不同比例竹源廢棄物混合發酵對有機肥質量的影響

劉 鵬 王 琴 柴慶輝 黃云峰 卞方圓 黃志遠 伊奎鑫 張榮華 張 健*

(1 安吉縣孝源街道辦事處 浙江安吉 313300； 2 安吉縣竹產業發展中心 浙江安吉 313300；3 國家林業和草原局竹子研究開發中心/竹林生態與資源利用國家林業和草原局重點實驗室 杭州 310012；4 浙江耕盛堂生態農業有限公司 浙江安吉 313300； 5 安吉皈山罐頭食品廠 浙江安吉 313300)

我國竹產業正面臨竹材價格走低、 生產成本上升、 竹林拋荒面積增大等問題[1]， 而竹筍作為中國傳統佳肴和健康食品， 越來越受到市場的青睞。 由于竹筍出筍時間短、 集中， 纖維老化速度較快， 鮮筍粗加工將產生50%～60%的筍殼、 筍篰頭、 壞筍等固體廢棄物， 這些廢棄物如丟棄于路邊或溝旁， 腐爛霉變， 會造成嚴重的環境污染和資源浪費。 因此， 如何采用有效技術將這些廢棄物轉化成可利用資源， 已成為竹筍加工業持續健康發展的一大技術瓶頸。

竹筍固體廢棄物由竹筍筍籜和筍篰頭等組成， 含有豐富的糖、 蛋白質和游離氨基酸， 以及鐵、 鋅等礦質營養元素[2]， 綜合利用竹筍固體廢棄物提升其附加值應當是可能的。 目前，對于竹筍加工廢棄物的主要處理方式有膳食纖維再生利用、 開發筍殼飼料、 筍殼造紙、 筍殼工藝品、 筍殼有機肥， 以及從竹筍殼中提取天然色素、 黃酮、 含氮化合物等， 但由于這些處理方法存在工藝技術復雜、 設備要求高、 成本昂貴等問題， 使得許多地區的竹筍加工廢棄物尚未真正得到有效利用[1]。 利用堆肥技術處理農業有機廢棄物， 實現有機質和養分歸還， 是目前最為普遍的有機廢棄物處理措施之一[3]。但竹筍加工廢棄原料由于水分含量高(85%左右)、 可溶性糖含量大， 直接發酵會造成厭氧條件， 容易造成一些腐敗雜菌生長[4]。 為此， 本研究采用竹筍加工廢棄物與竹材加工廢棄物混合發酵的方法， 研究二者不同混合比例對發酵終端產品質量的影響， 以期探索利用2 種竹源有機廢棄物生產有機肥或土壤修復材料的途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2022 年4 月分別從安吉竹筍加工廠和竹材拉絲工廠收集竹筍和竹材加工廢棄物。 2022 年5 月至6 月在桐鄉華騰牧業有限公司大棚內對竹筍和竹材加工廢棄物進行堆肥處理， 處理時間為21 d。竹筍和竹材加工廢棄物原料化學性質和成分見表1。 發酵前將竹筍和竹材加工剩余物粉碎成長度小于1 cm、 直徑小于0.5 cm 的顆粒原料。

表1 不同類型竹源加工廢棄物化學性質與成分Tab.1 Chemical properties and composition of differenttypes of bamboo processing waste

1.2 試驗設計

根據預實驗的結果， 選擇篩選出的3 種微生物(枯草芽孢菌、 土地芽孢菌和假單胞菌) 的復合菌作為竹源廢棄物的生物肥發酵菌劑。 將竹筍加工廢棄物和竹材加工廢棄物原料按一定的質量比例混合進行試驗， 試驗共設5 個處理， 每個處理3 個重復。 A 處理: 100%竹筍加工廢棄物(對照)； B 處理: 80%竹筍加工廢棄物＋20%竹材加工廢棄物； C 處理: 60%竹筍加工廢棄物＋40%竹材加工廢棄物； D 處理: 40%竹筍加工廢棄物＋60%竹材加工廢棄物； E 處理: 20%竹筍加工廢棄物＋80%竹材加工廢棄物。

1.3 堆肥發酵

2 種竹源廢棄物按一定質量比例混勻后， 加入質量百分比濃度為0.2% ～0.4%的混合菌液(枯草芽孢桿菌、 假單胞菌、 土地芽孢桿菌混合菌)， 攪拌混合， 并加水調節混合物料的含水量至60%～70%， 再將混合物料建堆發酵， 采用常溫發酵， 氣溫在15～30℃。 每隔5 d 翻1 次發酵堆， 并觀察和記錄混合物料的溫度、 濕度、 氣味、體積等。 在發酵21 d 后， 若所有處理的發酵堆溫度都低于30℃、 沒有發酵前期出現的酸味和臭味、 堆體表面有白色和灰白色菌絲， 表明發酵已經完成。

1.4 發酵后混合物料理化性質測定

取發酵后的混合物料樣品， 記錄樣品鮮質量，測定樣品的物理性質[5]， 測定指標包括容重、 孔隙度和持水量。 另取混合物料樣品于實驗室置于70 ℃的烘箱中恒溫烘干， 稱重后粉碎、 過篩， 用于分析物料的化學性質及養分含量， 指標包括pH值及有機碳、 氮、 磷、 鉀、 鈣、 鎂、 腐植酸等含量。 其中， 樣品經H2SO4-H2O2法消煮后， 分別采用堿解擴散法、 鉬銻抗比色法測定消煮液中的氮、 磷含量， 采用原子吸收法測定鉀、 鈣和鎂含量， 采用焦磷酸鈉浸提—重鉻酸鉀容量法測定總腐殖酸含量[6]。

1.5 種子發芽指數測定

種子發芽指數依據有機肥料農業行業標準進行測定[6]。 具體如下: 將10.00 g 竹源廢棄物混合發酵置于250 mL 的塑瓶中， 按固、 液質量比為1 ∶10 添加100 mL 蒸餾水， 于25 ℃以160 r/min振蕩1 h 后過濾， 過濾所得即為浸提液。 吸取5 mL浸提液或試驗溶液于墊有2 張濾紙的培養皿中， 均勻地放入籽粒飽滿、 大小一致的小白菜種子10 粒， 并以加去離子水為對照， 每個處理重復3 次。 在(25±2)℃的培養箱中避光培養48 h， 記錄種子發芽的個數， 并測定根長。

種子發芽指數(GI) ＝ (堆肥處理的種子發芽率× 種子根長) / (對照的種子發芽率× 對照種子根長) × 100%。

1.6 數據分析

采用SPSS 進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理混合料發酵后的化學性質和養分元素

由分析結果可知(表2)， 發酵后混合料的pH 值隨著竹材加工廢棄物添加量的增加而降低， 這與發酵前2 種廢棄物的pH 值存在差異有關(表1)。 pH 值的高或低都會影響堆肥中有益微生物的生長和發酵效率， 各處理的pH 值為5.90～6.31， 符合作為有機肥的標準[6]。 與原料相比， 各處理在發酵后有機碳含量和碳氮比(C/N) 顯著降低， 表明各種處理的微生物活躍程度很高， 有機碳分解較快； 隨著竹材加工廢棄物添加比例的增加(從處理A 到E)， 有機碳含量呈增加趨勢， 而氮含量則呈現先增加后減少的變化趨勢， 這與竹筍加工廢棄物中易分解的碳源(多糖、 半纖維) 含量高和氮存在的形態有關， 竹筍加工廢棄物中半纖維素和多糖含量達46% (表1)， 這部分碳源很容易被微生物分解[7]。 A 處理為100%的竹筍加工廢棄物， 原料中總氮含量最高， 但在發酵后B、 C 處理的全氮含量顯著高于其他處理， 這是由于竹筍加工廢棄物總氮主要以蛋白質、 氨基酸等形式存在，這類有機氮在腐熟過程中經微生物作用易轉化成氨氣， 從而造成氮的損失[7]。 混合料中磷、鉀、 鈣和鎂等養分離子在堆肥中的存在形態較為穩定[8]， 隨著竹筍加工廢棄物添加量的減少，這些養分離子的含量都呈現下降趨勢， 主要原因是這些元素含量在竹筍加工廢棄物中的含量要高于竹材加工廢棄物。

表2 不同比例混合料發酵后的產品化學性質和養分含量Tab.2 Chemical properties and nutrient content of products fermented with different proportions of mixed materials

腐殖酸含量是評價堆肥腐熟度和有機肥產品質量的重要指標， 是堆體中微生物參與的腐殖化過程與礦質化分解過程共同作用的結果[9]。 比較各處理的腐植酸含量可見， 隨著竹材加工廢棄物添加量的增加， 腐殖酸含量呈現增大趨勢， 表明竹材加工廢棄物有利于肥料中有機酸的生成。 有研究報道， 纖維素含量高和較低的碳氮比更有利于發酵有機質腐殖酸的形成[10]。 在本研究中， 雖然單一的竹筍加工廢棄物(處理A) 纖維素和半纖維素含量都較高(表1)， 但腐殖酸含量卻是最低的， 這表明竹材加工廢棄物中的木質素同纖維素一樣， 在微生物的作用下亦可生成結構復雜的腐殖酸類物質[11]。

2.2 不同處理混合料發酵后的物理性質

分析結果顯示(表3)， 隨著竹材加工廢棄物添加量的增加， 發酵處理后混合料的容重增加，所有處理的容重為0.38～0.56 g/cm3， 高于木屑發酵后的容重， 而與菇渣發酵后的容重一致[12]，這一容重范圍很適合作為植物栽培的基質[13]。 有機肥的孔隙度反映了肥料的透氣性及保水性。 隨著竹材加工廢棄物添加量的增加， 混合料的總孔隙度呈現減少趨勢， 但處理C、 D、 E 間沒有顯著差異。 同其他有機發酵產品相比， 竹源發酵產品的總孔隙度較低， 如泥炭、 園林綠化廢棄物發酵產品的總孔隙度分別達80.3%和82.2%[14]， 這與竹源廢棄物粉碎的粗細有很大的關系， 粗度越大，總孔隙度越小[13]。 比較各處理混合料的非毛管孔隙度可見， 隨著竹材加工廢棄物添加量的增加非毛管孔隙度呈現增大趨勢， 說明增加混合料中的竹材加工廢棄物含量， 更有利于通氣透水。 在各處理中， 處理A 的非毛管孔隙度最小， 主要原因是單一竹筍加工廢棄物中纖維素、 半纖維數含量高， 在發酵后易形成大量的親水基團， 提高了有機材料的持水和保水性能[2]， 從而降低了有機材料的通氣性能。 但處理A 的混合料仍符合作為土壤有機改良劑的通氣指標(≥15%)[13]。

表3 不同比例混合料發酵后的產品物理性質Tab.3 Physical properties of products fermented with different proportions of mixed materials

總持水量表示有機材料的持水和保水能力， 可用于衡量土壤的持水性能[14]。 5 個處理混合料的總持水量在68.18%～80.73%， 且隨著竹材加工廢棄物添加量的增加呈減少趨勢；處理A 顯著高于其他處理， 表明竹筍加工廢棄物較高的纖維素和半纖維素含量對發酵材料的保水性能有著很重要的作用。 與發酵的菇渣、園林綠化廢棄物、 小麥秸稈等材料比較， 竹源發酵材料總持水量都較低， 僅為這些有機材料的30%～50%， 這可能與竹源廢棄物中蠟質含量較高有關， 竹稈和筍殼表面的蠟質層嚴重影響竹源材料的吸水性能[2]。

2.3 堆肥過程中腐熟程度及種子發芽指數

比較發酵過程混合料散發的氣味可知， 對照(處理A) 的發酵速度在各處理中最慢， 而且酸臭味在前2 周始終存在， 這可能與單一竹筍加工廢棄物中糖類、 半纖維素、 果膠、 脂肪、 蠟質含量較高有關， 這些物質影響著堆肥的通氣性[2]； 而添加竹材加工廢棄物后能增加發酵物的通氣條件，縮短堆肥發酵周期， 促進堆肥快速腐熟。 因此處理B、 C 與處理A 相比， 表現出酸味小、 發酵速度快。 堆肥進程的快慢是微生物活動的結果， 而微生物繁殖的快慢受營養物質豐缺的制約， 也受環境條件(空氣、 溫度和濕度) 的影響。 因此，在竹筍加工廢棄物中添加竹材加工廢棄物后， 雖然養分含量有所下降， 但通氣和水分條件更適合于微生物活動。 隨著竹材加工廢棄物添加量的增加(處理D 和E)， 混合料養分含量降低， 微生物分解有機物的速度明顯下降。 總體來看， 除了對照(處理A)， 21 d 后其余各處理的堆肥都表現出腐熟的特征， 堆肥后期溫度下降且低于35 ℃， 沒有明顯的臭味， 堆體表面出現大量白色和灰白色菌絲等。

比較不同處理的種子發芽指數(GI) 可知(表4)， 與清水對照相比， 各處理GI值均顯著高于對照， 說明竹源有機肥稀釋液使種子發芽活力明顯增加，GI值較發芽率指標能夠更靈敏地反映出種子的質量， 當GI>80%時可認為有機物對植物完全沒有毒性[15-16]。 從表4 可以看出， 處理B、C 和D 均顯著提高了有機肥的GI值(>120%)，說明竹源有機材料的發酵產物對植物種子萌發不但沒有毒性， 還具有一定的促生效果。

表4 不同比例混合料發酵后的有機肥對青菜種子發芽指數的影響Tab.4 Effect of organic fertilizer fermented with different proportions of mixed materials on thegermination index of bok choy seeds

3 結論

試驗結果表明， 100%竹筍加工廢棄物由于糖類、 半纖維素、 纖維素含量高， 不利于堆肥的通氣和快速發酵， 而摻入竹材加工廢棄物后能增加發酵物的通氣條件， 縮短堆肥發酵周期， 促進堆肥快速腐熟。 隨著竹材加工廢棄物混合比例的增加， 發酵后混合料有機碳含量呈增加趨勢， 而氮含量呈現先增加后減少的變化趨勢。 100%竹筍加工廢棄物原料中的總氮含量最高， 但在發酵后添加20%和40%竹材加工廢棄物的2 個處理的全氮含量顯著高于其他處理。 對發酵后混合料容重、總孔隙度和非毛管孔隙度等指標測定結果表明，混合堆肥發酵的有機肥還可以作為土壤有機改良劑， 具有較好的通氣、 保水等土壤改良功能。