近年来，伴随着中药产业的日益壮大，中药需求量持续递增，中药渣生产量也逐年增长。统计显示，目前中国中药材的种植面积达240万公顷，药材产量约7 000万吨，中药生产过程中每年产生的药渣废弃物高达3 500万吨。但是，目前中药渣并没有统一完善的处理方式体系，主要依靠堆放、焚烧以及填埋进行处理^[1-5]。长久发展下去，不仅导致药渣这一资源的浪费，而且会严重危害环境和生态。因此，合理处理中药渣成为目前中医药行业亟待解决的问题。研究表明，中药渣不仅可以用于制备燃料，也可以被用于制备复合材料、沼气、发酵酒精及造纸，中药渣还可以作为理想的有机肥用于种植等^[6-10]。

查阅相关文献发现，微生物发酵技术可制备有机肥。但是中药渣的成分较为复杂，含有一定的木质素、纤维素等高分子物质，导致其在发酵过程中存在一定的技术难度，这也是目前研究者面临的困境^{[7, 11-12]}。基于上述因素，本研究拟进行单因素实验，考察4种因素对中药渣堆肥发酵效果的影响，确定堆肥发酵条件，筛选、确定发酵菌种和高效分解木质素、纤维素的复合菌组种，通过正交实验，建立高效、快速发酵中药渣制备有机肥的技术生产工艺。

1 材料 1.1 堆肥装置与原料

泡沫箱（内径长×宽×高=36.5 cm×24.0 cm×20.0 cm，厚度为3 cm）；药渣来自天津市静海区中医医院煎药房，药渣包括天花粉、山药、桂枝、白芍、竹茹、辛夷、熟地黄、细辛、远志、肉桂、杜仲、厚朴、甘草、丝瓜络、红花、龙骨、牡蛎、桑螵蛸、土鳖虫、海螵蛸等；玉米芯购于市场。堆肥原料的主要理化性质见表 1。

1.2 主要仪器

流水式中药粉碎机（浙江瑞安市百信药机器械厂）；SB25-12DTD超声波清洗机（宁波新艺生物科技有限公司）；FA2004电子天平（上海梅特勒-托利多仪器公司）；紫外分光光度计UV-6100PCS（上海美普达仪器有限公司）；二列四孔智能水浴锅HH-ZK4（巩义市仪器有限责任公司）；NT-GF肥料养分测定仪（郑州牛特农业技术有限公司）；电热恒温鼓风干燥箱（天津市天宇实验仪器有限公司）；低速台式离心机（北京时代北利离心机有限公司）；G2玻璃砂芯坩埚式过滤器（长春市玻璃仪器厂）。

1.3 主要试剂

有机肥加速剂（郑州牛特农业技术有限公司）、红糖（成都太古糖业有限公司）；奈氏试剂、乙二醇乙醚、十氢化萘、钒钼酸铵试剂、丙酮、硝酸铵、酒石酸钠、氢氧化钾、氯化铵、2，6-二硝基酚、磷酸二氢钾、无水亚硫酸钠、乙二胺四乙酸二钠、偏钒酸铵、四苯硼钠、六水氯化镁、十二烷基硫酸钠、十六烷三甲基溴化铵、四硼酸钠、无水磷酸氢二钠等均为国产分析纯试剂。堆肥所用菌剂均购自山东和众生物科技有限公司。

2 方法 2.1 堆肥方法与药渣的处理

选择间歇式好氧动态堆肥工艺处理中药渣。称取中药废渣质量，使每实验组堆体总质量为5 kg，加入0.5%红糖与药渣均匀混合，为微生物生长提供适宜的条件。每组重复3次，堆肥时间35 d。

2.2 单因素实验 2.2.1 碳氮比对堆肥的影响

使用玉米芯及硝酸铵调节堆体物料的碳氮比分别为20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1。具体工艺为：7 d翻堆1次，含水量调节为55%。

2.2.2 翻堆频率对堆肥的影响

翻堆次数分为不翻堆、4 d翻堆1次、7 d翻堆1次、10 d翻堆1次。具体工艺为：调节碳氮比为30∶1，含水量为55%。

2.2.3 含水量对堆肥的影响

调节堆体含水量，使其分别为50%、55%、60%、65%。具体工艺为：调节碳氮比为30∶1，7 d翻堆1次。

2.2.4 不同菌剂组合对堆肥的影响

前期研究发现，细黄链霉菌、黑曲霉、地衣芽孢杆菌3种菌剂等比例添加发酵效果较好。目前，常用的废弃物发酵菌种分为放线菌∶细黄链霉菌；细菌∶枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌；真菌∶黑曲霉、里氏木霉、绿色木霉。由于中药渣中难降解的成分复杂，且其中纤维素、半纤维素含量远高于木质素，因此，筛选出3种高效发酵菌剂即细黄链霉菌、黑曲霉、地衣芽孢杆菌，设计添加其他废弃物发酵菌种，并增加降解纤维素、半纤维素的真菌和细菌的量配比，即细黄链霉菌∶真菌∶细菌=1∶2∶2。在此基础上，对8种放线菌、细菌、真菌的复合菌剂比例进行考察。添加的菌剂见表 2，调节碳氮比为30∶1，含水量为55%，7 d翻堆1次。

2.3 正交实验设计

本实验以温度、有机质降解率、养分增加量以及木质素和纤维素降解率为评价指标，采用综合加权评分法^[13]考察堆肥效果，使用L₉（3⁴）正交表安排实验，因素与水平见表 3。

w=（y₁/y_1max）×10%+（y₂/y_2max）×15%+（y₃/y_3max）×15%+（y₄/y_4max）×30%+（y₅/y_5max）×30%，式中w为综合评分，y₁为最高温度，y₂为养分增加量，y₃为有机质降解率，y₄为木质素降解率，y₅为纤维素降解率，y_1max、y_2max、y_3max、y_4max、y_5max均为各指标下的最高水平。

2.4 指标测定 2.4.1 取样方法

每隔1周测定1次堆体温度，后使用取样器在堆体固定处（图 1“黑点”位置）取样并混合均匀，四分法选择一部分样品测定水分，烘干剩余样品测定有机质、3种养分（氮、磷、钾）含量、木质素和纤维素含量。

2.4.2 温度测定

每日固定于上午9：00—10：00使用温度计测量堆体温度（图 1标记处），取均值作为堆体当日温度。

2.4.3 有机质降解率的测定

精确称取1.000 g样品（过20目筛）置于灼烧至恒质量的坩埚中，称取质量。将其置于马弗炉，程序升温至500~600 ℃使其完全灰化，冷却干燥后称取质量。由下列公式计算得出样品的有机质降解率。

X=[1-（m₁-m₂）/（m₃-m₂）]×100%；有机质降解率=（X_终-X_初）/X_初×100%。式中X为有机质的含量（%）；m₁为坩埚及灰分总质量（g）；m₂为坩埚质量（g）；m₃为坩埚及样品总质量（g）。

2.4.4 养分增加量的测定

精确称取0.500 1 g样品，蒸馏水润湿，依次加入5 mL浓硫酸和13滴有机肥加速剂，待电炉消解至瓶壁有回流时，迅速滴加加速剂至样液澄清，放置常温后定容至100 mL，即得待测液。氮、磷、钾测定原理分别为奈氏比色法^[14]、钒钼黄比色法^[15]、四苯硼钾比浊法^[16]。由下列公式得到样品养分增加量。

养分增加量=[（氮_终+磷_终+钾_终）-（氮_初+磷_初+钾_初）]/（氮_初+磷_初+钾_初）。

2.4.5 纤维素、木质素降解率的测定

采用范式法——重量法^[17]称取0.200 0 g（W）样品，依次加入20 mL酸性洗涤剂、5滴十氢化萘，瓶口固定漏斗，趁热倒入玻璃坩锅（W₂）中进行抽滤，并用热水冲洗残渣至滤液无泡沫且呈中性。用丙酮冲洗残渣至滤液呈无色，抽净丙酮并烘干称取质量（W₁）。加入3 mL的72%硫酸，在20 ℃消化3 h后过滤，并冲洗至中性，收集滤液。由下列公式计算纤维素含量。残渣烘干后称取质量，将残渣灼烧灰化并称取质量，即可由残渣与灰分质量差值得到木质素含量。

纤维素=（W₁-W₂）/W×100%。

2.5 统计学分析

采用SPSS 23.0软件进行统计分析，实验数据以均数±标准差（x±s）表示，进行正态分布检验和方差齐性检验后，多组间比较采用单因素方差分析（One-Way ANOVA），组间两两比较采用LSD法，P < 0.05为差异有统计学意义。

3 结果与分析 3.1 碳氮比对堆肥的影响

堆肥结束时，各组间的有机质降解率比较，差异有统计学意义（P＜0.05），见表 4。堆肥结束时，20∶1组的养分含量较初始有所降低，可能是因为该条件下的堆体氮素损失严重。40∶1组的堆体温度最高，可能是由于在高碳氮比环境下，微生物为维持正常生长而快速发酵，造成温度迅速升高。30∶1组的堆体温度和养分增加量均较高，且有机质降解率最高，因此综合选定25∶1、30∶1及35∶1的碳氮比作为正交实验的3个水平。

3.2 翻堆频率对堆肥的影响

堆肥结束时，各组的有机质含量均下降，而养分含量均增加，且各组间的有机质降解率和养分增加量比较，差异有统计学意义（P＜0.05），见表 5。不进行翻堆组的温度最高，表明翻堆可以散热，但温度变化不大。7 d翻堆1次的堆体温度、有机质降解率和养分增加量均较高，因此综合选定4、7、10 d的翻堆频率作为正交实验的3个水平。

3.3 含水量对堆肥的影响

堆肥结束时，各组有机质含量均下降，而养分含量均增加，且各组间的有机质降解率和养分增加量比较，差异有统计学意义（P＜0.05），见表 6。55%含水量的堆体有机质降解率较高，且温度和养分含量增加量最高，因此综合选定50%、55%和60%作为正交实验的3个水平。

3.4 不同菌剂组合对堆肥的影响

A、C、D组的温度处于优势地位，C组的有机质降解率和养分增加量最高，且与其他组比较，差异具有统计学意义（P＜0.05），见表 7。因此筛选出中药渣高效降解复合菌种，即细黄链霉菌∶地衣芽孢杆菌∶枯草芽孢杆菌∶黑曲霉∶绿色木霉=1∶1∶1∶1∶1，选定该复合菌种，选择0.5%、1.0%、1.5%的接种量作为正交实验的3个水平。

3.5 正交实验

结果分析表明，最佳的堆肥发酵工艺为A1B3C3D3，即堆体含水量为50%，碳氮比为35∶1，翻堆频率为10 d/次，复合菌剂细黄链霉菌∶地衣芽孢杆菌∶枯草芽孢杆菌∶黑曲霉∶绿色木霉=1∶1∶1∶1∶1的添加比例为1.5%，见表 8。由极差R值及方差结果可知，影响堆肥效果的各因素主次顺序为翻堆频率 > 碳氮比 > 复合菌剂添加量 > 含水量，可能是翻堆为堆料增加了氧气含量，促进微生物生长，进而提高发酵程度。

3.6 小结

研究表明利用间歇动态好氧堆肥处理中药渣具有一定可行性，单因素考察并结合正交实验，结果表明中药渣制作有机肥较优工艺条件为：制备周期35 d，堆体含水量50%，碳氮比35∶1，翻堆频率为10 d/次，最佳菌种及复合菌剂量配比为细黄链霉菌∶细菌（地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌）∶真菌（黑曲霉、绿色木霉）=1∶2∶2，复合菌剂添加量为1.5%，且在该条件下发酵制备有机肥，纤维素降解率达到76.97%，木质素降解率为33.59%，该生产技术工艺可进一步推广生产运用。

4 讨论

堆肥物料最初含水量在50%~60%较为合理，若含水量过高，堆体则基本处于厌氧环境，产生严重异味；过低则无法满足微生物的正常生长^[18-19]。微生物生长主要以有机物作为营养源，堆肥过程中碳元素和氮元素的平衡尤为重要，碳氮比高于40时，氮源缺失导致微生物的分解作用难于进行；低于20时，微生物会将多余的氮转化为氨气，最终造成堆体氮元素的损失。堆体的定期翻堆可为微生物生长和繁殖供氧，还可带走多余的水分，保证堆肥体系的正常发酵^[20]。

温度是评价堆体发酵情况最直接而敏锐的指标^[11]，很多有机物在高温期易被微生物分解，且高温可杀死多种致病微生物。在本研究中，堆体有4次升温期，且第1周的温度最高，利于嗜热菌（适宜温度为55~60 ℃）发挥发酵功能。本研究发现堆体的体积先增大后减小，前期增大的原因可能是堆体升温导致体积膨胀，后降温至稳定，堆体体积逐渐减小至不变。堆肥过程中，物料颜色逐渐变深，由黄褐色逐渐变为黑色至黑褐色，堆肥第1周可能是由于生成了挥发性脂肪酸，从而使堆体出现明显异味，之后随着微生物作用发酵，堆体气味慢慢变淡。堆肥发酵结束后，氮元素有一定损失（由于有机氮的矿化、氨气的挥发和硝酸盐反硝化作用等）。总体氮元素含量下降较多，磷及钾元素的含量相对增加，可能是由于堆肥过程中二氧化碳和氨气的挥发，导致堆体的质量和体积有所下降。

在药渣发酵过程中，主要难点在于中药渣含有大量纤维素、木质素等大分子物质，而微生物释放的酶可降解复杂有机质，其中细黄链霉菌适用于发酵木质素，细菌用于纤维素和半纤维素的降解。在本实验的菌剂组合考察中，发现复合菌剂可以使药渣中的木质素降解率达到35.05%，纤维素降解率可达76.97%，一定程度上解决了中药渣的发酵难题。另外本研究用药渣浸提液培育了小白菜种子，发芽指数大于80%，并且长势与空白对照组差别不大，表明本实验中的药渣有机肥对蔬菜种植是相对安全的。

本研究选用的药渣所含药材品种多，成分较为复杂，对复合菌剂的筛选仍处于初步阶段，未对每一类菌剂的具体添加比例进行较为细化的研究。因此，有待对药渣的组成进行进一步的分析与分类，并针对性地进行深化、探究。