初始物料组成对堆肥理化_生物和光谱学性质的影响_宋彩红

６．２３
２８２．９
２．１６
８．４０ ５０．８９ ３３．９６ ３．３９ １０５．１３
４．３１
２５１．８
２．５４
８．４９ ５６．３６ ３９．６９ ３．１６
９７．２２
３．９２
３０６．８
２．４７
８．３４ ５１．４４ ３５．６６ ６．１５
８１．４０
４．３１
２８６．２
＊ 通 讯 联 系 人 ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉｂｅｉｄｏｕ＠２６３．ｎｅｔ；ｚｈａｏ１９７０ｙｕｅ＠１６３．ｃｏｍ
第８期 光谱学与光谱分析
２２６９
结合 ＦＲＩ和 ＰＡＲＡＦＡＣ 识 别 特 征 参 数，表 征 沼 渣 混 合 堆 肥 腐熟度，并采用典型相关分析（ＣＣＡ）建立 沼 渣 混 合 堆 肥 初 始 物料组成与堆肥理化、生物学 性 质 和 光 谱 学 性 质 的 关 系，目 的是为沼渣混合物料堆肥工艺优化提供有价值的参考。
1号和7号堆肥含水率最高分别为5693和5606而8号和10号堆肥含水率最低分别为4593和47327号堆肥所能达到的最高温度最低仅为607号堆肥ph最高分别为853和8491号和7号堆肥有机质含量最高分别为4476和4045而10号堆肥有机质含量最低为3376号堆肥有机质含量也较低为3502见表1初始物料组成对堆肥光谱学性质的影响初始物料组成与堆肥光谱学特征参数典型对应分析表明堆肥光谱学性质与初始物料组成之间具有较高的相关性
采用 ｍａｔｌａｂ ７．８．０ 软 件 对 ３Ｄ－ＥＥＭ 图 进 行 区 域 体 积 积 分和平行 因 子 分 析。运 用 Ｃａｎｏｃｏ ｆｏｒ ｗｉｎｄｏｗｓ ４．５ 软 件 分 别 对堆肥理化、生物学指标数据和光谱学数 据 进 行 典 型 对 应 分 析，研究初始物料组成与堆肥 理 化、生 物 学 指 标 和 光 谱 学 指 标的相关性，对堆肥的理化、生 物 学 指 标 和 光 谱 学 指 标 进 行 标准化处理。
堆肥是在微生物作用下的有机质矿 化 和 腐 殖 化 过 程，长 期施用有机 肥 可 大 大 改 善 土 壤 团 粒 结 构 ，显 著 增 加 蚯 蚓 数 量。有学者指出虽然由于沼渣 易 降 解 有 机 质 含 量 较 低，单 独 堆肥不可行，但通过沼渣与易降解有机质 含 量 丰 富 的 畜 禽 粪 便联合堆肥，一方面不仅可以避免由于低 易 降 解 有 机 质 含 量 造成的堆肥温度不达标，另一方面也可以 通 过 堆 肥 方 式 消 除
摘 要 在中国，厌氧发酵的渣滓———沼渣的 主 要 处 理 方 式 是 作 为 有 机 肥 直 接 施 用 于 土 壤 ，此 方 式 对 土 壤 存 在 不 利 影 响 ，本 研 究 采 用 畜 禽 粪 便 与 沼 渣 混 和 堆 肥 的 方 式 处 理 沼 渣 ，可 避 免 传 统 沼 渣 处 理 方 式 的 缺 陷 ，改 善 土 壤 质 量 。初 始 原 料 组 成 对 堆 肥 过 程 有 显 著 影 响 。为 揭 示 初 始 物 料 组 成 对 堆 肥 理 化 、生 物 和 光 谱 学 性 质 的 影响，进行了１５组不同物料配比的 沼 渣、猪 粪 和 鸡 粪 混 合 堆 肥 试 验。对 堆 肥 理 化 和 生 物 指 标 进 行 了 测 定， 并采用紫外－可见光谱（ＵＶ－Ｖｉｓ）、同步和三维荧光光 谱 （３Ｄ－ＥＥＭ）结 合 区 域 体 积 积 分 （ＦＲＩ）和 平 行 因 子 分 析 （ＰＡＲＡＦＡＣ）识别特征光谱参数，表征堆肥光谱学特性，采用典型对应分析（ＣＣＡ）分别建立堆肥理化生物 学 性 质 和 光 谱 学 性 质 与 初 始 物 料 组 成 的 关 系 。结 果 显 示 ：堆 肥 理 化 、生 物 学 性 质 和 光 谱 学 性 质 都 与 初 始 物 料 组 成有较高相关性，前４个排序轴分别合并解释了 ８３．９％ 和 ９７．５％ 的 样 本 总 变 异。影 响 堆 肥 理 化、生 物 学 性 质和光谱学性质的环境因子排序分别为：猪粪 量 ＞ 鸡 粪 量 ＞ 沼 渣 量 和 沼 渣 量 ＞ 猪 粪 量 ＞ 鸡 粪 量。富 碳 原 料 有 利 于 堆 肥 腐 熟 ，高 比 例 富 氮 原 料 不 会 导 致 堆 肥 氨 氮 累 积 。在 沼 渣 混 合 物 料 堆 肥 中 ，低 比 例 的 沼 渣 有 利 于 腐 殖 质 形 成 。对 沼 渣 与 畜 禽 粪 便 混 合 堆 肥 发 酵 效 果 的 评 价 应 综 合 考 虑 理 化 、生 物 学 指 标 和 光 谱 学 参 数 。
１．９０
８．４９ ５６．０６ ４０．４５ ５．２７ １２２．８６
肠菌 值 测 定 参 照 ＧＢ／Ｔ １９５２４．１－２００ 方 法；种 子 发 芽 指 数 参 照 文 献［９］方 法 进 行 。 １．４ 光 谱 学 测 定 方 法
堆肥 ＤＯＭ 的制 备 方 法 参 照 文 献［７］进 行 ，使 用 ＴＯＣ 仪 测定 ＤＯＭ 滤液碳 含 量 （ＤＯＣ）。根 据 ＤＯＣ 结 果 将 所 测 样 品 浓度调整一致。 １．４．１ ＤＯＭ 紫外吸收光谱测定
沼渣是 厌 氧 发 酵 产 生 的 渣 滓 ，随 着 中 国 沼 气 工 程 的 普 及，沼渣的消纳成为一个日益 严 重 的 问 题，据 统 计 我 国 每 年 沼渣产量为１亿吨［１］。在我国，传 统 的 沼 渣 处 理 方 式 是 直 接 还田，但长期施用沼 渣 的 土 壤 出 现 了 砂 化 问 题［２］。此 外，沼 渣中往往含有氨氧化抑制物质，不利于土 壤 异 养 微 生 物 群 落 生长。本课题组前期研究发现：沼 渣 的 种 子 发 芽 指 数 （ＧＩ）仅 为２６．７７％，远远低于普遍认为的 ＧＩ应＞８０％的有机肥腐熟 标准。
荧光光谱测定 采 用 仪 器 为 日 立 Ｆ－７０００ 荧 光 光 谱 仪。同 步 扫描光谱：波长扫描范围为 Ｅｘ＝２５０～６００ｎｍ，Δλ＝Ｅｍ－ Ｅｘ＝５５ｎｍ，扫 描 速 度 为 ２４０ｎｍ· ｍｉｎ－１；三 维 荧 光 光 谱 （３Ｄ－ＥＥＭ）：激发 光 谱 波 长 Ｅｘ＝２００～４５０ｎｍ，发 射 光 谱 波 长 Ｅｍ＝２８０～５２０ｎｍ，扫描速度：２ ４００ｎｍ·ｍｉｎ－１。同步扫 描光谱波 长 范 围 ２５０～３０８，３０８～３６３，３６３～５９５ｎｍ 积 分 面 积 所 占 比 例 分 别 记 为 ＡＰＬＲ，ＡＦＬＲ，ＡＨＬＲ。 １．５ 数 据 处 理
或减轻沼渣和畜禽粪便中存在的氨氧化抑制物质和抗生素等 物 质［３］，钝 化 重 金 属［４］获 得 优 质 的 有 机 肥 产 品 。
在联合堆肥中，通常根据理化性质对 不 同 类 型 物 料 进 行 组 配 ，使 混 合 堆 肥 物 料 体 系 在 堆 肥 要 求 的 合 理 含 水 率 、Ｃ／Ｎ、 有机质、自由空域等指标范围 内，以 达 到 有 利 微 生 物 生 长 的 目的。研究表明，原 料 组 成、温 度、通 风 量、含 水 率 和 Ｃ／Ｎ 是影响堆肥质量的重要因子。许多学者就 原 料 组 成 对 堆 肥 进 程 影 响 进 行 了 研 究 。Ｓｉｌｖａ等［５］认 为 富 含 碳 的 原 料 在 堆 肥 过 程中有利于氧 化 有 机 质 的 形 成，而 低 初 始 Ｃ／Ｎ 有 利 于 部 分 氧化有机质 的 形 成 。Ｎａｋａｎｏ 和 Ｍａｔｓｕｍｕｒａ［６］认 为 富 含 脂 肪 的物料堆肥 有 较 长 的 高 温 期。物 料 不 同，其 理 化 性 质 也 不 同，针对沼渣 与 畜 禽 粪 便 混 合 堆 肥 物 料 体 系 组 成 对 堆 肥 理 化 、光 谱 学 性 质 影 响 的 研 究 鲜 有 报 道 。
第３ ５卷 ，第８期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ２ ０ １ ５ 年 ８ 月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．８，ｐｐ２２６８－２２７４ Ａｕｇｕｓｔ，２０１５
初 始 物 料 组 成 对 堆 肥 理 化 、生 物 和 光 谱 学 性 质 的 影 响
使 用 ＵＮＩＣＯ－４８０２ 型 紫 外－可 见 分 光 光 度 计 进 行 测 定， 扫描波长范围为２００～７００ｎｍ，扫 描 波 长 间 隔 ２ｎｍ。４６５ 和 ６６５ｎｍ 吸光度的比值记为Ｅ４／Ｅ６，波长范围２４０～４００ｎｍ 的 积 分 面 积 记 为 Ａ２４０～４００。 １．４．２ ＤＯＭ 荧光光谱测定
目前，光谱学 技 术 包 括 紫 外－可 见 光 谱 （ＵＶ－Ｖｉｓ）、荧 光 光谱等已广泛用于堆肥腐熟 度 的 表 征［７］。多 种 数 学 方 法 ，例 如 区域体积积分（ＦＲＩ）、平行因子分析（ＰＡＲＡＦＡＣ）、投影寻 踪分类［８］也被用于上述定量表征。本研究 采 用 多 种 光 谱 技 术
收 稿 日 期 ：２０１４－０６－１０，修 订 日 期 ：２０１４－０９－２６ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （５１１７８０９０ 和 ５１３７８０９７）资 助 作 者 简 介 ：宋 彩 红 ，女 ，１９８６ 年 生 ，东 北 农 业 大 学 生 命 科 学 学 院 博 士 研 究 生 ｅ－ｍａｉｌ：ｃａｉｈｏｎｇ＿０６１９９９＠１６３．ｃｏｍ
宋彩红１，李鸣晓２，魏自民１，席北斗２＊ ，赵 越１＊ ，贾 璇２，刘亚茹３，刘东明１
１．东北农业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 １５００３０ ２．中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室 ，北京 １０００１２ ３．北 京 中 天 元 工 程 设 计 有 限 责 任 公 司 ，北 京 １００１４２
ｐＨ 含水率／％ 有机质／％ Ｃ／Ｎ 氨氮／（ｍｇ·Ｌ－１） 氨氮比硝氮 ＴＣ／（ｇ·ｋｇ－１） Ｅ４／Ｅ６
８．５３ ５６．９３ ４４．７６ ３．７６
８９．３１
４．９２
３１９．５
２．６４
８．３５ ５３．４０
３７．９ ３．３６ １２２．３１
５．９７
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２．４８
８．２６ ５２．３６ ３５．８７ ３．４８ １０４．８６
关 键 词 堆 肥 ；物 料 组 成 ；荧 光 光 谱 ；区 域 体 积 积 分 ；平 行 因 子 分 析 ；典 型 对 应 分 析 中 图 分 类 号 ：Ｓ１３２ 文 献 标 识 码 ：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１５）０８－２２６８－０７
引 言
编号 最高温度／℃
１
６３
２
６１
３
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பைடு நூலகம்４
６５
５
６１
６
６１．５
７
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８
６７．５
９
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１０ ６７．５
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１２
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１３
６７
１４ ６５．５
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Ｔａｂｌｅ １ Ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｔｓ
１ 实 验 部 分
１．１ 堆 肥 原 料 沼渣、猪 粪、鸡 粪 和 玉 米 秸 秆 为 所 用 的 ４ 种 堆 肥 物 料，
其 来 源 和 基 本 性 质 详 见 本 研 究 前 期 报 道［２］。 １．２ 堆 肥 试 验 设 计 及 样 品 采 集
采用响应曲面 法 中 的 Ｂｏｘ－Ｂｅｈｎｋｅｎ设 计，以 沼 渣 量、猪 粪量和鸡粪量为三因素，设计１５组不 同 物 料 配 比 堆 肥 试 验， 试 验 设 计 及 堆 肥 过 程 详 见 本 研 究 前 期 报 道 ［２］。堆 肥 周 期 为 ３０ ｄ，堆肥结束后于堆心取约３００ｇ样品用于指标测定。样品 分 为２份，一 份 （１００ｇ）置 于 ４ ℃ 冰 箱 保 存，用 于 含 水 率、粪 大 肠菌值的测定；另一份（２００ｇ）冻 干、磨 碎，用 于 水 溶 性 有 机 物（ＤＯＭ）浸提 和 其 他 化 学 指 标、ＧＩ的 测 定。每 个 指 标 设 ３ 个平行。 １．３ 指 标 测 定 方 法
理化指标：温度由堆肥反应 器 温 度 探 头 在 线 测 定；含 水 率测定采用差重法；有机质采用马弗炉测定；总碳（ＴＣ）测 定 采用德国耶拿 ＴＯＣ 仪 固 体 单 元 进 行；以 下 化 学 指 标 测 定 在 堆肥样品浸提液中进行：ｐＨ 采用ｐＨ 计进行测定；总氮采用 过硫 酸 钾 消 解－紫 外 分 光 光 度 法 进 行；总 碳 采 用 ＴＯＣ 仪 测 定；水溶性氨态氮（ＮＨ４＋ －Ｎ）采用纳氏试剂法测定；水溶性硝 态氮（ＮＯ３－ －Ｎ）采用紫外分光光度法测定。生物学 指 标：粪 大