澳洲坚果果皮发酵生产有机肥初步研究

宋海云，肖海艳，张 涛，贺 鹏，郑树芳，许 鹏，韦媛荣，王文林

（广西南亚热带农业科学研究所，广西崇左 532415）

0 引言

澳洲坚果(Macadamiaspp.)，又称夏威夷果，原产于澳洲，属于山龙眼科(Proteaceae)澳洲坚果属(Macadamia F.Mull)，常绿乔木果树，被誉为世界“干果之王”，富含多种不饱和脂肪酸、蛋白质、矿质元素和维生素等营养物质，营养价值和保健功效较高，且果仁香酥滑嫩可口，有独特的奶油香味，深受广大消费者的喜爱。澳洲坚果产业迅猛发展，根据广西澳洲坚果协会统计，截至2021年底，广西种植总面积超4万hm2，投产量也将剧增。澳洲坚果果皮质量占整个果实重量的49%～53%，在生产过程中产量巨大，果皮自身不容易腐烂，随之丢弃将给农村地区的生产生活环境带来严重的环境污染，同时造成浪费。

但是，目前澳洲坚果产业资源利用有限，以果仁加工为产业的主导。而且，当前国内外研究主要集中在澳洲坚果果仁的营养成分[1-4]、澳洲坚果保健价值[5-6]、果壳成分[7-9]以及果壳的开发利用技术[10-12]，但对果皮的报道研究仅局限于几种常见的组分的测定与分析[13-14]，直接的利用研究较少。在国内有研究利用玉米秸秆、油茶壳，中药药渣制备有机肥[15-17]；在国外，BITTENBENDER等以澳洲坚果壳-粪肥堆肥作为澳洲坚果生产的有机肥料；澳洲坚果果皮中富含K、N等常量元素和有机质[14]，可利用其发酵有机肥，但目前对澳洲坚果果皮发酵生产有机肥的研究报道较少。

澳洲坚果果皮作为农林副产物，发酵生产有机肥，还田利用，变废为宝，不仅减少环境污染，还能提高澳洲坚果副产品的利用率，提高种植户的效益，促进产业健康快速发展。合理施用有机肥不仅能够改良土壤，而且有利于树体养分的积累和果实的品质和产量的提高[19-21]。本研究利用澳洲坚果果皮为原料，探索利用菌种进行有氧发酵生产有机肥，对澳洲坚果加工副产物的高值化利用以及产业高效生态循环、经济发展具有积极的意义。影响有机质发酵的关键因子为原料性质（包括水分、酸碱度、原料成分、碳氮比等）、发酵菌种类和工艺条件[22]。由于澳洲坚果果皮容易风干、纤维素含量高，故在使用澳洲坚果果皮生产有机肥的过程时，应使其中的纤维素得到有效地分解。因此，试验选用枯草芽孢杆菌，通过小试筛选出澳洲坚果制备有机肥的基础配方，再通过有氧发酵方法堆制澳洲坚果果皮有机肥，测定堆肥过程在不同时期的养分、有机质含量、pH含量变化情况，以期为果皮生产有机肥提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试澳洲坚果果皮为已成熟的澳洲坚果果皮，新鲜果实采自广西南亚热带农业科学研究所种质资源圃，果皮风干，备用。麸皮、玉米、米糠市售。枯草芽孢杆菌，康元绿洲生物，在营养培养基上38℃，进行活化培养3天，备用。

1.2 试验方法

1.2.1 条件筛序试验 筛选试验主要目的在于筛选辅料、菌液接种量、水分处理量。取50 g澳洲坚果果皮粉末于250 mL三角锥形瓶中，混合辅料和水分，121℃灭菌30 min，接种激活的菌液，28℃恒温培养1个月（图1）。

图1 澳洲坚果皮发酵有机肥条件筛选试验流程

1.2.2 堆肥工艺 堆肥工艺试验主要目的是探寻堆肥过程中温度、pH变化、确定堆肥天数。澳洲坚果风干果皮100 kg，加入5%的麦麸，按照3%的量接入菌液，堆制成1 m×1.1 m×0.6 m的长方体堆。在堆制期间，为避免温度过高抑制微生物活动，每7天翻堆一次，每日测一次中心温度。堆制前期每翻堆一次进行洒水处理，保持水分在60%，到了堆制后期，不补充水分。每隔5天取样测定有机质、全NPK含量和pH，均采用常规方法测定[23]（见图2）。

图2 澳洲坚果皮有机肥堆肥试验流程

2 结果与分析

2.1 澳洲坚果果皮养分分析

果皮养分含量分析，测定结果如表1。部分技术指标要求见表2。

表1 澳洲坚果果皮成分 %

表2 NYT 525—2021中部分技术指标要求[24]

2.2 室内试验结果

2.2.1 辅料的选择 取50 g风干果皮粉末于250 mL三角锥形瓶中，分别选择麦麸、玉米、米糠为辅料作为辅料，加水量60%，121℃灭菌30 min，接种激活的菌液，28℃恒温培养1个月，检测其总N、总P、总K、有机质、总养分含量。结果如表3所示。

表3 不同辅料处理对澳洲坚果果皮发酵的影响 %

根据NYT 525—2021有机肥料中规定经发酵腐熟后制成的商品化有机肥其有机质不低于30%，总养分不低于4.0%。因此麦麸、玉米、米糠三种辅料发酵的澳洲坚果皮有机肥均符合商品肥的要求。由表3和图3可知，以麦麸为辅料发酵的有机肥其总N、总P、有机质、总养分含量均为最高，且其成本低，因此，本试验选择麦麸作为发酵澳洲坚果果皮有机肥的辅料。

图3 不同辅料发酵澳洲坚果果皮有机肥有机质、总养分比较

2.2.2 菌种添加量的选择 取50 g风干果皮粉末于250 mL三角锥形瓶中，加入麦麸，加水量60%，121℃灭菌30 min，将菌种按照接种量1%、2%、3%、4%、5%接种到上述试样中，28℃恒温培养1个月，检测其总N、总P、总K、有机质、总养分含量。结果如表4和图4所示。

表4 不同接种量处理对澳洲坚果果皮发酵的影响 %

图4 不同接种量处理对澳洲坚果果皮发酵的影响

从表4和图4种可以看出，3%的接种量总N、总养分和有机质含量最高，分别为3.01%、5.24%和89.29%，而且总P、总K含量符合标准要求，确定在此试验条件下，3%接种量为最佳接种量。

2.2.3 不同水分添加量对澳洲坚果果皮发酵的影响 取50 g风干果皮粉末于250 mL三角锥形瓶中，加入麦麸，加水量处理有0、20%、40%、60%、80%、100%的水量，121℃灭菌30 min，接入3%菌种，28℃恒温培养1个月，检测其总N、总P、总K、有机质、总养分含量。结果如表5和图5所示。

表5 不同水分处理对澳洲坚果果皮发酵的影响 %

图5 不同水分处理对澳洲坚果果皮发酵的影响

在有机肥发酵过程中，过高含水量使试样呈浆状混合物，不利于存放，含水率过低水分渗透不彻底，影响菌体生长，不能满足微生物生长代谢需要，无法发酵。由表5和图5可以看出当加水处理量为60%时，总N、总P、有机质、总养分均为最高。因此，选择60%作为发酵时处理量

2.3 堆肥试验结果

2.3.1 温度变化 图6为堆肥过程中的温度变化。从图6可见，初始堆制后24 h，堆内温度迅速上升到48℃，在堆制17天后堆内最高温度上升到63℃，处于高温期。在40天之前，每次翻堆周期内，温度先上升再下降，这是由于翻堆、补充水分后菌体营养、氧气和水分充足，生长速度快，因此发酵温度迅速上升，随着堆内氧气水分的逐渐消耗，菌体发酵程度降低，温度随之降低。经过2次翻堆之后，后面每一次翻堆周期内的最高温都在下降，直至发酵后期（40天以后），堆内温度持续下降，然后趋于平稳，跟环境温度比较接近，略高于环境温度。这是由于菌体生命力逐渐衰弱，无法再进行有氧发酵。

图6 不同时期温度变化情况

2.3.2 pH变化 由图7可以看出，初始值为pH 5.58，偏酸性，而在发酵过程中，微生物繁殖，中和酸性，pH一直上升，30天以后，pH略有下降，但是后期又有一个上升的过程，55天时，pH值偏弱酸性，为pH 6.92，符合NYT 525—2021有机肥料的要求。

图7 不同时期pH变化情况

2.3.3 C/N变化 一般认为，C/N是有机肥腐熟程度的重要参数，当C/N值小于20时堆肥腐熟[25]。从图8可以看出，本试验初始堆制的C/N比值为31，第5天后开始下降，第25天下降到最小值，比值为16，25天以后，比值开始上升，到了35天以后，比值缓慢下降，55天时C/N值为19.5，并趋向于稳定，说明堆肥腐熟。

图8 不同时期碳氮比变化情况

2.3.4 养分和有机质含量变化 测定不同发酵时期养分含量，含量如表6和图9所示，有机质含量变化不大，NPK从表6可以看出，在试验处理条件下，各养分含量都有增加。原料含氮量由初期的1.69%逐渐增加到堆制后期的2.08%，全磷(P2O5)由初期的0.29%逐渐增加到堆制后期的0.37%，钾(K2O)含量由初期的1.73%逐渐增加到堆制后期的2.74%。到了55天，有机质含量平均为89.1%，氮、磷、钾总量为5.19%，从外观形态来看，呈现褐色，无臭味，质地柔软，达到了有机肥国家标准。

表6 不同时期养分和有机质含量

图9 不同时期养分和有机质含量变化

3 结论

当使用麦麸为辅料，按3%接种菌剂，前期（40天前）保持50%～60%的含水量，后期（40天后）不加水，每间隔1周翻堆1次，澳洲坚果果皮堆制55天后，碳氮比为19.5，有机质含量平均为89.1%，氮、磷、钾总量为5.19%，偏弱酸性，pH 6.92.，含水量为25.79%，达到了有机肥标准(NYT 525—2021)中相关指标；从外观形态来看，呈现褐色，无臭味，质地柔软，完全腐熟。利用澳洲坚果果皮废弃物发酵生产有机肥，返田于澳洲坚果生产当中是处理澳洲坚果果皮废弃物行之有效的方法，不仅减少污染保护环境，同时还可以达到接本增效的目的。

4 讨论

在发酵中前期，每一次翻堆结束后，都有一个升温过程，这是因为翻堆后菌体氧气、水分充足，生长速度最快，发酵程度高，温度较高。经过2次翻堆之后，后续每次翻堆的最高温都在下降。这是因为菌体可利用的营养物质越来越少，菌体生长速度变慢，温度有所降低。到了后期，温度处于稳定期，跟环境温度比较接近，略高于环境温度，这是因为菌体生长已经处于末期，可利用的物质已经消耗殆尽，堆制样品已经腐熟（见图10）。

pH在堆肥当中也是一个很重要的指标，SMARS等[26]研究表明，在前期若能尽量控制堆肥样品pH上升过快，可以减少臭气的产生和氮素损失，达到提高提高肥效的目的。李国学等[27]研究表明，中性和微碱性条件下适宜大部分微生物的繁殖与生长，调节堆肥底物的pH，可以达到较好的效果。刘霞等[28]研究表明，中性的环境更有利于微生物的降解活动，pH较低不利于有机质的积累。而堆制样品的最终pH 6.92，偏弱酸性，而且澳洲坚果在广西的种植适合各种土壤，但更适合稍微偏酸性一点的土壤。利用该堆置的肥料返田于澳洲坚果生产当中，还需要根据种植土壤的环境因地制宜的调节堆肥前期的pH。

图10 澳洲坚果果皮发酵有机肥样品

正常的好氧堆肥原料中要求有一定的C/N值，李庆康等[29]认为合适的初始C/N值，更有利于腐殖质的形成，使堆肥向着稳定化、腐熟化、无害化方向转变。若碳氮比过低，微生物的繁殖就会因能量不足而受到抑制，导致分解缓慢且不彻底。但是，碳氮比过高，堆肥施入土壤后将会发生夺取土壤中氮素的现象，对作物生长产生不良影响[30]。但是也有研究表明，堆肥初始值C/N在20～40范围内，均能成功地进行好氧堆肥，堆肥产品符合国家无害化标准。而堆肥初始最佳C/N比为30，在该比值下氮素损失少，腐殖酸含量最多，内在品质和应用价值最高[31]。还有学者认为，堆置原料C/N为25.87，也是适合微生物生长繁殖的碳氮比。同时，C/N值也是堆肥腐熟度的重要指标。有研究表明，腐熟的堆肥在理论上应趋向于微生物体的C/N值，即14～16，碳氮比过高或过低，都不利于农作物的生长发育[29]。还有学者认为，腐熟时期碳氮比为9.90，也能较好的运用于土壤改良和农作物生长[31]。本研究的初始碳氮比为31，腐熟之后碳氮比为19.5，与上述研究对比，结果也不尽相同。这可能是因为好氧发酵堆制过程中，菌种、辅料以及工艺的不同，对原始物料的碳氮比要求也不完全一致。利用澳洲坚果果皮为发酵底物，生产有机肥用于澳洲坚果生产当中，最适宜的碳氮比值以及适合澳洲坚果生产的碳氮比范围还有待进一步研究。