不同初始pH值及覆蓋材料對中藥渣堆肥效果的影響

徐 剛， 高文瑞， 王 虹， 李德翠， 孫艷軍， 韓 冰， 史瓏燕

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，江蘇 南京 210014)

中藥渣來源于中成藥生產(chǎn)、原料藥生產(chǎn)、中藥材 加工與炮制以及含中藥的輕化工產(chǎn)品生產(chǎn)等。以中成藥生產(chǎn)帶來的藥渣量最大，約占藥渣總量的70%［1］。隨著中醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展，中草藥加工過程中產(chǎn)生的中藥渣日益增加，年排放量達(dá)3.0× 107t。目前，藥渣運(yùn)出廠后多采用堆放、填埋和焚燒等方式處理，其中以堆放為主［2］。中藥渣的處理已經(jīng)成為嚴(yán)峻問題。中藥渣一般為濕物料，長期堆放極易腐壞，其味臭異，在夏季更為嚴(yán)重，對環(huán)境造成極大污染。目前已有報(bào)道中藥渣被用于蔬菜花卉育苗及栽培基質(zhì)、食用菌栽培［3］、禽畜飼料及廢水處理。但是，廢棄的中藥渣尚未被更好地利用，中藥渣如果直接還田處理，會造成作物病蟲害侵染。因此，經(jīng)過適當(dāng)?shù)亩逊驶幚?，利用微生物發(fā)酵將中藥渣制成良好的有機(jī)基質(zhì)，合理利用開發(fā)中藥渣廢棄物，使其變廢為寶，將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益［4］。

中藥渣堆肥是一個(gè)微生物新陳代謝作用占主導(dǎo)作用的生物化學(xué)過程，而微生物生命活動又與許多外在的因素有關(guān)，這些因素主要包括:溫度、含水率、pH值、供氧量、碳氮比(C/N)、調(diào)理劑等［5］。溫度是影響堆肥過程的一個(gè)重要因素，溫度影響堆肥過程中的含水率，進(jìn)而直接影響參與反應(yīng)的微生物活性與種類，對最終堆肥效果有重要影響［6］。初始pH也是影響中藥渣堆肥的一個(gè)重要因素，不同的初始pH會影響微生物的生長，從而影響之后的堆肥過程與效果［7］。由于黑膜覆蓋下堆體溫度要低于白膜覆蓋的堆體溫度，因此本研究采用覆蓋白膜和黑膜的方式調(diào)節(jié)堆肥發(fā)酵期間的發(fā)酵溫度，同時(shí)設(shè)定不同的初始pH，研究中藥渣堆制發(fā)酵的初始pH值和覆蓋材料對中藥渣發(fā)酵過程中堆體溫度、pH、電導(dǎo)率(EC)及氮、磷、鉀含量等的影響，以期為中藥渣的資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以中藥渣作為堆肥的基本原料，發(fā)酵前進(jìn)行粗粉碎，使其粒徑小于3 cm。堆肥原料的基本理化性狀:pH4.5，EC 1.2，有機(jī)質(zhì) 48.87 g/kg，總氮0.275%，總磷0.206%，總鉀0.600%。采用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)提供的微生物菌劑作為腐熟劑，用生石灰調(diào)節(jié)中藥渣發(fā)酵的初始pH值。試驗(yàn)在南京市蔬菜研究所科技園進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將中藥渣與微生物菌劑混合，調(diào)節(jié)含水量至60%～70%，pH值調(diào)節(jié)為4～5、5～6和6～7，攪拌混合均勻后堆成3 m3的堆體，采用白膜和黑膜兩種膜覆蓋(表1)。每隔5 d人工翻堆1次，如果堆溫過高則立即翻堆。

1.3 采樣及測定

1.3.1 采樣方法 分別于堆制后第0 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d、40 d采樣，按5點(diǎn)采樣法，混合均勻后一部分烘干用于測定有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量，一部分作為鮮樣存放于4℃冰箱用于測定水溶性指標(biāo)(pH和EC值)。

1.3.2 溫度測定 每天上午10∶00測定堆體溫度，溫度計(jì)垂直向下測定10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm深處溫度，取其平均值。

表1 中藥渣堆肥試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 The experiment design of the herbal residues composting

1.3.3 pH值與EC值的測定 新鮮樣品用去離子水按土水比1∶10浸提1 h后，用85-2型恒溫磁力攪拌器攪拌5 min，取濾液。用IS128型pH計(jì)(上海儀邁儀器科技有限公司產(chǎn)品)和DDS-11A型EC計(jì)(上海康儀儀器有限公司產(chǎn)品)分別測定pH值、EC值。

1.3.4 種子發(fā)芽指數(shù)的測定 培養(yǎng)皿內(nèi)墊一塊紗布，均勻放入100粒青菜種子，加入堆肥浸提濾液5 ml，在25℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，同時(shí)用去離子水做空白試驗(yàn)［2，8］。每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率。

1.3.5 化學(xué)分析項(xiàng)目及方法 全氮含量用H2SO4-H2O2蒸餾法測定，全磷含量用鉬蘭比色法測定，全鉀含量用火焰光度計(jì)測定，有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法測定［4，9］。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析方法

數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 中藥渣堆肥進(jìn)程中溫度的變化

堆體溫度是好氧發(fā)酵的核心參數(shù)，是判斷堆體是否達(dá)到無害化要求的重要依據(jù)，同時(shí)也是反映發(fā)酵過程中微生物活性的重要因素。在發(fā)酵過程中，由于微生物分解有機(jī)物釋放熱量而使得物料溫度上升［10］。堆肥溫度過低會導(dǎo)致有機(jī)物分解緩慢，過高則會抑制并殺死部分有益微生物［11］。本研究各處理的堆溫變化主要有3個(gè)階段，分別為升溫階段、高溫階段和后熟降溫階段。其中，高溫階段是高溫好氧堆肥化處理有機(jī)固體廢棄物的關(guān)鍵階段，大部分有機(jī)物在此過程中氧化分解，堆肥物料中幾乎所有致病微生物在此過程中被殺死而達(dá)到穩(wěn)定化［12］。

圖1和圖2顯示，堆制初期，物料中易分解的有機(jī)質(zhì)在微生物的作用下迅速分解，產(chǎn)生大量熱量導(dǎo)致堆制第3 d堆肥溫度就都達(dá)到60℃以上，在堆制第3～9 d各處理堆肥溫度達(dá)到堆制過程中的最高溫度(70～80℃)。之后堆體溫度進(jìn)入了一個(gè)較長時(shí)間的高溫動態(tài)平衡階段。堆制過程中如果堆體溫度過高則立即翻堆降溫，期間因翻堆造成熱量的散失使堆肥溫度出現(xiàn)幾次明顯的變化。處理3(初始pH 6～7)的堆溫最高，處理1(蓋白膜)的堆溫較處理4(蓋黑膜)的高。

圖1 不同初始pH值對堆肥溫度的影響Fig.1 EffectofinitialpH valueson thetemperature during composting

2.2 中藥渣堆肥進(jìn)程中pH值和EC值的變化

據(jù)報(bào)道，腐熟堆肥的 pH值指標(biāo)為 8.0到9.0［13］。本試驗(yàn)堆制開始時(shí)各處理 pH值下降，然后迅速上升，最后穩(wěn)定在8至9之間(圖3)。堆制開始時(shí)產(chǎn)生的有機(jī)酸使pH值下降，隨著堆制的繼續(xù)進(jìn)行，溫度升高使堆體中的乙酸、丁酸揮發(fā)，含氮有機(jī)物分解產(chǎn)生的氨使堆體 pH值上升［14］。從圖3、圖4中可以看出，初始 pH值較高的處理在發(fā)酵過程中pH值始終也較高;與覆蓋黑膜處理(處理4)相比，覆蓋白膜處理(處理1)在發(fā)酵過程中pH值上升較快。

圖2 不同覆蓋材料對堆肥溫度的影響Fig.2 Effect of covering materials on the temperature during composting

圖3 不同初始pH對堆制過程中堆肥pH值的影響Fig.3 Effect of initial pH values on the pH values during composting

電導(dǎo)率(EC)反映了堆肥提取液中離子總濃度，EC大小與含鹽量有關(guān)。堆肥中水不溶性的固體有機(jī)物質(zhì)經(jīng)微生物作用不斷降解成水溶性物質(zhì)，水溶性物質(zhì)也同時(shí)不斷地被微生物進(jìn)一步降解成更小的無機(jī)分子，另有少部分水溶性物質(zhì)被微生物重新同化為不溶性的有機(jī)物［15］。如圖5和圖6所示，在整個(gè)堆制過程中各處理的EC值呈不規(guī)則的波動變化，在堆制后期處理3的EC值變化較小。

2.3 中藥渣堆肥種子發(fā)芽指數(shù)

種子發(fā)芽試驗(yàn)可以作為評價(jià)腐熟物植物毒性的一種快速、簡便的方法，它不但能檢測堆肥的植物毒性水平，而且能預(yù)測堆肥植物毒性的變化。一般情況下，當(dāng)發(fā)芽指數(shù)達(dá)到80.00%時(shí)，可認(rèn)為堆肥沒有植物毒性或堆肥已經(jīng)腐熟［16］。堆肥腐熟度可以通過堆肥產(chǎn)品對種子發(fā)芽及植物生長的抑制程度進(jìn)行評價(jià)［17］。

圖4 不同覆蓋材料對堆制過程中堆肥pH的影響Fig.4 Effectofcovering materialson thepH values during composting

圖5 不同初始pH值對堆制過程中堆肥電導(dǎo)率(EC值)的影響Fig.5 Effect of initial pH values on the electrical conductivities (EC)during composting

圖6 不同覆蓋材料對堆制過程中堆肥電導(dǎo)率(EC值)的影響Fig.6 Effect of covering materials on the electrical conductivities (EC)during composting

如圖7所示，隨著堆肥時(shí)間的延長，青菜種子在中藥渣堆體初始pH為4～5、5～6和6～7 3個(gè)處理的浸提液中發(fā)芽率都呈現(xiàn)先增加后平緩的趨勢，其中處理3(pH6～7)在第25 d時(shí)種子發(fā)芽率達(dá)到81.25%。圖8顯示，青菜種子在中藥渣堆體覆蓋白膜和黑膜2種處理浸提液中的發(fā)芽率均隨著堆肥時(shí)間的延長不斷提高，在堆制10 d時(shí)覆蓋黑膜處理的種子發(fā)芽率高于覆蓋白膜處理，堆制15 d后覆蓋白膜處理的種子發(fā)芽率高于覆蓋黑膜處理，覆蓋白膜處理在堆制25 d時(shí)發(fā)芽率達(dá)到80.56%，而覆蓋黑膜處理在堆肥35 d時(shí)發(fā)芽率才超過80.0%。覆蓋白膜處理中藥渣腐熟進(jìn)度比覆蓋黑膜處理提前了10 d。

圖7 不同初始pH值對堆肥種子發(fā)芽率的影響Fig.7 Effect of initial pH values on the seed germination during composting

2.4 中藥渣堆肥進(jìn)程中總氮、有機(jī)質(zhì)、磷及鉀含量的變化

所有處理的全氮含量在堆制初期都有一個(gè)下降階段(圖9)，這可能是由于在堆制過程中有機(jī)物的礦化分解、CO2的損失、水分蒸發(fā)引起干物質(zhì)的減少以及無機(jī)氮在高溫過程中的損失而引起的［8］。堆制后期微生物的固氮作用有助于堆肥全氮量的增加，使堆肥全氮量趨于穩(wěn)定［13］。堆制結(jié)束后處理1和處理2的全氮含量較高，分別為3.81%和3.72% (圖9)。處理1(覆蓋白膜)的全氮含量在堆制結(jié)束后較處理4(覆蓋黑膜)的高(圖10)。中藥渣堆制過程中各處理的有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，總磷和總鉀含量總體上呈增加趨勢，堆制結(jié)束后均比堆制前有所增加。處理1的有機(jī)質(zhì)、總磷、總鉀含量在堆制后均為最高，分別為69.2%、0.32%和0.92%;而處理3的有機(jī)質(zhì)、總磷、總鉀含量在堆制后最低(表2、表3)。這可能與添加生石灰有關(guān)，處理1和處理4都沒有添加生石灰，而處理2和處理3均添加了生石灰，并且處理3比處理2添加的多。

圖8 不同覆蓋材料對堆肥種子發(fā)芽率的影響Fig.8 Effect of covering materials on the seed germination during composting

圖9 不同初始pH值對堆制過程中堆肥全氮含量的影響Fig.9 Effect of initial pH values on the total nitrogen content during composting

圖10 不同覆蓋材料對堆制過程中堆肥全氮含量的影響Fig.10 Effect of covering materials on the total nitrogen content during composting

3 討論

表2 不同初始pH值對堆制過程中堆肥有機(jī)質(zhì)、總磷和總鉀含量的影響Table 2 Effect of initial pH values on the contents of organic matter，total phosphorus and total potassium during composting

溫度是堆肥效果的重要評價(jià)參數(shù)，堆體的溫度變化反映了堆體內(nèi)微生物活性的變化，堆體溫度升高是微生物代謝產(chǎn)熱累積的結(jié)果，反過來又決定了微生物的代謝活性［18］。本研究中各處理的堆肥溫度變化主要有3個(gè)階段，分別為升溫階段、高溫階段和后熟降溫階段，這與許多研究結(jié)果［8，11-12］類似。本研究結(jié)果表明中藥渣初始發(fā)酵pH值為6～7時(shí)，其堆肥溫度較其他2個(gè)處理(初始發(fā)酵pH值為4～5和5～6)的高，但其他2個(gè)處理的堆肥溫度也均已達(dá)到要求的堆肥溫度水平。

表3 不同覆蓋材料對堆制過程中堆肥有機(jī)質(zhì)、總磷和總鉀含量的影響Table 3 Effect of covering materials on the contents of organic matter，total phosphorus and total potassium during composting

pH值的變化與氨濃度變化相關(guān)，同時(shí)能夠反映微生物活性的變化，堆肥腐熟后的 pH值在8至9之間。本研究中所有處理的pH值都呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，最后穩(wěn)定在8至9之間，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果［19］類似。電導(dǎo)率(EC)的變化反映了腐熟進(jìn)程中的鹽分水平，本研究在整個(gè)堆制過程中各處理的EC值呈不規(guī)則的波動變化，在后期處理3 (初始pH 6～7，蓋白膜)的EC值變化較小。可能是該處理中添加了較多石灰，將堆肥反應(yīng)過程中產(chǎn)生的小分子絡(luò)合為難溶的絡(luò)合物，降低了堆肥的EC［20］。

由于堆肥原料中含有植物毒性物質(zhì)，會對植物的生長產(chǎn)生抑制作用，用植物生長試驗(yàn)評價(jià)分析腐熟度是最終和最具說服力的方法，種子發(fā)芽指數(shù)測定可以作為評價(jià)腐熟物植物毒性的一種快速、簡便的方法，堆肥腐熟度可以通過堆肥產(chǎn)品對種子發(fā)芽及植物生長的抑制程度進(jìn)行評價(jià)［17］。本研究各處理最終種子發(fā)芽率均達(dá)到了80%以上。覆蓋白膜處理比覆蓋黑膜處理腐熟進(jìn)度提前了10 d，這可能是由于黑膜的隔熱性較好，使堆溫低于覆蓋白膜處理。

堆肥中全氮包括有機(jī)氮和無機(jī)氮，其中有機(jī)氮的變化主要包括氮素的固定和釋放。堆制過程中有機(jī)氮的礦化、持續(xù)性氨的揮發(fā)及硝態(tài)氮的反硝化作用均可引起堆制過程中氮素的損失［8］。而接種外源微生物腐熟劑可提高堆肥產(chǎn)品的全氮含量。在堆制過程中全氮含量增加是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)不斷分解成CO2和H2O而散失，總干物質(zhì)質(zhì)量下降幅度明顯大于NH3揮發(fā)所引起的下降幅度，最終使干物質(zhì)中全氮含量相對增加［13］。本研究中所有處理的全氮含量在堆制初期都有一個(gè)下降的階段，后期逐漸增加，這與前人的研究結(jié)果［21］類似。

堆制過程是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過程，伴隨著堆制進(jìn)程，磷、鉀被釋放和固定，磷、鉀含量直接影響最終堆肥品質(zhì)。本研究結(jié)果表明，中藥渣堆制過程中有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，總磷和總鉀含量總體上呈增加趨勢。這與許多研究結(jié)果［19］類似。堆制結(jié)束后，初始發(fā)酵pH值為6～7的處理有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量最低，而初始發(fā)酵pH值為4～5的處理有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量最高;覆蓋白膜的中藥渣堆肥效果比覆蓋黑膜的好，覆蓋白膜有利于保持較高堆肥溫度，在發(fā)酵過程中pH值上升快，堆制結(jié)束后覆蓋白膜處理的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量均較高。

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