3种发酵因素对蔬菜废弃物降解与产物特性的影响

秦渊渊 李友丽 郭文忠 李 静 李灵芝 李海平*

（1山西农业大学园艺学院，山西太谷 030801；2北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097）

蔬菜废弃物是指蔬菜生产及产品收获、贮存、运输、销售与加工环节被丢弃的固体废弃物，包括根、茎、叶、烂果及尾菜等（黄鼎曦 等，2002；杜鹏祥 等，2015；Panda et al.，2016）。近年来，随着我国蔬菜种植面积不断扩大、蔬菜总产量不断增加，以及人们对蔬菜品质要求不断提高，托盘菜和净菜上市，我国蔬菜废弃物的产量也急剧上升。据统计，2013年我国蔬菜种植面积约2 300万hm2，蔬菜年产量近7亿t，而当年蔬菜废弃物总量达到了2.69亿t左右（杜鹏祥 等，2015；宋玉晶和柴立平，2018）。这些蔬菜废弃物含水率高，叶菜类甚至高达90%以上，不易燃烧，易发生腐烂，堆放或填埋都会产生大量渗透液，对空气、土壤、地表水和地下水易造成污染（付胜涛，2005；李吉进 等，2012；杨鹏 等，2013；Das & Mondal，2013）。蔬菜废弃物的处理已引起人们的高度重视。

我国从20世纪90年代开始出现蔬菜废弃物处理技术的相关研究报道，近几年专门针对蔬菜废弃物资源化利用也开展了大量研究工作，主要集中在高温堆肥、厌氧沤肥等肥料化利用（刘安辉 等，2011；李吉进 等，2012；常瑞雪 等，2017）、厌氧发酵产气的能源化利用（Bouallagui et al.，2005；宋亚楠 等，2018）和产生蛋白饲料的饲料化利用等（Esteban et al.，2007；戚如鑫 等，2018）。蔬菜废弃物含水率高、C/N低，比较适合厌氧消化生产沼气，回收清洁能源，副产品沼液和沼渣还可作为肥料还田，但条件比较苛刻，且受设施规模的限制（付胜涛，2005；刘荣厚 等，2009；Narnaware et al.，2017）。蔬菜废弃物经加工制成饲料产品，一定程度上可提高饲料养分含量，增加动物适口性，但要求无菌操作，不太适合大规模生产（申海玉 等，2016）。目前，肥料化仍是蔬菜废弃物处理的最主要途径，相关研究集中在堆肥处理和利用，包括堆肥的重要操作参数、物料特性参数、过程参数的影响研究（张相锋 等，2003，2006；徐路魏 等，2016；常瑞雪 等，2017），堆肥模式的优化和工艺的创新，及堆肥的应用效果和分析等，现已取得大量研究成果，部分成果在生产中被广泛应用。但堆肥使用仍相对粗放，费工费时，且难实现轻简化、精细化管理。

液态肥具有较好的流动性，可借助管道运输，利用喷洒装置或微灌溉系统施用，易实现养分精细调配，及轻简化、精细化和自动化灌溉管理，是目前世界上肥料产业发展的趋势。在我国，近年来关于液态有机肥开发和应用已被关注，将农业废弃物发酵成液体肥的研究已有不少，如李吉进等（2012）、杨鹏等（2013）和刘安辉等（2011）以蔬菜废弃物为原料，制备液态有机肥，并对其应用效果进行研究，但鲜见针对蔬菜废弃物降解关键发酵参数优化的报道。固水比、C/N和微生物菌剂是发酵起始阶段的关键性因素（万小春 等，2008；杨鹏 等，2013），且这3个因素均会通过影响发酵过程中微生物活动，影响蔬菜废弃物的降解效果。因此，本试验拟选择固水比、C/N和外源微生物菌剂3个因素进行蔬菜残株降解效果的研究，旨在探寻蔬菜废弃物高效降解的参数组合，以期为蔬菜废弃物发酵技术在扩大化生产中的研究和发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年3～5月在北京市农林科学院内日光温室中展开。根据此时期京郊日光温室生产特点，选择甘蓝类叶菜残株和番茄残株鲜样混合物为供试材料（叶菜类为主），供试材料采自北京市昌平区小汤山国家精准农业研究示范基地，基本理化性质见表1。所用水来源于北京市农林科学院试验温室灌溉用水。

表1 发酵原料的基本性状

微生物菌剂：发酵剂（有效活菌≥50亿cfu·g-1，优势菌种包括芽孢杆菌、丝状真菌、放线菌、酵母菌、乳酸菌等多种菌株；用量为1 kg发酵物料中添加0.1 g；菌剂购于河南省沃宝生物科技有限公司）；秸秆发酵菌剂〔活菌数约为10亿cfu·mL-1；优势菌种是芽孢杆菌（包括枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌等）；用量为1 kg发酵物料中添加1 mL菌剂；由北京市农林科学院植物保护研究所提供〕；胶质芽孢杆菌〔有效活孢子含量≥100亿cfu·g-1，优势菌种是胶质芽孢杆菌（硅酸盐细菌）；用量为1 kg发酵物料中添加2 g菌剂；购于河南中广农业信息开发有限公司〕。

1.2 发酵装置

发酵装置为自制的简易发酵罐，罐体由聚乙烯材料制成（不具保温隔热功能，故发酵体的温度主要受环境温度影响），罐体内径400 mm，高600 mm。

1.3 试验设计

选取固水比、C/N、微生物菌剂3个影响因素，设计正交试验，各因素水平编码见表2，构建L9（33）正交表（万小春 等，2008）。

将混合蔬菜废弃物用粉碎机破碎至粒径10～20 mm，根据表3中各处理固水比设计，基于实际生产应用，称取混合物料（鲜样）装入对应发酵罐中，再添加清水使每个罐中混合物料均为10 kg，按照C/N值，添加红糖（避免非水溶性物料对蔬菜残株鲜样降解率的计算产生影响）进行调节；然后加上微生物菌剂，实际用量参照推荐用量，再充分搅拌使发酵体均匀。每个处理3次重复，发酵罐编号后随机排放于日光温室中，每天8：00和20：00各充分搅拌1次。

表2 正交试验各因素水平编码表

1.4 测定项目及方法

在发酵过程中定期取样检测发酵液体pH、EC值，并观察残株降解情况；待各处理残株降解情况差异显著，且个别处理下残株降解现象明显时（发酵后27 d），取样计算降解率并测定发酵液体的养分含量和发芽指数。

1.4.1 发酵液体pH和EC值测定 发酵后0、3、6、9、12、15、18、21、24、27 d取搅拌均匀的发酵液体，过滤后测定液体pH（PHB-4 pH计测定）和EC值（DDS-307A电导率仪测定）。

1.4.2 蔬菜废弃物的降解率计算 发酵液体充分搅拌后，取样称重记作m1（kg）；过滤，收集滤渣烘干称重记作m2（kg）。

式中，M为发酵前待分解蔬菜残株的总质量（kg）；m为取样时发酵罐中总质量（未降解残株和水混合体，kg）。

1.4.3 发酵液体的养分含量测定 蔬菜废弃物发酵液体充分搅拌后，取样过滤，收集液体再离心取上清液，4 ℃冰箱保存，用于测定总N（SPD80全自动凯氏定氮仪测定）、水溶性P（钒钼黄比色法测定）、水溶性K（TAS-990原子吸收分光光度计测定）和Ca、Mg、Fe、Cu、Zn含量（TAS-990原子吸收分光光度计测定），总养分含量为所有元素（N、P、K、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn）相加的总和。

1.4.4 发芽指数测定 取过滤后的发酵液体2 mL，与去离子水混合稀释（体积比1∶10），然后取5 mL稀释液注入有滤纸的培养皿内，均匀放入10粒饱满的黄瓜种子，用去离子水作空白对照。在25 ℃培养箱中培养48 h后计算种子发芽率并测量根长，然后计算种子的发芽指数（杨鹏 等，2013）。每个样品3次重复。

式中，GI为发芽指数（%）；G为处理种子发芽率（%）；L为处理种子根长（cm）；G0为对照种子发芽率（%）；L0为对照种子根长（cm）。

1.5 数据处理与分析

所有数据均采用Excel软件处理，利用SPSS 17.0软件进行方差分析和单因素显著性分析（Duncan新复极差法）。

2 结果与分析

2.1 不同发酵处理对蔬菜废弃物降解率的影响

每天定时搅拌，观察蔬菜残株鲜样的降解情况，发现C/N为20∶1的处理1、4、7固体降解较快，在发酵27 d后，这3个处理的蔬菜残株降解效果非常明显。此时取样计算各处理中蔬菜废弃物的降解率，并以此表征蔬菜秸秆发酵降解的程度。从表3可以看出，C/N为20∶1的处理1、4、7降解率分别达到了83.61%、89.53%和93.02%，明显高于其他处理。本试验中处理7（A3B1C2）的降解率最大，即固水比1∶9+C/N 20∶1+秸秆发酵菌剂的蔬菜废弃物降解效果最好。而正交优化最佳条件为A3B1C3，即固水比1∶9+C/N 20∶1+胶质芽孢杆菌处理的蔬菜废弃物降解效果最好。

采用极差分析法比较3个参数对蔬菜残株降解效果的作用大小，从表3可以看出，A、B、C 3个因素对应的R值分别为7.70、24.58和0.60，3个因素的主次顺序为B＞A＞C，说明在这3个因素中，影响降解效果的首要因素是C/N。

为进一步论证极差分析结果，采用更加精确的方差分析，结果如表4所示，A、B、C 3个因素对应的F值分别为24.108、312.352和0.142，根据F值大小，可确定因素主次顺序为B＞A＞C。与直观分析（R值的大小）结果相一致。

表3 蔬菜残株降解率正交试验结果

表4 蔬菜残株降解率方差分析结果

2.2 不同发酵处理pH和EC值动态变化

pH是影响微生物活性的重要因素之一，过高或过低都会影响微生物的新陈代谢从而使其活性降低，影响蔬菜废弃物降解效果。微生物繁殖的适宜pH一般是中性或者弱碱性。由图1可知，C/N为20∶1的3个处理（处理1、4、7）pH随着发酵进程均呈现先降低后升高再降低再升高的趋势，其余处理pH呈先降低后升高再急剧降低最后趋于平缓的趋势。整个发酵过程中，处理1、4、7的pH均明显高于其他处理。在发酵后0～3 d，所有处理的pH均下降，出现明显的产酸阶段。在发酵后3～9 d，pH先上升后下降，推测是由于有机酸进一步分解转化并伴随一定量的NH4+-N产生，pH升高；随着发酵的持续进行，氨挥发，致使pH下降（杨鹏等，2013）；与其他处理相比，处理1、4、7的pH变化幅度较小。在发酵9 d后，处理1、4、7的pH均呈现平稳再缓慢增长的变化，其中处理7的发酵液体pH从6.6上升至8.0，并始终高于处理1和4；其他处理下发酵液体pH变化趋势一致，即快速下降到4.0以下（发酵后12 d），基本保持不变，这可能是由于其他处理发酵初期碳量过高，微生物需经过多次代谢才能消化过量的碳，降解速率慢，有机酸积累。

EC值一定程度上能反映溶液中的可溶性盐含量。从图1可以看出，各处理EC值随着发酵的持续进行呈升高-平缓-缓慢升高-趋于平缓的趋势，即在发酵后0～3 d，所有处理EC值明显升高，其中处理1变化幅度较大；发酵3～12 d，除处理8外，其他处理EC值均呈平缓-缓慢升高趋势；发酵后12 d至结束，所有处理EC值都趋于平缓。同时，图1结果显示，固水比越大，发酵前期发酵液体EC值的增幅越大，固水比为3∶7的处理EC值在7.8～11.0 mS·cm-1之间，固水比为2∶8的处理EC值在6.4～10.0 mS·cm-1之间，固水比为1∶9的处理EC值在4.7～4.9 mS·cm-1之间。综上所述，EC值主要受固水比影响，固体量对EC值的升高效应大于C/N和外源微生物菌剂的作用。

2.3 不同发酵处理对产物养分含量的影响

发酵结束时，测定发酵液体中的大量元素（N、P、K）和中、微量元素（Ca、Mg、Fe、Cu、Zn）含量。从表5可知，不同处理发酵液体中均含有一定量的营养元素，可供植物吸收利用，为植物生长发育提供一定的营养。各处理之间养分含量存在差异，处理1的总N含量显著高于其他处理；处理3的水溶性P和水溶性K含量显著高于其他处理；处理7的Ca、Mg、Fe、Cu含量显著低于其他处理。大量元素N、P、K的含量对总养分含量起主要作用，其中水溶性K含量的贡献最大，各处理间总养分含量差异规律与水溶性K一致。

图1 不同处理发酵液体pH、EC值变化

表5 不同处理发酵液体中的养分含量 μg·mL-1

从表6可以看出，本试验中处理3（A1B3C3）的产物总养分含量最高，即固水比3∶7+C/N 35∶1+胶质芽孢杆菌处理。而正交优化最佳条件为A1B2C3，即固水比3∶7+C/N 27.5∶1+胶质芽孢杆菌处理的蔬菜废弃物降解效果最好。采用极差分析法深入分析影响产物总养分含量的主要因素，A、B、C 3个因素对应的R值分别为2 791.8、1 447.3和212.6，说明在这3个因素中，影响产物养分含量的首要因素是固水比（A）。固水比为3∶7的处理发酵后产物养分指标优于其他处理，更有利于发酵产物肥效的提高。

2.4 不同发酵处理对产物发芽指数的影响

发芽指数（GI）是目前公认的可靠、有效和能直接反映发酵产品生物毒性的指标。从表7可知，处理1、4、7（C/N为20∶1）的发芽指数较大，分别为117.4%、89.8%、86.3%，其中处理1的发芽指数显著高于除处理4外的其他处理，说明固水比3∶7+C/N 20∶1+发酵剂的处理更有利于降低发酵产物里含有的对植物有抑制作用的物质。

表6 产物总养分含量的正交分析结果

表7 不同处理发酵液的发芽指数 %

3 结论与讨论

蔬菜废弃物发酵是指在多种微生物协同作用下，分解生成小分子有机物、无机物等分解产物的过程。该过程中影响微生物活性的参数会直接影响蔬菜废弃物的降解效果和产物质量。发酵物中的碳源和氮源都是微生物生长的营养元素，碳源主要提供代谢能量，氮源主要合成自身生命体的重要成分（细胞原生质）（江君，2012；赵龙彬，2016）；水分是微生物新陈代谢所必需的条件之一（魏洪飞 等，2011），为微生物的活动提供环境；添加外源微生物菌剂会在一定程度上增加微生物的数量，故C/N、固水比和微生物菌剂会影响发酵过程中微生物活动，进而影响蔬菜废弃物的降解效果。研究表明，在猪粪麦秸堆肥工艺中，C/N为20∶1的处理可挥发性固体降解率明显高于其他处理，且高温时间超过5 d，容易实现高温、快速好氧堆肥（吕黄珍 等，2008）；在蔬菜废弃物沤肥中，固水比为3∶7的白菜废弃物处理总N含量高（李吉进 等，2012）；接种微生物秸秆腐熟剂能使蔬菜副产物堆肥时间缩短（劳德坤 等，2015）。本试验选取这3个参数，设计三因素三水平的正交试验，计算降解率，并进一步对其进行极差和方差分析，结果表明，影响蔬菜残株降解的首要因素是C/N，其次是固水比，微生物菌剂的作用较小。本试验降解率最高的组合为处理7，即固水比1∶9、C/N为20∶1、添加秸秆发酵菌剂，而正交优化的最佳条件为A3B1C3，即固水比1∶9+C/N 20∶1+胶质芽孢杆菌处理，还需对最优组合进行验证试验。

蔬菜废弃物富含营养成分，其中含糖类和半纤维素75%，纤维素9%，木质素5%，以干基计算含氮量为3%～4%，含磷量为0.3%～0.5%，含钾量为1.8%～5.3%（黄鼎曦 等，2002）。这些营养成分经微生物分解成小分子，部分转移到发酵液体中，再供植物吸收利用。本试验中，所有处理发酵液体均含有N、P、K、Ca和Mg等营养元素，可为植物生长发育提供营养，这与李吉进等（2012）利用蔬菜废弃物沤制所得液体有机肥中含有N、P、K等营养元素的结论一致。此外，受发酵参数的影响，各处理之间养分含量存在差异，且总体受固水比影响较大，即固水比越大养分含量越高。其中处理3的总养分含量最高，但处理1的总N含量最高，其原因可能是发酵过程中C/N为35∶1的处理氨挥发较多，氮素损失相对较严重，且水溶性P和K对总养分含量贡献较大，但P和K都不具挥发性（宋彩红 等，2013）。在整个发酵过程中，发酵液体温度基本与室温相同，没有经历一定时间的高温阶段，故发酵结束时，对所有处理发酵液体进行毒性检验（发芽指数检测），结果表明，C/N为20∶1的3个处理发芽指数都大于80%，且处理1最大。研究表明，当发芽指数（GI）≥50%，发酵液体基本无毒性（化党领 等，2011；杨宁 等，2015）；当GI≥80%时，发酵液体对作物没有毒性（夏炜林 等，2006；Tognetti et al.，2007；杨列 等，2012；朱新梦 等，2017）。因此，认为本试验中C/N为20∶1的3个处理所得发酵液体对作物没有毒性。

固体废弃物液态化处理是蔬菜废弃物资源化、无害化的较好途径之一，其操作工艺简单，发酵后产物配施方便，可实现现代化农业园区轻简化、自动化、一体化管理。发酵27 d后，综合降解率、养分含量和发芽指数，蔬菜废弃物降解的较优组合 包 括 A1B1C1、A1B2C3、A3B1C2、A3B1C3等， 最优组合有待进一步筛选。本试验的供试材料以叶菜废弃物为主，可为叶菜类蔬菜废弃物降解情况提供理论支持。由于果菜类秸秆废弃物和叶菜废弃物所含木质素、纤维素、半纤维素等营养成分有很大差别，故果菜类废弃物的降解参数数值有待进一步优化。