稻稈-花生麩發酵制備水溶性有機碳肥工藝研究

陳川雁，喻國輝，陳燕紅，宮慶友，黎永堅，袁 玲

（1.珠海市現代農業發展中心，廣東 珠海 519075；2.仲愷農業工程學院農業與生物學院/植物健康創新研究院，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，在水稻生產過程中會產生大量的副產品稻稈［1］。隨意丟棄和焚燒曾經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、交通事故等次生災害頻發。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，稻草逐漸被開發應用于生產一次性餐具、造紙、板材、生物燃料，編織用具，種植食用菌，生產飼料和肥料，或被直接還田用作有機肥［2-4］。農作物秸稈直接還田可增加土壤有機質含量，改善土壤結構，促進植物生長，提高農作物品質、產量，減少化肥用量，有利于綠色食品生產和土壤可持續發展［5-9］，但也存在纖維素、半纖維素、木質素難降解，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］。本研究利用農業廢棄物稻草和花生麩發酵制備水溶性有機碳肥，為農業廢棄物資源化提出一種新的技術措施，同時也為有機蔬菜的生產提供土壤改良和快速補充有機質的方法。【前人研究進展】堆肥發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定的腐殖質生化轉化的微生物學過程［12］。經過堆肥處理后能夠將固體廢棄物無害化、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，關鍵微生物和次級代謝產物不能最大限度發揮作用等缺陷。固體堆肥經水浸提后制成液態肥，關鍵微生物和次級代謝產物不能最大限度發揮作用等，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用前景，關于這方面的研究也逐漸受到關注，但多集中在肥效影響因素、提取液性質與成分、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、糖類等小分子物質為主，可被作物直接吸收。在種類眾多的碳素營養中，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量均一、易于施用的優點，因而更具優勢。【本研究切入點】本研究以農業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酵劑對其進行發酵處理，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支撐。【擬解決的關鍵問題】篩選適合稻草和花生麩發酵制備水溶性有機碳的發酵菌劑、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農業有限公司有機農場。稻稈干物質含量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（發酵劑）：M1，堆肥發酵菌有機物料發酵劑，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”多元循環梯級利用綜合配套發酵劑，有效菌含量≥3×108CFU/g，湖南碧野農業機械科技責任有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 固態發酵物料混合與接種 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）的混合發酵物料6 份，每份12.0 kg，然后加水調至含水量70%，高壓滅菌后冷卻至室溫，將上述6 種發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發中心實驗室常溫發酵。每個處理3 次重復。

1.2.2 堆肥發酵過程記錄和終點確定 在堆肥發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，待溫度穩定降至室溫并穩定2 d后，每個處理在堆體上、中、下部采集發酵料，混合成1 kg 的測定樣本。

1.2.3 固態發酵物料有機碳測定 按照農業行業標準（NY 525-2012）的規定測定發酵產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 發酵樣品加入100 mL 純水，在37 ℃、180 r/min 的震蕩培養箱中震蕩浸提12、24、48 h，以使發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業行業標準（GB18877-2009）的規定進行檢測［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/固態發酵物料的有機碳含量×100

試驗數據采用SPSS20 軟件進行方差分析和鄧肯新復極差多重比較分析，并使用Excel 2007版軟件作圖。

2 結果與分析

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酵劑后發酵過程的溫度變化情況見圖1。各處理溫度隨發酵時間變化總體呈上升-下降-上升-下降-微升-趨穩的趨勢，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，之后穩定維持在40 ℃左右。以M6 發酵產物的溫度變化最大，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酵劑后發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 發酵產物有機碳含量影響因素

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

表1 發酵產物有機碳含量多因素方差分析結果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6 種發酵劑發酵后，以M3 和M6 發酵產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，其發酵產物的有機碳含量為191.24 g/kg；有機碳含量最低的是M4，其發酵產物的有機碳含量僅156.33 g/kg，極顯著低于其他發酵劑的發酵產物。C/N 40∶1 稻稈-花生麩混合物經6 種發酵劑發酵后，以M4 和M3 發酵產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，其發酵產物的有機碳含量為116.97 g/kg；M1 發酵產物的有機碳含量為100.08 g/kg；含量最低的是M6，其發酵產物的有機碳含量只有78.11 g/kg。

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

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

2.3 發酵產物水溶性有機碳溶出率影響因素

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

表3 發酵產物水溶性有機碳溶出率多因素方差分析結果Table 3 Multivariate variance analysis results of water-soluble organic carbon extraction rates of fermentation products

2.3.1 不同浸提時間對發酵產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 的發酵產物，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 的發酵產物，溶出率分別為9.22%和9.04%，二者無顯著差異，但與其他發酵產物間差異顯著；水溶性碳溶出率最低的是M2 的發酵產物，其溶出率只有6.33%，但與M5、M6 發酵劑差異不顯著。浸提48 h 后，水溶性碳溶出率最高的是M4、M2 和M3 的發酵產物，溶出率分別為6.52%、6.14%、5.98%；水溶性碳溶出率最低的是M5 的發酵產物，溶出率為5.17%，與M1、M6 差異不顯著。

表4 C/N 25∶1 稻稈-花生麩發酵產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-花生麩發酵產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，其發酵產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的發酵產物，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-花生麩發酵產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 不同碳氮比對發酵產物水溶性碳溶出率的影響 由表6 可知，浸提12 h 后，各發酵劑處理的C/N 40∶1 稻稈-花生麩發酵產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 的發酵產物，溶出率低8.50 個百分點；差別最小的是M6的發酵產物，溶出率低1.25個百分點。浸提24 h 后，除M6 和M3 外，其他發酵劑處理C/N 40∶1 稻稈-花生麩發酵產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 的發酵產物，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-花生麩發酵產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 的發酵產物，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-花生麩發酵產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，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 發酵C/N 25∶1 稻稈-花生麩發酵產物浸提12 h 的提取物，達18.22 g/kg；其次是M3 發酵C/N 25∶1 稻稈-花生麩發酵產物浸提24 h 的提取物，溶出量為17.87 g/kg；溶出量最低的是牛糞發酵C/N 40∶1 稻稈-花生麩發酵產物浸提12 h 的提取物，只有1.68 g/kg。

表7 不同發酵劑不同碳氮比稻稈-花生麩發酵產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 不同發酵劑對發酵產物有機碳含量和浸提產物水溶性碳浸提率的效應

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

3.2 不同浸提時間對發酵產物水溶性碳浸提率的影響

接種相同發酵劑后，發酵產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酵25∶1 稻稈-花生麩，發酵產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，牛糞除臭劑發酵菌、堆肥發酵劑、粗纖維降解腐熟劑和高活性秸稈發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，以接種堆肥發酵劑的降幅最大，其次是牛糞除臭劑發酵菌和高活性秸稈發酵劑，降幅最小的是粗纖維發酵劑。說明浸提時間影響發酵產物水溶性碳浸提率，這與徐大兵等［14］的研究結果一致。

3.3 不同碳氮比對發酵產物有機碳含量和水溶性碳浸提率的影響

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

4 結論

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