甜葉菊苷提取下腳料固體發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. 河海大學農業工程學院/南方地區高效灌排與水土環境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2. 江蘇師范大學地理測繪與城鄉規劃學院，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］。甜葉菊苷生產提取過程中，產生大量粉碎的甜葉菊殘渣；同時，采用鐵鹽或鋁鹽等無機低分子作為絮凝劑、以石灰為助凝劑提取甜葉菊苷，產生大量廢泥［2-4］。中小規模的甜葉菊苷生產廠年產下腳料可達萬噸，規模大的可達數十萬噸。廢棄的下腳料在長期堆置后產生惡臭，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生置換作用［6］，可用于中和鈉鹽土。若簡單施用到農田會造成嚴重燒苗，同時有鐵鹽毒害的風險，大量甜葉菊苷提取下腳料對環境構成嚴重的威脅。

目前針對甜葉菊〔Stevia rebaudiana （Bertoni）Hemsl.〕的文獻多聚焦于種植管理、絮凝劑選取以及生產工藝優化等方面［7-11］，甜葉菊苷提取后的甜葉菊渣和板框泥的循環利用研究則極少。趙磊等在2018年對甜葉菊廢渣進行提取，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］。有機固體廢棄物的靜態條垛式固體發酵所需設備簡單，成本投資較低［13］，適合中小型企業應用，因此，研發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，土壤養分低，容重大，易板結，嚴重制約作物生長［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生置換作用，形成易溶于水的絡合物，可隨灌溉水進入耕作層以下，達到降鹽洗鹽的效果［15］。本研究以江蘇省蘇北地區東臺市為研究區，沿海灘涂鈉鹽土為改良土壤，集中回收該地區生產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，混合均勻后進行固體發酵工藝的優化，優化出一種節省人力、效果最優的快速發酵腐熟方式，增加其利用途徑，能夠快速消納企業生產中產生的固體廢棄物，為農業固體廢棄物循環利用的產業化生產以及條垛式固體發酵技術提供一條行之有效的思路；發酵腐熟后制成鹽土改良基，用于青椒育苗基質及鹽土實驗，研制出一種基于甜葉菊渣循環利用的無毒無害綠色有機復合鹽土改良基，用于鈉鹽土改良、綠化基質、農業有機肥、苗木基質、育苗育秧基質等效果研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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

1.2 試驗方法

1.2.1 甜葉菊苷提取下腳料固體發酵試驗 試驗于2017年12月5日于江蘇生久農化有限公司肥料部進行。回收利用的甜葉菊苷和雞糞，有機質含量較高，氮磷鉀含量較低；板框泥的有機質是甜葉菊苷和雞糞的50%，氮磷鉀含量偏低。結合微生物學、生物學背景知識，為了追求長時間的高溫發酵以及堆肥腐熟效率，根據不同的配料種類和比例，甜葉菊苷下腳料固體發酵基質設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，固體發酵初始理化性狀見表2，采用有機肥國標法測定氮磷鉀［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日用翻拋機進行翻拋。

表1 下腳料發酵基質理化性狀

表2 固體發酵基質初始理化性狀

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， 質量法測基質含水量（圖1）。截面不同部位基質樣品與去離子水按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，每個處理重復測定3次。

圖1 條垛取樣點示意圖

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

表3 盆栽育苗試驗設計

1.3 鹽土改良基生物性能測定

鹽土改良試驗區在江蘇省東臺市新圍墾灘涂，選用條子泥灘涂墾區重鹽地土壤，該土壤肥力低下，含鹽量高、易反鹽，板結嚴重，土壤團聚體大，水分入滲困難，原狀土壤理化性質見表4。本研究施用配制的鹽土改良基進行青椒育苗，青椒生長對外部環境要求高，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，檢測該改良基促進作物生長的效果。

試驗數據用SPSS 19.0統計軟件進行方差分析，差異顯著性比較采用Duncan's 新復極差法，繪圖使用 Microsoft Excel、Origin9.5和ArcGIS10.2等軟件。

表4 原狀鹽土理化性質及其改良試驗設計

2 結果與分析

2.1 甜葉菊苷提取下腳料固體發酵過程中溫度的變化

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

圖 2 發酵周期內各處理堆體溫度變化

2.2 甜葉菊苷提取下腳料固體發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，發酵堆置過程中水分不易揮發，含水量較大時達80%［19］，溫度不易控制，堆肥過程中產能沒有得到有效利用，不利于有機固體廢棄物快速堆肥發酵。本研究在檢測發酵過程中常規溫度的同時，對5個堆肥體橫截面的空間溫度進行了檢測，從溫度的空間變異性可以推斷出堆肥體內部的發酵效果，以優化甜葉菊苷下腳料固體發酵工藝。研究使用GIS軟件中不規則三角網（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小［21］。從圖3可以看出，固體發酵過程中處理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，處于最適發酵溫度；低溫區域一般在堆體下層0～1.5 m處，溫度未達到常規發酵溫度。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，發酵堆體整體處于較高溫度，微生物的酶活性較高，發酵效果最佳。

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酵過程中基質含水量的變化

水分在固體發酵過程中發揮著顯著作用。水能溶解有機物，參與微生物的新陳代謝，且水分蒸發吸熱可降低堆肥溫度［22］。如含水量過低，細菌的代謝作用會極大地減緩甚至停止；含水量過高，則堆體內空間變小，通氣性變差，易形成微生物發酵的厭氧狀態，產生臭味，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，有機物分解速率降低［24］。本試驗檢測含水量的時間為2017年12月13～25日，于第2次翻拋后出現一個谷峰，含水量除處理T1外均降到最佳發酵含水量范圍內，隨著堆肥時間變長，含水量逐步升高后趨于穩定（圖4）。其中，處理T1的含水量在發酵周期內均大于65%，高于最佳含水量，且持續7 d含水量大于70%，不利于堆肥固體發酵［25］；處理T3在整個發酵周期內均處于或最接近最佳發酵含水量，堆肥發酵效果較好。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，且在最適發酵含水量范圍內，中間發酵效果較好，除處理T4外其他處理含水量呈“S”型規律變化。

圖4 發酵周期內各處理堆體水分變化

圖5 發酵周期內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酵過程中基質吸光度的變化

腐殖質化指堆肥化中的有機質經過礦化、腐殖化過程最后達到穩定的程度［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，被土壤學家廣泛應用于土壤有機物腐殖質化研究［27］。E4/E6與腐殖酸分子數量無關而與腐殖酸分子大小或分子的縮和度大小有直接關系，通常隨腐殖酸分子量的增加或縮合度增大而減小，是反映固體發酵過程合成的腐殖酸效果的一個重要指標［28］，最佳E4/E6值在1.5～1.9之間［29］。圖6顯示，經過一段時間堆肥后，5個處理間的E4/E6值變化規律并不明顯，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，說明其經過有機物料培肥后，堆肥料中胡敏酸的芳構化程度有所減弱，該比例堆肥料的胡敏酸減少，腐殖酸分子量變小，逐漸變為結構簡單的胡敏酸，使腐殖質的活性提高［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 發酵周期內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的重要指標［31］。綜合6個處理檢測指標溫度、水分、吸光度及其物理性狀對比，處理T3是實驗腐熟效果最佳處理，配比為甜葉菊渣、板框泥、新鮮雞糞按照3∶3∶1。取處理T3發酵成品（成品3）進行青椒育苗試驗，結果（表6）顯示，對照與不同處理生物學性狀之間有顯著差異，成品3能顯著促進青椒苗壯根，促進地上部、地下部生長發育，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。說明每盆基質添加550 g成品3對青椒的生物學性狀均有促生作用，即每667 m2農地施用5 000 kg成品3有機肥效果最佳。從圖8可以看出，施肥后青椒從種植到苗期結束這段時間，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，且達到顯著水平，該鹽土改良基可降低土壤含鹽量，促進作物生長，提高作物品質。

圖8 不同鹽土改良基處理的土壤含鹽量變化

3 結論與討論

靜態條垛式堆肥是固體發酵最常規的方法，其腐熟度可通過溫度、水分、吸光度等指標測定［25］。本研究基于條垛式堆料固體發酵中的常規水分變化、條垛橫截面水分變化、常規溫度變化、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條垛式堆肥的腐熟程度、固體發酵過程中機器翻拋的最佳時間，鹽土改良基對青椒育苗的影響及土壤降鹽效果。

在常規條垛式固體發酵過程中，當肥料升溫至60～65℃后升溫速度很慢甚至不再升溫時可進行機器翻拋，針對條垛式固體發酵周期過長，本研究節省了機器損耗次數也節省了油耗和人力。溫度和含水量是固體發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%為最佳發酵溫度和水分范圍，發酵效果最好，可為日后生產中常規堆肥固體發酵溫度控制提供理論基礎。條垛堆肥含水量和溫度呈正相關關系，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“S”型變化規律，表明不同高度的堆料腐熟度不同，固體發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酵范圍的持續時間最長，可為常規固體發酵條垛式堆肥的最佳發酵高度。5個固體發酵處理中，處理T1、T2、T4、T5等4個處理溫度過高或者含水量過高，不利于堆肥固體發酵，而處理T3升溫速度最快，處于最適發酵含水量的周期最長，且吸光度比值接近最優比例，說明1∶1比例的甜葉菊渣和板框泥+15%雞糞為最佳發酵比例，該基質配比可為甜葉菊苷提取下腳料的資源利用提供推廣技術參考。

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際生產試驗中，可促進青椒育苗基質的生長，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的青椒品質最佳，降鹽效果最明顯，即每667 m2農地施用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利用的有機復合鹽土改良基，可用于鈉鹽土改良、綠化基質、農業有機肥、苗木基質、育苗育秧基質等效果研究，以實現該資源的最大化利用。