李 峰，張玉婷，李 妍，陳秋生，梁海恬，何宗均，高賢彪

（1天津市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，天津 300380；2天津市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與營養(yǎng)研究所，天津 300380）

0 引言

近年來，伴隨著城市化的快速推進，我國都市農(nóng)業(yè)得到了飛速發(fā)展，蔬菜種植面積不斷擴大，有效地解決了城鎮(zhèn)居民的菜籃子問題。據(jù)統(tǒng)計，2018年國內(nèi)蔬菜種植面積為2043.89萬hm2，蔬菜產(chǎn)量達到70346.71萬t[1]。同時，蔬菜收獲后殘留在田間的葉片及秸稈等尾菜的產(chǎn)量也與日俱增，由于缺乏可靠的處理技術與設備，大部分尾菜被丟棄于溝渠及田邊，任其自然腐爛或者一燒了之，對土壤、水體及大氣環(huán)境造成嚴重污染，帶來了巨大的環(huán)境壓力。如何科學地處理尾菜并資源化利用已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)廢棄物領域的研究熱點。國內(nèi)外對尾菜處理與利用的研究主要集中于厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷作為生物質(zhì)能源[2-5]、發(fā)酵后作為飼料利用[6-8]，好氧或兼性厭氧條件下發(fā)酵生產(chǎn)有機肥料[9-12]等領域。Jaiganesh等[2]分析了蔬菜廢棄物發(fā)酵產(chǎn)生甲烷的現(xiàn)狀、優(yōu)缺點及在解決能源危機中的潛力。Wu等[3]、Wang等[4]、齊利格娃等[5]研究了利用水果、蔬菜廢棄物、廚余廢棄物、羊糞等材料發(fā)酵生產(chǎn)甲烷的工藝及設備。從循環(huán)經(jīng)濟角度考慮，利用發(fā)酵技術將尾菜轉化成有機肥，是尾菜資源化利用的較好辦法。但由于尾菜水分含量大，產(chǎn)生時間較為集中，且多含有木質(zhì)素、纖維素等較難生物降解的成分，許多尾菜發(fā)酵工藝設備遇到了處理量小、周期長、效果欠佳、溫室氣體排放及氮流失等問題。宋春麗[9]研究發(fā)現(xiàn)，蔬菜廢棄物可通過添加秸稈、雜草等進行堆肥發(fā)酵，實現(xiàn)減量化、無害化、資源化的目的。黃得揚等[10]研究表明，用纖維素降解復合菌劑進行二次接種、二次發(fā)酵，能夠有效地促進蔬菜-花卉秸稈聯(lián)合好氧堆肥中物料的纖維素組分的降解，達到加快堆肥進程、提高堆肥品質(zhì)的目的。席旭東等[12]對蔬菜廢棄物快速堆肥化利用方法進行了比較，結果表明，好氧處理較厭氧處理溫度上升快，持續(xù)時間長，肥料含水率下降快，腐熟程度好；其中地上好氧處理是一種較好的蔬菜廢棄物快速堆肥方法。本研究針對京津冀地區(qū)常見的果菜類尾菜，設計不同發(fā)酵因子下的靜態(tài)發(fā)酵實驗，并對尾菜發(fā)酵過程中的養(yǎng)分變化進行監(jiān)測，探討不同因素對尾菜發(fā)酵過程中養(yǎng)分的影響，確定最優(yōu)發(fā)酵因子組合，以期為尾菜發(fā)酵技術優(yōu)化提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

尾菜主要由黃瓜秧組成，發(fā)酵輔料為玉米秸稈，均來自天津市農(nóng)業(yè)科學院武清創(chuàng)新基地。尾菜發(fā)酵物料基本性質(zhì)見表1。

表1 尾菜發(fā)酵物料基本性質(zhì)

1.2 實驗裝置

實驗裝置為自制的小型發(fā)酵反應器，反應器容積200 L，底部設有進氣口，頂部設有出氣口。反應器內(nèi)部的底部為耐腐蝕不銹鋼支架，上方設置可折疊隔板，進氣口位于隔板下方。折疊隔板底部空間用于收集發(fā)酵過程的滲濾液，反應器外部由保溫材料包裹（圖1）。

圖1 發(fā)酵反應器結構圖

1.3 實驗設計

研究表明，影響有機物發(fā)酵的因子主要有碳氮比(C/N)、含水率、pH、容積密度等。參考相關指標及在生產(chǎn)中的可操作性，實驗因素設為3個，即C/N、含水率、剪切長度，每個因素設置3個水平。采用正交實驗設計，共9組實驗處理，每個處理設置3個重復。用秸稈粉碎機將尾菜及輔料玉米秸稈剪切成設計長度備用。每個重復稱取20 kg黃瓜秧，添加玉米秸稈至設定C/N，之后添加自來水將物料含水率調(diào)節(jié)至設定值。實驗時間為2016年11—12月。實驗處理及設計見表2。

表2 尾菜發(fā)酵實驗處理

1.4 樣品采集、測定項目及方法

每天上午9:00測量并記錄堆體上層中心點溫度，即堆溫。待堆溫降至與氣溫無差異，意味著發(fā)酵過程結束。

發(fā)酵過程中分2次采集尾菜樣品，即實驗開始當天（發(fā)酵前尾菜）及發(fā)酵結束日（發(fā)酵后尾菜）。每個發(fā)酵桶多點多層次采集尾菜混合樣品一個，新鮮樣品馬上測定含水率及pH，剩余樣品常溫風干，用于測定養(yǎng)分等其他指標。發(fā)酵結束日，統(tǒng)計發(fā)酵桶滲濾液產(chǎn)生量。

尾菜分析測定項目為含水率、pH、有機碳、全氮、全磷、全鉀、粗纖維。含水率測定采用烘干法；pH測定采用電位法，有機碳測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法，全氮測定采用凱氏定氮法，全磷測定采用鉬藍比色法，全鉀測定采用火焰光度法，粗纖維測定參考《植物類食品中粗纖維的測定》(GB/T 5009.10—2003)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

發(fā)酵前后指標數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示。若發(fā)酵后指標數(shù)值上升，指標的變化用上升率表示；若發(fā)酵后指標數(shù)值下降，指標的變化用損失率表示，計算如式(1)～(2)。

式中，Ca為發(fā)酵前指標數(shù)值，Cb為發(fā)酵后指標數(shù)值。

采用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計方法為方差分析和多重比較(Duncan)。

2 結果與分析

從整個發(fā)酵過程看，尾菜堆溫呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。從發(fā)酵當天開始，堆溫逐步上升，到第8天所有處理堆溫均降至50℃以下，預示著發(fā)酵高溫過程的結束，因而將前7天稱為高溫發(fā)酵期。高溫發(fā)酵期尾菜平均堆溫見圖2，高溫發(fā)酵期的高溫天數(shù)(>50℃)見圖3。從平均堆溫看，處理6、8、2、4平均堆溫最高，均高于40℃，其中處理6最高，達到50.42℃。從堆溫變化看，處理6升溫速度最快，高溫持續(xù)時間最長，平均為4.67天，其次是處理8、2、9，分別為3.67、2.67、2.67天。

圖2 高溫發(fā)酵期尾菜平均堆溫

圖3 高溫發(fā)酵期高溫天數(shù)

在高溫發(fā)酵期，C/N、含水率和剪切長度對平均堆溫均具有顯著的影響。隨著剪切長度的降低和含水率的增加，尾菜平均堆溫呈上升趨勢。多重分析結果表明，剪切長度為1 cm和3 cm處理的平均堆溫顯著高于5 cm的處理(P<0.05)，含水率為65%和60%處理的平均堆溫顯著高于55%的處理(P<0.05)，C/N為25:1處理的平均堆溫顯著高于其他處理(P<0.05)（表3）。

表3 不同因素下高溫發(fā)酵期尾菜平均堆溫

發(fā)酵后，尾菜含水率呈下降趨勢（圖4），其中，處理8、4、5的水分損失率最高，分別為28.69%、21.97%和21.96%；處理1、9的水分損失率最低，分別為14.76%和15.35%。方差分析結果表明，物料含水率和C/N均顯著影響水分損失率(P<0.05)，剪切長度的影響不顯著（表4）。含水率為60%處理的水分損失率顯著高于其他處理，C/N為20:1處理的水分損失率顯著低于其他處理(P<0.05)。

圖4 發(fā)酵前后尾菜的含水率

表4 不同因素下發(fā)酵后尾菜性質(zhì)及養(yǎng)分的變化

發(fā)酵后，尾菜pH呈上升趨勢（圖5），其中，處理1、9的pH上升率最高，分別為37.4%和29.57%；處理6、3的pH上升率最低，分別為15.64%和15.71%。方差分析結果表明，C/N、含水率及剪切長度對pH上升率的影響均不顯著（表4）。

圖5 發(fā)酵前后尾菜的pH

發(fā)酵后，尾菜有機碳含量呈下降趨勢（圖6），其中，處理2、4的有機碳損失率最高，分別為19.43%和16.44%，有機碳損失率最低的為處理1(8.27%)。方差分析結果表明，剪切長度顯著影響有機碳損失率(P<0.05)，C/N和含水率的影響均不顯著（表4）。剪切長度為3 cm處理的有機碳損失率顯著高于其他處理(P<0.05)。

圖6 發(fā)酵前后尾菜的有機碳

發(fā)酵后，尾菜全氮含量呈下降趨勢（圖7），其中，處理5、3、9的全氮損失率最高，分別為33.40%、24.12%和21.95%，全氮損失率最低的為處理6、7，分別為13.72%和15.55%。方差分析結果表明，剪切長度顯著影響全氮損失率(P<0.05)，C/N和含水率的影響均不顯著（表4）。剪切長度為1 cm處理的全氮損失率顯著低于5 cm的處理(P<0.05)。

圖7 發(fā)酵前后尾菜的全氮

發(fā)酵后，尾菜全磷含量呈下降趨勢（圖8），其中，處理5、6、8的全磷損失率最高，分別為42.52%、35.75%和31.92%，全磷損失率最低的為處理4、2，分別為16.47%和17.85%。方差分析結果表明，C/N、含水率和剪切長度均顯著影響全磷損失率(P<0.05)（表4）。C/N為25:1處理的全磷損失率顯著高于其他處理(P<0.05)，含水率55%處理的全磷損失率顯著低于其他處理(P<0.05)，剪切長度為3 cm處理的全磷損失率顯著低于其他處理(P<0.05)。

圖8 發(fā)酵前后尾菜的全磷

發(fā)酵后，尾菜全鉀含量呈下降趨勢（圖9），其中，處理7、3的全鉀損失率最高，分別為36.47%和31.89%，全鉀損失率最低的為處理2、1，分別為7.64%和7.8%。方差分析結果表明，C/N和剪切長度均顯著影響全鉀損失率(P<0.05)，含水率的影響不顯著（表4）。C/N為30:1處理的全鉀損失率顯著高于其他處理(P<0.05)，剪切長度為5 cm處理的全鉀損失率顯著高于其他處理(P<0.05)。

圖9 發(fā)酵前后尾菜的全鉀

發(fā)酵后，尾菜粗纖維含量呈下降趨勢（圖10），其中處理4、6、8粗纖維損失率最高，分別為22.06%、20.23%和20.03%，粗纖維損失率最低的為處理7、1，分別為12.01%和13.88%。方差分析結果表明，C/N、含水率和剪切長度對粗纖維損失率的影響均不顯著（表4）。

圖10 發(fā)酵前后尾菜的粗纖維

發(fā)酵結束后，在處理2和處理4底部收集到了滲濾液，平均分別為500 mL和150 mL，可能與這兩個處理C/N較低（玉米秸稈用量較少）、尾菜及玉米秸稈剪切長度較長（3 cm），從而導致玉米秸稈對滲濾液的吸持能力較弱有關。其他處理的反應器底部均存在不同程度的水漬蒸發(fā)的痕跡。

3 結論

發(fā)酵后，尾菜pH呈上升趨勢，含水率、有機碳、全氮、全磷、全鉀及粗纖維均呈下降趨勢。初始含水率顯著影響水分和全磷損失率。C/N顯著影響水分、全磷及全鉀的損失率。剪切長度顯著影響有機碳、全氮、全磷及全鉀的損失率。

處理6高溫期平均堆溫最高，高溫時間最長，有利于殺滅各種病原菌，且全氮損失率較低，粗纖維降解率較高，因而從發(fā)酵溫度和養(yǎng)分損失率等方面綜合考慮，確定為最優(yōu)發(fā)酵因素，即C/N25:1、含水率65%，剪切長度1cm。

4 討論

尾菜發(fā)酵過程是微生物支配的生物質(zhì)降解過程。研究表明，有機物料堆肥發(fā)酵初期，微生物增殖活動產(chǎn)生乙酸、丁酸等有機酸類物質(zhì)，使得物料pH下降，之后，含氮有機物質(zhì)分解產(chǎn)生的氨又使pH迅速回升并穩(wěn)定在較高水平[13]，本實驗中尾菜pH的升高也驗證了這一點。

發(fā)酵前，尾菜及秸稈所含的氮磷鉀元素主要以蛋白質(zhì)、脂肪、糖、木質(zhì)素及纖維素等有機形態(tài)存在，不易流失。隨著發(fā)酵過程的進行，其中的有機物質(zhì)在微生物作用下不斷分解，有機物中固化的氮磷鉀等元素不斷釋放，水分不斷蒸發(fā)，生物質(zhì)總量不斷減少，這與本實驗中含水率與有機碳下降的變化趨勢一致。研究表明，在堆肥發(fā)酵初期，銨態(tài)氮呈現(xiàn)增加趨勢，并可以NH4+的形式揮發(fā)，從而導致氮損失[13-16]。在本實驗中，隨著發(fā)酵的進行，尾菜料堆不斷塌陷壓實，原本通風良好的疏松結構逐漸變得致密緊實，從而在中間部位形成了部分厭氧的區(qū)域。在厭氧微生物的作用下，厭氧發(fā)酵的第三階段（產(chǎn)甲烷階段）有機酸和溶解性含氮化合物等分解成氨（輕微可聞）、胺、二氧化碳、甲烷、氮氣等，從而揮發(fā)至空氣中，進一步導致了全氮的損失[13-16]。本實驗發(fā)酵后尾菜中氮均有不同程度的損失，驗證了上述結論。發(fā)酵過程中，尾菜中的磷鉀等元素從有機形態(tài)轉化為無機形態(tài)，其流動性大大增強，同時堆肥產(chǎn)生的腐植酸也使得磷素活化，從而容易隨滲濾液流失[13]。本實驗中，在處理2和處理4反應器底部收集到了滲濾液，其他處理的反應器底部均存在不同程度的水漬蒸發(fā)的痕跡，說明這些處理也產(chǎn)生了一定量的滲濾液，但到實驗結束時都已蒸發(fā)消失，因而推測氮磷鉀等元素的損失與滲濾液的流失有關。

尾菜發(fā)酵過程中微生物的生命活動受各種因素影響，主要是C/N、含水率（固水比）、孔隙度等。C/N是影響有機廢棄物堆肥發(fā)酵過程的關鍵因素之一，研究表明，發(fā)酵物料C/N過高，微生物氮源不足，生長受到抑制，有機物降解緩慢；C/N過低，碳素供應不足，過量的氮素不能用于微生物細胞合成，導致氮元素以氨氣的形式散失降低肥效。同時，不同類型的發(fā)酵物料的適宜C/N也有差異[13-18]。袁順全[19]研究表明，直接用采收后的蔬菜秧和牛糞混合堆肥達不到堆肥的適宜條件，需添加C/N較高且水分含量較低的玉米秸稈，以實現(xiàn)堆肥的適宜條件。在本實驗中，C/N顯著影響尾菜高溫發(fā)酵期的平均堆溫、水分、全磷及全鉀的損失率。C/N為25:1處理的高溫發(fā)酵期平均堆溫最高，發(fā)酵后尾菜的水分、有機碳、全氮、全磷的損失率均為最高，說明這個C/N下微生物生長旺盛，發(fā)酵前期料堆溫度較高，有利于尾菜的發(fā)酵處理，但存在養(yǎng)分損失較大的問題。張鶴等[20]研究了畜禽糞便與秸稈廢棄物混合堆肥發(fā)酵，C/N為30:1的處理組升溫最快，且60℃以上高溫維持時間最長，總有機碳含量隨堆肥的腐熟不斷下降，與本結果部分類似。秦淵淵等[21]以甘藍類葉菜殘株和番茄殘株鮮樣為原料進行了發(fā)酵實驗，結果表明，C/N是影響蔬菜殘株降解效果的首要因素，處理7（固水比1:9+C/N 20:1+秸稈發(fā)酵菌劑）的降解效果最好，與本結果部分類似。

發(fā)酵物料長度直接決定著物料的表面積、孔隙度及發(fā)酵過程中的保溫能力，也是尾菜發(fā)酵過程的重要影響因素。尾菜剪切長度越大，物料表面積越小，孔隙度越大，料堆保溫效果越差。本實驗中，尾菜剪切長度顯著影響物料高溫發(fā)酵期平均堆溫（剪切長度為1、3 cm的處理平均堆溫顯著高于5 cm的處理）、有機碳、全氮、全磷和全鉀的損失率。剪切長度為1 cm處理的高溫發(fā)酵期平均堆溫最高，有機碳和全氮的損失率最低，說明這個條件有利于保持發(fā)酵前期的高溫，保證了整個發(fā)酵過程最低的有機碳和全氮等養(yǎng)分損失率。

發(fā)酵物料含水率也是影響微生物活動的重要因素[21-24]。秦淵淵等[21]的實驗結果表明，固水比是影響蔬菜殘株降解的重要因素。李吉進等[22]研究表明，在蔬菜廢棄物漚肥中，固水比為3:7的白菜廢棄物處理總氮含量高。在本實驗中，尾菜含水率顯著影響尾菜高溫發(fā)酵期平均堆溫、水分及全磷的損失率。含水率為65%的處理高溫發(fā)酵期平均堆溫最高，有機碳、全氮及全磷的損失率較低；粗纖維損失率最高，說明這個發(fā)酵條件有利于保持發(fā)酵前期的高溫，有利于尾菜中粗纖維的分解及有機碳和全氮等養(yǎng)分的保持。

從尾菜發(fā)酵產(chǎn)物的養(yǎng)分指標來看，有機碳含量范圍為34.70%～45.29%（換算成有機質(zhì)為59.82%～78.08%）（有機質(zhì)≥45%，NY 525—2012），全量氮磷鉀含量范圍為5.13%～8.60%(≥5%，NY 525—2012)，均符合有機肥料國家標準。pH范圍為8.03～8.43(5.5～8.0，NY 525—2012)，含水率范圍為 40.54%～54.44%(≤30%，NY 525—2012)，均略高于國家標準。尾菜發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)過進一步腐熟后，pH與含水率均可進一步下降，從而符合有機肥料國家標準。張相鋒等[24]以滇池流域的典型農(nóng)業(yè)廢物蔬菜、花卉廢物和雞舍廢物為原料，進行了不同配比的聯(lián)合堆肥中試研究，結果表明，通過堆肥工藝的優(yōu)化控制，蔬菜廢物、花卉廢物和雞舍廢物聯(lián)合堆肥可以獲得高質(zhì)量的堆肥產(chǎn)品。胡曉婷等[25]研究表明，番茄秸稈廢棄物經(jīng)合理方式處理后可以進行循環(huán)利用，且純番茄秸稈與園土以10%的混配比例種植番茄時可以促進番茄植株的生長發(fā)育，顯著提高產(chǎn)量，有效改善果實品質(zhì)。可見，經(jīng)過發(fā)酵處理后，尾菜可轉化成性狀良好的有機肥料，實現(xiàn)資源化利用，在解決農(nóng)業(yè)環(huán)境污染的同時對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

本實驗闡明了以果菜類為主的蔬菜尾菜通過發(fā)酵處理生產(chǎn)有機肥的最優(yōu)因子組合，但由于設計中考慮不周，未能做到對發(fā)酵中產(chǎn)生的滲濾液進行及時收集，同時少量滲濾液也未做養(yǎng)分分析。后續(xù)工作中，針對由于揮發(fā)等導致的氮素流失以及溫室氣體產(chǎn)生等問題，尚需設計相應的收集檢測環(huán)節(jié)，以揭示尾菜發(fā)酵處理對大氣環(huán)境的影響，為全面系統(tǒng)地評估尾菜發(fā)酵處理生產(chǎn)有機肥工藝的環(huán)境影響提供理論依據(jù)。