澳洲堅(jiān)果果皮發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥初步研究

宋海云，肖海艷，張 濤，賀 鵬，鄭樹芳，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）

0 引言

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，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。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)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

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 試驗(yàn)方法

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]（見圖2）。

圖2 澳洲堅(jiān)果皮有機(jī)肥堆肥試驗(yàn)流程

2 結(jié)果與分析

2.1 澳洲堅(jiān)果果皮養(yǎng)分分析

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 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

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)酵過程中，過高含水量使試樣呈漿狀混合物，不利于存放，含水率過低水分滲透不徹底，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 堆肥試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 溫度變化 圖6為堆肥過程中的溫度變化。從圖6可見，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天后開始下降，第25天下降到最小值，比值為16，25天以后，比值開始上升，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)來看，呈現(xiàn)褐色，無臭味，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

3 結(jié)論

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)來看，呈現(xiàn)褐色，無臭味，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。

4 討論

在發(fā)酵中前期，每一次翻堆結(jié)束后，都有一個(gè)升溫過程，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、無害化方向轉(zhuǎn)變。若碳氮比過低，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，碳氮比過高或過低，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。