复合饼肥发酵过程中理化性质变化的分析研究

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摘要 为了研究以芝麻、菜籽、大豆为原料的复合饼肥在发酵过程中理化性质的变化情况，筛选出能快速、准确地检测物料腐熟程度的方法和指标，以解决常规指标周期长的问题。采用电导率仪检测物料中电导率值，使用紫外可见分光光度计检测水溶性蛋白质及氨基酸含量，用凯氏定氮法分析总氮含量，用重铬酸钾容量法测量有机质含量，分析各指标在发酵过程中的变化。结果表明：随着发酵时间的推移，干物料中电导率换算值和物料中的氨基酸总量逐渐增加，水溶性蛋白质含量变化值无明显趋势，总氮含量趋于减少，但发酵前期变化明显，后期变化量不大，并且变化逐渐趋于稳定，有机质含量趋于减少，但是检测数值出现较大波动，影响判断分析。以第27天发酵物料检测值为参考，建议以电导率换算值80 mS/cm和氨基酸总量25 mg/g值作为复合饼肥的腐熟指标。

关键词 有机肥；腐熟程度；理化指标；堆肥

中图分类号 S141.5 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）16-0207-03

饼粕是植物种子或果核压榨提取油脂后所剩下的副产品，是一种富含氮且营养全面的有机肥原料，不仅可以增加土壤微生物活性，提高土壤有机质含量，改善土壤结构，同时还能为作物生长提供前期氮源。此外，饼粕还能显著提高一些产品的质量[1-2]，如饼粕能够增加烟叶产量，改善烟叶外观质量，提高香气含量。

中国饼粕类资源丰富，如大豆饼、芝麻饼、菜籽饼、花生饼、棉籽饼等，在生产上应用较多的是大豆饼、芝麻饼和菜籽饼[3-5]。三大饼肥各有其特点：大豆饼易分解，肥效快，但价格昂贵；芝麻饼营养全，但难降解，肥效慢；菜籽饼价格低，但分解慢，养分少[4，6-7]。为整合优点，弥补不足，可将芝麻、菜籽、大豆三大饼肥按一定比例混合，配制成复合饼肥施用于农作物。但是在饼肥施用之前，必须先进行堆沤发酵，通过微生物分解，充分腐熟后才能施用于田间。未腐熟的饼肥施用会导致植物生长前期缺肥，而后期贪青晚熟，影响产量和品质，施于旱地还易引发烧苗等现象[7-8]。因此，如何评价饼肥发酵是否充分腐熟便成为生产过程中的重要环节。

目前，评价腐熟指标有多种，物理、化学、生物等方面指标各异，很多学者考虑到堆肥腐熟的实用意义，推荐以植物生长试验作为评价堆肥腐熟度的最终和最具说服力指标[9-11]。但是植物生长试验评价周期长，制约了其生产应用，亟需一种快速简便的腐熟检测方法。为了进一步分析芝麻、菜籽、大豆三大饼肥的堆肥发酵情况，筛选出能快速准确有效地分析复合饼肥充分腐熟的方法与手段，笔者以湖南金叶众望科技股份有限公司生产的复合饼肥为材料，研究复合饼肥在发酵过程中的理化性质变化情况，为生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试复合饼肥分别为芝麻饼、菜籽饼、大豆饼，质量比为3∶6∶1，由湖南金叶众望科技股份有限公司提供。

1.2 试验方法

1.2.1 复合饼肥发酵程序。加入石灰粉4%，微生物发酵菌剂0.4%，用水调节含水量至50%，混匀后运至发酵槽中，堆高1.5～1.8 m，堆长80 m，堆宽15 m。翻堆时间分别为发酵第6天、第12天、第18天及第24天，第30天终止发酵并投入使用。

1.2.2 取样及其样品前处理。分别取发酵第0（未开始发酵的原料）、6、12、18、20、27、30天物料，置于粉碎机中粉碎，过直径为2 mm（10目）的筛子。过筛物料于4 ℃下保存备用。

1.2.3 蒸馏水浸提液制备：按照物料（g）∶蒸馏水（mL）=1∶5的比率于摇床内进行振荡浸提30 min，25 ℃，80 r/min，用定性快速滤纸过滤，滤液4 ℃下保存备用。

1.2.4 水分检测。将新鲜物料置于卤素水分测定仪中，50 ℃，标准加热模式，烘干自动停机状态，检测新鲜物料水分。1.2.5 电导率检测。取蒸馏水浸提液，采用梅特勒电导率仪（型号FE30K）检测溶液电导率。

干物料中电导率换算值（mS/cm）=C×5/（1-T）

式中，C为实测电导率（mS/cm），T为物料含水率（%），5为原料浸提时物料与水比值。

1.2.6 水溶性蛋白质含量检测。用碱量法精确称取0.571 0 g水溶性蛋白质标准品，用200 mL蒸馏水充分溶解，配制成2.855 mg/mL标准蛋白质溶液。准确吸取蛋白质标准液0、10、20、30、40 mL分别加入到5个40 mL容量瓶中，然后用蒸馏水定容，充分振荡均匀后，分别在紫外可见分光光度计280 nm处测定吸光度。以溶液浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。得到蛋白质标准曲线为Y=0.296 8 X-0.001 9，R2=0.999 1（Y为吸光度值，X为蛋白质浓度，X=3.369 3 Y+0.006 4）。

将蒸馏水浸提液，按10倍稀释，充分振荡混匀后，分别在紫外可见分光光度计280 nm处检测吸光度值。将吸光度值带入蛋白质标准曲线方程中计算出蛋白质浓度。

干物料中水溶性蛋白质含量（mg/g）=50×（A280×3.369 3+0.006 4）/（1-T）

式中，A280为280 nm下的吸光度值，T为物料含水率（%），50为换算系数，3.369 3和0.006 4为蛋白质标准曲线方程系数。

1.2.7 氨基酸含量检测。用碱量法精确称取0.140 9 g甘氨酸标准品，用500 mL蒸馏水充分溶解，配制得到浓度为3.754 3 mmol/L标准甘氨酸溶液。分别取标准甘氨酸溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于试管中，用蒸馏水补足至1 mL。各加入4 mL pH值为5.5浓度为0.2 mol/L磷酸缓冲液；再加入0.2 mL 2%茚三酮显色液，充分混匀后，盖住试管口，在100 ℃水浴中加热15 min，用自来水冷却至室温；再加入5 mL 60%乙醇溶液稀释，充分摇匀，分别在紫外可见分光光度计572 nm处测定吸光度。以甘氨酸含量为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。得到甘氨酸标准曲线为Y=3.903 5 X-0.071 4，R2=0.992 3（Y为吸光度值，X为甘氨酸浓度，X=0.256 2 Y+0.018 3）。

精确吸取0.1 mL样品的蒸馏水浸提液（用蒸馏水作对照），用蒸馏水补足至1 mL。其余试验操作步骤均按照氨基酸标准曲线制作进行。溶液反应完成并用60%乙醇稀释后，分别在紫外可见分光光度计572 nm处测定吸光度。将吸光度值带入甘氨酸标准曲线方程中即可计算得出氨基酸浓度。

干物料中总氨基酸含量（mg/g）=61.2×（A572×0.256 2+0.018 3）/（1-T）

式中，A572为572 nm下的吸光度值，T为物料含水率（%），0.256 2和0.018 3为甘氨酸标准曲线方程系数，61.2为换算系数。

1.2.8 总氮含量和有机质含量检测。总氮含量检测采用凯氏定氮法进行，有机质含量检测采用重铬酸钾容量法进行，具体操作均参照《中华人民共和国农业行业标准——有机肥料（NY525-2012）》[12]。

1.2.9 验证试验。随机取发酵已经腐熟、生产中正在使用的复合饼肥发酵料3份（30～40 d的发酵料，通常生产上以27 d后的发酵料为腐熟料），按上述方法进行预处理和蒸馏水浸提，分别检测物料含水量、电导率值和氨基酸含量，检测结果与上述分析结果进行对比，检验上述分析方法是否可靠。

1.3 数据分析

采用SPSS19.0软件进行数据统计和分析。

2 结果与分析

2.1 水分含量和电导率结果分析

水分含量和电导率检测结果如图1所示。可以看出，随着发酵时间的推移，水分逐渐降低。发酵前期水分降低较快，后期较慢。发酵前后水分差值达5.82个百分点，较为明显。但水分的散失受到多方面影响，如发酵堆温、空气温度、空气湿度、翻堆次数等，因此发酵过程中通常不以水分变化情况作为评价有机肥腐熟的指标，只作为一项参考数据。

电导率是检测溶液导电能力的大小，电导率越高，溶液中带电离子和分子浓度越大。如图1所示，干物料中电导率换算值随着发酵时间的推移而逐渐增加。这说明物料在发酵过程中大分子逐渐被分解，转化成小分子和离子态，从而使溶液中小分子和离子浓度升高，电导率值也随之逐渐上升。干物料中电导率换算值能较为准确的反应物料在发酵过程中的客观变化，并且检测值呈明显上升变化趋势，发酵前后值相差大，可用作衡量发酵是否腐熟的指标。通常生产上以27 d后的发酵料为腐熟料，取第27天检测对应值为参考，建议以干物料中电导率换算值大于80 mS/cm作为复合饼肥发酵腐熟标准。

2.2 水溶性蛋白质含量和氨基酸总量检测结果分析

水溶性蛋白质含量和氨基酸总量检测结果如图2所示。可以看出，在280 nm波长下检测蛋白质吸收峰，所得的水溶性蛋白质含量变化值无明显趋势。随着发酵时间的推移，水溶性蛋白质含量呈波浪式变化，说明此方法检测水溶性蛋白质不具有代表性。这可能是由于发酵过程中，大分子物质降解形成了新一类物质，这一类物质在280 nm波长附近有明显吸收，从而干扰了蛋白质的检测。此方法检测复合饼肥中水溶性蛋白质不能作为衡量和评价有机肥腐熟的指标。

随着发酵时间的延长，物料中的氨基酸总量显著增加，第30天时发酵物料中氨基酸总量达到了27.19 mg/g，与发酵初始相比增加了16.35 mg/g，增加了逾2倍。饼肥为高蛋白原料，在有机肥堆制发酵过程中蛋白质会分解为小分子多肽和氨基酸，干物料中氨基酸总量的多少是评价氨基酸肥料好坏的最具说服力的指标，也是分析评价堆肥发酵过程中是否腐熟的重要标准。此方法用来检测氨基酸总量，能准确反映氨基酸变化趋势，可作为评价饼肥发酵过程中是否腐熟的一种重要方法。取第27天检测对应值为参考，建议以干物料中氨基酸总量大于25 mg/g作为复合饼肥发酵的腐熟标准。

2.3 总氮含量和有机质检测结果分析

总氮含量和有机质检测结果如图3所示。可以看出，从总氮含量变化看，随发酵时间推移总体含量趋于减少，发酵前期变化明显，后期变化量不大，并且变化逐渐趋于稳定。从检测数值大小分析，由于后期变化量不大，而在检测的实际操作过程中可能会带来微小误差，一旦检测出现误差，从数值大小上难以得到区分，因此不建议以总氮含量作为衡量和评价有机肥腐熟的标准。

从有机质含量变化看，随发酵时间推移有机质含量趋于减少，但是检测数值出现较大波动，影响判断分析。检测数据存在波动，这可能是检测方法（重铬酸钾容量法）更适宜检测有机质含量较低的物料，当检测高含量有机质物料时，检测结果会出现一定误差。此外，在发酵后期，有机质含量变化值不大，数值趋于平稳，不宜作为衡量和评价有机肥腐熟的指标。

2.4 验证试验

综上2种检测方法均能快速准确地分析复合饼肥发酵过程中的腐熟程度。这2个指标分别为干物料中电导率换算值大于80 mS/cm和氨基酸总量大于25 mg/g。当2项指标同时满足时，发酵腐熟；只满足一个指标或都不满足，物料判定不腐熟。为验证试验结果，随机取发酵已经腐熟的物料3份（30～40 d的发酵料），按上述方法进行预处理和蒸馏水浸提，分别检测物料含水量、电导率值和氨基酸含量，检测结果与上述分析结果进行对比，结果如表1所示。可以看出，干物料中电导率换算值3份物料均超过80 mS/cm，均可判定腐熟。干物料中氨基酸含量3份物料均超过25 mg/g，均可判定腐熟。从发酵时间看，物料检测结果与发酵时间相吻合，证明上述试验提供2种检测方法和指标十分可靠，能作为复合饼肥发酵过程的腐熟程度的检测分析。

3 结论与讨论

饼肥作为一种高蛋白质含量的有机肥源，不能未经发酵而直接施用于生产，否则会导致作物前期养分供应不足，后期营养过剩，甚至由于后期发酵致局部温度过高而出现烧苗现象[13-15]。因此，饼肥必须经过充分堆沤发酵，将大分子物质充分降解成小分子物质，才能施用。该试验中复合饼肥发酵过程随时间推移，电导率值和氨基酸总量逐渐上升，这证实了堆沤发酵效应，即大分子物质转化为小分子物质。

评价有机肥腐熟有多种指标，物理、化学、生物等方面指标各异。考虑到堆肥腐熟的实用意义，很多学者都推荐以植物生长试验作为评价堆肥腐熟度的最终和最具说服力的指标[9-11]。然而，植物生理检测腐熟程度，时间周期长，一般需要2～4 d，因此在实际检测分析过程中，理化分析更为快捷。

通过紫外吸收的方法检测水溶性蛋白质含量，检测结果出现波浪式变化，这可能是由于饼肥发酵后期逐步形成新的产物，而新物质正好在280 nm波长附近有较大吸收峰，与蛋白质吸收峰相互干扰，从而导致检测结果不准确。或者，大分子的脂溶性蛋白质在微生物作用下分解为小分子的水溶性蛋白质或多肽，小分子的水溶性蛋白质或多肽再分解成氨基酸或被微生物利用，这种水溶性蛋白质或多肽的增加和消减过程在一定时间范围内未能达到平衡，从而出现此长彼消的不平衡效应，具体原因还需做进一步分析。

电导率换算值和氨基酸总量能较为准确地反映饼肥物料发酵过程的变化情况，检测方法快速、准确，能较好适应生产需要，这2项指标可作为其他有机物料评价腐熟度的参考依据。不同有机物料，内含成分有较大差异，检测分析数值需重新测定，才能适应相应肥源的分析评价。以第27天发酵物料检测数值为参考，建议以电导率换算值80 mS/cm和氨基酸总量25 mg/g为检测值，可作为供试复合饼肥判断是否腐熟的理化指标。

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