3種發酵因素對蔬菜廢棄物降解與產物特性的影響

秦淵淵 李友麗 郭文忠 李 靜 李靈芝 李海平*

（1山西農業大學園藝學院，山西太谷 030801；2北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097）

蔬菜廢棄物是指蔬菜生產及產品收獲、貯存、運輸、銷售與加工環節被丟棄的固體廢棄物，包括根、莖、葉、爛果及尾菜等（黃鼎曦 等，2002；杜鵬祥 等，2015；Panda et al.，2016）。近年來，隨著我國蔬菜種植面積不斷擴大、蔬菜總產量不斷增加，以及人們對蔬菜品質要求不斷提高，托盤菜和凈菜上市，我國蔬菜廢棄物的產量也急劇上升。據統計，2013年我國蔬菜種植面積約2 300萬hm2，蔬菜年產量近7億t，而當年蔬菜廢棄物總量達到了2.69億t左右（杜鵬祥 等，2015；宋玉晶和柴立平，2018）。這些蔬菜廢棄物含水率高，葉菜類甚至高達90%以上，不易燃燒，易發生腐爛，堆放或填埋都會產生大量滲透液，對空氣、土壤、地表水和地下水易造成污染（付勝濤，2005；李吉進 等，2012；楊鵬 等，2013；Das & Mondal，2013）。蔬菜廢棄物的處理已引起人們的高度重視。

我國從20世紀90年代開始出現蔬菜廢棄物處理技術的相關研究報道，近幾年專門針對蔬菜廢棄物資源化利用也開展了大量研究工作，主要集中在高溫堆肥、厭氧漚肥等肥料化利用（劉安輝 等，2011；李吉進 等，2012；常瑞雪 等，2017）、厭氧發酵產氣的能源化利用（Bouallagui et al.，2005；宋亞楠 等，2018）和產生蛋白飼料的飼料化利用等（Esteban et al.，2007；戚如鑫 等，2018）。蔬菜廢棄物含水率高、C/N低，比較適合厭氧消化生產沼氣，回收清潔能源，副產品沼液和沼渣還可作為肥料還田，但條件比較苛刻，且受設施規模的限制（付勝濤，2005；劉榮厚 等，2009；Narnaware et al.，2017）。蔬菜廢棄物經加工制成飼料產品，一定程度上可提高飼料養分含量，增加動物適口性，但要求無菌操作，不太適合大規模生產（申海玉 等，2016）。目前，肥料化仍是蔬菜廢棄物處理的最主要途徑，相關研究集中在堆肥處理和利用，包括堆肥的重要操作參數、物料特性參數、過程參數的影響研究（張相鋒 等，2003，2006；徐路魏 等，2016；常瑞雪 等，2017），堆肥模式的優化和工藝的創新，及堆肥的應用效果和分析等，現已取得大量研究成果，部分成果在生產中被廣泛應用。但堆肥使用仍相對粗放，費工費時，且難實現輕簡化、精細化管理。

液態肥具有較好的流動性，可借助管道運輸，利用噴灑裝置或微灌溉系統施用，易實現養分精細調配，及輕簡化、精細化和自動化灌溉管理，是目前世界上肥料產業發展的趨勢。在我國，近年來關于液態有機肥開發和應用已被關注，將農業廢棄物發酵成液體肥的研究已有不少，如李吉進等（2012）、楊鵬等（2013）和劉安輝等（2011）以蔬菜廢棄物為原料，制備液態有機肥，并對其應用效果進行研究，但鮮見針對蔬菜廢棄物降解關鍵發酵參數優化的報道。固水比、C/N和微生物菌劑是發酵起始階段的關鍵性因素（萬小春 等，2008；楊鵬 等，2013），且這3個因素均會通過影響發酵過程中微生物活動，影響蔬菜廢棄物的降解效果。因此，本試驗擬選擇固水比、C/N和外源微生物菌劑3個因素進行蔬菜殘株降解效果的研究，旨在探尋蔬菜廢棄物高效降解的參數組合，以期為蔬菜廢棄物發酵技術在擴大化生產中的研究和發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018年3～5月在北京市農林科學院內日光溫室中展開。根據此時期京郊日光溫室生產特點，選擇甘藍類葉菜殘株和番茄殘株鮮樣混合物為供試材料（葉菜類為主），供試材料采自北京市昌平區小湯山國家精準農業研究示范基地，基本理化性質見表1。所用水來源于北京市農林科學院試驗溫室灌溉用水。

表1 發酵原料的基本性狀

微生物菌劑：發酵劑（有效活菌≥50億cfu·g-1，優勢菌種包括芽孢桿菌、絲狀真菌、放線菌、酵母菌、乳酸菌等多種菌株；用量為1 kg發酵物料中添加0.1 g；菌劑購于河南省沃寶生物科技有限公司）；秸稈發酵菌劑〔活菌數約為10億cfu·mL-1；優勢菌種是芽孢桿菌（包括枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌等）；用量為1 kg發酵物料中添加1 mL菌劑；由北京市農林科學院植物保護研究所提供〕；膠質芽孢桿菌〔有效活孢子含量≥100億cfu·g-1，優勢菌種是膠質芽孢桿菌（硅酸鹽細菌）；用量為1 kg發酵物料中添加2 g菌劑；購于河南中廣農業信息開發有限公司〕。

1.2 發酵裝置

發酵裝置為自制的簡易發酵罐，罐體由聚乙烯材料制成（不具保溫隔熱功能，故發酵體的溫度主要受環境溫度影響），罐體內徑400 mm，高600 mm。

1.3 試驗設計

選取固水比、C/N、微生物菌劑3個影響因素，設計正交試驗，各因素水平編碼見表2，構建L9（33）正交表（萬小春 等，2008）。

將混合蔬菜廢棄物用粉碎機破碎至粒徑10～20 mm，根據表3中各處理固水比設計，基于實際生產應用，稱取混合物料（鮮樣）裝入對應發酵罐中，再添加清水使每個罐中混合物料均為10 kg，按照C/N值，添加紅糖（避免非水溶性物料對蔬菜殘株鮮樣降解率的計算產生影響）進行調節；然后加上微生物菌劑，實際用量參照推薦用量，再充分攪拌使發酵體均勻。每個處理3次重復，發酵罐編號后隨機排放于日光溫室中，每天8：00和20：00各充分攪拌1次。

表2 正交試驗各因素水平編碼表

1.4 測定項目及方法

在發酵過程中定期取樣檢測發酵液體pH、EC值，并觀察殘株降解情況；待各處理殘株降解情況差異顯著，且個別處理下殘株降解現象明顯時（發酵后27 d），取樣計算降解率并測定發酵液體的養分含量和發芽指數。

1.4.1 發酵液體pH和EC值測定 發酵后0、3、6、9、12、15、18、21、24、27 d取攪拌均勻的發酵液體，過濾后測定液體pH（PHB-4 pH計測定）和EC值（DDS-307A電導率儀測定）。

1.4.2 蔬菜廢棄物的降解率計算 發酵液體充分攪拌后，取樣稱重記作m1（kg）；過濾，收集濾渣烘干稱重記作m2（kg）。

式中，M為發酵前待分解蔬菜殘株的總質量（kg）；m為取樣時發酵罐中總質量（未降解殘株和水混合體，kg）。

1.4.3 發酵液體的養分含量測定 蔬菜廢棄物發酵液體充分攪拌后，取樣過濾，收集液體再離心取上清液，4 ℃冰箱保存，用于測定總N（SPD80全自動凱氏定氮儀測定）、水溶性P（釩鉬黃比色法測定）、水溶性K（TAS-990原子吸收分光光度計測定）和Ca、Mg、Fe、Cu、Zn含量（TAS-990原子吸收分光光度計測定），總養分含量為所有元素（N、P、K、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn）相加的總和。

1.4.4 發芽指數測定 取過濾后的發酵液體2 mL，與去離子水混合稀釋（體積比1∶10），然后取5 mL稀釋液注入有濾紙的培養皿內，均勻放入10粒飽滿的黃瓜種子，用去離子水作空白對照。在25 ℃培養箱中培養48 h后計算種子發芽率并測量根長，然后計算種子的發芽指數（楊鵬 等，2013）。每個樣品3次重復。

式中，GI為發芽指數（%）；G為處理種子發芽率（%）；L為處理種子根長（cm）；G0為對照種子發芽率（%）；L0為對照種子根長（cm）。

1.5 數據處理與分析

所有數據均采用Excel軟件處理，利用SPSS 17.0軟件進行方差分析和單因素顯著性分析（Duncan新復極差法）。

2 結果與分析

2.1 不同發酵處理對蔬菜廢棄物降解率的影響

每天定時攪拌，觀察蔬菜殘株鮮樣的降解情況，發現C/N為20∶1的處理1、4、7固體降解較快，在發酵27 d后，這3個處理的蔬菜殘株降解效果非常明顯。此時取樣計算各處理中蔬菜廢棄物的降解率，并以此表征蔬菜秸稈發酵降解的程度。從表3可以看出，C/N為20∶1的處理1、4、7降解率分別達到了83.61%、89.53%和93.02%，明顯高于其他處理。本試驗中處理7（A3B1C2）的降解率最大，即固水比1∶9+C/N 20∶1+秸稈發酵菌劑的蔬菜廢棄物降解效果最好。而正交優化最佳條件為A3B1C3，即固水比1∶9+C/N 20∶1+膠質芽孢桿菌處理的蔬菜廢棄物降解效果最好。

采用極差分析法比較3個參數對蔬菜殘株降解效果的作用大小，從表3可以看出，A、B、C 3個因素對應的R值分別為7.70、24.58和0.60，3個因素的主次順序為B＞A＞C，說明在這3個因素中，影響降解效果的首要因素是C/N。

為進一步論證極差分析結果，采用更加精確的方差分析，結果如表4所示，A、B、C 3個因素對應的F值分別為24.108、312.352和0.142，根據F值大小，可確定因素主次順序為B＞A＞C。與直觀分析（R值的大小）結果相一致。

表3 蔬菜殘株降解率正交試驗結果

表4 蔬菜殘株降解率方差分析結果

2.2 不同發酵處理pH和EC值動態變化

pH是影響微生物活性的重要因素之一，過高或過低都會影響微生物的新陳代謝從而使其活性降低，影響蔬菜廢棄物降解效果。微生物繁殖的適宜pH一般是中性或者弱堿性。由圖1可知，C/N為20∶1的3個處理（處理1、4、7）pH隨著發酵進程均呈現先降低后升高再降低再升高的趨勢，其余處理pH呈先降低后升高再急劇降低最后趨于平緩的趨勢。整個發酵過程中，處理1、4、7的pH均明顯高于其他處理。在發酵后0～3 d，所有處理的pH均下降，出現明顯的產酸階段。在發酵后3～9 d，pH先上升后下降，推測是由于有機酸進一步分解轉化并伴隨一定量的NH4+-N產生，pH升高；隨著發酵的持續進行，氨揮發，致使pH下降（楊鵬等，2013）；與其他處理相比，處理1、4、7的pH變化幅度較小。在發酵9 d后，處理1、4、7的pH均呈現平穩再緩慢增長的變化，其中處理7的發酵液體pH從6.6上升至8.0，并始終高于處理1和4；其他處理下發酵液體pH變化趨勢一致，即快速下降到4.0以下（發酵后12 d），基本保持不變，這可能是由于其他處理發酵初期碳量過高，微生物需經過多次代謝才能消化過量的碳，降解速率慢，有機酸積累。

EC值一定程度上能反映溶液中的可溶性鹽含量。從圖1可以看出，各處理EC值隨著發酵的持續進行呈升高-平緩-緩慢升高-趨于平緩的趨勢，即在發酵后0～3 d，所有處理EC值明顯升高，其中處理1變化幅度較大；發酵3～12 d，除處理8外，其他處理EC值均呈平緩-緩慢升高趨勢；發酵后12 d至結束，所有處理EC值都趨于平緩。同時，圖1結果顯示，固水比越大，發酵前期發酵液體EC值的增幅越大，固水比為3∶7的處理EC值在7.8～11.0 mS·cm-1之間，固水比為2∶8的處理EC值在6.4～10.0 mS·cm-1之間，固水比為1∶9的處理EC值在4.7～4.9 mS·cm-1之間。綜上所述，EC值主要受固水比影響，固體量對EC值的升高效應大于C/N和外源微生物菌劑的作用。

2.3 不同發酵處理對產物養分含量的影響

發酵結束時，測定發酵液體中的大量元素（N、P、K）和中、微量元素（Ca、Mg、Fe、Cu、Zn）含量。從表5可知，不同處理發酵液體中均含有一定量的營養元素，可供植物吸收利用，為植物生長發育提供一定的營養。各處理之間養分含量存在差異，處理1的總N含量顯著高于其他處理；處理3的水溶性P和水溶性K含量顯著高于其他處理；處理7的Ca、Mg、Fe、Cu含量顯著低于其他處理。大量元素N、P、K的含量對總養分含量起主要作用，其中水溶性K含量的貢獻最大，各處理間總養分含量差異規律與水溶性K一致。

圖1 不同處理發酵液體pH、EC值變化

表5 不同處理發酵液體中的養分含量 μg·mL-1

從表6可以看出，本試驗中處理3（A1B3C3）的產物總養分含量最高，即固水比3∶7+C/N 35∶1+膠質芽孢桿菌處理。而正交優化最佳條件為A1B2C3，即固水比3∶7+C/N 27.5∶1+膠質芽孢桿菌處理的蔬菜廢棄物降解效果最好。采用極差分析法深入分析影響產物總養分含量的主要因素，A、B、C 3個因素對應的R值分別為2 791.8、1 447.3和212.6，說明在這3個因素中，影響產物養分含量的首要因素是固水比（A）。固水比為3∶7的處理發酵后產物養分指標優于其他處理，更有利于發酵產物肥效的提高。

2.4 不同發酵處理對產物發芽指數的影響

發芽指數（GI）是目前公認的可靠、有效和能直接反映發酵產品生物毒性的指標。從表7可知，處理1、4、7（C/N為20∶1）的發芽指數較大，分別為117.4%、89.8%、86.3%，其中處理1的發芽指數顯著高于除處理4外的其他處理，說明固水比3∶7+C/N 20∶1+發酵劑的處理更有利于降低發酵產物里含有的對植物有抑制作用的物質。

表6 產物總養分含量的正交分析結果

表7 不同處理發酵液的發芽指數 %

3 結論與討論

蔬菜廢棄物發酵是指在多種微生物協同作用下，分解生成小分子有機物、無機物等分解產物的過程。該過程中影響微生物活性的參數會直接影響蔬菜廢棄物的降解效果和產物質量。發酵物中的碳源和氮源都是微生物生長的營養元素，碳源主要提供代謝能量，氮源主要合成自身生命體的重要成分（細胞原生質）（江君，2012；趙龍彬，2016）；水分是微生物新陳代謝所必需的條件之一（魏洪飛 等，2011），為微生物的活動提供環境；添加外源微生物菌劑會在一定程度上增加微生物的數量，故C/N、固水比和微生物菌劑會影響發酵過程中微生物活動，進而影響蔬菜廢棄物的降解效果。研究表明，在豬糞麥秸堆肥工藝中，C/N為20∶1的處理可揮發性固體降解率明顯高于其他處理，且高溫時間超過5 d，容易實現高溫、快速好氧堆肥（呂黃珍 等，2008）；在蔬菜廢棄物漚肥中，固水比為3∶7的白菜廢棄物處理總N含量高（李吉進 等，2012）；接種微生物秸稈腐熟劑能使蔬菜副產物堆肥時間縮短（勞德坤 等，2015）。本試驗選取這3個參數，設計三因素三水平的正交試驗，計算降解率，并進一步對其進行極差和方差分析，結果表明，影響蔬菜殘株降解的首要因素是C/N，其次是固水比，微生物菌劑的作用較小。本試驗降解率最高的組合為處理7，即固水比1∶9、C/N為20∶1、添加秸稈發酵菌劑，而正交優化的最佳條件為A3B1C3，即固水比1∶9+C/N 20∶1+膠質芽孢桿菌處理，還需對最優組合進行驗證試驗。

蔬菜廢棄物富含營養成分，其中含糖類和半纖維素75%，纖維素9%，木質素5%，以干基計算含氮量為3%～4%，含磷量為0.3%～0.5%，含鉀量為1.8%～5.3%（黃鼎曦 等，2002）。這些營養成分經微生物分解成小分子，部分轉移到發酵液體中，再供植物吸收利用。本試驗中，所有處理發酵液體均含有N、P、K、Ca和Mg等營養元素，可為植物生長發育提供營養，這與李吉進等（2012）利用蔬菜廢棄物漚制所得液體有機肥中含有N、P、K等營養元素的結論一致。此外，受發酵參數的影響，各處理之間養分含量存在差異，且總體受固水比影響較大，即固水比越大養分含量越高。其中處理3的總養分含量最高，但處理1的總N含量最高，其原因可能是發酵過程中C/N為35∶1的處理氨揮發較多，氮素損失相對較嚴重，且水溶性P和K對總養分含量貢獻較大，但P和K都不具揮發性（宋彩紅 等，2013）。在整個發酵過程中，發酵液體溫度基本與室溫相同，沒有經歷一定時間的高溫階段，故發酵結束時，對所有處理發酵液體進行毒性檢驗（發芽指數檢測），結果表明，C/N為20∶1的3個處理發芽指數都大于80%，且處理1最大。研究表明，當發芽指數（GI）≥50%，發酵液體基本無毒性（化黨領 等，2011；楊寧 等，2015）；當GI≥80%時，發酵液體對作物沒有毒性（夏煒林 等，2006；Tognetti et al.，2007；楊列 等，2012；朱新夢 等，2017）。因此，認為本試驗中C/N為20∶1的3個處理所得發酵液體對作物沒有毒性。

固體廢棄物液態化處理是蔬菜廢棄物資源化、無害化的較好途徑之一，其操作工藝簡單，發酵后產物配施方便，可實現現代化農業園區輕簡化、自動化、一體化管理。發酵27 d后，綜合降解率、養分含量和發芽指數，蔬菜廢棄物降解的較優組合 包 括 A1B1C1、A1B2C3、A3B1C2、A3B1C3等， 最優組合有待進一步篩選。本試驗的供試材料以葉菜廢棄物為主，可為葉菜類蔬菜廢棄物降解情況提供理論支持。由于果菜類秸稈廢棄物和葉菜廢棄物所含木質素、纖維素、半纖維素等營養成分有很大差別，故果菜類廢棄物的降解參數數值有待進一步優化。