油茶殼-蠶沙堆肥過程中理化參數變化及其腐熟度評價

蔣越華，范稚蓮，黃海連，李 鴻，楊丹亞，莫良玉

（1.廣西壯族自治區亞熱帶作物研究所，廣西 南寧 530001；2.廣西大學，廣西 南寧 530004；3.梧州職業學院，廣西 梧州 543002）

油茶和桑蠶是廣西兩大農業支柱產業。油茶殼是油茶果脫籽后剩余的果皮，占整個油茶果質量的50%～60%［1-2］。據統計，我國每年產生的油茶殼約為300 萬t，絕大部分被直接丟棄或作為燃料利用。此外，隨著“東桑西移”戰略的實施，桑蠶產業在廣西得到快速發展，蠶沙是蠶糞和桑葉殘渣的混合物，每飼養1 張蠶種可得到干蠶沙約60 kg［3］。如何高效妥善地處理農林廢棄物已成為農業綠色可持續發展中亟待解決的問題。肥料化是實現當前農林廢棄物資源化利用的經濟有效方式之一，好氧堆肥是主要的技術手段，其本質是堆體內多種微生物將大分子有機物分解轉化成小分子穩定物質的過程，而維持微生物的活性和生長代謝需要一定的碳、氮養分。因此，碳氮質量比是影響堆肥腐熟發酵進程最關鍵的因素。大量研究表明，適合堆肥的物料初始碳氮質量比在20～35［4］。經檢測，油茶殼碳氮質量比高（約100），僅通過自然腐解需要很長的時間，而蠶沙碳氮質量比低（5 左右），不僅可作為微生物的氮源有效解決油茶殼單獨堆肥所存在的不足，還可以將廢棄的蠶沙充分資源化利用。目前，對油茶殼堆肥的研究較少，僅有的油茶殼發酵技術研究中主要添加油茶麩或無機氮源進行發酵［5-6］，蠶沙則通常自然堆漚或者直接回施農田，極易造成野蠶泛濫和病害傳播，而有關油茶殼與蠶沙聯合堆肥及其腐熟度評價的研究較為鮮見。本研究根據不同配比油茶殼和蠶沙堆肥過程中理化參數變化進行腐熟度評價，尋求油茶殼與蠶沙堆肥的最佳配比，為廣西尤其是百色市油茶殼和蠶沙規模化有效利用提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

油茶殼和蠶沙收購于凌云縣油茶種植戶和養蠶戶，油茶殼曬干后粉碎，得到粒徑2～3 mm 的顆粒，蠶沙晾干后去除石塊等雜質備用。供試材料的理化性質見表1。

表1 供試材料的理化性質 %

1.2 試驗設計

根據m（C）/m（N）為20、25、30 和35 依次設置T1、T2、T3和T4處理，每個處理所用油茶殼均為50 kg，并按碳氮質量比計算蠶沙用量分別為45、31、23、18 kg，以不加蠶沙的純油茶殼為對照（CK），調節各處理堆體w（H2O）至60%，堆成直徑約1.0 m、高0.8 m的堆垛。

1.3 樣品采集與處理

試驗 于2022 年5 月4 日至7 月6 日在廣西壯族自治區亞熱帶作物研究所科研大棚內進行，共堆制64 d，第1 周每3 d 翻堆一次，之后每7 d 翻堆一次。翻堆前在距堆體頂部30 cm 和80 cm 處不同方位取樣并混勻，每次取樣量1.5～2.0 kg。其中一部分鮮樣用于測定pH和種子發芽指數（GI）；另一部分鮮樣風干后過2 mm 孔徑篩網，用于分析有機質（有機碳）、總氮和陽離子交換量（CEC）等。

1.4 測定指標與方法

（1）物理指標的測定：堆肥期間每天早上11：00 左右用探針數顯溫度儀（LCD-105 型461）在堆體中心下方30 cm處監測堆體前、后、左、右以及中心5個方位的溫度，同時記錄環境溫度。

（2）化學指標的測定：pH測定參照程雯等的方法，稱取風干基質樣品5.0 g，加入去離子水50.0 mL，攪拌3 min，靜置30 min后過濾，用酸度計測定濾液的pH［7］。有機碳和總氮含量測定參照《有機肥料》（NY/T 525—2021），分別采用重鉻酸鉀容量法和凱氏定氮法測定［8］；陽離子交換量測定參照《森林土壤陽離子交換量的測定》（LY/T 1243—1999）［9］。

（3）生物指標的測定：種子發芽指數按照NY/T 525—2021 中方法測定［8］。稱取鮮樣10.00 g 于250 mL 錐形瓶中，按照液固體積質量比10 mL/g 加入去離子水，在25 ℃條件下100 r/min 轉速振蕩浸提1.0 h，取下靜置0.5 h后過濾，吸取濾液5 mL 于事先墊有濾紙的培養皿中，再均勻放入10 粒飽滿的蘿卜種子，蓋上培養皿蓋，在（25±2）℃的培養箱中避光培養48 h，統計發芽粒數，并用游標卡尺逐一測量主根長。同時以去離子水為對照做空白試驗。種子發芽指數=（處理平均發芽率×處理平均根長）×100%/（對照平均發芽率×對照平均根長）。

1.5 灰色關聯分析法

灰色關聯分析法是將堆肥腐熟度分級標準和待評價的樣品視為一個灰色系統，根據系統各因素間數據的發展態勢和相異程度判斷因素間關聯或行為的接近程度［10］。參考國內外常用的堆肥腐熟度評價指標，并綜合考慮指標測定方法的便捷性和可操作性，本研究以≥50 ℃高溫持續時間、m（C）/m（N）降低幅度（η）和種子發芽指數（GI）組成堆肥產品腐熟度質量評價指標體系，設置4個堆肥腐熟度等級參考標準，并對堆肥降溫期即堆制40、48、56、64 d的堆肥樣品進行評價，堆肥腐熟度評價標準見表2。

表2 堆肥腐熟度評價標準

設u＝u（i），i為堆肥腐熟度分級標準，取值為0、1、2、3、4；其中i＝0 表示待評價堆肥樣品；i＝1 表示完全腐熟；i＝2 表示較好腐熟；i＝3表示基本腐熟；i＝4表示未腐熟。待評價堆肥樣品序列｛x0（k）｝=｛x0（1），x0（2），x0（3）｝為參考序列；｛xi（k）｝=｛xi（1），xi（2），xi（3）｝為被比較序列，k為評價指標，取1、2、3。

第一步，將各評價指標實測值進行歸一化處理，統一單位；第二步，計算各對應點的絕對差值，Δi（k）＝|x0（k）-xi（k）|；第三步，根據式（1）計算關聯系數。

式中，ρ為分辨系數（0～1），通常取0.5。

最后，通過式（2）計算出被比較序列｛xi（k）｝與參考序列｛x0（k）｝的關聯度：

通過關聯度，可以得出待評價堆肥樣品與各腐熟度標準之間的相似程度，以最大關聯度判定該產品腐熟等級，即腐熟度所處級別計算出的γ0i越大，則說明待評價堆肥樣品越接近第i級腐熟標準。

1.6 統計分析

采用Excel 軟件進行數據處理和圖表制作，通過SPSS 18.0軟件進行方差等統計分析。

2 結果與討論

2.1 堆肥過程中堆體溫度變化

溫度是堆肥狀態的一種表觀體現，直接影響堆肥進程以及各類微生物代謝活動，溫度高低決定了堆肥速率和堆肥質量［11-12］。各處理堆肥過程堆體溫度變化見圖1。從圖1可知，添加蠶沙的4組處理堆肥過程中堆體溫度均高于對照。T1 至T4 處理的堆體溫度大致經歷了升溫階段、高溫階段和降溫階段，由此說明添加適當比例的蠶沙作為氮源可有效促進油茶殼腐熟，能加快發酵進程。T1 至T4 處理溫度上升速率更快，在堆肥前4 d 堆體溫度呈現明顯的上升趨勢，并進入高溫期（≥50 ℃），在第4天溫度達到最大值，分別為61.6、60.4、52.9、51.6 ℃。在翻堆后T1 至T4 處理由于翻堆供氧補水造成堆體溫度暫時性降低，但不同處理的最高溫度、≥50 ℃高溫持續時間以及翻堆后溫度回升速率有所差異。T1 和T2 處理因翻堆有機物快速重新分配，微生物活性再次提高，使得堆體溫度再次升高，≥50 ℃的高溫持續時間分別有17 d 和13 d；而T3 和T4 處理在第一次翻堆后堆體溫度迅速降低至41 ℃左右，直至27～37 d 溫度才再次升高到45～49 ℃，≥50 ℃高溫持續時間僅有2 d。對照堆肥過程中堆體溫度較低，最高溫度僅為41.1 ℃，始終未進入高溫階段（≥50 ℃）。堆體溫度是微生物與環境相互作用的結果，也是影響堆肥達到無害化和穩定化的重要指標［13］。通常認為，堆體溫度在55 ℃條件下保持3 d以上或者50 ℃以上保持至少10 d才能達到堆肥無害化的要求［14］。由此可看出，堆體溫度受碳氮質量比影響顯著，添加蠶沙且初始碳氮質量比在20～25能使油茶殼堆料中的物質更快被分解。本試驗T1和T2處理可達到堆肥無害化衛生要求，而T3和T4兩組處理均不能有效殺死病菌和害蟲卵。

圖1 堆肥過程中堆體溫度變化

2.2 堆肥過程中pH變化

pH 直接反映堆肥物料中微生物所處的環境條件，通常初始pH 受到堆肥原料的影響較大。堆肥過程中各處理pH變化見圖2。由圖2可知，CK處理的初始pH呈弱酸性（6.1），而T1至T4處理初始pH（7.2 ～7.7）基本為中性，與微生物生長適宜的pH（中性或弱堿性）要求相符［15］。在整個堆肥過程中各處理的pH 大體上呈現先升高后降低、最后趨于穩定的趨勢。通常認為，堆肥pH 變化與氮素轉化有密切關系［16］。堆肥前期，在高溫條件下有機物發生氨化作用被分解生成銨態氮使得堆體pH 逐漸升高；之后隨著堆肥的持續，由于堆體溫度下降，同時不斷翻堆供氧使硝化作用成為主導，產生大量的H+而使pH 下降［17］。T1 至T4 處理的pH 在堆肥40 d達到最大值，分別為8.60、8.69、7.82、7.86，分別較對照處理同期pH 高1.12、1.21、0.52、0.38，之后略有降低并趨于穩定。在堆肥結束時，各處理pH均高于初始值，其中添加蠶沙的4組處理均呈微堿性，對照為中性（pH 7.0），各處理的pH 符合《有機肥料》（NY/T 525—2021）的要求。

圖2 堆肥過程中pH變化

2.3 堆肥過程中碳氮質量比的變化

碳氮質量比是判斷堆肥腐熟度的重要指標。堆肥過程中各處理碳氮質量比變化見圖3。從圖3 可看出，經過堆肥處理后所有處理的碳氮質量比較堆肥初期均明顯降低，由于CK 處理的初始碳氮質量比較高，為119，堆肥前18 d 碳氮質量比逐漸降低，但在第25天仍有114，之后隨著有機物分解逐漸降低，在試驗結束時碳氮質量比為75，降低了37%。而添加蠶沙能提高堆料的氮含量、降低碳氮質量比，T1 至T4 處理的碳氮質量比在前18 d 下降較快，在32 d后趨于穩定，堆肥結束時分別降低至11、14、19 和23，分別降低了45.0%、49.0%、36.7%及34.3%。一般認為碳氮質量比降到16 以下更適合田間利用［18］。本試驗中T1、T2 處理中碳氮質量比降低幅度均高于對照，由此說明適宜的碳氮質量比提高了微生物活性，促進了堆體物料的降解，是影響堆肥腐熟進程的關鍵因子。

圖3 堆肥過程中碳氮質量比的變化

2.4 堆肥過程中陽離子交換量的變化

陽離子交換量以1 kg堆肥樣品代換吸收陽離子的物質的量來表示，反映了堆體保持、供應養分的能力以及對酸堿的緩沖性能等，能有效反映有機質的變化［19］，是評價堆肥腐殖化程度及新形成有機質的重要指標，一般隨著腐熟進程逐漸增加［20-21］。堆肥過程中各處理陽離子交換量變化見圖4。由圖4可知，各處理的陽離子交換量隨發酵進程總體上均呈上升趨勢。CK 處理陽離子交換量在25 d 前變化平緩，在堆制40 d時最低，為43.2 cmol/kg，之后逐漸升高，試驗結束時陽離子交換量為54.7 cmol/kg，較初始值增加了8.8 cmol/kg；而油茶殼-蠶沙處理組因配比不同初始陽離子交換量有所差異，T1 至T4處理的陽離子交換量初始值分別為55.6、49.8、47.2、45.6 cmol/kg，堆肥結束時均升高到60 cmol/kg以上，增長率為11.7%～38.6%。

圖4 堆肥過程中陽離子交換量的變化

2.5 堆肥過程中種子發芽指數的變化

種子發芽指數是反映堆肥產品對植物毒性的重要參數，堆肥過程中各處理種子發芽指數變化見圖5。由圖5可知，作為對照的純油茶殼處理其浸提液對種子發芽無顯著的抑制作用，種子發芽指數始終保持在77%以上，原因可能是其溫度在發酵過程中變化不大，有機物質降解少，產生有毒物質少。而油茶殼-蠶沙4組處理種子發芽指數隨發酵進程大致經歷了先升高后降低的變化趨勢，與吳紅萍等［22］的研究結果相近。與CK處理相比，油茶殼-蠶沙處理組在堆肥初期種子發芽指數有所降低，可能是大量有機物隨堆體溫度升高被分解成高濃度的氨、小分子有機酸及醛類等不完全降解產物，這些物質對種子發芽產生抑制作用，種子發芽指數在46%～65%，隨著堆肥時間延長有害氣體揮發，浸提液生物毒性逐漸減弱，在堆肥32 d時T1至T4處理的種子發芽指數均達到最大值，分別為81.5%、102.5%、115.2%和122.2%，堆肥結束時種子發芽指數均相對穩定在72%以上，對種子不產生毒害。

圖5 堆肥過程中種子發芽指數的變化

2.6 堆肥腐熟度綜合評價結果

本試驗因pH 在整個堆肥過程中變化不大，且基本在堆肥允許范圍內，陽離子交換量易受堆肥原材料等多因素影響，所以未將pH 和陽離子交換量列入油茶殼堆肥腐熟度的評價因子中，選取≥50 ℃高溫持續時間、碳氮質量比降低幅度及種子發芽指數作為評價指標。5組處理在堆肥后期各指標的實際測量值見表3。由表3可知，對照組（CK）≥50 ℃高溫持續時間為0，堆肥期間全程未進入高溫期，同時，盡管堆肥40 d 后種子發芽指數≥80%、碳氮質量比降低幅度在20%以上，但碳氮質量比在試驗結束時仍有75，遠高于堆肥產品應滿足碳氮質量比≤25的要求，因此，CK處理列為未腐熟。T1至T4處理在堆肥40 d后溫度趨于平穩，T1處理≥50 ℃高溫持續時間最長（17 d），T3 和T4 最短（2 d），各處理碳氮質量比降低幅度逐漸升高，種子發芽指數在72%以上。

表3 堆肥樣品腐熟度評價指標實測值

將油茶殼-蠶沙4 組處理在堆肥后期不同時間的樣品評價指標實測值與表2的標準值進行歸一化處理后，通過式（1）、式（2）計算堆肥樣品與4級腐熟度標準間的關聯度，根據最大關聯度原則，對油茶殼-蠶沙組堆肥后期不同時段的綜合評價結果進行評級，結果見表4。由表4 可知，經過40 d發酵后，T2 處理與Ⅰ級腐熟的關聯度最大，為0.794，達到完全腐熟；而T1 處理在發酵40、48、56 d 后均與Ⅱ級腐熟的關聯度最大，達到較好腐熟，在堆肥結束（64 d）時才達到完全腐熟；T3和T4處理均未腐熟。

表4 灰色關聯度計算結果

3 結論

（1）添加蠶沙調節初始碳氮質量比在20～25能有效促進油茶殼腐解；添加蠶沙的處理為中性或弱堿性，且最高溫度、≥50 ℃高溫持續時間及陽離子交換量均高于對照；發酵后各處理的碳氮質量比均有明顯降低，陽離子交換量隨發酵進程總體呈上升趨勢，堆肥結束時種子發芽指數均在70%以上，對植物生物毒性小。

（2）堆肥40 d 時，T2 處理即達完全腐熟，T1處理達到較好腐熟，64 d 時T1 處理達完全腐熟；而T3、T4和CK處理全程未腐熟。一方面反映了氮源是影響堆肥腐熟進程的重要因素，添加蠶沙等有機氮源作為促進油茶殼快速腐熟的輔料較為理想；另一方面，碳氮質量比對微生物的生長代謝起著重要作用。因此，調節初始碳氮質量比在20～25 有利于油茶殼-蠶沙堆肥較快達到腐熟。