陳川雁，喻國輝，陳燕紅，宮慶友，黎永堅，袁 玲

（1.珠海市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中心，廣東 珠海 519075；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學院農(nóng)業(yè)與生物學院/植物健康創(chuàng)新研究院，廣東 廣州 510225）

【研究意義】水稻是我國廣泛種植的重要糧食作物，在水稻生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品稻稈［1］。隨意丟棄和焚燒曾經(jīng)是處置稻草的主要方式，不僅造成資源浪費、大氣污染，還導致火災(zāi)、交通事故等次生災(zāi)害頻發(fā)。在黨和國家的高度重視下，社會各級加強了對稻草綜合利用的研究，隨著研究的不斷深入，稻草逐漸被開發(fā)應(yīng)用于生產(chǎn)一次性餐具、造紙、板材、生物燃料，編織用具，種植食用菌，生產(chǎn)飼料和肥料，或被直接還田用作有機肥［2-4］。農(nóng)作物秸稈直接還田可增加土壤有機質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進植物生長，提高農(nóng)作物品質(zhì)、產(chǎn)量，減少化肥用量，有利于綠色食品生產(chǎn)和土壤可持續(xù)發(fā)展［5-9］，但也存在纖維素、半纖維素、木質(zhì)素難降解，降解時間長，病蟲害危害增加，溫室氣體的排放加大等問題［10-11］。本研究利用農(nóng)業(yè)廢棄物稻草和花生麩發(fā)酵制備水溶性有機碳肥，為農(nóng)業(yè)廢棄物資源化提出一種新的技術(shù)措施，同時也為有機蔬菜的生產(chǎn)提供土壤改良和快速補充有機質(zhì)的方法。【前人研究進展】堆肥發(fā)酵是利用自然界廣泛分布的細菌、放線菌、真菌等微生物，或人為添加微生物從而促進生物降解的有機物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)生化轉(zhuǎn)化的微生物學過程［12］。經(jīng)過堆肥處理后能夠?qū)⒐腆w廢棄物無害化、資源化，堆肥再還田能有效彌補直接還田的不足，但固體堆肥直接在大田使用存在著使用方式單一，關(guān)鍵微生物和次級代謝產(chǎn)物不能最大限度發(fā)揮作用等缺陷。固體堆肥經(jīng)水浸提后制成液態(tài)肥，關(guān)鍵微生物和次級代謝產(chǎn)物不能最大限度發(fā)揮作用等，所含有的有效成分和有益微生物對植物更具針對性［13］。因此堆肥浸提制備液體肥有很大的應(yīng)用前景，關(guān)于這方面的研究也逐漸受到關(guān)注，但多集中在肥效影響因素、提取液性質(zhì)與成分、微生物組成以及生防效果等方面［13-15］，對有機碳尤其是浸提液體有機碳方面的關(guān)注較少。有機碳肥中的碳素主要以氨基酸、多肽、糖類等小分子物質(zhì)為主，可被作物直接吸收。在種類眾多的碳素營養(yǎng)中，有機碳肥因其快速、高效的特點成為作物補碳的首選。液體有機碳肥具有質(zhì)量均一、易于施用的優(yōu)點，因而更具優(yōu)勢?！颈狙芯壳腥朦c】本研究以農(nóng)業(yè)廢棄物稻稈和花生麩為原材料，以市場上售賣的多種堆肥發(fā)酵劑對其進行發(fā)酵處理，探索水溶性有機碳肥的制備工藝條件，為用稻稈和花生麩制備液體有機肥提供技術(shù)支撐?！緮M解決的關(guān)鍵問題】篩選適合稻草和花生麩發(fā)酵制備水溶性有機碳的發(fā)酵菌劑、碳氮比以及水溶性有機碳浸提時間。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

稻稈、花生麩取自珠海鼎元生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司有機農(nóng)場。稻稈干物質(zhì)含量93%，有機碳含量334 .0 g/kg，氮含量8.3 g/kg；花生麩有機碳含量390.0 g/kg，氮含量58.7 g/kg。

微生物腐熟劑（發(fā)酵劑）：M1，堆肥發(fā)酵菌有機物料發(fā)酵劑，有效菌含量≥2×1010CFU/g，廣州市微元生物科技有限公司；M2，粗纖維降解菌秸稈還田腐熟劑，有效菌含量≥2×1010CFU/g，廣州市微元生物科技有限公司；M3，肥用微生物菌，有效菌含量≥4×1011CFU/g，湖北啟明生物工程有限公司；M4，牛糞除臭劑發(fā)酵菌，有效菌含量≥3×108CFU/g，山東蘇柯漢生物工程股份有限公司；M5，高活性秸稈發(fā)酵劑，有效菌含量≥3×1010CFU/g，山東省濰坊市君德生物科技有限公司；M6，“糞-肥-草-飼”多元循環(huán)梯級利用綜合配套發(fā)酵劑，有效菌含量≥3×108CFU/g，湖南碧野農(nóng)業(yè)機械科技責任有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 固態(tài)發(fā)酵物料混合與接種 2020 年9 月，用稻稈（切成2 cm 碎段）和花生麩分別配制成C∶N 為25∶1（稻稈3.58 kg，花生麩8.42 kg）和40∶1（稻稈8.94 kg，花生麩3.06 kg）的混合發(fā)酵物料6 份，每份12.0 kg，然后加水調(diào)至含水量70%，高壓滅菌后冷卻至室溫，將上述6 種發(fā)酵劑按照每千克物料加入菌劑5.0 g，攪拌并混勻，裝入塑料盆中放在珠海市農(nóng)發(fā)中心實驗室常溫發(fā)酵。每個處理3 次重復(fù)。

1.2.2 堆肥發(fā)酵過程記錄和終點確定 在堆肥發(fā)酵過程中每個處理插入酒精溫度計，每隔24 h 記錄物料溫度變化，待溫度穩(wěn)定降至室溫并穩(wěn)定2 d后，每個處理在堆體上、中、下部采集發(fā)酵料，混合成1 kg 的測定樣本。

1.2.3 固態(tài)發(fā)酵物料有機碳測定 按照農(nóng)業(yè)行業(yè)標準（NY 525-2012）的規(guī)定測定發(fā)酵產(chǎn)物的水分含量和有機碳含量［16］，折算干物有機碳含量（g/kg）。

1.2.4 水溶性有機碳肥制作方法 取10.0 g 發(fā)酵樣品加入100 mL 純水，在37 ℃、180 r/min 的震蕩培養(yǎng)箱中震蕩浸提12、24、48 h，以使發(fā)酵樣品中的水溶性碳充分溶解到液體中。每個震蕩時間重復(fù)3 次，然后將浸泡液離心過濾，收取濾液并量取體積（精確至1 mL），備用。

濾液的有機碳含量按照農(nóng)業(yè)行業(yè)標準（GB18877-2009）的規(guī)定進行檢測［17］，采用重鉻酸鉀容量法測定浸提液的有機碳含量（g/mL），計算溶出率：

溶出率（%）=水溶性有機碳含量/固態(tài)發(fā)酵物料的有機碳含量×100

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS20 軟件進行方差分析和鄧肯新復(fù)極差多重比較分析，并使用Excel 2007版軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻稈與花生麩配比堆肥的溫度變化

C/N 25∶1 的稻稈-花生麩混合物料接入發(fā)酵劑后發(fā)酵過程的溫度變化情況見圖1。各處理溫度隨發(fā)酵時間變化總體呈上升-下降-上升-下降-微升-趨穩(wěn)的趨勢，均在24 h 達到最高溫度，其中M1、M6 最高達60 ℃，其次為M4、M5、M2 達53 ℃，M3 的最高溫度最低僅50 ℃；除M6 外，各處理均在144 h 降到最低溫度35 ℃左右后略有回升，之后穩(wěn)定維持在40 ℃左右。以M6 發(fā)酵產(chǎn)物的溫度變化最大，24 h 達到最高點60 ℃，192 h 降至最低點30 ℃。

圖1 C/N 25∶1 稻稈-花生麩混合物料發(fā)酵期間溫度變化Fig.1 Temperature changes during the fermentation of the mixture of rice straw and peanut bran（C/N 25∶1）

C/N 40∶1 的稻稈-花生麩混合物料接入發(fā)酵劑后發(fā)酵過程的溫度變化情況見圖2。各處理升溫較迅速，均在24 h 達到最高溫度，其中最高的是M3、54 ℃，其次為M2 和M1、53 ℃，M4 和M5 最低、僅49 ℃。各處理發(fā)酵溫度在50～60 ℃維持時間較短，至48 h 降到50℃以下，144 h 降到室溫（25 ℃）左右。

圖2 C/N 40∶1 稻草和花生麩混合物料發(fā)酵期間溫度變化Fig.2 Temperature changes during the fermentation of the mixture of rice straw and peanut bran（C/N 40∶1）

2.2 發(fā)酵產(chǎn)物有機碳含量影響因素

以發(fā)酵菌劑（6 個因素）、碳氮比（2 個因素）、重復(fù)數(shù)（3 個）對有機碳含量的影響進行多因素方差分析，結(jié)果（表1）顯示，不同發(fā)酵菌劑和C/N 對發(fā)酵產(chǎn)物有機碳含量影響極大。

表1 發(fā)酵產(chǎn)物有機碳含量多因素方差分析結(jié)果Table 1 Multivariate variance analysis results of organic carbon contents in fermentation products

由表2 可知，C/N 25∶1 稻稈-花生麩混合物經(jīng)6 種發(fā)酵劑發(fā)酵后，以M3 和M6 發(fā)酵產(chǎn)物的有機碳含量最高，分別為197.68、196.42 g/kg，二者差異不明顯，但與其他處理均有極顯著差異；其次是M5，其發(fā)酵產(chǎn)物的有機碳含量為191.24 g/kg；有機碳含量最低的是M4，其發(fā)酵產(chǎn)物的有機碳含量僅156.33 g/kg，極顯著低于其他發(fā)酵劑的發(fā)酵產(chǎn)物。C/N 40∶1 稻稈-花生麩混合物經(jīng)6 種發(fā)酵劑發(fā)酵后，以M4 和M3 發(fā)酵產(chǎn)物的有機碳含量最高，分別達120.48、119.80 g/kg，均顯著高于其他處理；其次是M5，其發(fā)酵產(chǎn)物的有機碳含量為116.97 g/kg；M1 發(fā)酵產(chǎn)物的有機碳含量為100.08 g/kg；含量最低的是M6，其發(fā)酵產(chǎn)物的有機碳含量只有78.11 g/kg。

表2 不同碳氮比稻草+花生麩發(fā)酵產(chǎn)物的有機碳含量Table 2 Organic carbon contents in fermentation products of rice straw and peanut bran with different carbon-nitrogen ratios

表2 結(jié)果表明，C/N 40∶1 稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物的有機碳含量低于C/N 25∶1 稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物，其中差別最大的是M6 的發(fā)酵產(chǎn)物，前者比后者低118.29 g/kg；差別最小的是牛糞發(fā)酵劑的發(fā)酵產(chǎn)物，只低36.53 g/kg。

2.3 發(fā)酵產(chǎn)物水溶性有機碳溶出率影響因素

以發(fā)酵菌劑（6 個因素）、碳氮比（2 個因素）、浸提時間（3 個因素）、重復(fù)數(shù)（3 個）對有機碳含量的影響進行多因素方差分析，結(jié)果（表3）顯示，菌劑、C/N、浸提時間對發(fā)酵產(chǎn)物水溶性碳溶出率的影響極大。

表3 發(fā)酵產(chǎn)物水溶性有機碳溶出率多因素方差分析結(jié)果Table 3 Multivariate variance analysis results of water-soluble organic carbon extraction rates of fermentation products

2.3.1 不同浸提時間對發(fā)酵產(chǎn)物水溶性碳溶出率的影響 由表4 可知，C/N 25∶1 稻稈-花生麩各處理水溶性碳溶出率隨浸提時間變化明顯，除M3 和M6 呈先增后降外，其他處理都隨浸提時間增加而降低。浸提12 h 后，水溶性碳溶出率最高的是M1、M4 和M3 的發(fā)酵產(chǎn)物，溶出率分別為10.26%、9.90%、8.59%，三者間差異不顯著；水溶性碳溶出率最低的是M2 和M6，溶出率分別為6.93%和6.22%。浸提24 h 后，水溶性碳溶出率最高的是M4 和M3 的發(fā)酵產(chǎn)物，溶出率分別為9.22%和9.04%，二者無顯著差異，但與其他發(fā)酵產(chǎn)物間差異顯著；水溶性碳溶出率最低的是M2 的發(fā)酵產(chǎn)物，其溶出率只有6.33%，但與M5、M6 發(fā)酵劑差異不顯著。浸提48 h 后，水溶性碳溶出率最高的是M4、M2 和M3 的發(fā)酵產(chǎn)物，溶出率分別為6.52%、6.14%、5.98%；水溶性碳溶出率最低的是M5 的發(fā)酵產(chǎn)物，溶出率為5.17%，與M1、M6 差異不顯著。

表4 C/N 25∶1 稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物的水溶性碳溶出率Table 4 Extraction rate of water-soluble carbon in fermentation products of rice straw and peanut bran（C/N 25∶1）

由表5 可知，C/N 40∶1 稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物各處理水溶性碳溶出率均呈先增后降的趨勢。浸泡12 h 后，各處理的碳溶出率均較低，最高的是M3、M1 和M6，水溶性碳溶出率分別為5.85%、4.98%、4.97%；溶出率最低的是M4，其水溶性碳溶出率只有1.40%。浸泡24 h 后，各處理的水溶性碳溶出率均達到最高，其中最高的是M3 和M6，其發(fā)酵產(chǎn)物的水溶性碳溶出率分別為9.40%和8.93%；最低的仍然是M4，其水溶性碳溶出率只有3.70%。浸泡48 h 后，各處理的水溶性碳溶出率均較24 h低，最高的是M6的發(fā)酵產(chǎn)物，溶出率為7.70%；最低的仍然是M4，其溶出率只有1.63%。

表5 C/N 40∶1 稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物的水溶性碳溶出率Table 5 Extraction rates of water-soluble carbon in fermentation products of rice straw and peanut bran（C/N 40∶1）

2.3.2 不同碳氮比對發(fā)酵產(chǎn)物水溶性碳溶出率的影響 由表6 可知，浸提12 h 后，各發(fā)酵劑處理的C/N 40∶1 稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物的水溶性碳溶出率均低于C/N 25∶1 稻稈-花生麩，其中差別最大的是M4 的發(fā)酵產(chǎn)物，溶出率低8.50 個百分點；差別最小的是M6的發(fā)酵產(chǎn)物，溶出率低1.25個百分點。浸提24 h 后，除M6 和M3 外，其他發(fā)酵劑處理C/N 40∶1 稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物的水溶性碳溶出率均低于C/N 25∶1 稻稈-花生麩，其中差別最大的是M4 的發(fā)酵產(chǎn)物，溶出率低5.52個百分點；差別最小的是M5，溶出率低0.26 個百分點。浸提48 h 后，除M6 和M5 外，其他處理的C/N 40∶1 稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物的水溶性碳溶出率均低于C/N 25∶1 稻稈-花生麩，其中差別最大的是M4 的發(fā)酵產(chǎn)物，溶出率低4.89 個百分點；差別最小的是M3，溶出率低0.25 個百分點。

表6 不同碳氮比稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物的水溶性碳溶出率Table 6 Extraction rates of water-soluble carbon in fermentation products of rice straw and peanut bran with different carbon-nitrogen ratios

2.3.3 不同發(fā)酵劑對不同碳氮比稻稈-花生麩水溶性碳溶出量的影響 由表7 可知，C/N 25∶1 稻稈-花生麩的水溶性碳溶出量除M3 隨浸提時間增加呈先升后降外，其他處理均呈逐漸降低的趨勢；C/N 40∶1 稻稈-花生麩的水溶性碳溶出量均隨浸提時間增加呈先升后降的趨勢。在各個浸提時間內(nèi)，C/N 25∶1 稻稈-花生麩各處理的水溶性碳溶出量均大于C/N 40∶1 稻稈-花生麩，其中溶出量最高的是M1 發(fā)酵C/N 25∶1 稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物浸提12 h 的提取物，達18.22 g/kg；其次是M3 發(fā)酵C/N 25∶1 稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物浸提24 h 的提取物，溶出量為17.87 g/kg；溶出量最低的是牛糞發(fā)酵C/N 40∶1 稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物浸提12 h 的提取物，只有1.68 g/kg。

表7 不同發(fā)酵劑不同碳氮比稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物的水溶性碳溶出量Table 7 Water-soluble carbon extraction amount from rice straw and peanut bran with different carbon-nitrogen ratios under different fermentation agent treatments（g/kg）

3 討論

3.1 不同發(fā)酵劑對發(fā)酵產(chǎn)物有機碳含量和浸提產(chǎn)物水溶性碳浸提率的效應(yīng)

在底物相同的情況下接種不同發(fā)酵劑發(fā)酵后，各處理發(fā)酵產(chǎn)物的有機碳含量差異顯著，本研究中25∶1 稻稈-花生麩經(jīng)牛糞除臭劑發(fā)酵菌發(fā)酵后有機碳含量最低，且顯著低于其他處理；有機碳含量最高的是肥用微生物菌和糞-肥-草-飼發(fā)酵劑處理，這可能與不同發(fā)酵劑對稻稈的木質(zhì)素、半纖維素、纖維素的降解效果不一致有關(guān)［18］。發(fā)酵劑不僅影響發(fā)酵產(chǎn)物有機碳含量，同時也影響水溶性碳浸提率。在相同浸提時間內(nèi)，不同發(fā)酵劑發(fā)酵產(chǎn)物的水溶性碳浸提率也有顯著差異，牛糞除臭劑發(fā)酵菌、肥用微生物菌、堆肥發(fā)酵菌有機物料發(fā)酵劑的發(fā)酵產(chǎn)物水溶性碳浸提12 h 的浸提率顯著高于粗纖維降解腐熟劑、高活性秸稈發(fā)酵劑和糞-肥-草-飼發(fā)酵產(chǎn)物的浸提率。

3.2 不同浸提時間對發(fā)酵產(chǎn)物水溶性碳浸提率的影響

接種相同發(fā)酵劑后，發(fā)酵產(chǎn)物水溶性碳浸提率隨浸提時間變化較大。本研究中糞-肥-草-飼和肥用微生物菌發(fā)酵25∶1 稻稈-花生麩，發(fā)酵產(chǎn)物的水溶性碳浸提率隨浸提時間變化呈先增加后降的趨勢，牛糞除臭劑發(fā)酵菌、堆肥發(fā)酵劑、粗纖維降解腐熟劑和高活性秸稈發(fā)酵菌處理隨浸提時間增加而逐漸降低，且變化幅度也不一致，以接種堆肥發(fā)酵劑的降幅最大，其次是牛糞除臭劑發(fā)酵菌和高活性秸稈發(fā)酵劑，降幅最小的是粗纖維發(fā)酵劑。說明浸提時間影響發(fā)酵產(chǎn)物水溶性碳浸提率，這與徐大兵等［14］的研究結(jié)果一致。

3.3 不同碳氮比對發(fā)酵產(chǎn)物有機碳含量和水溶性碳浸提率的影響

有研究表明，碳氮比影響發(fā)酵過程中有機質(zhì)和總碳含量［20］。本研究也顯示碳氮比太高不利于發(fā)酵劑對發(fā)酵底物的發(fā)酵，嚴重影響發(fā)酵產(chǎn)物有機碳總量和水溶性碳的浸提。例如高碳氮比的40∶1 稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物的有機碳總含量低于低碳氮比的25∶1 稻稈-花生麩，在各個浸提時間內(nèi)高碳氮比發(fā)酵產(chǎn)物的水溶性碳浸提率和浸提總量也低于低碳氮比發(fā)酵產(chǎn)物。另外，碳氮比對不同發(fā)酵劑的影響不一樣，其中在發(fā)酵產(chǎn)物有機碳含量方面，碳氮比對糞-肥-草-飼發(fā)酵劑的影響就比對牛糞除臭劑發(fā)酵菌的影響大；在浸提率和浸提率方面，碳氮比對牛糞除臭劑發(fā)酵菌的影響也比對肥用微生物菌的影響大。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，稻稈-花生麩的C/N 嚴重影響發(fā)酵產(chǎn)物的有機碳含量和可溶性有機碳溶出率，C/N 25∶1 優(yōu)于C/N 40∶1。在6 種發(fā)酵劑中，湖北產(chǎn)的“肥用微生物菌”和湖南產(chǎn)的“‘糞-肥-草-飼’多元循環(huán)梯級利用綜合配套發(fā)酵劑”發(fā)酵C/N 25∶1 稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物的有機碳含量最高，但浸提后，則以廣州產(chǎn)的“堆肥發(fā)酵菌有機物料發(fā)酵劑”發(fā)酵C/N 25∶1 稻稈-花生麩發(fā)酵產(chǎn)物浸提12 h 后水溶性碳溶出率和溶出量最高，其次為湖北產(chǎn)的“肥用微生物菌”的發(fā)酵產(chǎn)物浸提24 h 的有機碳溶出量。因此，本研究結(jié)果表明利用發(fā)酵劑發(fā)酵稻稈-花生麩混合物制備水溶性碳肥的最佳C/N 為25∶1，最佳發(fā)酵劑為廣州市微元公司的“堆肥發(fā)酵菌有機物料發(fā)酵劑”，最佳浸提時間為12 h，該工藝條件下發(fā)酵產(chǎn)物有機碳含量為177.56 g/kg，浸提12 h 的水溶性有機碳溶出量為18.22 g/kg，水溶性有機碳溶出率為10.26%。本研究的水溶性碳總體溶出率還較低，發(fā)酵條件和浸提條件有待進一步優(yōu)化。