不同菌种对中药渣堆肥过程及成分的影响

尹陈茜，刘向东，杨吉龙，甘德欣，于晓英

(1.湖南农业大学园艺学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省中亚热带优质花木繁育与利用工程技术中心，湖南 长沙 410128；3.湖南农业大学风景园林与艺术设计学院，湖南 长沙 410128)

随着城镇化速度的加快，可耕种土壤越来越少.不使用土壤，使用土壤替代物-栽培基质来营造植物根系环境不仅清洁卫生，病虫害少，还不受土地限制，可充分利用空间，避免土壤连作障碍，越来越受到人们的关注.环保、废弃物再利用等已成为近年来无土栽培基质选材新的方向.我国中药提取物产业迅速发展，每年的中药渣产生量在逐年增加.中药渣中含有大量的氮、磷、钾等微量元素以及各种有机物，如木质素、腐殖质、多糖等成分[1]，不仅如此，它因质轻、通气性好，也被作为一种优质的有机肥原料.目前中药渣的处理方式比较单一，大部分被随意堆砌、焚烧或者掩埋，这不仅会对中药渣资源造成浪费，也会影响市容市貌，对生态环境造成一定污染[2-3].对中药渣进行堆肥处理，使其分解矿化和腐殖化，可以有利于植物的生长[4]，同时也减少了中药渣的数量，更可以使中药渣循环利用，实现可持续发展.因此日益受到研究者的关注[5-8].不仅如此，堆肥技术容易操作，能使发酵速度更快，对中药渣没有副作用，在基质处理上应用十分合适.

中药渣堆肥的过程主要是微生物的发酵，同时伴随着碳元素的转化分解和腐殖化[9].相关研究发现在中药渣堆制过程中，因为添加菌种的不同，降解效率也会不同，堆制的时间[10]、产生的温室气体CO2、CH4[3]、腐殖质、有机酸和矿物质元素含量[11-12]也会有差异.本试验在中药渣中添加了不同菌种进行堆制，以探讨不同菌种对中药渣堆体理化性状变化的影响，并结合瓜叶菊种子的发芽指数，探究中药渣基质在观赏园艺植物栽培方面的可能性.旨在为开发性能优良、价格低廉的可再生基质提供参考依据，为飞速发展的家庭园艺、都市园艺寻找可替代泥炭土、松针土、蛭石等传统天然基质的资源提供借鉴.为减少中药渣的环境污染与合理高效利用方式提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验场地

试验材料种植于湖南农业大学观赏园艺研究所N 28°10′46.99″,E 113°04′35.90″，海拔34 m，试验室位于湖南农业大学第十一教学楼.

1.2 试验材料

于2017年10月对湖南省中医药研究所的废弃中药渣进行收集，包括甘草(GlycyrrhizauralensisFisch)、党参(Codonopsispilosula)、当归(Angelicasinensis(Oliv.)Diels)、黄芪(Astragalusmembranaceus)、川木通(ClematidisArmandiiCaulis).选择晴朗天气，将水分晾干，5种材料等比例混匀，用粉碎机粉碎后过3目的筛.枯草芽胞杆菌(湖南省微生物研究所)、康宁木霉(湖南省微生物研究所)、EM菌(河南中广集团)和尿素(江苏晋煤恒盛化工股份有限公司)作为试验添加菌剂.

1.3 试验设计

每个处理设置3 kg中药渣，加入0.5%的菌种发酵剂和1%的尿素，随后再在每个处理中分别加入0.5%的枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)(T1)、康宁木霉(Trichodermakangning)(T2)和EM菌(EMstrains)(T3)进行堆制，不添加任何菌种的处理(CK)作为对照.每个处理设置3个重复，初始含水量为60%，所有步骤完成后，装入8 L的处理箱中，放置于28 ℃的恒温培养箱中进行堆腐发酵.堆体宽度为35 cm，高度为20 cm.堆腐时间为70 d.

1.4 试验测定指标及方法

每天上午9点定时对堆体进行温度测量，采用水银温度计，插入堆体中部的位置，每个处理箱插入3根温度计，记录并算取温度平均值.同时，在每个处理箱中插入一根温度计以便于随时观察堆体温度.把中药渣和水混合，使其水土比为2.5∶1，用PB-10酸度计测定其pH值.使中药渣和水的水土比为5∶1，用DDS-11D电导率仪测定EC值.

在培养皿中加入适量堆体基质，每各处理设置3个重复，采用点播法在培养皿中点播20颗瓜叶菊(Pericallishybrida)种子，维持适当水分，放置于25 ℃恒温培养箱中，观察各处理发芽情况.种子发芽指数GI(%)=(处理平均发芽率×处理平均根长)/(对照平均发芽率×对照平均根长)×100%.

腐殖质采用焦磷酸钠浸提-重铬酸钾氧化法测定，利用有机碳分析仪进行分析.

中药渣中木质素纤维素和半纤维素测定采用Van Soest法，用中性和酸性洗涤剂洗涤中药渣得到中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维、通过计算得到纤维素、半纤维素及木质素.

速效磷采用氟化铵浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾采用乙酸铵浸提-原子吸收法测定.

1.5 数据处理

试验数据采用Excel整理，采用Origin 2018作图，方差分析采用SPSS Statistics 17.0，P<0.05表示差异显著.

2 结果与分析

2.1 堆制过程中温度变化

温度能够体现中药渣中的微生物在堆制过程中的一系列理化性质，可以反映其代谢和生理活动所产生的热量[13]，也能评价堆体状态是否稳定，堆体达到稳定时，温度会与环境温度接近[14].结果如图1所示，4种处理的温度变化趋势均为先升高后降低，各处理最高温度在发酵的第3～5 d，可见0～3 d是中药渣发酵的快速升温期，3种菌种促使堆体产生了更多的热量.堆体高温期从第3天开始，各处理均持续了7 d以上.最高温度为T2处理，达到了57 ℃，T1为52 ℃，T3与CK均为51 ℃.第14天后，各处理均迅速降温，第28天后，堆体温度变化较小，状态逐渐稳定，直至堆制结束.

图1 堆制过程中温度变化Figure 1 The temperature change during composting

2.2 堆制过程中pH和EC值变化

堆制过程中，pH值可以影响微生物生长繁殖从而影响堆肥的质量[15]，一般来说，pH值为中性或弱碱性时，植物生长的较好.从图2可以看出，在整个堆制进程中，中药渣pH值呈先降低后升高的趋势，T1、T2、T3及CK的初始pH值分别为8.1、8.09、7.69和8，随后逐渐降低，最低为T2和CK，pH到了5.5左右.堆制后期，pH值逐渐升高，结束时分别7.73、8.22、7.83和7.92，适合植物生长.pH值的升高和降低是由于微生物的硝化作用和氨化作用，微生物分解堆体物料中有机含氮化合物，释放氨态氮使各处理pH值升高.硝化细菌氧化氨态氮转化成硝酸盐氮等产物，使堆体pH值下降.

图2 堆制过程中pH值变化Figure 2 The pH change during composting

图3 堆制过程中EC值的变化Figure 3 The EC change during composting

EC值可以反映堆肥的含盐量[15].作为植物的生长基质，电导率需在特定范围内.如图3所示，在不同菌种作用下，各处理EC值都有不同程度升高，相较之下CK处理升高幅度较小，为1.582 ms/cm，可能是由于未添加菌种，发酵速度慢，产生的氨离子与矿质盐分不足，低于添加了菌种的处理.T1、T2和T3的EC值依次为2.412、2.654、2.157 ms/cm，均处在2.0～2.75 ms/cm之间，达到了植物正常生长的标准[16].

2.3 种子发芽指数

种子发芽指数不仅可以反映堆肥是否无害、稳定，还可以反映植物毒性大小[17].当GI指数大于50%时，表示堆体已基本达到腐熟，当GI指数大于80%时，代表堆体已经腐熟[18].由表1可知，堆制45 d时，除CK以外，其他处理均已达到基本腐熟.堆制70 d时，各处理均达到了腐熟.从堆制第五天开始，处理间出现显著性差异，堆制45 d时，各处理的发芽率达到50%以上，堆体基本腐熟，堆制70 d时，各处理的发芽率达到80%以上，中药渣堆体成腐熟状态.而CK处理与其他处理差异显著，GI为86.56%，其他处理均达到了97%以上.由此可以得出结论，在菌种的作用下，中药渣基质能更充分的堆腐发酵，更适合瓜叶菊种子发芽.

表1 堆肥过程中瓜叶菊种子发芽指数(GI)的变化

2.4 堆制过程中腐殖酸、胡敏酸及富里酸的含量

腐殖质可以改善土壤基质的质量，提高土壤的肥力，其矿质化后是植物养分的重要来源，同时也是反映堆肥质量和腐熟度的重要指标之一[19]，对堆肥产品的品质具有重要意义.能够影响腐殖质含量的因素有很多，如堆制时间、堆制工艺、添加剂及环境条件等[20].腐殖质主要包括胡敏酸、富里酸.本试验测定了中药渣基质在堆制过程中的腐殖质含量，并进一步对富里酸和胡敏酸含量的动态变化进行了测定，根据试验结果，可以得出各处理的腐殖质含量经过堆制之后都有不同程度的提升，趋势均为先下降后上升.从堆制第3天开始，各处理间出现了显著性差异，堆制45 d时，CK处理与其他处理之间差异显著.整个堆制过程结束后，T1、T2和T3处理腐殖质含量分别达到了21.47%，23.22%，24.79%，CK处理为20.07%，对比之下，可以发现添加菌种能有利于腐殖质的形成，尤其是添加了EM菌的T3处理.

另外，从表2可以看出各处理胡敏酸含量在堆制过程中呈曲折下降趋势，而富里酸含量与腐殖质含量一样，先降后升.这是由于在总腐殖质含量的比较上，富里酸占比例较高，对其影响较大.在堆制70 d时，各处理胡敏酸的含量分别为2.16%、3.14%、3.16%和3.34%，与堆制0 d相比下降了4.32%、4.12%、3.62%和3.65%.堆制0天时，各处理富里酸的含量分别为11.13%、9.53%、10.77%和9.39%，堆制70 d时，各处理富里酸的含量分别为19.32%、20.08%、21.63%和16.74%，分别增加了8.19%、10.55%、10.86%和7.35%，同样，添加了EM菌的T3处理效果最显著.

表2 堆肥过程中腐殖质、富里酸、胡敏酸的变化

2.5 堆制过程中木质素、纤维素和半纤维素的含量

中药渣的化学成分中含有大量的植物纤维，这些植物纤维中的纤维素、半纤维素、木质素等成分是使得中药渣难于被降解利用的重要原因[21].微生物在木质素、纤维素及半纤维素等分解的各个环节都能发挥作用.由表3可得到，从堆制第3天开始，各处理木质素含量开始出现显著性差异，添加了枯草芽孢杆菌的T2处理木质素降解效果要优于其他处理，在后续堆制过程中，各处理差异明显.第70天时，各处理木质素含量分别为11.17%、9.10%、10.23%和10.57%，对比堆制0天时的数据29.87%、39.83%、32.96%和30.43%，可以看出木质素含量均有下降，其中T2处理下降幅度最大，而CK处理下降幅度最小.试验结果说明对中药渣堆肥添加菌种会有助于木质素成分的降解，而康宁木霉效果最为明显.

表3 堆肥过程中木质素、纤维素、半纤维素的变化

中药渣中的纤维素和半纤维素含量在堆制过程中有不同的表现，各处理纤维素由开始的13.17%、12.54%、14.26%和14.23%到堆制结束时的7.67%、8.30%、7.58%及8.05%，分别降低了5.5%、4.24%、6.68%和6.18%，说明添加了EM菌的T3处理纤维素降解效果较为显著.半纤维素由开始的54.50%、55.03%、51.84%和53.80%变化为堆制结束时的13.49%、9.09%、8.64%和14.49%，分别降低了41.01%、45.94%、43.2%和39.31%，3种菌种对半纤维素降解均有有利影响.

2.6 堆制过程中速效磷及速效钾的含量

磷和钾都是植物中重要的营养元素，对植物的生长、产量及品质均有重要影响，其含量高低，是评价生物有机肥料的重要指标[22].在中药渣堆制的过程中，各营养元素的含量都会发生变化，通过检测，各处理中速效磷由堆制开始时的156.15、156.17、156.13、156.10 mg/kg到堆制结束时的428.12、492.15、408.30、289.58 mg/kg，分别上升了271.97、335.98、252.17、133.48 mg/kg.堆制3 d时，各处理间就开始出现显著性差异，且一直延续到堆制结束，说明3种菌种在速效磷生成方面效果不同，T2处理上升的速效磷含量最高，T1、T3次之，CK最少，由此见得，在中药渣中添加这3种菌种均会有效提高基质中速效磷含量，有助于植物生长发育.

速效钾在堆制过程中含量也有所增加，初期T1、T2、T3和CK的含量为401.47、403.87、402.60、423.73 mg/kg，堆肥结束后含量增加为822.00、859.07、824.47、734.27 mg/kg，分别增加了420.53、455.20、421.87、310.54 mg/kg.3种菌种均有效提高了基质中速效钾含量，且添加康宁木霉的T2处理要优于其他处理.

表4 堆肥过程中速效磷、速效钾的变化

3 讨论

中药渣堆制过程中的温度变化可以反映微生物生长繁殖情况，适宜的环境温度和营养条件可促进微生物快速生长繁殖.发酵一般要经历3个阶段，升温期、高温期和降温期，高温期为45～70 ℃[23].并且当堆体温度处于45～60 ℃之间时，适宜于堆制发酵[24]，本试验中枯草芽胞杆菌、康宁木霉及EM菌对堆体的的升温均有一定作用，枯草芽孢杆菌和EM菌对堆体的升温效果略高于CK处理，但添加了康宁木霉的T2处理效果最明显，且温度保持在45～60 ℃范围内的时间也最长，这可能是由于堆制前期康宁木霉发酵产生了纤维素酶，降解了中药渣中的粗纤维从而释放出热量[25,26].本试验堆肥高温期维持了7 d，经过45 d堆肥腐熟完成.与黄顺[12]等人的研究结果一致.也有学者研究发现堆肥时把沸石与枯草芽孢杆菌和木霉菌混合加入，堆肥高温期时间比未加入沸石的处理高温期时间多出11 d[27]，表明微生物菌种与沸石混合加入堆体会对发酵更有利.总的来说，添加菌种之后加快了微生物的生长繁殖，促进了堆体升温以及腐熟进程.今后可以从发酵菌种的选择与搭配上作深入研究，寻求更高效优质的发酵方法.

GI值可说明中药渣堆肥作为观赏植物基质的可行性，经过菌种处理的堆体基质让瓜叶菊种子GI值达到了97%以上，其中添加枯草芽孢杆菌的T1处理GI值为100%，这可能是由于枯草芽孢杆菌可产生蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶，以及一些次级代谢产物和菌体蛋白，能分解堆体基质中的无机物，提供种子营养，促使种子发芽[28].而添加菌种处理的pH值、EC值经过堆制后也达到了植物正常生长的范围内，说明添加菌种后，微生物进行了一系列的分解作用，释放出了大量的有机酸使pH值下降，后有机酸又被吸收利用，以及后期堆体生成的氨使各处理pH值上升至7.73～8.22之间，EC值也上升至2.0～2.75 ms/cm之间.

腐殖质的形成和木质素的降解是决定该堆体是否能成为有效植物栽培基质的重要因素，微生物菌种对促进纤维素降解、提高堆体腐熟度以及提升堆肥品质有较好效果[29].在堆制过程中，促进腐殖质又多又快形成，对中药渣中的木质素等成分进行降解，可以有效提高堆肥的质量[19].本试验中各菌种均提高了腐殖质的含量，以EM菌效果最佳.EM菌内包含了80多种微生物，是一种活性菌剂[30]，它能分离中药渣中的无机物，并以碳、氮等为基质合成生理活性物质，其中的乳酸菌群能够有效降解木质素和纤维素，使有机物发酵分解，有利于腐殖质的产生.王帅[31]等利用真菌对腐殖质转化进行研究，发现过程中富里酸的含量大于胡敏酸，而后富里酸逐渐向胡敏酸转化.而本试验中，堆制过程中富里酸的含量一直大于胡敏酸，这种情况的出现是由于在菌种的催化下，富里酸活性较强，其酸性和移动性都会大于胡敏酸，另一方面，其氧化程度也较高，所以胡敏酸与之相较之下更易被分解.而且在一定程度上，两者可以互相转化[9].木质素、纤维素等是植物中重要的骨架成分，降解中药渣中的木质素，才能更高效优质的利用中药渣.文少白[32]等研究5种菌对香蕉茎秆降解能力时发现，单独培养时，效果较好的菌种为无花果曲霉和康宁木霉，与本试验中康宁木霉对木质素等降解效果较好的结果一致，说明康宁木霉在堆制时产生了较多的木质素酶和纤维素酶.从试验数据中可以发现腐殖质的含量先下降后上升，木质素的含量曲折下降，有研究表明木质素中含有酚型结构单元，能产生腐殖质的前体物质，木质素和腐殖质可凭借此途径互相转变[33]，而枯草芽孢杆菌、康宁木霉和EM菌中的真菌、细菌、益生菌都具有木质素降解能力，从而能分解出木质素中的酚型结构单元进一步形成腐殖质.

基质中的矿质元素是植物生长发育的必要条件，经过菌种处理后的中药渣堆体的速效磷和速效钾含量相较于CK处理都有了提高，矿质元素在堆制过程中不会挥发消失，堆制前期，温度迅速升高，微生物大量活动对中药渣进行分解腐化，挥发出CO2和CH4等气体，从而使化合物中的速效磷和速效钾相对含量升高.

4 结论

经过试验可得出，3种菌种均会对中药渣堆制过程产生积极影响.在堆制过程中，高温期维持了7 d以上，最高温为T2处理57 ℃.各处理pH值在7.73～8.22之间，EC值在2.0～2.75 ms/cm之间，GI达到97%以上.腐殖质、木质素和速效养分等含量均优于CK处理，且符合植物生长对于基质的理化性质要求，适合作为观赏园艺植物基质，其中经康宁木霉处理的中药渣堆料效果最好.