尹陳茜，劉向東，楊吉龍，甘德欣，于曉英

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省中亞熱帶優(yōu)質(zhì)花木繁育與利用工程技術(shù)中心，湖南 長沙 410128；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，湖南 長沙 410128)

隨著城鎮(zhèn)化速度的加快，可耕種土壤越來越少.不使用土壤，使用土壤替代物-栽培基質(zhì)來營造植物根系環(huán)境不僅清潔衛(wèi)生，病蟲害少，還不受土地限制，可充分利用空間，避免土壤連作障礙，越來越受到人們的關(guān)注.環(huán)保、廢棄物再利用等已成為近年來無土栽培基質(zhì)選材新的方向.我國中藥提取物產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，每年的中藥渣產(chǎn)生量在逐年增加.中藥渣中含有大量的氮、磷、鉀等微量元素以及各種有機物，如木質(zhì)素、腐殖質(zhì)、多糖等成分[1]，不僅如此，它因質(zhì)輕、通氣性好，也被作為一種優(yōu)質(zhì)的有機肥原料.目前中藥渣的處理方式比較單一，大部分被隨意堆砌、焚燒或者掩埋，這不僅會對中藥渣資源造成浪費，也會影響市容市貌，對生態(tài)環(huán)境造成一定污染[2-3].對中藥渣進行堆肥處理，使其分解礦化和腐殖化，可以有利于植物的生長[4]，同時也減少了中藥渣的數(shù)量，更可以使中藥渣循環(huán)利用，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展.因此日益受到研究者的關(guān)注[5-8].不僅如此，堆肥技術(shù)容易操作，能使發(fā)酵速度更快，對中藥渣沒有副作用，在基質(zhì)處理上應(yīng)用十分合適.

中藥渣堆肥的過程主要是微生物的發(fā)酵，同時伴隨著碳元素的轉(zhuǎn)化分解和腐殖化[9].相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)在中藥渣堆制過程中，因為添加菌種的不同，降解效率也會不同，堆制的時間[10]、產(chǎn)生的溫室氣體CO2、CH4[3]、腐殖質(zhì)、有機酸和礦物質(zhì)元素含量[11-12]也會有差異.本試驗在中藥渣中添加了不同菌種進行堆制，以探討不同菌種對中藥渣堆體理化性狀變化的影響，并結(jié)合瓜葉菊種子的發(fā)芽指數(shù)，探究中藥渣基質(zhì)在觀賞園藝植物栽培方面的可能性.旨在為開發(fā)性能優(yōu)良、價格低廉的可再生基質(zhì)提供參考依據(jù)，為飛速發(fā)展的家庭園藝、都市園藝尋找可替代泥炭土、松針土、蛭石等傳統(tǒng)天然基質(zhì)的資源提供借鑒.為減少中藥渣的環(huán)境污染與合理高效利用方式提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗場地

試驗材料種植于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)觀賞園藝研究所N 28°10′46.99″,E 113°04′35.90″，海拔34 m，試驗室位于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)第十一教學(xué)樓.

1.2 試驗材料

于2017年10月對湖南省中醫(yī)藥研究所的廢棄中藥渣進行收集，包括甘草(GlycyrrhizauralensisFisch)、黨參(Codonopsispilosula)、當(dāng)歸(Angelicasinensis(Oliv.)Diels)、黃芪(Astragalusmembranaceus)、川木通(ClematidisArmandiiCaulis).選擇晴朗天氣，將水分晾干，5種材料等比例混勻，用粉碎機粉碎后過3目的篩.枯草芽胞桿菌(湖南省微生物研究所)、康寧木霉(湖南省微生物研究所)、EM菌(河南中廣集團)和尿素(江蘇晉煤恒盛化工股份有限公司)作為試驗添加菌劑.

1.3 試驗設(shè)計

每個處理設(shè)置3 kg中藥渣，加入0.5%的菌種發(fā)酵劑和1%的尿素，隨后再在每個處理中分別加入0.5%的枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)(T1)、康寧木霉(Trichodermakangning)(T2)和EM菌(EMstrains)(T3)進行堆制，不添加任何菌種的處理(CK)作為對照.每個處理設(shè)置3個重復(fù)，初始含水量為60%，所有步驟完成后，裝入8 L的處理箱中，放置于28 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中進行堆腐發(fā)酵.堆體寬度為35 cm，高度為20 cm.堆腐時間為70 d.

1.4 試驗測定指標(biāo)及方法

每天上午9點定時對堆體進行溫度測量，采用水銀溫度計，插入堆體中部的位置，每個處理箱插入3根溫度計，記錄并算取溫度平均值.同時，在每個處理箱中插入一根溫度計以便于隨時觀察堆體溫度.把中藥渣和水混合，使其水土比為2.5∶1，用PB-10酸度計測定其pH值.使中藥渣和水的水土比為5∶1，用DDS-11D電導(dǎo)率儀測定EC值.

在培養(yǎng)皿中加入適量堆體基質(zhì)，每各處理設(shè)置3個重復(fù)，采用點播法在培養(yǎng)皿中點播20顆瓜葉菊(Pericallishybrida)種子，維持適當(dāng)水分，放置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中，觀察各處理發(fā)芽情況.種子發(fā)芽指數(shù)GI(%)=(處理平均發(fā)芽率×處理平均根長)/(對照平均發(fā)芽率×對照平均根長)×100%.

腐殖質(zhì)采用焦磷酸鈉浸提-重鉻酸鉀氧化法測定，利用有機碳分析儀進行分析.

中藥渣中木質(zhì)素纖維素和半纖維素測定采用Van Soest法，用中性和酸性洗滌劑洗滌中藥渣得到中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維、通過計算得到纖維素、半纖維素及木質(zhì)素.

速效磷采用氟化銨浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提-原子吸收法測定.

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel整理，采用Origin 2018作圖，方差分析采用SPSS Statistics 17.0，P<0.05表示差異顯著.

2 結(jié)果與分析

2.1 堆制過程中溫度變化

溫度能夠體現(xiàn)中藥渣中的微生物在堆制過程中的一系列理化性質(zhì)，可以反映其代謝和生理活動所產(chǎn)生的熱量[13]，也能評價堆體狀態(tài)是否穩(wěn)定，堆體達(dá)到穩(wěn)定時，溫度會與環(huán)境溫度接近[14].結(jié)果如圖1所示，4種處理的溫度變化趨勢均為先升高后降低，各處理最高溫度在發(fā)酵的第3～5 d，可見0～3 d是中藥渣發(fā)酵的快速升溫期，3種菌種促使堆體產(chǎn)生了更多的熱量.堆體高溫期從第3天開始，各處理均持續(xù)了7 d以上.最高溫度為T2處理，達(dá)到了57 ℃，T1為52 ℃，T3與CK均為51 ℃.第14天后，各處理均迅速降溫，第28天后，堆體溫度變化較小，狀態(tài)逐漸穩(wěn)定，直至堆制結(jié)束.

圖1 堆制過程中溫度變化Figure 1 The temperature change during composting

2.2 堆制過程中pH和EC值變化

堆制過程中，pH值可以影響微生物生長繁殖從而影響堆肥的質(zhì)量[15]，一般來說，pH值為中性或弱堿性時，植物生長的較好.從圖2可以看出，在整個堆制進程中，中藥渣pH值呈先降低后升高的趨勢，T1、T2、T3及CK的初始pH值分別為8.1、8.09、7.69和8，隨后逐漸降低，最低為T2和CK，pH到了5.5左右.堆制后期，pH值逐漸升高，結(jié)束時分別7.73、8.22、7.83和7.92，適合植物生長.pH值的升高和降低是由于微生物的硝化作用和氨化作用，微生物分解堆體物料中有機含氮化合物，釋放氨態(tài)氮使各處理pH值升高.硝化細(xì)菌氧化氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮等產(chǎn)物，使堆體pH值下降.

圖2 堆制過程中pH值變化Figure 2 The pH change during composting

圖3 堆制過程中EC值的變化Figure 3 The EC change during composting

EC值可以反映堆肥的含鹽量[15].作為植物的生長基質(zhì)，電導(dǎo)率需在特定范圍內(nèi).如圖3所示，在不同菌種作用下，各處理EC值都有不同程度升高，相較之下CK處理升高幅度較小，為1.582 ms/cm，可能是由于未添加菌種，發(fā)酵速度慢，產(chǎn)生的氨離子與礦質(zhì)鹽分不足，低于添加了菌種的處理.T1、T2和T3的EC值依次為2.412、2.654、2.157 ms/cm，均處在2.0～2.75 ms/cm之間，達(dá)到了植物正常生長的標(biāo)準(zhǔn)[16].

2.3 種子發(fā)芽指數(shù)

種子發(fā)芽指數(shù)不僅可以反映堆肥是否無害、穩(wěn)定，還可以反映植物毒性大小[17].當(dāng)GI指數(shù)大于50%時，表示堆體已基本達(dá)到腐熟，當(dāng)GI指數(shù)大于80%時，代表堆體已經(jīng)腐熟[18].由表1可知，堆制45 d時，除CK以外，其他處理均已達(dá)到基本腐熟.堆制70 d時，各處理均達(dá)到了腐熟.從堆制第五天開始，處理間出現(xiàn)顯著性差異，堆制45 d時，各處理的發(fā)芽率達(dá)到50%以上，堆體基本腐熟，堆制70 d時，各處理的發(fā)芽率達(dá)到80%以上，中藥渣堆體成腐熟狀態(tài).而CK處理與其他處理差異顯著，GI為86.56%，其他處理均達(dá)到了97%以上.由此可以得出結(jié)論，在菌種的作用下，中藥渣基質(zhì)能更充分的堆腐發(fā)酵，更適合瓜葉菊種子發(fā)芽.

表1 堆肥過程中瓜葉菊種子發(fā)芽指數(shù)(GI)的變化

2.4 堆制過程中腐殖酸、胡敏酸及富里酸的含量

腐殖質(zhì)可以改善土壤基質(zhì)的質(zhì)量，提高土壤的肥力，其礦質(zhì)化后是植物養(yǎng)分的重要來源，同時也是反映堆肥質(zhì)量和腐熟度的重要指標(biāo)之一[19]，對堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)具有重要意義.能夠影響腐殖質(zhì)含量的因素有很多，如堆制時間、堆制工藝、添加劑及環(huán)境條件等[20].腐殖質(zhì)主要包括胡敏酸、富里酸.本試驗測定了中藥渣基質(zhì)在堆制過程中的腐殖質(zhì)含量，并進一步對富里酸和胡敏酸含量的動態(tài)變化進行了測定，根據(jù)試驗結(jié)果，可以得出各處理的腐殖質(zhì)含量經(jīng)過堆制之后都有不同程度的提升，趨勢均為先下降后上升.從堆制第3天開始，各處理間出現(xiàn)了顯著性差異，堆制45 d時，CK處理與其他處理之間差異顯著.整個堆制過程結(jié)束后，T1、T2和T3處理腐殖質(zhì)含量分別達(dá)到了21.47%，23.22%，24.79%，CK處理為20.07%，對比之下，可以發(fā)現(xiàn)添加菌種能有利于腐殖質(zhì)的形成，尤其是添加了EM菌的T3處理.

另外，從表2可以看出各處理胡敏酸含量在堆制過程中呈曲折下降趨勢，而富里酸含量與腐殖質(zhì)含量一樣，先降后升.這是由于在總腐殖質(zhì)含量的比較上，富里酸占比例較高，對其影響較大.在堆制70 d時，各處理胡敏酸的含量分別為2.16%、3.14%、3.16%和3.34%，與堆制0 d相比下降了4.32%、4.12%、3.62%和3.65%.堆制0天時，各處理富里酸的含量分別為11.13%、9.53%、10.77%和9.39%，堆制70 d時，各處理富里酸的含量分別為19.32%、20.08%、21.63%和16.74%，分別增加了8.19%、10.55%、10.86%和7.35%，同樣，添加了EM菌的T3處理效果最顯著.

表2 堆肥過程中腐殖質(zhì)、富里酸、胡敏酸的變化

2.5 堆制過程中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的含量

中藥渣的化學(xué)成分中含有大量的植物纖維，這些植物纖維中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等成分是使得中藥渣難于被降解利用的重要原因[21].微生物在木質(zhì)素、纖維素及半纖維素等分解的各個環(huán)節(jié)都能發(fā)揮作用.由表3可得到，從堆制第3天開始，各處理木質(zhì)素含量開始出現(xiàn)顯著性差異，添加了枯草芽孢桿菌的T2處理木質(zhì)素降解效果要優(yōu)于其他處理，在后續(xù)堆制過程中，各處理差異明顯.第70天時，各處理木質(zhì)素含量分別為11.17%、9.10%、10.23%和10.57%，對比堆制0天時的數(shù)據(jù)29.87%、39.83%、32.96%和30.43%，可以看出木質(zhì)素含量均有下降，其中T2處理下降幅度最大，而CK處理下降幅度最小.試驗結(jié)果說明對中藥渣堆肥添加菌種會有助于木質(zhì)素成分的降解，而康寧木霉效果最為明顯.

表3 堆肥過程中木質(zhì)素、纖維素、半纖維素的變化

中藥渣中的纖維素和半纖維素含量在堆制過程中有不同的表現(xiàn)，各處理纖維素由開始的13.17%、12.54%、14.26%和14.23%到堆制結(jié)束時的7.67%、8.30%、7.58%及8.05%，分別降低了5.5%、4.24%、6.68%和6.18%，說明添加了EM菌的T3處理纖維素降解效果較為顯著.半纖維素由開始的54.50%、55.03%、51.84%和53.80%變化為堆制結(jié)束時的13.49%、9.09%、8.64%和14.49%，分別降低了41.01%、45.94%、43.2%和39.31%，3種菌種對半纖維素降解均有有利影響.

2.6 堆制過程中速效磷及速效鉀的含量

磷和鉀都是植物中重要的營養(yǎng)元素，對植物的生長、產(chǎn)量及品質(zhì)均有重要影響，其含量高低，是評價生物有機肥料的重要指標(biāo)[22].在中藥渣堆制的過程中，各營養(yǎng)元素的含量都會發(fā)生變化，通過檢測，各處理中速效磷由堆制開始時的156.15、156.17、156.13、156.10 mg/kg到堆制結(jié)束時的428.12、492.15、408.30、289.58 mg/kg，分別上升了271.97、335.98、252.17、133.48 mg/kg.堆制3 d時，各處理間就開始出現(xiàn)顯著性差異，且一直延續(xù)到堆制結(jié)束，說明3種菌種在速效磷生成方面效果不同，T2處理上升的速效磷含量最高，T1、T3次之，CK最少，由此見得，在中藥渣中添加這3種菌種均會有效提高基質(zhì)中速效磷含量，有助于植物生長發(fā)育.

速效鉀在堆制過程中含量也有所增加，初期T1、T2、T3和CK的含量為401.47、403.87、402.60、423.73 mg/kg，堆肥結(jié)束后含量增加為822.00、859.07、824.47、734.27 mg/kg，分別增加了420.53、455.20、421.87、310.54 mg/kg.3種菌種均有效提高了基質(zhì)中速效鉀含量，且添加康寧木霉的T2處理要優(yōu)于其他處理.

表4 堆肥過程中速效磷、速效鉀的變化

3 討論

中藥渣堆制過程中的溫度變化可以反映微生物生長繁殖情況，適宜的環(huán)境溫度和營養(yǎng)條件可促進微生物快速生長繁殖.發(fā)酵一般要經(jīng)歷3個階段，升溫期、高溫期和降溫期，高溫期為45～70 ℃[23].并且當(dāng)堆體溫度處于45～60 ℃之間時，適宜于堆制發(fā)酵[24]，本試驗中枯草芽胞桿菌、康寧木霉及EM菌對堆體的的升溫均有一定作用，枯草芽孢桿菌和EM菌對堆體的升溫效果略高于CK處理，但添加了康寧木霉的T2處理效果最明顯，且溫度保持在45～60 ℃范圍內(nèi)的時間也最長，這可能是由于堆制前期康寧木霉發(fā)酵產(chǎn)生了纖維素酶，降解了中藥渣中的粗纖維從而釋放出熱量[25,26].本試驗堆肥高溫期維持了7 d，經(jīng)過45 d堆肥腐熟完成.與黃順[12]等人的研究結(jié)果一致.也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)堆肥時把沸石與枯草芽孢桿菌和木霉菌混合加入，堆肥高溫期時間比未加入沸石的處理高溫期時間多出11 d[27]，表明微生物菌種與沸石混合加入堆體會對發(fā)酵更有利.總的來說，添加菌種之后加快了微生物的生長繁殖，促進了堆體升溫以及腐熟進程.今后可以從發(fā)酵菌種的選擇與搭配上作深入研究，尋求更高效優(yōu)質(zhì)的發(fā)酵方法.

GI值可說明中藥渣堆肥作為觀賞植物基質(zhì)的可行性，經(jīng)過菌種處理的堆體基質(zhì)讓瓜葉菊種子GI值達(dá)到了97%以上，其中添加枯草芽孢桿菌的T1處理GI值為100%，這可能是由于枯草芽孢桿菌可產(chǎn)生蛋白酶、脂肪酶和纖維素酶，以及一些次級代謝產(chǎn)物和菌體蛋白，能分解堆體基質(zhì)中的無機物，提供種子營養(yǎng)，促使種子發(fā)芽[28].而添加菌種處理的pH值、EC值經(jīng)過堆制后也達(dá)到了植物正常生長的范圍內(nèi)，說明添加菌種后，微生物進行了一系列的分解作用，釋放出了大量的有機酸使pH值下降，后有機酸又被吸收利用，以及后期堆體生成的氨使各處理pH值上升至7.73～8.22之間，EC值也上升至2.0～2.75 ms/cm之間.

腐殖質(zhì)的形成和木質(zhì)素的降解是決定該堆體是否能成為有效植物栽培基質(zhì)的重要因素，微生物菌種對促進纖維素降解、提高堆體腐熟度以及提升堆肥品質(zhì)有較好效果[29].在堆制過程中，促進腐殖質(zhì)又多又快形成，對中藥渣中的木質(zhì)素等成分進行降解，可以有效提高堆肥的質(zhì)量[19].本試驗中各菌種均提高了腐殖質(zhì)的含量，以EM菌效果最佳.EM菌內(nèi)包含了80多種微生物，是一種活性菌劑[30]，它能分離中藥渣中的無機物，并以碳、氮等為基質(zhì)合成生理活性物質(zhì)，其中的乳酸菌群能夠有效降解木質(zhì)素和纖維素，使有機物發(fā)酵分解，有利于腐殖質(zhì)的產(chǎn)生.王帥[31]等利用真菌對腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化進行研究，發(fā)現(xiàn)過程中富里酸的含量大于胡敏酸，而后富里酸逐漸向胡敏酸轉(zhuǎn)化.而本試驗中，堆制過程中富里酸的含量一直大于胡敏酸，這種情況的出現(xiàn)是由于在菌種的催化下，富里酸活性較強，其酸性和移動性都會大于胡敏酸，另一方面，其氧化程度也較高，所以胡敏酸與之相較之下更易被分解.而且在一定程度上，兩者可以互相轉(zhuǎn)化[9].木質(zhì)素、纖維素等是植物中重要的骨架成分，降解中藥渣中的木質(zhì)素，才能更高效優(yōu)質(zhì)的利用中藥渣.文少白[32]等研究5種菌對香蕉莖稈降解能力時發(fā)現(xiàn)，單獨培養(yǎng)時，效果較好的菌種為無花果曲霉和康寧木霉，與本試驗中康寧木霉對木質(zhì)素等降解效果較好的結(jié)果一致，說明康寧木霉在堆制時產(chǎn)生了較多的木質(zhì)素酶和纖維素酶.從試驗數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)腐殖質(zhì)的含量先下降后上升，木質(zhì)素的含量曲折下降，有研究表明木質(zhì)素中含有酚型結(jié)構(gòu)單元，能產(chǎn)生腐殖質(zhì)的前體物質(zhì)，木質(zhì)素和腐殖質(zhì)可憑借此途徑互相轉(zhuǎn)變[33]，而枯草芽孢桿菌、康寧木霉和EM菌中的真菌、細(xì)菌、益生菌都具有木質(zhì)素降解能力，從而能分解出木質(zhì)素中的酚型結(jié)構(gòu)單元進一步形成腐殖質(zhì).

基質(zhì)中的礦質(zhì)元素是植物生長發(fā)育的必要條件，經(jīng)過菌種處理后的中藥渣堆體的速效磷和速效鉀含量相較于CK處理都有了提高，礦質(zhì)元素在堆制過程中不會揮發(fā)消失，堆制前期，溫度迅速升高，微生物大量活動對中藥渣進行分解腐化，揮發(fā)出CO2和CH4等氣體，從而使化合物中的速效磷和速效鉀相對含量升高.

4 結(jié)論

經(jīng)過試驗可得出，3種菌種均會對中藥渣堆制過程產(chǎn)生積極影響.在堆制過程中，高溫期維持了7 d以上，最高溫為T2處理57 ℃.各處理pH值在7.73～8.22之間，EC值在2.0～2.75 ms/cm之間，GI達(dá)到97%以上.腐殖質(zhì)、木質(zhì)素和速效養(yǎng)分等含量均優(yōu)于CK處理，且符合植物生長對于基質(zhì)的理化性質(zhì)要求，適合作為觀賞園藝植物基質(zhì)，其中經(jīng)康寧木霉處理的中藥渣堆料效果最好.