白芷和桃仁药渣堆肥化处理的腐熟度评价研究△

吴小琴，孙利鑫，王引权*，李金林，陈晖

(1.甘肃省药物碱厂，甘肃 武威 733006；2.甘肃中医学院，甘肃 兰州 730000；3.兰州商学院，甘肃 兰州 730020)

白芷和桃仁药渣堆肥化处理的腐熟度评价研究△

吴小琴1，孙利鑫2，王引权2*，李金林3，陈晖2

(1.甘肃省药物碱厂，甘肃 武威 733006；2.甘肃中医学院，甘肃 兰州 730000；3.兰州商学院，甘肃 兰州 730020)

以桃仁和白芷药渣为原料在自动化堆肥装置中进行堆肥化试验，研究了堆肥过程的温度、pH值、C/N比和发芽指数(GI)等特征参数变化。结果表明：在长达28 d的堆肥化处理过程中，白芷药渣的堆体温度比桃仁药渣上升较慢，且高温期(≥50℃)持续时间仅为7 d，而桃仁渣的持续时间长达13 d。白芷药渣和桃仁药渣的C/N比分别下降44.6%和31.6%。堆肥结束时的T值(终点C/N比：初始C/N比)分别达为0.57和0.69。pH值分别为6.54和7.12。GI分别为85.09%和53.60%。获得的白芷和桃仁药渣堆肥有机质含量分别为74.42%和77.64%，总养分达5.2%和5.9%，pH值为6.54和7.12。

白芷；桃仁；中药渣；堆肥化；腐熟度

随着我国中药提取物产业的快速发展，每年都有大量的中药渣产生。中药渣不仅含有大量的纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、核酸等初生物质，而且由于受提取工艺的限制，仍然有许多次生产物残留于中药渣中[1]。中药渣的处理往往采用传统的处理方法如焚烧、填埋、固定区域堆放，不仅要投入大量的资金，而且也造成了资源的浪费和环境的严重污染[2]。堆肥化处理技术是国内外广泛采用的一种有机固体废弃物资源化利用新技术。堆肥化因处理能力大、无害化程度高、运转成本低、产品运输方便和宜于直接使用或加工成专用肥，并且符合循环经济和可持续发展的观点，长期以来被广泛研究和应用[3]。堆肥腐熟度指堆肥过程中有机物质经过矿化、腐殖化过程后达到稳定化的程度，是评价堆肥过程及堆肥最终产品质量的重要指标之一[4]。完全成熟的堆肥可作为土壤改良剂或有机肥，不仅能促进作物生长、提高土壤肥力，而且能增强土壤的碳固定[5]，而腐熟程度不够的堆肥若直接施到土壤中，会引起氧化还原电位下降、氮饥饿、植物毒害和氧气竞争等问题而对作物特别是幼苗的正常生长发育产生不良影响[6]。国内外学者在堆肥腐熟度评价方面开展了大量研究，实际应用中由于堆肥原料、堆肥条件、堆肥工艺和堆肥产品要求等方面因素，使得堆肥腐熟度评价也变得较为复杂[4]。目前堆肥腐熟度的评价指标很多，主要有物理学、化学、生物学和波谱学指标等[4]，其中堆肥温度、pH、C/N比、发芽指数(GI)等指标经常被运用于腐熟度的评价[6-8]。

中药渣的类型较多，成分复杂，理化性状差异较大，堆肥过程和堆肥质量难以控制。目前有关中药渣堆肥化的研究报道多数是以不同药用部位混杂的中药渣为原料而进行的，各药用部位混合比例不同，堆肥过程差异较大。本文以根类的白芷和种子类的桃仁药渣为研究对象，对其堆肥过程中与腐熟度密切相关的重要参数的变化特征进行分析，并对其腐熟度进行综合评价，旨在为中药渣资源的循环利用和中药企业的清洁生产提供科学基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥试验用白芷Angelicadahurica和桃仁Semen persicae药渣由甘肃陇西一方制药有限公司提供，物料理化性质见表1。

表1 试验用药渣的理化性状

试验用指示种子为白菜Brassicachinensis，由甘肃省农业科学院提供。

1.2 堆肥化试验

试验于2013年3月至12月在甘肃中医学院实验室进行。堆肥发酵实验装置采用JKL07型自动化不锈钢堆肥罐(上海江科)，该堆肥罐体积为25 L(Ф 29 mm×总高372 mm)，罐外水套温度控制在30±2℃。堆肥期为35 d。堆肥初期先将物料含水率调节至60%左右，再将物料装入发酵罐中进行发酵。每7 d翻堆一次，以保证物料充分混匀，翻堆后取样贮藏于箱，供测定堆肥过程中的各项参数。在重新装入发酵罐前，根据情况添加一定量的水，使物料含水率保持在60%左右。为了最大限度的减少堆肥物料热量的损失，补充的水温与物料温度保持相同。堆肥过程中，堆肥通风量控制在0.3～0.6 m3·min-1，通风次数为每天1～3次，每次通风间隔30～60 min。

1.3 测定参数与方法

于每天上午测定物料中心温度。根据NY525-2012的方法，有机质含量用重铬酸钾容量法，全氮用凯氏定氮法，全磷用钒钼黄法，全钾用原子吸收法，pH用电位法[9]。种子发芽指数(GI)用种子发芽试验法[4]：精确称取堆肥样品10.0 g，放置于250 mL磨砂口锥形瓶中，加入100 mL蒸馏水，使固液比达1∶10。然后在往复式水平振荡器上进行振荡，频率为100次·min-1，振幅约40 mm，在室温下震荡浸提1 h，取下，静置过夜后，用真空抽滤机进行抽滤，收集抽滤液，摇匀后即为堆肥浸提液，供分析用。在12×12×6 cm的种子发芽盒内垫上2张滤纸，均匀放入30粒大小基本一致、饱满的种子，加入堆肥浸提液5.0 mL，盖上发芽盒盖，在30 ℃的培养箱中避光培养48 h，统计发芽率和测量根长。每次测定重复3次，以蒸馏水作对照。计算种子发芽指数(GI)公式如下：

A1：表示有堆肥浸提液培养种子的发芽率

A2：表示有堆肥浸提液培养种子的总根长

B1：表示蒸馏水培养种子的发芽率

B2：表示蒸馏水培养种子的总根长

2 结果与分析

2.1 温度变化

由图1可见，在整个堆肥过程中，白芷药渣和桃仁药渣温度变化趋势大体相同。温度变化过程可明显分为升温期、高温期(温度≥50 ℃)、降温期和稳定期。桃仁药渣的堆体温度上升较快，在堆肥处理当天内就上升到50 ℃，而白芷药渣的温度上升较慢，在堆肥第4 d才进入到高温期。桃仁药渣的堆肥高温期(≥50 ℃)能持续13 d，而白芷药渣仅为7 d。桃仁药渣堆肥的最高温度高达68 ℃，但白芷药渣仅达57 ℃。桃仁药渣堆肥温度较高的原因可能是因为它的初始C/N比为20.9，比白芷药渣初始C/N比(41.1)低，这有利于堆肥微生物的繁殖与生长[8]。白芷药渣和桃仁药渣分别在堆肥22 d和24 d后其堆体温度逐渐下降并接近环境温度，表明逐渐过渡到了堆肥稳定期。

图1 白芷和桃仁药渣堆肥过程中的温度变化

2.2 C/N比变化

堆肥过程中有机物质经过矿化、腐殖化过程，C转化为CO2和腐殖质物质，而N则以NH3形式散失，或变为硝酸盐和亚硝酸盐或被微生物体同化吸收[10]。Morel等采用T=(终点C/N比)/(初始C/N比)来评价腐熟度，认为当T值小于0.6时堆肥达到腐熟[11]。从图2结果看出，在整个堆肥过程中，白芷药渣和桃仁药渣的C/N比均呈下降趋势。白芷药渣和桃仁药渣的C/N比分别从堆肥开始时的41.1和21.2下降到堆肥结束时的23.1和14.6，下降幅度分别为44.6%和31.6%。在堆肥28 d时白芷药渣的T值为0.57，说明已达到了腐熟；而桃仁药渣的T值分别为0.69，腐熟度较差，这可能是因为桃仁药渣的粒径较小，引起堆肥过程中物料局部结块，通透性变差，造成厌氧呼吸，进而影响了堆肥的微生物繁殖与生长，降低有机质物质的分解速率而致[4]。

图2 白芷和桃仁药渣堆肥过程中的C/N比变化

2.3 pH 变化

由图3可见，在28 d的堆肥过程中，白芷药渣和桃仁药渣的pH均呈现出“先升后降”的变化趋势。在堆肥后14 d内，白芷药渣的pH由4.61±0.01上升到6.76±0.23，桃仁药渣的pH由4.93±0.02上升到7.48±0.08。之后随着堆肥化进程，白芷药渣和桃仁药渣的pH则缓慢下降，到堆肥结束时，pH分别下降到6.54±0.11和7.12±0.06，符合我国有机肥pH为 5.5～8.5的标准。堆肥高温期pH的升高，可能是因为堆肥过程中大量有机酸被微生物所分解，或者是微生物的氨化作用产生大量NH3所致。而堆肥后期pH的降低，也可能由于NH3挥发量减少，堆肥腐殖化程度提高，或因硝化反应而产生大量H+而导致pH下降[12]。

图3 白芷和桃仁药渣堆肥过程中的pH变化

2.4 GI

一般认为当小粒种子的GI大于50%时，表示堆肥基本不具植物毒性，当GI大于80%时堆肥的植物毒性完全消失[4,12]。由图4结果看出，在堆肥初始，白芷和桃仁药渣的GI分别为48.20%±0.19%和22.71%±0.03%，均小于50%，说明未经堆肥化处理的白芷和桃仁药渣均具有植物毒性。到堆肥28 d 时，白芷药渣的GI提高到85.09%±0.94%，说明植物毒性完全消失。而桃仁药渣的GI仅达到53.60%±2.40%，表明基本不具植物毒性。

图4 白芷和桃仁药渣堆肥过程中的GI变化

2.5 白芷和桃仁药渣堆肥的质量评价

白芷和桃仁药渣堆肥的质量见表2，如表2所示，经历28 d的堆肥化处理，白芷和桃仁药渣堆肥的有机质含量分别为74.42%±0.03%和77.64%±0.52%，比我国有机肥料标准分别高出65.38%和72.53%；总养分高4.0%和18%；pH为6.54±0.11和7.12±0.06，符合5.5～8.5的标准。说明白芷和桃仁药渣堆肥均是有机质含量和总养分较高的优质生态肥，可作为有机肥或土壤改良剂施用，也可与化肥配合，制备成有机无机配方肥。

表2 白芷和桃仁药渣堆肥的质量*

*注：除水分外，其余参数的数据均以干基计。

3 讨论

堆肥腐熟度的评价是一个复杂的问题。在堆肥腐熟度评价中，单个指标往往比较片面，难以真实反映堆肥产品的腐熟情况，因此国外常采用物理学、化学和生物学多指标体系来评价腐熟度[13]。大量研究表明，温度是反映堆肥过程中微生物代谢和生化活动所产生热量特征的良好指标，也是衡量堆肥过程是否正常的最直接、最敏感指标[4,8]。C/N比常作为评价堆肥比较直观的化学指标[14]。发芽指数(GI)不仅考虑了种子的发芽率，还考虑了植物毒性物质对种子生根的影响，能有效地反映堆肥的植物毒性，许多学者以GI为标准来评价堆肥的腐熟度[4]。因此，在考察上述指标的基础上，本研究提出如下综合指标体系，以用于中药渣堆肥过程及堆肥的质量控制的参考(见表3)。

表3 白芷和桃仁药渣堆肥腐熟度评价指标体系

4 结论

在整个堆肥化过程中，白芷药渣的堆体温度比桃仁药渣上升较慢，且高温期(≥50℃)持续时间较短，而桃仁渣的持续时间较长。

白芷药渣和桃仁药渣的C/N比分别下降44.6%和31.6%；堆肥结束时的T值分别达为0.57和0.69；pH分别为6.54±0.11和7.12±0.06；GI分别由初始时的48.20%±0.19%和22.71%±0.03%提高到85.09%±0.94%和53.60%±2.40%。

历经28 d的堆肥化处理，白芷药渣堆肥的植物毒性完全消失，可直接作为优质有机肥施用，但桃仁药渣堆肥基本不具植物毒性，为了施用安全和保护环境仍需经过一定时间的后熟才能施用。为了加快桃仁药渣堆肥化进程，在堆肥初期可添加一定量的秸秆，不仅能增加C含量，使初始C/N比调节到堆肥微生物适宜的范围内(25～30)，而且还能增加物料的通透性，增加堆肥微生物的活性，减少潜在的厌氧呼吸。

最终获得的白芷和桃仁药渣堆肥的有机质含量分别为74.42%±0.03%和77.64%±0.52%；总养分达5.2%和5.9%；pH为6.54±0.11和7.12±0.06，可作为有机肥或土壤改良剂施用，也可与化肥配合，制备成有机无机配方肥。

[1] 马逊风，马宏军，唐占辉，等.中药渣剩余成分分析及利用途径研究[J].东北师大学报：自然科学版，2004，36(2)：108-111.

[2] 谭显东，王向东，黄健盛，等.中药渣资源化技术研究进展[J].中成药，2010，32(5)：847-849.

[3] 王引权，陈晖，安培坤，等.翻堆频率对中药渣堆肥过程及其理化性质的影响[J].中国农学通报，2012，28(29)：247-252.

[4] 李季，彭生平.堆肥工程实用手册[M].第二版.北京：化学工业出版社，2011.

[5] Piccolo A，Spaccini R，Nieder R，et al.Sequestration of a biologically labile organic carbon in soils by humified organic matter[J].Climatic Change，2004，67(2-3)：329-343.

[6] Gómez-Brandón M，Lazcano C，Domínguez J.The evaluation of stability and maturity during the composting of cattle manure[J].Chemosphere，2008，70(3)：436-444.

[7] Tian W，Li L，Liu F，et al.Assessment of the maturity and biological parameters of compost produced from dairy manure and rice chaff by excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy[J].Bioresource technology，2012，110：330-337.

[8] 任春晓，席北斗，赵越，等.有机生活垃圾不同微生物接种工艺堆肥腐熟度评价[J].环境科学研究，2012，25(2)：226-231.

[9] 中华人民共和国农业部.NY525-2012 有机肥料[S].北京：中国农业出版社，2012.

[10] Wang YQ，Zhang JL，Schuchardt F，et al.Degradation of morphine in opium poppy processing waste composting[J].Bioresource Technology，2014，168(9):235-239.

[11] Morel JL，Colin F，Germon JC.，Godin P，Juste C.Methods for the evaluation of the maturity of municipal refuse compost[A].In：Gasser，JKR.Composting of agricultural and other residuals[M].New York：Elsevier Applied Science，1985：56-72.

[12] Said-Pullicino D，Erriquens F G，Gigliotti G.Changes in the chemical characteristics of water-extractable organic matter during composting and their influence on compost stability and maturity[J].Bioresource Technology，2007，98(9)：1822-1831.

[13] Cayuela M L，Sánchez-Monedero M A，Roig A.Evaluation of two different aeration systems for composting two-phase olive mill wastes[J].Process Biochemistry，2006，41(3)：616-623.

[14] Guo R，Li G，Jiang T，et al.Effect of aeration rate，C/N ratio and moisture content on the stability and maturity of compost[J].Bioresource Technology，2012，112：171-178.

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)

国家自然科学基金项目(81260616，81060327)；甘肃省中药材产业科技攻关项目(GYC09-11)

*

王引权，教授，研究方向：药用植物栽培生理、植物营养和中药材质量综合评价；Tel：(0931)8768293，E-mail：kjkfpp@163.com

10.13313/j.issn.1673-4890.2014.12.011