蔣越華，范稚蓮，黃海連，李 鴻，楊丹亞，莫良玉

（1.廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所，廣西 南寧 530001；2.廣西大學(xué)，廣西 南寧 530004；3.梧州職業(yè)學(xué)院，廣西 梧州 543002）

油茶和桑蠶是廣西兩大農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)。油茶殼是油茶果脫籽后剩余的果皮，占整個油茶果質(zhì)量的50%～60%［1-2］。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生的油茶殼約為300 萬t，絕大部分被直接丟棄或作為燃料利用。此外，隨著“東桑西移”戰(zhàn)略的實施，桑蠶產(chǎn)業(yè)在廣西得到快速發(fā)展，蠶沙是蠶糞和桑葉殘渣的混合物，每飼養(yǎng)1 張蠶種可得到干蠶沙約60 kg［3］。如何高效妥善地處理農(nóng)林廢棄物已成為農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展中亟待解決的問題。肥料化是實現(xiàn)當前農(nóng)林廢棄物資源化利用的經(jīng)濟有效方式之一，好氧堆肥是主要的技術(shù)手段，其本質(zhì)是堆體內(nèi)多種微生物將大分子有機物分解轉(zhuǎn)化成小分子穩(wěn)定物質(zhì)的過程，而維持微生物的活性和生長代謝需要一定的碳、氮養(yǎng)分。因此，碳氮質(zhì)量比是影響堆肥腐熟發(fā)酵進程最關(guān)鍵的因素。大量研究表明，適合堆肥的物料初始碳氮質(zhì)量比在20～35［4］。經(jīng)檢測，油茶殼碳氮質(zhì)量比高（約100），僅通過自然腐解需要很長的時間，而蠶沙碳氮質(zhì)量比低（5 左右），不僅可作為微生物的氮源有效解決油茶殼單獨堆肥所存在的不足，還可以將廢棄的蠶沙充分資源化利用。目前，對油茶殼堆肥的研究較少，僅有的油茶殼發(fā)酵技術(shù)研究中主要添加油茶麩或無機氮源進行發(fā)酵［5-6］，蠶沙則通常自然堆漚或者直接回施農(nóng)田，極易造成野蠶泛濫和病害傳播，而有關(guān)油茶殼與蠶沙聯(lián)合堆肥及其腐熟度評價的研究較為鮮見。本研究根據(jù)不同配比油茶殼和蠶沙堆肥過程中理化參數(shù)變化進行腐熟度評價，尋求油茶殼與蠶沙堆肥的最佳配比，為廣西尤其是百色市油茶殼和蠶沙規(guī)?；行Ю锰峁├碚撘罁?jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

油茶殼和蠶沙收購于凌云縣油茶種植戶和養(yǎng)蠶戶，油茶殼曬干后粉碎，得到粒徑2～3 mm 的顆粒，蠶沙晾干后去除石塊等雜質(zhì)備用。供試材料的理化性質(zhì)見表1。

表1 供試材料的理化性質(zhì) %

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)m（C）/m（N）為20、25、30 和35 依次設(shè)置T1、T2、T3和T4處理，每個處理所用油茶殼均為50 kg，并按碳氮質(zhì)量比計算蠶沙用量分別為45、31、23、18 kg，以不加蠶沙的純油茶殼為對照（CK），調(diào)節(jié)各處理堆體w（H2O）至60%，堆成直徑約1.0 m、高0.8 m的堆垛。

1.3 樣品采集與處理

試驗 于2022 年5 月4 日至7 月6 日在廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所科研大棚內(nèi)進行，共堆制64 d，第1 周每3 d 翻堆一次，之后每7 d 翻堆一次。翻堆前在距堆體頂部30 cm 和80 cm 處不同方位取樣并混勻，每次取樣量1.5～2.0 kg。其中一部分鮮樣用于測定pH和種子發(fā)芽指數(shù)（GI）；另一部分鮮樣風干后過2 mm 孔徑篩網(wǎng)，用于分析有機質(zhì)（有機碳）、總氮和陽離子交換量（CEC）等。

1.4 測定指標與方法

（1）物理指標的測定：堆肥期間每天早上11：00 左右用探針數(shù)顯溫度儀（LCD-105 型461）在堆體中心下方30 cm處監(jiān)測堆體前、后、左、右以及中心5個方位的溫度，同時記錄環(huán)境溫度。

（2）化學(xué)指標的測定：pH測定參照程雯等的方法，稱取風干基質(zhì)樣品5.0 g，加入去離子水50.0 mL，攪拌3 min，靜置30 min后過濾，用酸度計測定濾液的pH［7］。有機碳和總氮含量測定參照《有機肥料》（NY/T 525—2021），分別采用重鉻酸鉀容量法和凱氏定氮法測定［8］；陽離子交換量測定參照《森林土壤陽離子交換量的測定》（LY/T 1243—1999）［9］。

（3）生物指標的測定：種子發(fā)芽指數(shù)按照NY/T 525—2021 中方法測定［8］。稱取鮮樣10.00 g 于250 mL 錐形瓶中，按照液固體積質(zhì)量比10 mL/g 加入去離子水，在25 ℃條件下100 r/min 轉(zhuǎn)速振蕩浸提1.0 h，取下靜置0.5 h后過濾，吸取濾液5 mL 于事先墊有濾紙的培養(yǎng)皿中，再均勻放入10 粒飽滿的蘿卜種子，蓋上培養(yǎng)皿蓋，在（25±2）℃的培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)48 h，統(tǒng)計發(fā)芽粒數(shù)，并用游標卡尺逐一測量主根長。同時以去離子水為對照做空白試驗。種子發(fā)芽指數(shù)=（處理平均發(fā)芽率×處理平均根長）×100%/（對照平均發(fā)芽率×對照平均根長）。

1.5 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法是將堆肥腐熟度分級標準和待評價的樣品視為一個灰色系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)各因素間數(shù)據(jù)的發(fā)展態(tài)勢和相異程度判斷因素間關(guān)聯(lián)或行為的接近程度［10］。參考國內(nèi)外常用的堆肥腐熟度評價指標，并綜合考慮指標測定方法的便捷性和可操作性，本研究以≥50 ℃高溫持續(xù)時間、m（C）/m（N）降低幅度（η）和種子發(fā)芽指數(shù)（GI）組成堆肥產(chǎn)品腐熟度質(zhì)量評價指標體系，設(shè)置4個堆肥腐熟度等級參考標準，并對堆肥降溫期即堆制40、48、56、64 d的堆肥樣品進行評價，堆肥腐熟度評價標準見表2。

表2 堆肥腐熟度評價標準

設(shè)u＝u（i），i為堆肥腐熟度分級標準，取值為0、1、2、3、4；其中i＝0 表示待評價堆肥樣品；i＝1 表示完全腐熟；i＝2 表示較好腐熟；i＝3表示基本腐熟；i＝4表示未腐熟。待評價堆肥樣品序列｛x0（k）｝=｛x0（1），x0（2），x0（3）｝為參考序列；｛xi（k）｝=｛xi（1），xi（2），xi（3）｝為被比較序列，k為評價指標，取1、2、3。

第一步，將各評價指標實測值進行歸一化處理，統(tǒng)一單位；第二步，計算各對應(yīng)點的絕對差值，Δi（k）＝|x0（k）-xi（k）|；第三步，根據(jù)式（1）計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。

式中，ρ為分辨系數(shù)（0～1），通常取0.5。

最后，通過式（2）計算出被比較序列｛xi（k）｝與參考序列｛x0（k）｝的關(guān)聯(lián)度：

通過關(guān)聯(lián)度，可以得出待評價堆肥樣品與各腐熟度標準之間的相似程度，以最大關(guān)聯(lián)度判定該產(chǎn)品腐熟等級，即腐熟度所處級別計算出的γ0i越大，則說明待評價堆肥樣品越接近第i級腐熟標準。

1.6 統(tǒng)計分析

采用Excel 軟件進行數(shù)據(jù)處理和圖表制作，通過SPSS 18.0軟件進行方差等統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥過程中堆體溫度變化

溫度是堆肥狀態(tài)的一種表觀體現(xiàn)，直接影響堆肥進程以及各類微生物代謝活動，溫度高低決定了堆肥速率和堆肥質(zhì)量［11-12］。各處理堆肥過程堆體溫度變化見圖1。從圖1可知，添加蠶沙的4組處理堆肥過程中堆體溫度均高于對照。T1 至T4 處理的堆體溫度大致經(jīng)歷了升溫階段、高溫階段和降溫階段，由此說明添加適當比例的蠶沙作為氮源可有效促進油茶殼腐熟，能加快發(fā)酵進程。T1 至T4 處理溫度上升速率更快，在堆肥前4 d 堆體溫度呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，并進入高溫期（≥50 ℃），在第4天溫度達到最大值，分別為61.6、60.4、52.9、51.6 ℃。在翻堆后T1 至T4 處理由于翻堆供氧補水造成堆體溫度暫時性降低，但不同處理的最高溫度、≥50 ℃高溫持續(xù)時間以及翻堆后溫度回升速率有所差異。T1 和T2 處理因翻堆有機物快速重新分配，微生物活性再次提高，使得堆體溫度再次升高，≥50 ℃的高溫持續(xù)時間分別有17 d 和13 d；而T3 和T4 處理在第一次翻堆后堆體溫度迅速降低至41 ℃左右，直至27～37 d 溫度才再次升高到45～49 ℃，≥50 ℃高溫持續(xù)時間僅有2 d。對照堆肥過程中堆體溫度較低，最高溫度僅為41.1 ℃，始終未進入高溫階段（≥50 ℃）。堆體溫度是微生物與環(huán)境相互作用的結(jié)果，也是影響堆肥達到無害化和穩(wěn)定化的重要指標［13］。通常認為，堆體溫度在55 ℃條件下保持3 d以上或者50 ℃以上保持至少10 d才能達到堆肥無害化的要求［14］。由此可看出，堆體溫度受碳氮質(zhì)量比影響顯著，添加蠶沙且初始碳氮質(zhì)量比在20～25能使油茶殼堆料中的物質(zhì)更快被分解。本試驗T1和T2處理可達到堆肥無害化衛(wèi)生要求，而T3和T4兩組處理均不能有效殺死病菌和害蟲卵。

圖1 堆肥過程中堆體溫度變化

2.2 堆肥過程中pH變化

pH 直接反映堆肥物料中微生物所處的環(huán)境條件，通常初始pH 受到堆肥原料的影響較大。堆肥過程中各處理pH變化見圖2。由圖2可知，CK處理的初始pH呈弱酸性（6.1），而T1至T4處理初始pH（7.2 ～7.7）基本為中性，與微生物生長適宜的pH（中性或弱堿性）要求相符［15］。在整個堆肥過程中各處理的pH 大體上呈現(xiàn)先升高后降低、最后趨于穩(wěn)定的趨勢。通常認為，堆肥pH 變化與氮素轉(zhuǎn)化有密切關(guān)系［16］。堆肥前期，在高溫條件下有機物發(fā)生氨化作用被分解生成銨態(tài)氮使得堆體pH 逐漸升高；之后隨著堆肥的持續(xù)，由于堆體溫度下降，同時不斷翻堆供氧使硝化作用成為主導(dǎo)，產(chǎn)生大量的H+而使pH 下降［17］。T1 至T4 處理的pH 在堆肥40 d達到最大值，分別為8.60、8.69、7.82、7.86，分別較對照處理同期pH 高1.12、1.21、0.52、0.38，之后略有降低并趨于穩(wěn)定。在堆肥結(jié)束時，各處理pH均高于初始值，其中添加蠶沙的4組處理均呈微堿性，對照為中性（pH 7.0），各處理的pH 符合《有機肥料》（NY/T 525—2021）的要求。

圖2 堆肥過程中pH變化

2.3 堆肥過程中碳氮質(zhì)量比的變化

碳氮質(zhì)量比是判斷堆肥腐熟度的重要指標。堆肥過程中各處理碳氮質(zhì)量比變化見圖3。從圖3 可看出，經(jīng)過堆肥處理后所有處理的碳氮質(zhì)量比較堆肥初期均明顯降低，由于CK 處理的初始碳氮質(zhì)量比較高，為119，堆肥前18 d 碳氮質(zhì)量比逐漸降低，但在第25天仍有114，之后隨著有機物分解逐漸降低，在試驗結(jié)束時碳氮質(zhì)量比為75，降低了37%。而添加蠶沙能提高堆料的氮含量、降低碳氮質(zhì)量比，T1 至T4 處理的碳氮質(zhì)量比在前18 d 下降較快，在32 d后趨于穩(wěn)定，堆肥結(jié)束時分別降低至11、14、19 和23，分別降低了45.0%、49.0%、36.7%及34.3%。一般認為碳氮質(zhì)量比降到16 以下更適合田間利用［18］。本試驗中T1、T2 處理中碳氮質(zhì)量比降低幅度均高于對照，由此說明適宜的碳氮質(zhì)量比提高了微生物活性，促進了堆體物料的降解，是影響堆肥腐熟進程的關(guān)鍵因子。

圖3 堆肥過程中碳氮質(zhì)量比的變化

2.4 堆肥過程中陽離子交換量的變化

陽離子交換量以1 kg堆肥樣品代換吸收陽離子的物質(zhì)的量來表示，反映了堆體保持、供應(yīng)養(yǎng)分的能力以及對酸堿的緩沖性能等，能有效反映有機質(zhì)的變化［19］，是評價堆肥腐殖化程度及新形成有機質(zhì)的重要指標，一般隨著腐熟進程逐漸增加［20-21］。堆肥過程中各處理陽離子交換量變化見圖4。由圖4可知，各處理的陽離子交換量隨發(fā)酵進程總體上均呈上升趨勢。CK 處理陽離子交換量在25 d 前變化平緩，在堆制40 d時最低，為43.2 cmol/kg，之后逐漸升高，試驗結(jié)束時陽離子交換量為54.7 cmol/kg，較初始值增加了8.8 cmol/kg；而油茶殼-蠶沙處理組因配比不同初始陽離子交換量有所差異，T1 至T4處理的陽離子交換量初始值分別為55.6、49.8、47.2、45.6 cmol/kg，堆肥結(jié)束時均升高到60 cmol/kg以上，增長率為11.7%～38.6%。

圖4 堆肥過程中陽離子交換量的變化

2.5 堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化

種子發(fā)芽指數(shù)是反映堆肥產(chǎn)品對植物毒性的重要參數(shù)，堆肥過程中各處理種子發(fā)芽指數(shù)變化見圖5。由圖5可知，作為對照的純油茶殼處理其浸提液對種子發(fā)芽無顯著的抑制作用，種子發(fā)芽指數(shù)始終保持在77%以上，原因可能是其溫度在發(fā)酵過程中變化不大，有機物質(zhì)降解少，產(chǎn)生有毒物質(zhì)少。而油茶殼-蠶沙4組處理種子發(fā)芽指數(shù)隨發(fā)酵進程大致經(jīng)歷了先升高后降低的變化趨勢，與吳紅萍等［22］的研究結(jié)果相近。與CK處理相比，油茶殼-蠶沙處理組在堆肥初期種子發(fā)芽指數(shù)有所降低，可能是大量有機物隨堆體溫度升高被分解成高濃度的氨、小分子有機酸及醛類等不完全降解產(chǎn)物，這些物質(zhì)對種子發(fā)芽產(chǎn)生抑制作用，種子發(fā)芽指數(shù)在46%～65%，隨著堆肥時間延長有害氣體揮發(fā)，浸提液生物毒性逐漸減弱，在堆肥32 d時T1至T4處理的種子發(fā)芽指數(shù)均達到最大值，分別為81.5%、102.5%、115.2%和122.2%，堆肥結(jié)束時種子發(fā)芽指數(shù)均相對穩(wěn)定在72%以上，對種子不產(chǎn)生毒害。

圖5 堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化

2.6 堆肥腐熟度綜合評價結(jié)果

本試驗因pH 在整個堆肥過程中變化不大，且基本在堆肥允許范圍內(nèi)，陽離子交換量易受堆肥原材料等多因素影響，所以未將pH 和陽離子交換量列入油茶殼堆肥腐熟度的評價因子中，選取≥50 ℃高溫持續(xù)時間、碳氮質(zhì)量比降低幅度及種子發(fā)芽指數(shù)作為評價指標。5組處理在堆肥后期各指標的實際測量值見表3。由表3可知，對照組（CK）≥50 ℃高溫持續(xù)時間為0，堆肥期間全程未進入高溫期，同時，盡管堆肥40 d 后種子發(fā)芽指數(shù)≥80%、碳氮質(zhì)量比降低幅度在20%以上，但碳氮質(zhì)量比在試驗結(jié)束時仍有75，遠高于堆肥產(chǎn)品應(yīng)滿足碳氮質(zhì)量比≤25的要求，因此，CK處理列為未腐熟。T1至T4處理在堆肥40 d后溫度趨于平穩(wěn)，T1處理≥50 ℃高溫持續(xù)時間最長（17 d），T3 和T4 最短（2 d），各處理碳氮質(zhì)量比降低幅度逐漸升高，種子發(fā)芽指數(shù)在72%以上。

表3 堆肥樣品腐熟度評價指標實測值

將油茶殼-蠶沙4 組處理在堆肥后期不同時間的樣品評價指標實測值與表2的標準值進行歸一化處理后，通過式（1）、式（2）計算堆肥樣品與4級腐熟度標準間的關(guān)聯(lián)度，根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則，對油茶殼-蠶沙組堆肥后期不同時段的綜合評價結(jié)果進行評級，結(jié)果見表4。由表4 可知，經(jīng)過40 d發(fā)酵后，T2 處理與Ⅰ級腐熟的關(guān)聯(lián)度最大，為0.794，達到完全腐熟；而T1 處理在發(fā)酵40、48、56 d 后均與Ⅱ級腐熟的關(guān)聯(lián)度最大，達到較好腐熟，在堆肥結(jié)束（64 d）時才達到完全腐熟；T3和T4處理均未腐熟。

表4 灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果

3 結(jié)論

（1）添加蠶沙調(diào)節(jié)初始碳氮質(zhì)量比在20～25能有效促進油茶殼腐解；添加蠶沙的處理為中性或弱堿性，且最高溫度、≥50 ℃高溫持續(xù)時間及陽離子交換量均高于對照；發(fā)酵后各處理的碳氮質(zhì)量比均有明顯降低，陽離子交換量隨發(fā)酵進程總體呈上升趨勢，堆肥結(jié)束時種子發(fā)芽指數(shù)均在70%以上，對植物生物毒性小。

（2）堆肥40 d 時，T2 處理即達完全腐熟，T1處理達到較好腐熟，64 d 時T1 處理達完全腐熟；而T3、T4和CK處理全程未腐熟。一方面反映了氮源是影響堆肥腐熟進程的重要因素，添加蠶沙等有機氮源作為促進油茶殼快速腐熟的輔料較為理想；另一方面，碳氮質(zhì)量比對微生物的生長代謝起著重要作用。因此，調(diào)節(jié)初始碳氮質(zhì)量比在20～25 有利于油茶殼-蠶沙堆肥較快達到腐熟。