油茶低产林改造剩余物的发酵堆肥技术

张雯琪，李建安，吴玲利，唐润钰，王 楠，朱宏达，熊 利，黄志勤

（中南林业科技大学 a.经济林培育与保护省部共建教育部重点实验室；b.经济林育种与栽培国家林业和草原局重点实验室，湖南 长沙 410004）

油茶Camellia oleifera为山茶属木本油料植物，是中国主要的木本食用油料树种，与棕榈、椰子和油橄榄合称为世界四大木本油料树种[1-3]，油茶在我国已有2 300 多年的栽培历史。湖南作为油茶大省，截至2020年底，全省油茶林总面积为144.1 万hm2，产油量32.51 万t，均位列全国首位。

油茶产业是湖南省四大林业产业之一，油茶低产林改造是发展油茶产业的重要举措，发挥着重要作用。2018年，湖南全省低产林超过86.6 万hm2，占全省油茶林总面积的64%；2021年，全省完成油茶低产林改造7.2 万hm2[4]。在低产林改造过程中，林地清理和整形修剪会带来大量的枝条、树干、树叶等剩余物，常规处理方式是就地填埋或焚烧，不仅浪费资源，还对生态环境造成了污染。将剩余物粉碎后经过发酵制备轻型育苗基质，可提高剩余物的利用率，减少对生态环境的污染，还可减少育苗成本。前期研究结果表明，油茶低产林改造剩余物可以用来制备有机肥[5]，为使用油茶低产林改造剩余物制备轻基质提供了可能。

近年来，轻基质育苗技术越来越被广泛认可，并且在林业生产中被推广应用。与传统育苗基质相比，轻基质营养丰富，保水保肥性能好，为根系发育创造了良好的生长环境；轻基质育苗，能有效减少根系在移栽时受到的物理伤害，提高造林成活率[6]；轻基质质量轻，方便长途运输，能有效降低运输成本；不同的轻基质混配可起到互补的作用，可调节酸碱度、提高土壤肥力等。目前，用于育苗的轻基质多由珍珠岩、蛭石、泥炭、发酵或者碳化的农林废弃物等混合而成。农林废弃物所含营养物质丰富，但其化学性质不稳定，含有较多容易被微生物分解的物质[7]。有关利用油茶低产林改造剩余物发酵堆肥的研究报道较少，仅见关于油茶壳发酵堆肥和油茶饼粕生物发酵的研究报道。在油茶壳发酵堆肥试验中，杨治华等[8]、罗健[9]、詹孝慈等[10]发现，通过调整发酵物的碳氮比，尿素+微生物菌剂或者复合肥+微生物菌剂能发酵腐熟油茶壳，使油茶壳达到轻基质的标准。在油茶饼粕生物发酵研究中，张晖等[11]通过试验得出添加黑曲霉能更好地发酵油茶饼粕，使油茶饼粕的养分有效释放。本试验中选用尿素、复合肥、发酵鸡粪作为氮源，以EM 菌、酵素菌、强兴发酵菌剂3 种复合微生物菌剂为发酵菌剂，调整碳氮比分别为25∶1、30∶1、35∶1，通过正交试验，研究各处理间发酵物理化性质的差异，了解氮源、菌剂、碳氮比对油茶低产林改造剩余物发酵的影响，旨在找出以油茶低产林改造剩余物制备轻基质的最佳方法。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于长沙县圣恒农业科技有限公司，属于中亚热带季风气候区，光温丰富，雨水充沛，空气湿润，四季分明。年均温16 ～23 ℃，年均降雨量1 200 ～1 700 mm。

1.2 试验材料

1.2.1 发酵外源添加剂

尿素含氮量46%，购于中盈化肥有限公司；复合肥含氮量15%，购于中农集团有限公司；发酵鸡粪含氮量1.5%，购于花诺园艺；EM 菌0.5 kg/t，富含乳酸菌、硝化细菌等，每克菌剂的有效活菌数量不少于200 亿，购于菜保姆生物科技有限公司；酵素菌3 kg/t，富含米根霉、枯草芽孢杆菌等，每克菌剂的有效活菌数量不少于0.50亿，购于大华生物科技有限公司；强兴发酵菌剂0.2 kg/t，富含丝状真菌、芽孢杆菌等，每克菌剂的有效活菌数量不少于200 亿，购于强兴生物科技有限公司。

1.2.2 低改材料

低改材料由湖南省林业种苗中心提供，是油茶低产林改造环节中产出的剩余物，由油茶枝丫、植株粉碎混合而成，将低改材料过3 目网筛（8 mm 孔径）。纯油茶木屑理化性质为容重0.28 g/cm3、总孔隙度59.62%、持水孔隙度41.08%、通气孔隙度18.54%、pH 4.84、电导度0.005 7 mS/cm、碳氮质量比119∶1、含水量20%。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

油茶木屑用量均为138.5 kg，根据碳氮质量比值计算不同氮源的添加量，根据产品说明确定微生物菌剂添加量，共设计9 个处理（表1）。通过比较初始阶段、30 ℃阶段、50 ℃阶段、70 ℃阶段、结束阶段、第1 次翻堆、完成发酵时9 个处理中发酵物理化性质的差异，得出适合用于油茶低产林改造剩余物发酵的氮源和菌剂。

表1 油茶木屑堆肥试验处理及其碳氮质量比†Table 1 Composting of C.oleifera sawdust and its C and N mass ratio

1.3.2 试验步骤

将各处理的木屑、菌剂、氮源称量好，放入ZF5.5-2 型发酵罐（湖南碧野生物科技有限公司生产）内，将水分质量分数调整至65%（根据纯木屑含水量20%，每份处理加入55.4 kg 水）。根据发酵罐设定的发酵程序，前3 h 为升温阶段，后2 h 为高温发酵阶段，当机器将物料搅拌匀后即初始阶段（未启动发酵T0）取1 次样（400 g），随后当发酵罐内的物料温度升至30 ℃（T1）、50 ℃（T2）、70 ℃（T3）和罐内发酵结束（T4）时各取1 次样（400 g）。发酵罐工作结束后，将发酵好的物料输出，堆放成1.5 m×1.2 m×0.9 m 的圆锥形堆体，进入发酵后熟阶段。每日9:00 和18:00，将LCD-110 型数显温度计插入堆体50 cm 深处测物料温度。堆肥后每10 d 翻堆1 次，至物料不再升温时完成发酵。在后熟阶段第1 次翻堆前（T5）、完成发酵（T6）时各取1 次样（400 g）。每次均采用“五点取样法”取样，风干样品后测定其理化性质。

1.3.3 理化指标测定

称取风干好的150 g 发酵物，用粉碎机（规格为200 g）进行2 次粉碎，过20 mm 筛，测定全氮、全磷、全钾、全碳、有机质的含量，重复3 次。采用饱和浸提法测定pH 和电导率，参照郭世荣[12]的方法测定容重、孔隙度（总孔隙度、持水孔隙度、通气孔隙度、大小孔隙比），均重复3 次。

1.4 数据分析

使用SPSS 26.0 软件分析处理数据，使用Excel 软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 发酵过程中物料物理性质的变化

2.1.1 物料温度的变化

1）在发酵罐内各处理物料的升温用时。根据发酵罐前3 h 升温、后2 h 稳定高温发酵的程序设定，将30 ℃≤t（物料温度）＜50 ℃划为第1 阶段（Ⅰ），50 ℃≤t＜70 ℃划为第2 阶段（Ⅱ），70 ℃≤t至结束划为第3 阶段（Ⅲ）。发酵罐内物料在各升温阶段的用时如图1所示。由图1可见，各处理第1 阶段物料升温用时差异不大，除了C处理和F 处理用时超过1 h，其他处理物料升温用时在50 min 以内，其中处理I 用时最少，不超过40 min。大部分处理在第2 阶段的升温用时比第1阶段长，其中处理C、F、I 用时均超过60 min，处理D 第2 阶段升温用时少，不超过40 min。第3 阶段为发酵罐的高温发酵阶段，处理C 和处理F在发酵阶段的物料升温用时最少，处理H 在发酵阶段的用时最长，超过了120 min。综上可以得出，鸡粪或尿素与强兴发酵菌剂组合能缩短物料在发酵罐内的高温发酵时长。

图1 发酵罐内物料在各升温阶段的用时Fig.1 The time of materials in fermentation tank in each heating stage

2）后熟阶段各处理物料温度的变化。后熟阶段物料日均温的变化如图2所示。由图2可见，除处理E外，其余处理后熟堆肥阶段经过了“升温—高温—降温”3 个过程，并且各处理在堆肥2 ～3 d时温度有小幅度下降，处理E 则是在堆肥5 d 时温度降至谷底。这是因为物料从发酵罐内输出后进行了堆体转移，相当于进行了1 次翻堆，使得温度扩散。为了方便比较，堆体温度的第1 次测定均从物料输出后的次日早上开始。由图2可见：C处理的物料在后熟阶段能达到60 ℃，而处理E、F 的物料升温幅度均较小；处理A、B、C 的物料维持30 ℃以上的时长明显比其他处理长，说明尿素和3 种菌剂组合能有效延缓后熟堆肥时长，使得油茶木屑充分发酵。进行1 次翻堆后，各处理的物料温度均有不同程度的下降，除了处理D、H、I 的物料不再升温，其他处理均在翻堆后升温，堆肥20 d 后各处理的物料温度均在30 ℃以下，并且第2 次翻堆后不再升温，完成整个发酵过程。

图2 后熟阶段物料日均温的变化Fig.2 Change of daily temperature of material during post-ripening stage

2.1.2 物料电导率的变化

发酵过程中物料电导率的变化如图3所示。由图3可见，在整个发酵过程中，处理G、H、I 的物料电导率均高于其他处理，说明复合肥作为氮源参与发酵能加剧发酵的程度。处理D、E、F的物料电导率变化不明显，这可能与鸡粪已发酵过1 次有关，与发酵菌剂组合未产生剧烈的反应。到后熟阶段第1次翻堆（T5）时，处理A、B、C、G、H、I 的物料电导率均大幅度上升，这是因为堆肥过程中菌剂与氮源组合使得物料中的营养物质被分解释放，翻堆后微生物的发酵作用逐渐减弱，随着发酵的完成，电导率逐渐稳定。从图3可以看出，从罐内发酵结束（T4）到完成发酵（T6）期间，物料的电导率与pH 的变化趋势相同，均为先上升、后下降、最后趋于稳定。发酵后各处理的物料电导率均比发酵前低，说明发酵物中可溶性物质发生了流失，同时从各处理物料电导率的变化可以看出氮源是影响电导率变化的重要因素。

图3 发酵过程中物料电导率的变化Fig.3 Changes in the electrical conductivity of materials during fermentation

2.1.3 物料其他物理性质的变化

发酵前后物料其他物理性质的变化见表2。由表2可知，发酵后各处理物料的容重均增大。其中：发酵前后处理E 物料容重的差值最大，为0.17 g/cm3；其次是处理F，为0.14 g/cm3；变化最小的是处理H、I，均为0.01 g/cm3。容重过大会使育苗基质过于紧实，不利于根系生长；容重过小说明育苗基质疏松，一定程度上影响根系的稳定性。根据文献[12]中的规定，容重为0.2 ～0.5 g/cm3的轻基质更适合用作育苗基质，各处理物料的容重均能达到要求。

表2 发酵前后物料孔隙度和容重的变化Table 2 Changes of porosity and bulk density of materials before and after fermentation

在发酵完成后，各处理物料的持水孔隙度得到提升，处理A 物料的持水孔隙度在发酵前后的变化最大，处理I 的变化最小。发酵完成后物料颗粒度变小，储水空间增加，保水性能得到改善；相应地，发酵完成后各处理物料的通气孔隙度减小，用作育苗基质时可以与颗粒度大的基质组合育苗。根据文献[13]中对林木轻基质孔隙度（总孔隙度大于60%、通气孔隙度15%～30%、持水孔隙度45%～60%）的要求，发酵后处理A 和处理B 物料的孔隙度最接近标准。其中，在发酵前后处理I 物料孔隙度的变化幅度比其他处理小，说明发酵效果最差，即复合肥和强兴发酵菌剂组合的发酵程度不如其他处理剧烈。

发酵后物料物理性质的极差分析结果见表3。由表3可知，氮源对发酵物物理性质变化的影响最明显，其中尿素和复合肥对发酵物物理性质的影响大于鸡粪的影响。

表3 发酵后物料孔隙度和容重的极差分析结果Table 3 Range analysis results of porosity and bulk density of materials after fermentation

2.2 发酵过程中物料化学性质的变化

2.2.1 物料pH 的变化

发酵过程中各处理物料pH 的变化如图4所示。由图4可见，发酵后各处理的物料pH 略高于发酵前。发酵前后处理A 的物料pH 差值最大，为2.51；发酵前后处理G、H、I 的物料pH 较其他处理小。处理A、B、C、F 的物料pH 明显有1 个先降、后升的过程，到后熟阶段第1 次翻堆（T5）后各处理的物料pH 均呈上升趋势，并且上升幅度较大，处理A 的物料pH 达到8.12，完成发酵（T6）后均有小幅度下降，处理A、B、C 的物料pH 稳定在7.60以上；处理D、E、F 的物料pH 稳定在7.60 左右；处理G、H、I 的物料pH 稳定在7.00 左右。

图4 发酵过程中物料pH 的变化Fig.4 The changes of pH value during the fermentation of C.oleifera sawdust

处理A、B、C 的氮源为尿素，后熟阶段氮代谢中尿素被分解为NH3，导致pH 上升，完成发酵后逐渐稳定，呈弱碱性。pH 过高或者过低均不利于有益微生物的活动。文献[12]中规定林木轻基质pH 在5.0 ～8.0 更适合作为育苗基质，发酵后各处理的物料pH 均能达到要求。使用呈弱碱性的基质培育喜酸植物时，可以和偏酸性的基质（如椰糠）复配。

2.2.2 物料化学成分的变化

发酵前后物料化学成分的变化见表4。由表4可知，发酵后处理A、B、C、G、I 的物料全氮含量增加，其余处理的物料全氮含量均有不同程度的减少，说明不同氮源的用量均对发酵物全氮含量的变化有着一定的影响。处理H 的物料全磷含量变化最大，发酵完成后流失了2.3 g/kg。完成发酵后，除了处理I 的物料全钾含量有所增加，其余处理的物料全钾含量均有不同程度的减少，其中处理A 物料钾的质量分数减少了1.45 g/kg。处理D 的物料有机质含量变化最大，其质量分数比发酵前减少10 个百分点；处理I 的物料有机质含量变化最小，其质量分数比发酵前增加了0.5 个百分点。发酵完成后，处理A 的物料碳氮质量比值降到19.85，达到生物有机肥腐熟的要求（碳氮质量比小于20），发酵效果最好；处理D、E、F 的物料碳氮质量比值普遍高于35，这是因为鸡粪氮含量低，不能有效降低碳氮质量比，发酵效果较差。

表4 发酵前后物料化学成分的变化Table 4 The changes in chemical properties of C.oleifera sawdust before and after fermentation

2.2.3 物料化学性质的方差分析

发酵前后物料化学性质的方差分析结果见表5。由表5可知，氮源对发酵物化学成分的变化有显著影响。

表5 发酵前后物料化学性质的方差分析结果†Table 5 Variance analysis of chemical properties of C.oleifera sawdust before and after fermentation

进一步对不同氮源处理下发酵前后物料的化学性质进行方差分析，结果见表6。由表6可知，在3 种氮源中，尿素对发酵物化学性质变化的影响最大，其次是复合肥，鸡粪的影响最小。

表6 不同氮源处理下发酵前后物料化学性质变化的方差分析结果†Table 6 The influence of nitrogen sources on the chemical properties of C.oleifera sawdust after fermentation

3 结论与讨论

基于本试验结果得出，处理A（尿素+EM 菌+碳氮质量比25∶1）是油茶低产林改造剩余物发酵堆肥的最优组合。尿素能腐熟油茶低产林改造剩余物，使其达到林木轻基质的要求；微生物菌剂对油茶低产林改造剩余物发酵前后理化性质的改变影响不大，但与尿素或复合肥搭配能更好地腐熟油茶低产林改造剩余物。从成本考虑，EM 菌较其他2 种菌剂便宜，故选择EM 菌更合适。发酵前降低发酵物料的碳氮质量比，可以加快腐熟速度。

温度是评价发酵稳定性的重要指标，温度的变化反映了发酵过程中微生物活性的变化，当温度趋近于环境温度时，表明有机质的分解接近完全，可判定已经达到稳定状态[14]。堆肥发酵要把控好物料温度，温度过高或者过低均影响微生物的活性[15]。物料的发酵包括发酵罐内的高温发酵和发酵罐外的堆肥后熟2 个阶段。在发酵罐内的阶段，强兴发酵菌剂与部分氮源（鸡粪、尿素）组合能使物料更快到达80 ℃左右，结束罐内发酵工作，少于常规用时（5 h），其余处理均耗费5 h 以上。这与尚秀华等[16]得出的不同氮源对稻壳腐熟效果影响的部分结果一致，该试验中添加有机氮源鸡粪处理的物料升温速度高于添加无机氮源处理。在发酵罐外的堆肥后熟阶段，强兴发酵菌剂和尿素组合能使物料温度在短时间内达到60 ℃以上，复合肥或尿素与各种菌剂组合处理中物料均能在50 ℃以上维持一段时间，且无显著差异。这与罗健[9]得出的不同氮源、菌剂以及碳氮质量比对油茶壳腐熟效果的影响结果不一致，该试验中添加酵素菌能使油茶壳堆体在短时间内达到高温，这可能与加入的氮源量以及发酵条件不一致有关。发酵鸡粪与EM 菌组合能使物料在50 ℃维持短暂的时间，与酵素菌、强兴菌剂组合能使物料大多维持在40 ℃，并且在后熟堆肥阶段处理D、E、F的物料发酵完成要早于其他处理。

容重和孔隙度是衡量农林废弃物发酵效果的重要物理指标，关系到育苗对象根部生长的环境。目前，生产实践中对基质容重和孔隙度的把控不严格，仅依靠经验选择基质，未形成科学的标准[14]。本试验中通过对各处理物料容重和孔隙度的分析，来判断发酵物物理性状的优劣。一般来说，容重大，总孔隙度偏小，反之孔隙度偏大。发酵前后各处理物料的容重、总孔隙度、持水孔隙度增大，通气孔隙度减小，基质变得更加疏松，可以容纳更多的空气和水分，对育苗对象根系的生长起促进作用，这与白永娟[17]、罗健[9]、高轶楠[14]的研究结果一致。根据文献[13]中的规定，林木育苗轻基质要求容重0.20 ～0.50 g/cm3、总孔隙度大于60%、持水孔隙度45%～60%、通气孔隙度15%～30%。发酵完成后处理A 的物料能完全达到这个要求，使用其余处理的物料育苗时可以将其与珍珠岩、蛭石混合，增大通气孔隙，也可以将其与椰糠、稻壳等保水率较好的基质混合，提高保水性能。

pH 和电导率是评价农林废弃物发酵堆肥效果的重要指标。油茶木屑发酵堆肥过程中，微生物需要适宜的环境降解基质，pH 过高或者过低均会抑制微生物的活动。在发酵罐内阶段，各处理基质pH 均呈下降趋势，但下降幅度不大。在发酵罐外的后熟堆肥阶段，各处理基质pH 先升、后降，然后逐渐稳定。随着堆肥温度的升高，添加尿素处理的物料中菌群更加活跃，使堆体释放更多的氨态氮，物料pH 随之升高。翻堆后物料温度下降，其pH 也随之下降且趋于稳定，这与吉春明等[18]在以食用菌菇渣为机插秧育苗基质的堆肥研究中得出的结论一致。完成发酵后，各处理的物料呈弱碱性，这与李国建等[19]得出的堆肥腐熟度指标一致。与发酵初始阶段相比，各处理的物料电导率均有所下降，以复合肥为氮源的物料电导率在整个发酵过程中均高于其他处理，这与Herrera 等[20]得出的发酵腐熟后材料的电导率通常较高的研究结果部分一致。根据文献[13]中的规定，发酵后处理A、B、C、D、E、F 的物料电导率均符合要求，处理G、H、I 的物料电导率高于规定的值，后期可通过添加试剂进行调节。物料电导率和pH 的改变受发酵材料和发酵条件的影响，所以仅能用作判断发酵程度的必要条件[14]。

碳氮质量比是反映油茶木屑腐熟程度的指标之一。粉碎后的纯油茶木屑的碳氮质量比偏高，根据生物有机肥标准[21]，碳氮质量比降至20 ∶1以下时，基质达到腐熟程度。在加入氮源和菌剂并搅拌均匀后的初始阶段，各处理物料的碳氮质量比迅速下降，以尿素或复合肥为氮源的物料碳氮质量比的下降幅度大于以发酵鸡粪为氮源的处理。由本试验结果可知，调整碳氮质量比后能加快物料腐熟。发酵前后大部分处理的物料氮含量升高，全碳含量下降，这与Biswas 等[22]的研究结果一致，小部分处理发酵后物料氮含量下降，说明碳氮质量比与氮源及其用量密切相关，处理D、E、F、H 的物料氮含量的降低也可能与氨形成后氮的损失有关[23]。

育苗基质中氮、磷、钾、有机质的含量影响着植物的生长。发酵完成后各处理物料的营养元素有不同程度的流失。张沛健等[24]经桉树皮腐熟试验得出，在堆肥过程中有机废弃物中营养元素被微生物分解，转化成能被植物利用的氮、磷、钾等。从试验结果得出，添加尿素有利于氮的形成，添加复合肥有利于有机质的形成，添加鸡粪有利于磷的形成，这与肖春霞[25]对桉树渣腐熟发酵的研究结果一致，且该试验结果还表明，随着生物对有机物的分解，基质中的磷转变为植物易吸收的状态，腐熟完成后物料中磷元素的损失导致其含量降低。发酵后各处理物料的钾含量均减少，这与张沛健等[24]的研究结果基本一致。根据方差分析结果，可以看出复合肥对物料钾含量变化的影响大于其他2 种氮源。下一步将通过育苗试验来检验油茶低产林改造剩余物发酵肥替代泥炭的育苗效果。