園林廢棄物堆肥應(yīng)用及技術(shù)的研究進(jìn)展

韓華國，杜 康，丁佳云，蔡龍飛

（常州新園市政綠化有限公司，江蘇常州213000）

1 園林廢棄物的概念及特征

園林廢棄物是指在綠化美化過程中產(chǎn)生的枯枝、落葉、草屑、花卉枯枝及其他綠化修剪物等[1]，成分主要以有機(jī)質(zhì)為主，富含纖維素、木質(zhì)素。隨經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，人民美好生活的需要日益增長導(dǎo)致園林事業(yè)發(fā)展迅速，園林廢棄物的產(chǎn)生量也在迅速增加。過去在園林綠地的養(yǎng)護(hù)管理中，通過焚燒、填埋等方法將其清除干凈，這個過程造成植物葉片和枝干中的營養(yǎng)元素不能歸還綠地，進(jìn)而影響了園林綠地生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)，使其養(yǎng)分收支不平衡，土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，土壤板結(jié)，土壤質(zhì)量變差[2]。

園林廢棄物來源于植物，根據(jù)產(chǎn)生來源不同分成兩大類，一是植物因其自身的新陳代謝而自然產(chǎn)生的枯枝、落葉、草屑、殘花等，二是因城市綠化需要，修剪過程中產(chǎn)生的大量修剪物等，它們均是屬于光合作用后的產(chǎn)物，是可再生能源，因此，具有可再生的能力。目前，我國對于生態(tài)文明建設(shè)的重視日益增強(qiáng)，城市綠化面積日益擴(kuò)大，園林廢棄物的量也迅猛增加。若對園林廢棄物，加以科學(xué)有效的方法措施可以充分發(fā)揮其可再生性[3]，從而將園林廢棄物“變廢為寶”。合理地處理日益增加的園林廢棄物已成為當(dāng)今社會亟待解決的問題，也是目前研究的熱點和發(fā)展趨勢[4]。園林廢棄物的利用方式多樣，主要作為地表覆蓋物、生物質(zhì)能源、培育食用菌、制成各種木塑工藝等[5]，目前將園林廢棄物堆腐形成有機(jī)肥是資源化利用園林廢棄物的一個重要途徑[1]。

2 園林廢棄物的處理和應(yīng)用

堆肥化就是在人工控制下，在一定的水分、C/N和通風(fēng)條件下通過微生物的發(fā)酵作用，將有機(jī)廢物轉(zhuǎn)變?yōu)榉柿系倪^程。在這種堆肥化過程中，有機(jī)物由不穩(wěn)定轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)物質(zhì)，是有機(jī)廢物在好氧或厭氧的條件下依靠細(xì)菌、放線菌、真菌等的作用下使有機(jī)物得以降解的生化過程。在發(fā)酵的過程中，微生物對C，N的需求比較高，添加生物菌劑使堆肥腐熟速度加快，堆料的理化性質(zhì)得以改善。一個完整的堆肥過程中，各種微生物利用廢物和階段產(chǎn)物作為食物和能量的來源，它們的群落結(jié)構(gòu)更替十分快速，這種過程一直進(jìn)行到穩(wěn)定的腐殖物質(zhì)形成為止。所以，堆肥腐熟就是各種微生物共同作用，將物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為腐殖物質(zhì)的動態(tài)過程[6-8]。

好氧堆肥是園林廢棄物資源化利用的一種重要途徑。它是在有氧氣的條件下，借助好氧微生物（主要是好氧菌）的作用來進(jìn)行的。微生物通過自身的生命活動——氧化、還原、合成等過程，把一部分被吸收的有機(jī)物氧化成簡單的無機(jī)物，并放出生物生長活動所需要的能量，產(chǎn)生的高溫一般在50～65℃，稱為高溫堆肥[9]。一方面堆肥化處理能夠節(jié)約園林廢棄物的填埋體積，另一方面堆肥產(chǎn)品可以作為無土栽培基質(zhì)或有機(jī)肥料[10]。同時，堆肥化處理的技術(shù)相較于其他處理方式更安全也更經(jīng)濟(jì)，具有非常巨大的發(fā)展?jié)摿4]。DAWSON等[11]研究也表明，園林廢棄物經(jīng)過微生物降解方式對其進(jìn)行堆肥化處理，其堆肥產(chǎn)品能夠用于植物栽培。

園林廢棄物堆肥化是將植物自身生長代謝或養(yǎng)護(hù)管理過程中產(chǎn)生的枯枝、落葉、草屑、花卉枯枝及其他綠化修剪物等，作為園林廢棄物堆肥原料，控制一定的水分、C/N等，在適宜條件下通過微生物的發(fā)酵作用，將有機(jī)物由不穩(wěn)定轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)物質(zhì)，即最終腐熟的堆肥產(chǎn)品[12]。在生產(chǎn)實踐中，堆肥的產(chǎn)品通常被用作有機(jī)肥料、土壤改良劑和栽培基質(zhì)等。但不像泥炭土栽培基質(zhì)被廣泛利用。

2.1 有機(jī)肥料

有機(jī)肥料通常是指由動植物的殘體或排泄物構(gòu)成[13]。將有機(jī)肥料施用于農(nóng)田，不僅可以給植物帶來各種有效的營養(yǎng)元素，還能夠作為土壤有機(jī)質(zhì)的來源，提高土壤微生物的代謝繁殖能力，同時，有機(jī)肥料可改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤的緩沖能力。

沈洪艷等[14]將園林廢棄物堆肥產(chǎn)品作為有機(jī)肥料施于土壤中，草炭組為對照，研究發(fā)現(xiàn)，植物群落的各項生物量均高于對照組，同時堆肥產(chǎn)品還明顯地提高了土壤的肥力，起到了明顯的改良作用。有研究者施用園林廢棄物堆制的有機(jī)肥到土壤中，認(rèn)為有毒性物質(zhì)產(chǎn)生，從而威脅到植物本身，因此，研究者對敏感性進(jìn)行研究分析，建立了關(guān)于有機(jī)肥穩(wěn)定性和危害植物毒性的反曲線模型[15]。

也有研究者在堆肥的過程中，利用蚯蚓生物反應(yīng)器，再加入高溫降解菌劑，提高對難降解物質(zhì)的降解速度，得到了質(zhì)量優(yōu)良的有機(jī)肥料[16]。

2.2 土壤改良劑

園林廢棄物堆肥產(chǎn)品可作為土壤改良劑施入土壤中，可改善土壤的理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤肥力。由于堆肥形成的腐殖質(zhì)帶有負(fù)電荷，而園林廢棄物成分中氮、鉀等物質(zhì)是以陽離子作為存在形式，腐殖質(zhì)能吸附這些物質(zhì)，所以，堆肥能大大減少營養(yǎng)元素的流失，從而增強(qiáng)土壤肥力[17]。大量研究發(fā)現(xiàn)，堆肥產(chǎn)品施加到土壤中可大大增強(qiáng)土壤的理化性質(zhì)，增加土壤中各種營養(yǎng)元素的含量，包括N，P，K和多種必要的中微量元素，調(diào)節(jié)土壤中的酸堿性，還能夠改善土壤的結(jié)構(gòu)和持水能力等[18-19]。堆肥制成的有機(jī)質(zhì)具有優(yōu)良的腐殖化程度，對土壤的改良效果顯著[20]。有研究者認(rèn)為，由于通過堆肥產(chǎn)生的腐殖質(zhì)中有部分物質(zhì)擁有螯合的功能，結(jié)合土壤中對植物有危害的活性物質(zhì)銅、鋁、鎘等，讓它們成為非活性物質(zhì)，減少其與磷酸作用而產(chǎn)生的不良后果，從而減少了重金屬對植物的危害性。也有研究認(rèn)為，堆肥產(chǎn)品施加于污染的土壤中具有一定的修復(fù)作用[21-22]，他們將黑麥草作為試驗材料，對污染土壤的理化性質(zhì)、無機(jī)成分、不同重金屬含量和植物生長量等各種指標(biāo)進(jìn)行測量，得到園林廢棄物堆肥制成的堆肥產(chǎn)品能提高污染土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，降低重金屬危害，同時還具有促進(jìn)生物量增加的能力[23]。

2.3 栽培基質(zhì)

有機(jī)基質(zhì)是由各種有機(jī)生物殘體及其衍生物構(gòu)成的生態(tài)型基質(zhì)物質(zhì)，是一種可再生的節(jié)約型清潔資源，內(nèi)含多種營養(yǎng)元素，具有良好的緩沖能力[4]。園林廢棄物堆腐形成的基質(zhì)能用作栽培材料，將其與泥炭、草炭等物質(zhì)通過合理的配比可用于植物的栽培。美國研究者于1989年研究發(fā)現(xiàn)，將腐爛的樹皮和泥炭作為基質(zhì)，有很好的持水能力和透水性，適合作為花卉的無土栽培材料[24-25]。美國的愛荷華州佩拉鎮(zhèn)及伊利諾伊州芝加哥市的綠化區(qū)常能見到以園林廢棄物堆肥產(chǎn)品作為栽培基質(zhì)用于花卉栽培；而在英國、法國、德國等國家，木屑常被堆肥腐熟當(dāng)做栽培基質(zhì)，近年來木屑機(jī)制相關(guān)的研究日益增多[26]。安大略湖園藝研究中心研究者一直探索環(huán)境友好與苗圃容器生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，其試驗了上百種廢棄物所制成的栽培基質(zhì)，各種栽培試驗都表明，用園林廢棄物作為堆肥原料制得的基質(zhì)能夠栽培植物[27]。上海市政府部門大力支持園林廢棄物再利用，相關(guān)研究人員根據(jù)自主研發(fā)的發(fā)酵技術(shù)對園林廢棄物堆肥腐熟，并用堆肥腐熟原料作為栽培基質(zhì)開發(fā)出適用于園林植物栽培的系列產(chǎn)品[28-30]。

3 園林廢棄物堆肥化處理關(guān)鍵技術(shù)

在堆肥的過程中，需要控制影響堆肥的各種因素，它們決定微生物作用的程度、影響堆肥過程的快慢和堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量[31-32]。

3.1 粒徑調(diào)節(jié)

粒徑調(diào)節(jié)主要是通過粉碎機(jī)粉碎處理，在考慮經(jīng)濟(jì)成本與發(fā)酵的前提下，將園林廢棄物原料的粒徑控制在一定范圍內(nèi)，促進(jìn)堆肥化進(jìn)程、增強(qiáng)發(fā)酵效果并提高產(chǎn)品質(zhì)量。一般控制園林廢棄物原料的粒徑為50 mm以下，從理論上講，粒徑越小，越容易分解。但有研究表明，園林廢棄物的粒徑適宜范圍為12～60 mm，考慮到增加物料的表面積的同時，還必須保證物料有一定的孔隙度，便于通風(fēng)，使物料能夠獲得足夠氧氣。最佳粒徑應(yīng)隨園林廢棄物的物理特性而變化[17]。

3.2 溫度

溫度是堆肥過程中微生物活動的反映，是影響微生物活動和堆肥工藝過程的重要因素。堆肥過程中溫度控制十分必要。微生物在適宜溫度條件下迅速大量繁殖，它們在利用有機(jī)物的過程中，有一部分轉(zhuǎn)化成熱量，堆體溫度不斷上升，適宜的堆體溫度可使堆肥進(jìn)程加速，溫度過高或過低都會減緩反應(yīng)速度。因此，適宜的堆體溫度應(yīng)控制在45～65℃[33]。

3.3 通氣供氧

通氣供氧是堆肥成功的重要因素之一。通常堆體中氧氣量控制在5%～15%。若堆體中氧氣含量不足，微生物處于厭氧狀態(tài)，使降解速度減緩，同時使堆體溫度下降。若堆體中氧氣含量過高，也會影響堆體溫度的上升，導(dǎo)致部分病原菌和蟲卵等未被完全殺死。通風(fēng)供氧主要有為堆體內(nèi)的微生物提供氧氣、調(diào)節(jié)溫度、散除水分等作用[34]。通氣常采用自然通風(fēng)、翻堆通風(fēng)、鼓風(fēng)等方式。

3.4 C/N調(diào)節(jié)

碳氮比（C/N）是指碳元素和氮元素的物質(zhì)的量比值。堆肥過程中，碳源是微生物合成自身細(xì)胞結(jié)構(gòu)的物質(zhì)和能源物質(zhì)，也是微生物細(xì)胞構(gòu)成的基本材料[35]。堆體中碳源能被微生物利用并轉(zhuǎn)化成為腐殖質(zhì)和CO2，氮源則以氨氣的形式散失，或變成硝酸鹽、亞硝酸鹽，或是由生物體同化吸收，主要消耗在原生質(zhì)合成而留于系統(tǒng)內(nèi)。堆肥初期的C/N一般在20/1～40/1比較適宜，而比值為25/1時最優(yōu)[17]。C/N過高和過低均不利于微生物活動，當(dāng)C/N過高時，微生物通過自身繁殖代謝產(chǎn)生過多的碳源，次級代謝減弱，導(dǎo)致有機(jī)物降解速度減緩；當(dāng)C/N過低時，微生物自身繁殖代謝會受到阻礙，次級代謝過強(qiáng)，造成氮源過多轉(zhuǎn)化為氨氣，揮發(fā)氮源，導(dǎo)致堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量下降。因此，適宜的C/N能使微生物生長良好，促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)分解，加速堆肥進(jìn)程。部分研究者認(rèn)為，通過添加外源磷素調(diào)節(jié)碳磷比（C/P）在75/1～150/1，也可以供給堆肥微生物能量，從而促進(jìn)其生物活性，加快堆體的腐熟速度[6]。

3.5 水分含量

在堆肥過程中，水分是非常重要的物理因素[1]。水分含量是指整個堆體的含水量。其主要作用有2點：（1）溶解有機(jī)物，參與微生物的新陳代謝；（2）水分揮發(fā)時帶走熱量，起調(diào)節(jié)堆肥溫度的作用。有機(jī)物堆肥原料的最佳含水量通常是在50%～60%。堆肥原料水分的多少直接影響好氧堆肥反應(yīng)速率的快慢、影響堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至還關(guān)系到好氧堆肥工藝的成敗。所以，堆肥過程中對于水分的控制非常重要。在腐熟的階段，堆體中的水分含量仍要保持在20%～30%，一方面增強(qiáng)部分微生物的活性，加快堆肥的后熟和提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，另一方面還能有效減少翻堆時造成的粉塵污染[17]。

3.6 pH值

在堆肥過程中，堆體pH值也是影響微生物生長的重要因素之一，是反映有機(jī)物降解的一項重要指標(biāo)[36]。研究表明，多數(shù)堆肥微生物適合在中性或偏堿性的環(huán)境中繁殖與活動，因此，當(dāng)堆體的pH值在6～8時，是適宜堆肥微生物生長的。堆肥初始階段，由于微生物代謝生成有機(jī)酸導(dǎo)致pH值下降呈酸性（可降至5.0），有利于真菌的生長和木質(zhì)素、纖維素的分解；后來有機(jī)酸積累被微生物利用并產(chǎn)生堿性物質(zhì)，部分有機(jī)酸隨堆體溫度升高而揮發(fā)，pH值又升高，最終堆肥產(chǎn)品pH值一般在8～9[37]。

3.7 添加微生物菌劑

添加微生物菌劑可以加快堆肥的進(jìn)程，提高堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量[38]。當(dāng)前，園林廢棄物堆肥過程中加入的菌劑多為秸稈等農(nóng)作物堆肥所用的微生物菌劑。李芳等[39]在對落葉堆肥處理中添加農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥用的微生物菌劑，分析對堆肥養(yǎng)分的變化和堆肥腐熟度的影響，結(jié)果表明，加入了有機(jī)廢物發(fā)酵菌曲的堆肥效果好，可提高園林廢棄物腐熟堆肥中的總養(yǎng)分含量。而陳祥等[40]研究表明，菌劑添加對堆肥的影響小于含水率、C/N和翻堆時間等因素。

4 展望

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，園林綠化水平及規(guī)模顯著提高，園林廢棄物大量增加，園林廢棄物堆肥處理作為一個新興的行業(yè)，具有非常廣闊的發(fā)展前景。國內(nèi)經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的城市已經(jīng)開始對園林植物廢棄物進(jìn)行集中收集，并進(jìn)行堆肥化處理，如北京、上海、深圳等已頒布了相關(guān)政策，鼓勵對園林廢棄物進(jìn)行簡易堆肥處理，同時免費為其提供堆肥技術(shù)，鼓勵建設(shè)堆肥廠等。但遺憾的是，對于園林廢棄物處理的資源化利用和處理技術(shù)方法等還有許多方面需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善，例如，添加微生物菌劑可以促進(jìn)堆肥過程，但目前園林廢棄物堆肥用的菌劑多是針對農(nóng)作物廢棄物的，針對園林廢棄物的性質(zhì)，研究適宜的專用菌劑，仍需要進(jìn)一步探索。所以，需要大力研究其處置處理的方法，從而提高園林廢棄物資源化利用的效率，促進(jìn)社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的共同提高。