宋海云,肖海艷,張 濤,賀 鵬,鄭樹(shù)芳,許 鵬,韋媛榮,王文林
(廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,廣西崇左 532415)
澳洲堅(jiān)果(Macadamiaspp.),又稱夏威夷果,原產(chǎn)于澳洲,屬于山龍眼科(Proteaceae)澳洲堅(jiān)果屬(Macadamia F.Mull),常綠喬木果樹(shù),被譽(yù)為世界“干果之王”,富含多種不飽和脂肪酸、蛋白質(zhì)、礦質(zhì)元素和維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健功效較高,且果仁香酥滑嫩可口,有獨(dú)特的奶油香味,深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)。澳洲堅(jiān)果產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,根據(jù)廣西澳洲堅(jiān)果協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),截至2021年底,廣西種植總面積超4萬(wàn)hm2,投產(chǎn)量也將劇增。澳洲堅(jiān)果果皮質(zhì)量占整個(gè)果實(shí)重量的49%~53%,在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)量巨大,果皮自身不容易腐爛,隨之丟棄將給農(nóng)村地區(qū)的生產(chǎn)生活環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染,同時(shí)造成浪費(fèi)。
但是,目前澳洲堅(jiān)果產(chǎn)業(yè)資源利用有限,以果仁加工為產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)。而且,當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在澳洲堅(jiān)果果仁的營(yíng)養(yǎng)成分[1-4]、澳洲堅(jiān)果保健價(jià)值[5-6]、果殼成分[7-9]以及果殼的開(kāi)發(fā)利用技術(shù)[10-12],但對(duì)果皮的報(bào)道研究?jī)H局限于幾種常見(jiàn)的組分的測(cè)定與分析[13-14],直接的利用研究較少。在國(guó)內(nèi)有研究利用玉米秸稈、油茶殼,中藥藥渣制備有機(jī)肥[15-17];在國(guó)外,BITTENBENDER等以澳洲堅(jiān)果殼-糞肥堆肥作為澳洲堅(jiān)果生產(chǎn)的有機(jī)肥料;澳洲堅(jiān)果果皮中富含K、N等常量元素和有機(jī)質(zhì)[14],可利用其發(fā)酵有機(jī)肥,但目前對(duì)澳洲堅(jiān)果果皮發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥的研究報(bào)道較少。
澳洲堅(jiān)果果皮作為農(nóng)林副產(chǎn)物,發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥,還田利用,變廢為寶,不僅減少環(huán)境污染,還能提高澳洲堅(jiān)果副產(chǎn)品的利用率,提高種植戶的效益,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。合理施用有機(jī)肥不僅能夠改良土壤,而且有利于樹(shù)體養(yǎng)分的積累和果實(shí)的品質(zhì)和產(chǎn)量的提高[19-21]。本研究利用澳洲堅(jiān)果果皮為原料,探索利用菌種進(jìn)行有氧發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥,對(duì)澳洲堅(jiān)果加工副產(chǎn)物的高值化利用以及產(chǎn)業(yè)高效生態(tài)循環(huán)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極的意義。影響有機(jī)質(zhì)發(fā)酵的關(guān)鍵因子為原料性質(zhì)(包括水分、酸堿度、原料成分、碳氮比等)、發(fā)酵菌種類和工藝條件[22]。由于澳洲堅(jiān)果果皮容易風(fēng)干、纖維素含量高,故在使用澳洲堅(jiān)果果皮生產(chǎn)有機(jī)肥的過(guò)程時(shí),應(yīng)使其中的纖維素得到有效地分解。因此,試驗(yàn)選用枯草芽孢桿菌,通過(guò)小試篩選出澳洲堅(jiān)果制備有機(jī)肥的基礎(chǔ)配方,再通過(guò)有氧發(fā)酵方法堆制澳洲堅(jiān)果果皮有機(jī)肥,測(cè)定堆肥過(guò)程在不同時(shí)期的養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)含量、pH含量變化情況,以期為果皮生產(chǎn)有機(jī)肥提供一定的理論基礎(chǔ)。
供試澳洲堅(jiān)果果皮為已成熟的澳洲堅(jiān)果果皮,新鮮果實(shí)采自廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所種質(zhì)資源圃,果皮風(fēng)干,備用。麩皮、玉米、米糠市售??莶菅挎邨U菌,康元綠洲生物,在營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基上38℃,進(jìn)行活化培養(yǎng)3天,備用。
1.2.1 條件篩序試驗(yàn) 篩選試驗(yàn)主要目的在于篩選輔料、菌液接種量、水分處理量。取50 g澳洲堅(jiān)果果皮粉末于250 mL三角錐形瓶中,混合輔料和水分,121℃滅菌30 min,接種激活的菌液,28℃恒溫培養(yǎng)1個(gè)月(圖1)。
圖1 澳洲堅(jiān)果皮發(fā)酵有機(jī)肥條件篩選試驗(yàn)流程
1.2.2 堆肥工藝 堆肥工藝試驗(yàn)主要目的是探尋堆肥過(guò)程中溫度、pH變化、確定堆肥天數(shù)。澳洲堅(jiān)果風(fēng)干果皮100 kg,加入5%的麥麩,按照3%的量接入菌液,堆制成1 m×1.1 m×0.6 m的長(zhǎng)方體堆。在堆制期間,為避免溫度過(guò)高抑制微生物活動(dòng),每7天翻堆一次,每日測(cè)一次中心溫度。堆制前期每翻堆一次進(jìn)行灑水處理,保持水分在60%,到了堆制后期,不補(bǔ)充水分。每隔5天取樣測(cè)定有機(jī)質(zhì)、全NPK含量和pH,均采用常規(guī)方法測(cè)定[23](見(jiàn)圖2)。
圖2 澳洲堅(jiān)果皮有機(jī)肥堆肥試驗(yàn)流程
果皮養(yǎng)分含量分析,測(cè)定結(jié)果如表1。部分技術(shù)指標(biāo)要求見(jiàn)表2。
表1 澳洲堅(jiān)果果皮成分 %
表2 NYT 525—2021中部分技術(shù)指標(biāo)要求[24]
2.2.1 輔料的選擇 取50 g風(fēng)干果皮粉末于250 mL三角錐形瓶中,分別選擇麥麩、玉米、米糠為輔料作為輔料,加水量60%,121℃滅菌30 min,接種激活的菌液,28℃恒溫培養(yǎng)1個(gè)月,檢測(cè)其總N、總P、總K、有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分含量。結(jié)果如表3所示。
表3 不同輔料處理對(duì)澳洲堅(jiān)果果皮發(fā)酵的影響 %
根據(jù)NYT 525—2021有機(jī)肥料中規(guī)定經(jīng)發(fā)酵腐熟后制成的商品化有機(jī)肥其有機(jī)質(zhì)不低于30%,總養(yǎng)分不低于4.0%。因此麥麩、玉米、米糠三種輔料發(fā)酵的澳洲堅(jiān)果皮有機(jī)肥均符合商品肥的要求。由表3和圖3可知,以麥麩為輔料發(fā)酵的有機(jī)肥其總N、總P、有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分含量均為最高,且其成本低,因此,本試驗(yàn)選擇麥麩作為發(fā)酵澳洲堅(jiān)果果皮有機(jī)肥的輔料。
圖3 不同輔料發(fā)酵澳洲堅(jiān)果果皮有機(jī)肥有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分比較
2.2.2 菌種添加量的選擇 取50 g風(fēng)干果皮粉末于250 mL三角錐形瓶中,加入麥麩,加水量60%,121℃滅菌30 min,將菌種按照接種量1%、2%、3%、4%、5%接種到上述試樣中,28℃恒溫培養(yǎng)1個(gè)月,檢測(cè)其總N、總P、總K、有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分含量。結(jié)果如表4和圖4所示。
表4 不同接種量處理對(duì)澳洲堅(jiān)果果皮發(fā)酵的影響 %
圖4 不同接種量處理對(duì)澳洲堅(jiān)果果皮發(fā)酵的影響
從表4和圖4種可以看出,3%的接種量總N、總養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量最高,分別為3.01%、5.24%和89.29%,而且總P、總K含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求,確定在此試驗(yàn)條件下,3%接種量為最佳接種量。
2.2.3 不同水分添加量對(duì)澳洲堅(jiān)果果皮發(fā)酵的影響 取50 g風(fēng)干果皮粉末于250 mL三角錐形瓶中,加入麥麩,加水量處理有0、20%、40%、60%、80%、100%的水量,121℃滅菌30 min,接入3%菌種,28℃恒溫培養(yǎng)1個(gè)月,檢測(cè)其總N、總P、總K、有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分含量。結(jié)果如表5和圖5所示。
表5 不同水分處理對(duì)澳洲堅(jiān)果果皮發(fā)酵的影響 %
圖5 不同水分處理對(duì)澳洲堅(jiān)果果皮發(fā)酵的影響
在有機(jī)肥發(fā)酵過(guò)程中,過(guò)高含水量使試樣呈漿狀混合物,不利于存放,含水率過(guò)低水分滲透不徹底,影響菌體生長(zhǎng),不能滿足微生物生長(zhǎng)代謝需要,無(wú)法發(fā)酵。由表5和圖5可以看出當(dāng)加水處理量為60%時(shí),總N、總P、有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分均為最高。因此,選擇60%作為發(fā)酵時(shí)處理量
2.3.1 溫度變化 圖6為堆肥過(guò)程中的溫度變化。從圖6可見(jiàn),初始堆制后24 h,堆內(nèi)溫度迅速上升到48℃,在堆制17天后堆內(nèi)最高溫度上升到63℃,處于高溫期。在40天之前,每次翻堆周期內(nèi),溫度先上升再下降,這是由于翻堆、補(bǔ)充水分后菌體營(yíng)養(yǎng)、氧氣和水分充足,生長(zhǎng)速度快,因此發(fā)酵溫度迅速上升,隨著堆內(nèi)氧氣水分的逐漸消耗,菌體發(fā)酵程度降低,溫度隨之降低。經(jīng)過(guò)2次翻堆之后,后面每一次翻堆周期內(nèi)的最高溫都在下降,直至發(fā)酵后期(40天以后),堆內(nèi)溫度持續(xù)下降,然后趨于平穩(wěn),跟環(huán)境溫度比較接近,略高于環(huán)境溫度。這是由于菌體生命力逐漸衰弱,無(wú)法再進(jìn)行有氧發(fā)酵。
圖6 不同時(shí)期溫度變化情況
2.3.2 pH變化 由圖7可以看出,初始值為pH 5.58,偏酸性,而在發(fā)酵過(guò)程中,微生物繁殖,中和酸性,pH一直上升,30天以后,pH略有下降,但是后期又有一個(gè)上升的過(guò)程,55天時(shí),pH值偏弱酸性,為pH 6.92,符合NYT 525—2021有機(jī)肥料的要求。
圖7 不同時(shí)期pH變化情況
2.3.3 C/N變化 一般認(rèn)為,C/N是有機(jī)肥腐熟程度的重要參數(shù),當(dāng)C/N值小于20時(shí)堆肥腐熟[25]。從圖8可以看出,本試驗(yàn)初始堆制的C/N比值為31,第5天后開(kāi)始下降,第25天下降到最小值,比值為16,25天以后,比值開(kāi)始上升,到了35天以后,比值緩慢下降,55天時(shí)C/N值為19.5,并趨向于穩(wěn)定,說(shuō)明堆肥腐熟。
圖8 不同時(shí)期碳氮比變化情況
2.3.4 養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量變化 測(cè)定不同發(fā)酵時(shí)期養(yǎng)分含量,含量如表6和圖9所示,有機(jī)質(zhì)含量變化不大,NPK從表6可以看出,在試驗(yàn)處理?xiàng)l件下,各養(yǎng)分含量都有增加。原料含氮量由初期的1.69%逐漸增加到堆制后期的2.08%,全磷(P2O5)由初期的0.29%逐漸增加到堆制后期的0.37%,鉀(K2O)含量由初期的1.73%逐漸增加到堆制后期的2.74%。到了55天,有機(jī)質(zhì)含量平均為89.1%,氮、磷、鉀總量為5.19%,從外觀形態(tài)來(lái)看,呈現(xiàn)褐色,無(wú)臭味,質(zhì)地柔軟,達(dá)到了有機(jī)肥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
表6 不同時(shí)期養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量
圖9 不同時(shí)期養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量變化
當(dāng)使用麥麩為輔料,按3%接種菌劑,前期(40天前)保持50%~60%的含水量,后期(40天后)不加水,每間隔1周翻堆1次,澳洲堅(jiān)果果皮堆制55天后,碳氮比為19.5,有機(jī)質(zhì)含量平均為89.1%,氮、磷、鉀總量為5.19%,偏弱酸性,pH 6.92.,含水量為25.79%,達(dá)到了有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)(NYT 525—2021)中相關(guān)指標(biāo);從外觀形態(tài)來(lái)看,呈現(xiàn)褐色,無(wú)臭味,質(zhì)地柔軟,完全腐熟。利用澳洲堅(jiān)果果皮廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥,返田于澳洲堅(jiān)果生產(chǎn)當(dāng)中是處理澳洲堅(jiān)果果皮廢棄物行之有效的方法,不僅減少污染保護(hù)環(huán)境,同時(shí)還可以達(dá)到接本增效的目的。
在發(fā)酵中前期,每一次翻堆結(jié)束后,都有一個(gè)升溫過(guò)程,這是因?yàn)榉押缶w氧氣、水分充足,生長(zhǎng)速度最快,發(fā)酵程度高,溫度較高。經(jīng)過(guò)2次翻堆之后,后續(xù)每次翻堆的最高溫都在下降。這是因?yàn)榫w可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)越來(lái)越少,菌體生長(zhǎng)速度變慢,溫度有所降低。到了后期,溫度處于穩(wěn)定期,跟環(huán)境溫度比較接近,略高于環(huán)境溫度,這是因?yàn)榫w生長(zhǎng)已經(jīng)處于末期,可利用的物質(zhì)已經(jīng)消耗殆盡,堆制樣品已經(jīng)腐熟(見(jiàn)圖10)。
pH在堆肥當(dāng)中也是一個(gè)很重要的指標(biāo),SMARS等[26]研究表明,在前期若能盡量控制堆肥樣品pH上升過(guò)快,可以減少臭氣的產(chǎn)生和氮素?fù)p失,達(dá)到提高提高肥效的目的。李國(guó)學(xué)等[27]研究表明,中性和微堿性條件下適宜大部分微生物的繁殖與生長(zhǎng),調(diào)節(jié)堆肥底物的pH,可以達(dá)到較好的效果。劉霞等[28]研究表明,中性的環(huán)境更有利于微生物的降解活動(dòng),pH較低不利于有機(jī)質(zhì)的積累。而堆制樣品的最終pH 6.92,偏弱酸性,而且澳洲堅(jiān)果在廣西的種植適合各種土壤,但更適合稍微偏酸性一點(diǎn)的土壤。利用該堆置的肥料返田于澳洲堅(jiān)果生產(chǎn)當(dāng)中,還需要根據(jù)種植土壤的環(huán)境因地制宜的調(diào)節(jié)堆肥前期的pH。
圖10 澳洲堅(jiān)果果皮發(fā)酵有機(jī)肥樣品
正常的好氧堆肥原料中要求有一定的C/N值,李慶康等[29]認(rèn)為合適的初始C/N值,更有利于腐殖質(zhì)的形成,使堆肥向著穩(wěn)定化、腐熟化、無(wú)害化方向轉(zhuǎn)變。若碳氮比過(guò)低,微生物的繁殖就會(huì)因能量不足而受到抑制,導(dǎo)致分解緩慢且不徹底。但是,碳氮比過(guò)高,堆肥施入土壤后將會(huì)發(fā)生奪取土壤中氮素的現(xiàn)象,對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生不良影響[30]。但是也有研究表明,堆肥初始值C/N在20~40范圍內(nèi),均能成功地進(jìn)行好氧堆肥,堆肥產(chǎn)品符合國(guó)家無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)。而堆肥初始最佳C/N比為30,在該比值下氮素?fù)p失少,腐殖酸含量最多,內(nèi)在品質(zhì)和應(yīng)用價(jià)值最高[31]。還有學(xué)者認(rèn)為,堆置原料C/N為25.87,也是適合微生物生長(zhǎng)繁殖的碳氮比。同時(shí),C/N值也是堆肥腐熟度的重要指標(biāo)。有研究表明,腐熟的堆肥在理論上應(yīng)趨向于微生物體的C/N值,即14~16,碳氮比過(guò)高或過(guò)低,都不利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育[29]。還有學(xué)者認(rèn)為,腐熟時(shí)期碳氮比為9.90,也能較好的運(yùn)用于土壤改良和農(nóng)作物生長(zhǎng)[31]。本研究的初始碳氮比為31,腐熟之后碳氮比為19.5,與上述研究對(duì)比,結(jié)果也不盡相同。這可能是因?yàn)楹醚醢l(fā)酵堆制過(guò)程中,菌種、輔料以及工藝的不同,對(duì)原始物料的碳氮比要求也不完全一致。利用澳洲堅(jiān)果果皮為發(fā)酵底物,生產(chǎn)有機(jī)肥用于澳洲堅(jiān)果生產(chǎn)當(dāng)中,最適宜的碳氮比值以及適合澳洲堅(jiān)果生產(chǎn)的碳氮比范圍還有待進(jìn)一步研究。
中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)2022年32期