甜葉菊苷提取下腳料固體發(fā)酵制備鹽土改良基研究

程 瑤，李修能 ，馬吳成 ，張 歡 ，韓 瑞，張忠啟

（1. 河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院/南方地區(qū)高效灌排與水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2. 江蘇師范大學(xué)地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

甜葉菊苷是繼蔗糖、甜菜糖之后的第三大糖源，因其甜度高熱量低而被廣泛用作甜味劑［1］。甜葉菊苷生產(chǎn)提取過程中，產(chǎn)生大量粉碎的甜葉菊殘渣；同時，采用鐵鹽或鋁鹽等無機(jī)低分子作為絮凝劑、以石灰為助凝劑提取甜葉菊苷，產(chǎn)生大量廢泥［2-4］。中小規(guī)模的甜葉菊苷生產(chǎn)廠年產(chǎn)下腳料可達(dá)萬噸，規(guī)模大的可達(dá)數(shù)十萬噸。廢棄的下腳料在長期堆置后產(chǎn)生惡臭，污染周圍的空氣，且其滲出液會對水源造成一定程度的污染［5］。甜葉菊苷下腳料含有大量的顆粒性秸稈粉碎物、高濃度的亞鐵離子、鈣離子，是少毒無害天然植物原料，其含鹽量低，約為0.8 g/kg，且鈣離子與交換性鈉鹽易發(fā)生置換作用［6］，可用于中和鈉鹽土。若簡單施用到農(nóng)田會造成嚴(yán)重?zé)?，同時有鐵鹽毒害的風(fēng)險，大量甜葉菊苷提取下腳料對環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

目前針對甜葉菊〔Stevia rebaudiana （Bertoni）Hemsl.〕的文獻(xiàn)多聚焦于種植管理、絮凝劑選取以及生產(chǎn)工藝優(yōu)化等方面［7-11］，甜葉菊苷提取后的甜葉菊渣和板框泥的循環(huán)利用研究則極少。趙磊等在2018年對甜葉菊廢渣進(jìn)行提取，研制抗氧化和抗炎作用的藥劑，并未涉及對大部分下腳料資源利用的方法［12］。有機(jī)固體廢棄物的靜態(tài)條垛式固體發(fā)酵所需設(shè)備簡單，成本投資較低［13］，適合中小型企業(yè)應(yīng)用，因此，研發(fā)簡單易行的高效處理甜葉菊苷提取下腳料的工藝十分重要。江蘇灘涂鹽土屬于鈉土，含鹽量在1.2～2.7 g/kg之間，土壤養(yǎng)分低，容重大，易板結(jié)，嚴(yán)重制約作物生長［14］。甜葉菊苷下腳料含有含有大量的亞鐵離子與鈣離子，可激活鹽土中被固化的鈣離子，鈣離子通過交換作用與鈉離子發(fā)生置換作用，形成易溶于水的絡(luò)合物，可隨灌溉水進(jìn)入耕作層以下，達(dá)到降鹽洗鹽的效果［15］。本研究以江蘇省蘇北地區(qū)東臺市為研究區(qū)，沿海灘涂鈉鹽土為改良土壤，集中回收該地區(qū)生產(chǎn)甜菊糖過程中下腳料甜葉菊渣和板框泥，按照5種不同比例，加入新鮮雞糞，混合均勻后進(jìn)行固體發(fā)酵工藝的優(yōu)化，優(yōu)化出一種節(jié)省人力、效果最優(yōu)的快速發(fā)酵腐熟方式，增加其利用途徑，能夠快速消納企業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體廢棄物，為農(nóng)業(yè)固體廢棄物循環(huán)利用的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)以及條垛式固體發(fā)酵技術(shù)提供一條行之有效的思路；發(fā)酵腐熟后制成鹽土改良基，用于青椒育苗基質(zhì)及鹽土實(shí)驗(yàn)，研制出一種基于甜葉菊渣循環(huán)利用的無毒無害綠色有機(jī)復(fù)合鹽土改良基，用于鈉鹽土改良、綠化基質(zhì)、農(nóng)業(yè)有機(jī)肥、苗木基質(zhì)、育苗育秧基質(zhì)等效果研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用甜葉菊渣和板框泥等固體廢棄物采自江蘇生久農(nóng)化有限公司，甜葉菊渣、板框泥等下腳料的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 甜葉菊苷提取下腳料固體發(fā)酵試驗(yàn) 試驗(yàn)于2017年12月5日于江蘇生久農(nóng)化有限公司肥料部進(jìn)行?；厥绽玫奶鹑~菊苷和雞糞，有機(jī)質(zhì)含量較高，氮磷鉀含量較低；板框泥的有機(jī)質(zhì)是甜葉菊苷和雞糞的50%，氮磷鉀含量偏低。結(jié)合微生物學(xué)、生物學(xué)背景知識，為了追求長時間的高溫發(fā)酵以及堆肥腐熟效率，根據(jù)不同的配料種類和比例，甜葉菊苷下腳料固體發(fā)酵基質(zhì)設(shè)5個處理：純甜葉菊渣（空白對照，T1），甜葉菊渣和新鮮雞糞按9∶1比例混勻（T2），甜葉菊渣、板框泥、新鮮雞糞按3∶3∶1比例混勻（T3），甜葉菊渣、板框泥、新鮮雞糞按6∶3∶1比例混勻（T4），甜葉菊渣、板框泥、新鮮雞糞按3∶1∶1比例混勻（T5）。每個處理3次重復(fù)，固體發(fā)酵初始理化性狀見表2，采用有機(jī)肥國標(biāo)法測定氮磷鉀［16］。每個條垛長15. m、寬約1.2 m、高0.6 m，條跺中心間隔均勻插入3個溫度計，待堆溫下降時，于2017年12月20日用翻拋機(jī)進(jìn)行翻拋。

表1 下腳料發(fā)酵基質(zhì)理化性狀

表2 固體發(fā)酵基質(zhì)初始理化性狀

用溫度計測定條垛橫截面0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 處 溫 度， 質(zhì)量法測基質(zhì)含水量（圖1）。截面不同部位基質(zhì)樣品與去離子水按1∶40（W︰W）混合，室溫條件下以120 r/min的速率震蕩0.5 h后濾紙過濾，測定465 nm和665 nm處的吸光度比值，每個處理重復(fù)測定3次。

圖1 條垛取樣點(diǎn)示意圖

1.2.2 甜葉菊苷提取下腳料固體發(fā)酵肥料試驗(yàn)測定最佳腐熟處理成品不同施用量對青椒育苗生物學(xué)特性的影響［17］。綜合固體發(fā)酵效果，以處理3發(fā)酵成品（成品3）用于青椒育苗基質(zhì)培育試驗(yàn)，根據(jù)不同的配料，設(shè)6個處理（表3）。地上地下干鮮重采用質(zhì)量法、莖粗和株高用游標(biāo)卡尺測量，葉片面積使用網(wǎng)格法，土壤肥力指標(biāo)使用土壤農(nóng)化測試方法［18］。

表3 盆栽育苗試驗(yàn)設(shè)計

1.3 鹽土改良基生物性能測定

鹽土改良試驗(yàn)區(qū)在江蘇省東臺市新圍墾灘涂，選用條子泥灘涂墾區(qū)重鹽地土壤，該土壤肥力低下，含鹽量高、易反鹽，板結(jié)嚴(yán)重，土壤團(tuán)聚體大，水分入滲困難，原狀土壤理化性質(zhì)見表4。本研究施用配制的鹽土改良基進(jìn)行青椒育苗，青椒生長對外部環(huán)境要求高，差異性顯著，可利用青椒的生長性狀測定其對改良鹽土，減少青椒鹽脅迫，檢測該改良基促進(jìn)作物生長的效果。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析，差異顯著性比較采用Duncan's 新復(fù)極差法，繪圖使用 Microsoft Excel、Origin9.5和ArcGIS10.2等軟件。

表4 原狀鹽土理化性質(zhì)及其改良試驗(yàn)設(shè)計

2 結(jié)果與分析

2.1 甜葉菊苷提取下腳料固體發(fā)酵過程中溫度的變化

從圖2可以看出，固體發(fā)酵1 d以處理T1溫度最高，處理T4與T5相近；發(fā)酵2 d，除處理T2外，其他處理迅速升溫；發(fā)酵7 d，各處理溫度均達(dá)到峰值；發(fā)酵14 d進(jìn)行第1次翻拋，當(dāng)天溫度驟降，發(fā)酵17 d后5個處理堆料升溫至50℃并持續(xù)4～5 d。其中，處理T1堆肥升溫最快且溫度持續(xù)時間最長，約為處理T2的兩倍；處理T2并未達(dá)到最適堆肥溫度，說明其發(fā)酵效率低，腐熟度低；處理T4、T5發(fā)酵初期升溫速率較快，翻拋后升溫速度變慢，發(fā)酵速度延緩，發(fā)酵不夠充分；處理T3初期溫度低于處理T1、T4和T5，翻拋后溫度持續(xù)升高，達(dá)到60℃且處于60℃的周期最長，為5個條垛中發(fā)酵溫度最佳的處理。

圖 2 發(fā)酵周期內(nèi)各處理堆體溫度變化

2.2 甜葉菊苷提取下腳料固體發(fā)酵過程中堆體剖面溫度的空間變異性

由于堆體體積較大、通氣性不高，發(fā)酵堆置過程中水分不易揮發(fā)，含水量較大時達(dá)80%［19］，溫度不易控制，堆肥過程中產(chǎn)能沒有得到有效利用，不利于有機(jī)固體廢棄物快速堆肥發(fā)酵。本研究在檢測發(fā)酵過程中常規(guī)溫度的同時，對5個堆肥體橫截面的空間溫度進(jìn)行了檢測，從溫度的空間變異性可以推斷出堆肥體內(nèi)部的發(fā)酵效果，以優(yōu)化甜葉菊苷下腳料固體發(fā)酵工藝。研究使用GIS軟件中不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）方法繪制溫度等值線圖，通過等值線的疏密可直觀地判斷溫度在填埋體中的不均勻性程度［20］。等值線越密集，溫度變異性越大；反之，等值線越稀疏溫度變異性越?。?1］。從圖3可以看出，固體發(fā)酵過程中處理T1的等值線最稀疏，表明其溫度空間變異性最小，而處理T5的溫度空間變異性最大。堆體高溫中心一般在堆體中層3～4.5 m處，處于最適發(fā)酵溫度；低溫區(qū)域一般在堆體下層0～1.5 m處，溫度未達(dá)到常規(guī)發(fā)酵溫度。通過溫度剖面等值線密集度判斷，處理T3的溫度剖面等值線密度接近處理T5，發(fā)酵堆體整體處于較高溫度，微生物的酶活性較高，發(fā)酵效果最佳。

圖3 堆體剖面上溫度等值線分布

2.3 甜葉菊苷提取下腳料固體發(fā)酵過程中基質(zhì)含水量的變化

水分在固體發(fā)酵過程中發(fā)揮著顯著作用。水能溶解有機(jī)物，參與微生物的新陳代謝，且水分蒸發(fā)吸熱可降低堆肥溫度［22］。如含水量過低，細(xì)菌的代謝作用會極大地減緩甚至停止；含水量過高，則堆體內(nèi)空間變小，通氣性變差，易形成微生物發(fā)酵的厭氧狀態(tài)，產(chǎn)生臭味，減慢降解速度，延長堆腐時間［23］。含水量在40%～60%為最佳，該范圍內(nèi)微生物分解速度最快；含水量小于20%，微生物的活動基本停止；含水量超過70%，溫度難以上升，有機(jī)物分解速率降低［24］。本試驗(yàn)檢測含水量的時間為2017年12月13～25日，于第2次翻拋后出現(xiàn)一個谷峰，含水量除處理T1外均降到最佳發(fā)酵含水量范圍內(nèi)，隨著堆肥時間變長，含水量逐步升高后趨于穩(wěn)定（圖4）。其中，處理T1的含水量在發(fā)酵周期內(nèi)均大于65%，高于最佳含水量，且持續(xù)7 d含水量大于70%，不利于堆肥固體發(fā)酵［25］；處理T3在整個發(fā)酵周期內(nèi)均處于或最接近最佳發(fā)酵含水量，堆肥發(fā)酵效果較好。從圖5可以看出，5個條垛30～40 cm高處的含水量均高于其他截面，以10～20 cm高處含水量最低，且在最適發(fā)酵含水量范圍內(nèi)，中間發(fā)酵效果較好，除處理T4外其他處理含水量呈“S”型規(guī)律變化。

圖4 發(fā)酵周期內(nèi)各處理堆體水分變化

圖5 發(fā)酵周期內(nèi)各處理堆體截面水分變化

2.4 甜葉菊苷提取下腳料固體發(fā)酵過程中基質(zhì)吸光度的變化

腐殖質(zhì)化指堆肥化中的有機(jī)質(zhì)經(jīng)過礦化、腐殖化過程最后達(dá)到穩(wěn)定的程度［26］。堆肥腐殖酸在波長465 nm和665 nm處有特異的吸收峰，465 nm和665 nm吸光度比值稱為E4/E6，被土壤學(xué)家廣泛應(yīng)用于土壤有機(jī)物腐殖質(zhì)化研究［27］。E4/E6與腐殖酸分子數(shù)量無關(guān)而與腐殖酸分子大小或分子的縮和度大小有直接關(guān)系，通常隨腐殖酸分子量的增加或縮合度增大而減小，是反映固體發(fā)酵過程合成的腐殖酸效果的一個重要指標(biāo)［28］，最佳E4/E6值在1.5～1.9之間［29］。圖6顯示，經(jīng)過一段時間堆肥后，5個處理間的E4/E6值變化規(guī)律并不明顯，但處理T5的整個截面E4/E6值較大，且變化幅度較大；處理T3、T4的E4/E6值更接近于最適比例，說明其經(jīng)過有機(jī)物料培肥后，堆肥料中胡敏酸的芳構(gòu)化程度有所減弱，該比例堆肥料的胡敏酸減少，腐殖酸分子量變小，逐漸變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)簡單的胡敏酸，使腐殖質(zhì)的活性提高［30］。5個處理表層E4/E6值差距不大，均呈“S”型曲線變化；堆肥最底層10 cm處，處理T1（對照）與其余4個處理差距較大，達(dá)到顯著水平（圖7）。從表5可以看出，處理T2、T3、T4、T5的吸光度與處理T1（對照）的差異均達(dá)到極顯著水平，吸光度在深度整體上差異顯著，但每個處理與深度的交互影響并不顯著。

圖6 發(fā)酵周期內(nèi)各個處理截面吸光度變化

圖7 不同處理10cm處吸光度比值

表5 堆肥處理與吸光度的方差分析

2.5 鹽土改良基對鹽土栽種青椒的影響

表6 施用鹽土改良基對青椒生物學(xué)性狀的影響

根系是植物最重要的吸收器官。青椒的育苗生長過程中，壯根極為重要，地上地下干鮮重、莖粗、株高、葉片面積是青椒品質(zhì)的重要指標(biāo)［31］。綜合6個處理檢測指標(biāo)溫度、水分、吸光度及其物理性狀對比，處理T3是實(shí)驗(yàn)腐熟效果最佳處理，配比為甜葉菊渣、板框泥、新鮮雞糞按照3∶3∶1。取處理T3發(fā)酵成品（成品3）進(jìn)行青椒育苗試驗(yàn)，結(jié)果（表6）顯示，對照與不同處理生物學(xué)性狀之間有顯著差異，成品3能顯著促進(jìn)青椒苗壯根，促進(jìn)地上部、地下部生長發(fā)育，顯著提高青椒株高、莖粗，增大葉片面積，提高地上、地下部干鮮重。成品3對青椒的壯苗有顯著效果，添加220 g成品3（處理T5）對青椒株高有顯著影響，添加550 g成品3（處理T6）對青椒促生效果顯著，對莖粗有顯著影響。說明每盆基質(zhì)添加550 g成品3對青椒的生物學(xué)性狀均有促生作用，即每667 m2農(nóng)地施用5 000 kg成品3有機(jī)肥效果最佳。從圖8可以看出，施肥后青椒從種植到苗期結(jié)束這段時間，土壤含鹽量變化明顯，其中未添加任何改良基對照（T1）的土壤含鹽量升高近40% （P＜0.05），除處理T5外，其他處理土壤含鹽量均明顯減少，且達(dá)到顯著水平，該鹽土改良基可降低土壤含鹽量，促進(jìn)作物生長，提高作物品質(zhì)。

圖8 不同鹽土改良基處理的土壤含鹽量變化

3 結(jié)論與討論

靜態(tài)條垛式堆肥是固體發(fā)酵最常規(guī)的方法，其腐熟度可通過溫度、水分、吸光度等指標(biāo)測定［25］。本研究基于條垛式堆料固體發(fā)酵中的常規(guī)水分變化、條垛橫截面水分變化、常規(guī)溫度變化、條垛橫截面溫度變化、條垛橫截面吸光度變化，研究甜葉菊苷下腳料常規(guī)條垛式堆肥的腐熟程度、固體發(fā)酵過程中機(jī)器翻拋的最佳時間，鹽土改良基對青椒育苗的影響及土壤降鹽效果。

在常規(guī)條垛式固體發(fā)酵過程中，當(dāng)肥料升溫至60～65℃后升溫速度很慢甚至不再升溫時可進(jìn)行機(jī)器翻拋，針對條垛式固體發(fā)酵周期過長，本研究節(jié)省了機(jī)器損耗次數(shù)也節(jié)省了油耗和人力。溫度和含水量是固體發(fā)酵堆肥腐熟的重要決定因素，兩因素相互影響，本研究中溫度50～60℃、含水量45%～55%為最佳發(fā)酵溫度和水分范圍，發(fā)酵效果最好，可為日后生產(chǎn)中常規(guī)堆肥固體發(fā)酵溫度控制提供理論基礎(chǔ)。條垛堆肥含水量和溫度呈正相關(guān)關(guān)系，堆料的豎截面表層、底層的含水量和溫度均高于60、10 cm處的位置，均呈現(xiàn)“S”型變化規(guī)律，表明不同高度的堆料腐熟度不同，固體發(fā)酵過程中堆體不宜過高或者過低，中間層30 cm處，含水量以及溫度處于最佳發(fā)酵范圍的持續(xù)時間最長，可為常規(guī)固體發(fā)酵條垛式堆肥的最佳發(fā)酵高度。5個固體發(fā)酵處理中，處理T1、T2、T4、T5等4個處理溫度過高或者含水量過高，不利于堆肥固體發(fā)酵，而處理T3升溫速度最快，處于最適發(fā)酵含水量的周期最長，且吸光度比值接近最優(yōu)比例，說明1∶1比例的甜葉菊渣和板框泥+15%雞糞為最佳發(fā)酵比例，該基質(zhì)配比可為甜葉菊苷提取下腳料的資源利用提供推廣技術(shù)參考。

1∶1比例的甜葉菊渣和板框泥+15%雞糞的改良基成品投入實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)中，可促進(jìn)青椒育苗基質(zhì)的生長，對青椒的株高、莖粗、葉片面積、地上地下干鮮重均有促生作用，每盆施用550 g成品3的青椒品質(zhì)最佳，降鹽效果最明顯，即每667 m2農(nóng)地施用5 000 kg改良基效果最佳。本研究成功研制出一種基于甜葉菊苷提取下腳料循環(huán)利用的有機(jī)復(fù)合鹽土改良基，可用于鈉鹽土改良、綠化基質(zhì)、農(nóng)業(yè)有機(jī)肥、苗木基質(zhì)、育苗育秧基質(zhì)等效果研究，以實(shí)現(xiàn)該資源的最大化利用。