蒋越华，范稚莲，李 鸿，黄海连，时鹏涛，吴 凤，陈 涛，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.广西大学农牧产业发展研究院，广西 南宁 530004；3.梧州职业学院，广西 梧州 543002）

油茶是我国南方特有的木本油料树种，与油橄榄、油棕、椰子并称为世界四大木本油料植物[1]。我国油茶种植历史悠久，主要分布在长江以南地区。油茶产业在促进山区农民增收、改善农村生态环境和维护国家粮油安全等方面作出了重要贡献，已成为当前实施乡村振兴战略的支柱产业。据统计，2020 年我国油茶种植总面积约453 万hm2，年产油茶果达560 万t，茶油产量62.7 万t[2]。油茶壳是油茶果加工茶油产生的副产物，占整个油茶果重量的50%～60%，每年产生的油茶壳将近300 万t。然而这些油茶壳往往被丢弃或者作为燃料燃烧，不仅浪费资源，还污染了环境。研究显示，油茶壳作为一种生物质原料，富含木质素和纤维素以及含有多缩戊糖、茶皂素、黄酮、多酚等活性成分[3]，可作为生物能源或应用在食品工业领域。加大油茶副产物综合利用，对延伸油茶产业链、促进农业绿色可持续发展和实施乡村振兴战略具有积极的社会和经济意义。

近年来，关于油茶壳资源化利用的研究有少量报道，如以油茶壳为原料制备活性炭[4-6]，提取花青素[7]、多糖[8]、黄酮[9-10]以及作为人造板材原材料[11-12]等，但利用量甚少。此外，将油茶壳替代部分杂木屑用于食用菌栽培也是较好的基料化途径[13-14]，而肥料化处理是实现农林废弃物资源化利用中最简单和最有效的方式，施用油茶壳有机肥能有效改善土壤的理化性质以及作物品质[15-16]。目前，对油茶壳的堆肥研究较少，在仅有的油茶壳发酵技术研究中主要添加无机氮源进行发酵，如詹孝慈等[17]主要对比了尿素和硫酸铵2 种氮源对油茶壳的发酵效果；罗健等[18]则通过添加尿素、猪粪及复合肥等3 种氮源进行油茶壳腐熟发酵试验，得出复合肥能有效促进油茶壳腐熟的结论，但也有学者认为添加有机氮源（如动物粪）比无机氮源对农林废弃物腐解效果更佳[19]，而有关油茶壳添加鸡粪进行堆肥及其腐熟度评价鲜见报道。课题组结合广西产业特点，以油茶壳为研究对象，通过添加鸡粪及有机物料腐熟剂对油茶壳进行好氧堆肥处理，探索一套能就地消纳、经济易行的油茶壳肥料化利用技术，并运用灰色关联分析法综合评价不同处理堆肥样品的腐熟程度，以期为油茶壳肥料化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

试验于2022 年5 月4 日至7 月6 日在广西亚热带作物研究所科研大棚内进行。供试材料为油茶果壳，收购于凌云县油茶种植户，晒干后用粉碎机粉碎得到2～3 mm 的颗粒。鉴于油茶壳的C/N（102）超出了最优C/N 的范围（25～35）[20-21]，试验以鸡粪为氮源调节C/N=30，油茶壳与鸡粪的配比为5 ∶2，总用量分别为50 kg 和20 kg，并按堆体质量的0.2%添加有机物料腐熟剂。鸡粪来自广西富凤集团高峰养殖场，有机物料腐熟剂购自北京清大元农生物科技有限公司。原料油茶壳、鸡粪的理化性质见表1。

表1 原辅料的理化指标

1.2 方 法

1.2.1 堆 肥将油茶壳与鸡粪按5 ∶2 的比例混合均匀，加入0.18 kg 有机物料腐熟剂（处理组），对照为纯油茶壳，2 组材料分别加水调节水分含量在55%～65%之间，堆成直径1.2 m、高0.8 m 的圆锥形堆垛。

1.2.2 样品采集与处理试验共堆制64 d，第一周每3 d 翻堆一次，之后每7 d 进行翻堆。翻堆前在距堆体顶部30 cm 和80 cm 深处取不同方位的样并混匀，每次取样量1.5～2 kg。其中一部分鲜样用于测定pH 值、铵态氮、硝态氮、种子发芽指数；另一部分风干后过2 mm 孔径筛网，用于分析有机质（有机碳）和阳离子交换量等。

1.2.3 测定指标与方法（1） 物理指标的测定。堆肥期间每天上午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 值参照程雯等[22]的方法测定。称取风干基质样品5.0 g，按m（样品）∶V（水）=1 ∶5 的比例加入50.0 mL 去离子水，搅拌3 min，静置30 min后过滤，分别用酸度计测定滤液的pH 值。有机质的测定采用重铬酸钾法[23]；阳离子交换量参照LY/T 1243—1999 森林土壤阳离子交换量的测定[24]；硝态氮和铵态氮参考LY/T1228—2015 森林土壤氮的测定 中的酚二磺酸比色法和靛酚蓝比色法[25]。（3）生物指标的测定。种子发芽指数按照NY/T 525—2021 有机肥料 的方法测定[26]。称取鲜样10.00 g 于250 mL 的锥形瓶中，按照固液比1 ∶10 加入去离子水，在25℃条件下100 r/min 振荡浸提1 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，最后统计发芽粒数，并用游标卡尺逐一测量主根长。同时以去离子水做对照，做空白试验。种子发芽指数GI（%）=（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）。

1.3 统计分析

数据采用Excel 软件进行数据处理和图表制作，通过SPSS18.0 软件进行方差等统计分析，利用灰色关联分析法对堆肥腐熟程度进行评价。

灰色关联分析法将堆肥腐熟度分级标准及待评价堆肥样品看作一个灰色系统。u=u(i)，i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。

设待评价堆肥样品序列{x0(k)}={x0(1),x0(2),x0(3),x0(k)} 为参考序列；{xi(k)}={xi(1),xi(2),xi(3),xi(k) }为被比较序列。

首先，归一化处理，统一单位。然后，计算各对应点的绝对差值i(k)= |x0(k)－xi(k) |。其中，i为堆肥腐熟度分级标准，k为评价指标，k取1,2,3，等。关联分析的基本公式是关联系数公式，在评价过程中将关联系数公式表示为：

式中，ρ为分辨系数（0～1），一般取0.5。

通过公式（2）求出被比较序列{xi(k)}与参考序列{x0(k)}之间的关联度：

通过关联度，可以看出待评价堆肥样品与各腐熟度标准之间的相似程度，计算出的γ0i越大，则说明待评价堆肥样品越接近第i级标准。ψ为每个评价指标对应的权重值。最后，可以通过关联度排序，找出其中最大关联度max(γ0i)，从而判定该产品腐熟所属级别。

2 结果与分析

2.1 温度变化

温度是直接影响堆肥进程以及各类微生物代谢活动的重要因素，是堆肥状态的一种表观体现，温度的高低决定了堆肥速度的快慢，直接关系到堆肥腐熟进程和堆肥质量[27-28]。从图1 可看出，对照温度较低，在整个试验阶段温度变化平缓，最高温仅为41.12℃，始终未进入高温阶段（≥50℃）。与对照相比，油茶壳-鸡粪处理的温度上升速率更快，在堆肥期间其变化过程大致可分为升温期（0～1d）、高温期（2～35 d）、降温期（36～40 d）和平稳期（40～64 d），在堆肥前4 天呈现出明显的上升趋势，在堆肥的第2 天温度达到52.5℃，进入高温期（大于50℃），且高温持续时间长达24 d，在第4 天温度达到最大值，为61.4℃。由此说明添加氮源和微生物菌剂能使堆料中的物质更快被分解，从而缩短了堆肥的腐熟进程。

图1 堆肥过程中不同处理的温度变化

2.2 pH 值变化

pH 值直接反映了堆肥物料中微生物所处的生存条件，适宜微生物繁殖和代谢的pH 值呈中性或弱碱性[29]。通常认为，堆肥中含碳有机物产生的有机酸与含氮有机物产生的氨共同作用引起pH 值的变化[30]。

由图2 可知，两组处理的pH 值随堆肥时间的延长均呈现先上升后下降、最后趋于平稳的趋势。对照处理的初始pH 值呈弱酸性（6.12），在堆肥40 d 达到最大值，为7.48，之后逐渐降低至7.04；而油茶壳-鸡粪堆肥处理的初始pH 值为中性（7.02），高于同期对照0.90，随后在氨化作用下被分解的蛋白质生成大量是氨气使堆体的pH 值逐渐升高，在堆肥18 d 时达到最大值，为7.54，之后略有降低并趋于稳定，在堆肥结束时为7.50，较堆肥初期提高了0.48，pH 值符合NY/T 525—2021 的要求。

图2 堆肥过程中pH 值的变化

2.3 C/N 变化

碳氮比是影响堆体腐熟发酵过程的主要因素之一，也是评价堆肥腐熟度的常见参数。理论上在腐熟堆肥产品的C/N 应与微生物菌体的C/N 比相近，即16 左右[31]。通常认为，C/N 从最初的25～35 或者更高降低到20以下，表示堆肥已腐熟[32]。由图3可知，经过堆肥化后2 组处理的C/N 均有明显的降低，但不添加鸡粪和菌剂的对照组初始C/N 较高，为119，在试验期间呈现起伏变化，前18 d C/N 的减少是由于微生物大量利用有机碳并且利用有机碳的速率大于有机氮；之后C/N 回升是因为微生物利用有机氮的速率增加，在发酵后的25 d 对照的C/N 增加至114，之后随着有机物肥分解逐渐降低，在试验结束时C/N 依然较高，为75，降幅为37%。而添加鸡粪能提高堆料的氮含量，降低碳氮比，油茶壳-鸡粪处理的C/N 初始值为29，并在前15 d 降幅较快，在30 d 后趋于稳定，至堆肥结束时C/N 降至12，降幅为58.6%，说明添加鸡粪和有机物料腐熟剂能显著提高堆体微生物活性。

图3 堆肥过程中C/N 的变化

2.4 阳离子交换量的变化

阳离子交换量（CEC）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[33]。由图4 可知，2 组处理的CEC 随发酵进程总体上均呈上升趋势。对照处理的初始CEC 含量高于油茶壳-鸡粪处理，发酵过程中对照组在前40 d 变化平缓，之后缓慢升高，试验结束时CEC 值为54.7 cmol / kg，较初始值增加了8.8 cmol / kg；而油茶壳-鸡粪处理在升温期和高温期变化较大，堆肥第3 天其CEC 含量从25.9 cmol / kg 快速增加到45.7 cmol / kg，与对照相当，在堆肥结束时达到最大，为69.1 cmol / kg，高于对照15.1 cmol / kg，增长率169%。

图4 堆肥过程中阳离子交换量（CEC）的变化

2.5 铵态氮、硝态氮的变化

由图5A 可知，2 组处理的铵态氮（NH4+-N）呈现不同的变化。对照组由于C/N 高，温度上升缓慢，有机物分解速率低，铵态氮在堆肥前期含量接近0，至堆肥17 d 后才有所提高，并呈起伏变化，在第56天达到最大，为176 mg/kg。添加鸡粪和菌剂的油茶壳处理其铵态氮含量初始值远高于对照，为416 mg/kg。由于升温期温度的快速升高，堆料中有机物在氨化作用下大量分解转化成铵态氮，第3 天氨态氮含量达到最大值，达520 mg/kg，随后在高温条件下铵态氮转化为氨气释放到空气中，后期温度逐渐下降，微生物通过硝化作用将铵态氮转化为硝态氮，导致铵态氮持续降低，堆肥结束时铵态氮降到132 mg/kg，较初始阶段减少了68.3%。

图5 堆肥过程中NH4+-N（A）和NO3--N（B）的变化

由图5B 可看出，对照处理（CK）在堆肥过程中硝态氮（NO3--N）含量变化较为平缓，从初期的29.5 mg/kg 变化到末期的57.9 mg/kg，增加了28.4 mg/kg。而油茶壳-鸡粪处理的硝态氮总体上呈逐渐升高趋势，初始值较低，仅有11.9 mg/kg，在堆肥的升温期和高温期变化幅度较小，直至堆肥后期（48 d 后）硝态氮迅速提高，从27.4 mg/kg 提高至堆肥结束时的431 mg/kg，是堆肥初始值的33.2 倍。说明硝化作用主要发生在堆肥后期，同时鸡粪的加入能有效促进硝化细菌的生长，有利于NH4+-N 向NO3--N 的转化。

2.6 GI 的变化

GI 是反映堆肥产品对植物毒性的重要参数。由图6 可知，作为对照的纯油茶壳其浸提液对种子无显著的抑制作用，GI 值始终保持在77%以上。而油茶壳-鸡粪处理组在堆肥初期种子受氨及乙酸等影响对种子抑制作用较大，种子发芽指数较低，仅有18.6%，随着堆肥时间的延长抑制作用逐渐减弱，在堆肥第10 天 GI 达到最大值，为114.5%，随后呈起伏变化，堆肥40 d 前GI 与NH4+-N 含量呈负相关，堆肥结束时种子发芽指数为80.5%。

图6 堆肥过程中GI 的变化

2.7 各处理堆肥腐熟度综合评价

2.7.1 确定评价因子堆肥质量的优劣是由多因素共同作用的结果，难以用单一因素来评价确定[34]。为准确的反映堆肥的腐熟状况，避免单一指标评价带来的片面性和误差，目前较受认可的是从物理、化学、生物等三方面选取多指标对堆肥腐熟度进行评价。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列的发展态势和相异程度进行比较，以判断因素的关联和行为的接近程度[35]。该研究采用灰色关联分析法对堆肥各处理进行多指标的堆肥腐熟度综合评价。

在实际操作过程中对上述所有指标进行检测不仅繁琐费时，而且也不经济。因整个堆肥过程中pH值变化不大，且基本在堆肥允许范围内；铵态氮和硝态氮浓度变化易受温度、pH 值、微生物代谢、通气条件和氮源条件的影响，数据时常与理论相差较大[36]；CEC 是反映有机质变化和堆肥腐殖化程度的重要指标，但CEC 数值易受堆肥原材料等多因素影响，所以该研究不将pH 值、铵态氮、硝态氮和CEC 列入油茶壳堆肥腐熟度的评价因子中。参考国内外常用的堆肥腐熟度评价指标以及综合测定方法的便捷和可操作性，研究以高温持续时间（≥ 50℃高温持续时间）、C/N降幅（C/N）和种子发芽指数（GI）组成油茶壳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，各分级指标见表2。

表2 堆肥腐熟度评价标准

2.7.2 灰色关联分析结果通过试验得出2 组处理在堆肥降温期后不同时间即堆肥40、48、56 以及64 d 时各指标的实际测量值，如表3 所示。由表3可知，对照（CK）组高温持续时间为0，堆肥期间全程未进入高温期，同时，尽管堆肥40 d 后对照的种子发芽指数（GI）≥80%、C/N 降幅在20%以上，但C/N 在试验结束时仍有75，远高于评价前堆肥产品应满足C/N ≤25 的要求[35]，因此，对照列为未腐熟。油茶壳-鸡粪处理在堆肥40 d后温度趋于平稳，高温持续时间为24 d，C/N 降幅和GI 呈现先升高后稳定的趋势。将油茶壳-鸡粪处理组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，通过公式（1）和（2）计算得到不同时期堆肥物料与腐熟度评价标准间的关联度分析结果，根据最大关联度原则，对油茶壳-鸡粪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，油茶壳-鸡粪处理组与Ⅱ级腐熟的关联度最大，为0.750，达到较好腐熟；48、56 及64 d 的堆肥物料与Ⅰ级腐熟最大关联度分别为0.776、0.736 和0.798，达到完全腐熟。

表3 堆肥样品腐熟度评价指标实测值

表4 灰色关联度计算结果

3 讨论与结论

堆肥化处理是实现农林废弃物资源化利用的主要方式之一。经过堆肥发酵腐熟的有机肥施入农田，可有效提高土壤有机质含量，从而提高土壤肥力。堆肥的本质是微生物在有氧条件下对有机质进行分解的过程。因此，微生物的活动决定着有机物降解的速度和堆肥的质量。由于农林废弃物木质素和纤维素含量较高，C/N 较大，自然降解周期时间长，通过添加氮源和菌剂来促进堆肥腐熟进程。研究表明，添加外源微生物扩大了堆体微生物的种类和数量，加速了堆肥的快速升温，进一步加剧有机物的降解，促进堆肥物料腐熟[37]。试验中，对照温度变化平缓，而添加鸡粪和菌剂的油茶壳堆肥处理经历了升温阶段、高温阶段和降温阶段，且在第2 天就进入高温期（≥50℃），且高温持续时间为24 d，远高于对照处理，由此说明添加鸡粪和菌剂能有效促进油茶壳腐熟，缩短发酵进程，与尚秀华等[19]的研究结果一致。在堆肥发酵过程每隔几天出现突然降温而后又升温的“V”形现象，这是由于翻堆供氧补水造成堆体温度暂时性降低，随着翻堆的进行，微生物分解有机物重新分配，堆肥过程中产生的有毒物质挥发，微生物活性再次提高，温度回升。发酵 40 d 后，有机物不断被消耗，堆体温度降到45℃以下，进入后熟阶段。

堆肥pH 值变化与氮素转化有密切关系。试验中2 组处理的pH 值在堆肥过程中均呈现先升高后降低的变化趋势。在堆肥前期，堆肥过程中大量的有机酸被分解以及随着温度的升高，氨化作用使堆肥中铵态氮含量的增加，导致pH 值逐渐升高，随着堆肥的持续由于堆体温度下降，氨挥发减弱，铵态氮含量逐渐减少，同时不断翻堆使硝化作用成为主导，产生大量的H+而导致pH 值下降[38]。研究自然降解的对照处理其pH 值在6～7 之间，添加鸡粪的油茶壳堆料在整个发酵过程中pH 值基本保持在7.0 以上，微生物代谢活动剧烈，在氨化作用和硝化作用下堆体铵态氮和硝态氮也发生了显著变化：铵态氮先升高后降低，而高温抑制了硝化细菌的生长，因此硝态氮在高温阶段的含量极低，而降温期硝化细菌快速繁殖使得硝态氮含量迅速提高。

高温有利于难降解有机物如纤维素、木质素的降解，并能消灭病原菌等有害物质，CEC 能反映有机质的降解程度。试验中油茶壳-鸡粪处理和对照的CEC 均随堆肥的进行而逐渐增加，但油茶壳-鸡粪处理中有机质和C/N 的降低速率均高于对照。种子发芽指数可间接表征堆肥的生物毒性。在整个堆肥过程中，作为对照的纯油茶壳处理其GI 均在77%以上，原因可能是其温度在发酵过程变化不大，有机物质降解少，所以有毒物质产量少。而油茶壳-鸡粪处理的GI 大致经历了先升高后降低再升高的起伏变化，这可能是对种子产生抑制作用的生物毒素主要来源于堆肥中高浓度的氨、小分子有机酸及醛类等不完全降解产物，堆体温度的升高，大量有机物被分解引起毒性物质浓度的增加，导致GI 下降，随着堆肥的进行，氨挥发使生物毒性逐渐减弱，在堆肥第10 天 GI 达到最大，之后有所降低，与吴红萍等[39]的研究结果相似。

综合试验选取的温度（≥50℃高温持续时间）、C/N 降幅及GI 等指标来看，经过40 d 发酵，油茶壳-鸡粪堆肥达到较好腐熟，48 d 后达到完全腐熟；而对照全程未腐熟，其C/N 始终较高且温度变化平缓，一方面反映了氮源是影响堆肥腐熟进程的重要因素，添加鸡粪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，碳氮比对微生物的生长代谢起着重要的作用，调节初始碳氮比在30 有利于微生物代谢从而加速堆肥的腐熟进程。