随着中医药产业迅速发展，中药渣的排放量逐年增加^[1]，中药渣是中药饮片加工、中成药生产等过程中产生的副产物。早期很多中药渣被当作垃圾处理，不仅造成了资源的浪费，还对生态环境造成了极大的污染。近年来，有关中药渣的综合利用越来越多，如生产饲料^[2]、栽培基质培养食用菌^[3]、生产沼气和燃料棒^[4]，制备有机肥等^[5]。

中药渣中经过高温好氧发酵后形成有机肥，其中有机质降解为腐殖质、氮磷钾元素和氨基酸等，能激发土壤释放潜在的养分，有助于提高土壤中微生物丰度和土壤酶活性增加土壤肥力^[6]。不同种类和不同药用部位的中药渣理化性质差异比较大，堆肥化进程也会存在明显差异^[7]。因此，研究以不同种类的中药渣为堆肥原料，进行发酵处理，考察其在堆肥化进程中理化性质的变化规律，明确不同种类中药渣制备有机肥的养分特点，为进一步完善中药渣好氧堆肥的生产制备工艺体系提供理论依据。

1 材料与仪器 1.1 材料

桑枝药渣粒径为10 mm，薄荷药渣粒径为5 mm，紫苏叶药渣粒径为5 mm，复合药渣由不同药用部位的药材饮片组成（药渣比例：肉苁蓉1、白芍1、杜仲1.5、天花粉1.2、丝瓜络2、竹茹1.5、牛膝1、甘草1）。实验所用中药渣均来源于天津中医药大学中药植物园李天祥教授课题组。

细黄链霉菌（Streptomyces microflavus）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）、黑曲霉（Aspergillus niger）、绿色木霉（Trichoderma viride）生产厂家为山东和众生物科技有限公司。

1.2 仪器

WJX-A200高速多功能粉碎机（浙江瑞安市百信药机器械厂）、FA2004电子天平（上海梅特勒-托利多仪器公司）、电热恒温鼓风干燥箱（天津市天宇实验仪器有限公司）、玻璃砂芯坩埚式过滤器（长春市玻璃仪器厂）、电子万用炉（北京市永光明医疗仪器有限公司）、马弗炉（上海一恒科技有限公司）、人工气候箱QHS-250BS-Ⅲ（上海新苗医疗器械制造有限公司）、NT-GF肥料养分测定仪（郑州牛特农业技术有限公司）。

2 方法 2.1 堆肥实验设计

本实验采用静态堆肥箱进行中药渣好氧发酵工艺参数研究。堆肥箱为泡沫材质，长、宽、高约为37 cm×26 cm×21 cm，厚度为3 cm左右，有效容积约为20 L。每个发酵箱添加中药渣质量约为4.0 kg，按照堆体干质量的2.0%接种量投入复合菌剂，复合菌剂的配比为地衣芽孢杆菌10.0%、枯草芽孢杆菌19.7%、细黄链霉菌27.2%、黑曲霉33.1%、绿色木霉10.0%，将各药渣调节碳氮比30∶1，充分混匀，并补水调节初始含水率约为55%左右进行试验。每种堆肥方式设3次平行。

在堆肥发酵期间，每日上午9~11时测定堆体内部10~15 cm处温度，每次测温时，选取堆体4个角及堆体中心共5个点测定，取其平均值。每2 d翻堆一次，翻堆前测量堆体内部温度。堆肥发酵过程中补充水分时需添加与堆体内部温度相同的水，以免影响堆体温度。同时测量环境温度，定时观察发酵物料颜色、气味和体积变化。在堆肥化过程中，当堆体内部温度下降至30~35 ℃并保持温度3 d左右就表示堆肥结束。

2.2 样品采集和项目测定

整个堆肥过程中，每7 d取样1次，取样时间为上午10~11时，取样位置采用五点采样法，每个点采样约100 g，充分混合后采用四分法取样。将堆肥样品分为两份：一份作为湿样，保存于干燥的密封袋内，用于测定含水率等指标；另一份置于室外自然风干，粉碎、过筛即得干样，用于测定全氮、全磷、全钾、有机质及种子发芽率等指标测定。

含水率采用烘干法测定，pH值使用pH酸度计测定，有机质采用灼烧法^[8]测定，湿容重采用重量体积法^[9]测定。

种子发芽指数（GI）测定：使用小白菜种子测定发芽指数。准确称取堆肥样品5.0 g，放置于150 mL锥形瓶中，按料液比（质量/体积）1∶10，加入50 mL蒸馏水浸提样品，放置于摇床振荡30 min，静置一段时间后过滤。在培养皿内平铺两张滤纸，加入浸提液5.0 mL浸润滤纸。每个培养皿均匀播放30粒完整饱满、未发芽的小白菜种子，放置于培养箱中，在25 ℃的环境下避光培养72 h，并用蒸馏水作对照。计算种子发芽指数（GI）：发芽率（%）=（不同药渣堆肥处理的种子发芽数/播放种子总数）×100%，GI（%）=[（不同药渣堆肥处理的种子发芽率×种子总根长）/（对照处理的种子发芽率×种子总根长）]×100%。

堆肥样品中养分含量的测定：1）对照品溶液的配置：准确吸取2.0 mL有机肥标准液到100 mL容量瓶中，蒸馏水定容，摇匀后即得氮、磷标准液。准确吸取0.5 mL有机肥标准液到100 mL容量瓶中，蒸馏水定容，摇匀后即得钾标准液。2）待测样品溶液的制备：准确称取待测样品0.5 000 g（通过40目筛）置于150 mL锥形瓶中，加入少量蒸馏水润湿样品，再加入5.0 mL浓硫酸，将锥形瓶放到通风橱内，滴加10滴左右有机肥消化加速剂，摇匀，然后置电炉上调节温度加热消解。当锥形瓶内壁出现水珠时，继续添加5~6滴有机肥消化加速剂，重复上述操作5~6次，直至样品溶液呈白色或透明，取下放置冷却至室温。将消解完成的样品转移到100 mL容量瓶中，蒸馏水定容至刻度。摇匀后过滤，取滤液2 mL到100 mL容量瓶中，蒸馏水定容，摇匀即得待测液，用于测定全氮、全磷、全钾含量。

2.3 统计学方法

采用SPSS 21.0统计学软件分析数据。每种堆肥方式设3次重复，结果用均数±标准差（x±s）表示，组间比较采用单因素方差分析，P < 0.05为差异有统计学意义。

3 结果与分析 3.1 中药渣原料参数对比

在中药渣堆肥的前期处理中，首先需要检测中药渣的碳氮比、pH和初始含水率等参数来判断中药药渣的理化性质是否满足好氧堆肥发酵的条件。通过测定有机质和全氮的含量，调整中药渣的碳氮比使其满足堆肥要求。由分析表 1数据可知，4种不同种类中药药渣的组分含量有很大差异。4种药渣的pH均在6.0左右，复合菌剂在该pH环境下能够适应并能进行良好的生长繁殖；有机质含量均较高，符合好氧堆肥对发酵原料的要求。桑枝药渣初始的N、P、K含量较其他药渣略低，需添加部分尿素调节碳氮比后才能进行正常的堆肥发酵处理。紫苏叶药渣所含氮含量要比其他药渣较高，可转化为富含氮元素的有机肥。

3.2 温度

温度是判断中药渣堆肥发酵过程是否正常最直观的表征。一般理想的堆肥温度在50~65 ℃之间^[10]，此时微生物的生命活动最为旺盛，有助于促进有机物分解转化。因此，堆肥过程中维持适宜的堆体温度能够加快堆肥化进程，促进堆肥腐熟，通常也将温度作为重要的判定指标。由图 1可以看出，4种药渣的堆肥发酵过程中温度变化趋势相似，整个堆肥发酵阶段可分为3个阶段：升温阶段（温度＜50 ℃）、高温阶段（温度≥50 ℃）、降温阶段。4种药渣的升温期分别为5、3、6和3 d，紫苏叶药渣和复合药渣的升温期很短，在第3天温度就达到50 ℃，分别为54.13 ℃和51.03 ℃；而桑枝药渣和薄荷药渣分别在第5天和第6天达到50 ℃。4种药渣的高温阶段维持时间分别为11、9、5和12 d，最高温度分别为66.20、71.47、58.83和63.73 ℃。堆体温度从堆肥的第10天左右开始下降，20 d左右进入腐熟期，直至与环境温度保持一致，至第35天结束堆肥，发酵结束。

3.3 pH

在堆肥发酵环境中，适合微生物发酵剂繁殖生长的pH值在6.5~7.5范围内，pH值过高或者过低均不利于微生物的生命活动进而影响堆肥化进程和堆肥产品品质^[11]。由图 2中可知，药渣堆肥的初始pH值在5.90~6.37之间，整个堆肥过程中整体呈上升趋势，在前14天左右增长较快，然后开始缓慢下降，堆肥结束时下降到了7.31、6.90、7.58和7.74，4种药渣堆肥结束时比初始pH值分别增加了1.41、0.53、1.50和1.68。

在堆肥过程中pH值的变化主要是由氨化作用和硝化作用引起的。在堆肥升温阶段和高温阶段微生物降解药渣中的有机含氮化合物，将其分解为铵态氮，在高温下产生大量的NH₃，使堆料pH值升高。温度下降后硝化作用会将铵态氮转化为硝态氮，使pH值缓慢下降。

3.4 有机质

中药渣中有机物质含量丰富，通过好氧发酵处理可将中药渣中易降解的有机质转化为稳定的腐殖质^[12]。如图 3所示，4种药渣堆肥过程中整体呈下降趋势。微生物吸收利用堆体中糖类、蛋白质等易降解有机质转化为自身营养成分，因此堆肥初期有机质含量下降较快。通过发酵后，4种药渣有机质含量虽然均有所下降，但是下降量差异明显。4种药渣的有机质含量分别下降了9.83%、8.01%、11.27%和14.84%。在整个堆肥过程中，发酵中期4种药渣有机质含量下降程度较大，表明在高温期大量有机质被降解。

3.5 N、P、K含量

中药渣堆肥中N、P、K养分含量是决定其产品品质的重要指标。由图 4可以看出，本试验中4种药渣堆肥的全N含量整体呈先上升后下降的趋势，堆肥末期较于堆肥初期全N含量均有所下降。薄荷药渣和复合药渣堆肥的全N含量分别下降了6.96%和1.44%。桑枝药渣和紫苏叶药渣的全N含量，分别增加了10.00%和11.33%。

由图 4可以看出，4种药渣在整个堆肥发酵过程中全P含量均呈上升趋势，分别增加了80.00%、18.34%、15.45%和30.68%。

由图 4可以看出，4种药渣在整个堆肥发酵过程中全K含量均有不同程度的增加，分别增加了18.42%、36.54%、64.10%和97.73%。

导致堆肥中全P和全K含量增加的原因可能是由于微生物降解有机质一部分转化为自身营养成分，另一部分分解成CO₂及氨等气体逸出，使堆肥的容重降低，故P、K元素的相对含量增加。

至堆肥结束时，4种药渣的总养分含量分别为5.80%、6.51%、6.22%和5.69%，氮、磷、钾总养分含量均大于5.0%，符合中国农业行业标准NY525-2012《有机肥料》中的规定。如表 2所示，紫苏叶药渣的总养分显著高于其他药渣。

3.6 C/N情况

在堆肥化进程中，C/N常作为判定堆肥腐熟度的评价指标之一。研究表明^[13]，当C/N＜20时，可判定物料堆肥腐熟程度已经达到要求。但是，由于堆肥物料理化性质的差异较大，仅通过碳氮比来判断是否腐熟，并不能适用于所有堆肥材料。因此，有研究表明通过T值来评价不同堆体物料的腐熟度，T=（堆肥结束时C/N比）/（堆肥初始C/N比），当T值小于0.7时，可以判定堆肥已经达到腐熟。

如图 5所示，4种药渣C/N比均呈下降趋势，并与有机质含量的变化趋势有一定关系。桑枝药渣、紫苏叶药渣、薄荷药渣和复合药渣的C/N，分别下降了27.78%、32.78%、39.39%和26.47%。C/N均下降到20以下，T值分别为0.72、0.67、0.61和0.74。

3.7 发芽指数

一般认为^[14]，当GI＞50%时，堆肥产品基本没有毒性，达到基本腐熟，当GI＞80%时，堆肥产品的植物毒性完全消失，达到完全腐熟。由图 6可知，4种药渣堆肥的GI在整个堆肥发酵过程中整体呈上升趋势。堆肥前期桑枝药渣和复合药渣的GI显著高于另外两类，进入堆肥中后期后差距逐渐缩小。堆肥结束时，4种药渣的GI指数分别达到84.29%、90.57%、102.81%和99.21%，其中，薄荷药渣的GI指数显著高于其他3类。

4 讨论

中药渣堆肥过程实质上是有机质的降解过程。根据被微生物降解的难易程度，有机质可分为易降解有机质（糖、淀粉、脂肪、蛋白质）和难降解有机质（半纤维素、纤维素、木质素）。木质纤维素虽不易被微生物分解，但其物理结构好，可吸附NH₃减少氮素损失，常作为堆肥的结构改良剂^[15]。

通过对堆肥过程中温度变化发现，桑枝药渣和复合药渣高温维持时间较长，其次是紫苏叶药渣，最后是薄荷药渣。紫苏叶药渣进入腐熟期的时间要明显的短于其它药渣。桑枝药渣和薄荷药渣由于其初始C/N较高，其高温期要短于复合药渣，与常瑞雪等^[16]结论一致。

通过对堆肥过程中理化性质和生物学指标的研究发现，4种药渣的有机质和C/N均呈下降趋势，紫苏叶药渣、薄荷药渣T值小于0.7。GI均呈上升趋势，4种药渣的发芽指数均在80%以上。4种药渣堆肥的全N含量整体呈先上升后下降的趋势，堆肥末期较于堆肥初期全N含量均有所下降；全P含量均呈上升趋势；全K含量均有不同程度的增加。

综合来看，紫苏叶药渣发酵周期短，在堆肥结束时有机质含量和C/N低，总养分含量显著高于其它药渣，是理想的堆肥原料。

研究以桑枝药渣、薄荷药渣、紫苏叶药渣和复合药渣为堆肥原料，初步探究了不同种类和不同药用部位的中药渣在好氧发酵过程中理化性质和生物学指标的动态变化，从多方面揭示了不同中药渣在堆肥过程中的差异，逐步完善中药渣好氧堆肥的发酵生产工艺，以期对中药渣合理再利用提供参考。好氧发酵中药渣制备有机肥有其独特优势，目前还在初步发展阶段，还需进一步深入研究。