堆肥腐熟机理研究进展

摘要：综述堆肥过程中堆体温度、碳氮循环过程、矿质化和腐殖化过程、生物酶活性、微生物活动和主要营养成分的变化，总结目前微生物处理促腐技术研究，并提出需要进一步研究的问题。
关键词：有机物料；堆肥；腐熟；研究进展
随着工农业的发展，各种有机废弃物资源大量产生。据统计，我国每年人粪便、畜禽粪便排放量就达6.2亿t，农作物秸秆产生量为6.5亿t，饼粕类0.25亿t，城市垃圾废弃物和污泥产生量达4.35亿t[1]。其中农业秸秆和畜禽粪便以及其他有机废弃物中含有大量有机质和养分，据估算可提供氮素(N)470～550万t，磷素(P2O5)280～310万t，钾素(K2O)560～590t，有机质6亿t，同时还含有大量的微量元素[2]。这些有机物料经过处理，不仅解决了环境问题，还可为农业发展提供充足的有机肥源。但必须在微生物作用下通过发酵使有机废弃物中的病原菌无害化，有机物腐殖化、稳定化、最终达到腐熟，成为农业生产宝贵的有机肥料。
1有机肥料腐熟的必要性
农业生产中常用的有机肥料有人畜禽粪便、秸秆、绿肥、坑塘污泥、城市生活垃圾和一些固体有机废弃物[3]。未腐熟的有机肥料施入土壤，由于其中的有机质没有充分地分解、矿化，对农作物生长产生一些不利影响，如阻碍农作物对氮的吸收[4]，在植物根区形成厌氧条件及增加土壤中某些重金属离子的溶解性[5-7]。它们在土壤中的继续腐解过程中产生的中间代谢产物如有机酸、硫化氢、氨等有害成分，对作物根系造成伤害。而且这些未腐熟的有机肥料中常含有大量的病原菌、虫卵和杂草种子，施用后会带来病虫草害的大量蔓延。
2堆肥腐熟机理
2.1堆肥腐熟过程中的物理和生物化学变化
2.1.1堆温变化。堆肥化处理是有机肥腐熟的主要方式。堆肥处理过程中在微生物的作用下发生了一系列复杂的生物化学变化，从而使有机肥料达到腐熟的目的。对于堆肥系统而言，温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素[8]。一般研究认为，堆肥化过程中堆体温度变化主要有3个阶段，分别为升温阶段、高温阶段和冷却后熟阶段。但不同的堆体材料各个阶段所需时间不同。用木屑作为调理剂进行猪粪堆肥处理，在3～7d堆体温度升至70℃左右，50℃以上高温阶段持续30～40d后温度降至40℃以下[9]。将新鲜鸡粪、牛粪、糠醛渣和蘑菇渣按一定比例进行堆肥处理，2d后堆温迅速上升至50℃以上，维持15d左右温度迅速下降[10]。城市生活垃圾在发酵1d后堆体温度便达到50℃，5d后达60℃以上并维持了24d，之后温度开始下降[11]。城市污泥与稻草混合堆肥，3d堆肥温度达55℃，之后最高达73℃，维持50℃以上高温时间约20d左右[12]。高温阶段是堆肥化处理的关键阶段，大部分有机物在此过程中氧化分解，堆肥物料中几乎所有的病原微生物在此过程中被杀死而达到稳定化。此阶段温度过低，有机物的分解速度减慢；温度过高(>75℃)，微生物活性几乎全部受到抑制。研究表明，堆肥过程中微生物活性与堆温密切相关，二者之间存在着如下关系[13]：K_T=K₂₀×θ(T-20)(KT、K20分别表示温度为T、20℃时的呼吸速率，θ为常数)。研究认为，堆肥的最适宜温度在50～60℃，也有认为，城市固体废弃物堆肥的最适宜温度为65～70℃[14]。
2.1.2碳氮循环。堆肥过程实质上是一个在碳氮循环中形成腐殖质的过程。堆肥材料中碳素物质主要用于为微生物活动提供碳源，而氮素转化则主要是微生物过程的结果，因此在堆肥腐熟过程中碳、氮含量发生了较大的变化。碳氮变化是堆肥腐熟过程中的基本特征之一。堆肥腐熟过程中，堆肥材料中的有机物质被微生物分解为二氧化碳和水挥发至空气中，因此堆肥过程中碳素含量减少[15]。朴哲等研究表明，在堆肥化处理过程中，CO2产生量呈明显的下降趋势，并在堆制前35d内迅速下降，之后保持缓慢下降[16]。畜禽粪便高温堆肥过程中，全碳含量由堆制前的149.17g/kg下降至堆制后的117.18g/kg。猪粪堆肥结束后，水溶性有机碳含量较堆肥前减少了50%～70%。大多数研究表明，有机物料在腐熟过程中氮素均有一定的损失，但各组成成分变化不尽一致。城市生活垃圾在堆肥结束时，全氮含量较堆肥前下降了30.10%，其中氨基酸态氮含量下降了47.80%，酰胺态氮和氨基糖态氮在堆肥前期呈增加趋势，后期有所下降，但整体较堆肥前有所增加；在堆肥过程中，随着有机物质的分解，腐殖酸态氮增加[17]。牛俊玲等研究表明，城市垃圾在堆肥过程中，氮素的损失主要发生在堆肥前15d内。将新鲜鸡粪和牛粪进行混合堆制，堆体全氮含量也呈下降趋势，但速效氮含量增加。鸡粪单独堆制过程中，铵态氮含量先迅速升高后下降，总过程含量下降了34.32%[18]。堆肥前期铵态氮含量上升的原因是微生物活动对有机物降解产生大量游离态的NH3，后期下降是由于硝化作用增强及NH3的挥发损失双重作用的结果。在堆肥后期由于硝化作用，硝态氮含量开始不断升高[19-20]。关于氮素在堆肥过程中的变化规律，也有研究与上述研究结果相悖。黄国锋等研究认为，猪粪、木屑和树叶混合堆肥后，总氮含量由1.78%上升到2.11%。将鸡粪、牛粪、猪粪与锯末、麦秸等进行混合堆制，全氮含量也呈上升趋势[21-22]。这可能是由于堆肥材料中加入了树叶、锯末等辅料，总干物重的下降幅度明显大于全氮含量下降幅度。碳氮比被认为是衡量堆肥腐熟的重要指标之一[23-25]。由于在有机肥堆腐熟过程中碳、氮含量均发生了较大的变化，因此堆肥材料C/N比值也有不同程度的变化。多数研究认为，堆肥过程中部分氮素以NH3形式挥发出去[26]，造成氮素的损失，同时由于微生物的活动消耗了大量的有机碳源，并以CO2的形式损失掉，造成碳素含量的下降。但是前者的下降幅度大于后者。因此，堆肥过程中堆肥材料C/N比值呈下降趋势。李吉进等对畜禽粪便堆肥过程中的碳、氮变化进行了研究，结果表明，堆肥过程中碳素含量下降了21.3%，而氮素下降了15.1%。不同堆肥材料C/N比值下降速度和幅度不同。鸡粪和猪粪处理的C/N比值下降速度明显快于牛粪处理。鸡粪、牛粪和一定比例的填充料混合堆制，C/N比值由堆制前的12.6下降至堆制后的12.0，而鸡粪单独与玉米秸秆堆制，C/N比值由14.95下降至9.43[18]，而城市生活垃圾在堆肥过程中C/N比值由23下降到15左右。由于不同原材料C/N比值及堆肥过程中C/N比值下降幅度不同，因此C/N比值作为判断堆肥腐熟的指标上争议较多。