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，重慶市道地藥材規范化生產工程技術研究中心，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，具有產量大、排放集中等特點。我國大約有1 500家中藥企業，每年產生1 200萬t中藥渣，其中，以中成藥生產產生的藥渣量最大，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面臨的棘手問題，現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業化生產對原料安全性的要求。利用微生物固態發酵生產蛋白飼料的研究多處于實驗室階段，其大規模生產應用尚有待突破，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，中藥渣堆肥產業尚處于起步階段，不同種類藥渣養分含量差異大，發酵菌株種類多，發酵過程中的有機質含量、C/N比、溫度變化規律等基礎數據尚不明確，從而導致堆肥產品質量不穩定。

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種商品發酵菌劑，采用條垛式堆肥系統進行堆肥試驗，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的變化規律。本研究可為金錢草藥渣的產業化利用提供數據支持，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)；富農微生物肥[(2016)臨字(3070)](下文簡稱富農，主要菌群：枯草芽孢桿菌、釀酒酵母)；江蘇常州現代農業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種發酵劑進行發酵試驗，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，發酵過程不翻堆。

1.3.1 發酵過程溫度檢測 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《土壤農化分析》[15]。

1.3.7 不同發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 數據分析

試驗數據計算及統計分析使用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，各發酵劑處理溫度的變化趨勢基本相同，均經過升溫期、高溫期和降溫期3個階段。根源、華隆、康源、富農4種發酵劑2～3 d后進入高溫階段，達到50 ℃以上持續時間分別為7 d、5 d、11 d、7 d；江蘇發酵劑在整個發酵過程溫度均低于50 ℃?？翟窗l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11 d。分析不同發酵劑處理金錢草藥渣溫度的變化過程發現，康源發酵劑的最高溫與高溫期持續時間均為最優。

圖1 不同發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，不同發酵劑處理金錢草藥渣發酵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。不同發酵劑處理金錢草藥渣高溫階段持續時間與干物質損失率之間的Pearson相關系數為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，不同發酵劑處理金錢草藥渣高溫階段持續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，具體數據見圖2。隨發酵時間的延長，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%，康源發酵劑處理組有機質含量下降了28.24%，降解有機質效果最優。發酵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時料堆中氨態氮在微堿性環境中轉化為NH3而部分損失，氮含量上升趨勢變緩；75 d時，隨著碳物質持續損失及物料水分蒸發，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，總氮含量緩慢下降。180 d時，藥渣中氮含量在2.55%～3.45%之間，均高于發酵前金錢草藥渣氮含量。

圖3 不同發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。在發酵后腐熟階段(30～75 d)，碳含量持續損失，全磷含量隨著養分濃縮達到較高值。75 d后，有機質礦化分解基本結束，發酵堆體總體質量趨于穩定，而磷含量通過揮發或徑流持續損失，總磷含量緩慢下降。180 d時，5種發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，在發酵初期，大量可溶性鉀隨水分下滲而損失。30 d后，隨著養分的“濃縮效應”顯現，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，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種發酵劑而言，發酵10 d時，T值在0.41～0.50之間，發酵30 d時，T值在0.37～0.48之間，由此可以判斷，堆肥30 d，發酵已經腐熟。堆肥至75 d，總養分含量達到較大值，有機質含量到達較穩定的值，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種菌劑的堆肥產物，發酵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，總養分含量在5.20%～5.88%之間。對比《有機肥料》(NY525-2012)行業標準中有機質含量不低于45%、總養分不低于5.0%的規定可知，本試驗中藥渣最低有機質含量和最低總養分含量均高于行業標準。As、Hg、Pb、Cd、Cr等5種重金屬含量均符合限量標準，具體數據見表2。pH值穩定在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酵30 d后的產物，符合《有機肥料》(NY525-2012)行業標準，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，總養分含量在5.94%～6.98%之間。從30 d至180 d，金錢草藥渣發酵產物有機質含量平均下降較少，總養分有所提升，說明金錢草有機肥穩定性較好，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]等藥渣進行堆肥發現，有機質含量均在70%以上，明顯高于畜禽糞便等堆肥產品的有機質含量。高有機質肥料可有效改善土壤的結構及微生物菌群。堆肥產品的C/N可以直觀反應堆肥對農作物及土壤環境的影響，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酵30 d后，C/N在9.6～13.8 之間，均低于14，可為農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，總養分有所提升，說明金錢草有機肥穩定性較好，商品質量期較長，總養分含量高，是較優的有機肥料。

3.2 堆肥發酵溫度對有機肥衛生指標的影響

溫度是衡量堆肥無害化的關鍵指標。CCME(2005)[21]準則規定，條垛堆肥方式中堆體溫度高于55 ℃，并持續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%，發酵溫度則可在50 ℃以上持續18 d。因此，在后續研究中，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。