油茶壳-蚕沙堆肥过程中理化参数变化及其腐熟度评价

蒋越华，范稚莲，黄海连，李 鸿，杨丹亚，莫良玉

（1.广西壮族自治区亚热带作物研究所，广西 南宁 530001；2.广西大学，广西 南宁 530004；3.梧州职业学院，广西 梧州 543002）

油茶和桑蚕是广西两大农业支柱产业。油茶壳是油茶果脱籽后剩余的果皮，占整个油茶果质量的50%～60%［1-2］。据统计，我国每年产生的油茶壳约为300 万t，绝大部分被直接丢弃或作为燃料利用。此外，随着“东桑西移”战略的实施，桑蚕产业在广西得到快速发展，蚕沙是蚕粪和桑叶残渣的混合物，每饲养1 张蚕种可得到干蚕沙约60 kg［3］。如何高效妥善地处理农林废弃物已成为农业绿色可持续发展中亟待解决的问题。肥料化是实现当前农林废弃物资源化利用的经济有效方式之一，好氧堆肥是主要的技术手段，其本质是堆体内多种微生物将大分子有机物分解转化成小分子稳定物质的过程，而维持微生物的活性和生长代谢需要一定的碳、氮养分。因此，碳氮质量比是影响堆肥腐熟发酵进程最关键的因素。大量研究表明，适合堆肥的物料初始碳氮质量比在20～35［4］。经检测，油茶壳碳氮质量比高（约100），仅通过自然腐解需要很长的时间，而蚕沙碳氮质量比低（5 左右），不仅可作为微生物的氮源有效解决油茶壳单独堆肥所存在的不足，还可以将废弃的蚕沙充分资源化利用。目前，对油茶壳堆肥的研究较少，仅有的油茶壳发酵技术研究中主要添加油茶麸或无机氮源进行发酵［5-6］，蚕沙则通常自然堆沤或者直接回施农田，极易造成野蚕泛滥和病害传播，而有关油茶壳与蚕沙联合堆肥及其腐熟度评价的研究较为鲜见。本研究根据不同配比油茶壳和蚕沙堆肥过程中理化参数变化进行腐熟度评价，寻求油茶壳与蚕沙堆肥的最佳配比，为广西尤其是百色市油茶壳和蚕沙规模化有效利用提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

油茶壳和蚕沙收购于凌云县油茶种植户和养蚕户，油茶壳晒干后粉碎，得到粒径2～3 mm 的颗粒，蚕沙晾干后去除石块等杂质备用。供试材料的理化性质见表1。

表1 供试材料的理化性质 %

1.2 试验设计

根据m（C）/m（N）为20、25、30 和35 依次设置T1、T2、T3和T4处理，每个处理所用油茶壳均为50 kg，并按碳氮质量比计算蚕沙用量分别为45、31、23、18 kg，以不加蚕沙的纯油茶壳为对照（CK），调节各处理堆体w（H2O）至60%，堆成直径约1.0 m、高0.8 m的堆垛。

1.3 样品采集与处理

试验 于2022 年5 月4 日至7 月6 日在广西壮族自治区亚热带作物研究所科研大棚内进行，共堆制64 d，第1 周每3 d 翻堆一次，之后每7 d 翻堆一次。翻堆前在距堆体顶部30 cm 和80 cm 处不同方位取样并混匀，每次取样量1.5～2.0 kg。其中一部分鲜样用于测定pH和种子发芽指数（GI）；另一部分鲜样风干后过2 mm 孔径筛网，用于分析有机质（有机碳）、总氮和阳离子交换量（CEC）等。

1.4 测定指标与方法

（1）物理指标的测定：堆肥期间每天早上11：00 左右用探针数显温度仪（LCD-105 型461）在堆体中心下方30 cm处监测堆体前、后、左、右以及中心5个方位的温度，同时记录环境温度。

（2）化学指标的测定：pH测定参照程雯等的方法，称取风干基质样品5.0 g，加入去离子水50.0 mL，搅拌3 min，静置30 min后过滤，用酸度计测定滤液的pH［7］。有机碳和总氮含量测定参照《有机肥料》（NY/T 525—2021），分别采用重铬酸钾容量法和凯氏定氮法测定［8］；阳离子交换量测定参照《森林土壤阳离子交换量的测定》（LY/T 1243—1999）［9］。

（3）生物指标的测定：种子发芽指数按照NY/T 525—2021 中方法测定［8］。称取鲜样10.00 g 于250 mL 锥形瓶中，按照液固体积质量比10 mL/g 加入去离子水，在25 ℃条件下100 r/min 转速振荡浸提1.0 h，取下静置0.5 h后过滤，吸取滤液5 mL 于事先垫有滤纸的培养皿中，再均匀放入10 粒饱满的萝卜种子，盖上培养皿盖，在（25±2）℃的培养箱中避光培养48 h，统计发芽粒数，并用游标卡尺逐一测量主根长。同时以去离子水为对照做空白试验。种子发芽指数=（处理平均发芽率×处理平均根长）×100%/（对照平均发芽率×对照平均根长）。

1.5 灰色关联分析法

灰色关联分析法是将堆肥腐熟度分级标准和待评价的样品视为一个灰色系统，根据系统各因素间数据的发展态势和相异程度判断因素间关联或行为的接近程度［10］。参考国内外常用的堆肥腐熟度评价指标，并综合考虑指标测定方法的便捷性和可操作性，本研究以≥50 ℃高温持续时间、m（C）/m（N）降低幅度（η）和种子发芽指数（GI）组成堆肥产品腐熟度质量评价指标体系，设置4个堆肥腐熟度等级参考标准，并对堆肥降温期即堆制40、48、56、64 d的堆肥样品进行评价，堆肥腐熟度评价标准见表2。

表2 堆肥腐熟度评价标准

设u＝u（i），i为堆肥腐熟度分级标准，取值为0、1、2、3、4；其中i＝0 表示待评价堆肥样品；i＝1 表示完全腐熟；i＝2 表示较好腐熟；i＝3表示基本腐熟；i＝4表示未腐熟。待评价堆肥样品序列｛x0（k）｝=｛x0（1），x0（2），x0（3）｝为参考序列；｛xi（k）｝=｛xi（1），xi（2），xi（3）｝为被比较序列，k为评价指标，取1、2、3。

第一步，将各评价指标实测值进行归一化处理，统一单位；第二步，计算各对应点的绝对差值，Δi（k）＝|x0（k）-xi（k）|；第三步，根据式（1）计算关联系数。

式中，ρ为分辨系数（0～1），通常取0.5。

最后，通过式（2）计算出被比较序列｛xi（k）｝与参考序列｛x0（k）｝的关联度：

通过关联度，可以得出待评价堆肥样品与各腐熟度标准之间的相似程度，以最大关联度判定该产品腐熟等级，即腐熟度所处级别计算出的γ0i越大，则说明待评价堆肥样品越接近第i级腐熟标准。

1.6 统计分析

采用Excel 软件进行数据处理和图表制作，通过SPSS 18.0软件进行方差等统计分析。

2 结果与讨论

2.1 堆肥过程中堆体温度变化

温度是堆肥状态的一种表观体现，直接影响堆肥进程以及各类微生物代谢活动，温度高低决定了堆肥速率和堆肥质量［11-12］。各处理堆肥过程堆体温度变化见图1。从图1可知，添加蚕沙的4组处理堆肥过程中堆体温度均高于对照。T1 至T4 处理的堆体温度大致经历了升温阶段、高温阶段和降温阶段，由此说明添加适当比例的蚕沙作为氮源可有效促进油茶壳腐熟，能加快发酵进程。T1 至T4 处理温度上升速率更快，在堆肥前4 d 堆体温度呈现明显的上升趋势，并进入高温期（≥50 ℃），在第4天温度达到最大值，分别为61.6、60.4、52.9、51.6 ℃。在翻堆后T1 至T4 处理由于翻堆供氧补水造成堆体温度暂时性降低，但不同处理的最高温度、≥50 ℃高温持续时间以及翻堆后温度回升速率有所差异。T1 和T2 处理因翻堆有机物快速重新分配，微生物活性再次提高，使得堆体温度再次升高，≥50 ℃的高温持续时间分别有17 d 和13 d；而T3 和T4 处理在第一次翻堆后堆体温度迅速降低至41 ℃左右，直至27～37 d 温度才再次升高到45～49 ℃，≥50 ℃高温持续时间仅有2 d。对照堆肥过程中堆体温度较低，最高温度仅为41.1 ℃，始终未进入高温阶段（≥50 ℃）。堆体温度是微生物与环境相互作用的结果，也是影响堆肥达到无害化和稳定化的重要指标［13］。通常认为，堆体温度在55 ℃条件下保持3 d以上或者50 ℃以上保持至少10 d才能达到堆肥无害化的要求［14］。由此可看出，堆体温度受碳氮质量比影响显著，添加蚕沙且初始碳氮质量比在20～25能使油茶壳堆料中的物质更快被分解。本试验T1和T2处理可达到堆肥无害化卫生要求，而T3和T4两组处理均不能有效杀死病菌和害虫卵。

图1 堆肥过程中堆体温度变化

2.2 堆肥过程中pH变化

pH 直接反映堆肥物料中微生物所处的环境条件，通常初始pH 受到堆肥原料的影响较大。堆肥过程中各处理pH变化见图2。由图2可知，CK处理的初始pH呈弱酸性（6.1），而T1至T4处理初始pH（7.2 ～7.7）基本为中性，与微生物生长适宜的pH（中性或弱碱性）要求相符［15］。在整个堆肥过程中各处理的pH 大体上呈现先升高后降低、最后趋于稳定的趋势。通常认为，堆肥pH 变化与氮素转化有密切关系［16］。堆肥前期，在高温条件下有机物发生氨化作用被分解生成铵态氮使得堆体pH 逐渐升高；之后随着堆肥的持续，由于堆体温度下降，同时不断翻堆供氧使硝化作用成为主导，产生大量的H+而使pH 下降［17］。T1 至T4 处理的pH 在堆肥40 d达到最大值，分别为8.60、8.69、7.82、7.86，分别较对照处理同期pH 高1.12、1.21、0.52、0.38，之后略有降低并趋于稳定。在堆肥结束时，各处理pH均高于初始值，其中添加蚕沙的4组处理均呈微碱性，对照为中性（pH 7.0），各处理的pH 符合《有机肥料》（NY/T 525—2021）的要求。

图2 堆肥过程中pH变化

2.3 堆肥过程中碳氮质量比的变化

碳氮质量比是判断堆肥腐熟度的重要指标。堆肥过程中各处理碳氮质量比变化见图3。从图3 可看出，经过堆肥处理后所有处理的碳氮质量比较堆肥初期均明显降低，由于CK 处理的初始碳氮质量比较高，为119，堆肥前18 d 碳氮质量比逐渐降低，但在第25天仍有114，之后随着有机物分解逐渐降低，在试验结束时碳氮质量比为75，降低了37%。而添加蚕沙能提高堆料的氮含量、降低碳氮质量比，T1 至T4 处理的碳氮质量比在前18 d 下降较快，在32 d后趋于稳定，堆肥结束时分别降低至11、14、19 和23，分别降低了45.0%、49.0%、36.7%及34.3%。一般认为碳氮质量比降到16 以下更适合田间利用［18］。本试验中T1、T2 处理中碳氮质量比降低幅度均高于对照，由此说明适宜的碳氮质量比提高了微生物活性，促进了堆体物料的降解，是影响堆肥腐熟进程的关键因子。

图3 堆肥过程中碳氮质量比的变化

2.4 堆肥过程中阳离子交换量的变化

阳离子交换量以1 kg堆肥样品代换吸收阳离子的物质的量来表示，反映了堆体保持、供应养分的能力以及对酸碱的缓冲性能等，能有效反映有机质的变化［19］，是评价堆肥腐殖化程度及新形成有机质的重要指标，一般随着腐熟进程逐渐增加［20-21］。堆肥过程中各处理阳离子交换量变化见图4。由图4可知，各处理的阳离子交换量随发酵进程总体上均呈上升趋势。CK 处理阳离子交换量在25 d 前变化平缓，在堆制40 d时最低，为43.2 cmol/kg，之后逐渐升高，试验结束时阳离子交换量为54.7 cmol/kg，较初始值增加了8.8 cmol/kg；而油茶壳-蚕沙处理组因配比不同初始阳离子交换量有所差异，T1 至T4处理的阳离子交换量初始值分别为55.6、49.8、47.2、45.6 cmol/kg，堆肥结束时均升高到60 cmol/kg以上，增长率为11.7%～38.6%。

图4 堆肥过程中阳离子交换量的变化

2.5 堆肥过程中种子发芽指数的变化

种子发芽指数是反映堆肥产品对植物毒性的重要参数，堆肥过程中各处理种子发芽指数变化见图5。由图5可知，作为对照的纯油茶壳处理其浸提液对种子发芽无显著的抑制作用，种子发芽指数始终保持在77%以上，原因可能是其温度在发酵过程中变化不大，有机物质降解少，产生有毒物质少。而油茶壳-蚕沙4组处理种子发芽指数随发酵进程大致经历了先升高后降低的变化趋势，与吴红萍等［22］的研究结果相近。与CK处理相比，油茶壳-蚕沙处理组在堆肥初期种子发芽指数有所降低，可能是大量有机物随堆体温度升高被分解成高浓度的氨、小分子有机酸及醛类等不完全降解产物，这些物质对种子发芽产生抑制作用，种子发芽指数在46%～65%，随着堆肥时间延长有害气体挥发，浸提液生物毒性逐渐减弱，在堆肥32 d时T1至T4处理的种子发芽指数均达到最大值，分别为81.5%、102.5%、115.2%和122.2%，堆肥结束时种子发芽指数均相对稳定在72%以上，对种子不产生毒害。

图5 堆肥过程中种子发芽指数的变化

2.6 堆肥腐熟度综合评价结果

本试验因pH 在整个堆肥过程中变化不大，且基本在堆肥允许范围内，阳离子交换量易受堆肥原材料等多因素影响，所以未将pH 和阳离子交换量列入油茶壳堆肥腐熟度的评价因子中，选取≥50 ℃高温持续时间、碳氮质量比降低幅度及种子发芽指数作为评价指标。5组处理在堆肥后期各指标的实际测量值见表3。由表3可知，对照组（CK）≥50 ℃高温持续时间为0，堆肥期间全程未进入高温期，同时，尽管堆肥40 d 后种子发芽指数≥80%、碳氮质量比降低幅度在20%以上，但碳氮质量比在试验结束时仍有75，远高于堆肥产品应满足碳氮质量比≤25的要求，因此，CK处理列为未腐熟。T1至T4处理在堆肥40 d后温度趋于平稳，T1处理≥50 ℃高温持续时间最长（17 d），T3 和T4 最短（2 d），各处理碳氮质量比降低幅度逐渐升高，种子发芽指数在72%以上。

表3 堆肥样品腐熟度评价指标实测值

将油茶壳-蚕沙4 组处理在堆肥后期不同时间的样品评价指标实测值与表2的标准值进行归一化处理后，通过式（1）、式（2）计算堆肥样品与4级腐熟度标准间的关联度，根据最大关联度原则，对油茶壳-蚕沙组堆肥后期不同时段的综合评价结果进行评级，结果见表4。由表4 可知，经过40 d发酵后，T2 处理与Ⅰ级腐熟的关联度最大，为0.794，达到完全腐熟；而T1 处理在发酵40、48、56 d 后均与Ⅱ级腐熟的关联度最大，达到较好腐熟，在堆肥结束（64 d）时才达到完全腐熟；T3和T4处理均未腐熟。

表4 灰色关联度计算结果

3 结论

（1）添加蚕沙调节初始碳氮质量比在20～25能有效促进油茶壳腐解；添加蚕沙的处理为中性或弱碱性，且最高温度、≥50 ℃高温持续时间及阳离子交换量均高于对照；发酵后各处理的碳氮质量比均有明显降低，阳离子交换量随发酵进程总体呈上升趋势，堆肥结束时种子发芽指数均在70%以上，对植物生物毒性小。

（2）堆肥40 d 时，T2 处理即达完全腐熟，T1处理达到较好腐熟，64 d 时T1 处理达完全腐熟；而T3、T4和CK处理全程未腐熟。一方面反映了氮源是影响堆肥腐熟进程的重要因素，添加蚕沙等有机氮源作为促进油茶壳快速腐熟的辅料较为理想；另一方面，碳氮质量比对微生物的生长代谢起着重要作用。因此，调节初始碳氮质量比在20～25 有利于油茶壳-蚕沙堆肥较快达到腐熟。