CN109214635A - 一种堆肥腐熟度的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种堆肥腐熟度的评价方法，包括以下步骤：选择能够反映堆肥腐熟度的多个评价因子；监测堆肥的所述多个评价因子，得到堆肥的各个评价因子的观测值；应用模糊数学模型和不同评价因子分级标准，对所述多个评价因子的观测值分别建立不同评价因子的隶属度函数；应用不同评价因子分级标准和所述多个评价因子的观测值获得不同评价因子的权重；利用所述不同评价因子的隶属度函数和所述不同评价因子的权重得到堆肥的评价等级，从而获得堆肥腐熟度评价结果。本发明选取的评价因子覆盖了多种评价方法，不但全面而且精简，采用的模糊数学评价方法简便，得到的腐熟度结果准确，整个评价方法易操作，非常适于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及堆肥技术领域，尤其涉及一种堆肥腐熟度的评价方法。
背景技术
随着现代经济尤其是农业的发展产生了大量的有机固体废弃物。目前常见的农业废弃物有畜禽粪便、农作物秸秆等，另外还有林业产生的绿化废弃物。为了达到循环发展的目的，这些农业废弃物以及林业废弃物一般采用堆肥的方式进行处理。堆肥不仅能在微生物作用下通过高温发酵使废弃物中的病原菌无害化，有机物腐殖化、稳定化，最终达到腐熟，而且还可以进一步加工为有机无公害肥料。
对于堆肥来说，必须准确把握废弃物的堆肥化过程和腐熟度。堆肥如果过腐，则大量养分得不到充分利用，白白消耗；未完全腐熟的堆肥碳氮比则过高，其中的有机质没有达到足够稳定，使用后会对农作物生长产生一些不利影响，例如阻碍农作物对氮的吸收等；另外未腐熟的堆肥还会产生多种有害成分，这些有害成分会严重毒害植物的根系影响植物的正常生长。
为了避免堆肥的这些负面效应，准确检测堆肥的腐熟度是非常重要的问题，它是堆肥产品质量及其安全农用的保障。另外堆肥的腐熟度也是堆肥厂的设计、运行以及堆肥过程控制的重要依据，关系到堆肥厂的建造成本以及运行效率，因此堆肥的腐熟度问题至关重要。
现有的堆肥腐熟度指标种类繁多，包括物理评价指标、化学评价指标、波谱分析法以及生物学评价指标，其中物理评价指标包括温度、气味、色度、残余浊度和热重分析等，这些物理指标难以定量表征堆肥过程中堆料成分的变化，不易定量说明堆肥的腐熟度，缺乏可信度和可操作性。常用的化学评价指标有有机质变化指标、氨氮指标、腐殖化指标、碳氮比和有机酸等；生物学评价指标包括生物活性以及种子发芽率等。上述腐熟度的评价指标种类繁多，测定方法比较繁琐，且不同的指标得到的腐熟度结果可能不一致，操作上存在着不确定性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于应用模糊数学进行堆肥腐熟度的评价的方法，该方法不但具有易操作的、结果准确等特点，而且成本低，普适性广，可以适用于各种植物残体为主要原料的堆肥。
为实现本发明的技术目的，本发明提供一种堆肥腐熟度的评价方法，其包括以下步骤：
选择能够反映堆肥腐熟度的多个评价因子；
监测堆肥的所述多个评价因子，得到堆肥的各个评价因子的观测值；
应用模糊数学模型和所述多个评价因子的观测值分别建立不同评价因子的隶属度函数；
应用不同评价因子分级标准和所述多个评价因子的观测值获得不同评价因子的权重；
利用所述不同评价因子的隶属度函数和所述不同评价因子的权重得到堆肥的评价等级，从而获得堆肥腐熟度评价结果。
其中，所述多个评价因子至少为3个，且至少有1个评价因子反映堆肥腐熟度的一个性能指标。
其中，所述性能指标包括物理指标、化学指标和生物学指标。
特别是，所述反映堆肥腐熟度物理指标的评价因子选自高温持续时间、吸光度比值中的一种或多种。
优选的，所述反映堆肥腐熟度物理指标的评价因子选自高温持续时间、吸光度比值中的一种或多种。
其中，所述高温持续时间是指堆肥温度在55℃以上的天数，该评价因子是表征堆肥无害化卫生质量的评价标准。
其中，所述吸光度比值是指光线通过堆肥浸提液的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强度的比值的以10为底的对数(即lg(10/11))，该指标可以表征堆肥的腐殖化程度。
特别是，所述反映堆肥腐熟度化学指标的评价因子选自碳氮比比值、碳氮比、pH、EC中的一种。
优选地，所述反映堆肥腐熟度化学指标的评价因子选自碳氮比比值。
其中，所述碳氮比比值为堆肥结束时与堆肥初始时碳氮比的比值，由于该比值受堆肥原料碳氮比的影响较小，可以用于不同原料的堆肥评价。
特别是，所述反映堆肥腐熟度生物学指标的评价因子选自种子发芽指数。
其中，发芽指数是在25℃恒温箱中用堆肥浸提液和蒸馏水培养油青四九菜心种子，堆肥浸提液处理的平均根长*发芽率与蒸馏水处理的平均根长*发芽率的百分比，是反应堆肥生物活性的指标。
尤其是，所述利用所述隶属度函数和所述权重得到堆肥的评价等级包括：
利用所述不同评价因子的隶属度函数和权重，分别形成不同评价因子的隶属度函数矩阵和权重模糊矩阵；
将所述形成的不同评价因子的隶属度函数矩阵和权重模糊矩阵进行复合运算，获得计算结果矩阵；
比较所述计算结果矩阵中的多个数值，得到数值最大的排位结果；
根据数值最大的排位结果，判断堆肥腐熟度堆肥的评价等级。
其中，所述模糊数学模型是基于多个堆肥腐熟度评价等级建立的三角形直线型的隶属度函数模型。
特别是，所述基于多个堆肥腐熟度评价等级建立的三角形直线型的隶属度函数模型包括依次递减的多个等级的模糊集u1、u2、u3、u4，分别为：
其中，X为观测值，S1、S2、S3和S4根据具体所述评价因子的分级标准确定。
其中，所述应用不同评价因子分级标准和所述不同评价因子的观测值获得不同评价因子的权重包括：
对不同评价因子的多个分级标准值进行均值计算，得到不同评价因子分级标准平均值；
将得到的不同评价因子分级标准平均值与不同评价因子的观测值进行比值运算或比值倒数运算，获得不同评价因子变量；
将不同评价因子的观测值与所述不同评价因子分级标准平均值进行比值运算，并将获得的多个比值进行求和，得到多个评价因子变量；
将不同评价因子变量与多个评价因子变量作比后，得到不同评价因子的权重。
其中，所述分级标准为国家制定的《中华人民共和国国家标准-绿化植物废弃物处置和应用技术规范(LY/T 2316-2014)》或《DB11T840-2011园林绿化废弃物堆肥技术规程》中的分级标准的一种或多种。
在本发明的实施例中，采用《中华人民共和国国家标准-绿化植物废弃物处置和应用技术规范(LY/T 2316-2014)》作为本发明的分级标准。
其中，所述复合运算为乘法运算。
本发明的有益效果
1、本发明方法仅提供至少3个评价因子可以从物理、化学和生物学等各个方面反映堆肥的腐熟度，覆盖了多种评价方法，不但全面而且精简，解决了现有标准中指标繁多、操作复杂、不能全面反映堆肥腐熟度的技术问题，而且，由于本发明所选用的评价因子对受堆肥原料的影响小，因而评价结果客观、准确，适用性广。
2、本发明方法采用模糊数学方法对堆肥进行腐熟度评价，方法简单，结果准确，效率高，解决了现有技术中参照标准直接进行评价时由于主观影响和实际操作的模糊性而导致的评价结果不可信的技术问题。
附图说明
图1为一实施例的堆肥腐熟度的评价方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的堆肥腐熟度的评价方法的具体实施方式进行说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本发明提供的一种堆肥腐熟度的评价方法，其包括以下步骤：
S100：选择能够反映堆肥腐熟度的多个评价因子。
进一步的，所述多个评价因子至少为3个，且至少有1个评价因子反映堆肥腐熟度的一个性能指标。
其中，所述性能指标包括物理指标、化学指标和生物学指标。
特别是，所述反映堆肥腐熟度物理指标的评价因子选自高温持续时间、吸光度比值(即 E4/E6)中的一种或多种，优选为高温持续时间、吸光度比值中的一种或多种。
其中，所述高温持续时间是指堆肥温度在55℃以上的天数，该评价因子是表征堆肥无害化卫生质量的评价标准，。
本发明所称的吸光度比值是指光线通过堆肥浸提液的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强度的比值的以10为底的对数(即lg(10/11))，该指标可以表征堆肥腐熟程度。
其中，所述反映堆肥腐熟度化学指标的评价因子选自碳氮比比值(即T值)。
其中，所述碳氮比比值为堆肥结束时与堆肥初始时碳氮比的比值，由于该比值受堆肥原料碳氮比的影响较小，因而可以用于不同原料的堆肥评价。
其中，所述反映堆肥腐熟度生物学指标的评价因子选自种子发芽指数(即GI)。
其中，发芽指数是在25℃恒温箱中用堆肥浸提液和蒸馏水培养油青四九菜心种子，堆肥浸提液处理的平均根长*发芽率与蒸馏水处理的平均根长*发芽率的百分比，是反应堆肥生物活性的指标，
S200：监测堆肥的所述多个评价因子，得到堆肥的各个评价因子的观测值。
S300：应用模糊数学模型和不同评价因子分级标准，对所述多个评价因子的观测值分别建立不同评价因子的隶属度函数。
其中，所述模糊数学模型为三角形直线型的隶属度函数模型，具体是：
其中，U表示模糊集，u1、u2、u3、u4分别是腐熟、较好腐熟、基本腐熟和未腐熟模糊集， X为观测值，S1、S2、S3和S4根据具体所述评价因子的分级标准确定。评价因子的分级标准根据《中华人民共和国国家标准-绿化植物废弃物处置和应用技术规范(LY/T 2316-2014)》、《DB11T840-2011园林绿化废弃物堆肥技术规程》、《粪便无害化卫生标准中的分级标准》，并结合本技术领域研究结果，例如等公开的“Windrow Composting OfBiodegradable Packaging Material s”、田赟等公开的“园林废弃物堆肥化处理及其产品的应用研究”和张亚宁等公开的“堆肥腐熟度快速测定指标和方法的建立”公开的关于碳氮比的比值(即T值) 的研究；Zucconi F等公开的“Evaluating Toxicity of ImmatureCompost”；和钱学玲与孙义等公开的“模糊综合评价法判别堆肥腐熟度研究”中的关于发芽指数(即GI)的研究。综合上述标准与本领域研究成果，本申请采用如表1所述的分级标准：
表1腐熟度评价因子分级标准表
进一步的，所述隶属度函数是将表1中的评价因子的分级标准代入三角形直线型隶属度函数中，分别得到相应的评价因子的隶属度函数。
其中，得到碳氮比的比值(即T值)的三角形直线型的隶属度函数为：
其中，XT为T值观测值；
其中，得到的高温持续时间的隶属度函数为：
其中，XH为高温持续时间的观测值；
其中，得到的所述种子发芽指数(GI)的隶属度函数为：
其中，XG为种子发芽指数(GI)的观测值；
其中，得到的吸光度比值(E4/E6)的隶属度函数为：
其中，XE为吸光度比值(E4/E6)的观测值。
S400：应用不同评价因子分级标准和所述多个评价因子的观测值获得不同评价因子的权重。
其通过以下步骤得到：
1)：对不同评价因子的多个分级标准值进行均值计算，得到不同评价因子分级标准平均值
2)：将得到的不同评价因子分级标准平均值与不同评价因子的观测值进行比值运算或比值倒数运算，获得不同评价因子变量ai；
3)：将不同评价因子的观测值与所述不同评价因子分级标准平均值进行比值运算，并将获得的多个比值进行求和，得到多个评价因子变量
4)：将不同评价因子变量与多个评价因子变量作比后，得到不同评价因子的权重Wt。
其中，所述评价因子的权重Wt的计算公式具体如下：
其中，Wi为第i种评价因子的权重，Ci为第i种评价因子的实测值；为第i种评价因子分级标准平均值；m为评价因子个数；或且ai≤1。
其中，根据表1(腐熟度评价因子分级标准表)，即可计算出第i种评价因子分级标准平均值具体参见表2：
表2评价因子分级标准平均值计算
S500：利用所述不同评价因子的隶属度函数和所述不同评价因子的权重得到堆肥的评价等级，从而获得堆肥腐熟度评价结果。
进一步的，所述利用所述隶属度函数和所述权重得到堆肥的评价等级还包括步骤：
1)：利用所述不同评价因子的隶属度函数和权重，分别形成不同评价因子的隶属度函数矩阵和权重模糊矩阵；
2)：将所述形成的不同评价因子的隶属度函数矩阵和权重模糊矩阵进行复合运算，获得计算结果矩阵；
3)：比较所述计算结果矩阵中的多个数值，得到数值最大的排位结果；
4)：根据数值最大的排位结果，判断堆肥腐熟度堆肥的评价等级。
其中，步骤501所述的不同评价因子的隶属度函数矩阵为R：
其中，步骤501所述不同评价因子的权重模糊矩阵W是：W＝[W1 W2 W3……Wi]。
其中，步骤502所述的复合运算为乘法运算，具体操作如下：
将所述隶属矩阵R与所述权重模糊矩阵W进行复合运算，得到模糊评价结果矩阵Q；Q＝(QI QII QIII……QX)；
将QI QII QIII……QX进行比较，若QX为最大值，则该堆肥的腐熟度为X级。
目前的绿化废弃物堆肥腐熟度的评价方法操作较为不便。其中《DB11T840-2011园林绿化废弃物堆肥技术规程》中6.1中表1要求，从堆体温度、外观、发芽指数和腐殖酸等4项指标来判定堆肥腐熟度，其中腐殖酸的测定非常繁琐，用时较长；外观指标虽然直观，却不能定量，容易引起人为造成的主观误差，不利于快速准确的评价堆肥腐熟情况。根据《中华人民共和国国家标准-绿化植物废弃物处置和应用技术规范(LY/T 2316-2014)》中7.2.2.1中表2的要求，评价绿化废弃物堆肥腐熟度需要测定总养分(N+P2O5+K2O)含量、有机质、水分、T值、pH、EC、粒径、孔隙度、密度和发芽指数等10项指标，检测项目多，且部分指标检测过程复杂繁琐，导致检测周期较长，检测费用高。而本发明提供的评价方法从物理、化学、生物指标中选取了能很好反映堆肥腐熟度的4个指标作为模糊评价因子，相对而言指标选取更具代表性、测定方便简单，能快速准确地评价绿化废弃物堆肥的腐熟度，适于推广应用。
以下通过具体实施例对堆肥腐熟度的评价方法加以说明。
应用实施例1
参照现有技术的检测标准检测待测堆肥样本的评价因子：T值、高温持续时间、种子发芽指数(GI)和吸光度比值(E4/E6)，检测结果获得的观测值如表3所示。
表3腐熟度评价因子的观测值
利用观测值及实施例1的模糊数学模型、不同评价因子分级标准进行堆肥腐熟度评价，具体是：
1、建立不同评价因子隶属度函数，并形成矩阵R
将表3所示的评价因子的观测值代入实施例1中的相应的隶属度模型中，得到隶属矩阵 R。需要说明的是，数据处理时精确到小数点后2位。
2、权重模糊矩阵W
将表3所示的评价因子的观测值和评价因子个数与分级标准进行权重计算，得到表4所示的权重计算结果：
表4权重模糊矩阵W计算
根据计算结果形成权重模糊矩阵：W＝[0.2348 0.2477 0.2647 0.2528]。
3、模糊评价结果矩阵Q＝W·R。
将权重模糊矩阵W与隶属矩阵R进行乘法运算，得到模糊评价结果矩阵Q。
Q＝[0.0517 0.3534 0.3568 0.2348]。
4、判断腐熟度等级。
模糊评价结果矩阵Q中，0.3568均大于矩阵中的其它值，因此，QIII最大，因此判定实施例的堆肥腐熟度为Ⅲ级。
该堆肥腐熟度的评价结果与《中华人民共和国国家标准-绿化植物废弃物处置和应用技术规范(LY/T 2316-2014)》的评价结果一致，但与《中华人民共和国国家标准-绿化植物废弃物处置和应用技术规范(LY/T 2316-2014)》的要求相比，其指标少，检测方法简单，更易操作。
应用实施例2
本实施例中提供了多种不同主原料的堆肥的观测值，具体参见表5。
表5实施例二的腐熟度评价因子的观测值
(1)将表5中各试样的观测值应用到实施例1中，得到隶属矩阵R的结果如下。
(2)得到的权重模糊矩阵W如6所示。
表6权重模糊矩阵计算结果
(3)得到的模糊评价结果矩阵Q以及腐熟度判定结果如表7所示。
表7附属隶属度计算结果
表7所示的堆肥腐熟度的评价结果与《中华人民共和国国家标准-绿化植物废弃物处置和应用技术规范(LY/T 2316-2014)》的评价结果一致，可见，本发明方法及所使用的评价指标可以适用于多种不同主原料的堆肥，而且检测指标少、方法简单，成本低，可以根据计算结果进行客观判断，可信度高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种堆肥腐熟度的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择能够反映堆肥腐熟度的多个评价因子；
监测堆肥的所述多个评价因子，得到堆肥的各个评价因子的观测值；
应用模糊数学模型和不同评价因子分级标准，对所述多个评价因子的观测值分别建立不同评价因子的隶属度函数；
应用不同评价因子分级标准和所述多个评价因子的观测值获得不同评价因子的权重；
利用所述不同评价因子的隶属度函数和所述不同评价因子的权重得到堆肥的评价等级，从而获得堆肥腐熟度评价结果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个评价因子至少为3个，且至少有1个评价因子反映堆肥腐熟度的一个性能指标。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述性能指标包括物理指标、化学指标和生物学指标。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述反映堆肥腐熟度物理指标的评价因子选自高温持续时间、吸光度比值中的一种或多种。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述反映堆肥腐熟度化学指标的评价因子选自碳氮比比值、碳氮比、pH、EC中的一种。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述反映堆肥腐熟度生物学指标的评价因子为发芽指数。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述隶属度函数和所述权重得到堆肥的评价等级包括：
利用所述不同评价因子的隶属度函数和权重，分别形成不同评价因子的隶属度函数矩阵和权重模糊矩阵；
将所述形成的不同评价因子的隶属度函数矩阵和权重模糊矩阵进行复合运算，获得计算结果矩阵；
比较所述计算结果矩阵中的多个数值，得到数值最大的排位结果；
根据数值最大的排位结果，判断堆肥腐熟度堆肥的评价等级。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模糊数学模型是基于多个堆肥腐熟度评价等级建立的三角形直线型的隶属度函数模型。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应用不同评价因子分级标准和所述不同评价因子的观测值获得不同评价因子的权重包括：
对不同评价因子的多个分级标准值进行均值计算，得到不同评价因子分级标准平均值；
将得到的不同评价因子分级标准平均值与不同评价因子的观测值进行比值运算或比值倒数运算，获得不同评价因子变量；
将不同评价因子的观测值与所述不同评价因子分级标准平均值进行比值运算，并将获得的多个比值进行求和，得到多个评价因子变量；
将不同评价因子变量与多个评价因子变量作比后，得到不同评价因子的权重。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述复合运算为乘法运算。
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