以核桃青皮為主要原料的有機(jī)肥發(fā)酵工藝研究

龍思帆， 王 麗*， 李 堃， 賀 靜

(1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院， 成都 610041； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣研究所， 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041)

林業(yè)廢棄物亦稱林業(yè)剩余物，包括森林采伐剩余物、木材加工剩余物及育林剪枝剩余物，統(tǒng)稱林業(yè)“三剩物”，具有種類多、易獲取、可再生、可生物降解并且含有一定養(yǎng)分等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是，長期以來, 對于林業(yè)廢棄物處理方式多為丟棄或焚燒, 這不僅造成了資源的浪費(fèi)而且造成了環(huán)境的嚴(yán)重污染[2-3]。

我國核桃種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，并且近年來在政策和價格雙重驅(qū)動下，各地核桃發(fā)展規(guī)模大幅增長[4]。2017年，四川省產(chǎn)核桃干果40.8萬t，剛?cè)デ嗥さ暮颂?斤出1斤干核桃，青皮約占核桃重量的40%～60%，由此估算四川省核桃一年的產(chǎn)量122.4萬噸左右，青皮的產(chǎn)量預(yù)估在48.96～73.44萬噸，由此可見，核桃青皮的產(chǎn)量巨大。然而，在核桃果實(shí)采摘后，脫落的核桃青皮就會被當(dāng)做垃圾丟棄在田間、路邊或溝邊，造成化感現(xiàn)象，影響動植物的生存[5-6]。如何合理有效對核桃青皮進(jìn)行利用，是急需解決的問題?，F(xiàn)有關(guān)于核桃青皮的研究多集中于其活性物質(zhì)的提取，以及提取之后在相關(guān)領(lǐng)域的利用，比如用作抗氧化劑之類。核桃青皮用作堆肥材料的相關(guān)研究還較少。

為了實(shí)現(xiàn)資源的合理再利用，減少相應(yīng)的環(huán)境污染，本試驗(yàn)以核桃青皮為主要原料，通過堆肥處理，分析這過程中的相關(guān)評判腐熟度指標(biāo)的變化，以此確定最優(yōu)的發(fā)酵條件，為之后生物有機(jī)肥的推廣提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

新鮮核桃青皮：實(shí)驗(yàn)原料采自鹽亭縣，核桃品種是“清香”。食用菌菌渣：來自成都某食用菌生產(chǎn)基地。草木灰：來自某生物有限公司。具體養(yǎng)分含量如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在室外通過配比不同的堆肥材料，在相同腐熟條件下開展為期32天的堆肥對比試驗(yàn)。用濕物料粉碎機(jī)分別將核桃青皮渣、食用菌菌渣粉碎至2～3 cm。按照表2進(jìn)行原料配比試驗(yàn)處理設(shè)置，配方 1、2、3、4 分別標(biāo)記為 A1、A2、A3、A4。

表2 試驗(yàn)材料配方比 (%)

1.3 堆肥發(fā)酵與觀測記錄

接種后分別堆成底部 2 m×2 m、頂部 0.5 m×0.5 m、高1.5 m 的梯形進(jìn)行發(fā)酵，每隔一天翻堆一次，至發(fā)酵溫度到達(dá) 60℃ 時，開始降溫，當(dāng)溫度降到35℃ 時，停止翻堆，堆至 2～3 m 高，進(jìn)入第2次腐熟階段，15～20 d，發(fā)酵結(jié)束。發(fā)酵過程記錄每個處理的起始發(fā)酵時間，每天早晚測試堆內(nèi)溫度1次并作記錄，同時嗅聞氣味情況并作記錄。翻完熟后，晾曬調(diào)整含水量在25%～30%，過篩保存。

1.4 測定內(nèi)容及方法

1.4.1 試驗(yàn)材料養(yǎng)分測定

總有機(jī)碳、全氮：取新鮮樣風(fēng)干后，粉碎、細(xì)化，并采用元素分析儀(Elementar Vario EL,德國)測定。

1.4.2 溫度、含水率、pH值的測定

溫度：每天早8：00，晚18：00，將堆體分成3段，每段隨機(jī)選取3個點(diǎn)用水銀溫度計(jì)測定，取其平均值作為堆體的實(shí)際溫度；含水率：用鋁盒稱取新鮮樣品在105℃下烘干至恒重測定；pH值：新鮮樣品和去離子水以1∶10(W/V)混合，置于水平搖床振蕩1 h，靜置30 min后用pH計(jì)測定。

1.4.3 種子發(fā)芽率指數(shù)的測定

取樣品10 g與蒸餾水按1∶10比例混合搖勻，搖床振蕩1 h，提取液離心20 min，再用濾紙過濾上清液備用。在9 cm培養(yǎng)皿中放置2張濾紙，在濾紙上面均勻擺放20粒玉米種子，吸取5 mL備用上清液加入培養(yǎng)皿中，將培養(yǎng)皿在黑暗條件下，25 ℃培養(yǎng)48 h后，計(jì)算種子的發(fā)芽率，并用游標(biāo)卡尺量取種子的根長。對照組以蒸餾水作為培養(yǎng)液。

種子發(fā)芽指數(shù)=(堆肥處理的種子發(fā)芽率×種子根長)/(對照的種子發(fā)芽率×對照種子根長)×100%[7]

1.4.4 微生物測定

在堆肥過程中的第7、21、30天采集堆體樣品,用鑒別培養(yǎng)基方法測定大腸桿菌菌落數(shù)。用純化水將樣品稀釋1000倍，涂于麥康凱瓊脂培養(yǎng)基，37 ℃培養(yǎng)18 h后培養(yǎng)基上形成粉紅色的大腸桿菌菌落，進(jìn)行單菌落計(jì)數(shù)。采用飽和硝酸鈉溶液漂浮法測定蛔蟲卵數(shù)量，抽濾后加甘油鏡檢，先在5倍鏡下檢查蟲卵，再在40倍鏡下計(jì)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中pH值的變化

pH值是影響堆體微生物活動的重要環(huán)境指標(biāo)，是反映堆肥腐熟進(jìn)程以及衡量堆肥是否腐熟的基本指標(biāo)[8]。適宜的pH值有利于微生物有效地發(fā)揮作用，pH值太高和太低都會影響堆肥的發(fā)酵效率。為保證堆肥過程中菌劑中有益菌的生長，需要合理控制pH值的范圍。本研究通過添加10%的草木灰完成pH值調(diào)節(jié)。在添加草木灰后，處理的pH值在5.5～7.0范圍內(nèi)。

通過表3可以得知，A1、A2處理未加入草木灰的處理，發(fā)酵過程中 pH 值波動加大。A3、A4處理，加入草木灰后波動較小，特別是 A3 處理，pH 值非常穩(wěn)定，整個發(fā)酵過程種的 pH 值均在 6.0 左右，不需要進(jìn)行酸堿度調(diào)整。整體來看加入草木灰會對 pH 值有好的調(diào)節(jié)作用，并不需額外通過添加其它試劑調(diào)節(jié)發(fā)酵基質(zhì)的酸堿度。

表3 不同處理堆肥過程中pH值的變化

2.2 堆肥過程中含水率的變化

水是微生物活動必需的物質(zhì)之一，水分過多或過少均能抑制微生物活動而影響堆肥發(fā)酵效果[9]。為保證發(fā)酵的順利完成，根據(jù)生產(chǎn)中的物料水分要求，首先要確定物料的水分含量，本試驗(yàn)中按照4個原料配比方案混合均勻后，水分含量基本在50%～58%，水分過低時，加入適量水，使其達(dá)到要求濕度。其感官評判標(biāo)準(zhǔn)：手抓有水分滲出，松開即散。

圖 1表明不同處理發(fā)酵過程中，濕度變化趨勢基本相同，A1和A2處理波動幅度和頻率加大，發(fā)酵過程中加水的量和次數(shù)較多，A3和A4處理波動幅度較少。綜上所述，4 個處理中A3組的處理發(fā)酵過程中發(fā)酵機(jī)制的濕度波動最小，發(fā)酵周期短，是比較合理的發(fā)酵基質(zhì)配置。其次是A2處理。

圖1 不同處理堆肥過程中濕度的變化

2.3 堆肥過程中溫度的變化

溫度是微生物活動的必要條件，溫度的變化可反映堆肥中微生物活性的變化情況以及堆肥過程所達(dá)到的狀態(tài)[10]。大部分好氣性微生物在 30℃～40℃活動較好[11]。通過測定堆肥發(fā)酵過程中溫度的變化，從而反映出核桃青皮的腐熟過程和腐熟所需要的時間。

由圖2可知，在堆肥初期，核桃青皮中的有機(jī)物在好氧微生物的作用下快速分解，釋放熱量，四個處理堆肥溫度都呈現(xiàn)上升趨勢。A1、A3處理最高溫度到41℃，A2處理達(dá)到39℃,A4處理35.8℃。堆肥進(jìn)行到21天時，溫度開始降低，這可能與核桃青皮水分隨著時間的推移而滲透出來，導(dǎo)致堆肥溫度的降低。

圖2 不同處理堆肥過程中溫度的變化

A1、A2、A3、A4這4個處理溫度在30℃以上分別維持的天數(shù)達(dá)到32天、32天、32天、29天。A1處理在39℃～41℃維持了5天，溫度逐漸上升達(dá)到最高后穩(wěn)定了五天，之后溫度開始降低，而且堆肥過程中并未存在較大的起伏；A2處理的最高溫度到40℃，最低溫度30.1℃，39℃～41℃維持了3～4天，中間溫度存在起伏。A3處理最高溫度到41℃，最低溫度35.5℃，39℃～41℃維持了20天左右，而且堆肥一開始溫度便上升得比較快，后期穩(wěn)定大概在39℃左右，溫度降幅較低。A4處理的最高溫度到35.5℃，最低溫度29.1℃，這個比例的堆肥溫度在堆肥期間沒有明顯的上升趨勢。

2.4 種子發(fā)芽指數(shù)(GI)

種子發(fā)芽試驗(yàn)是評價不同原料堆肥腐熟程度的可靠指標(biāo)，Zucconi[12]等研究認(rèn)為，種子發(fā)芽指數(shù)如果GI值>50%，則堆肥基本腐熟；當(dāng)GI值>80%時，堆肥已經(jīng)完全腐熟，對植物無毒性；吳銀寶[13]等研究表明，種子發(fā)芽指數(shù)>0.7可認(rèn)為堆肥腐熟。

由圖 3 可知，4個處理的GI值均高于CK處理，并隨著堆肥的進(jìn)行，5個處理的GI值隨之升高，基本在20 d之前GI值穩(wěn)定增長，15～20 d時增長最快，25 d后，基本穩(wěn)定。直至堆肥結(jié)束，A1、A2、A3、A4處理的GI值最終達(dá)到84.32%、89.12%、93.27%、80.79%。說明在堆肥30天后，4個處理堆肥都已經(jīng)完全腐熟。

圖3 不同處理對種子發(fā)芽指數(shù)的影響

2.5 堆肥過程中微生物數(shù)量的變化

以核桃青皮為主要堆肥原料，堆肥過程中，加入草木灰后，pH值趨于穩(wěn)定，并且水分降低，食用菌渣提供了豐富的碳源，散發(fā)的氨氣味道不重，也無肉眼可見的蛆，經(jīng)初步的鏡檢未發(fā)酵的堆肥原料核桃青皮中的蛔蟲卵平均為2個·100 g-1，食用菌渣中的蛔蟲卵平均為26個·100 g-1，草木灰中的蛔蟲卵平均為3個·100 g-1，堆肥30 d后4個處理均未檢測到蛔蟲卵，蛔蟲卵死亡率為100%。

從圖4可以看出，4個處理在堆肥30 d后大腸桿菌菌落數(shù)都呈現(xiàn)減少趨勢。A1處理大腸桿菌菌落數(shù)含量較高，原因是A1處理食用菌渣含量占比60%，C/N比在4個處理中最高，C/N對發(fā)酵過程中微生物的繁殖和活躍有關(guān)鍵作用[14]。A4處理大腸桿菌菌落數(shù)含量低，這是由于A4處理核桃青皮含量達(dá)90%，青皮中富含多酚、類黃酮、多糖及萘醌類等多種活性化合物，這些物質(zhì)對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等具有明顯的抑菌作用[15-16]。

圖4 不同處理堆肥過程中大腸桿菌的變化

大腸桿菌、蛔蟲卵死亡率是監(jiān)測堆肥過程和無害化處理過程的重要參考指標(biāo)，4個處理堆肥溫度小于50℃，且維持時間小于7 d，通過大腸桿菌菌落數(shù)與蛔蟲卵數(shù)量的測定結(jié)果，可以判斷堆肥原料在30℃～45℃就可以發(fā)揮堆肥效果，其原因可能與低溫微生物菌在起爆期迅速擴(kuò)增，從而有效抑制大腸菌群的增殖有關(guān)[17]。

3 結(jié)論

以核桃青皮為主要原料的堆肥試驗(yàn)表明，堆肥30天后，4個處理的GI值達(dá)到80%的以上，大腸桿菌菌落數(shù)和蛔蟲卵死亡率達(dá)標(biāo)，堆肥均已完全腐熟。且最適宜的發(fā)酵條件為：濕度為 50%～60%；pH值為 6.0～7.5；發(fā)酵周期為23～25天；最佳配比為A3處理組，60%核桃青皮+30%食用菌渣+10%草木灰，腐熟程度高。

核桃青皮在原料中所占比例 40%～60%，均能很好地進(jìn)行堆肥發(fā)酵，且選擇食用菌菌渣和草木灰為輔料，一方面起到調(diào)節(jié)水分的作用，另一方面食用菌菌渣可提高C/N，同時解決透氣性問題，而草木灰可用來調(diào)節(jié)pH值，簡化了有機(jī)肥生產(chǎn)水分和pH值的工藝流程。