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)。
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)
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 (%)
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。
1.4.1 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)。
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
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
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。
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
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]。
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。