度小于T1，說明生石灰作為氧化劑對堆肥可溶性鹽的積累作用低于氧化鎂。T3 和T4 的EC 值上升幅度均大于T1，說明添加輔料進行混合發酵處理比單一原料發酵處理EC 值上升幅度大。T5 和T6 堆肥EC 值上升幅度比T1 大，說明菜粕添加自來水和硫銨母液進行發酵比工藝廢水處理EC 值上升幅度大。T7 堆肥EC 值上升幅度大于T1，說明腐熟劑B 對菜粕堆肥可溶性鹽的積累效果比腐熟劑A 明顯。

2.7 不同輔料對菜粕堆肥腐熟度的影響

不同物料堆肥未達到腐熟都會對植物產生毒性，種子發芽和根系生長對此非常敏感，會受到抑制作用，因此，學界傾向于使用GI 值來評價堆肥腐熟度。由圖6 可知，在不同處理菜粕堆肥發酵10 d 后，T1、T4、T6 和T7 的GI 值均達到了80 %，T2 未達到80 %，說明把生石灰作為氧化劑不利于菜粕堆肥發酵，T3的GI 值小于50 %，說明添加輔料A 會降低堆肥發酵速度，不利于菜粕堆肥快速腐熟。

T6的GI值大于T1，說明添加工藝水C（硫銨母液）能促進菜粕堆肥快速腐熟，縮短發酵時間。T7 與T1相比，T7 的GI 值大于100 %，說明T7 菜粕堆肥已完全腐熟，腐熟劑B（T7）比腐熟劑A（T1）更有利于菜粕堆肥發酵。

3 結論與討論

堆肥溫度被認為是指示堆肥進程的重要指標，其中的高溫階段（55℃以上）是好氧堆肥處理物料毒性物質的關鍵階段，堆肥中幾乎所有的有害微生物在此過程中被殺死而趨于穩定[15]。此研究發現，氧化鎂比生石灰更適合作為菜粕堆肥的氧化劑，更有利于堆肥快速升溫，加快堆肥腐熟；添加輔料（有機輔料或竹屑）進行混合發酵比菜粕單獨發酵溫度上升速度更快，這是由于有機輔料中微生物含量大于菜粕，混合發酵能夠增加堆肥中微生物數量，微生物活動促使升溫加快，而竹屑孔隙度大于菜粕，添加竹屑能夠加大堆肥氧氣含量，使堆肥中好氧微生物活動劇烈，從而加快堆肥溫度的升高；與工藝廢水相比，添加硫銨母液能夠促進菜粕堆肥溫度上升，添加自來水則差異不顯著；腐熟劑B 與腐熟劑A 相比，添加腐熟劑B 堆肥溫度上升更快，但兩者差異不顯著。

堆肥含水率與堆肥溫度呈負相關，高溫持續時間越長，則含水率下降越快，此研究中，堆肥發酵10 d后，各處理堆肥含水率從高到低順序分別為T2 ＞T3＞T5 ＞T1 ＞T7 ＞T4 ＞T6。T2 水分最高，是由于其堆肥溫度在所有處理中最低，而T3 堆肥含水率高于T4，是由于T4 添加竹屑增大堆肥孔隙度，水分散失快。

pH 值的變化是揭示堆肥化過程比較直觀的參數，適宜的pH 值有利于微生物發揮作用，pH 值過高或過低都會影響堆肥效率，而且較高的pH 值也是造成堆體氮素養分損失的重要原因[16]。有研究表明，當 pH值＞7 時，氨氣損失量呈增加趨勢[17]，但微生物生長最適宜的pH 值是中性或弱堿性，pH 值過高或過低都會嚴重抑制堆肥反映的進行，一般認為pH 值在7.5～8.5時，可以獲得最大堆肥效率。此研究中除T2 之外，其他各處理pH 值均為中性或弱堿性，說明除氧化劑外，其他物料對菜粕堆肥pH 值影響不明顯。

EC 值代表可溶性電解質含量，離子強度決定了電導率大小，堆肥過程中由于微生物代謝旺盛、活動加劇，分解大量的物料并產生大量的小分子有機酸和各種離子，電導率上升明顯[18]，試驗結果顯示，添加輔料進行2 種物料混合發酵處理比單一原料發酵處理EC 值上升幅度大，且有機質（OM）降解率也是混合處理高于菜粕單獨發酵處理，這可能是由于添加輔料增加堆肥微生物多樣性，改變了堆肥中的產酶情況，從而提高了對不同有機物質的降解能力，同時增加了堆肥中小分子物質的含量，從而提高了堆肥的EC值[19]； 添加自來水和硫銨母液進行發酵比工藝廢水處理EC值上升幅度大；腐熟劑B 對菜粕堆肥可溶性鹽的積累效果比腐熟劑A 明顯。

未腐熟的堆肥含有植物毒性物質，對植物生長產生抑制作用，因此可以用發芽指數（GI）來評價堆肥腐熟度，且可靠性較好，可以直接反映堆肥的腐熟狀況，研究表明，發芽指數＜100%，則表示堆肥有植物毒性，但在實際生產過程中，發芽指數＞50%則認為堆肥植物毒性降低在植物可承受范圍內，若發芽指數≥80%，則認為堆肥已完全腐熟[20]。在此試驗中，各處理堆肥發酵10 d 后，T6 和T7 的GI 值達到100%， T1 和T4 的GI 值達到了80 %，T2 和T5 的GI 值達到了50 %，而T3 的GI 值僅43.82 %，即添加硫銨母液能促進堆肥快速腐熟，腐熟劑B 比腐熟劑A 更有利于菜粕堆肥的順利進行，氧化鎂比生石灰更有利于菜粕堆肥快速腐熟，而添加有機輔料（T3）則不利于菜粕快速達到堆肥無害化。

綜上所述，以氧化鎂作為氧化劑，工藝廢水作為堆 肥水分調節用水，腐熟劑B 作為發酵菌劑和添加竹屑作為輔料均有利于菜粕堆肥氣味改善，加快堆肥腐熟，節省時間；而生石灰、有機輔料則不利于菜粕堆肥發酵的順利進行。但此研究中堆肥發酵時間僅10 d，對后期堆肥理化性質的變化有待進一步探討和分析。