甜叶菊苷提取下脚料固体发酵制备盐土改良基研究

程 瑶，李修能 ，马吴成 ，张 欢 ，韩 瑞，张忠启

（1. 河海大学农业工程学院/南方地区高效灌排与水土环境教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2. 江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院，江苏 徐州 221116）

甜叶菊苷是继蔗糖、甜菜糖之后的第三大糖源，因其甜度高热量低而被广泛用作甜味剂［1］。甜叶菊苷生产提取过程中，产生大量粉碎的甜叶菊残渣；同时，采用铁盐或铝盐等无机低分子作为絮凝剂、以石灰为助凝剂提取甜叶菊苷，产生大量废泥［2-4］。中小规模的甜叶菊苷生产厂年产下脚料可达万吨，规模大的可达数十万吨。废弃的下脚料在长期堆置后产生恶臭，污染周围的空气，且其渗出液会对水源造成一定程度的污染［5］。甜叶菊苷下脚料含有大量的颗粒性秸秆粉碎物、高浓度的亚铁离子、钙离子，是少毒无害天然植物原料，其含盐量低，约为0.8 g/kg，且钙离子与交换性钠盐易发生置换作用［6］，可用于中和钠盐土。若简单施用到农田会造成严重烧苗，同时有铁盐毒害的风险，大量甜叶菊苷提取下脚料对环境构成严重的威胁。

目前针对甜叶菊〔Stevia rebaudiana （Bertoni）Hemsl.〕的文献多聚焦于种植管理、絮凝剂选取以及生产工艺优化等方面［7-11］，甜叶菊苷提取后的甜叶菊渣和板框泥的循环利用研究则极少。赵磊等在2018年对甜叶菊废渣进行提取，研制抗氧化和抗炎作用的药剂，并未涉及对大部分下脚料资源利用的方法［12］。有机固体废弃物的静态条垛式固体发酵所需设备简单，成本投资较低［13］，适合中小型企业应用，因此，研发简单易行的高效处理甜叶菊苷提取下脚料的工艺十分重要。江苏滩涂盐土属于钠土，含盐量在1.2～2.7 g/kg之间，土壤养分低，容重大，易板结，严重制约作物生长［14］。甜叶菊苷下脚料含有含有大量的亚铁离子与钙离子，可激活盐土中被固化的钙离子，钙离子通过交换作用与钠离子发生置换作用，形成易溶于水的络合物，可随灌溉水进入耕作层以下，达到降盐洗盐的效果［15］。本研究以江苏省苏北地区东台市为研究区，沿海滩涂钠盐土为改良土壤，集中回收该地区生产甜菊糖过程中下脚料甜叶菊渣和板框泥，按照5种不同比例，加入新鲜鸡粪，混合均匀后进行固体发酵工艺的优化，优化出一种节省人力、效果最优的快速发酵腐熟方式，增加其利用途径，能够快速消纳企业生产中产生的固体废弃物，为农业固体废弃物循环利用的产业化生产以及条垛式固体发酵技术提供一条行之有效的思路；发酵腐熟后制成盐土改良基，用于青椒育苗基质及盐土实验，研制出一种基于甜叶菊渣循环利用的无毒无害绿色有机复合盐土改良基，用于钠盐土改良、绿化基质、农业有机肥、苗木基质、育苗育秧基质等效果研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用甜叶菊渣和板框泥等固体废弃物采自江苏生久农化有限公司，甜叶菊渣、板框泥等下脚料的基本理化性质见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 甜叶菊苷提取下脚料固体发酵试验 试验于2017年12月5日于江苏生久农化有限公司肥料部进行。回收利用的甜叶菊苷和鸡粪，有机质含量较高，氮磷钾含量较低；板框泥的有机质是甜叶菊苷和鸡粪的50%，氮磷钾含量偏低。结合微生物学、生物学背景知识，为了追求长时间的高温发酵以及堆肥腐熟效率，根据不同的配料种类和比例，甜叶菊苷下脚料固体发酵基质设5个处理：纯甜叶菊渣（空白对照，T1），甜叶菊渣和新鲜鸡粪按9∶1比例混匀（T2），甜叶菊渣、板框泥、新鲜鸡粪按3∶3∶1比例混匀（T3），甜叶菊渣、板框泥、新鲜鸡粪按6∶3∶1比例混匀（T4），甜叶菊渣、板框泥、新鲜鸡粪按3∶1∶1比例混匀（T5）。每个处理3次重复，固体发酵初始理化性状见表2，采用有机肥国标法测定氮磷钾［16］。每个条垛长15. m、宽约1.2 m、高0.6 m，条跺中心间隔均匀插入3个温度计，待堆温下降时，于2017年12月20日用翻抛机进行翻抛。

表1 下脚料发酵基质理化性状

表2 固体发酵基质初始理化性状

用温度计测定条垛横截面0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 处 温 度， 质量法测基质含水量（图1）。截面不同部位基质样品与去离子水按1∶40（W︰W）混合，室温条件下以120 r/min的速率震荡0.5 h后滤纸过滤，测定465 nm和665 nm处的吸光度比值，每个处理重复测定3次。

图1 条垛取样点示意图

1.2.2 甜叶菊苷提取下脚料固体发酵肥料试验测定最佳腐熟处理成品不同施用量对青椒育苗生物学特性的影响［17］。综合固体发酵效果，以处理3发酵成品（成品3）用于青椒育苗基质培育试验，根据不同的配料，设6个处理（表3）。地上地下干鲜重采用质量法、茎粗和株高用游标卡尺测量，叶片面积使用网格法，土壤肥力指标使用土壤农化测试方法［18］。

表3 盆栽育苗试验设计

1.3 盐土改良基生物性能测定

盐土改良试验区在江苏省东台市新围垦滩涂，选用条子泥滩涂垦区重盐地土壤，该土壤肥力低下，含盐量高、易反盐，板结严重，土壤团聚体大，水分入渗困难，原状土壤理化性质见表4。本研究施用配制的盐土改良基进行青椒育苗，青椒生长对外部环境要求高，差异性显著，可利用青椒的生长性状测定其对改良盐土，减少青椒盐胁迫，检测该改良基促进作物生长的效果。

试验数据用SPSS 19.0统计软件进行方差分析，差异显著性比较采用Duncan's 新复极差法，绘图使用 Microsoft Excel、Origin9.5和ArcGIS10.2等软件。

表4 原状盐土理化性质及其改良试验设计

2 结果与分析

2.1 甜叶菊苷提取下脚料固体发酵过程中温度的变化

从图2可以看出，固体发酵1 d以处理T1温度最高，处理T4与T5相近；发酵2 d，除处理T2外，其他处理迅速升温；发酵7 d，各处理温度均达到峰值；发酵14 d进行第1次翻抛，当天温度骤降，发酵17 d后5个处理堆料升温至50℃并持续4～5 d。其中，处理T1堆肥升温最快且温度持续时间最长，约为处理T2的两倍；处理T2并未达到最适堆肥温度，说明其发酵效率低，腐熟度低；处理T4、T5发酵初期升温速率较快，翻抛后升温速度变慢，发酵速度延缓，发酵不够充分；处理T3初期温度低于处理T1、T4和T5，翻抛后温度持续升高，达到60℃且处于60℃的周期最长，为5个条垛中发酵温度最佳的处理。

图 2 发酵周期内各处理堆体温度变化

2.2 甜叶菊苷提取下脚料固体发酵过程中堆体剖面温度的空间变异性

由于堆体体积较大、通气性不高，发酵堆置过程中水分不易挥发，含水量较大时达80%［19］，温度不易控制，堆肥过程中产能没有得到有效利用，不利于有机固体废弃物快速堆肥发酵。本研究在检测发酵过程中常规温度的同时，对5个堆肥体横截面的空间温度进行了检测，从温度的空间变异性可以推断出堆肥体内部的发酵效果，以优化甜叶菊苷下脚料固体发酵工艺。研究使用GIS软件中不规则三角网（TIN）方法绘制温度等值线图，通过等值线的疏密可直观地判断温度在填埋体中的不均匀性程度［20］。等值线越密集，温度变异性越大；反之，等值线越稀疏温度变异性越小［21］。从图3可以看出，固体发酵过程中处理T1的等值线最稀疏，表明其温度空间变异性最小，而处理T5的温度空间变异性最大。堆体高温中心一般在堆体中层3～4.5 m处，处于最适发酵温度；低温区域一般在堆体下层0～1.5 m处，温度未达到常规发酵温度。通过温度剖面等值线密集度判断，处理T3的温度剖面等值线密度接近处理T5，发酵堆体整体处于较高温度，微生物的酶活性较高，发酵效果最佳。

图3 堆体剖面上温度等值线分布

2.3 甜叶菊苷提取下脚料固体发酵过程中基质含水量的变化

水分在固体发酵过程中发挥着显著作用。水能溶解有机物，参与微生物的新陈代谢，且水分蒸发吸热可降低堆肥温度［22］。如含水量过低，细菌的代谢作用会极大地减缓甚至停止；含水量过高，则堆体内空间变小，通气性变差，易形成微生物发酵的厌氧状态，产生臭味，减慢降解速度，延长堆腐时间［23］。含水量在40%～60%为最佳，该范围内微生物分解速度最快；含水量小于20%，微生物的活动基本停止；含水量超过70%，温度难以上升，有机物分解速率降低［24］。本试验检测含水量的时间为2017年12月13～25日，于第2次翻抛后出现一个谷峰，含水量除处理T1外均降到最佳发酵含水量范围内，随着堆肥时间变长，含水量逐步升高后趋于稳定（图4）。其中，处理T1的含水量在发酵周期内均大于65%，高于最佳含水量，且持续7 d含水量大于70%，不利于堆肥固体发酵［25］；处理T3在整个发酵周期内均处于或最接近最佳发酵含水量，堆肥发酵效果较好。从图5可以看出，5个条垛30～40 cm高处的含水量均高于其他截面，以10～20 cm高处含水量最低，且在最适发酵含水量范围内，中间发酵效果较好，除处理T4外其他处理含水量呈“S”型规律变化。

图4 发酵周期内各处理堆体水分变化

图5 发酵周期内各处理堆体截面水分变化

2.4 甜叶菊苷提取下脚料固体发酵过程中基质吸光度的变化

腐殖质化指堆肥化中的有机质经过矿化、腐殖化过程最后达到稳定的程度［26］。堆肥腐殖酸在波长465 nm和665 nm处有特异的吸收峰，465 nm和665 nm吸光度比值称为E4/E6，被土壤学家广泛应用于土壤有机物腐殖质化研究［27］。E4/E6与腐殖酸分子数量无关而与腐殖酸分子大小或分子的缩和度大小有直接关系，通常随腐殖酸分子量的增加或缩合度增大而减小，是反映固体发酵过程合成的腐殖酸效果的一个重要指标［28］，最佳E4/E6值在1.5～1.9之间［29］。图6显示，经过一段时间堆肥后，5个处理间的E4/E6值变化规律并不明显，但处理T5的整个截面E4/E6值较大，且变化幅度较大；处理T3、T4的E4/E6值更接近于最适比例，说明其经过有机物料培肥后，堆肥料中胡敏酸的芳构化程度有所减弱，该比例堆肥料的胡敏酸减少，腐殖酸分子量变小，逐渐变为结构简单的胡敏酸，使腐殖质的活性提高［30］。5个处理表层E4/E6值差距不大，均呈“S”型曲线变化；堆肥最底层10 cm处，处理T1（对照）与其余4个处理差距较大，达到显著水平（图7）。从表5可以看出，处理T2、T3、T4、T5的吸光度与处理T1（对照）的差异均达到极显著水平，吸光度在深度整体上差异显著，但每个处理与深度的交互影响并不显著。

图6 发酵周期内各个处理截面吸光度变化

图7 不同处理10cm处吸光度比值

表5 堆肥处理与吸光度的方差分析

2.5 盐土改良基对盐土栽种青椒的影响

表6 施用盐土改良基对青椒生物学性状的影响

根系是植物最重要的吸收器官。青椒的育苗生长过程中，壮根极为重要，地上地下干鲜重、茎粗、株高、叶片面积是青椒品质的重要指标［31］。综合6个处理检测指标温度、水分、吸光度及其物理性状对比，处理T3是实验腐熟效果最佳处理，配比为甜叶菊渣、板框泥、新鲜鸡粪按照3∶3∶1。取处理T3发酵成品（成品3）进行青椒育苗试验，结果（表6）显示，对照与不同处理生物学性状之间有显著差异，成品3能显著促进青椒苗壮根，促进地上部、地下部生长发育，显著提高青椒株高、茎粗，增大叶片面积，提高地上、地下部干鲜重。成品3对青椒的壮苗有显著效果，添加220 g成品3（处理T5）对青椒株高有显著影响，添加550 g成品3（处理T6）对青椒促生效果显著，对茎粗有显著影响。说明每盆基质添加550 g成品3对青椒的生物学性状均有促生作用，即每667 m2农地施用5 000 kg成品3有机肥效果最佳。从图8可以看出，施肥后青椒从种植到苗期结束这段时间，土壤含盐量变化明显，其中未添加任何改良基对照（T1）的土壤含盐量升高近40% （P＜0.05），除处理T5外，其他处理土壤含盐量均明显减少，且达到显著水平，该盐土改良基可降低土壤含盐量，促进作物生长，提高作物品质。

图8 不同盐土改良基处理的土壤含盐量变化

3 结论与讨论

静态条垛式堆肥是固体发酵最常规的方法，其腐熟度可通过温度、水分、吸光度等指标测定［25］。本研究基于条垛式堆料固体发酵中的常规水分变化、条垛横截面水分变化、常规温度变化、条垛横截面温度变化、条垛横截面吸光度变化，研究甜叶菊苷下脚料常规条垛式堆肥的腐熟程度、固体发酵过程中机器翻抛的最佳时间，盐土改良基对青椒育苗的影响及土壤降盐效果。

在常规条垛式固体发酵过程中，当肥料升温至60～65℃后升温速度很慢甚至不再升温时可进行机器翻抛，针对条垛式固体发酵周期过长，本研究节省了机器损耗次数也节省了油耗和人力。温度和含水量是固体发酵堆肥腐熟的重要决定因素，两因素相互影响，本研究中温度50～60℃、含水量45%～55%为最佳发酵温度和水分范围，发酵效果最好，可为日后生产中常规堆肥固体发酵温度控制提供理论基础。条垛堆肥含水量和温度呈正相关关系，堆料的竖截面表层、底层的含水量和温度均高于60、10 cm处的位置，均呈现“S”型变化规律，表明不同高度的堆料腐熟度不同，固体发酵过程中堆体不宜过高或者过低，中间层30 cm处，含水量以及温度处于最佳发酵范围的持续时间最长，可为常规固体发酵条垛式堆肥的最佳发酵高度。5个固体发酵处理中，处理T1、T2、T4、T5等4个处理温度过高或者含水量过高，不利于堆肥固体发酵，而处理T3升温速度最快，处于最适发酵含水量的周期最长，且吸光度比值接近最优比例，说明1∶1比例的甜叶菊渣和板框泥+15%鸡粪为最佳发酵比例，该基质配比可为甜叶菊苷提取下脚料的资源利用提供推广技术参考。

1∶1比例的甜叶菊渣和板框泥+15%鸡粪的改良基成品投入实际生产试验中，可促进青椒育苗基质的生长，对青椒的株高、茎粗、叶片面积、地上地下干鲜重均有促生作用，每盆施用550 g成品3的青椒品质最佳，降盐效果最明显，即每667 m2农地施用5 000 kg改良基效果最佳。本研究成功研制出一种基于甜叶菊苷提取下脚料循环利用的有机复合盐土改良基，可用于钠盐土改良、绿化基质、农业有机肥、苗木基质、育苗育秧基质等效果研究，以实现该资源的最大化利用。