秸稈-糞便屬地化微貯制肥工藝參數優化

王鐵軍，王瑞麗，孫軍德，宮元娟，王鐵良※

（1. 沈陽農業大學水利學院，沈陽 110866；2. 沈陽農業大學工程學院，沈陽 110866；3. 沈陽農業大學土地與環境學院，沈陽 110866）

0 引言

中國農業有機廢棄物資源利用潛力巨大，據估算每年全國畜禽糞污產量達38億t、秸稈資源量超過9億t[1-3]。以小農戶為主體的非規模化農業生產所產生的有機廢棄物屬地化利用率低，成為農村生態環境治理的突出問題，存在分布廣、處理方式粗放、缺乏社會化服務、農戶參與度低等問題[4]。堆肥是解決農作物秸稈、畜禽糞便等農業有機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，主要包括有機質含量、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、規模等工藝參數[9-12]。研究表明，堆肥中有機質質量分數為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，促進物料中銨態氮向硝態氮轉化，縮短腐熟時間，提升腐熟效果，有效提高農業有機廢棄物制肥質量；肥源物料種類、配比及物理性狀等影響有機質含量、含水率、pH值等關鍵技術參數[13-16]，同時，一定的壓縮比使物料接觸面積和壓縮密度增大，促進微生物分解，加快腐熟進程[17]。

但傳統條垛堆肥和槽式堆肥均需要較大設施建設等資金投入，同時由于秸稈堆積密度小、畜禽糞污含水率高導致定點建場的物料和產品營運范圍規模小[18-19]，成為阻礙堆肥產業有效覆蓋中小散種養區域、實現屬地化加工的瓶頸[20]。因此以就地取材、能量循環、還田利用為主線，研究在村屯當地利用移動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，將農業種養有機廢棄物就地、就近、就便轉化為高效的肥料或土壤改良劑[21-22]，是改善農業生態環境污染、提高農戶參與度、推動農業綠色發展的有效途徑之一。

鑒于此，本研究提出一種因地制宜屬地化利用農業有機廢棄物模式，即“秸稈絲化-物料混配-壓縮成型-微貯腐熟”制肥工藝，將堆肥生產由運輸物料轉變為移動設備、由先腐熟后造粒施用轉變為先成型裝袋后腐熟施用，從生產實際角度變革傳統農戶生產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，通過調節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境，通過添加專用微生物復合菌劑，控制微貯制肥腐熟時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、壓縮比和腐熟時間為影響因素，通過試驗與響應面分析方法，探究微貯腐熟效果對工藝參數耦合的響應機制，為實現畜禽糞便和秸稈資源屬地化高效利用，規模化微貯生產有機肥及配套裝備設計提供了理論基礎。

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備處理為秸稈絲（幾何長度為10～50 mm），對牛糞進行除雜處理，按制肥周期需求調配微生物菌劑，使用混合設備將物料攪拌均勻，將物料按一定壓縮比利用壓縮設備壓制成微貯塊（體積約為0.10～0.25 m3，質量約為50～150 kg），裝入定制袋中，整齊碼放于避雨通風處進行腐熟。

1.2 試驗材料與設備

試驗于2019年7至10月份在農業部東北設施園藝工程科學觀測實驗站進行。供試原料為沈陽農業大學北山科研基地2018年收獲玉米秸稈、沈陽市蘇家屯養殖場牛糞和沈陽九利生物科技發展有限公司專供復合微生物菌劑。依據文獻[23-24]，測定試驗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備混合物料，使用自制壓塊試驗臺壓制成質量為5 kg/塊的試驗用物料樣塊待用。

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

1.3 試驗指標與方法

種子發芽指數（Germination Index，GI）是衡量樣品腐熟效果和植物毒性的重要指標，且與樣品理化性質存在密切相關性[8,25]。根據文獻[26]檢測方法，在培養皿內濾紙上均勻放入10粒小白菜種子，加入腐熟肥料樣品浸出液5.0 mL，在25 ℃黑暗環境培養48 h，測定種子發芽指數，每次測定，做純水空白試驗3個。利用根系分析系統掃描得到根長圖像及特征參數值。利用式（1）計算試驗GI值并判斷：當GI值＞50%時達到基本腐熟狀態，當GI值＞80%時堆肥已經腐熟，且該值越大腐熟效果越好[8,25-26]。

1.4 單因素試驗設計

采用單因素試驗確定關鍵工藝參數的適宜取值范圍。以5%為變化區間，肥源物料配比[27]（x1，玉米秸稈干物質質量占制肥質量比，%）預設為10%～50%共9個水平，物料含水率[28]（x2，全部物料水分占制肥質量比，%）預設為40%～80%共9個水平，壓縮比[29-31]（x3，肥料壓縮后體積與壓縮前體積比，%）預設為20%～60%共9個水平；以0.5‰為變化區間，微生物菌劑施用量[32]（x4，施用菌劑原液質量占制肥質量比，‰）預設為0～5‰共11個水平；以2 d為變化區間，腐熟時間[33]（x5，自然日，d）預設4～60 d共15個水平。各試驗水平進行3次重復試驗，試驗中非變量因素取中水平值。單因素試驗過程種子發芽及根系掃描圖如圖2所示。

1.5 組合試驗設計

根據單因素試驗結果，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）進行三元二次回歸正交旋轉組合試驗，查表γ=1.682。試驗因素水平及編碼如表1所示。試驗設計及結果如表2所示。

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

2 結果分析與討論

2.1 單因素試驗結果與分析

單因素試驗結果統計如圖3所示。圖3a為微生物菌劑施用量對GI值的影響。腐熟結束時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。當施用量大于0.5‰時GI值均大于80%，當施用量大于1.5‰后，GI值隨施用量增加在(85±2.5)%范圍內波動，并趨于穩定，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為腐熟時間對GI值的影響。當腐熟時間小于12 d時GI值小于50%，微貯肥料未完全腐熟；當腐熟時間大于16 d時GI值大于50%，微貯肥料可以實現基本脫毒[34]；當腐熟時間大于24 d時GI值均在80%以上，在腐熟時間達到32 d后GI值隨時間增長速度放緩、趨于穩定狀態。

圖3c為肥源物料配比、物料含水率及壓縮比對GI值的影響。可以看出，隨著肥源物料配比、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。當肥源物料配比為15%～35%、物料含水率為45%～60%、壓縮比為25%～50%時，GI值均在80%以上，微貯腐熟物料具有一定促進種子萌發及其根系生長作用，說明此范圍是較適宜微貯塊腐熟的工藝參數范圍。

2.2 組合試驗回歸模型與方差分析

應用Design-Expert 8.0.6軟件，以GI值為腐熟效果指標（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）進行多元回歸分析，得到回歸模型（2）。對所得三元二次回歸模型進行顯著性檢驗和方差分析，結果如表3所示。

表2 組合試驗設計與結果 Table 2 Combination experiment design and results

表3 組合試驗數據分析 Table 3 Analysis of combination experiment data

由表3可知，物料含水率對種子發芽指數的影響極顯著（P＜0.01），各因素對GI值影響的主次順序為：物料含水率＞壓縮比＞肥源物料配比。肥源物料配比的一次項、物料含水率的二次項、壓縮比的一次項及二次項、肥源物料配比與物料含水率的交互項、物料含水率與壓縮比的交互項均達到顯著水平（P＜0.05），剔除其余不顯著項，簡化各因素與指標Y的回歸模型（3）。

對回歸模型的有效性進行檢驗，根據回歸方程的方差分析結果，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的；回歸方程的失擬性檢驗F2＜F0.01(5，8)、P＞0.05，差異不顯著，說明模型預測值與實際測量值的相關性較高，二次回歸方程合理可行；R2=0.94，擬合優度較高，模型成立。

2.3 因素交互作用分析與討論

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

圖4a是壓縮比為37.5%（0水平）時，肥源物料配比與物料含水率交互作用對GI值影響的響應面圖。分析可知，在試驗參數變化范圍內，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GI影響較大。這是由于當物料被壓縮相同體積時，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間保持在利于腐熟的適宜含水率水平；隨著腐熟時間增加，肥源物料礦質化、腐值化后，持水性能下降、參數耦合作用減弱，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間的變化進程，進而影響腐熟效果。

圖4b是肥源物料配比為25%（0水平）時物料含水率與壓縮比交互作用對GI值影響的響應面圖。分析可知，在試驗參數變化范圍內，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GI值影響較大。這是由于當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、促進了微生物分解轉化，進而使腐熟進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，肥源物料配比與壓縮比交互作用對GI值影響的響應面圖。分析可知，在試驗參數變化范圍內，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GI值具有一定影響，但影響較小。這是由于當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，進而二者對微貯肥料的腐熟過程影響程度降低。

2.4 參數優化與驗證試驗

以GI值為響應值，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優化程序設定目標參數要求為maximize，根據表1試驗因素取值范圍設定各參數要求為in range，得到工藝參數優化組合為：肥源物料配比23.13%、物料含水率60%、壓縮比39.37%時，微貯肥料腐熟效果最好，預測GI值為97.03%。

為進一步驗證工藝參數可靠性，在相同的試驗條件下，對優化結果進行試驗驗證，試驗現場及腐熟后物料樣品如圖5所示。考慮參數可操作性，將優化結果調整為：肥源物料配比23%，物料含水率60%，壓縮比39.50%，進行3次重復試驗，得到該工藝參數組合下GI值實際值的均值為96.52%，相對誤差為0.53%，說明所建模型及分析結果可信，其中物料含水率優化結果為試驗參數邊界值，這是因為當堆肥初始含水率在59%左右時[10]，物料濕容重隨時間的增加而降低、通氣孔隙率隨時間的增加而增加，對提高堆肥過程溫度、降解揮發性固體具有實際意義，參數優化結果與規模化牛糞堆肥處理工藝相近[35]，較符合實際。

為驗證優化參數微貯肥料的使用性能，參照標準[36]，對最優工藝條件下制得微貯肥料進行理化性質檢驗。經檢驗，優化后微貯肥料外觀呈灰褐色粒狀、均勻、無惡臭、無機械雜質，有機質質量分數為47%，總養分質量分數5.34%，含水率28.91%，酸堿度（pH值）約為6.0。結果表明，最優工藝條件下制得肥料達到有機肥標準，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現農業廢棄物屬地化制肥，配合移動式成套制肥裝備可以解決工廠化堆肥原料運輸難、生產成本高的問題。

3 結論

本研究以種子發芽指數作為秸稈-糞便微貯制肥的技術指標，在初試定量條件下對屬地化微貯工藝的適宜參數范圍進行了探究，得出如下結論：

1）通過單因素試驗，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‰、腐熟時間達到24 d，此條件下種子發芽指數均在80%以上，腐熟效果較好。

2）通過組合試驗，建立了表達腐熟效果的種子發芽指數的回歸模型，并通過方差分析進行了擬合度和顯著性檢驗。各因素對種子發芽指數的影響主次順序為：物料含水率＞壓縮比＞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種子發芽指數的影響顯著。

3）施用1.5‰微生物菌劑量和腐熟32 d條件下，試驗優化得出優化后工藝條件為：物料含水率60%、壓縮比39.50%、肥源物料配比23%，此時種子發芽指數為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肥生產以及配套裝備設計提供了理論基礎。