不同比例竹源废弃物混合发酵对有机肥质量的影响

刘 鹏 王 琴 柴庆辉 黄云峰 卞方圆 黄志远 伊奎鑫 张荣华 张 健*

(1 安吉县孝源街道办事处 浙江安吉 313300； 2 安吉县竹产业发展中心 浙江安吉 313300；3 国家林业和草原局竹子研究开发中心/竹林生态与资源利用国家林业和草原局重点实验室 杭州 310012；4 浙江耕盛堂生态农业有限公司 浙江安吉 313300； 5 安吉皈山罐头食品厂 浙江安吉 313300)

我国竹产业正面临竹材价格走低、 生产成本上升、 竹林抛荒面积增大等问题[1]， 而竹笋作为中国传统佳肴和健康食品， 越来越受到市场的青睐。 由于竹笋出笋时间短、 集中， 纤维老化速度较快， 鲜笋粗加工将产生50%～60%的笋壳、 笋篰头、 坏笋等固体废弃物， 这些废弃物如丢弃于路边或沟旁， 腐烂霉变， 会造成严重的环境污染和资源浪费。 因此， 如何采用有效技术将这些废弃物转化成可利用资源， 已成为竹笋加工业持续健康发展的一大技术瓶颈。

竹笋固体废弃物由竹笋笋箨和笋篰头等组成， 含有丰富的糖、 蛋白质和游离氨基酸， 以及铁、 锌等矿质营养元素[2]， 综合利用竹笋固体废弃物提升其附加值应当是可能的。 目前，对于竹笋加工废弃物的主要处理方式有膳食纤维再生利用、 开发笋壳饲料、 笋壳造纸、 笋壳工艺品、 笋壳有机肥， 以及从竹笋壳中提取天然色素、 黄酮、 含氮化合物等， 但由于这些处理方法存在工艺技术复杂、 设备要求高、 成本昂贵等问题， 使得许多地区的竹笋加工废弃物尚未真正得到有效利用[1]。 利用堆肥技术处理农业有机废弃物， 实现有机质和养分归还， 是目前最为普遍的有机废弃物处理措施之一[3]。但竹笋加工废弃原料由于水分含量高(85%左右)、 可溶性糖含量大， 直接发酵会造成厌氧条件， 容易造成一些腐败杂菌生长[4]。 为此， 本研究采用竹笋加工废弃物与竹材加工废弃物混合发酵的方法， 研究二者不同混合比例对发酵终端产品质量的影响， 以期探索利用2 种竹源有机废弃物生产有机肥或土壤修复材料的途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2022 年4 月分别从安吉竹笋加工厂和竹材拉丝工厂收集竹笋和竹材加工废弃物。 2022 年5 月至6 月在桐乡华腾牧业有限公司大棚内对竹笋和竹材加工废弃物进行堆肥处理， 处理时间为21 d。竹笋和竹材加工废弃物原料化学性质和成分见表1。 发酵前将竹笋和竹材加工剩余物粉碎成长度小于1 cm、 直径小于0.5 cm 的颗粒原料。

表1 不同类型竹源加工废弃物化学性质与成分Tab.1 Chemical properties and composition of differenttypes of bamboo processing waste

1.2 试验设计

根据预实验的结果， 选择筛选出的3 种微生物(枯草芽孢菌、 土地芽孢菌和假单胞菌) 的复合菌作为竹源废弃物的生物肥发酵菌剂。 将竹笋加工废弃物和竹材加工废弃物原料按一定的质量比例混合进行试验， 试验共设5 个处理， 每个处理3 个重复。 A 处理: 100%竹笋加工废弃物(对照)； B 处理: 80%竹笋加工废弃物＋20%竹材加工废弃物； C 处理: 60%竹笋加工废弃物＋40%竹材加工废弃物； D 处理: 40%竹笋加工废弃物＋60%竹材加工废弃物； E 处理: 20%竹笋加工废弃物＋80%竹材加工废弃物。

1.3 堆肥发酵

2 种竹源废弃物按一定质量比例混匀后， 加入质量百分比浓度为0.2% ～0.4%的混合菌液(枯草芽孢杆菌、 假单胞菌、 土地芽孢杆菌混合菌)， 搅拌混合， 并加水调节混合物料的含水量至60%～70%， 再将混合物料建堆发酵， 采用常温发酵， 气温在15～30℃。 每隔5 d 翻1 次发酵堆， 并观察和记录混合物料的温度、 湿度、 气味、体积等。 在发酵21 d 后， 若所有处理的发酵堆温度都低于30℃、 没有发酵前期出现的酸味和臭味、 堆体表面有白色和灰白色菌丝， 表明发酵已经完成。

1.4 发酵后混合物料理化性质测定

取发酵后的混合物料样品， 记录样品鲜质量，测定样品的物理性质[5]， 测定指标包括容重、 孔隙度和持水量。 另取混合物料样品于实验室置于70 ℃的烘箱中恒温烘干， 称重后粉碎、 过筛， 用于分析物料的化学性质及养分含量， 指标包括pH值及有机碳、 氮、 磷、 钾、 钙、 镁、 腐植酸等含量。 其中， 样品经H2SO4-H2O2法消煮后， 分别采用碱解扩散法、 钼锑抗比色法测定消煮液中的氮、 磷含量， 采用原子吸收法测定钾、 钙和镁含量， 采用焦磷酸钠浸提—重铬酸钾容量法测定总腐殖酸含量[6]。

1.5 种子发芽指数测定

种子发芽指数依据有机肥料农业行业标准进行测定[6]。 具体如下: 将10.00 g 竹源废弃物混合发酵置于250 mL 的塑瓶中， 按固、 液质量比为1 ∶10 添加100 mL 蒸馏水， 于25 ℃以160 r/min振荡1 h 后过滤， 过滤所得即为浸提液。 吸取5 mL浸提液或试验溶液于垫有2 张滤纸的培养皿中， 均匀地放入籽粒饱满、 大小一致的小白菜种子10 粒， 并以加去离子水为对照， 每个处理重复3 次。 在(25±2)℃的培养箱中避光培养48 h， 记录种子发芽的个数， 并测定根长。

种子发芽指数(GI) ＝ (堆肥处理的种子发芽率× 种子根长) / (对照的种子发芽率× 对照种子根长) × 100%。

1.6 数据分析

采用SPSS 进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理混合料发酵后的化学性质和养分元素

由分析结果可知(表2)， 发酵后混合料的pH 值随着竹材加工废弃物添加量的增加而降低， 这与发酵前2 种废弃物的pH 值存在差异有关(表1)。 pH 值的高或低都会影响堆肥中有益微生物的生长和发酵效率， 各处理的pH 值为5.90～6.31， 符合作为有机肥的标准[6]。 与原料相比， 各处理在发酵后有机碳含量和碳氮比(C/N) 显著降低， 表明各种处理的微生物活跃程度很高， 有机碳分解较快； 随着竹材加工废弃物添加比例的增加(从处理A 到E)， 有机碳含量呈增加趋势， 而氮含量则呈现先增加后减少的变化趋势， 这与竹笋加工废弃物中易分解的碳源(多糖、 半纤维) 含量高和氮存在的形态有关， 竹笋加工废弃物中半纤维素和多糖含量达46% (表1)， 这部分碳源很容易被微生物分解[7]。 A 处理为100%的竹笋加工废弃物， 原料中总氮含量最高， 但在发酵后B、 C 处理的全氮含量显著高于其他处理， 这是由于竹笋加工废弃物总氮主要以蛋白质、 氨基酸等形式存在，这类有机氮在腐熟过程中经微生物作用易转化成氨气， 从而造成氮的损失[7]。 混合料中磷、钾、 钙和镁等养分离子在堆肥中的存在形态较为稳定[8]， 随着竹笋加工废弃物添加量的减少，这些养分离子的含量都呈现下降趋势， 主要原因是这些元素含量在竹笋加工废弃物中的含量要高于竹材加工废弃物。

表2 不同比例混合料发酵后的产品化学性质和养分含量Tab.2 Chemical properties and nutrient content of products fermented with different proportions of mixed materials

腐殖酸含量是评价堆肥腐熟度和有机肥产品质量的重要指标， 是堆体中微生物参与的腐殖化过程与矿质化分解过程共同作用的结果[9]。 比较各处理的腐植酸含量可见， 随着竹材加工废弃物添加量的增加， 腐殖酸含量呈现增大趋势， 表明竹材加工废弃物有利于肥料中有机酸的生成。 有研究报道， 纤维素含量高和较低的碳氮比更有利于发酵有机质腐殖酸的形成[10]。 在本研究中， 虽然单一的竹笋加工废弃物(处理A) 纤维素和半纤维素含量都较高(表1)， 但腐殖酸含量却是最低的， 这表明竹材加工废弃物中的木质素同纤维素一样， 在微生物的作用下亦可生成结构复杂的腐殖酸类物质[11]。

2.2 不同处理混合料发酵后的物理性质

分析结果显示(表3)， 随着竹材加工废弃物添加量的增加， 发酵处理后混合料的容重增加，所有处理的容重为0.38～0.56 g/cm3， 高于木屑发酵后的容重， 而与菇渣发酵后的容重一致[12]，这一容重范围很适合作为植物栽培的基质[13]。 有机肥的孔隙度反映了肥料的透气性及保水性。 随着竹材加工废弃物添加量的增加， 混合料的总孔隙度呈现减少趋势， 但处理C、 D、 E 间没有显著差异。 同其他有机发酵产品相比， 竹源发酵产品的总孔隙度较低， 如泥炭、 园林绿化废弃物发酵产品的总孔隙度分别达80.3%和82.2%[14]， 这与竹源废弃物粉碎的粗细有很大的关系， 粗度越大，总孔隙度越小[13]。 比较各处理混合料的非毛管孔隙度可见， 随着竹材加工废弃物添加量的增加非毛管孔隙度呈现增大趋势， 说明增加混合料中的竹材加工废弃物含量， 更有利于通气透水。 在各处理中， 处理A 的非毛管孔隙度最小， 主要原因是单一竹笋加工废弃物中纤维素、 半纤维数含量高， 在发酵后易形成大量的亲水基团， 提高了有机材料的持水和保水性能[2]， 从而降低了有机材料的通气性能。 但处理A 的混合料仍符合作为土壤有机改良剂的通气指标(≥15%)[13]。

表3 不同比例混合料发酵后的产品物理性质Tab.3 Physical properties of products fermented with different proportions of mixed materials

总持水量表示有机材料的持水和保水能力， 可用于衡量土壤的持水性能[14]。 5 个处理混合料的总持水量在68.18%～80.73%， 且随着竹材加工废弃物添加量的增加呈减少趋势；处理A 显著高于其他处理， 表明竹笋加工废弃物较高的纤维素和半纤维素含量对发酵材料的保水性能有着很重要的作用。 与发酵的菇渣、园林绿化废弃物、 小麦秸秆等材料比较， 竹源发酵材料总持水量都较低， 仅为这些有机材料的30%～50%， 这可能与竹源废弃物中蜡质含量较高有关， 竹秆和笋壳表面的蜡质层严重影响竹源材料的吸水性能[2]。

2.3 堆肥过程中腐熟程度及种子发芽指数

比较发酵过程混合料散发的气味可知， 对照(处理A) 的发酵速度在各处理中最慢， 而且酸臭味在前2 周始终存在， 这可能与单一竹笋加工废弃物中糖类、 半纤维素、 果胶、 脂肪、 蜡质含量较高有关， 这些物质影响着堆肥的通气性[2]； 而添加竹材加工废弃物后能增加发酵物的通气条件，缩短堆肥发酵周期， 促进堆肥快速腐熟。 因此处理B、 C 与处理A 相比， 表现出酸味小、 发酵速度快。 堆肥进程的快慢是微生物活动的结果， 而微生物繁殖的快慢受营养物质丰缺的制约， 也受环境条件(空气、 温度和湿度) 的影响。 因此，在竹笋加工废弃物中添加竹材加工废弃物后， 虽然养分含量有所下降， 但通气和水分条件更适合于微生物活动。 随着竹材加工废弃物添加量的增加(处理D 和E)， 混合料养分含量降低， 微生物分解有机物的速度明显下降。 总体来看， 除了对照(处理A)， 21 d 后其余各处理的堆肥都表现出腐熟的特征， 堆肥后期温度下降且低于35 ℃， 没有明显的臭味， 堆体表面出现大量白色和灰白色菌丝等。

比较不同处理的种子发芽指数(GI) 可知(表4)， 与清水对照相比， 各处理GI值均显著高于对照， 说明竹源有机肥稀释液使种子发芽活力明显增加，GI值较发芽率指标能够更灵敏地反映出种子的质量， 当GI>80%时可认为有机物对植物完全没有毒性[15-16]。 从表4 可以看出， 处理B、C 和D 均显著提高了有机肥的GI值(>120%)，说明竹源有机材料的发酵产物对植物种子萌发不但没有毒性， 还具有一定的促生效果。

表4 不同比例混合料发酵后的有机肥对青菜种子发芽指数的影响Tab.4 Effect of organic fertilizer fermented with different proportions of mixed materials on thegermination index of bok choy seeds

3 结论

试验结果表明， 100%竹笋加工废弃物由于糖类、 半纤维素、 纤维素含量高， 不利于堆肥的通气和快速发酵， 而掺入竹材加工废弃物后能增加发酵物的通气条件， 缩短堆肥发酵周期， 促进堆肥快速腐熟。 随着竹材加工废弃物混合比例的增加， 发酵后混合料有机碳含量呈增加趋势， 而氮含量呈现先增加后减少的变化趋势。 100%竹笋加工废弃物原料中的总氮含量最高， 但在发酵后添加20%和40%竹材加工废弃物的2 个处理的全氮含量显著高于其他处理。 对发酵后混合料容重、总孔隙度和非毛管孔隙度等指标测定结果表明，混合堆肥发酵的有机肥还可以作为土壤有机改良剂， 具有较好的通气、 保水等土壤改良功能。