油茶低產林改造剩余物的發酵堆肥技術

張雯琪，李建安，吳玲利，唐潤鈺，王 楠，朱宏達，熊 利，黃志勤

（中南林業科技大學 a.經濟林培育與保護省部共建教育部重點實驗室；b.經濟林育種與栽培國家林業和草原局重點實驗室，湖南 長沙 410004）

油茶Camellia oleifera為山茶屬木本油料植物，是中國主要的木本食用油料樹種，與棕櫚、椰子和油橄欖合稱為世界四大木本油料樹種[1-3]，油茶在我國已有2 300 多年的栽培歷史。湖南作為油茶大省，截至2020年底，全省油茶林總面積為144.1 萬hm2，產油量32.51 萬t，均位列全國首位。

油茶產業是湖南省四大林業產業之一，油茶低產林改造是發展油茶產業的重要舉措，發揮著重要作用。2018年，湖南全省低產林超過86.6 萬hm2，占全省油茶林總面積的64%；2021年，全省完成油茶低產林改造7.2 萬hm2[4]。在低產林改造過程中，林地清理和整形修剪會帶來大量的枝條、樹干、樹葉等剩余物，常規處理方式是就地填埋或焚燒，不僅浪費資源，還對生態環境造成了污染。將剩余物粉碎后經過發酵制備輕型育苗基質，可提高剩余物的利用率，減少對生態環境的污染，還可減少育苗成本。前期研究結果表明，油茶低產林改造剩余物可以用來制備有機肥[5]，為使用油茶低產林改造剩余物制備輕基質提供了可能。

近年來，輕基質育苗技術越來越被廣泛認可，并且在林業生產中被推廣應用。與傳統育苗基質相比，輕基質營養豐富，保水保肥性能好，為根系發育創造了良好的生長環境；輕基質育苗，能有效減少根系在移栽時受到的物理傷害，提高造林成活率[6]；輕基質質量輕，方便長途運輸，能有效降低運輸成本；不同的輕基質混配可起到互補的作用，可調節酸堿度、提高土壤肥力等。目前，用于育苗的輕基質多由珍珠巖、蛭石、泥炭、發酵或者碳化的農林廢棄物等混合而成。農林廢棄物所含營養物質豐富，但其化學性質不穩定，含有較多容易被微生物分解的物質[7]。有關利用油茶低產林改造剩余物發酵堆肥的研究報道較少，僅見關于油茶殼發酵堆肥和油茶餅粕生物發酵的研究報道。在油茶殼發酵堆肥試驗中，楊治華等[8]、羅健[9]、詹孝慈等[10]發現，通過調整發酵物的碳氮比，尿素+微生物菌劑或者復合肥+微生物菌劑能發酵腐熟油茶殼，使油茶殼達到輕基質的標準。在油茶餅粕生物發酵研究中，張暉等[11]通過試驗得出添加黑曲霉能更好地發酵油茶餅粕，使油茶餅粕的養分有效釋放。本試驗中選用尿素、復合肥、發酵雞糞作為氮源，以EM 菌、酵素菌、強興發酵菌劑3 種復合微生物菌劑為發酵菌劑，調整碳氮比分別為25∶1、30∶1、35∶1，通過正交試驗，研究各處理間發酵物理化性質的差異，了解氮源、菌劑、碳氮比對油茶低產林改造剩余物發酵的影響，旨在找出以油茶低產林改造剩余物制備輕基質的最佳方法。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于長沙縣圣恒農業科技有限公司，屬于中亞熱帶季風氣候區，光溫豐富，雨水充沛，空氣濕潤，四季分明。年均溫16 ～23 ℃，年均降雨量1 200 ～1 700 mm。

1.2 試驗材料

1.2.1 發酵外源添加劑

尿素含氮量46%，購于中盈化肥有限公司；復合肥含氮量15%，購于中農集團有限公司；發酵雞糞含氮量1.5%，購于花諾園藝；EM 菌0.5 kg/t，富含乳酸菌、硝化細菌等，每克菌劑的有效活菌數量不少于200 億，購于菜保姆生物科技有限公司；酵素菌3 kg/t，富含米根霉、枯草芽孢桿菌等，每克菌劑的有效活菌數量不少于0.50億，購于大華生物科技有限公司；強興發酵菌劑0.2 kg/t，富含絲狀真菌、芽孢桿菌等，每克菌劑的有效活菌數量不少于200 億，購于強興生物科技有限公司。

1.2.2 低改材料

低改材料由湖南省林業種苗中心提供，是油茶低產林改造環節中產出的剩余物，由油茶枝丫、植株粉碎混合而成，將低改材料過3 目網篩（8 mm 孔徑）。純油茶木屑理化性質為容重0.28 g/cm3、總孔隙度59.62%、持水孔隙度41.08%、通氣孔隙度18.54%、pH 4.84、電導度0.005 7 mS/cm、碳氮質量比119∶1、含水量20%。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計

油茶木屑用量均為138.5 kg，根據碳氮質量比值計算不同氮源的添加量，根據產品說明確定微生物菌劑添加量，共設計9 個處理（表1）。通過比較初始階段、30 ℃階段、50 ℃階段、70 ℃階段、結束階段、第1 次翻堆、完成發酵時9 個處理中發酵物理化性質的差異，得出適合用于油茶低產林改造剩余物發酵的氮源和菌劑。

表1 油茶木屑堆肥試驗處理及其碳氮質量比?Table 1 Composting of C.oleifera sawdust and its C and N mass ratio

1.3.2 試驗步驟

將各處理的木屑、菌劑、氮源稱量好，放入ZF5.5-2 型發酵罐（湖南碧野生物科技有限公司生產）內，將水分質量分數調整至65%（根據純木屑含水量20%，每份處理加入55.4 kg 水）。根據發酵罐設定的發酵程序，前3 h 為升溫階段，后2 h 為高溫發酵階段，當機器將物料攪拌勻后即初始階段（未啟動發酵T0）取1 次樣（400 g），隨后當發酵罐內的物料溫度升至30 ℃（T1）、50 ℃（T2）、70 ℃（T3）和罐內發酵結束（T4）時各取1 次樣（400 g）。發酵罐工作結束后，將發酵好的物料輸出，堆放成1.5 m×1.2 m×0.9 m 的圓錐形堆體，進入發酵后熟階段。每日9:00 和18:00，將LCD-110 型數顯溫度計插入堆體50 cm 深處測物料溫度。堆肥后每10 d 翻堆1 次，至物料不再升溫時完成發酵。在后熟階段第1 次翻堆前（T5）、完成發酵（T6）時各取1 次樣（400 g）。每次均采用“五點取樣法”取樣，風干樣品后測定其理化性質。

1.3.3 理化指標測定

稱取風干好的150 g 發酵物，用粉碎機（規格為200 g）進行2 次粉碎，過20 mm 篩，測定全氮、全磷、全鉀、全碳、有機質的含量，重復3 次。采用飽和浸提法測定pH 和電導率，參照郭世榮[12]的方法測定容重、孔隙度（總孔隙度、持水孔隙度、通氣孔隙度、大小孔隙比），均重復3 次。

1.4 數據分析

使用SPSS 26.0 軟件分析處理數據，使用Excel 軟件繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 發酵過程中物料物理性質的變化

2.1.1 物料溫度的變化

1）在發酵罐內各處理物料的升溫用時。根據發酵罐前3 h 升溫、后2 h 穩定高溫發酵的程序設定，將30 ℃≤t（物料溫度）＜50 ℃劃為第1 階段（Ⅰ），50 ℃≤t＜70 ℃劃為第2 階段（Ⅱ），70 ℃≤t至結束劃為第3 階段（Ⅲ）。發酵罐內物料在各升溫階段的用時如圖1所示。由圖1可見，各處理第1 階段物料升溫用時差異不大，除了C處理和F 處理用時超過1 h，其他處理物料升溫用時在50 min 以內，其中處理I 用時最少，不超過40 min。大部分處理在第2 階段的升溫用時比第1階段長，其中處理C、F、I 用時均超過60 min，處理D 第2 階段升溫用時少，不超過40 min。第3 階段為發酵罐的高溫發酵階段，處理C 和處理F在發酵階段的物料升溫用時最少，處理H 在發酵階段的用時最長，超過了120 min。綜上可以得出，雞糞或尿素與強興發酵菌劑組合能縮短物料在發酵罐內的高溫發酵時長。

圖1 發酵罐內物料在各升溫階段的用時Fig.1 The time of materials in fermentation tank in each heating stage

2）后熟階段各處理物料溫度的變化。后熟階段物料日均溫的變化如圖2所示。由圖2可見，除處理E外，其余處理后熟堆肥階段經過了“升溫—高溫—降溫”3 個過程，并且各處理在堆肥2 ～3 d時溫度有小幅度下降，處理E 則是在堆肥5 d 時溫度降至谷底。這是因為物料從發酵罐內輸出后進行了堆體轉移，相當于進行了1 次翻堆，使得溫度擴散。為了方便比較，堆體溫度的第1 次測定均從物料輸出后的次日早上開始。由圖2可見：C處理的物料在后熟階段能達到60 ℃，而處理E、F 的物料升溫幅度均較小；處理A、B、C 的物料維持30 ℃以上的時長明顯比其他處理長，說明尿素和3 種菌劑組合能有效延緩后熟堆肥時長，使得油茶木屑充分發酵。進行1 次翻堆后，各處理的物料溫度均有不同程度的下降，除了處理D、H、I 的物料不再升溫，其他處理均在翻堆后升溫，堆肥20 d 后各處理的物料溫度均在30 ℃以下，并且第2 次翻堆后不再升溫，完成整個發酵過程。

圖2 后熟階段物料日均溫的變化Fig.2 Change of daily temperature of material during post-ripening stage

2.1.2 物料電導率的變化

發酵過程中物料電導率的變化如圖3所示。由圖3可見，在整個發酵過程中，處理G、H、I 的物料電導率均高于其他處理，說明復合肥作為氮源參與發酵能加劇發酵的程度。處理D、E、F的物料電導率變化不明顯，這可能與雞糞已發酵過1 次有關，與發酵菌劑組合未產生劇烈的反應。到后熟階段第1次翻堆（T5）時，處理A、B、C、G、H、I 的物料電導率均大幅度上升，這是因為堆肥過程中菌劑與氮源組合使得物料中的營養物質被分解釋放，翻堆后微生物的發酵作用逐漸減弱，隨著發酵的完成，電導率逐漸穩定。從圖3可以看出，從罐內發酵結束（T4）到完成發酵（T6）期間，物料的電導率與pH 的變化趨勢相同，均為先上升、后下降、最后趨于穩定。發酵后各處理的物料電導率均比發酵前低，說明發酵物中可溶性物質發生了流失，同時從各處理物料電導率的變化可以看出氮源是影響電導率變化的重要因素。

圖3 發酵過程中物料電導率的變化Fig.3 Changes in the electrical conductivity of materials during fermentation

2.1.3 物料其他物理性質的變化

發酵前后物料其他物理性質的變化見表2。由表2可知，發酵后各處理物料的容重均增大。其中：發酵前后處理E 物料容重的差值最大，為0.17 g/cm3；其次是處理F，為0.14 g/cm3；變化最小的是處理H、I，均為0.01 g/cm3。容重過大會使育苗基質過于緊實，不利于根系生長；容重過小說明育苗基質疏松，一定程度上影響根系的穩定性。根據文獻[12]中的規定，容重為0.2 ～0.5 g/cm3的輕基質更適合用作育苗基質，各處理物料的容重均能達到要求。

表2 發酵前后物料孔隙度和容重的變化Table 2 Changes of porosity and bulk density of materials before and after fermentation

在發酵完成后，各處理物料的持水孔隙度得到提升，處理A 物料的持水孔隙度在發酵前后的變化最大，處理I 的變化最小。發酵完成后物料顆粒度變小，儲水空間增加，保水性能得到改善；相應地，發酵完成后各處理物料的通氣孔隙度減小，用作育苗基質時可以與顆粒度大的基質組合育苗。根據文獻[13]中對林木輕基質孔隙度（總孔隙度大于60%、通氣孔隙度15%～30%、持水孔隙度45%～60%）的要求，發酵后處理A 和處理B 物料的孔隙度最接近標準。其中，在發酵前后處理I 物料孔隙度的變化幅度比其他處理小，說明發酵效果最差，即復合肥和強興發酵菌劑組合的發酵程度不如其他處理劇烈。

發酵后物料物理性質的極差分析結果見表3。由表3可知，氮源對發酵物物理性質變化的影響最明顯，其中尿素和復合肥對發酵物物理性質的影響大于雞糞的影響。

表3 發酵后物料孔隙度和容重的極差分析結果Table 3 Range analysis results of porosity and bulk density of materials after fermentation

2.2 發酵過程中物料化學性質的變化

2.2.1 物料pH 的變化

發酵過程中各處理物料pH 的變化如圖4所示。由圖4可見，發酵后各處理的物料pH 略高于發酵前。發酵前后處理A 的物料pH 差值最大，為2.51；發酵前后處理G、H、I 的物料pH 較其他處理小。處理A、B、C、F 的物料pH 明顯有1 個先降、后升的過程，到后熟階段第1 次翻堆（T5）后各處理的物料pH 均呈上升趨勢，并且上升幅度較大，處理A 的物料pH 達到8.12，完成發酵（T6）后均有小幅度下降，處理A、B、C 的物料pH 穩定在7.60以上；處理D、E、F 的物料pH 穩定在7.60 左右；處理G、H、I 的物料pH 穩定在7.00 左右。

圖4 發酵過程中物料pH 的變化Fig.4 The changes of pH value during the fermentation of C.oleifera sawdust

處理A、B、C 的氮源為尿素，后熟階段氮代謝中尿素被分解為NH3，導致pH 上升，完成發酵后逐漸穩定，呈弱堿性。pH 過高或者過低均不利于有益微生物的活動。文獻[12]中規定林木輕基質pH 在5.0 ～8.0 更適合作為育苗基質，發酵后各處理的物料pH 均能達到要求。使用呈弱堿性的基質培育喜酸植物時，可以和偏酸性的基質（如椰糠）復配。

2.2.2 物料化學成分的變化

發酵前后物料化學成分的變化見表4。由表4可知，發酵后處理A、B、C、G、I 的物料全氮含量增加，其余處理的物料全氮含量均有不同程度的減少，說明不同氮源的用量均對發酵物全氮含量的變化有著一定的影響。處理H 的物料全磷含量變化最大，發酵完成后流失了2.3 g/kg。完成發酵后，除了處理I 的物料全鉀含量有所增加，其余處理的物料全鉀含量均有不同程度的減少，其中處理A 物料鉀的質量分數減少了1.45 g/kg。處理D 的物料有機質含量變化最大，其質量分數比發酵前減少10 個百分點；處理I 的物料有機質含量變化最小，其質量分數比發酵前增加了0.5 個百分點。發酵完成后，處理A 的物料碳氮質量比值降到19.85，達到生物有機肥腐熟的要求（碳氮質量比小于20），發酵效果最好；處理D、E、F 的物料碳氮質量比值普遍高于35，這是因為雞糞氮含量低，不能有效降低碳氮質量比，發酵效果較差。

表4 發酵前后物料化學成分的變化Table 4 The changes in chemical properties of C.oleifera sawdust before and after fermentation

2.2.3 物料化學性質的方差分析

發酵前后物料化學性質的方差分析結果見表5。由表5可知，氮源對發酵物化學成分的變化有顯著影響。

表5 發酵前后物料化學性質的方差分析結果?Table 5 Variance analysis of chemical properties of C.oleifera sawdust before and after fermentation

進一步對不同氮源處理下發酵前后物料的化學性質進行方差分析，結果見表6。由表6可知，在3 種氮源中，尿素對發酵物化學性質變化的影響最大，其次是復合肥，雞糞的影響最小。

表6 不同氮源處理下發酵前后物料化學性質變化的方差分析結果?Table 6 The influence of nitrogen sources on the chemical properties of C.oleifera sawdust after fermentation

3 結論與討論

基于本試驗結果得出，處理A（尿素+EM 菌+碳氮質量比25∶1）是油茶低產林改造剩余物發酵堆肥的最優組合。尿素能腐熟油茶低產林改造剩余物，使其達到林木輕基質的要求；微生物菌劑對油茶低產林改造剩余物發酵前后理化性質的改變影響不大，但與尿素或復合肥搭配能更好地腐熟油茶低產林改造剩余物。從成本考慮，EM 菌較其他2 種菌劑便宜，故選擇EM 菌更合適。發酵前降低發酵物料的碳氮質量比，可以加快腐熟速度。

溫度是評價發酵穩定性的重要指標，溫度的變化反映了發酵過程中微生物活性的變化，當溫度趨近于環境溫度時，表明有機質的分解接近完全，可判定已經達到穩定狀態[14]。堆肥發酵要把控好物料溫度，溫度過高或者過低均影響微生物的活性[15]。物料的發酵包括發酵罐內的高溫發酵和發酵罐外的堆肥后熟2 個階段。在發酵罐內的階段，強興發酵菌劑與部分氮源（雞糞、尿素）組合能使物料更快到達80 ℃左右，結束罐內發酵工作，少于常規用時（5 h），其余處理均耗費5 h 以上。這與尚秀華等[16]得出的不同氮源對稻殼腐熟效果影響的部分結果一致，該試驗中添加有機氮源雞糞處理的物料升溫速度高于添加無機氮源處理。在發酵罐外的堆肥后熟階段，強興發酵菌劑和尿素組合能使物料溫度在短時間內達到60 ℃以上，復合肥或尿素與各種菌劑組合處理中物料均能在50 ℃以上維持一段時間，且無顯著差異。這與羅健[9]得出的不同氮源、菌劑以及碳氮質量比對油茶殼腐熟效果的影響結果不一致，該試驗中添加酵素菌能使油茶殼堆體在短時間內達到高溫，這可能與加入的氮源量以及發酵條件不一致有關。發酵雞糞與EM 菌組合能使物料在50 ℃維持短暫的時間，與酵素菌、強興菌劑組合能使物料大多維持在40 ℃，并且在后熟堆肥階段處理D、E、F的物料發酵完成要早于其他處理。

容重和孔隙度是衡量農林廢棄物發酵效果的重要物理指標，關系到育苗對象根部生長的環境。目前，生產實踐中對基質容重和孔隙度的把控不嚴格，僅依靠經驗選擇基質，未形成科學的標準[14]。本試驗中通過對各處理物料容重和孔隙度的分析，來判斷發酵物物理性狀的優劣。一般來說，容重大，總孔隙度偏小，反之孔隙度偏大。發酵前后各處理物料的容重、總孔隙度、持水孔隙度增大，通氣孔隙度減小，基質變得更加疏松，可以容納更多的空氣和水分，對育苗對象根系的生長起促進作用，這與白永娟[17]、羅健[9]、高軼楠[14]的研究結果一致。根據文獻[13]中的規定，林木育苗輕基質要求容重0.20 ～0.50 g/cm3、總孔隙度大于60%、持水孔隙度45%～60%、通氣孔隙度15%～30%。發酵完成后處理A 的物料能完全達到這個要求，使用其余處理的物料育苗時可以將其與珍珠巖、蛭石混合，增大通氣孔隙，也可以將其與椰糠、稻殼等保水率較好的基質混合，提高保水性能。

pH 和電導率是評價農林廢棄物發酵堆肥效果的重要指標。油茶木屑發酵堆肥過程中，微生物需要適宜的環境降解基質，pH 過高或者過低均會抑制微生物的活動。在發酵罐內階段，各處理基質pH 均呈下降趨勢，但下降幅度不大。在發酵罐外的后熟堆肥階段，各處理基質pH 先升、后降，然后逐漸穩定。隨著堆肥溫度的升高，添加尿素處理的物料中菌群更加活躍，使堆體釋放更多的氨態氮，物料pH 隨之升高。翻堆后物料溫度下降，其pH 也隨之下降且趨于穩定，這與吉春明等[18]在以食用菌菇渣為機插秧育苗基質的堆肥研究中得出的結論一致。完成發酵后，各處理的物料呈弱堿性，這與李國建等[19]得出的堆肥腐熟度指標一致。與發酵初始階段相比，各處理的物料電導率均有所下降，以復合肥為氮源的物料電導率在整個發酵過程中均高于其他處理，這與Herrera 等[20]得出的發酵腐熟后材料的電導率通常較高的研究結果部分一致。根據文獻[13]中的規定，發酵后處理A、B、C、D、E、F 的物料電導率均符合要求，處理G、H、I 的物料電導率高于規定的值，后期可通過添加試劑進行調節。物料電導率和pH 的改變受發酵材料和發酵條件的影響，所以僅能用作判斷發酵程度的必要條件[14]。

碳氮質量比是反映油茶木屑腐熟程度的指標之一。粉碎后的純油茶木屑的碳氮質量比偏高，根據生物有機肥標準[21]，碳氮質量比降至20 ∶1以下時，基質達到腐熟程度。在加入氮源和菌劑并攪拌均勻后的初始階段，各處理物料的碳氮質量比迅速下降，以尿素或復合肥為氮源的物料碳氮質量比的下降幅度大于以發酵雞糞為氮源的處理。由本試驗結果可知，調整碳氮質量比后能加快物料腐熟。發酵前后大部分處理的物料氮含量升高，全碳含量下降，這與Biswas 等[22]的研究結果一致，小部分處理發酵后物料氮含量下降，說明碳氮質量比與氮源及其用量密切相關，處理D、E、F、H 的物料氮含量的降低也可能與氨形成后氮的損失有關[23]。

育苗基質中氮、磷、鉀、有機質的含量影響著植物的生長。發酵完成后各處理物料的營養元素有不同程度的流失。張沛健等[24]經桉樹皮腐熟試驗得出，在堆肥過程中有機廢棄物中營養元素被微生物分解，轉化成能被植物利用的氮、磷、鉀等。從試驗結果得出，添加尿素有利于氮的形成，添加復合肥有利于有機質的形成，添加雞糞有利于磷的形成，這與肖春霞[25]對桉樹渣腐熟發酵的研究結果一致，且該試驗結果還表明，隨著生物對有機物的分解，基質中的磷轉變為植物易吸收的狀態，腐熟完成后物料中磷元素的損失導致其含量降低。發酵后各處理物料的鉀含量均減少，這與張沛健等[24]的研究結果基本一致。根據方差分析結果，可以看出復合肥對物料鉀含量變化的影響大于其他2 種氮源。下一步將通過育苗試驗來檢驗油茶低產林改造剩余物發酵肥替代泥炭的育苗效果。