不同比例油茶果壳在有机肥发酵过程中养分变化特征解析.pdf

第 卷第期 年月贵 州 林 业 科 技G u i z h o uF o r e s t r yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yV o l ,N o J u n,不同比例油茶果壳在有机肥发酵过程中养分变化特征解析卢香,黄安香,柏文恋,黄安平,杨守禄(贵州省林业科学研究院,贵州 贵阳 ;册亨县林业局,贵州 册亨 )摘要:为油茶果壳废弃物寻求有效综合利用方式,将占比为(C)、(C)、(C)的油茶果壳与一定比例的粪肥、油茶饼粕、尿素、磷酸二氢钾以及固体混合菌剂混合后,进行堆肥发酵.分析不同配比的油茶果壳在有机肥发酵过程中有机质(S OM)、有机碳(S O C)、全氮(T N)、全磷(T P)、全钾(T K)、总养分、C/N等理化指标的变化特征,利用可见吸收光谱法(V i s)和红外光谱法(F T I R)表征发酵过程中有机物结构变化特征.结果表明:C 处理组为发酵最佳的有机肥,S OM、S O C、C/N值在第个月达到最高,分别为 、gk g,且均高于C 和C 处理组.而三个处理组中T N、T P、T K、总养分含量无明显变化,且处理组之间差异不显著.最后根据E/E值和F T I R图,得出C 处理组在发酵后第个月进入腐殖化稳定阶段,腐殖化周期最短,腐殖质中芳构化和缩合度最多,并且推测出C 处理组在发酵过程中有机物降解规律.表明在有机肥发酵过程中,油茶果壳比例越高,越有利于有机肥中养分的积累,越有利于有机肥的腐熟.本研究为油茶果壳有机肥后续实验提供数据参考,同时为油茶果壳的处理提供一种有效的综合利用方式.关键词:油茶果壳;有机肥;发酵;养分;光谱表征中图分类号:S 文献标识码:AN u t r i e n t sc h a n g e i no r g a n i c f e r t i l i z e r f e r m e n t a t i o no fC a m e l l i ao l e i f e r an u t s h e l lw i t hd i f f e r e n tp r o p o r t i o n sL UX i a n g,HUAN GA n x i a n g,B A IW e n l i a n,HUANGA n p i n g,YAN GS h o u l u(G u i z h o uA c a d e m yo fF o r e s t r y,G u i y a n g ,C h i n a;C e h e n gC o u n t yF o r e s t r yB u r e a u,C e h e n g ,C h i n a)A b s t r a c t:C a m e l l i ao l e i f e r an u ts h e l lc a nb ee f f e c t i v e l yu t i l i z e da st h ew a s t ec o m p o n e n t sf o rt h ec o m p o s tf e r m e n t a t i o n i ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t i nr e c e n ty e a r s I nt h i ss t u d y,as e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e do nt h ec o m p o s tf e r m e n t a t i o nw i t ht h ed i f f e r e n tp r o p o r t i o no fC a m e l l i ao l e i f e r an u ts h e l l(C),(C),a n d(C)T h er e s tm i x t u r e sw e r et a k e na st h em a n u r e,C a m e l l i ao l e i f e r ac a k em e a l,u r e a,p o t a s s i u md i h y d r o g e np h o s p h a t e,a n ds o l i dm i x t u r eo fb a c t e r i a S o m ep h y s i c o c h e m i c a l i n d e x e s收稿日期:基金项目:贵州省科技支撑计划(黔科合支撑 一般 );贵州省农村产业革命特色林业产业项目(特林研 号);贵州省科技计划项目(黔科合服企 )第一作者简介:卢香(),女,助理工程师,主要从事林产化学研究.Em a i l:x i a n g s t u d y q q c o m通信作者简介:黄安香(),女,助理研究员,主要从事森林土壤培育与改良技术研究.Em a i l:x i a n g c o m贵州林业科技 卷w e r ea l s oa n a l y z e d,i n c l u d i n gt h eo r g a n i cm a t t e r(S OM),o r g a n i cc a r b o n(S O C),t o t a ln i t r o g e n(T N),t o t a l p h o s p h o r u s(T P),t o t a l p o t a s s i u m(T K),t o t a ln u t r i e n t s,a n dc a r b o nt on i t r o g e n(C/N)r a t i od u r i n gf e r m e n t a t i o n T h es t r u c t u r a l c h a n g e so fo r g a n i cm a t t e rw e r e t h e nc h a r a c t e r i z e d i nt h e f e r m e n t a t i o np r o c e s sb yt h ev i s i b l e a b s o r p t i o ns p e c t r u m(V i s)a n d i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y(F T I R)T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h eC t r e a t m e n tw a s t h eb e s to r g a n i cf e r t i l i z e ro fC a m e l l i ao l e i f e r an u ts h e l l f o rc o m p o s tf e r m e n t a t i o n Am o n gt h e m,t h eh i g h e s tv a l u e so fS OM,S O Ca n dC/N w e r ea c h i e v e di nt h es i x t hm o n t h,w h i c hw e r e ,a n d gk g,r e s p e c t i v e l y H o w e v e r,t h e r ew a sn os i g n i f i c a n t v a r i a t i o n i n t h e c o n t e n t so fT N,T P,a n dT K,a sw e l l a s t h e t o t a l n u t r i e n t sw i t h t h e f e r m e n t a t i o n t i m e F u r t h e r m o r e,t h e r ew a s l i t t l ed i f f e r e n c ea m o n g t h e t h r e e t r e a t m e n t s A c c o r d i n g t o t h eE/Ev a l u e a n dF T I Rd i a g r a m,t h eC t r e a t m e n t r a p i d l ye n t e r e dt h eh u m i f i c a t i o ns t a b i l i z a t i o n i nt h es e c o n dm o n t ha f t e r f e r m e n t a t i o n,p a r t i c u l a r l yw i t ht h es h o r t e s th u m i f i c a t i o nc y c l e a n d t h eh i g h e s t l e v e l o f a r o m a t i z a t i o na n dc o n d e n s a t i o n i n t h eh u m u s I t i n f e r r e d t h a tt h eb e t t e rd e g r a d a t i o no fo r g a n i cm a t t e rw a so b t a i n e d i nt h eC t r e a t m e n td u r i n gf e r m e n t a t i o n T h e r e f o r e,t h eh i g h e r t h ep r o p o r t i o no fC a m e l l i ao l e i f e r an u t s h e l l i n t h e f e r m e n t a t i o np r o c e s s o f o r g a n i c f e r t i l i z e rw a s,t h em u c hm o r ea c c u m u l a t i o no fn u t r i e n t sa n dt h eb e t t e rr o t t i n go fo r g a n i c f e r t i l i z e rw e r e T h i sf i n d i n gc a np r o v i d et h ed a t a r e f e r e n c e f o r t h e f o l l o wu pe x p e r i m e n t so fC a m e l l i ao l e i f e r an u t s h e l l o r g a n i c f e r t i l i z e r A tt h es a m e t i m e,a ne f f e c t i v eu t i l i z a t i o nc a nb eo f f e r e dt ot r e a t t h eC a m e l l i ao l e i f e r an u t s h e l l K e yw o r d s:C a m e l l i ao l e i f e r an u t s h e l l;o r g a n i c f e r t i l i z e r;f e r m e n t a t i o n;n u t r i e n t s;s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c s油茶(C a m e l l i ao l e i f e r a)作为贵州省特色林业产业之一,每年将会产生大量的油茶果壳和油茶饼粕废弃物,有关方面急需为油茶果壳寻求有效综合利用方式.目前,油茶果壳综合利用方式有提取活性物质、制活性炭、作有机肥和培养基等多种途径.油茶果壳不仅含有纤维素、半纤维素、木质素、多糖、黄酮、茶皂素、单宁等物质,还含有丰富的氨基酸、微量元素以及氮、磷、钾和矿物质等植物生长所需养分.将油茶果壳经过堆肥发酵处理后,不仅为作物提供常规养分,其中如茶皂素、多糖、多酚类等物质还能促进作物生长,抑制和减少病虫害发生,提高作物的产量和品质.通过油茶果壳制备生物有机肥的田间应用效果试验表明,在作物种植过程中施用油茶果壳有机肥可显著提高土壤有机质含量和有效磷、速效钾、水解性氮含量,有效增加土壤微生物数量,还能改善土壤酸碱度 .有机肥施入土壤不仅为农作物提供营养,还能增加土壤有机质,促进微生物繁殖,改善土壤理化性质,提高土壤肥力,是绿色有机蔬菜生长所需的主要肥料 .但有机肥在施用前需要进行堆肥发酵处理,而堆肥发酵是一个复杂的过程,要达到良好的堆肥效果,必须控制混料比、水分、C/N、有机质含量等主要因素.其中有机质是土壤养分的主要来源,碳、氮、磷、钾是土壤养分的基础组成元素.因此,本研究以贵州油茶果壳为主要原料进行有机堆肥发酵,监测有机肥发酵过程中有机质、碳、氮、磷、钾、C/N等各项指标,可以解析有机肥发酵过程中养分变化特征并判断有机肥发酵的腐熟程度.而有机肥中有机质的降解规律可以通过紫外可见光谱、红外光谱进行表征分析.这将为后续油茶果壳有机肥的研究提供理论支持,同时也为油茶果壳综合利用方式提供有益探索.材料和方法 材料与处理油茶果壳、油茶饼粕、牛粪收集于册亨县,将样品烘干、粉碎、目过筛处理后用于后续试验;尿素(总氮)、磷酸二氢钾(PO,KO)购于贵州省兴义市宜化化工有限责任公司;固体混合菌剂购于广西微研生物工程有限公司,其中包括E M菌(亿/g)、地衣孢杆菌(亿/g)、枯草芽孢杆菌(亿/g)、酵母菌(亿/g)、米根霉(万u/g)、黑曲霉(亿/g).设置C、C、C 三个处理组,每组设置三个平行,未发酵前的混料为对照试验组.C:油茶果壳 牛粪 油茶饼粕尿素 磷酸二氢钾;C:油茶果壳 牛粪期卢香,等:不同比例油茶果壳在有机肥发酵过程中养分变化特征解析 油茶饼粕尿素 磷酸二氢钾;C:油茶果壳 牛粪 油茶饼粕尿素 磷酸二氢钾.将上述试验处理组混匀后,加入重量为堆肥总重量 的固体混合菌剂后再次混匀,放入保温箱进行自然发酵,发酵期间含水率保持在 .采集发酵后第、个月样品进行分析.测定方法根据中华人民共和国农业行业标准NY/T 有机肥料中关于S OM、T N、T P、T K的检测方法进行测定.紫外可见光谱分析:称取g发酵样品置于锥形瓶中,加入 m L去离子水,空气摇床震荡半个小时后,离心、过滤,然后将滤液收集后用于紫外可见光谱分析.测定 n m和 n m波长的可见光吸光度.红外光谱分析:将适量烘干发酵样品与K B r以 的比例研磨混匀,经压片机压制成透明薄片.利用傅里叶变换红外光谱仪对其扫描,扫描波长范围为 c m.数据处理利用I BM S P S SS t a t i s t i c s 软件对数据进行统计分析,利用O r i g i n 和E x c e l 作图表.结果与分析 不同比例油茶果壳发酵过程中养分变化 不同比例油茶果壳发酵过程中S OM变化由图可知,随着发酵时间的推移,以油茶果壳为主要原料的有机堆肥中有机质、有机碳含量所有数据均为“平均值标准差”,不同小写字母表示差异显著(P ),下同.图不同比例油茶果壳发酵过程中S OM变化变化趋势一致.从堆肥发酵的整个过程来看,特别是在发酵后的第至个月,C 处理组的S OM、S O C含量明显高于C、C,差异性显著.说明油茶果壳的含量越高,越有利于有机肥中S OM的形成.图不同比例油茶果壳发酵过程中S O C变化 不同比例油茶果壳发酵过程中总养分变化由图可知,对比发酵过程中三个处理组T N、T P、T K含量大小,发现C、C、C 组的T N、T P含量无明显差异,而C 组T K含量总体大于C 组,C 组介于两者之间.图中C、C、C 组总养分随发酵时间变化趋势和图中T K大体一致,说明本研究中总养分含量变化由T K占主导因素.图中三个处理组之间的总养分呈动态变化,差异性不显著.不同比例油茶果壳发酵过程中C/N变化由图可知,随着发酵时间的推移,C 组在第个月达到最低值(),第至个月略有上升,但变化幅度不大;C 组也在第个月达到最低值(),第至个月上升至 ,第至个月趋于平缓,差异性不显著.C 组在第至个月呈缓慢上升趋势,在第个月降低后又呈上升趋势.试验结果表明:C、C 组在第至个月碳素损失大于氮素,而C 组则是氮素损失大于碳素.C 组在第至个月趋于稳定,说明碳、氮比例趋于平衡;C 组在第至个月趋于稳定,说明碳、氮比例趋于平衡;C 组则在第个月下降后,在第个月又上升.从整个发酵过程来看,C 组C/N值大于C、C 组,表明有机质越高的组分,其碳素损失相对越低.在发酵后第个月,C、C、C 各组有机 堆肥C/N值分别为 、贵州林业科技 卷 、.和第个月相比,各组C/N值均有所下降,根据文献,可以判定C 组有机肥最接近腐熟.图不同比例油茶果壳发酵过程中T N(a)、T P(b)和T K(c)变化图不同比例油茶果壳发酵过程中总养分变化图不同比例油茶果壳有机肥发酵过程中C/N变化 不同比例油茶果壳发酵过程中光谱分析 可见吸收光谱分析由图可知,三个处理组的E/E值分别在不同发酵时间段呈线性下降趋势,其中C 组在第至个月,C 组在第至个月,C 组在第至个月,其中以C 组的降幅最为明显,说明其发生的腐殖化作用最显著.而在各组后续的发酵时间里,三个组分的E/E值呈动态平稳趋势,反映腐殖酸分子逐渐趋于稳定.在发酵后第个月,三个组分E/E大 小 为:C()C()C(),说明此时C、C 组腐殖质中腐殖酸分子芳构化、缩合度要大于C 组,也说明有机肥中油茶果壳的比例越高越有利于腐殖化.对比图中C、C 组E/E值趋于稳定的转折时间,C 在第个月,C 在第个月,而C 在第个月.这说明C 处理组有机肥进入腐殖化稳定阶段所用期卢香,等:不同比例油茶果壳在有机肥发酵过程中养分变化特征解析时间更短.图不同比例油茶果壳发酵过程中E/E值变化 红外光谱分析为进一步了解油茶果壳有机肥发酵过程中物质结构的变化特征,采用红外光谱法对发酵物中化学官能团进行表征.由图可知,各发酵时间段样品红外光谱特征峰大致相同,但发酵前后部分吸收峰位移发生了明显改变,且不同发酵时间段样品特征峰吸收强度明显不同.试验结果表明,在有机肥发酵过程中物质发生了转化,物质含量也随发酵时间的推移而改变.图 油茶果壳发酵过程中红外光谱变化 讨论与结论 讨论 有机肥腐熟过程养分变化S OM和N P K含量可以体现土壤肥力,因此研究有机肥发酵过程中S OM和N P K含量变化可表征有机肥的肥力指数.S OM具有多样的化学组成与结构,一般将有机质按其分子量大小和结构复杂性分为活性有机质和惰性有机质 .活性有机质主要包括单糖、氨基酸、大部分蛋白质以及一些多糖;惰性有机质主要包括脂肪、蜡质、多酚以及木质素.S OM结果表明C 处理组在发酵过程中的S OM含量总体大于C、C 处理组,说明本研究中,有机肥发酵过程中的S OM主要与油茶果壳比例有关,油茶果壳越多,有机肥中S OM含量越多,此结论与文献记载一致.在有机肥发酵过程中P、K主要以离子形态积极参与微生物的新陈代谢活动,损失较小,而N在发酵过程中除了参与微生物活动外,还以形成氨气的形式释放到空气中.由图、结果分析,总养分变化主要由T K占主导.本研究中三个处理T K含量大于T N、T P,与文献记载一致.但图中C、C 和C 三个处理组总养分含量差异不大,说明油茶果壳比例对有机肥总养分含量影响不大.但C 组在第个月,S OM和N P K含量都显示出较大增幅,这说明C 组有机肥的总干重下降幅度大于S OM和N P K含量的下降幅度,发生“浓缩现象”,因此S OM和N P K的绝对含量不变,但相对含量增加.对比三个处理发酵堆,表明C 组总干重损失较大.C/N值的影响因素C/N值常被作为评价有机肥腐熟度的一个经典参数,理论上C/N在腐熟的堆肥产品中值应和腐殖质一样约为 .在发酵过程中,发酵物料中的碳和氮营养元素都会有所损失.在高温阶段,碳素损失主要以C O、CH两种形式,氮素损失主要以NH形式.C 组在发酵后第个月的C/N值接近文献值,并且图中,C 组C/N值在第、个月稳定在 左右,可以初步判定C 组有机肥最接近腐熟.有机物降解规律在堆肥发酵过程中,有机肥的有机质将发生矿化作用和腐殖化作用.有机肥料的堆腐大致经过四个时期,即升温期、高温期、降温期和稳定期.腐殖化系数E/E值常用来表征有机肥腐殖酸中芳香族化合物分子量大小以及缩合度的常用方法,其值 越 小,有 机 质 聚 合 程 度 越 高.根 据 文献 ,图中三个处理组在第个月E/E值均小于 ,说明三组有机肥均达到腐熟,与文献贵州林业科技 卷变化趋势一致.除此之外,C、C、C 组分别在第、个月进入腐殖化稳定阶段,说明C 组有机肥腐殖化周期最短,从而也进一步说明有机肥发酵中油茶果壳比例越高,越有利于有机肥腐熟.红外光谱从物质官能团角度揭示有机肥发酵过程.发酵前和发酵后第个月样品的特征峰吸收强度均远低于第至个月各样品.发酵前曲线存在发酵后第至个月没有的 c m吸收峰,该峰可能是烯烃中的碳碳双键、羧酸中的碳氧双键的伸缩振动引起的.发酵后第个月,c m吸收峰消失变成两个相邻的弱峰,波数为 c m和 c m,这两个峰是酰胺类化合物的特征吸收峰谱带I和I I,这表明发酵开始后酰胺类物质逐渐形成,但吸收强度较弱,说明该类化合物含量较少.此外发酵前曲线还存在 c m范围内的阶梯峰,表明发酵前样品中含具有糖苷键的多糖类化合物,以及油茶果壳和油茶饼粕特有的皂苷素.发酵开始后,这类多糖物质一部分迅速降解成C O和CH释放到空气中,另一部分作为能量来源参与微生物活动.而发酵后的曲线在 c m出现连续尖峰,此范围内的峰可能是由芳香族化合物的芳环骨架振动造成的.但由于在发酵后第个月芳构化物质较少,所以吸收峰强度较弱,但随着发酵时间的延长,这个范围内吸收峰逐渐增强,说明芳构化物质在逐渐积累.结合图和图,C 组在图中的第至个月的E/E值降幅变化与图中第至个月吸收峰强度变化趋势一致,这是由于第至个月C 组中易被降解的脂肪类化合物、多糖和蛋白质等物质的含氧烷基碳官能团比例减少,而芳香碳、羧基碳、木质素和单宁的烷基碳等不饱和官能团比例增加,即易分解的化合物在腐解过程中会被降解,难分解的化合物则比例升高,会被累积.以腐殖化作用占主导的有机堆肥化过程中,活性有机质转化形成的含氮有机物、醌类物质等初生腐殖质,以及惰性有机质产生的多酚、醌类物质、木质素等初生腐殖质开始大量芳构化、缩合,胡敏酸的缩合程度和芳构化程度迅速增加.表现为E/E值大幅降低,以芳环为代表的不饱和基团吸收峰强度大幅增加.发酵后第至个月,随着时间的推移,红外光谱吸收峰种类没有改变,但吸收峰强度呈动态变化趋势,强度变化不大.与第个月相比,吸收峰强度变化幅度不大,这与图中C 组的E/E值变化趋势一致.说明此阶段有机堆肥进入腐殖化阶段的稳定期,初生腐殖质单体进一步芳构化、缩合,形成稳定的最终腐殖质.结论本研究将不同配比(、)的油茶果壳进行有机肥发酵,分析其发酵过程中的养分变化特征.根据养分含量变化发现,油茶果壳在发酵过程中的S OM和S O C含量,以及C/N值最佳,说明油茶果壳比例越高,越有利于有机质等养分的积累,但有机肥中总养分含量不受油茶果壳比例影响.E/E值研究结果进一步表明:油茶果壳有机肥在发酵后最快进入腐殖化稳定期.这表明:在其他条件不变的情况下,有机肥中油茶果壳的比例越高,越容易腐殖化.红外光谱进一步揭示了 的油茶果壳在有机肥发酵过程中各种化合物的降解规律.本研究显示了油茶果壳作为主要碳源参与有机肥发酵的可行性,筛选出 油茶果壳发酵的有机肥为本研究最佳比例,为油茶果壳有机肥的后续研究提供了数据支撑,也为油茶果壳综合利用提供了有效途径.参考文献 赖鹏英,肖志红,李培旺,等油茶资源利用及产业发展现状J生物质化学工程,():李玉梅,林海涛,李淋倍,等油茶果壳的综合利用J现代农业科技,():蒋越华,罗再历,蒲琦,等油茶蒲综合利用研究进展J农业研究与应用,():陈沛均,胡传双,涂登云,等油茶果壳综合利用进展与展望J林产工业,():李桂珍,谷瑶,杨漓,等不同油茶品种果壳及饼粕中活性 成 分的 测 定 J广 西 林 业 科 学,():彭开元,胡进波,陈桂华,等油茶果壳化学成分与燃烧性能分析J中南林业科技大学学报,():Z HANGJ,e ta l P h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fc a m e l l i an u ts h e l la n di t st h e r m a ld e g r a d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sJ B i o r e s o u r c e 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