金錢草藥渣堆肥理化特性研究

楊天建，竭 航，韓 量，全 健，余中蓮，雷美艷

(重慶市藥物種植研究所，重慶市道地藥材規(guī)范化生產(chǎn)工程技術研究中心，重慶 408435)

中藥渣是植物類藥材在提取藥物成分后剩余的固形物，具有產(chǎn)量大、排放集中等特點。我國大約有1 500家中藥企業(yè)，每年產(chǎn)生1 200萬t中藥渣，其中，以中成藥生產(chǎn)產(chǎn)生的藥渣量最大，約占中藥渣總量的70%[1]。中藥渣排放與妥善處理一直是中藥企業(yè)面臨的棘手問題，現(xiàn)有的處理方式以堆放為主，該方式不但占用土地資源，而且威脅地表水安全[2]。

目前，對中藥渣的處理與利用主要包括以下幾種方式：堆肥化形成有機肥或栽培基質[2]、作為食用菌栽培原料[3-5]、制作畜禽飼料或飼料添加劑[6-9]、催化裂解制取燃油[10-12]。中藥渣種類多、組分復雜，其含有的多種活性物質對食用菌品質有潛在影響，目前該方面研究尚不能滿足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)對原料安全性的要求。利用微生物固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)蛋白飼料的研究多處于實驗室階段，其大規(guī)模生產(chǎn)應用尚有待突破，且可作為飼料或飼料添加劑的藥渣種類較少，僅可作為輔助處理手段。堆肥化處理是固體廢棄物無害化、減量化、資源化的最佳方法之一。目前，中藥渣堆肥產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，不同種類藥渣養(yǎng)分含量差異大，發(fā)酵菌株種類多，發(fā)酵過程中的有機質含量、C/N比、溫度變化規(guī)律等基礎數(shù)據(jù)尚不明確，從而導致堆肥產(chǎn)品質量不穩(wěn)定。

金錢草為報春花科植物過路黃(LysimachiachristinaeHance)的干燥全草。金錢草具有利濕退黃、利尿通淋、解毒消腫等功效，是治療肝膽結石、尿路結石常用的中藥，為金錢草顆粒、金錢草片、復方金錢草顆粒、乙肝寧顆粒、利膽片、利膽排石片、利膽排石顆粒，以及肝炎康復丸、金黃利膽膠囊、舒膽膠囊、癃閉舒膠囊等中成藥的重要組分。本研究以金錢草藥渣為研究對象，分別添加5種商品發(fā)酵菌劑，采用條垛式堆肥系統(tǒng)進行堆肥試驗，對比分析不同微生物菌劑對中藥渣堆肥理化特性的影響，深入分析堆肥過程中溫度、有機質、N、P、K、pH的變化規(guī)律。本研究可為金錢草藥渣的產(chǎn)業(yè)化利用提供數(shù)據(jù)支持，為其他藥渣的堆肥化利用提供技術模型。

1 材料與方法

1.1 試驗時間及地點

試驗于2017年2月至2017年9月在重慶市藥物種植研究所塑料大棚進行。

1.2 試驗材料

中藥渣來源：本試驗的金錢草藥渣來源于重慶科瑞東和制藥有限責任公司，為金錢草(L.christinaeHance)干品經(jīng)100 ℃水提3次后剩余固形物，此固形物理化指標如下：有機質含量為88.48%，氮含量為1.59%，鉀含量為2.08%，磷含量為0.52%，灰分為11.52%，碳含量為40.86%；重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr含量分別為0.382、0.769、2.51、0.666、15.8 mg/kg。

發(fā)酵劑來源：康源微生物肥[(2014)準字(1461)](下文簡稱康源，主要菌群：芽孢桿菌、釀酒酵母、乳酸菌)；華隆有機物料腐熟劑[(2013)準字(1203)](下文簡稱華隆，主要菌群：枯草芽孢桿菌、綠色木霉、釀酒酵母)；根源微生物肥[(2015)臨字(2791)](下文簡稱根源，主要菌群：枯草芽孢桿菌、黑曲霉、酵母)；富農(nóng)微生物肥[(2016)臨字(3070)](下文簡稱富農(nóng)，主要菌群：枯草芽孢桿菌、釀酒酵母)；江蘇常州現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學院有機物料腐熟劑(后文簡稱江蘇，主要菌群：芽孢桿菌、放線菌、酵母菌)。

1.3 試驗方法

試驗設計以金錢草藥渣為主料，添加石灰、尿素等輔料，利用5種發(fā)酵劑進行發(fā)酵試驗，金錢草藥渣含水量75%～79%，將混勻的物料轉運至大棚，建成長6 m、寬4 m，高1.2 m的條形堆體，發(fā)酵過程不翻堆。

1.3.1 發(fā)酵過程溫度檢測 每天9∶00左右，檢測料堆中心40 cm處溫度，每次采集3個點，取平均溫度作為堆體實際溫度。

1.3.3 含水量、pH測定 樣品含水量用烘干法測定(105 ℃烘干)，新鮮樣品與去離子水以1∶10混合(W/V)，水平搖床振蕩30 min，測定pH 值。

1.3.4 不同發(fā)酵劑處理后藥渣中有機質含量測定 采用燒失量法[13]測定有機質含量，用電子天平稱取過Ф1 mm篩的藥渣風干試樣2.0 g，600 ℃煅燒6 h。

1.3.5 不同發(fā)酵劑處理后藥渣中碳含量測定 碳含量測定采用重鉻酸鉀容量法，具體操作參見《有機肥料》(NY525-2012)[14]。

1.3.6 不同發(fā)酵劑處理后藥渣中總氮含量測定 總氮含量的測定采用奈氏比色法，具體方法參見《土壤農(nóng)化分析》[15]。

1.3.7 不同發(fā)酵劑處理后藥渣中磷含量測定 磷含量的測定采用釩鉬黃比色法，具體方法參見 《有機肥料》(NY525-2012)。

1.3.8 不同發(fā)酵劑處理后藥渣中鉀含量測定 鉀含量的測定采用火焰光度法，具體方法參見 《有機肥料》(NY525-2012)。

1.3.9 中藥渣原料及有機肥重金屬檢測 按照GB 18877要求，采用ICP-OES方法進行重金屬檢測。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)計算及統(tǒng)計分析使用Excel 2010 及SPSS 22.0軟件進行。

2 結果與分析

2.1 堆肥不同階段溫度的變化趨勢

溫度直接影響參與反應的微生物活性與種類，其對堆肥效果有重要影響。由圖1所示，各發(fā)酵劑處理溫度的變化趨勢基本相同，均經(jīng)過升溫期、高溫期和降溫期3個階段。根源、華隆、康源、富農(nóng)4種發(fā)酵劑2～3 d后進入高溫階段，達到50 ℃以上持續(xù)時間分別為7 d、5 d、11 d、7 d；江蘇發(fā)酵劑在整個發(fā)酵過程溫度均低于50 ℃?？翟窗l(fā)酵劑在第2 天進入高溫階段(50 ℃以上)，第3天達到最高溫54 ℃，且高溫階段持續(xù)11 d。分析不同發(fā)酵劑處理金錢草藥渣溫度的變化過程發(fā)現(xiàn)，康源發(fā)酵劑的最高溫與高溫期持續(xù)時間均為最優(yōu)。

圖1 不同發(fā)酵劑處理堆肥溫度的變化

2.2 堆肥在不同階段的生物轉化率

由表1所示，不同發(fā)酵劑處理金錢草藥渣發(fā)酵30 d時，金錢草藥渣的生物轉化率在84.40%～91.71%之間。堆肥75 d時，生物轉化率在68.69%～72.36%之間，堆肥180 d時，生物轉化率在50%左右。不同發(fā)酵劑處理金錢草藥渣高溫階段持續(xù)時間與干物質損失率之間的Pearson相關系數(shù)為0.850，兩者之間存在不完全正相關。兩者之間不相關的單側顯著性值為0.034<0.05，因此，不同發(fā)酵劑處理金錢草藥渣高溫階段持續(xù)時間與干物質損失率存在顯著正相關關系。即高溫階段持續(xù)時間越長，干物質損失率越大，有機質降解越徹底，腐熟度更高。

表1 堆肥在不同階段的生物轉化率

2.3 堆肥在不同階段有機質含量的變化

在建堆后第1、10、30、75、180天取樣檢測藥渣中有機質含量，具體數(shù)據(jù)見圖2。隨發(fā)酵時間的延長，有機質含量整體呈下降趨勢。金錢草藥渣初始有機質含量為88.48%，發(fā)酵30 d時，有機質含量分別下降到65.15%、65.64%、63.67%、68.81%、70.06%，平均下降了21.81%，康源發(fā)酵劑處理組有機質含量下降了28.24%，降解有機質效果最優(yōu)。發(fā)酵180 d時，有機質含量分別下降至60.24%、62.92%、60.45%、66.65%、62.79%，從30 d至180 d有機質含量變化趨緩。后熟階段(30～75 d)完成后，有機質含量損失較少，可作為商品長期儲存。

圖2 不同發(fā)酵劑處理有機質含量的變化

2.4 堆肥不同階段氮含量的變化

由圖3所示，金錢草藥渣中氮含量的變化總體趨勢為先上升、后下降，在發(fā)酵初期(1～10 d)因輔料添加導致氮含量迅速上升；10～30 d時料堆中氨態(tài)氮在微堿性環(huán)境中轉化為NH3而部分損失，氮含量上升趨勢變緩；75 d時，隨著碳物質持續(xù)損失及物料水分蒸發(fā)，NH3損失速度小于干物質減少速度，從而造成“濃縮效應”，使氮含量達到峰值。之后隨著NH3揮發(fā)，總氮含量緩慢下降。180 d時，藥渣中氮含量在2.55%～3.45%之間，均高于發(fā)酵前金錢草藥渣氮含量。

圖3 不同發(fā)酵劑處理后藥渣中氮含量的變化

2.5 堆肥在不同階段磷含量的變化

藥渣中磷含量在發(fā)酵過程中的總體變化趨勢為先上升、再下降、再上升、再下降，呈一個不對稱的“M”型(見圖4)。在發(fā)酵初期，由于輔料的加入，導致磷含量上升；在10～30 d時，可溶性磷隨著水分流失而導致全磷含量下降。在發(fā)酵后腐熟階段(30～75 d)，碳含量持續(xù)損失，全磷含量隨著養(yǎng)分濃縮達到較高值。75 d后，有機質礦化分解基本結束，發(fā)酵堆體總體質量趨于穩(wěn)定，而磷含量通過揮發(fā)或徑流持續(xù)損失，總磷含量緩慢下降。180 d時，5種發(fā)酵劑處理組磷含量在0.68%～1.37%之間，均值為0.99%，高于金錢草藥渣初始磷含量0.52%。

圖4 不同發(fā)酵劑處理后藥渣中磷含量的變化

2.6 堆肥在不同階段鉀含量的變化

如圖5所示，藥渣中的鉀含量在發(fā)酵過程中的總體變化趨勢為先下降、再升高。鉀元素主要呈水溶性，金錢草藥渣含水量較高，在發(fā)酵初期，大量可溶性鉀隨水分下滲而損失。30 d后，隨著養(yǎng)分的“濃縮效應”顯現(xiàn)，鉀含量逐漸上升。金錢草藥渣初始鉀含量2.08%，180 d時鉀含量在2.26%～2.50%之間，增幅在8.65%～20.19%之間。

圖5 不同發(fā)酵劑處理后藥渣中鉀含量的變化

2.7 堆肥在不同階段的C/N 變化

C/N不僅是衡量腐熟度的重要參數(shù)，也是評價堆肥品質的重要指標之一。Morel等[16]建議采用T=(終點C/N)/(初始C/N)來評價堆肥的腐熟度，當T值<0.6且變化很小時，堆肥達到腐熟。對于本試驗所用5種發(fā)酵劑而言，發(fā)酵10 d時，T值在0.41～0.50之間，發(fā)酵30 d時，T值在0.37～0.48之間，由此可以判斷，堆肥30 d，發(fā)酵已經(jīng)腐熟。堆肥至75 d，總養(yǎng)分含量達到較大值，有機質含量到達較穩(wěn)定的值，后熟階段已結束。在土壤中植物吸氮量隨C/N比的降低而增加，C/N比為14時，可作為評價有機肥料是否供應植物氮素的臨近值。5種菌劑的堆肥產(chǎn)物，發(fā)酵30 d后，C/N比均低于14，可為植物有效提供氮素。見圖6。

圖6 不同發(fā)酵劑處理后藥渣中碳氮比的變化

2.8 堆肥在不同階段有機肥質量分析

本試驗結果表明，金錢草藥渣發(fā)酵30 d后，有機質含量在61.47%～70.06%之間，N含量在2.58%～3.35%之間，P2O5含量在0.54%～0.79%之間，K2O含量在1.74%～2.28%之間，總養(yǎng)分含量在5.20%～5.88%之間。對比《有機肥料》(NY525-2012)行業(yè)標準中有機質含量不低于45%、總養(yǎng)分不低于5.0%的規(guī)定可知，本試驗中藥渣最低有機質含量和最低總養(yǎng)分含量均高于行業(yè)標準。As、Hg、Pb、Cd、Cr等5種重金屬含量均符合限量標準，具體數(shù)據(jù)見表2。pH值穩(wěn)定在7.01～7.35，呈弱堿性，符合《有機肥料》(NY525-2012)中pH=5.5～8.5的標準要求。綜上，本試驗金錢草中藥渣發(fā)酵30 d后的產(chǎn)物，符合《有機肥料》(NY525-2012)行業(yè)標準，可作為商品銷售。

表2 金錢草中藥渣有機肥檢測結果

堆肥180 d，有機質含量在60.24%～68.33%之間，N含量在2.55%～3.45%之間，P2O5含量在0.68%～1.37%之間，K2O含量在2.26%～2.50%之間，總養(yǎng)分含量在5.94%～6.98%之間。從30 d至180 d，金錢草藥渣發(fā)酵產(chǎn)物有機質含量平均下降較少，總養(yǎng)分有所提升，說明金錢草有機肥穩(wěn)定性較好，商品保存期較長。

3 結論與討論

3.1 金錢草有機肥品質評價

金錢草藥渣的有機質含量為88.48%、鉀含量為2.08%，重金屬含量低，不同發(fā)酵劑處理金錢草藥渣30 d時，生物轉化率在84.40%～91.71%之間，有機質含量在61.47%～70.06%之間，這表明金錢草藥渣易腐熟且生物轉化率高。有研究對桃仁、白芷[17]、香菊膠囊[18]、黃芪[19]等藥渣進行堆肥發(fā)現(xiàn)，有機質含量均在70%以上，明顯高于畜禽糞便等堆肥產(chǎn)品的有機質含量。高有機質肥料可有效改善土壤的結構及微生物菌群。堆肥產(chǎn)品的C/N可以直觀反應堆肥對農(nóng)作物及土壤環(huán)境的影響，C/N比為14可作為有機肥料能否供應植物氮素的臨界值[20]，本研究中金錢草藥渣發(fā)酵30 d后，C/N在9.6～13.8 之間，均低于14，可為農(nóng)作物和土壤有效提供氮素。堆肥由30 d 至180 d時，金錢草藥渣有機質含量平均下降較少，總養(yǎng)分有所提升，說明金錢草有機肥穩(wěn)定性較好，商品質量期較長，總養(yǎng)分含量高，是較優(yōu)的有機肥料。

3.2 堆肥發(fā)酵溫度對有機肥衛(wèi)生指標的影響

溫度是衡量堆肥無害化的關鍵指標。CCME(2005)[21]準則規(guī)定，條垛堆肥方式中堆體溫度高于55 ℃，并持續(xù)15 d可殺滅病蟲草籽等有害物。本研究中堆體堆肥過程中溫度普遍偏低、高溫持續(xù)時間偏短，原因可能為金錢草藥渣水分高達75%以上，導致堆體通氣不足，微生物活性弱。陳霞等[22]利用藿香正氣液、通天口服液混合藥渣，將含水量控制在60%，發(fā)酵溫度則可在50 ℃以上持續(xù)18 d。因此，在后續(xù)研究中，可通過降低金錢草的濕度、翻堆、曝氣等措施，進一步提高堆肥效率，促進金錢草藥渣的資源化利用。