秸稈-糞便屬地化微貯制肥工藝參數(shù)優(yōu)化

王鐵軍，王瑞麗，孫軍德，宮元娟，王鐵良※

（1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110866；2. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110866；3. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽 110866）

0 引言

中國農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物資源利用潛力巨大，據(jù)估算每年全國畜禽糞污產(chǎn)量達(dá)38億t、秸稈資源量超過9億t[1-3]。以小農(nóng)戶為主體的非規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物屬地化利用率低，成為農(nóng)村生態(tài)環(huán)境治理的突出問題，存在分布廣、處理方式粗放、缺乏社會(huì)化服務(wù)、農(nóng)戶參與度低等問題[4]。堆肥是解決農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便等農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物資源化問題的重要方式[5]。影響堆肥腐熟效果的因素較多，主要包括有機(jī)質(zhì)含量、含水率、pH值、碳氮比、溫度[6-8]以及肥源物料配比、物料粒度、混合均勻度、壓縮比、規(guī)模等工藝參數(shù)[9-12]。研究表明，堆肥中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～80%、含水率為40%～65%、中性或弱堿性pH值有利于微生物高效分解，促進(jìn)物料中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，縮短腐熟時(shí)間，提升腐熟效果，有效提高農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物制肥質(zhì)量；肥源物料種類、配比及物理性狀等影響有機(jī)質(zhì)含量、含水率、pH值等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)[13-16]，同時(shí)，一定的壓縮比使物料接觸面積和壓縮密度增大，促進(jìn)微生物分解，加快腐熟進(jìn)程[17]。

但傳統(tǒng)條垛堆肥和槽式堆肥均需要較大設(shè)施建設(shè)等資金投入，同時(shí)由于秸稈堆積密度小、畜禽糞污含水率高導(dǎo)致定點(diǎn)建場的物料和產(chǎn)品營運(yùn)范圍規(guī)模小[18-19]，成為阻礙堆肥產(chǎn)業(yè)有效覆蓋中小散種養(yǎng)區(qū)域、實(shí)現(xiàn)屬地化加工的瓶頸[20]。因此以就地取材、能量循環(huán)、還田利用為主線，研究在村屯當(dāng)?shù)乩靡苿?dòng)方便的小型輕簡化裝備處理秸稈和畜禽糞便的屬地化制肥工藝，將農(nóng)業(yè)種養(yǎng)有機(jī)廢棄物就地、就近、就便轉(zhuǎn)化為高效的肥料或土壤改良劑[21-22]，是改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染、提高農(nóng)戶參與度、推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的有效途徑之一。

鑒于此，本研究提出一種因地制宜屬地化利用農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物模式，即“秸稈絲化-物料混配-壓縮成型-微貯腐熟”制肥工藝，將堆肥生產(chǎn)由運(yùn)輸物料轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)設(shè)備、由先腐熟后造粒施用轉(zhuǎn)變?yōu)橄瘸尚脱b袋后腐熟施用，從生產(chǎn)實(shí)際角度變革傳統(tǒng)農(nóng)戶生產(chǎn)廢棄物屬地利用率低、堆肥腐熟效果差等問題。探究在不同物料含水率條件下，通過調(diào)節(jié)適宜的壓縮比和肥源物料配比，避免微貯制肥過程中畜禽糞便析水污染環(huán)境，通過添加專用微生物復(fù)合菌劑，控制微貯制肥腐熟時(shí)間和刺激性氣體生成。以肥源物料配比、物料含水率、微生物菌劑施用量、壓縮比和腐熟時(shí)間為影響因素，通過試驗(yàn)與響應(yīng)面分析方法，探究微貯腐熟效果對(duì)工藝參數(shù)耦合的響應(yīng)機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)畜禽糞便和秸稈資源屬地化高效利用，規(guī)模化微貯生產(chǎn)有機(jī)肥及配套裝備設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 微貯腐熟制肥工藝

本研究提出秸稈與畜禽糞便屬地化微貯制肥工藝流程如圖1所示。以玉米秸稈與牛糞為例，將玉米秸稈通過粉碎搓絲設(shè)備處理為秸稈絲（幾何長度為10～50 mm），對(duì)牛糞進(jìn)行除雜處理，按制肥周期需求調(diào)配微生物菌劑，使用混合設(shè)備將物料攪拌均勻，將物料按一定壓縮比利用壓縮設(shè)備壓制成微貯塊（體積約為0.10～0.25 m3，質(zhì)量約為50～150 kg），裝入定制袋中，整齊碼放于避雨通風(fēng)處進(jìn)行腐熟。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)于2019年7至10月份在農(nóng)業(yè)部東北設(shè)施園藝工程科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。供試原料為沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)北山科研基地2018年收獲玉米秸稈、沈陽市蘇家屯養(yǎng)殖場牛糞和沈陽九利生物科技發(fā)展有限公司專供復(fù)合微生物菌劑。依據(jù)文獻(xiàn)[23-24]，測定試驗(yàn)前玉米秸稈絲和牛糞含水率分別為8.8%、56.3%。使用自制物料攪拌設(shè)備混合物料，使用自制壓塊試驗(yàn)臺(tái)壓制成質(zhì)量為5 kg/塊的試驗(yàn)用物料樣塊待用。

試驗(yàn)設(shè)備為自制秸稈絲化機(jī)，自制物料攪拌設(shè)備，自制物料壓塊試驗(yàn)臺(tái)，QUINTIX224-1CN型電子分析天平（德國賽多利斯），101-0A型數(shù)顯式電熱恒溫干燥箱（上海陽光實(shí)驗(yàn)儀器有限公司），ZD-85A型氣浴恒溫振蕩器（金壇市華城儀純儀器廠），SHP-250型生化培養(yǎng)箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司），根系分析系統(tǒng)（Expression 11000XL，Regent WinRHIZO LA2400）。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)與方法

種子發(fā)芽指數(shù)（Germination Index，GI）是衡量樣品腐熟效果和植物毒性的重要指標(biāo)，且與樣品理化性質(zhì)存在密切相關(guān)性[8,25]。根據(jù)文獻(xiàn)[26]檢測方法，在培養(yǎng)皿內(nèi)濾紙上均勻放入10粒小白菜種子，加入腐熟肥料樣品浸出液5.0 mL，在25 ℃黑暗環(huán)境培養(yǎng)48 h，測定種子發(fā)芽指數(shù)，每次測定，做純水空白試驗(yàn)3個(gè)。利用根系分析系統(tǒng)掃描得到根長圖像及特征參數(shù)值。利用式（1）計(jì)算試驗(yàn)GI值并判斷：當(dāng)GI值＞50%時(shí)達(dá)到基本腐熟狀態(tài)，當(dāng)GI值＞80%時(shí)堆肥已經(jīng)腐熟，且該值越大腐熟效果越好[8,25-26]。

1.4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素試驗(yàn)確定關(guān)鍵工藝參數(shù)的適宜取值范圍。以5%為變化區(qū)間，肥源物料配比[27]（x1，玉米秸稈干物質(zhì)質(zhì)量占制肥質(zhì)量比，%）預(yù)設(shè)為10%～50%共9個(gè)水平，物料含水率[28]（x2，全部物料水分占制肥質(zhì)量比，%）預(yù)設(shè)為40%～80%共9個(gè)水平，壓縮比[29-31]（x3，肥料壓縮后體積與壓縮前體積比，%）預(yù)設(shè)為20%～60%共9個(gè)水平；以0.5‰為變化區(qū)間，微生物菌劑施用量[32]（x4，施用菌劑原液質(zhì)量占制肥質(zhì)量比，‰）預(yù)設(shè)為0～5‰共11個(gè)水平；以2 d為變化區(qū)間，腐熟時(shí)間[33]（x5，自然日，d）預(yù)設(shè)4～60 d共15個(gè)水平。各試驗(yàn)水平進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)中非變量因素取中水平值。單因素試驗(yàn)過程種子發(fā)芽及根系掃描圖如圖2所示。

1.5 組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，在施用1.5‰微生物菌劑量及腐熟32 d條件下，取肥源物料配比（x1）、物料含水率（x2）和壓縮比（x3）進(jìn)行三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，查表γ=1.682。試驗(yàn)因素水平及編碼如表1所示。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所示。

表1 組合試驗(yàn)因素水平表 Table 1 Factors and levels of combination experiment

2 結(jié)果分析與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

單因素試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖3所示。圖3a為微生物菌劑施用量對(duì)GI值的影響。腐熟結(jié)束時(shí)GI值在不施用微生物菌劑（施用量為0）條件下亦大于50%，且隨著施用微生物菌劑及施用量的增加逐漸增大。當(dāng)施用量大于0.5‰時(shí)GI值均大于80%，當(dāng)施用量大于1.5‰后，GI值隨施用量增加在(85±2.5)%范圍內(nèi)波動(dòng)，并趨于穩(wěn)定，說明微貯腐熟過程不施用微生物菌劑肥料亦可腐熟，但施用微生物菌劑可以提高微貯肥料腐熟效果。

圖3b為腐熟時(shí)間對(duì)GI值的影響。當(dāng)腐熟時(shí)間小于12 d時(shí)GI值小于50%，微貯肥料未完全腐熟；當(dāng)腐熟時(shí)間大于16 d時(shí)GI值大于50%，微貯肥料可以實(shí)現(xiàn)基本脫毒[34]；當(dāng)腐熟時(shí)間大于24 d時(shí)GI值均在80%以上，在腐熟時(shí)間達(dá)到32 d后GI值隨時(shí)間增長速度放緩、趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3c為肥源物料配比、物料含水率及壓縮比對(duì)GI值的影響?？梢钥闯觯S著肥源物料配比、物料含水率及壓縮比的增加，GI值呈先升后降的趨勢且均大于50%，說明微貯腐熟后物料基本脫毒。當(dāng)肥源物料配比為15%～35%、物料含水率為45%～60%、壓縮比為25%～50%時(shí)，GI值均在80%以上，微貯腐熟物料具有一定促進(jìn)種子萌發(fā)及其根系生長作用，說明此范圍是較適宜微貯塊腐熟的工藝參數(shù)范圍。

2.2 組合試驗(yàn)回歸模型與方差分析

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件，以GI值為腐熟效果指標(biāo)（Y），肥源物料配比、物料含水率和壓縮比為影響因素（X1、X2、X3為因素編碼值）進(jìn)行多元回歸分析，得到回歸模型（2）。對(duì)所得三元二次回歸模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和方差分析，結(jié)果如表3所示。

表2 組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果 Table 2 Combination experiment design and results

表3 組合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 Table 3 Analysis of combination experiment data

由表3可知，物料含水率對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)的影響極顯著（P＜0.01），各因素對(duì)GI值影響的主次順序?yàn)椋何锪虾剩緣嚎s比＞肥源物料配比。肥源物料配比的一次項(xiàng)、物料含水率的二次項(xiàng)、壓縮比的一次項(xiàng)及二次項(xiàng)、肥源物料配比與物料含水率的交互項(xiàng)、物料含水率與壓縮比的交互項(xiàng)均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），剔除其余不顯著項(xiàng)，簡化各因素與指標(biāo)Y的回歸模型（3）。

對(duì)回歸模型的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)回歸方程的方差分析結(jié)果，得出三元二次回歸方程模型F1＞F0.01(9，13)、P＜0.0001，差異極顯著，說明所選用的二次回歸模型是適當(dāng)?shù)?；回歸方程的失擬性檢驗(yàn)F2＜F0.01(5，8)、P＞0.05，差異不顯著，說明模型預(yù)測值與實(shí)際測量值的相關(guān)性較高，二次回歸方程合理可行；R2=0.94，擬合優(yōu)度較高，模型成立。

2.3 因素交互作用分析與討論

對(duì)GI值影響顯著的因素間交互作用進(jìn)行分析，繪制各因素交互作用對(duì)指標(biāo)的影響圖，得出各因素對(duì)GI值的影響規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，物料含水率對(duì)微貯肥料腐熟效果的影響且呈正相關(guān)，其次是壓縮比且呈負(fù)相關(guān)，肥源物料配比對(duì)腐熟效果影響最小，呈正相關(guān)。

圖4a是壓縮比為37.5%（0水平）時(shí)，肥源物料配比與物料含水率交互作用對(duì)GI值影響的響應(yīng)面圖。分析可知，在試驗(yàn)參數(shù)變化范圍內(nèi)，GI值隨肥源物料配比的增加而增大，隨物料含水率的增大而增大，且增幅均較大，二者交互作用對(duì)GI影響較大。這是由于當(dāng)物料被壓縮相同體積時(shí)，玉米秸稈與牛糞初始含水率和持水性能差異大，玉米秸稈與物料含水率耦合使微貯塊在腐熟過程中較長時(shí)間保持在利于腐熟的適宜含水率水平；隨著腐熟時(shí)間增加，肥源物料礦質(zhì)化、腐值化后，持水性能下降、參數(shù)耦合作用減弱，因此肥源物料中玉米秸稈含量與適宜物料含水率的交互作用，影響微貯腐熟過程中水分含量隨腐熟時(shí)間的變化進(jìn)程，進(jìn)而影響腐熟效果。

圖4b是肥源物料配比為25%（0水平）時(shí)物料含水率與壓縮比交互作用對(duì)GI值影響的響應(yīng)面圖。分析可知，在試驗(yàn)參數(shù)變化范圍內(nèi)，GI值隨物料含水率的增大而顯著增大，GI值隨壓縮比的增大而顯著減小，即物料含水率與壓縮比交互作用對(duì)GI值影響較大。這是由于當(dāng)物料配比相同但被壓縮更小后，微貯塊物料間隙和表面積減小，延緩了物料水分散發(fā)、促進(jìn)了微生物分解轉(zhuǎn)化，進(jìn)而使腐熟進(jìn)程隨含水率增加和壓縮比增大而加快，腐熟效果提高。

圖4c是物料含水率為52.5%（0水平）時(shí)，肥源物料配比與壓縮比交互作用對(duì)GI值影響的響應(yīng)面圖。分析可知，在試驗(yàn)參數(shù)變化范圍內(nèi)，GI值隨肥源物料配比的增大而增大，但增幅較小，GI值隨壓縮比的增大而減小，但降幅較為平緩，即肥源物料配比與壓縮比交互作用對(duì)GI值具有一定影響，但影響較小。這是由于當(dāng)物料含水率維持在一定的水平后，肥源物料配比與物料被壓縮量的耦合作用受到水分總量限制，進(jìn)而二者對(duì)微貯肥料的腐熟過程影響程度降低。

2.4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

以GI值為響應(yīng)值，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化程序設(shè)定目標(biāo)參數(shù)要求為maximize，根據(jù)表1試驗(yàn)因素取值范圍設(shè)定各參數(shù)要求為in range，得到工藝參數(shù)優(yōu)化組合為：肥源物料配比23.13%、物料含水率60%、壓縮比39.37%時(shí)，微貯肥料腐熟效果最好，預(yù)測GI值為97.03%。

為進(jìn)一步驗(yàn)證工藝參數(shù)可靠性，在相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)現(xiàn)場及腐熟后物料樣品如圖5所示。考慮參數(shù)可操作性，將優(yōu)化結(jié)果調(diào)整為：肥源物料配比23%，物料含水率60%，壓縮比39.50%，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，得到該工藝參數(shù)組合下GI值實(shí)際值的均值為96.52%，相對(duì)誤差為0.53%，說明所建模型及分析結(jié)果可信，其中物料含水率優(yōu)化結(jié)果為試驗(yàn)參數(shù)邊界值，這是因?yàn)楫?dāng)堆肥初始含水率在59%左右時(shí)[10]，物料濕容重隨時(shí)間的增加而降低、通氣孔隙率隨時(shí)間的增加而增加，對(duì)提高堆肥過程溫度、降解揮發(fā)性固體具有實(shí)際意義，參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與規(guī)模化牛糞堆肥處理工藝相近[35]，較符合實(shí)際。

為驗(yàn)證優(yōu)化參數(shù)微貯肥料的使用性能，參照標(biāo)準(zhǔn)[36]，對(duì)最優(yōu)工藝條件下制得微貯肥料進(jìn)行理化性質(zhì)檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)，優(yōu)化后微貯肥料外觀呈灰褐色粒狀、均勻、無惡臭、無機(jī)械雜質(zhì)，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47%，總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.34%，含水率28.91%，酸堿度（pH值）約為6.0。結(jié)果表明，最優(yōu)工藝條件下制得肥料達(dá)到有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足使用要求。適宜條件下先成型裝袋后腐熟施用的微貯工藝可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物屬地化制肥，配合移動(dòng)式成套制肥裝備可以解決工廠化堆肥原料運(yùn)輸難、生產(chǎn)成本高的問題。

3 結(jié)論

本研究以種子發(fā)芽指數(shù)作為秸稈-糞便微貯制肥的技術(shù)指標(biāo)，在初試定量條件下對(duì)屬地化微貯工藝的適宜參數(shù)范圍進(jìn)行了探究，得出如下結(jié)論：

1）通過單因素試驗(yàn)，確定了各因素適宜范圍為：肥源物料配比15%～35%、物料含水率45%～60%、壓縮比25%～50%、微生物菌劑施用量臨界值0.5‰、腐熟時(shí)間達(dá)到24 d，此條件下種子發(fā)芽指數(shù)均在80%以上，腐熟效果較好。

2）通過組合試驗(yàn)，建立了表達(dá)腐熟效果的種子發(fā)芽指數(shù)的回歸模型，并通過方差分析進(jìn)行了擬合度和顯著性檢驗(yàn)。各因素對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)的影響主次順序?yàn)椋何锪虾剩緣嚎s比＞肥源物料配比，在交互作用中，肥源物料配比與壓縮比、物料含水率與壓縮比對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)的影響顯著。

3）施用1.5‰微生物菌劑量和腐熟32 d條件下，試驗(yàn)優(yōu)化得出優(yōu)化后工藝條件為：物料含水率60%、壓縮比39.50%、肥源物料配比23%，此時(shí)種子發(fā)芽指數(shù)為96.52%，表明秸稈-糞便微貯腐熟制肥具有良好的肥料性能，為屬地化微貯高效有機(jī)肥生產(chǎn)以及配套裝備設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。