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一、概述
任何一種合格優(yōu)質(zhì)的有機肥料的生產(chǎn)都必須經(jīng)過堆肥發(fā)酵過程。
堆肥是在一定條件下通過微生物的作用，使有機物不斷被降解和穩(wěn)定，并產(chǎn)出一種適宜于土地利用的產(chǎn)品的過程。
堆肥這種古老而簡便的處理有機廢棄物和制造肥料的方法，隨著研究的深入和方法的改進，其應(yīng)用很受各個國家的重視，因為它有很好的生態(tài)意義，也為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來效益。有許多報道指出，用腐熟堆肥制備種子苗床能抑制土傳病害。并且在堆肥過程的高溫階段過后接踵而來的拮抗性細菌，可使菌數(shù)達到很高水平；堆肥過程中各有機物在微生物作用下，達到不易分解、穩(wěn)定、作物易吸收狀態(tài)；同時微生物作用在一定范圍內(nèi)減少重金屬毒害作用?？梢姡逊适侵圃焐镉袡C肥的簡便而有效的方法，有益于生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
我國國內(nèi)大多數(shù)有機肥料產(chǎn)品只堆肥發(fā)酵15-20天，這樣的產(chǎn)品只能達到無害化標(biāo)準(zhǔn)。而優(yōu)質(zhì)的有機肥料堆肥發(fā)酵過程一般需要45-60天的時間。這是因為在堆肥前期的升溫階段以及高溫階段會殺死植物致病病原菌、蟲卵、雜草籽等有害微生物，但此過程中微生物的主要作用是新陳代謝、繁殖，而只產(chǎn)生很少量的代謝產(chǎn)物，并且這些代謝產(chǎn)物不穩(wěn)定也不易被植物吸收。到后期的降溫期，微生物才會進行有機物的腐殖質(zhì)化，并在此過程中產(chǎn)生大量有益于植物生長吸收的代謝產(chǎn)物，這個過程需要45-60天。經(jīng)此過程的堆肥可以達到三個目的，一是無害化；二是腐殖質(zhì)化；三是大量微生物代謝產(chǎn)物如各種抗生素、蛋白類物質(zhì)等。
堆肥為什么產(chǎn)生這樣的效果呢？下面我們對堆肥原理進行比較詳盡的介紹。
二、有機肥發(fā)酵原理
?。ㄒ唬┒逊蔬^程中有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化
堆肥中的有機質(zhì)在微生物作用下進行復(fù)雜的轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化可歸納為兩個過程：一個是有機質(zhì)的礦質(zhì)化過程，即把復(fù)雜的有機質(zhì)分解成為簡單的物質(zhì)，最后生成二氧化碳、水和礦質(zhì)養(yǎng)分等；另一個是有機質(zhì)的腐殖化過程，即有機質(zhì)經(jīng)分解再合成，生成更復(fù)雜的特殊有機質(zhì)-腐殖質(zhì)。兩個過程是同時進行的，但方向相反，在不同條件下，各自進行的強度有明顯的差別。
1.有機質(zhì)的礦化作用
?、挪缓袡C物的分解：多糖化合物（淀粉、纖維素、半纖維素）首先在微生物分泌的水解酶的作用下，水解成單糖。葡萄糖在通氣良好的條件下分解迅速，酒精、醋酸、草酸等中間產(chǎn)物不易積累，最終形成CO2和H2O，同時放出大量熱能。如果通氣不良，在嫌氣微生物作用下，單糖分解緩慢，產(chǎn)生熱量少，并積累一些中間產(chǎn)物-有機酸。在極嫌氣微生物條件下，還會生成CH4、H2等還原態(tài)物質(zhì)。
?、坪袡C物的分解：堆肥中的含氮有機物包括蛋白質(zhì)、氨基酸、生物堿、腐殖質(zhì)等。除腐殖質(zhì)外，大部分容易被分解。例如蛋白質(zhì)，在微生物分泌的蛋白酶作用下，逐級降解，產(chǎn)生各種氨基酸，再經(jīng)氨化作用、硝化作用而分別形成銨鹽、硝酸鹽，可以被植物吸收利用。
?、呛子袡C物的轉(zhuǎn)化：堆肥中的含磷有機化合物，在多種腐生性微生物的作用下，形成磷酸，成為植物能夠吸收利用的養(yǎng)分。
?、群蛴袡C物的轉(zhuǎn)化：堆肥中含硫有機物，經(jīng)微生物的作用生成硫化氫。硫化氫在嫌氣環(huán)境中易積累，對植物和微生物會發(fā)生毒害。但在通氣良好的條件下，硫化氫在硫細菌的作用下氧化成硫酸，并和堆肥中的鹽基作用形成硫酸鹽，不僅消除了硫化氫的毒害，并成為植物能吸收的硫素養(yǎng)料。在通氣不良的情況下，發(fā)生反硫化作用，使硫酸轉(zhuǎn)變?yōu)镠2S散失，并對植物產(chǎn)生毒害。堆肥發(fā)酵過程中，可以通過定時翻倒措施改善堆肥的通氣性，就能消除反硫化作用。
?、芍惣胺枷泐愑袡C物的轉(zhuǎn)化：單寧、樹脂等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分解較慢，其最終產(chǎn)物也是CO2和水；木質(zhì)素是含植物性原料（如樹皮、木屑等）堆肥中特別穩(wěn)定的有機化合物，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含芳香核，并以多聚形式存在于植物組織中，極難分解。在通氣良好的條件下，主要通過真菌、放線菌的作用，緩慢地進行分解，其芳香核可變?yōu)轷突衔?，它是再合成腐殖質(zhì)的原料之一。當(dāng)然，這些物質(zhì)在一定條件下，還會繼續(xù)被分解的。
綜上所述，堆肥有機質(zhì)的礦質(zhì)化，可為作物和微生物提供速效養(yǎng)分，為微生物活動提供能源，并為堆肥有機質(zhì)的腐殖化準(zhǔn)備基本原料。堆肥以好氣性微生物活動為主時，有機質(zhì)迅速礦化生成較多的二氧化碳、水及其它養(yǎng)分物質(zhì)，分解速度快而徹底，并放出大量熱能；以嫌氣性微生物活動為主時，有機質(zhì)的分解速度慢，且往往不徹底，釋放熱能少，其分解產(chǎn)物除植物養(yǎng)分外，尚易積累有機酸及CH4、H2S、PH3、H2等還原性物質(zhì)，當(dāng)其達到一定程度時，則對作物生長不利甚至有害。因此堆肥發(fā)酵期間的翻倒也是為了轉(zhuǎn)換微生物活動類型，以消除有害物質(zhì)。
2.有機質(zhì)的腐殖化過程
關(guān)于腐殖質(zhì)的形成過程有很多種說法，概括起來大體可分為兩個階段：第一階段，有機殘體分解形成組成腐殖質(zhì)分子的原始材料，如多元酚、含氮有機物（氨基酸、肽等）等；第二階段，先由微生物分泌的多酚氧化酶將多酚氧化成醌，然后醌與氨基酸或肽縮合而成腐殖質(zhì)單體。由于酚、醌、氨基酸種類很多，相互縮合的方式也不盡相同，因而形成的腐殖質(zhì)單體也就多種多樣。在不同條件下，這些單體又進一步縮合形成大小不等的分子。
?。ǘ┒逊蔬^程中重金屬的的轉(zhuǎn)化
城市污泥中含有豐富的作物生長所需的各種養(yǎng)分及有機質(zhì)，是堆肥發(fā)酵最佳原材料之一。但城市污泥中往往含有重金屬，這些重金屬一般指汞、鉻、鎘、鉛、砷等。微生物特別是細菌、真菌在重金屬的生物轉(zhuǎn)化中起重要作用。雖然有些微生物可以改變重金屬在環(huán)境中的存在狀態(tài)，使化學(xué)物毒性增強而引起嚴(yán)重的環(huán)境問題或濃縮重金屬，并通過食物鏈積累。但也有些微生物可以通過直接和間接的作用去除環(huán)境中重金屬，有助于改善環(huán)境。如最早受到關(guān)注的造成環(huán)境污染的重金屬-汞，微生物轉(zhuǎn)化汞包括3方面，無機汞（Hg2+）的甲基化、無機汞（Hg2+）還原成Hg0，甲基汞和其他有機汞化合物的裂解并還原成Hg0。這些能將無機汞和有機汞轉(zhuǎn)化為單質(zhì)汞的微生物稱為抗汞微生物。微生物雖然不能降解重金屬，但通過對重金屬的轉(zhuǎn)化作用，控制其轉(zhuǎn)化途徑，可以達到減輕毒性的作用。
?。ㄈ┒逊拾l(fā)酵工藝
堆肥實際就是廢棄物穩(wěn)定化的一種形式，但它需要特殊的濕度、通氣條件和微生物以產(chǎn)生適宜的溫度。一般認為這個溫度要高于45℃，保持這種高溫可以使病原菌失活，并殺死雜草種子。在合理堆肥后殘留的有機物分解率較低、相對穩(wěn)定并易于被植物吸收。堆肥后臭味可以大大降低。
堆肥過程有許多不同種類的微生物參與。由于原料和條件的變化，各種微生物的數(shù)量也在不斷發(fā)生變化，所以堆肥過程中沒有任何微生物始終占據(jù)主導(dǎo)地位。每一個環(huán)境都有其特定的微生物菌群，微生物的多樣性使得堆肥在外部條件出現(xiàn)變化的情況下仍可避免系統(tǒng)崩潰。
堆肥過程主要靠微生物的作用進行，微生物是堆肥發(fā)酵的主體。參與堆肥的微生物有兩個來源：一是有機廢棄物里面原有的大量微生物；另一是人工加入的微生物接種劑。這些菌種在一定條件下對某些有機廢物具有較強的分解能力，具有活性強、繁殖快、分解有機物迅速等特點，能加速堆肥反應(yīng)的進程，縮短堆肥反應(yīng)的時間。
堆肥一般分為好氧堆肥和厭氧堆肥兩種。好氧堆肥是在有氧情況下的有機物料分解過程，其代謝產(chǎn)物主要是二氧化碳、水和熱；厭氧堆肥是在無氧條件下有機物料的分解過程，厭氧分解最后的代謝產(chǎn)物是甲烷、二氧化碳和許多低分子量的中間產(chǎn)物，如有機酸等。
參與堆肥過程的主要微生物種類是細菌、真菌以及放線菌。這3種微生物都有中溫菌和高溫菌。
堆肥過程中微生物的種群隨溫度的變化發(fā)生如下的交替變化：低、中溫菌群為主轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈邷鼐簽橹鳎懈邷鼐簽橹鬓D(zhuǎn)化為中低溫菌群。隨著堆肥時間的延長，細菌逐漸減少，放線菌逐漸增多，霉菌和酵母菌在堆肥的末期顯著減少。
有機堆肥的發(fā)酵過程簡單可分為以下4各階段：
?、虐l(fā)熱階段：堆肥制作初期，堆肥中的微生物以中溫、好氣性的種類為主，最常見的是無芽孢細菌、芽孢細菌和霉菌。它們啟動堆肥的發(fā)酵過程，在好氣性條件下旺盛分解易分解有機物質(zhì)（如簡單糖類、淀粉、蛋白質(zhì)等），產(chǎn)生大量的熱，不斷提高堆肥溫度，從20℃左右上升至40℃，稱為發(fā)熱階段，或中溫階段。
?、聘邷仉A段：隨著溫度的提高，好熱性的微生物逐漸取代中溫性的種類而起主導(dǎo)作用，溫度持續(xù)上升，一般在幾天之內(nèi)即達50℃以上，進入高溫階段。在高溫階段，好熱放線菌和好熱真菌成為主要種類。它們對堆肥中復(fù)雜的有機物質(zhì)（如纖維素、半纖維素、果膠物質(zhì)等）進行強烈分解，熱量積累，堆肥溫度上升至60-70℃，甚至可高達80℃.隨即大多數(shù)好熱性微生物也大量死亡或進入休眠狀態(tài)（20d以上），這對加快堆肥的腐熟有很重要的作用。堆肥不當(dāng)?shù)亩逊?，只有很短的高溫期，或者根本達不到高溫，因而腐熟很慢，在半年或者更長時期內(nèi)還達不到半腐熟狀態(tài)。
?、墙禍仉A段：當(dāng)高溫階段持續(xù)一定時間后，纖維素、半纖維素、果膠物質(zhì)大部分已被分解，剩下很難分解的復(fù)雜成分（如木質(zhì)素）和新形成的腐殖質(zhì)，微生物的活動減弱，溫度逐漸下降。當(dāng)溫度下降到40℃以下時，中溫性微生物又成為優(yōu)勢種類
如果降溫階段來的早，表明堆制條件不夠理想，植物性物質(zhì)分解不充分。這時可以翻堆，將堆積材料拌勻，使之產(chǎn)生第二次發(fā)熱、升溫，以促進堆肥的腐熟。
?、雀毂７孰A段：堆肥腐熟后，體積縮小，堆溫下降至稍高于氣溫，這時應(yīng)將堆肥壓緊，造成厭氣狀態(tài)，使有機質(zhì)礦化作用減弱，以利于保肥。
簡而言之，有機堆肥的發(fā)酵過程實際上就是各種微生物新陳代謝、繁殖的過程。微生物的新陳代謝過程即有機物分解的過程。有機物分解必然會產(chǎn)生能量，這些能量推動了堆肥化進程，使溫度升高，同時還可干燥濕基質(zhì)。
許多堆肥用的基質(zhì)攜帶人類、動植物的病原體，以及令人討厭的生物如雜草種子。在堆肥過程中，通過短時間的持續(xù)升溫，可以有效地控制這些生物的生長。因此，高溫堆肥的一個主要優(yōu)勢就是能夠使人和動植物病原體以及種子失活。
病原體以及種子失活是由于其細胞死亡，而細胞的死亡很大程度上基于酶的熱失活。在適宜的溫度下，酶的失活是可逆的，但在高溫下是不可逆的。在一個很小的溫度范圍內(nèi)酶的活性部分將迅速降低。如沒有酶的作用，細胞就會失去功能，然后死亡。只有少數(shù)幾種酶能夠經(jīng)受住長時間的高溫。因此，微生物對熱失活非常敏感。
研究表明，在一定溫度下加熱一段時間可以破壞病原體或者是令人討厭的生物體。通常在60-70℃（濕熱）的溫度下，加熱5-10min?？梢云茐姆茄挎呒毦脱挎呒毦姆切菝唧w的活性。利用加熱滅菌，在70℃條件下加熱30min可以消滅污泥中的病原體。但在較低溫度下（50-60℃），一些病原菌的滅活則可長達60d。因此堆肥過程中保持60℃以上溫度一段時間是必須的。
堆肥制作過程中，必要時應(yīng)進行翻堆。一般在堆溫越過高峰開始降溫時進行，翻堆可以使內(nèi)層外層分解溫度不同的物質(zhì)重新混合均勻。如濕度不足可補加一些水，促進堆肥均勻腐熟。
堆肥過程中的各種生物、微生物的死亡、更替及物質(zhì)形態(tài)轉(zhuǎn)化都是同時進行的，上述分塊介紹是從不同角度對堆肥發(fā)酵原理進行了簡單介紹，無論是從熱力學(xué)、生物學(xué)還是物質(zhì)轉(zhuǎn)化角度，這些反應(yīng)都不是幾天或十幾天這么短時間能夠完成的，這也是為什么即使各種溫度、濕度、水分、微生物等條件都控制的很好的前提下，堆肥仍要經(jīng)歷45-60天時間的原因。
附錄：成熟堆肥的指標(biāo)：
項目 指標(biāo)
N(%) ＞2
C/N ＜20
灰分(%) 10-20
水分(%) 10-20
P(%) 0.15-1.5
持水量(%) 150-200
陽離子交換量(cmol/kg) 75-100
還原糖(%) ＜35
顏色 棕黑
氣味 泥土氣
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