以核桃青皮为主要原料的有机肥发酵工艺研究

龙思帆， 王 丽*， 李 堃， 贺 静

(1.四川省林业科学研究院， 成都 610041； 2.农业农村部沼气研究所， 农业农村部农村可再生能源开发利用重点实验室， 成都 610041)

林业废弃物亦称林业剩余物，包括森林采伐剩余物、木材加工剩余物及育林剪枝剩余物，统称林业“三剩物”，具有种类多、易获取、可再生、可生物降解并且含有一定养分等优点[1]。但是，长期以来, 对于林业废弃物处理方式多为丢弃或焚烧, 这不仅造成了资源的浪费而且造成了环境的严重污染[2-3]。

我国核桃种植面积和产量均居世界首位，并且近年来在政策和价格双重驱动下，各地核桃发展规模大幅增长[4]。2017年，四川省产核桃干果40.8万t，刚去青皮的核桃3斤出1斤干核桃，青皮约占核桃重量的40%～60%，由此估算四川省核桃一年的产量122.4万吨左右，青皮的产量预估在48.96～73.44万吨，由此可见，核桃青皮的产量巨大。然而，在核桃果实采摘后，脱落的核桃青皮就会被当做垃圾丢弃在田间、路边或沟边，造成化感现象，影响动植物的生存[5-6]。如何合理有效对核桃青皮进行利用，是急需解决的问题。现有关于核桃青皮的研究多集中于其活性物质的提取，以及提取之后在相关领域的利用，比如用作抗氧化剂之类。核桃青皮用作堆肥材料的相关研究还较少。

为了实现资源的合理再利用，减少相应的环境污染，本试验以核桃青皮为主要原料，通过堆肥处理，分析这过程中的相关评判腐熟度指标的变化，以此确定最优的发酵条件，为之后生物有机肥的推广提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

新鲜核桃青皮：实验原料采自盐亭县，核桃品种是“清香”。食用菌菌渣：来自成都某食用菌生产基地。草木灰：来自某生物有限公司。具体养分含量如表1所示。

表1 试验材料基本理化性质

1.2 试验设计

在室外通过配比不同的堆肥材料，在相同腐熟条件下开展为期32天的堆肥对比试验。用湿物料粉碎机分别将核桃青皮渣、食用菌菌渣粉碎至2～3 cm。按照表2进行原料配比试验处理设置，配方 1、2、3、4 分别标记为 A1、A2、A3、A4。

表2 试验材料配方比 (%)

1.3 堆肥发酵与观测记录

接种后分别堆成底部 2 m×2 m、顶部 0.5 m×0.5 m、高1.5 m 的梯形进行发酵，每隔一天翻堆一次，至发酵温度到达 60℃ 时，开始降温，当温度降到35℃ 时，停止翻堆，堆至 2～3 m 高，进入第2次腐熟阶段，15～20 d，发酵结束。发酵过程记录每个处理的起始发酵时间，每天早晚测试堆内温度1次并作记录，同时嗅闻气味情况并作记录。翻完熟后，晾晒调整含水量在25%～30%，过筛保存。

1.4 测定内容及方法

1.4.1 试验材料养分测定

总有机碳、全氮：取新鲜样风干后，粉碎、细化，并采用元素分析仪(Elementar Vario EL,德国)测定。

1.4.2 温度、含水率、pH值的测定

温度：每天早8：00，晚18：00，将堆体分成3段，每段随机选取3个点用水银温度计测定，取其平均值作为堆体的实际温度；含水率：用铝盒称取新鲜样品在105℃下烘干至恒重测定；pH值：新鲜样品和去离子水以1∶10(W/V)混合，置于水平摇床振荡1 h，静置30 min后用pH计测定。

1.4.3 种子发芽率指数的测定

取样品10 g与蒸馏水按1∶10比例混合摇匀，摇床振荡1 h，提取液离心20 min，再用滤纸过滤上清液备用。在9 cm培养皿中放置2张滤纸，在滤纸上面均匀摆放20粒玉米种子，吸取5 mL备用上清液加入培养皿中，将培养皿在黑暗条件下，25 ℃培养48 h后，计算种子的发芽率，并用游标卡尺量取种子的根长。对照组以蒸馏水作为培养液。

种子发芽指数=(堆肥处理的种子发芽率×种子根长)/(对照的种子发芽率×对照种子根长)×100%[7]

1.4.4 微生物测定

在堆肥过程中的第7、21、30天采集堆体样品,用鉴别培养基方法测定大肠杆菌菌落数。用纯化水将样品稀释1000倍，涂于麦康凯琼脂培养基，37 ℃培养18 h后培养基上形成粉红色的大肠杆菌菌落，进行单菌落计数。采用饱和硝酸钠溶液漂浮法测定蛔虫卵数量，抽滤后加甘油镜检，先在5倍镜下检查虫卵，再在40倍镜下计数。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中pH值的变化

pH值是影响堆体微生物活动的重要环境指标，是反映堆肥腐熟进程以及衡量堆肥是否腐熟的基本指标[8]。适宜的pH值有利于微生物有效地发挥作用，pH值太高和太低都会影响堆肥的发酵效率。为保证堆肥过程中菌剂中有益菌的生长，需要合理控制pH值的范围。本研究通过添加10%的草木灰完成pH值调节。在添加草木灰后，处理的pH值在5.5～7.0范围内。

通过表3可以得知，A1、A2处理未加入草木灰的处理，发酵过程中 pH 值波动加大。A3、A4处理，加入草木灰后波动较小，特别是 A3 处理，pH 值非常稳定，整个发酵过程种的 pH 值均在 6.0 左右，不需要进行酸碱度调整。整体来看加入草木灰会对 pH 值有好的调节作用，并不需额外通过添加其它试剂调节发酵基质的酸碱度。

表3 不同处理堆肥过程中pH值的变化

2.2 堆肥过程中含水率的变化

水是微生物活动必需的物质之一，水分过多或过少均能抑制微生物活动而影响堆肥发酵效果[9]。为保证发酵的顺利完成，根据生产中的物料水分要求，首先要确定物料的水分含量，本试验中按照4个原料配比方案混合均匀后，水分含量基本在50%～58%，水分过低时，加入适量水，使其达到要求湿度。其感官评判标准：手抓有水分渗出，松开即散。

图 1表明不同处理发酵过程中，湿度变化趋势基本相同，A1和A2处理波动幅度和频率加大，发酵过程中加水的量和次数较多，A3和A4处理波动幅度较少。综上所述，4 个处理中A3组的处理发酵过程中发酵机制的湿度波动最小，发酵周期短，是比较合理的发酵基质配置。其次是A2处理。

图1 不同处理堆肥过程中湿度的变化

2.3 堆肥过程中温度的变化

温度是微生物活动的必要条件，温度的变化可反映堆肥中微生物活性的变化情况以及堆肥过程所达到的状态[10]。大部分好气性微生物在 30℃～40℃活动较好[11]。通过测定堆肥发酵过程中温度的变化，从而反映出核桃青皮的腐熟过程和腐熟所需要的时间。

由图2可知，在堆肥初期，核桃青皮中的有机物在好氧微生物的作用下快速分解，释放热量，四个处理堆肥温度都呈现上升趋势。A1、A3处理最高温度到41℃，A2处理达到39℃,A4处理35.8℃。堆肥进行到21天时，温度开始降低，这可能与核桃青皮水分随着时间的推移而渗透出来，导致堆肥温度的降低。

图2 不同处理堆肥过程中温度的变化

A1、A2、A3、A4这4个处理温度在30℃以上分别维持的天数达到32天、32天、32天、29天。A1处理在39℃～41℃维持了5天，温度逐渐上升达到最高后稳定了五天，之后温度开始降低，而且堆肥过程中并未存在较大的起伏；A2处理的最高温度到40℃，最低温度30.1℃，39℃～41℃维持了3～4天，中间温度存在起伏。A3处理最高温度到41℃，最低温度35.5℃，39℃～41℃维持了20天左右，而且堆肥一开始温度便上升得比较快，后期稳定大概在39℃左右，温度降幅较低。A4处理的最高温度到35.5℃，最低温度29.1℃，这个比例的堆肥温度在堆肥期间没有明显的上升趋势。

2.4 种子发芽指数(GI)

种子发芽试验是评价不同原料堆肥腐熟程度的可靠指标，Zucconi[12]等研究认为，种子发芽指数如果GI值>50%，则堆肥基本腐熟；当GI值>80%时，堆肥已经完全腐熟，对植物无毒性；吴银宝[13]等研究表明，种子发芽指数>0.7可认为堆肥腐熟。

由图 3 可知，4个处理的GI值均高于CK处理，并随着堆肥的进行，5个处理的GI值随之升高，基本在20 d之前GI值稳定增长，15～20 d时增长最快，25 d后，基本稳定。直至堆肥结束，A1、A2、A3、A4处理的GI值最终达到84.32%、89.12%、93.27%、80.79%。说明在堆肥30天后，4个处理堆肥都已经完全腐熟。

图3 不同处理对种子发芽指数的影响

2.5 堆肥过程中微生物数量的变化

以核桃青皮为主要堆肥原料，堆肥过程中，加入草木灰后，pH值趋于稳定，并且水分降低，食用菌渣提供了丰富的碳源，散发的氨气味道不重，也无肉眼可见的蛆，经初步的镜检未发酵的堆肥原料核桃青皮中的蛔虫卵平均为2个·100 g-1，食用菌渣中的蛔虫卵平均为26个·100 g-1，草木灰中的蛔虫卵平均为3个·100 g-1，堆肥30 d后4个处理均未检测到蛔虫卵，蛔虫卵死亡率为100%。

从图4可以看出，4个处理在堆肥30 d后大肠杆菌菌落数都呈现减少趋势。A1处理大肠杆菌菌落数含量较高，原因是A1处理食用菌渣含量占比60%，C/N比在4个处理中最高，C/N对发酵过程中微生物的繁殖和活跃有关键作用[14]。A4处理大肠杆菌菌落数含量低，这是由于A4处理核桃青皮含量达90%，青皮中富含多酚、类黄酮、多糖及萘醌类等多种活性化合物，这些物质对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等具有明显的抑菌作用[15-16]。

图4 不同处理堆肥过程中大肠杆菌的变化

大肠杆菌、蛔虫卵死亡率是监测堆肥过程和无害化处理过程的重要参考指标，4个处理堆肥温度小于50℃，且维持时间小于7 d，通过大肠杆菌菌落数与蛔虫卵数量的测定结果，可以判断堆肥原料在30℃～45℃就可以发挥堆肥效果，其原因可能与低温微生物菌在起爆期迅速扩增，从而有效抑制大肠菌群的增殖有关[17]。

3 结论

以核桃青皮为主要原料的堆肥试验表明，堆肥30天后，4个处理的GI值达到80%的以上，大肠杆菌菌落数和蛔虫卵死亡率达标，堆肥均已完全腐熟。且最适宜的发酵条件为：湿度为 50%～60%；pH值为 6.0～7.5；发酵周期为23～25天；最佳配比为A3处理组，60%核桃青皮+30%食用菌渣+10%草木灰，腐熟程度高。

核桃青皮在原料中所占比例 40%～60%，均能很好地进行堆肥发酵，且选择食用菌菌渣和草木灰为辅料，一方面起到调节水分的作用，另一方面食用菌菌渣可提高C/N，同时解决透气性问题，而草木灰可用来调节pH值，简化了有机肥生产水分和pH值的工艺流程。