白芷和桃仁藥渣堆肥化處理的腐熟度評價研究△

吳小琴，孫利鑫，王引權(quán)*，李金林，陳暉

(1.甘肅省藥物堿廠，甘肅 武威 733006；2.甘肅中醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；3.蘭州商學(xué)院，甘肅 蘭州 730020)

白芷和桃仁藥渣堆肥化處理的腐熟度評價研究△

吳小琴1，孫利鑫2，王引權(quán)2*，李金林3，陳暉2

(1.甘肅省藥物堿廠，甘肅 武威 733006；2.甘肅中醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；3.蘭州商學(xué)院，甘肅 蘭州 730020)

以桃仁和白芷藥渣為原料在自動化堆肥裝置中進(jìn)行堆肥化試驗，研究了堆肥過程的溫度、pH值、C/N比和發(fā)芽指數(shù)(GI)等特征參數(shù)變化。結(jié)果表明：在長達(dá)28 d的堆肥化處理過程中，白芷藥渣的堆體溫度比桃仁藥渣上升較慢，且高溫期(≥50℃)持續(xù)時間僅為7 d，而桃仁渣的持續(xù)時間長達(dá)13 d。白芷藥渣和桃仁藥渣的C/N比分別下降44.6%和31.6%。堆肥結(jié)束時的T值(終點C/N比：初始C/N比)分別達(dá)為0.57和0.69。pH值分別為6.54和7.12。GI分別為85.09%和53.60%。獲得的白芷和桃仁藥渣堆肥有機質(zhì)含量分別為74.42%和77.64%，總養(yǎng)分達(dá)5.2%和5.9%，pH值為6.54和7.12。

白芷；桃仁；中藥渣；堆肥化；腐熟度

隨著我國中藥提取物產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，每年都有大量的中藥渣產(chǎn)生。中藥渣不僅含有大量的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、核酸等初生物質(zhì)，而且由于受提取工藝的限制，仍然有許多次生產(chǎn)物殘留于中藥渣中[1]。中藥渣的處理往往采用傳統(tǒng)的處理方法如焚燒、填埋、固定區(qū)域堆放，不僅要投入大量的資金，而且也造成了資源的浪費和環(huán)境的嚴(yán)重污染[2]。堆肥化處理技術(shù)是國內(nèi)外廣泛采用的一種有機固體廢棄物資源化利用新技術(shù)。堆肥化因處理能力大、無害化程度高、運轉(zhuǎn)成本低、產(chǎn)品運輸方便和宜于直接使用或加工成專用肥，并且符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的觀點，長期以來被廣泛研究和應(yīng)用[3]。堆肥腐熟度指堆肥過程中有機物質(zhì)經(jīng)過礦化、腐殖化過程后達(dá)到穩(wěn)定化的程度，是評價堆肥過程及堆肥最終產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[4]。完全成熟的堆肥可作為土壤改良劑或有機肥，不僅能促進(jìn)作物生長、提高土壤肥力，而且能增強土壤的碳固定[5]，而腐熟程度不夠的堆肥若直接施到土壤中，會引起氧化還原電位下降、氮饑餓、植物毒害和氧氣競爭等問題而對作物特別是幼苗的正常生長發(fā)育產(chǎn)生不良影響[6]。國內(nèi)外學(xué)者在堆肥腐熟度評價方面開展了大量研究，實際應(yīng)用中由于堆肥原料、堆肥條件、堆肥工藝和堆肥產(chǎn)品要求等方面因素，使得堆肥腐熟度評價也變得較為復(fù)雜[4]。目前堆肥腐熟度的評價指標(biāo)很多，主要有物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和波譜學(xué)指標(biāo)等[4]，其中堆肥溫度、pH、C/N比、發(fā)芽指數(shù)(GI)等指標(biāo)經(jīng)常被運用于腐熟度的評價[6-8]。

中藥渣的類型較多，成分復(fù)雜，理化性狀差異較大，堆肥過程和堆肥質(zhì)量難以控制。目前有關(guān)中藥渣堆肥化的研究報道多數(shù)是以不同藥用部位混雜的中藥渣為原料而進(jìn)行的，各藥用部位混合比例不同，堆肥過程差異較大。本文以根類的白芷和種子類的桃仁藥渣為研究對象，對其堆肥過程中與腐熟度密切相關(guān)的重要參數(shù)的變化特征進(jìn)行分析，并對其腐熟度進(jìn)行綜合評價，旨在為中藥渣資源的循環(huán)利用和中藥企業(yè)的清潔生產(chǎn)提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堆肥試驗用白芷Angelicadahurica和桃仁Semen persicae藥渣由甘肅隴西一方制藥有限公司提供，物料理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗用藥渣的理化性狀

試驗用指示種子為白菜Brassicachinensis，由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。

1.2 堆肥化試驗

試驗于2013年3月至12月在甘肅中醫(yī)學(xué)院實驗室進(jìn)行。堆肥發(fā)酵實驗裝置采用JKL07型自動化不銹鋼堆肥罐(上海江科)，該堆肥罐體積為25 L(Ф 29 mm×總高372 mm)，罐外水套溫度控制在30±2℃。堆肥期為35 d。堆肥初期先將物料含水率調(diào)節(jié)至60%左右，再將物料裝入發(fā)酵罐中進(jìn)行發(fā)酵。每7 d翻堆一次，以保證物料充分混勻，翻堆后取樣貯藏于箱，供測定堆肥過程中的各項參數(shù)。在重新裝入發(fā)酵罐前，根據(jù)情況添加一定量的水，使物料含水率保持在60%左右。為了最大限度的減少堆肥物料熱量的損失，補充的水溫與物料溫度保持相同。堆肥過程中，堆肥通風(fēng)量控制在0.3～0.6 m3·min-1，通風(fēng)次數(shù)為每天1～3次，每次通風(fēng)間隔30～60 min。

1.3 測定參數(shù)與方法

于每天上午測定物料中心溫度。根據(jù)NY525-2012的方法，有機質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法，全氮用凱氏定氮法，全磷用釩鉬黃法，全鉀用原子吸收法，pH用電位法[9]。種子發(fā)芽指數(shù)(GI)用種子發(fā)芽試驗法[4]：精確稱取堆肥樣品10.0 g，放置于250 mL磨砂口錐形瓶中，加入100 mL蒸餾水，使固液比達(dá)1∶10。然后在往復(fù)式水平振蕩器上進(jìn)行振蕩，頻率為100次·min-1，振幅約40 mm，在室溫下震蕩浸提1 h，取下，靜置過夜后，用真空抽濾機進(jìn)行抽濾，收集抽濾液，搖勻后即為堆肥浸提液，供分析用。在12×12×6 cm的種子發(fā)芽盒內(nèi)墊上2張濾紙，均勻放入30粒大小基本一致、飽滿的種子，加入堆肥浸提液5.0 mL，蓋上發(fā)芽盒蓋，在30 ℃的培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)48 h，統(tǒng)計發(fā)芽率和測量根長。每次測定重復(fù)3次，以蒸餾水作對照。計算種子發(fā)芽指數(shù)(GI)公式如下：

A1：表示有堆肥浸提液培養(yǎng)種子的發(fā)芽率

A2：表示有堆肥浸提液培養(yǎng)種子的總根長

B1：表示蒸餾水培養(yǎng)種子的發(fā)芽率

B2：表示蒸餾水培養(yǎng)種子的總根長

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度變化

由圖1可見，在整個堆肥過程中，白芷藥渣和桃仁藥渣溫度變化趨勢大體相同。溫度變化過程可明顯分為升溫期、高溫期(溫度≥50 ℃)、降溫期和穩(wěn)定期。桃仁藥渣的堆體溫度上升較快，在堆肥處理當(dāng)天內(nèi)就上升到50 ℃，而白芷藥渣的溫度上升較慢，在堆肥第4 d才進(jìn)入到高溫期。桃仁藥渣的堆肥高溫期(≥50 ℃)能持續(xù)13 d，而白芷藥渣僅為7 d。桃仁藥渣堆肥的最高溫度高達(dá)68 ℃，但白芷藥渣僅達(dá)57 ℃。桃仁藥渣堆肥溫度較高的原因可能是因為它的初始C/N比為20.9，比白芷藥渣初始C/N比(41.1)低，這有利于堆肥微生物的繁殖與生長[8]。白芷藥渣和桃仁藥渣分別在堆肥22 d和24 d后其堆體溫度逐漸下降并接近環(huán)境溫度，表明逐漸過渡到了堆肥穩(wěn)定期。

圖1 白芷和桃仁藥渣堆肥過程中的溫度變化

2.2 C/N比變化

堆肥過程中有機物質(zhì)經(jīng)過礦化、腐殖化過程，C轉(zhuǎn)化為CO2和腐殖質(zhì)物質(zhì)，而N則以NH3形式散失，或變?yōu)橄跛猁}和亞硝酸鹽或被微生物體同化吸收[10]。Morel等采用T=(終點C/N比)/(初始C/N比)來評價腐熟度，認(rèn)為當(dāng)T值小于0.6時堆肥達(dá)到腐熟[11]。從圖2結(jié)果看出，在整個堆肥過程中，白芷藥渣和桃仁藥渣的C/N比均呈下降趨勢。白芷藥渣和桃仁藥渣的C/N比分別從堆肥開始時的41.1和21.2下降到堆肥結(jié)束時的23.1和14.6，下降幅度分別為44.6%和31.6%。在堆肥28 d時白芷藥渣的T值為0.57，說明已達(dá)到了腐熟；而桃仁藥渣的T值分別為0.69，腐熟度較差，這可能是因為桃仁藥渣的粒徑較小，引起堆肥過程中物料局部結(jié)塊，通透性變差，造成厭氧呼吸，進(jìn)而影響了堆肥的微生物繁殖與生長，降低有機質(zhì)物質(zhì)的分解速率而致[4]。

圖2 白芷和桃仁藥渣堆肥過程中的C/N比變化

2.3 pH 變化

由圖3可見，在28 d的堆肥過程中，白芷藥渣和桃仁藥渣的pH均呈現(xiàn)出“先升后降”的變化趨勢。在堆肥后14 d內(nèi)，白芷藥渣的pH由4.61±0.01上升到6.76±0.23，桃仁藥渣的pH由4.93±0.02上升到7.48±0.08。之后隨著堆肥化進(jìn)程，白芷藥渣和桃仁藥渣的pH則緩慢下降，到堆肥結(jié)束時，pH分別下降到6.54±0.11和7.12±0.06，符合我國有機肥pH為 5.5～8.5的標(biāo)準(zhǔn)。堆肥高溫期pH的升高，可能是因為堆肥過程中大量有機酸被微生物所分解，或者是微生物的氨化作用產(chǎn)生大量NH3所致。而堆肥后期pH的降低，也可能由于NH3揮發(fā)量減少，堆肥腐殖化程度提高，或因硝化反應(yīng)而產(chǎn)生大量H+而導(dǎo)致pH下降[12]。

圖3 白芷和桃仁藥渣堆肥過程中的pH變化

2.4 GI

一般認(rèn)為當(dāng)小粒種子的GI大于50%時，表示堆肥基本不具植物毒性，當(dāng)GI大于80%時堆肥的植物毒性完全消失[4,12]。由圖4結(jié)果看出，在堆肥初始，白芷和桃仁藥渣的GI分別為48.20%±0.19%和22.71%±0.03%，均小于50%，說明未經(jīng)堆肥化處理的白芷和桃仁藥渣均具有植物毒性。到堆肥28 d 時，白芷藥渣的GI提高到85.09%±0.94%，說明植物毒性完全消失。而桃仁藥渣的GI僅達(dá)到53.60%±2.40%，表明基本不具植物毒性。

圖4 白芷和桃仁藥渣堆肥過程中的GI變化

2.5 白芷和桃仁藥渣堆肥的質(zhì)量評價

白芷和桃仁藥渣堆肥的質(zhì)量見表2，如表2所示，經(jīng)歷28 d的堆肥化處理，白芷和桃仁藥渣堆肥的有機質(zhì)含量分別為74.42%±0.03%和77.64%±0.52%，比我國有機肥料標(biāo)準(zhǔn)分別高出65.38%和72.53%；總養(yǎng)分高4.0%和18%；pH為6.54±0.11和7.12±0.06，符合5.5～8.5的標(biāo)準(zhǔn)。說明白芷和桃仁藥渣堆肥均是有機質(zhì)含量和總養(yǎng)分較高的優(yōu)質(zhì)生態(tài)肥，可作為有機肥或土壤改良劑施用，也可與化肥配合，制備成有機無機配方肥。

表2 白芷和桃仁藥渣堆肥的質(zhì)量*

*注：除水分外，其余參數(shù)的數(shù)據(jù)均以干基計。

3 討論

堆肥腐熟度的評價是一個復(fù)雜的問題。在堆肥腐熟度評價中，單個指標(biāo)往往比較片面，難以真實反映堆肥產(chǎn)品的腐熟情況，因此國外常采用物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)多指標(biāo)體系來評價腐熟度[13]。大量研究表明，溫度是反映堆肥過程中微生物代謝和生化活動所產(chǎn)生熱量特征的良好指標(biāo)，也是衡量堆肥過程是否正常的最直接、最敏感指標(biāo)[4,8]。C/N比常作為評價堆肥比較直觀的化學(xué)指標(biāo)[14]。發(fā)芽指數(shù)(GI)不僅考慮了種子的發(fā)芽率，還考慮了植物毒性物質(zhì)對種子生根的影響，能有效地反映堆肥的植物毒性，許多學(xué)者以GI為標(biāo)準(zhǔn)來評價堆肥的腐熟度[4]。因此，在考察上述指標(biāo)的基礎(chǔ)上，本研究提出如下綜合指標(biāo)體系，以用于中藥渣堆肥過程及堆肥的質(zhì)量控制的參考(見表3)。

表3 白芷和桃仁藥渣堆肥腐熟度評價指標(biāo)體系

4 結(jié)論

在整個堆肥化過程中，白芷藥渣的堆體溫度比桃仁藥渣上升較慢，且高溫期(≥50℃)持續(xù)時間較短，而桃仁渣的持續(xù)時間較長。

白芷藥渣和桃仁藥渣的C/N比分別下降44.6%和31.6%；堆肥結(jié)束時的T值分別達(dá)為0.57和0.69；pH分別為6.54±0.11和7.12±0.06；GI分別由初始時的48.20%±0.19%和22.71%±0.03%提高到85.09%±0.94%和53.60%±2.40%。

歷經(jīng)28 d的堆肥化處理，白芷藥渣堆肥的植物毒性完全消失，可直接作為優(yōu)質(zhì)有機肥施用，但桃仁藥渣堆肥基本不具植物毒性，為了施用安全和保護(hù)環(huán)境仍需經(jīng)過一定時間的后熟才能施用。為了加快桃仁藥渣堆肥化進(jìn)程，在堆肥初期可添加一定量的秸稈，不僅能增加C含量，使初始C/N比調(diào)節(jié)到堆肥微生物適宜的范圍內(nèi)(25～30)，而且還能增加物料的通透性，增加堆肥微生物的活性，減少潛在的厭氧呼吸。

最終獲得的白芷和桃仁藥渣堆肥的有機質(zhì)含量分別為74.42%±0.03%和77.64%±0.52%；總養(yǎng)分達(dá)5.2%和5.9%；pH為6.54±0.11和7.12±0.06，可作為有機肥或土壤改良劑施用，也可與化肥配合，制備成有機無機配方肥。

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MaturityEvaluationduringCompostingTreatmentwithResiduesofRadixAngelicaeDahuricaeandPersicaeSemen

WU Xiaoqin1，SUNLixin2，WANGYinquan2*，LIJinlin3，CHENHui2

(1.AlkaloidsExtractingFactory，Wuwei733006，China；2.GansuUniversityofTraditionalChineseMedicine，Lanzhou730000，China；3.LanzhouUniversityofFinanceandEconomics，Lanzhou730020，China)

The composting experiments in an automatic compost system using residues of Radix Angelicae Dahuricae and Persicae Semen were carried out for 28 days to study changes of parameters of temperature，pH，C/N ratio and germination index(GI)during the composting process.The results showed that during the composting process，the temperature rise of was slower than that of Persicae semen.And the thermophilic phase(more than 50 ℃)of the former just kept for 7 days，while that of the latter lasted for 13 days.For the residues of Radix Angelicae Dahuricae and Persicae Semen，the C/N ratio declined 44.6% and 31.6% respectively.The T value(the final C/N ratio：the initial C/N ratio)was down to 0.57 and 0.69 respectively，and the pH was down to 6.54 and 7.12 respectively.GI was 85.09% and 53.60% respectively.The final composts obtained from residues of Radix Angelicae Dahuricae and Persicae semen were up to 74.42% and 77.64% of organic matter，5.2% and 5.9% of total nutrient(N，P2O5and K2O)，6.54 and 7.12 of pH respectively.

Radix Angelicae Dahuricae；Persicae semen；Herbal residues；Composting；Maturity

2014-07-03)

國家自然科學(xué)基金項目(81260616，81060327)；甘肅省中藥材產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)項目(GYC09-11)

*

王引權(quán)，教授，研究方向：藥用植物栽培生理、植物營養(yǎng)和中藥材質(zhì)量綜合評價；Tel：(0931)8768293，E-mail：kjkfpp@163.com

10.13313/j.issn.1673-4890.2014.12.011