（农业生物环境与能源工程专业论文）快速测定奶牛粪便肥料成分含量的方法研究.pdf

摘要 随着我国奶牛饲养业的发展，大量集中的粪便引起了环境污染等问题。为了合理的利用 畜禽粪便，对快速测定其肥料成分含量方法的需要越来越迫切。本文以奶牛粪便为研究对象， 研究基于理化指标和近红外光谱技术的奶牛粪便主要肥料成分含量的快速测定方法。结果如 下： 1 为了探讨基于理化指标检测手段快速预测奶牛粪便主要肥料成分含量的可行性，采集 代表性样品8 9 份，用实验室常规化学分析方法测定其中总氨、总磷、总钾和铵态氮的含量， 使用比重计、电导仪和p h 计测其比重、电导率和p h 值，研究了奶牛粪便理化指标与其中主 要肥料成分含量的相关关系，结果表明：( 1 ) 总氮含量可利用电导率和p h 值进行快速预测 ( r 2 = o 6 4 5 。p 0 0 0 1 ) 、或者用电导率、比重和p h 值进行预测( r 2 = 0 6 7 5 ，p 0 0 0 1 ) ：( 2 ) 总钾含量可以用电导率进行快速预测( r 2 = 0 6 8 7 ，p 0 0 0 1 ) ；( 3 ) 铵态氮含量可以用电导率 和d h 值进行快速预测( r 2 _ 0 7 1 7 ，p 0 0 0 1 ) 。 2 为了探讨基于近红外反射光谱( n i r s ) 技术快速测定奶牛粪便主要肥料成分含量的可 行性，采集代表性样品8 9 份，借助偏最小二乘法( p l s ) 建立了奶牛粪便主要肥料成分含量 的近红外定标模型。结果表明：( 1 ) n i r s 可以很好的测定总氮、铵态氮和总磷含量，定标 模型的相关系数分别为0 9 6 4 0 、0 9 5 3 0 和0 9 3 0 7 ；相对分析误差r p d 分别为：5 0 9 、4 3 3 和3 6 8 。( 2 ) n i r s 快速测定总钾含量的定标模型也可以达到定量分析的目的，其定标模型 的相关系数为0 8 7 2 9 ，相对分析误差r p d 为2 6 0 。 关键词：奶牛粪便，肥料成分含量，快速预测，理化指标近红外反射光谱 a b s t r a c t v o l u m e so fm a n u r ef r o ml a r g es c a l ed a i r yc a nc a u s ep o l l u t i o np r o b l e m s i no r d e rt oa p p l ym a n u r e a su s e f u lr e s o u r c e ，a ne s t i m a t i o no ff e r t i l i z e rv a l u ei nm a n u r ei sn e c e s s a r y t h i se x p e r i m e n t s t u d i e dr a p i dp r e d i c t i o nm e t h o d sf o r t h ef e r t i l i z e rv a l u eo fd a i r ym a n u r eb a s e do np h y s i c a l c h e m i c a la n a l y s i sa n dn e a r - i n f r a r e dr e f l e c t a n c es p e c t r o s c o p y ( n i r s ) t e c h n o l o g y i no r d e rt ot e s tm e t h o d so fr a p i d l ye s t i m a t i n gf e r t i l i z e rv a l u eo fd a i r ym a n u r eb a s e do np h y s i c a l a n dc h e m i e a la n a l y s i s ，8 9m a n u r es a m p l e sw e r es e l e c t e d o n ep a r to fe a c hm a n u r es a m p l ew a s a n a l y z e df o rp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，s u c ha se l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y ( e c ls p e c i f i c g r a v i t y ( s g ) a n dp h ；t h eo t h e rp a r to fe a c hm a n u r es a m p l ew a st om e a s u r et o t a ln i t r o g e n ，t o t a l p h o s p h o r u s ，t o t a lp o t a s s i u ma n da m m o n i u mn i t r o g e nc o n t e n t s t h i sp a p e rs t u d i e dt h ec o r r e l a t i v i t y o fp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n df e r t i l i z e rv a l u e a n a l y t i c a lr e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) e ca n d p hc o u l db ee v a l u a t e df o re s t i m a t i n gt o t a ln i t r o g e n 僻= 0 6 4 5 ，p o 0 0 1 ) e c ，s ga n dp hc o u l db e e v a l u a t e df o re s t i m a t i n gt o t a ln i t r o g e n ( r 2 = 0 6 7 5 ，p o 0 0 1 ) ；( 2 ) e cc o u l db ee v a l u a t e df o r e s t i m a t i n gt o t a lp o t a s s i u m ( r z = 0 6 8 7 ，p 0 0 0 1 ) ；( 3 ) e ca n dp hc o u l db ee v a l u a t e df o re s t i m a t i n g a m m o n i u mn i t r o g e n ( r = 0 7 1 7 ，p 0 0 0 1 ) i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ef e a s i b i l i t yo fn e a r i n f r a r e dr e f l e c t a n c es p e c t r o s c o p y ( n i r s ) t e c h n o l o g y f o rr a p i d l ya n a l y s i so ft h ef e r t i l i z e rv a l u eo fd a i r ym a n u r e ，d i v e r s ed a i r ym a n u r e s ( n = 8 9 ) w e r e c o l l e c t e d t h i ss t u d yd e v e l o p e dc a l i b r a t i o n su s i n gp a r t i a ll e a s t - s q u a r e sr e g r e s s i o n a n a l y t i c a l r e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) t o t a ln i t r o g e n ，a m m o n i u mn i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r u sc o n t e n to fd a i r y m a n u r eh a dg o o dp r e d i c t a b i l i t yb yn i r s t h er v a l u e so fc a l i b r a t i o nm o d e lw e r e0 9 6 4 0 ，0 9 5 3 0 a n do 9 3 0 7r e s p e c t i v e l y , a n dr a t i o so fs d s e e 皿p d ) w e r e5 0 9 ，4 3 3a n d3 6 8r e s p e c t i v e l y f 2 ) t o t a lp o t a s s i u mc o u l db ep r e d i c t a b l eb yn i r s ( r 2 = 0 8 7 2 9 ，r p d = 2 6 0 ) k e yw o r d s ：d a i r ym a n u r e ，f e r t i l i z e rv a l u e ，r a p i dp r e d i c t i o n ，p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t y , n i r s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽 i 戎- 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表：示了谢意。 研究生签名： 住羔英 时间：跏f 年j ，月y 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 程兰莫 时间：如u f 年，碉y 日 刷谧铄吲 蝴。一仔胪日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的背景与研究意义 1 1 1畜牧业的发展与畜禽粪便对环境的污染问题 市场经济的发展和农业产业结构的调箍，促进了我国奶牛饲养业向着规模化、集约化的方向 发展。据统计，全国奶牛存栏量从2 0 0 1 年的5 6 6 2 万头，上升到2 0 0 3 年3 季度的8 0 0 万头：我 国牛奶的人均占有量从2 0 0 1 年的8 8 k g 上升到2 0 0 3 年的1 3 k g q o 在畜禽养殖业发展的同时，养殖模式也发生了巨大的变化。畜禽养殖由过去的分散经营、饲 养头数少、主要分布在农区转变为现在的集中经营、饲养头数多、分布在城市郊区或新城区。这 样一来，畜禽养殖业产生的大量集中的粪尿及污水给周围环境造成了严重威胁。畜禽粪便现已成 为我国农村面源污染的主要来源1 2 1 。其中，奶牛养殖业的污染问题尤为严重口l ，每头奶牛平均每 天产生粪便3 0 - - 5 0 k g ，产生废水0 4 m 3 1 4 】，1 0 0 0 头规模的奶牛场日产粪尿达5 0 ”。奶牛粪排量大， 如不加以处理，任意排放或施用不当，以致超过土壤的自然净化能力，就会污染附近土壤、水源 等，形成公害。 畜禽粪便的污染面相当广泛，包括对水源、空气、农作物的污染及对人类健康的危害。 ( 1 ) 水质污染 畜禽粪便中的氮和磷化台物进入土壤后，会转化为硝酸盐和磷酸盐含量过高会被雨水冲刷 或者渗透土壤表面，严重污染地下水，造成地下水溶解氧含量减少，水质中毒害成分增多使水 体发黑发臭，降低饮用水的质量。有资料报道，奶牛粪便已成为上海郊区影响水体质量的第二农 业污染源嘲。 ( 2 ) 空气污染 畜禽养殖场产生的大量恶臭气体中含有氨、硫化物等有害成分，污染周围空气，严重影响空 气质量。国际上许多发达国家都对恶臭气体的摊放有严格的规定，如日本在恶臭法中，确定 了8 种恶臭物质其中有6 种与奶牛养殖业密切相关。它们是氨、甲基硫醇、硫化氢、二甲硫、 二：硫化甲基、三甲胺。这些物质在奶牛粪便中含量极大【”，其中氨气的含量最高，氨气的挥发不 仅给操作人员带来不快感，引起人和家畜的呼吸道疾病，而且挥发到空气中的氨气，会成为酸雨 形成的影响因素之一。 ( 3 ) 农作物危害 高浓度的污水用于灌溉，会使作物徒长、倒伏、不熟或晚熟，造成减产、甚至毒害作物出现 大面积的腐烂。此外，高浓度污水可导致土壤孔隙阻塞，造成土壤透气、透水性下降和板结，严 重影响土壤质量。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 人类健康危害 大量的病源微生物、寄生虫以及孽生的蚊蝇，会使环境中病源种类增多、菌量增大，出现病 原菌和寄生虫的大量繁殖，造成人、畜传染病的蔓延。排出的污水如不经处理进入水体和土壤后， 又为动植物所吸收，进而进入体内。当其在人体中富集到一定程度时，可致使人中毒、死亡或患 癌症，随着时间的推移将对人类生存环境构成严重的威胁。 1 1 2 畜禽粪便无害化、资源化利用途径 畜禽粪便资源化、无害化利用，就是通过一定的技术处理，将畜禽粪便由废弃物变成有用的 社会资源，比如肥料、饲料和燃料。畜禽粪便无害化、资源化利用，不仅能有效解决畜禽规模化 养殖过程中产生的大量粪便污水对环境的污染问题。而且能充分利用能源产生一定的社会经济效 益。 ( 1 ) 作为肥料资源 因含有大量的有机质和作物所需氮、磷、钾等元素，对于农业生产来说，畜禽粪便是一种优 质的有机肥源。畜禽粪便作为肥料。是推理环境污染的最有效出路之一，且作为肥料还田是一种 促进农牧良性循环、维持生态平衡的有效措施，粪肥在保持和提高土壤肥力的效果上远远超过化 肥。 ( 2 ) 作为能源资源 能源化手段主要有2 种。一种是进行厌氧发酵制沼气，沼气燃烧后可产生大量的热能，可作 为生活、生产用燃料，也可用于发电，发酵后的沼渣和沼液又是很好的有机饲料和肥料。这样既 减少了污染t 又提高了污染物治理的经济效益。另一种是将畜禽粪便直接投入专用炉中焚烧，供 应生产用热。 ( 3 ) 作为饲料资源 动物粪便经加工后可以作为畜禽的优质饲料，有效地开辟了饲料资源，减少了环境污染，缓 解了人畜争粮的尖锐矛盾，降低了养殖成本，具有显著的经济效益和社会效益。据测定干牛粪中 含粗蛋白质1 0 肛2 0 、粗脂肪1 3 、无氮浸出物2 0 3 0 、粗纤维1 5 3 0 。牛粪 中7 0 的粗蛋白能被单胃动物所利用n 1 1 3 课题的研究意义 由于集约化、规模化养殖场迅速发展，大量集中的畜禽粪便对环境造成极大威胁，制约了畜 牧业的发展，所以畜禽粪便的无害化、资源化利用已得到广泛重视其中粪肥还田采用农牧结合 的方式，是无害化、资源化利用的一个重要途径，也迎合了发展有机农业和可持续农业的要求。 但是大量粪便如果使用不当或过量施用，同样会对土壤、大气、水体造成二次污染，使生态环境 遭到破坏。正确、合理地利用畜禽粪便的前提条件就是要预知其成分含量，做到有的放矢。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 确定畜禽粪便中主要成分含量的传统的实验室化学分析方法，虽然精度较高，但往往费时、 费力、价格昂贵且无法实现田间检测。所以从理论上寻求有效的、适合我国国情的快速预测畜禽 粪便主要成分含量的方法是迫切需要解决的问题。 欧、美等许多发达国家在快速预测畜禽粪便成分含量方面都进行了相应的研究，但所建立的 模型i 司饲养模式、管理方法、畜禽品种、粪便处理工艺等的不同而存在很大的差异。随着有机农 业、可持续农业的发展，对有机肥价值的重新认识，粪肥还田将会得到更深入的研究。与此相对 应，对快速预测畜禽粪便成分含量的需要程度也会越来越迫切。所以，快速预测畜禽粪便成分含 量的研究，对实现畜禽粪便资源化、无害化利用，确保农业生态环境的良性循环和我国农业、畜 牧业的可持续发展具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 国内外相关研究现状 1 2 1 国外相关研究现状 数十年来，国外尤其是欧、美等发达国家在快速预测畜禽粪便肥料成分含量方面已进行了大 量的研究。主要集中在基于理化指标的快速预测方法和基于近红外光谱技术的快速测定方法研 究。 1 基于理化指标的畜禽粪便主要肥料成分含量快速预测方法研究 基于理化指标的畜禽粪便主要肥料成分含量的快速预测方法是通过测量粪便的物理、化学特 性( 如比重、电导率、干物质含量等) 来预测其肥料成分含量( 如氮、磷、钾、铵态氮) 。目前 国外研究的预测畜禽粪便肥料成分含量的理化指标主要有；干物质含量、比重、电导率、p h 值。 这些快速测定方法的准确性和精度除了受测定装置本身的精度影响外，在很大程度上取决于畜禽 粪便的理化指标是否与其肥料成分含量具有显著的相关关系以及相关关系的准确性。 ( 1 ) 干物质含量与畜禽粪便肥料成分含量的相关关系 许多研究人员对粪便的干物质含量( d m ) 与其肥料成分含量之间的相关关系进行了研究 卜”j 结果表明：干物质含量与畜禽粪便的肥料成分含量有显著的相关关系，如表1 1 所示。其 中，畜禽粪便中干物质含量与其中总氨和总磷含量之问具有显著的相关性。相关系数大多在0 7 以上；与其中总钾和铵态氮含量之间的相关关系大多不理想，相关系数在o _ 3 以下。 ( 2 ) 比重与畜禽粪便肥料成分含量的关系 由于干物质含量的确定难以实现快速、在线检测，为此许多科学家将研究转向了探讨利用比 重代替干物质含量快速预测畜禽粪便的肥料成分含量。t u n n e y ”、c h e s c h c i r l 和p i c c i n i n i 1 。1 的研 究结果显示：畜禽粪便的干物质含量和粪便溶液的比重之间存在很强的相关关系，对两者进行回 ! i = 1 分析，其相关系数均在o 8 5 以上。 由于粪样的比重可以直接用比重计快速测定，既省时、省力、降低成本义易于在线测量，所 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 确定畜禽粪便中主耍成分含量的传统的实验室化学分析方法，虽然精度较高，但往往费时、 费力、价格昂贵且无法实现田问检测。所以从理论上寻求有效的、适合我国国情的快述颈测畜禽 粪便主要成分含量的方法是迫切需要解决的问题。 欧、美等许多发达国家在快速预溉畜禽粪便成分含量方面都进行了相应的研究，但所建立的 模型因饲养模式、管理方法、葺禽品种、粪便处理工艺等的不同而存在很大的差异。随着有机农 业、可持续农业的发展对有机肥价值的重新认识粪肥还田将会得到更深入的研究。与此相对 应，对快速预测畜禽粪便成分含量的需要程度也会越来越迫切。所以快迷预测畜禽粪便成分含 量的研究，对实现畜禽粪便资i 蝾化、无害化利用确保农业生态环境的良性循环和我国农业、畜 牧业的可持续发展具有重要的理论意义和实用价值。 】，2 国内外相关研究现状 1 2 1 国外相关研究现状 数十年来，国外尤其是欧、美等发达国家在快速预测畜禽粪便肥料成分含量方面已进行了大 量的研究。主要集中在基于理化指标的快速顶测方法和基于近红外光谱技术的快速测定方法研 究。 i 基于理化指标的畜禽粪便主要肥科成分含量快速预测方法研究 基于理化指标的畜禽粪便主要肥料成分含量的快速预测方法是通过测量粪便的物理、化学特 性( 如比重、电导率、干物质含量等) 来预测其肥料成分含最( 如氪、磷、钾、铵态氪) 。目前 国外研究的预测畜禽粪便肥料成分含量的理化指标主要有；干物质含量、比重、电导率、p h 值。 这些快速测定方法的准确性和精度除了受测定装置本身的精度影响外，在很大程度上取决于畜禽 粪便的理化指标是否与其肥料成分含量具有显著的相关关系以及相关关系的准确性。 ( 1 ) 干物质含量与畜禽粪便肥料成分含量的相关关系 许多研究人员对粪便的干物质含量( d m ) 与其肥料成分含量之问的相关关系进行了研究 9 。1 4 1 结果表明：干物质含量与畜禽粪便的肥料成分含量有显著的相关荧系，如表卜】所示。其 中，畜禽粪便中干物质含量与其中总氮和总磷含量之间具有显著的相黄性相关系数大多在0 7 咀上；与其中总钾和铵态氨含量之间的相关关系太多不理想，相关系数在0 3 以下。 ( 2 ) 比重与畜禽粪便肥料成分含量的关系 由于干物质含量的确定难咀实现快速、在线检测，为此许多科学家将研究转向了探讨利用比 重代替干物质含量快速预测畜禽粪便的肥料成分含量。t u n n e y n 、c h e s c h e i r i 悚ip i c c i n i n ie “】的研 究结果显示：畜禽粪便的干物质含量和粪便溶液的比重之问存在很强的相关关系对两者进行回 扪分析。其相关系数均在0 8 5 以上。 由于粪样的比重可以直接用比重计快速测定，既省时、省力、降低成本又易于在线测量，所 由于粪样的比重可以直接用比重计快速测定，既省时、省力、降低成本又易于在线测量，所 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 以可以直接通过测量粪样的比重来快速预测其肥料成分含量。比重与畜禽粪便肥料成分含量的相 关关系如表l - 2 所示。 衰1 - i畜禽粪便干物质台量与其成分含量的相关关系 t a b l e1 - 1 r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nn u t r i e n to f m a n u r ea n dd r ym a t t e r p i c c i n i n i ”牛粪 p ( p k 一) d m ( g k g 1 ) p = 03 6 9 8 + 0 0 0 7 ( d m ) 0 6 7 s c o f f o r d ”叫 牛粪p ( m g l “) d m 4 ) p = 9 8 + 5 7 ( d m ) 0 7 3 c b e s e h e i r i ” 奶牛粪p ( p p m )d m ( 呦p = 1 1 7 + 9 2 ( d m ) 0 7 1 d r a g u n ”“ 猪粪p ( p p i n ) d m i ，旬p = 1 1 2 + 2 3 9 ( d m )08 9 c h e s c h e i r “ 猪粪p ( p p m ) d m ( ) p ；1 1 2 + 3 3 4 ( d m ) o 6 0 p i c c i n i n i 1 猪粪p ( g k g “) d m ( g k g _ 1 ) p = 00 3 2 + 0 0 3 1 2 ( 0 m ) 0 7 7 s m i t h ”1 鸡粪p t k g m - 3 )d m ( 哟p = 0 1 + 01 8 4 ( d m ) o 6 1 s m i t h lj 4j 牛粪 k ( k g 一)d m ( ) k = i6 + 0 2 3 2 ( d m ) 0 2 1 s m i t h lj 4 奶牛粪 k ( 蚝n d m ( ) k = i6 7 + 0 1 8 2 ( d m ) o 1 8 s m i t h ij 4 j 猪粪 k ( k g m 。)d m ( ) k = 01 4 3 + 0 2 0 8 ( d m ) 0 2 0 竺塑! ! 苎鲞兰!堕：竺主dm()k098+0266(dm) 一生一 s m i t h t 1 4 1 牛粪 a n ( k g o m 3 )d m an=075+006(dm)i j 石一一 s m i t h lj 4 j 奶牛粪a n ( k g - m 。) d m ( 呦 a n 铷7 9 + 00 3 9 ( d m ) 0 0 5 s m i t h ”叫 猪粪 a n ( k g - m 4 )d m ( 蛳 a n = 1 3 5 + 0 1 6 ( d m ) 0 2 4 p i c c i n i n i ” 猪粪 a n ( k r m 3 ) d m ( ) a n = 0 7 8 4 + 0 3 7 2 ( d m ) 0 6 7 表l 2 畜禽粪便比重与其成分含量的相关关系 table i - 2 r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nn u t r i e n tc o n t e n t so f m a n u l a ga n ds g p i c e i n i n i ”牛粪 n ( g k g - 1 ) s g n = - 4 46 1 + 4 6 2 2 ( s g ) 0 3 1 6 2 c b e s c b e i r i “1 奶牛粪 n ( p p m ) s gh | 6 38 6 7 + 6 4 6 0 0 ( s 0 1 06 91 7 c h e s e h e i r t 1 猪粪 n ( p p m ) s g n 一1 0 35 8 + 1 0 5 5 9 ( s g 、 0 8 61 4 p i c c i n i n i ” 猪粪 n ( g k g 1 ) s gn 一6 7 4 0 + 6 91 9 ( s g ) 0 5 6 5 4 p i c c t h i n i ” 牛粪p ( g - k 岔1 ) s g p 1 4 0 5 + 1 4 4 0 ( s g ) 0 5 5 5 4 c h e s c h e l r ” 奶牛粪p ( p p m ) s g p - - - 2 1 6 2 1 + 2 1 6 8 】( s 国 o 6 9 1 7 c h e s c h e i r ”1 猪粪p ( p p m ) s g p ；- 7 9 9 5 8 + 7 9 7 9 5 ( s g ) 0 6 0 1 1 p i c c i n i n i ” 猪粪p ( g - k g 1 ) s g p - - - , 4 6 6 1 + 4 6 8 8 ( s g ) 0 5 6 4 8 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 粪便比重与氮含量的相关关系，对猪粪展好的相关系数为o 8 6 ，对奶牛粪便为o 6 9 ，对肉牛 粪便仅为0 3 1 。c h e s e h e i r 1 0 1 和s c o f i o r d 【1 2 1 还研究了粪样中钾的含量和粪便溶液比重的相关关系，发 现其相关性并不理想，相关系数晟大为o 5 5 。 ( 3 ) 电导率与畜禽粪便肥料成分含量的相关关系 溶液的电导率与其中的离子浓度密切相关，而铵离子( n h 4 + ) 和钾离子( k + ) 的浓度在畜禽 粪便总离子浓度中占有相当比重，且均和电导率显著相关，因此粪便溶液中n h 4 + 和k + 的变化会 引起整个溶液离子浓度的变化，从而影响溶液电导率的变化【”】。研究人员对畜禽粪便的电导率与 其肥料成分含量之间的相关关系进行了研究，相关关系如表1 - 3 所示。结果表明：粪便溶液的电 导率与其中的钾和铵态氮含量的相关关系显著。 表1 - 3 畜禽粪便电导率与其成分含量的相关关系 t a b l e 卜3 r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nn u t r i o n tc o n t e n t so f m a n u r ea n de c 注；e c 删是原粪便样本的电导事；e ( k 是对原粪便样车进行1 0 倍稀释后的电导率ie c 是粪便电导率( 原文献中对其束加说明) ( 4 ) 电导率和密度与畜禽粪便肥料成分含量的关系 在对粪便中的单个理化指标与肥料成分含量的相关关系进行研究的基础上，研究了以多个理 化指标来预测畜禽粪便肥料成分含量的情况，其中电导率和密度与畜禽粪便肥料成分含量的相关 关系如表1 - 4 所示。研究结果表明：利用电导率和密度可以很好的预测牛粪和猪粪中的铵态氮和 钾的含量，相关系数均在0 8 以上，优于单个指标的预测效果l ”】。 5 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 表l - 4 畜禽粪便电导率和密度与其成分含量的相关关系 t a b l e1 - 4r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nn u n i e n tc o n t e n t so f m a n u r ea n de ca n dd e n s i t y 竺塞查墨 一登鲞 里奎墨鱼壅苎堡型塑矍! t ： 障( 1 r e l a n d ) a n ( m g 呐e 鹏c ( 1 a s m e m 。) - i ) a n = 0 1 2 9 ( e c ) 。o 8 3 ( p ) + 4 5 2 o8 3 牛粪( g 锄衄y )a n ( m g - l - 1 ) e “c o k g s m c m 3 - ) t ) a n = 0 1 1 3 3 ( e c ) - 06 0 ( 0 ) + 2 7 5 09 3 s c o t r o r a ”2 1 竺堂竺! 竺竺兰竺竺! ：! ! ! 兰l 茧翌：! 竺! ! ! ! 竺竺! ! ：! ：竺! 尘! 竺兰竺 牛粪( g c 皿明y )k ( m g - l1 ) e “c ( k i g m m c m 3 ) - t ) k = 0 1 8 4 ( e c ) + 9 2 5 ( p ) 1 0 0 5 2 o8 5 猪粪( g y ) k ( m g l _ ) 6 警燮： 吼0 9 4 ( e c ) + 92 5 ( p ) - 8 7 9 5 n 8 5 ( 5 ) 密度和p h 值与畜禽粪便肥料成分含量的相关关系 密度和p h 值与畜禽粪便肥料成分含量的相关关系如表i - 5 所示。 s c o f f o r d t ”1 的研究结果表明利用密度和p h 可以很好的预测牛粪和猪粪中的磷含量，其相关系 数均在0 8 以上。 表1 - 5 畜禽粪便密度和d h 与其成分含量的相关关系 ! ! ! 生! ：! 壁! 竺：! ! ! ! ：蟹! 竺! 竺! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! 竺竺! ! 竺! ! ! 竺! 兰竺坚旦 研究人员种类因变量自变量预测方程r 2 蛐一 牛粪。乜1 y h m g l 。1 p 。矿 p 一6 2 ( p ) 七4 2 8 ( p h ) 删 0 8 2 猪粪( i t a l y ) p ( m g l 1 ) p ( k 。g h m 一p = 2 0 1 6 ( p ) 2 4 28 ( p n ) 1 93 8 6 08 2 一-l：-一一 欧美一些发达国家的研究人员在已建立的畜禽粪便理化指标与肥料成分含量之间的显著相 关关系等理论研究的基础上，开发了多种快速检测装置，主要有以下几种： 粪污计：基于猪粪中的氨含量与其干物质含量之间的相关关系和粪便干物质含量与其比重之 间的相关关系，由爱尔兰的约翰斯敦研究中心( j o h n s t o w nc a s t l er e s e a r c hc e n t e r ) 开发成功 9 1 。使用于通过测定猪粪比重实现对氮含量的快速预测。 电导笔：基于粪便溶液中电导率与铵态氮和钾含量的相关关系显著，通过测定电导率从而预 测铵态氮和钾含量l ”j 。 快速、在线畜禽粪便肥料成分检测系统：英国西尔索研究院基于现代计算机、物理及电化学 传感技术，于9 0 年代中期开发成功的检测系统。该系统可以检测粪便中密度、氨、铵盐、电导 率和压力差，根据建立的这些参数与粪便氮、磷、钾含量的一元和二元线性回归方程，预测出粪 便中氮、磷、钾的实际含量。 2 基于近红外光谱的畜禽粪便主要肥料成分含量快速测定方法研究 近红外反射光谱( n i r s ) 分析技术是利用物质在近红外光谱区的光学特性快速测定某种物质 中的一种或多种化学成分含量的新技术。它具有分析速度快、样品准备简单、从单个光谱可进行 多种分析、不破坏样品及没有化学污染等优点被称之为一种绿色、快速、商效、可实现在线分 6 析的测定手段0 6 1 。 n i r s 最早由美国农业部仪器研究室的n o r r i s 博士等人于5 0 年代研究开发f 1 7 l ，开发初期主 要用于分析农产品中水分、脂肪和蛋白质等。经过近五十年的发展，近红外光谱分析技术已广泛 应用于食品和农业【1 8 2 0 、生物化学口1 - 2 2 、分析测试、工业流程的在线检测和质量控制o ”等方 面，并取得了很大的进展。 国外已有用近红外光谱技术分析粪便肥料成分含量的文献报道。 ( 1 ) r e e v e s 和v a nk e s s e l l 2 5 研究了用近红外测定奶牛粪便中养分含量的可行性。从不同的 奶牛场采集了1 0 7 个样本，利用f o s s 近红外光谱仪在4 0 0 n m 2 4 9 8 n m 扫描范围内得到样品的 光谱，结果表明；近红外法可准确的测定奶牛粪便中的水分( r 2 = o 9 4 5 ，r s d = i o ) 、总碳限2 = o 9 5 0 ， r s d = 0 4 0 ) 、总氮( r 2 = 0 9 5 6 ，r s d = 0 0 3 0 呦和铵态氨( r 2 = 0 9 6 7 ，r s d = 0 0 1 3 ) 的含量，但不能 测定其中磷和钾的含量，并且用近红外测定结果的准确度大于等于其它可得到的快速测定方法的 准确度。 ( 2 ) m i l l m i e r 等| 2 6 1 研究了用近红外法测定猪场废液池中液体粪样、猪粪池中液体粪样和固 体牛粪样的总固形物含量、总氮、铵态氮、总磷和总钾的含量。研究结果表明：对于猪场废液池 中液体粪样其相关系数分别为0 9 4 7 、o 8 2 9 、o 7 8 7 、o 7 8 3 和o 8 4 0 ；对于猪粪池中波体粪样， 其相关系数分别为0 9 2 0 、0 8 9 7 、0 7 9 4 、0 6 8 8 和o 8 8 7 ；对于固体牛粪样，其相关系数分别为o 9 5 5 、 0 8 1 7 、0 9 7 6 、0 7 6 4 和0 9 0 5 。 ( 3 ) n a k a t a n i 等口7 1 的研究指出：近红外光谱分析法可以准确的测定经堆肥后牛粪的总碳、 总氮、灰分、纤维素、半纤维素和木质素含量，并建立了测定碳氮比的定标方程，其相关系数为 0 9 9 1 。 ( 4 ) n a k a t a n i 和h a r a d a l 冽报道用近红外光谱法测定堆肥后固体粪样的总氮、铵态氨和硝态 氮，相关系数分另h 达到0 9 8 0 、0 7 9 1 和0 ，8 9 0 。 1 2 2 国内相关研究现状 同类研究在国内起步较晚，已有的研究如下 1 基于理化指标的畜禽粪便主要肥料成分含量快速预测方法研究 1 9 9 6 年韩鲁佳刚等指出：不同动物粪便，其氮、磷、钾含量的预测模型不同；各种动物粪 便中的氮、磷、钾含量与粪便干物质含量高度相关：动物粪便的比重与粪便中干物质高度相关； 电导率与粪便中铵态氮含量高度相关。 2 0 0 1 年胡峥峥1 3 0 l 以肉鸡为研究对象，对肉鸡粪便理化指标与其中肥料成分含量的相关关系 进行了研究，结果表明：肉鸡粪便比重与其磷含量之间正线性相关显著( r 匐8 4 5 ) ；肉鸡粪便电 导率与铵态氮( r 2 = o 7 3 4 ) 、钾( r 2 = 0 ，8 1 6 ) 之间正线性相关显著。 7 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 2 0 0 3 年李莉p 1 】以蛋鸡为研究对象，对蛋鸡粪便理化指标与其中肥料成分含量的相关关系进 行了研究，结果表明；蛋鸡粪便比重与其总磷( r 2 = o 7 1 6 ) 、总钾 r 2 = 0 7 2 2 ) 含量之间正相关 关系显著；蛋鸡粪便电导率与总磷( r 2 = o 7 2 6 ) 和总钾( r 2 = o 8 4 6 ) 之间正相关关系显著。 2 0 0 4 年樊霞”“以肉牛为研究对象，对肉牛粪便理化指标与其中肥料成分含量的相关关系进 行了研究，结果表明：肉牛粪便电导率和比重与总氨含量之间具有显著的相关关系( r 2 = 0 7 1 ) ； 比重和p h 与总磷含量之间具有显著的相关关系( 莳= o 7 2 ) ；电导率与总钾含量之间正相关关系 显著( r 2 = o 8 0 ) 。 2 0 0 5 年杨增玲p ”以生k 肥育猪为研究对象，对生长肥育猪粪便理化指标与其中肥料成分含 量的相关关系进行了研究，结果表明：生长肥育猪粪便比重与有机物含量之间正相关关系显著( r 2 = 0 9 2 2 ) ；比重与总氮含量之间正相关关系显著( 霄= o 7 6 3 ) 以及比重和p h 值与总氮含量之间 具有显著的相关关系( r 2 = o 8 5 8 ) ；电导率与铵态氮含量之间正相关关系显著( r 2 = o 8 2 5 ) ：比 重与总磷含量之间正相关关系显著( r 2 = o 8 0 6 ) ：电导率与总钾含量之间正相关关系显著( r 2 = o 7 3 7 ) 以及电导率和比重与总钾含量之间具有显著的相关关系( r 2 = 0 ，8 1 0 ) 。 2 基于近红外光谱的畜禽粪便主要肥料成分含量快速测定方法研究 2 0 0 4 年樊霞【3 2 1 以肉牛粪便为研究对象，使用近红外光谱技术对肉牛粪便中主要肥料成分含 量进行了快速测定。研究结果表明：肉牛粪便光谱的最佳预处理方法是一阶导数预处理最佳扫 描分辨率为8 c m 一，数学回归工具是偏最d , - - - 乘法( p l s ) ：预测t n 、t p 、t k 的最佳谱区为7 2 5 1 0 3 c m - - - 4 0 2 2 ，7 8 c m a n 的最佳预测谱区是7 2 5 1 0 3c m - i 4 0 1 8 9 2 c m ；预测t n 、t p 、t k 和a n 的最佳主成分维数分别是9 、8 、1 0 和l o 。利用近红外光谱仪对肉牛粪便中t n 、t p 、t k 和a n 含量进行测定，结果近红外光谱法的测定值与真实值差异较小，可应用近红外光谱法快速测定肉 牛粪便中主要肥料成分含量。 2 0 0 5 年杨增玲【3 ”以生长肥育猪粪便为研究对象，使用近红外反射光谱技术对生长肥育猪粪 中主要成分含量进行快速测定，研究结果表明：利用近红外反射光谱技术可以很好的快速测定生 长肥育猪粪中有机物、总氮、总钾、锌和水分的含量，近红外测定值和实验室化学分析值之间具 有显著的相关性，其相关系数分别为：o 8 2 、0 7 3 、0 9 2 ，o 9 5 和o 8 9 ；利用近红外反射光谱技术 对总磷含量进行测定，结果近红外测定值和实验室化学分析值之间具有良好的相关性，其相关系 数为0 6 ，。 2 0 0 5 年孔源刚以o 5 1 日龄肉鸡粪便为研究对象，使用近红外光谱技术对肉鸡粪便主要成 分含量进行快速测定，研究结果表明：预测肉鸡粪便中总氮、总磷、总钾、铵态氮和有效磷成分 的谱区为1 4 2 1 5n m 2 5 7 2 2 r i m 、最佳主成分数分蹦为4 、“、4 、6 和7 ；预测集样本豹总氮、总 磷、总钾、铵态氮和有效磷含量的近红外光谱校正模型预测值与实验室化学分析值的相关系数分 别达到了0 9 5 7 4 、o 9 5 9 0 、o 9 8 7 0 、0 9 5 7 2 和o 9 6 5 0 ，并指出近红外光谱分析法可以用于肉鸡粪 便主要肥料成分分析。 8 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 本课题主要研究内容与研究思路 针对目前国内外同类研究的现状本课题拟以奶牛粪便为研究对象从以下两个方面进行研究 1 基于理化指标的奶牛粪便主要肥料成分含量快速预测方法研究 采集不同地区、不同模式奶牛场、不同生长阶段的奶牛粪便样本，测定其理化指标( 比重、 电导率和口h 值) ，实验室分析确定其中主要肥料成分( 总氮、总磷、铵态氮、总钾) 含量，研究 理化指标和其中主要肥料成分含量之间的相关关系，建立基于理化指标的快速预测模型。 2 基于近红外光谱的奶牛粪便主要肥料成分含量快速测定方法研究 ( 1 ) 采集奶牛粪便样本，在扫描范围1 0 0 0 0 4 0 0 0 c m 。内进行样本近红外光谱的扫描。 ( 2 ) 研究奶牛粪便近红外光谱与主要肥料成分含量( 总氮、总磷、铵态氨、总钾) 的相关 关系并确定近红外光谱预处理方法。 ( 3 ) 研究建立基于近红外光谱的奶牛粪便主要肥料成分含量快速检测的定标模型。 ( 4 ) 进行基于近红外光谱的奶牛粪便主要成分含量快速检测定标模型的验证。 本课题的研究思路框图如图1 - 1 所示。 国内外相关文献分析 奶牛粪便样品的采集 测定粪便溶液的理化 指标( p h 、s g 和e c ) 实验室化学分析确定其中 t n 、t p 、t k 和a n 含量 理化指标与奶牛粪便主要肥料 成分含量的相关关系研究 进行近红外光谱 扫描 基于近红外光谱的奶牛粪便主 要肥料成分含量快速测定方法 奶牛粪便中主要肥料成分含量的快速预测模型 结论及进一步研究设想 图1 - 1 课题的研究思路框图 f i g1 - lf l o wc h a r to f r e s e a r c h 9 中国农业大学硕士学位论文第二章基于理化指标的奶牛粪便主要肥料成分含量快速预测方法研究 第二章基于理化指标的奶牛粪便主要肥料 成分含量快速预测方法研究 摘要：为了探讨基于比重、电导率和p h 值快速测定奶牛粪便肥料成分含量的可行性在京郊奶牛场 采集代表性样本8 9 份。用实验室常规化学分析方法确定其中总氮、总磷、总钾和铵态氮的含量，使用比 重计、电导仪和p h 计测定其比重、电导率和p h 值。研究了奶牛粪便理化指标与其中总氮、总磷、总钾 和铵态氮含量的